Как сделать экран на провод

Применение металлической плетенки для экранирования

Рисунок 1. Плетенка металлическая При монтаже разнообразных радиоэлектронных и электротехнических устройств важно обращать внимание на проблему их помехозащищенности. Неправильный подбор схемы подключения, неудачный способ разведения кабелей, неверная схема заземления и экранирования — все это может привести к сбоям в работе и даже полному отказу приборов. Обычно для устранения влияния посторонних электромагнитных полей на приборы, электромеханизмы и оборудование при выполнении монтажных работ или подключении к силовым сетям, а также прокладке кабельных линий используется экранированный кабель.

Методы выхода из сложившейся ситуации

Для решения возникшей проблемы необязательно производить полную замену кабелей, достаточно устроить дополнительное экранирование, которое позволит существенно снизить влияние электромагнитных полей. Конструктивно его можно выполнить следующими способами:

• установив ограждающий металлический экран;
• напылить на внутреннюю поверхность корпуса оборудования токопроводящие материалы.

Однако бывают конструкции и ситуации, когда применение подобных экранов невозможно или нецелесообразно. В таком случае можно выполнить экранирование своими руками, локализовав, таким образом, источник электромагнитных помех. Суть экранирования — это ограничение в пространстве электромагнитной энергии, которая вырабатывается источником поля.
Очень часто в электроприборах защиту от взаимного влияния проводов и кабелей производят с помощью экрана в виде оплетки из медных проволок или обмотки металлизированной фольгой. Эти экраны подразделяются на 2 вида:

• магнитостатические;
• электромагнитные.
Понравилось видео? Подписывайтесь на наш канал!

Самым оптимальным методом, позволяющим правильно экранирование проводов своими руками, является применение металлической экранирующей плетенки, которая уменьшает энергию электромагнитных волн методом отражения энергии либо поглощением энергии проводящей средой. Материал, из которого она изготавливается, обязан обеспечивать максимально возможную защиту и ослаблять помехи, образуемые электромагнитным полем. Тип материала в данном случае выбирается в зависимости от природы поля помех — магнитной или электрической.

Металлическая плетенка и ее виды

Однако бывают конструкции и ситуации, когда применение подобных экранов невозможно или нецелесообразно. В таком случае применяется металлическая плетенка (плетенка экранирующая). Она уменьшает энергию электромагнитных волн методом отражения энергии, либо поглощением энергии проводящей средой. Материал, из которого она изготавливается, обязан обеспечивать максимально возможную защиту и ослаблять помехи, образуемые электромагнитным полем. Тип материала в данном случае выбирается в зависимости от природы поля помех — магнитной или электрической.

Экранирующая плетенка — марки и материалы

В зависимости от природы помех и условий эксплуатации кабеля металлическая экранирующая оплетка для кабеля имеется различные исполнения. Некоторые из них:

• медная плетенка ПМЛ, луженая оловянно-свинцовым припоем ПОС-40 для умеренного климата (ПМЛ УЗ) и оловом для тропического климата (ПМЛ Т2);

• ПМЛОО из медной проволоки, луженой оловом;
• ПМЛОС из медной, посеребренной проволоки;
• ПМЛОН из медной никелированной проволоки;
• ПБАМО из биметаллической проволоки Al-Cu (алюмо-медной) с покрытием из олова;
• ПБАМС из биметаллической проволоки Al-Cu (алюмо-медной) с покрытием из серебра;
• ПБАМН из биметаллической проволоки Al-Cu (алюмо-медной) с покрытием из никеля.

При использовании кабелей с оплеткой следует учитывать, что:

• такая защита требует больше места в корпусе по сравнению с обычными проводами;
• оплетка должна быть соединена с корпусом для создания экранирующего эффекта;
• монтаж экранированных проводов сложнее, чем незащищенных.

Сфера использования металлических экранирующих плетенок

Плетенка ПМЛ и плетенка ПСО

Плетенка медная луженая ПМЛ используется при экранировании проводов и кабелей для предотвращения негативного влияния электромагнитных помех на работу различных приборов, применяемых в народном хозяйстве. Провода также можно использовать для заземления различных типов устройств. Плетенка имеет следующие размеры:

Размеры плетенки

Наименьший диаметр

экранируемого

(бронируемого) изделия, мм

Наибольший диаметр

экранируемого

(бронируемого) изделия, мм

Экранирующая оплетка для проводов и кабелей выпускается в виде отрезков, длиной не менее 2,5 метров со следующими типоразмерами: 3х6; 6х10; 10х16; 16х24; 24х30; 30х40; 40х55. Срок службы изделий составляет не менее 15 лет.

