关于仪表电缆屏蔽层接地的分析

祝 晋，庞家栋

（万宝矿产有限公司，北京 100053）

0 引言

在自控专业工程设计工作中，仪表系统的电缆接地是必须要考虑的内容。在本公司的设计过程中，仪表系统采用的电缆通常为控制电缆和计算机电缆两种类型，其中控制电缆为单层屏蔽结构，而计算机电缆为总屏加分屏结构。在进行屏蔽层接地设计的时候，由于标准描述不清或者标准没有提及，导致在设计中遇到困难并且无法确定设计依据。本文针对现有的仪表标准和电气标准，结合在实际设计中遇到的问题，对仪表电缆的屏蔽层接地进行分析和解读，并提出接地方案。

1 噪声和干扰

噪声，是指除了信号发生源以外的内容，叠加在信号之上，对信号本身产生影响。噪声由噪声源、传播途径和感受体组成，如图1 所示。通过图1 可以发现，想要抑制噪声所产生的干扰可以分别从以下3 个方面入手：①抑制噪声源，减少噪声的发生；②减小传播路径上的噪声干扰量，减少干扰程度；③提高感受体的抗干扰能力，屏蔽干扰[1]。

电缆作为信号传输的媒介，需要有效地减少噪声耦合对信号带来的影响。噪声耦合的途径大致有以下5 种：①导线直接传导耦合；②经公共阻抗的耦合；③电容性耦合；④电感性耦合；⑤电磁场耦合。

图1 噪声传播路径Fig.1 Noise propagation path

导线直接传导耦合是指噪声通过信号线将信号源内的噪声传导给接收端，也就是导线直接传导耦合，其实就是信号自身携带的噪声。抑制此类噪声的方法基本就是减少信号源的噪声，或者在接收端通过增加滤波的方式减少噪声。

经公共阻抗的耦合是指两个回路共用一个公共阻抗的情况下，一个回路的噪声干扰通过公共连接点传入另一个回路导致干扰的发生，如图2 所示。

回路1 的信号异常会引起公共阻抗顶端电位变化，从而影响到回路2 的信号，为信号2 带来干扰。抑制此类干扰的基本方法是减小公共阻抗的阻值。

电容性耦合又称静电耦合或静电感应，它主要由电路间的电场相互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着分布电容。

电感性耦合又称为电磁耦合或电磁感应，它是由电路间磁场的相互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在互感[2]。

以上4 种干扰称为传导性耦合。电磁场辐射，又称为辐射耦合，辐射干扰通常是指干扰源通过空间传输把干扰叠加到另一个网络，干扰源主要是各类天线等或者能够发射出电磁波的设备，发射的电磁波影响到了其他电子设备的正常工作。电磁干扰源包括微处理器、微控制器、传送器、静电放电和瞬时功率执行元件，如机电式继电器、开关电源、雷电等。在微控制器系统中，时钟电路是最大的宽带噪声发生器。为了抑制电磁辐射，就要引入电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）的概念，电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中，符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。抑制电磁波干扰的主要方法就是屏蔽：1）用金属屏蔽体把电磁场包起来，防止电磁辐射向外扩散；2）对受干扰对象增加屏蔽体，保护对象不受电辐射的影响。屏蔽体对辐射电磁波衰减作用机理如图3 所示。屏蔽效果取决于：①电磁波频率；②屏蔽体的几何形状；③材料性质。

2 仪表系统接地设计规范

图2 噪声经公共阻抗的耦合Fig.2 Coupling of noise via common impedance

图3 屏蔽体对辐射电磁波衰减Fig.3 Attenuation of shielding body to radiated electromagnetic waves

在HG/T20513-2014《仪表系统接地设计规范》中，将仪表系统接地分为保护接地、工作接地和本安接地3 种类型，其中保护接地是指仪表的金属外壳及自控设备正常不带电的金属部分，由于各种原因而可能带危险电压而采取的保护措施。仪表常用的信号电压为24V，根据标准可不做保护接地。本安接地是指本质安全仪表在安全功能上需要接地的部分，根据仪表厂商要求做本安接地。工作接地指信号回路接地和屏蔽接地。可见本文讨论的控制电缆的屏蔽层接地，按照分类，属于工作接地。参照标准5.1.2，现场仪表工作接地一般应在控制室侧接地[3]。如图4 所示。

从图4 中可以看出标准要求的接地方式为单点接地，屏蔽层和信号接地都应在控制室侧完成。同时参照标准5.1.2的条文说明，每一个仪表信号回路应只有一个接地点。在SH/T3081-2003《石油化工仪表接地设计规范》中，第3.2.4条也要求了信号屏蔽电缆的屏蔽层接地应为单点接地[3]。

