摘要：在自動(dòng)化儀表系統(tǒng)中,電纜的屏蔽接地是抗干擾的一項(xiàng)重要措施,在工程領(lǐng)域中，電纜的屏蔽有單端接地和兩端接地兩種接法，單端接地主要是抗容性耦合，兩端接地是抗感性耦合。本文詳細(xì)的分析了電纜屏蔽單端接地和兩端接地的區(qū)別和抗干擾原理，提出了總屏加分屏結(jié)合的方案。并分析了屏蔽雙絞線的抗干擾原理。

引言：儀表信號(hào)的傳輸和控制電纜的選擇，通常只考慮導(dǎo)線的電阻，來減少傳輸過程中信號(hào)的衰減。但是導(dǎo)線在傳輸過程中都存在分布電容和電感現(xiàn)象，尤其在傳送高頻信號(hào)的情況下，分布參數(shù)的影響比較大。因此，對(duì)于消除儀表電纜電感和電容的分布對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸有很主要的意義。

一、電纜屏蔽概述

電纜是儀表控制回路中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，電纜的選擇錯(cuò)誤或者屏蔽的接地不良，容易導(dǎo)致電場的耦合對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，如果電纜屏蔽沒有良好的接地或者傳輸導(dǎo)線過長時(shí)，它類似于一根拾取輻射噪聲的高效天線。屏蔽分為總屏和分屏，總屏和分屏之間的電阻為大于1兆歐，分屏之間的電阻為大于5兆歐。屏蔽電纜的屏蔽層主要由銅、鋁等非磁性材料制成。屏蔽層的效果不是由于金屬體本身對(duì)電場、磁場的反射、吸收而消除的，而是由于屏蔽層的接地消除的。不同的接地形式將直接影響屏蔽效果，消除電場、磁場屏蔽層的接地方式各有不同。

二、容性耦合及消除的方法

2.1容性耦合的概念

電容性耦合（The Capacitive Coupling）也稱為電耦合，它是由兩電路間的電場相互作用所引起。電容性耦合引起的感應(yīng)電壓正比于干擾源的工作頻率、敏感電路對(duì)地的電阻、耦合電容、干擾源電壓。電容性耦合主要是射頻頻率形成干擾，頻率越高，電容性耦合越明顯。

2.2單端接地防止容性耦合

在實(shí)際的應(yīng)用中，電場的干擾主要是交變電場。如下圖1所示，A為交變電場干擾源，B為儀表設(shè)備，干擾源和儀表設(shè)備之間有一定的距離，儀表設(shè)備受交變電場A的干擾。

圖1：交變電場的屏蔽

干擾電壓通過C3耦合到儀表設(shè)備上的感應(yīng)電壓為：

當(dāng)頻率較低時(shí)，上式可以表示為：

從公式可以看到干擾源在儀表設(shè)備上產(chǎn)生的干擾電壓 UB 與 頻率和耦合電容成正比，耦合電容越大干擾電壓越大。如果在干擾源A和儀表設(shè)備B間插入一個(gè)金屬隔板，如圖 2所示：

圖2：金屬板的電場屏蔽

在干擾源A與B間加入金屬板S后，在金屬板上產(chǎn)生的干擾電壓為：

由于金屬板的隔離作用，C3很小可以忽略，那么金屬板S在儀表設(shè)備B上產(chǎn)生的干擾電壓為：

耦合電容與導(dǎo)體的面積成正比，與距離成反比。由于金屬板的加入，使得干擾源和金屬板之間的距離縮小，金屬板面積較大，所以C1、C2大于C3，由此可見加入一金屬板對(duì)儀表設(shè)備B上產(chǎn)生的干擾電壓會(huì)更大，如果將金屬板S接地，則Zs為0，Us=0,那么UB =0，即干擾源對(duì)儀表設(shè)備的干擾電壓為零。所以屏蔽在交變電場中必須接地才能有效的抗容性干擾。單端接地就是利用抑制電勢電位差達(dá)到消除電磁干擾的目的。

如果受感應(yīng)導(dǎo)體的屏蔽層不接地，圖3中所示，由于屏蔽層采用多芯屏蔽網(wǎng)，大面積的屏蔽層就相當(dāng)于在噪聲導(dǎo)體和受感應(yīng)導(dǎo)體之間加了一層金屬板，增加了耦合量，反而增加信號(hào)的干擾。