Металлические плетенки выпускаются не только для защиты от воздействия электромагнитных помех. Так, например, плетенка ПСО предназначена для защиты кабелей от механических повреждений, усиления их прочности, а также ограничения их возможного растяжения проводов. Срок службы изделия составляет не менее 4 лет. Изготавливается оплетка из оцинкованной стальной проволоки. При ее монтаже не нужны никакие специальные средства, а сама плетенка ПСО экологически безопасна.

Подбор плетенки

Как экранировать провод своими руками, обеспечить защиту от растягивающих усилий или грызунов? Чтобы это сделать, необходимо правильно подобрать экранирующую (защитную) плетенку. Для этого первым делом замеряем внешний диаметр провода или кабеля и затем, исходя из полученного результата, выбираем соответствующий маркоразмер плетенки.

Рассмотрим на нескольких примерах, как подобрать плетенку. Итак, чтобы выполнить экранирование:
• силового кабеля ВВГ 3×4 c расчетным диаметром по оболочке 11,6 мм, понадобится плетенка ПМЛ 10х16;
• монтажного провода ПуГВ 4 с диаметром по изоляции 4,6 мм, понадобится плетенка ПМЛ 3×6;

• монтажного кабеля МКШ 7х0,35 c расчетным диаметром по оболочке 8,8 мм, понадобится плетенка ПМЛ 6×10.

Для бронирования силового кабеля ВВГ 4×25 диаметром по оболочке 26 мм следует применять плетенку из стальных оцинкованных проволок – ПСО — 24х30.

Таким образом, мы рассказали о видах, применении и технологии выбора плетенок для кабельно-проводниковой продукции. Чтобы получить более полное представление, вы можете посмотреть наше видео, размещенное в данной статье.

Экранирование кабеля

Зачем это нужно? Экранирование кабеля необходимо как для изоляции самого провода от окружающей среды, так и для обратного процесса – защиты от влияния внешних факторов на кабель.

Как делают? Экранирование обычно выполняется из меди или алюминиевой фольги, но все зависит от типа кабеля и особенностей его эксплуатации. Такие провода имеют специальную маркировку «Э» и разделяются на несколько видов.

1. Механизм работы экранированного кабеля
2. Материалы для экранирования кабеля
3. Конструкция экранированного кабеля
4. Виды экранированных кабелей

Механизм работы экранированного кабеля

Под экранированным понимают кабель, оснащенный специальной оболочкой. Подобная защита исключает распространение проводом собственных электрошумов, а также не предохраняет электромагнитное поле кабеля от негативного воздействия внешних помех, снижающих его работоспособность.

Для чего еще нужно экранирование кабеля:

• для увеличения механической стойкости изоляционного материала;
• для устранения агрессивного внешнего воздействия;
• для заземления электросети;
• для снижения риска возникновения электропотенциалов на наружной поверхности изделия при исполнении в муфтах.

Чтобы определить, какой вид кабеля перед вами, изучите маркировку провода: на экранированном будет литера Э, к примеру, ВВГЭ.

Учитывая технические параметры, а также специфику использования кабеля, проводят расчеты, чтобы выбрать подходящий материал, конструктивные особенности, тип защитного экрана. К примеру, в электросетях с токовой нагрузкой до 50 А экранирование должно быть выполнено из тонкой алюминиевой либо медной ленты.

В силовых проводах экран делается из медной проволоки увеличенного сечения. Для кабелей средних токов подойдут комбинированные экраны, выполненные из медной ленты и оплетки-проволоки.

Когда необходимо выравнивание электрополя в силовых проводах с высоким напряжением, важно, чтобы защитный экран проводил электрический ток.

Чтобы хорошо представлять, как работает защитный экран, необходимо понимать, что:

• в качестве защиты от внешних электромагнитных шумов в роли экрана выступает сердечник (жила) кабеля;
• когда необходимо ликвидировать внутренние электропомехи, используют индивидуальные экраны для пар (жил);
• чтобы решить обе задачи, у провода должны быть два типа защиты.

