工业控制电缆屏蔽层单端接地与两端接地的区别及应用分析

   2026-11-09 0
核心提示:工业控制电缆的屏蔽接地方式直接影响PLC模拟量信号、工业通信及变频器系统的电磁兼容性能。实际工程中,屏蔽层究竟采用单端接地还是两端接地,不能按照统一规则处理。不同信号频率、干扰来源、设备电位及接线结构,会使两种方式产生不同的效果。错误的屏蔽连接可能造成模拟量波动、通信异常或高频干扰增加。正确理解屏蔽层的工作原理与等电位连接要求,是提高工业控制系统抗干扰能力的重要基础。

工业自动化设备中,PLC模拟量输入、工业以太网、变频器电机回路及传感器信号线路,经常采用带有金属编织层或金属箔的屏蔽电缆。屏蔽层的主要作用,是减少外部电磁干扰与内部信号导体之间的耦合,同时在适当连接条件下限制电缆向外部环境产生的电磁辐射。实际应用中,有的设备说明书要求屏蔽层单端接地,有的要求两端接地,还有的要求通过金属连接器形成大面积屏蔽连接。这些要求并不必然矛盾,因为不同设备面对的干扰类型、信号频率和电气结构并不相同。对于工业控制电缆,屏蔽层的连接位置不仅关系到电磁干扰的泄放路径,还涉及设备之间的电位差和可能形成的屏蔽电流。需要特别区分的是,电缆屏蔽层、信号参考地和保护接地虽然在某些设备内部可能存在电气联系,但并不代表三者具有相同的功能。保护接地主要承担规定的电气安全保护任务,信号参考地用于建立测量或通信的参考电位,而屏蔽连接主要用于改善电磁兼容性能。不能因为电缆具有金属屏蔽层,就将其直接作为设备保护接地导体使用,也不能随意把所有屏蔽层接到PLC的0V端子。

单端屏蔽接地常用于需要控制低频电位差影响的部分模拟量测量系统。当屏蔽层只在规定的一端与接地系统连接时,可以避免通过该屏蔽层直接形成两端之间的直流导电回路,因此有利于减少某些低频等电位电流问题。对于工业现场中的模拟量信号,如果传感器安装在距离控制柜较远的位置,而两端设备存在一定电位差,屏蔽层两端直接连接可能使部分电流经屏蔽层流动,并通过不理想的接地和耦合路径影响测量信号。在这种情况下,制造商可能要求将屏蔽层直接连接在信号接收设备一侧,而另一端保持绝缘,或者通过规定的电容方式实现高频连接。但需要注意,单端接地并不能有效解决所有电磁干扰。对于较高频率的干扰,或者以交变磁场耦合为主的问题,仅在一端连接屏蔽层可能无法形成足够有效的抑制路径。尤其在变频器、高速开关器件和复杂工业设备附近,干扰往往包含较宽的频率成分,简单采用单端接地未必能够得到最佳结果。因此,模拟量电缆的屏蔽方式应按照具体仪表、PLC输入模块及系统电气结构确定,而不是机械地执行“模拟量必须单端接地”的经验规则。

工业以太网和部分高速数字通信线路则具有不同要求。以常见的屏蔽型PROFINET铜缆连接为例,相应安装技术文件通常要求在电缆两端建立可靠的屏蔽连接,使高频干扰能够通过低阻抗的连接路径得到控制。对于这类通信线路,屏蔽层一般通过金属连接器外壳、设备屏蔽接触结构和规定的接地系统形成连接,而不是只将一根细小的引出线接到某个普通信号端子上。由于高频电流受到电感等因素影响,屏蔽连接是否具有足够大的接触面积、是否保持连续以及连接路径是否足够短,都可能改变实际效果。如果通信电缆的金属屏蔽层在连接器处没有可靠接触,或者经过中间接线位置时被不适当地中断,即使通信芯线连接正确,系统的抗干扰能力仍可能下降。但两端屏蔽连接还需要考虑设备之间的等电位关系。当两个控制柜分别处于不同供电区域,或者设备接地系统之间存在明显电位差时,屏蔽层可能承受不希望出现的均衡电流。这时,合理的处理方向通常是完善独立的等电位连接、检查接地结构,或者在适当条件下采用光纤通信,而不是直接切断一端屏蔽层来掩盖原来的电位差问题。