圖3：電場干擾－屏蔽層不接地

只有將屏蔽層單點(diǎn)接地，則干擾電壓耦合到屏蔽層上的電壓被釋放為零，屏蔽層和傳輸導(dǎo)線之間的容性耦合也為零，從而達(dá)到屏蔽的效果。

在低頻的情況下單端接地可以達(dá)到很好的屏蔽效果，如果頻率較高或?qū)Ь€過長，屏蔽層的阻抗較大，屏蔽的效果被消減。

三、 感性耦合及消除方法

3.1環(huán)流

當(dāng)現(xiàn)場儀表到儀表機(jī)柜間相距較遠(yuǎn)時(shí)，儀表電纜屏蔽層兩端接地，由于兩接地點(diǎn)之間存在電位差，在電纜屏蔽層之間將形成地環(huán)流。如圖4所示，屏蔽層兩端的環(huán)流經(jīng)過電纜屏蔽層到控制系統(tǒng)。由于屏蔽層之間的環(huán)流，和儀表電纜之間產(chǎn)生共模噪聲電壓，并通過分布參數(shù)耦合至信號(hào)線，或直接連接到電平信號(hào)線上，將產(chǎn)生很大的串模干擾直接導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的誤差或者錯(cuò)誤。

圖4：屏蔽層間的環(huán)流

3.2感性耦合的概念

電感性耦合（Inductive Coupling）也稱為磁耦合，它是由兩電路間的磁場相互作用所引起。當(dāng)電流在閉合電路中流動(dòng)時(shí)，該電流就會(huì)產(chǎn)生與此電流成正比的磁通量。該磁通量與電流的比值稱為電感。

3.3兩端接地消除感性耦合

兩端接地能很好的消除感性耦合，由于接地兩端電勢不對(duì)等，兩端接地時(shí)就會(huì)形成環(huán)路電流，根據(jù)楞次定律，閉合導(dǎo)體中有磁通量發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)感應(yīng)出阻礙磁通量發(fā)生變化的電流，當(dāng)有強(qiáng)磁場變化，例如感應(yīng)雷擊發(fā)生時(shí)，強(qiáng)磁場瞬間改變兩端接地所形成環(huán)路中的磁通量，屏蔽層就會(huì)產(chǎn)生阻礙磁通量發(fā)生變化的反擊電流，從而消除雷擊干擾。如圖5所示。

圖5屏蔽兩端接地消除感性耦合

如果對(duì)導(dǎo)線AB增加屏蔽體，并按圖5連接。電流在流經(jīng)負(fù)載后，全部通過導(dǎo)體的屏蔽體返回到干擾源的地。由于流過屏蔽體上的電流也產(chǎn)生磁通，且與導(dǎo)體產(chǎn)生的磁通大小相等而方向相反，這樣在屏蔽體的外面，不存在磁通，即導(dǎo)線AB被電磁屏蔽了。

如圖6所示，當(dāng)有強(qiáng)磁場干擾或者雷電感應(yīng)時(shí)，儀表電纜的屏蔽耦合面比較。

圖6 屏蔽對(duì)雷擊相應(yīng)感應(yīng)環(huán)

四、儀表電纜的屏蔽接地

電纜屏蔽層接地有兩種方式：一端接地或兩端接地。對(duì)于通過電容耦合的電場干擾，一端接地即可大大降低干擾電壓，發(fā)揮屏蔽作用。對(duì)于通過感應(yīng)耦合的磁場干擾，一點(diǎn)接起不到屏蔽作用。當(dāng)儀表電纜兩端接地時(shí)，由于兩端電勢的不同，在大地和屏蔽層中有環(huán)流產(chǎn)生，形成一個(gè)閉合的回路。在電纜的屏蔽層中將感應(yīng)出屏蔽電流，屏蔽電流和傳輸線纜之間有一定的電勢差，這個(gè)電勢差對(duì)傳輸電纜產(chǎn)生容性耦合。環(huán)流產(chǎn)生的容性耦合會(huì)對(duì)傳輸電纜造成一定的干擾， 所以儀表控制電纜采用總屏加分屏的方式，分屏單端接地時(shí)，消除總屏環(huán)流對(duì)電纜造成的容性干擾?？偲敛捎脙啥私拥兀?dāng)有大磁場干擾或者雷電感應(yīng)時(shí)，總屏蔽環(huán)路中的磁通量瞬間發(fā)生變化，同時(shí)產(chǎn)生阻礙磁通發(fā)生變化的磁通量，將使被屏蔽層完全包圍的電纜芯線中的磁通為零，屏蔽層形成了一個(gè)理想的法拉第籠。從而消除感性干擾。所以總屏加分屏的方法能較好的消除各種干擾，保證傳輸信號(hào)的準(zhǔn)確穩(wěn)定。保護(hù)電纜的金屬槽盒或者穿線管采用多點(diǎn)接地。

根據(jù)屏蔽接法的方式和特點(diǎn)，在處理控制系統(tǒng)的屏蔽時(shí)，需要考慮多個(gè)方面的因素。

1、減少導(dǎo)線間的串?dāng)_主要采用遠(yuǎn)離技術(shù)：儀表電纜信號(hào)鋪設(shè)時(shí)，必須遠(yuǎn)離動(dòng)力線路。如果不可避免的和動(dòng)力電纜接觸，要采取十字交叉的形式而不是平行于動(dòng)力線，盡量減少和動(dòng)力線的耦合面。