Материалы для экранирования кабеля

Экранирование кабеля – это процедура, которую можно выполнить несколькими способами. К примеру, сделать оплетку либо покрыть защитной фольгой. У каждого из этих двух решений есть свои плюсы и минусы.

Фольга, применяемая для создания защитного экрана, выполнена в виде тонкого алюминиевого слоя. Достоинство такого способа экранирования заключается в том, что изделие покрывается полностью, зазоры в защите отсутствуют.

Однако сделать экранирование кабеля с помощью такого материала достаточно сложно, поскольку он слишком тонкий. Могут возникнуть трудности при обмотке, поэтому действовать следует аккуратно, иначе полотно порвется в местах соединения со штекерами. После этого экран нужно заземлить, соединив конец фольги и провод земли.

Оплетка представляет собой сетку из луженой проволоки, настолько прочной, что она не порвется во время эксплуатации. Это позволяет выполнить заземление с низким сопротивлением. Экранирующую сетку прикрепляют к разъему с помощью пайки или обжатия. Минус такого способа заключается в том, что на поверхности будут бреши, через них проходит небольшое количество помех.

В зависимости от толщины и шага проволоки количество пробелов достигает 5-30 % от общей площади. Такая плотность подходит для стандартного кабеля.

Экранирование кабеля из медной проволоки — оптимальное решение, позволяющее защитить изделие как от внешних влияний, так и от наводок по цепям питания. Однако после такой защиты увеличивается цена и масса изделий. По этой причине для продукции, используемой в местах с нормальным количеством помех, следует применять сетки из алюминия.

В местах, где объем помех увеличен, необходим комплексный подход для защиты трассы, предполагающий экраны обоих типов. К примеру, проводник можно обмотать сеткой, отдельные жилы защитить фольгой. Так вы исключите появление перекрестных наводок между парами. Кроме того, допускается делать несколько слоев используемого материала. В этом случае экраны будут поддерживать друг друга, прочность защиты на изгиб увеличится.

Конструкция экранированного кабеля

Экран выполняет множество функций: окружает оплетку электропровода, отражает электромагнитное излучение либо перенаправляет его на поверхность земли. Полностью защитить провод невозможно, однако вполне реально устранить малую паразитную энергию, образующуюся в результате негативного воздействия на текущий процесс.

С учетом того, для чего используется электропровод, каково количество кабелей и какой тип проводника, необходимо выбирать тот или иной способ экранирования. Цена проведения данной процедуры будет увеличиваться, если использовать дополнительные материалы, спецоборудование.

Главная особенность экранов заключается в том, что они переводят наводки на землю. Происходит это за счет концевой заделки (муфты).

Можно выполнить экранирование целикового кабеля с его отдельными составляющими. Нередко экранируют проводниковые пары, чтобы снизить влияние помех на электрокабель. Наружную часть кабеля защищают от помех, проводя процедуру фольгирования алюмополимерной пленкой и фольгой с луженной проволочной оплеткой.

Есть несколько видов экранов, которые отличаются друг от друга. Последовательность действий при экранировании кабеля своими руками следующая: пленку кладут на край проводника или продольно. Затем получившийся шов заклеивают. Подобную конструкцию можно дополнить дренажной проволокой. Она будет выполнять роль дополнительного шунта в случае, если произойдет повреждение фольги.

Толщина пленки влияет на результат экранирования. Если она будет слишком толстая, объем кабеля после защиты увеличится, так же как и его стоимость. Когда пленка тонкая, экран получится непрочным, а значит, не сможет защитить изделие. Не рекомендуется использовать пленку толще чем 100 мкм.

Экранирование кабеля с помощью оплетки имеет специфические характеристики, причем наиболее эффективна комбинированная пленка.

Важно отметить, что защита кабеля с помощью пленки возможна при токе в 50 микроампер. Если ток средний, подойдет комбинированный способ. Для силового кабеля нужно использовать оплетку из меди либо алюминия.

Оплеточное покрытие не способно защитить всю площадь с проводниковыми линиями. Эффективность защиты составляет 95 % от общей площади покрытия. Причем медная оплетка предохраняет лучше всего, однако ее нельзя назвать бюджетной.