从标准上来理解，就是仪表电缆的屏蔽层接地，只允许在控制室侧进行单点接地，在以往的设计中，通常都是按照这个理解去进行设计的。但是经过仔细思考就会发现，如果是控制电缆的话，电缆屏蔽层只有一层，可以直接按照标准在控制室侧完成单点接地。但是，如果采用的是计算机电缆的话，计算机电缆的屏蔽是总屏加分屏的两层屏蔽结构。如果两层屏蔽层都按照标准要求进行控制室侧的单点接地的话，那双层屏蔽层有什么意义，和只要总屏蔽或者只要分屏蔽又有什么区别。

图4 信号回路在集中安装仪表侧接地时的工作接地方法Fig.4 Working grounding method when the signal loop is groundedon the instrument side of the centralized installation

3 屏蔽层作用的分析

为了解决总屏分屏电缆的接地问题，首先要分析屏蔽层接地的目的。屏蔽的作用是隔离外界的各种因素对电缆中信号的干扰[4]，电缆屏蔽层接地有两种方式：一点接地或两点接地。单点接地的目的是克服电场耦合干扰，造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合[5]，如图5 所示。

两根平行导线之间产生了耦合电容CS，同时在导体上产生了感应电压Un见式（1）。其中，Un为感应电压；US为噪声电压；Z 为CL和RL的并联阻抗；ω 为干扰源的角频率[6]。

在进行了屏蔽层防护后，屏蔽层就取代了被保护的电缆，既只在屏蔽层上产生感应电压Un。将屏蔽层进行接地以后，因为屏蔽层上的电压为零，所以受感导体上的噪声电压也为零，这样就可以起到抑制电场耦合的作用[7]。

两点接地的目的是为了防止电缆信号因为受到电磁干扰造成误动作[8]。当外界因为雷击或动力电缆发生电流变化时，会在信号电缆周围产生一个变化的磁场，信号电缆在磁场中就会感应出电动势Un见式（2）。其中，Un为感应电压；ω 为干扰源的角频率；M 为互感磁场强度；I 为噪声源电流[9]。

图5 电容性耦合的产生Fig.5 Generation of capacitive coupling

表1 屏蔽层的接地方式Table 1 Grounding method of shielding layer

因为噪声源回路的电流I 变化是不可控的，有效的方法是减小互感M。在进行屏蔽层防护后，由于屏蔽电缆的屏蔽层两端接地，使电磁感应在屏蔽层上产生一个反向的感应电流，这个感应电流又会产生一个与干扰相反的二次场，起到抵消主干扰磁场的作用，这种方式可以有效降低磁场耦合的感应电压[10]。但是当屏蔽层两端接地时候，由于两点电位不同，可能会使屏蔽层内有电流流过，产生干扰电压[11]。

从以上两种接地方法的分析中可以得出，屏蔽层单点接地的目的是为了防止同一根电缆中的多芯信号电缆之间的相互干扰，而两端接地的目的是为了防止外界的电磁干扰。采用计算机电缆的总屏加分屏接地，最合理的接地方式应为外层屏蔽采用两端接地，可以减少外部产生的干扰，但是外屏蔽层可能产生电流，然后内屏蔽层采用单点接地，用来减少内部不同线芯之间的干扰，和外屏蔽层产生电流后造成的干扰[12]。这样做既能做到防护外在的电磁干扰，又能有效防护内部的相互干扰，即为最优方案[13]。

这一观点也经过了业内专家的认可，既在最新发布的SH/T3081-2019《石油化工仪表接地设计规范》[14]中已经对电缆屏蔽接地的方式进行了修改，见表1。明确规定了分屏总屏的内外两层屏蔽层的接地方式以及保护管铠装层的接地方式，从标准上肯定了本文的分析结论。

4 在工程中的应用

在工程设计中，一般只有模拟量信号的总电缆采用计算机电缆，既总屏加分屏的形式，如果选择采用SH 标准进行设计，那么只需要按照最新的石化标准对内外屏蔽层进行接地即可。但是，如果采用的是HG 标准进行设计，在保证计算机电缆内屏蔽单点接地，外屏蔽两点接地的同时，对于只有总屏蔽的控制电缆，如果只进行两点屏蔽的话，会产生一个感应电流，对电缆信号产生影响；如果在进行单点接地的同时，对走线的金属桥架或者金属穿管进行两点接地，这样外面的金属桥架或金属穿管就起到了防护电磁干扰的作用，而电缆的外屏蔽单点接地，防护了在金属桥架或金属穿管上所产生的电流带来的干扰，同时也符合了标准中对于屏蔽层单点接地的要求。

5 结论

电缆屏蔽层要根据实际情况及生产需要正确地选择接地方式，才能有效抑制干扰，保证信号准确无误。在设计工作中经常会碰到一些标准上讲的比较笼统或模糊不清的情况，这样就需要设计人员多思考，采用刨根问底的方式，从原理和依据上下功夫，揣摩标准编制的依据，以便更好地理解标准和更加可靠地完成设计工作。