变频器输出侧的电机电缆又有不同的电磁兼容要求。变频器利用功率半导体器件产生脉宽调制输出,输出电压具有较快的变化过程,电机电缆与周围结构之间可能存在高频共模电流和电磁耦合。对于要求采用屏蔽电机电缆的变频器系统,制造商通常要求在变频器端和电机端进行大面积屏蔽连接,使相关高频干扰电流沿规定路径返回,降低对其他控制线路的影响。这里的屏蔽连接不应简单理解为一根普通接地线。对于高频干扰,屏蔽编织层与金属安装板、金属电缆接头之间的周向接触,通常比通过较长的细引线连接更有利于保持较低的高频连接阻抗。如果在控制柜内部将屏蔽编织层拧成一根较长的尾线,再连接到距离较远的接地端子,可能增加连接部分的高频阻抗,削弱原有屏蔽效果。因此,部分工业电机电缆采用具有360°屏蔽接触能力的金属电缆接头或专用屏蔽夹,使屏蔽层与规定的金属安装结构形成可靠连接。不过,屏蔽层仍然不能代替设备要求配置的保护接地导体,电机、变频器及控制柜的保护接地必须符合相应电气安全要求。

屏蔽层两端接地出现问题时,实际原因有时并不是接地方式本身,而是设备之间缺乏可靠的等电位连接。对于跨控制柜、跨设备或较长距离敷设的铜缆,如果两端金属结构存在电位差,直接连接的屏蔽层可能成为均衡电流的通道。电流经过屏蔽层及连接位置后,可能在不适当的结构中引入额外干扰,严重时还可能增加屏蔽层和连接部件的电气负担。对此,应将等电位连接作为系统设计的一部分,通过适当的专用导体和连接结构降低设备之间的电位差,并根据实际安装条件检查相关连接的阻抗和承载能力。不能因为发现屏蔽层存在电流,就直接认定两端接地一定错误,也不能让电缆屏蔽层承担原本应由专门等电位连接导体承担的功能。对于部分特殊信号系统,制造商还可能采用单端直接接地、另一端通过电容连接的方式,在减少低频环流的同时改善高频干扰泄放条件。但这种处理需要考虑电气参数、绝缘要求和产品设计,不应在现场随意增加电容或改变原有接地结构。

在实际控制柜中,电缆布线和屏蔽端接质量同样影响抗干扰效果。即使屏蔽层的连接方式符合要求,如果模拟量信号电缆长期与变频器输出电缆紧密并行,或者在控制柜内部形成不必要的长距离混合布线,仍可能增加电磁耦合。对于工业自动化设备,应根据实际干扰源和电缆类型合理划分动力线路、控制线路与通信线路,减少不必要的并行敷设,并按照设备要求保持相应间距。屏蔽层与接地安装板之间还应形成可靠的导电接触,如果安装板表面存在绝缘涂层、屏蔽夹没有正确压紧,或者接触位置发生腐蚀,可能造成连接阻抗增加。需要注意,普通万用表测量屏蔽层直流导通正常,并不能完整证明其高频屏蔽性能符合要求,因为高频连接还受到接触结构、导线长度和电感等因素影响。对于涉及高频干扰的设备,屏蔽连接结构是否合理,通常比单纯确认直流电阻很小更具有实际意义。

现场出现模拟量信号波动、工业通信间歇中断或变频器运行时传感器异常时,判断应从实际故障特征出发。如果模拟量偏差与某台大功率设备启动或停止同步发生,需要分析干扰耦合路径、信号参考电位和测量回路接线;如果工业以太网只在变频器运行时出现通信错误,应关注通信电缆屏蔽连续性、连接器安装和动力线路布置;如果两台设备之间存在明显的电位差,需要先确认等电位连接是否合理。如果更换某根电缆以后问题改善,还应区分是屏蔽结构、接触质量、芯线故障还是布线路径发生了变化,不能直接认定原来的接地方式一定错误。对于差分通信和模拟量测量,信号导体本身的连接方式、接收端共模电压范围以及设备电气隔离条件,也可能影响系统可靠性。屏蔽层能够降低部分外部干扰,却不能补偿所有错误接线和超出设备允许范围的电位差。因此,排查时不能只围绕屏蔽层反复修改,而应同时确认信号回路与设备制造商规定的电气条件。

工业控制电缆采用单端接地还是两端接地,关键在于信号性质、干扰频率、设备之间的电位关系以及制造商对电磁兼容的具体要求。部分低频模拟量系统可能采用单端屏蔽连接以减少低频环流影响,工业以太网和变频器电机电缆则通常更加重视两端大面积屏蔽连接及高频干扰控制。两种方式并不存在脱离应用条件的绝对优劣。对于工业自动化控制系统,应把屏蔽端接、等电位连接、电缆敷设和设备接口特性作为整体评价,而不能仅根据某一条经验决定全部电缆的接地方式。涉及屏蔽层整改时,不得擅自拆除保护接地导体,也不能未经确认改变安全相关电路的接线。只有明确屏蔽层需要抑制的实际干扰类型,建立符合产品要求的连接路径,才能有效提高工业控制设备的抗干扰能力和长期运行可靠性。


 
 
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