Комбинированное экранирование используется достаточно часто на компьютерной технике и локальных сетях. Подобные кабели укладывают в сверхзашумленных условиях. Защита от помех нередко применяется в проводниках.

Виды экранированных кабелей

Существует несколько разновидностей экранированных кабелей:

1. Силовой. Такое изделие встречается чаще всего. Предназначено для напряжения 6-10 кВ. Такой экран защищает изделие от внешней среды, от электромагнитного поля. Силовой экранированный кабель бывает разных видов в зависимости от используемого материала: медный (ПвП) или алюминиевый (АПвП). Экран может быть изготовлен с помощью пероксидносшиваемой пленки, покрытой сверху оболочкой из медной проволоки и ленты. С учетом нагрузки определяется то, насколько толстым должен быть экран.
2. Комбинированный: два кабеля (силовой и кабель управления), находящиеся в одной оболочке. Эти кабели чаще всего защищают экраном. Используются, чтобы подключать к электропитанию передвижные установки, например самоходные устройства, экскаваторы, краны. В качестве защитного материала используется алюмолавсановая лента с медной оплеткой марок КГПЭУ либо электропроводящая резина марок КГЭУ.
3. Контрольный кабель. Позволяет осуществлять передачу данных между приборами, доступ к которым ограничен либо невозможен. В такой ситуации экран необходим, чтобы защищать данные от внешних электромагнитных полей. Экран может быть выполнен из медной проволоки или тонкой фольги.
4. Сигнально-блокировочный кабель. Встречается в системах, где выдвигаются особые требования к защите данных. Например, всевозможные сигнализационные системы: охранные и противопожарные, сверхточные измерительные приборы.
5. Кабель связи. У них должна быть максимальная эффективность защиты передаваемых данных. К этой же категории можно отнести кабели компьютерной коммуникации. Чаще всего это кабели FTP либо витая пара. Экранирование выполняется обычно фольгой из меди, плеткой либо комбинированным способом.

Далее подробно рассмотрим особенности силового кабеля и витой пары.

Силовой экранированный кабель

Выполнен в виде особой конструкции, передающей напряжение потребителю. Такой кабель не оказывает влияния на внешнюю среду, при этом он имеет защиту от возможных негативных воздействий.

В Российской Федерации не существует документации, определяющей правила изготовления таких кабелей. По этой причине выпускающие их предприятия учитывают ГОСТ Р 53769-2010. В этом документе изложены правила производства кабелей с пластмассовой изоляцией, также содержится информация о создании защитного экрана.

Подобная продукция отличается тем, что у кабелей есть специальный экран. Причем в маркировке таких изделий медная жила не указывается. Обозначается только другой материал жилы, к примеру алюминий.

Однопроволочная или многопроволочная жила, с учетом конструктивных особенностей, должна подходить под положения ГОСТ 22483-77. Важно понимать, что в ГОСТе прописаны требования к электрическому сопротивлению, но не сечению, как многие ошибочно полагают.

Каждая жила должна быть изолирована. Для этого чаще всего используется поливинилхлоридный пластикат, но в некоторых видах кабелей это простой полиэтилен. Жилы также обозначаются цветом. Когда каждая жила экранирована, защита выполняется с помощью фольги из меди либо алюминия. После этого жилы скручивают, затем на них накладывают оболочку из поливинилхлоридного пластиката, чтобы кабель был круглый.

Общий экран может быть выполнен намоткой медной проволоки, а затем медной ленты. Как уже отмечалось ранее, в этом случае изделие будет маркировано литерой Э.

Завершающий этап обработки – нанесение слоя кабельной бумаги, ошланговка. Поверх может быть выполнен защитный слой поливинилхлоридного пластиката. На некоторые марки кабеля накладывают броню.

Кабель с экранированными жилами обладает 100%-ной безопасностью: он защищен от электротока, не генерирует никаких помех на рядом проложенных кабелях. Однако даже один экран способен снизить наведение искровой помехи, к примеру, на ТВ-кабель в разы. Оптоволоконный либо стандартный кабель, с цифровыми данными, не будут испытывать негативного воздействия от экранированного изделия.

Экранированный кабель витая пара

Кабель с экранированием под названием «витая пара» чаще всего используется в компьютерной периферии. Выполнен в виде одной или нескольких пар проводов, которые закручены вокруг друг друга. Именно это и определяет название данного изделия. Концы такого кабеля обжимаются разъемом 8P8C (марка RJ45). Стандартный набор кабеля – 4 витых пары.

