4干扰屏蔽接地安全.docx

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4干扰屏蔽接地安全

电气培训资料

干扰、屏蔽、接地、安全

2005年5月25日

浙江大学精益机电技术工程有限公司

目录

干扰、屏蔽、接地、安全3

一、干扰3

1、干扰源3

2、干扰的途径4

3、干扰的危害5

4、抗干扰5

二、屏蔽6

三、接地8

1、地、接地、接地装置系统保护8

2、接地的作用8

3、接地系统的分类8

4、接地电阻及线径10

5、屏蔽线接地10

四、安全11

1、人体与电流11

2、安全电压11

3、接地电阻11

4、PE线与安全11

5、断零12

6、接地与接零13

干扰、屏蔽、接地、安全

工业控制系统中，稳定、可靠运行是该系统设计技术水平和施工质量的体现。

而干扰对稳定性、可靠性来说是“天敌”。

因此，设计、施工中应对抗干扰要有足够的重视。

了解电磁干扰的机理，认识干扰的危害，分析干扰的原因，掌握抗干扰的措施，是提高工业控制水平的有效途径。

屏蔽、接地是抗干扰的有效措施。

其内容、形式丰富，效果各有差异，应酌情采用。

由于屏蔽、接地涉及到弱电、强电、电磁场等多个临域；运行、检修及施工等多个环节，措施不当时，会引起人身伤亡、设备遭损。

所以安全也是抗干扰技术中必须考虑的因素。

工业控制技术是多学科多领域的综合技术。

一、干扰

工业控制系统中，所谓的干扰是指外界电磁场及本系统运行中自身产生的电磁场对本系统正常工作的干涉、扰动。

1、干扰源

1）大气中的雷电；输配电线路发生短路故障；大电流的断路器跳闸、合闸；熔断器的熔断；重载的大电动机起动；电弧炼钢等等系统外的du/dt、di/dt对工业控制系统都是干扰源。

这些干扰对本系统的影响程度,由幅值大小、空间介质、距离决定。

2）在工业控制系统内部，同样也有断路器、继电器、电动机等等，仅仅是容量小一些，但是距离却近得多。

因此du/dt、di/dt的影响要大一些。

3）另外，系统内采用变频器、UPS、整流器等，这些电力电子技术的设备均是非线性负荷，存在多次谐波,其奇次谐波叠加构成干扰源。

4）系统内接地产生的干扰

工程中不同的接地点总是存在一定的接地电阻。

当有电流流入大地时，电位就有波动，不同接地点之间就有电位差，就会有电流，该电流称为地环电流。

地环电流IG为I1和I2叠加。

以等效图分析。

图1中Es信号源，Ecm干扰源，EG地环电流。

设Es=0，则EG,Ecm产生IG，I1，I2，因Rs≠o,故I1≠I2，则在放大器的输入电阻Rs产生差模电压，造成共模形式的干扰。

2、干扰的途径

1）辐射

断路器、继电器的跳开、熔断器的熔断时产生电弧，以电磁场辐射形式出现。

2）传导

du/dt、di/dt沿电源线、信号线、接地线、屏蔽线、大地传递。

3）耦合

a）电场耦合

当有干扰电压V1在导线1传导时，导线周围就建立电场，与其平行导线2因与导线1之间有分布电容存在，干扰通过电容耦合到导线2上，可用公式表达。

电场耦合的干扰电压VN：

VN=

[1]

当C12〈〈C2G时，

VN=

[2]

b）磁场耦合

与通电导线周围建立电场相似，电器设备周围存在磁场。

当干扰源有突变磁链B穿越被干扰物2时；磁场耦合

VN=

[3]