2、 模擬信號(hào)的傳輸選用雙絞屏蔽線較好。雙絞屏蔽線的信號(hào)線與其返回線絞合能減少感性耦合引起的干擾。絞合的兩條線阻抗一樣，自身產(chǎn)生的磁場干擾或外部磁場干擾都可以較好的抵消。同時(shí)，平衡式傳輸又獨(dú)具很強(qiáng)的抗共模干擾能力。

3、在安裝連接屏蔽電纜時(shí)，要特別保持屏蔽的完整性，拆斷或分開屏蔽將極大地降低屏蔽效率。

五、雙絞線的抗干擾分析

5.1雙絞線介紹

雙絞屏蔽是指電纜線芯中的兩芯線螺旋對(duì)稱絞合后再加總屏蔽的一種結(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)構(gòu)的兩芯線對(duì)周圍的場強(qiáng)、位置在無限長度里也都是相等的，并且在傳輸相反方向的電流時(shí)所產(chǎn)生的電磁干擾可以相互抵消，因而稱為平衡傳輸。雙絞線采用一對(duì)互相絕緣的金屬導(dǎo)線互相絞合的方式來抵御一部分外界電磁波干擾,更主要的是降低自身信號(hào)的對(duì)外干擾。把兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起,可以降低信號(hào)干擾的程度,每一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波會(huì)被另一根線上發(fā)出的電波抵消。雙絞線作為綜合布線工程中最常用的一種傳輸介質(zhì)與其他傳輸介質(zhì)相比,雙絞線雖然在傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速度等方面均受到一定限制,但抗干擾能力強(qiáng)、布線容易、可靠性高、使用方便、價(jià)格較為低廉,所以是目前應(yīng)用比較多的傳輸導(dǎo)線,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)以及干擾較大的場所。

5.2、雙絞線消除干擾的原理

在雙絞線中，干擾主要來自外部干擾和同一電纜內(nèi)部對(duì)線之間的相互串?dāng)_。如圖7 所示，干擾信號(hào)對(duì)平行線的干擾， Us為干擾信號(hào)源，干擾電流Is在平行線的兩條導(dǎo)線L1、L2上產(chǎn)生的干擾電流分別是I1和I2。由于L1距離干擾源較近，因此，I1>I2，I=I1―I2≠0，有干擾電流存在。

圖7 平行線受干擾

干擾信號(hào)對(duì)扭絞雙線回路的干擾，如圖8 所示。與圖7不同的是，雙線回路在中點(diǎn)位置進(jìn)行了一次扭絞。在L1上存在干擾電流I11和I12，在L2上存在干擾電流I21和I22, 干擾電流I=I21+I22-I11-I12，由于兩段線路的條件相同，所以，總干擾電流I=0。所以只要設(shè)置合理的絞距，就能達(dá)到消除干擾的目的。

圖8 雙絞線消除干擾原理

使用雙絞線也可以達(dá)到很好的磁場屏蔽效果，如圖9所示，干擾源的磁力線穿過雙絞線的每個(gè)絞合結(jié)，每個(gè)絞合結(jié)的面積相等，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓相同，但是方向相反，感應(yīng)電壓相互抵消。同樣主動(dòng)屏蔽時(shí)，每個(gè)絞合結(jié)在被感應(yīng)側(cè)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大小相等、方向相反而相互抵消，所以雙絞線在主動(dòng)、被動(dòng)屏蔽的方式下都可以對(duì)磁場進(jìn)行屏蔽。

圖9

由于雙絞線使用十分方便，價(jià)格較低，屏蔽效果也較好，所以，在工程中常用到它。如果雙絞線再加金屬編織網(wǎng)就可以克服雙絞線易受靜電感應(yīng)的缺點(diǎn)，使其屏蔽效果更好。

六、 結(jié)束語

儀表電纜的屏蔽是儀表準(zhǔn)確運(yùn)行一項(xiàng)重要措施，根據(jù)干擾源的不同，分為單端接地和兩端接地來消除。為了同時(shí)消除容性耦合和感性耦合，在工程上，一般采用總屏和分屏的方式，總屏蔽消除感性耦合，分屏消除容性耦合。儀表的電纜橋架和穿線管要采用多點(diǎn)接地。

作者介紹：

何 龍： 男，1978年9月出生，自控工程師，就職于中國石化濟(jì)南分公司，從事技術(shù)管理工作。曾在北大核心期刊發(fā)表論文2篇，國家一級(jí)期刊發(fā)表論文4篇。