С учетом степени защиты витые пары подразделяются на несколько типов:

• UTP – кабель без экранирования, не имеет защиты;
• SF/UTP – изделие без защиты с двойной внешней экранизацией;
• FTP – защита с помощью внешнего экрана, роль которого играет фольга из алюминия;
• STP – полностью защищенный экранированный кабель, где каждая пара и непосредственно весь кабель покрыты фольгой из алюминия;
• S/FTP – защищенный экранированный кабель, где, кроме экрана из медной фольги или оплетки для каждой пары, имеется защита, в качестве которой используется оплетка из меди.

Стандартно при изготовлении витых кабелей для экранирования применяется медь. Однако ряд производителей, чтобы снизить расходы, используют бюджетные алюминиевые сплавы. Надежность таких изделий достаточно низкая, через них с трудом проходит сигнал, велики потери данных, продукция хрупкая, поэтому не исключены поломки.

В зависимости от типа жилы витая пара бывает одно- либо многожильная. В первом случае изделие производится из толстой проволоки, по которой легко проходит сигнал. Однако у такого витого кабеля высокая ломкость, его следует использовать для прокладки в стенках, перекрытиях, а также стационарных подключениях (розетках).

Многожильная витая пара не ломается при изгибании, подходит для мобильного соединения устройств.

Экранирование витой пары позволяет обеспечить нужную защиту потока данных, исключив искажение и наводки, а также заземлить оборудование. Поэтому оно будет нормально работать даже во время грозы. Поэтому важно сделать заземление внешнего экрана витой пары.

Подобными характеристиками также обладает фольгированный экранированный кабель, который может конкурировать с витой парой. Однако его стоимость достаточно высока, его используют, чтобы прокладывать сети снаружи помещений. Объясняется это тем, что фольгированный экранированный кабель обладает низким уровнем затухания сигнала, особенно если сравнивать его с витой парой.

В продаже можно найти множество разновидностей экранированных кабелей, чтобы не ошибиться с выбором, нужно учесть все особенности эксплуатации, наличие внешних источников электромагнитных полей, негативное влияние окружающей среды.

Наши статьи

Комплект Metronome продемонстрировал невероятную точность в передаче тембров и заметно расширил звуковой диапазон вверх — впечатления Николая Ефремова (салон AV) о полном сете Metronome AQWO.

CD или CD Rip?
AMC XIA150SE – душевный усилитель с твердым характером
Davis Acoustics Krypton 9. Изысканный французский звук
Fi Neo Stream. Новые грани аудио стриминга
ELAC VELA BS404. Универсальные полочники с характером
ELAC Varro Dual Reference DS1200 — сабвуфер с процессором DSP

Цифровой источник Cen.Grand 9i-92DE и ЦАП-усилитель для наушников 9i-92SA III. Переход на новый уровень

Кабели Harmonic Technology
Metronome AQWO получает престижную награду «Выбор эксперта»! Обзор от Николая Ефремова (Salon AV)
Новый флагманский акустический кабель Tchernov Cable Ultimate DSC SC
Домашняя работа. Обзор Davis Acoustics HERA 250

«Французские Ритмы» #4: Презентация громкоговорителей Davis Acoustics в московском аудиосалоне Pult.Ru

ELAC Concentro S 503. Красивые полочные АС с большими возможностями
Компания En-Trade Distribution стала дистрибьютором французского бренда акустических систем

High End звучание совсем не за хай-эндную цену! Audio Analogue Aacento получает престижную награду «Выбор эксперта»! Обзор от Николая Ефремова (салон AV)

Peak Consult: история, принципы и достижения
Выставка Fresh Hi-Fi & Vinyl Show в Санкт-Петербурге состоится 17-18 сентября
Kalista и Karan Acoustics. Ultra High End комбо на Toronto Audio Fest
MSB Digital Director — цифровой процессор с двумя DSP

Комплект Metronome продемонстрировал невероятную точность в передаче тембров и заметно расширил звуковой диапазон вверх — впечатления Николая Ефремова (салон AV) о полном сете Metronome AQWO.