其中B------干扰源1磁场链穿越被干扰物2的磁通密度。

A------被干扰物2感受磁感应的闭合面积。

ω-----干扰源的角频率。

θ------B、A矢量夹角。

3、干扰的危害

干扰就是对正常生产过程的干涉、扰动。

表现为：

1）雷击，操作过电压等造成设备烧坏，人身伤亡。

2）错误信息造成控制出错、停机，影响正常生产。

3）谐波造成指示灯、显示屏闪烁；电机振动，噪声增大；电压、电流功率表计的误差增大；电缆过热、绝缘老化。

电机输出力矩脉动，影响产品质量。

4、抗干扰

所谓抗干扰是针对干扰源对被干扰体的途径，原因所采取的措施，以消除、降低干扰对正常生产的影响。

抗干扰措施可归纳为抑制、隔离、消除几个方面。

1、抑制-------对电源信号源进行限制。

1）选用符合IEC61800-3标准的设备。

该标准可确保没有过量的电磁辐射传播到邻近的低压网络，如变频器等。

2）必要时可选用电力滤波器，其原理是对非线性负载电流波形，滤除基波、将剩余部分进行反相，通过控制IGBT逆变再输入电源。

3）必要时可选用抗干扰净化电力稳压器。

利用能量分配稳压技术，对噪声、尖峰电压吸收抑制。

4）采用浪涌保护器或电阻、电容、电感等组成的滤波电路。

5）继电器、电磁阀等线圈采用压敏电阻、RC滤波电路，二极管并联。

2、隔离------对干扰源进行屏蔽，以减小其影响。

1）对干扰源以金属柜、箱、板封闭隔离，如变频器单独装在箱柜中等。

也可对易被干扰的电路板进行金属封闭，如信号转换卡装入屏蔽盒隔离。

2）选用屏蔽电缆、屏蔽线，以减小耦合。

3）电缆敷设可采用动力电缆与控制电缆分离的方法，间距大于300MM，在局部交叉处可穿金属保护管。

4）控制电缆可用双绞线，双绞线单屏（统包屏蔽），双绞双屏。

5）变频器至电动机的电缆：

当电机功率>30KW时推荐用屏蔽电缆。

序号

相导线S（mm2）

接地线Sp（mm2）

1

S<16

S

2

16

16

3

35

S/2

6）　信号采用光电耦合、光纤。

3、消除------不让干扰起作用

消除的最佳方法是接地，接地的实质是等电位，导体两端等电位就没有电位差，就不会由电位差产生的电流、磁场，也不存在耦合问题。

大地是个大电容，把干扰引入大地。

通常就是把屏蔽的箱、柜、板、接地，屏蔽电缆的屏蔽层接地。

软件滤波是利用计算机软件技术，对输入信号进行处理，删除“毛刺”信号，达到去伪存真的目的。

从公式[2][3]分析采取有效措施的机理。

当ω不变时，减小干扰的途径：

1）C12减小，即分布电容减小。

如强弱电分开，远离干扰源导线直径的4倍。

2）C2G增大即导线2端增大滤波电容。

3）R减小即加大导线2截面积。

4）A减小，即信号线2闭合面积减小，如信号线与公共端双绞，信号电源与信号线尽可能不包抄，即电源与信号线不要形成可由磁力线穿越的大面积。

二、屏蔽线

屏蔽其含义隔离、阻挡。

就是不让无用的信号混入有用的信号，造成信号失真、误动。

屏蔽是克服耦合干扰最有效的方法。

对于电路中的器件常用板，盒等封装，也可对系统中干扰源进行全封闭金属封装。

如把PLC与变频器分别装在两个金属柜体中。

对于线路，选用屏蔽电缆或金属管穿电线方式，或走金属线槽。

1、材料屏蔽效果

.SE=A+R[4]

A--吸收损耗A=3。

34t（fµrσr）1/2

　t--厚度

f--电磁波频率

μr--磁导率，

σr--电导率

R--反射损耗，R=20lg（Zw/Zs）

Zw--波阻抗，

Zs--材料的特性阻抗

不同材料屏蔽效果：

优

差

银铜铝铁

2、屏蔽线的屏蔽层接地效果

1）单端接地：

图４中，I1=I2磁场干扰抵消。

2）两端接地：

图５中I2＋IG叠加，屏蔽效果下降，当IG中有电焊机电流时，屏蔽层易烧坏；

3）　不接地

图６中屏蔽层不接地，即屏蔽层悬浮，悬浮只能屏蔽电埸干扰，不能抑制磁场干扰。

双绞线是把公式[3]中A分成许多小回路，小回路面积相等方向相反，磁场干扰相互抵消。

双绞对电场耦合干扰无抑制能力。

双绞加屏蔽，价廉物美，每25.4mm6个扭绞，单端接地可达55dB衰减；双端接地可达13dB衰减。

三、接地

1、地、接地、接地装置系统保护

1）地是一个基准，如信号地、逻辑地等，用COM表示；

2）地是正常工作中的一个工作点，如电力系统的系统地、工作地，用PE表示；

3）接地是设备，人身保护的一个措施，如保护接地、安全接地、屏蔽接地、防雷接地、防静电接地，用PE、GND表示。

4）接地是把一些设备的公共点与连接起来。

公共点连接而不与大地相连称之谓悬浮地。

5）接地装置系统是由接地极、接地线、母排、接地对象组成的整体。

引入接地母排的概念是强调各设备一点接地，实现等电位，减小干扰。

2、接地的作用

1）大地是一个通道，如图7所示，接地故障时电流返回电源的途径，接地保护才起作用；

2）　大地是一个容器，是个大电容，释放静电、雷电及感应电，起到泄流、降压的作用，把干扰释放掉，让电气设备外壳与大地等电位，免除发生人身伤害，由此称保护地、安全地；