AUDIO ANALOGUE AACENTO — Ferrari в мире усилителей!! Обзор от Ильи Суханова (PULT.RU)
Обзор TWS-наушников JVC HA-A7T. Бюджетная альтернатива
TECHNOLOGICA на выставке HI-FI & HIGH END SHOW 2022

Обзор. АС Legacy Focus SE, усилитель Coda 16.0, пред Coda 07x pre. От аудиофилии до меломании – один шаг, или сколько нужно человеку для аудионирваны

Экранирование кабеля своими руками

3.5. Методы экранирования и заземления

Техника заземления в системах промышленной автоматизации сильно различается для гальванически связанных и гальванически развязанных цепей. Большинство методов, описанных в литературе, относится к гальванически связанным цепям, доля которых в последнее время существенно уменьшилась в связи с резким падением цен на изолирующие DC-DC преобразователи.

3.5.1. Гальванически связанные цепи

Мы рекомендуем избегать применения гальванически связанных цепей, а если другого варианта нет, то желательно, чтобы размер этих цепей был по возможности малым и чтобы они располагались в пределах одного шкафа.

Примером гальванически связанной цепи является соединение источника и приемника стандартного сигнала 0…5 В (рис. 3.95, рис. 3.96). Чтобы пояснить, как правильно выполнить заземление, рассмотрим вариант неправильного (рис. 3.95) и правильного (рис. 3.96, монтажа. На рис. 3.95 допущены следующие ошибки:

• ток мощной нагрузки (двигателя постоянного тока) протекает по той же шине заземления, что и сигнал, создавая падение напряжения ;
• использовано однополярное включение приемника сигнала, а не дифференциальное;
• использован модуль ввода без гальванической развязки цифровой и аналоговой части, поэтому ток питания цифровой части, содержащий помеху, протекает через вывод AGND (Analog GrouND — «аналоговая земля») и создает дополнительное падение напряжения помехи на сопротивлении .

Перечисленные ошибки приводят к тому, что напряжение на входе приемника равно сумме напряжения сигала и напряжения помехи . Для устранения этого недостатка в качестве проводника заземления можно использовать медную шину большого сечения, однако лучше выполнить заземление так, как показано на рис. 3.96, а именно:

• все цепи заземления соединить в одной точке. При этом ток помехи уже не протекает через сопротивление ;
• проводник заземления приемника сигнала присоединить к той же общей точке. При этом ток уже не протекает через сопротивление , а падение напряжения на сопротивлении проводника не складывается с выходным напряжением источника сигнала .

Общим правилом ослабления связи через общий провод заземления является деление земель на аналоговую, цифровую, силовую и защитную с последующим их соединением только в одной точке. При разделении заземлений гальванически связанных цепей используется общий принцип: цепи заземления с большим уровнем помех должны выполняться отдельно от цепей с малым уровнем помех, а соединяться они должны только в одной общей точке. Точек заземления может быть несколько, если топология такой цепи не приводит к появлению участков «грязной» земли в контуре, включающем источник и приемник сигнала, а также если в цепи заземления не образуются замкнутые контуры, по которым циркулирует ток, наведенный электромагнитной помехой.

Рис. 3.95. Пример неправильного заземления

Недостатком метода разделения проводников заземления является низкая эффективность на высоких частотах, когда большую роль играет взаимная индуктивность между рядом идущими проводниками заземления, которая только заменяет гальванические связи на индуктивные, не решая проблемы в целом.

Большая длина проводников приводит также к увеличению сопротивления заземления, что важно на высоких частотах. Поэтому заземление в одной точке используется на частотах до 1 МГц, свыше 10 МГц заземлять лучше в нескольких точках, в промежуточном диапазоне от 1 до 10 МГц следует использовать одноточечную схему, если наиболее длинный проводник в цепи заземления меньше 1/20 от длины волны помехи. В противном случае используется многоточечная схема [Барнс].

Заземление в одной точке часто используется в военных и космических устройствах [Барнс].

Рис. 3.96. Пример решения проблемы, указанной на рис. 3.95

3.5.2. Экранирование сигнальных кабелей

Рис. 3.97. Пример неправильного заземления экрана кабеля на низких частотах (с двух сторон)

Рис. 3.98. Пример неправильного заземления экрана кабеля — со стороны приемника сигнала

Методы экранирования сигнального кабеля непосредственно следуют из изложенного выше материала о путях прохождения помехи. Для устранения паразитной емкостной связи и электростатических зарядов используют электростатический экран в виде проводящей трубки (чулка), охватывающей экранируемые провода, а для защиты от магнитного поля используют экран из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Рассмотрим заземление экранов при передаче сигнала по витой экранированной паре, поскольку этот случай наиболее типичен для систем промышленной автоматизации.

Если частота помехи не превышает 1 МГц, то кабель нужно заземлять с одной стороны. Если его заземлить с двух сторон (рис. 3.97), то образуется замкнутый контур, который будет работать как антенна, принимая электромагнитную помеху (на рис. 3.97 путь тока помехи показан штриховой линией). Ток, протекающий по экрану, является источником индуктивных наводок на соседних проводах и проводах, находящихся внутри экрана. Хотя магнитное поле тока оплетки внутри экрана теоретически равно нулю, но вследствие технологического разброса при изготовлении кабеля, а также ненулевого сопротивления оплетки наводка на провода внутри экрана может быть значительной. Поэтому экран нужно заземлять только с одной стороны, причем со стороны источника сигнала.

Если точки заземления концов кабеля разнесены на большое расстояние, между ними может существовать разность потенциалов, вызванная блуждающими токами в земле или помехами в шине заземления. Блуждающие токи наводятся электрифицированным транспортом, (трамваями, поездами метрополитена и железных дорог), сварочными агрегатами, устройствами электрохимической защиты, естественными электрическими полями, вызванными фильтрацией вод в горных породах, диффузией водных растворов и др.). Особенно большие токи возникают при ударе молнии. Блуждающие токи вызывают разность потенциалов между концами оплетки кабеля и паразитный ток, который также наводит в центральных жилах помеху вследствие взаимной индукции.

Рис. 3.99. Правильное заземление экрана. Конденсатор используется для ослабления высокочастотных помех

Рис. 3.100. Заземление экрана длинного кабеля на высоких частотах

Оплетку кабеля надо заземлять со стороны источника сигнала. Если заземление сделать со стороны приемника (рис. 3.98), то ток помехи будет протекать по пути, показанному на рис. 3.98 штриховой линией, т.е. через емкость между жилами кабеля, создавая на ней и, следовательно, между дифференциальными входами, напряжение помехи. Поэтому заземлять оплетку надо со стороны источника сигнала (рис. 3.99). В этом случае путь для прохождения тока помехи отсутствует. Обратите внимание, что на этих схемах изображен дифференциальный приемник сигнала, т.е. оба его входа имеют бесконечно большое сопротивление относительно земли.

Если источник сигнала не заземлен (например, термопара), то заземлять экран можно с любой стороны, т.к. в этом случае замкнутый контур для тока помехи не образуется.

На частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана и токи емкостной наводки создают на нем большое падение напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через емкость между оплеткой и жилами. Кроме того, при длине кабеля, сравнимом с длиной волны помехи (длина волны помехи при частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц — 30 м) возрастает сопротивление оплетки (см. раздел Модель «земли» ), что резко повышает напряжение помехи на оплетке. Поэтому на высоких частотах оплетку кабеля надо заземлять не только с обеих сторон, но и в нескольких точках между ними (рис. 3.100). Эти точки выбирают на расстоянии 1/10 длины волны помехи одна от другой. При этом по оплетке кабеля будет протекать часть тока , передающего помеху в центральную жилу через взаимную индуктивность. Емкостной ток также будет протекать по пути, показанному на рис. 3.98, однако высокочастотная компонента помехи будет ослаблена. Выбор количества точек заземления кабеля зависит от разницы напряжений помехи на концах экрана, частоты помехи, требований к защите от ударов молнии или от величины токов, протекающих через экран в случае его заземления.

В качестве промежуточного варианта можно использовать второе заземление экрана через емкость (рис. 3.99). При этом по высокой частоте экран получается заземленным с двух сторон, по низкой частоте — с одной. Это имеет смысл в том случае, когда частота помехи превышает 1 МГц, а длина кабеля в 10…20 раз меньше длины волны помехи, т.е. когда еще не нужно выполнять заземление в нескольких промежуточных точках. Величину емкости можно рассчитать по формуле , где — верхняя частота границы спектра помехи, — емкостное сопротивление заземляющего конденсатора (доли Ома). Например, на частоте 1 МГц конденсатор емкостью 0,1 мкФ имеет сопротивление 1,6 Ом. Конденсатор должен быть высокочастотным, с малой собственной индуктивностью.