3）大地是个基准点。

在三相四线供电中发生一相接地时，保证另外两相对地电压稳定。

因此系统地又可称工作地。

3、接地系统的分类

1）　主要有TN、TT、IT

含义：

第一个字母T--------中性点直接接地；

I--------电源与大地隔离或一点高阻（大于1000欧）接地。

第二个字母T--------外壳直接接地；

　N-------外壳直接与中性点连接。

TN-C：

N与PE合一；

TN-S：

N与PE分开（变电所配电盘出线处算起）；

TN-C-S：

N与PE只在电源进线点合一，其后N，PE分开。

2）　TN-C

优点：

图８可省一根线，有经济性。

缺点：

图９当PEN线断，用电设备外壳对220VAC，电击死亡率大增。

3）TN-S

图１０中

优点：

安全性好。

缺点：

多一根线。

4）　TN-C-S

图１１中

优点：

从电源到用户配电图１１中PE、N合一，可省一根线。

而对用户是PE、N分开，安全性好。

4、接地电阻及线径

1）阻值要求

变压器中心点：

1欧

防雷接地：

10欧

配电所重复接地：

4欧

屏蔽接地：

4欧

电子设备接地：

4欧

电子设备与防雷接地共用：

1欧

2）PE线

接地线用扁钢：

25*4

圆钢：

直径6~8

铜线：

单芯大于等于2.5平方毫米

无机械保护时，大于等于4平方毫米

3）PEN线

铜线大于等于10平方毫米

4）联结线

联结线即ＰＥ－Ｎ之间的连线。

0.5×PE线截面积。

5、屏蔽线接地

屏蔽线的屏蔽层接地与信号频率有关，线长L，波长λ；

当f<1MHZ时，L/λ≤0.15时，单端接地；

当f>1MHZ时，L/λ>0.15时，多点接地。

四、安全

安全是工业控制系统的基本条件。

对人身、设备的安全因素是工业控制设计施工的头等大事。

1、人体与电流

在IEC60479《电流通过人体时效应》标准中，小于1000V、小于100Hz，

0.5mA人体能感觉出；

10mA手掌触及时肌肉握紧而不能摆脱，人体将受到伤害甚至死亡；

30mA人体不致发生心室纤颤而电击死亡的临界值。

国际上将防电击的高灵敏度剩余电流动作保护器（简称RCD）额定电流动作值取为此值。

人体流过的电流与环境干燥、潮湿有关，与电击的持续时间有关。

2、安全电压

在15~100Hz的情况下，干燥环境42、36、24V；

潮湿环境12、6V。

3、接地电阻

GB50174－93要求：

不大于4欧，当接地电阻高时，漏电保护（RCD）效果差，人受到电击伤害。

4、PE线与安全

在电子、信息技术设备中，为了抑制电源干扰的侵入，IT设备在电源进线处配置了滤波器件。

电容跨接在相线与PE之间。

当IT设备较多时，总的电容量较大。

PE中流过的泄漏电流也跟着增大。

可计算：

　　　　　　　　[5]

式中，U。

：

相线对地线的标称电压，取220V；

　XC：

电容器容抗，欧；

　　f:

频率，取50Hz；

C：

并联电容器的总电容，法。

从式中可计算得，C＞0.217uF时，I就大于15mA（不考虑接入电源时初始充电电流），若插头的PE线接触不良或PE受损伤，人身就招致电击事故。

从图12可以表示：

从图中流过电容C的电流回路可计算出人体的电压：

　　　　　　[6]

式中，

为人体阻抗，欧；

为人体与地之间鞋袜地板电阻，欧；

为电源侧系统的接地电阻，欧；

为相线电阻，欧。

其中

、

值相对较小，略去不计。

[7]

由此可见，

值赵小（即滤波电容器容量越大）；

人体阻抗值越大，则

越大。

遭电击的危险性也越大。

针对上述情况，PE线截面加大，IEC将大量IT设备的电气装置建议：

a）电线明敷供电时，PE线截面大于等于10平方毫米（铜芯）或者双PE，每根大于等于4平方毫米。

b）电缆供电时，PE线相线＋中性线总截面大于等于10平方毫米；

c）电线穿金属管PE线大于等于2.5平方毫米。

5、断零

在三相四线供电系统中，发生中性侧（零线）断的现象称断零。

断零的危害从图13,14中可分析，设B、C相接220V负载150W，15W，中性断后，B、C线电压负载分压，因阻值1：

10故电压10：

1，分别为34.5V、345V。

负载中性点漂移（常称为零点漂移）。

上述情况为特例，实际上断零后，漂移确实存在。

没有如此明显，但对设备来说，电压升高，寿命下降明显。

防范措施：

PEN截面放大，最小10平方毫米。

6、接地与接零

不能忽视接地错误。

中性线N（零线）是负载和电源之间电路的组成部分，中性点Ｎ接地只能在电力变压器处接地。

中性点Ｎ多点接地会造成中性线电流的其他通道，产生压降，造成危害。

地线也是在电力变压器处接地。

是电器设备保护接地的端口，允许多点重复接地，正常时地线中无电流流过，只有发生漏电时才会有电流。

若把零线接到接地端，则电路中部分工作电流流入大地，则所有接了地的金属都成了零线的一部分，设备上出现了电压变化，成为干扰源。