Рис. 3.101. Двойное экранирование длинного кабеля

Для качественного экранирования в широком спектре частот используют двойной экран (рис. 3.101) [Zipse]. Внутренний экран заземляют с одной стороны, со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение емкостной помехи по механизму, показанному на рис. 3.98, а внешний экран уменьшает высокочастотный наводки.

Во всех случаях экран должен быть изолирован, чтобы предотвратить случайные его контакты с металлическими предметами и землей.

Напомним, что частота помехи — это частота, которую могут воспринимать чувствительные входы средств автоматизации. В частности, если на входе аналогового модуля имеется фильтр, то максимальная частота помехи, которую надо учитывать при экранировании и заземлении, определяется верхней граничной частотой полосы пропускания фильтра.

Поскольку даже при правильном заземлении, но длинном кабеле помеха все равно проходит через экран, то для передачи сигнала на большое расстояние или при повышенных требованиях к точности измерений сигнал лучше передавать в цифровой форме или через оптический кабель. Для этого можно использовать, например, модули аналогового ввода RealLab! серии NL с цифровым интерфейсом RS-485 или оптоволоконные преобразователи интерфейса RS-485.

Нами было проведено экспериментальное сравнение различных способов подключения источника сигнала (терморезистора сопротивлением 20 КОм) через экранированную витую пару (0,5 витка на сантиметр) длиной 3,5м. Был использован инструментальный усилитель RL-4DA200 с системой сбора данных RL-40AI фирмы RealLab!. Коэффициент усиления канала усиления был равен 390, полоса пропускания 1 КГц. Вид помехи для схемы рис. 3.102-а представлен на рис. 3.103.

Как следует из рис. 3.102, отказ от экранирования увеличивает величину помехи в 4 раза (рис. 3.102-б, переход к одиночному включению вместо дифференциального (рис. 3.102-в увеличивает помеху в 5 раз, а если еще и отказаться от экрана, то помеха увеличивается в 230 раз (рис. 3.102-г. На рисунках приведено среднеквадратичное значение напряжения помехи в полосе частот 0,01. 5 Гц, полученное на выходе приемника сигнала.

a) величина помехи — 15 мкВ

в) величина помехи — 78 мкВ

Экран, защищающий от паразитных индуктивных связей, сделать гораздо сложнее, чем электростатический экран. Для этого нужно использовать материал с высокой магнитной проницаемостью и, как правило, гораздо большей толщины, чем толщина электростатических экранов. Для частот ниже 100 КГц можно использовать экран из стали или пермаллоя. На более высоких частотах можно также использовать алюминий и медь.

Рис. 3.103. Вид помехи, соответствующий схеме включения по рис. 3.102-а

В связи со сложностью экранирования магнитной составляющей помехи особое внимание следует уделить уменьшению индуктивности сигнального провода и использовать балансные цепи передачи сигнала или оптический кабель.

3.5.3. Гальванически развязанные цепи

Рис. 3.104. Пример радикального решения проблемы, показанной на рис. 3.95 и рис. 3.96

Радикальным решением описанных выше проблем (см. рис. 3.95 и рис. 3.96) является применение гальванической изоляции (см. раздел «Гальваническая развязка») с раздельным заземлением цифровой, аналоговой и силовой части системы (рис. 3.104). Применение гальванической изоляции позволяет разделить аналоговую и цифровую землю, а это, в свою очередь, исключает протекание по аналоговой земле токов помехи от силовой и цифровой земли (рис. 3.104).

Аналоговая земля может быть соединена с защитным заземлением через сопротивление (подробнее см. раздел «Виды заземлений», и «Гальваническая развязка»).

3.5.4. Экраны кабелей на электрических подстанциях

На электрических подстанциях на оплетке (экране) сигнального кабеля автоматики, проложенного под высоковольтными проводами на уровне земли и заземленного с одной стороны, может наводиться напряжение величиной в сотни Вольт [Ke] во время коммутации тока выключателем. Поэтому с целью электробезопасности оплетку кабеля заземляют с двух сторон.

Для защиты от электромагнитных полей с частотой 50 Гц экран кабеля также заземляют с обеих сторон. Это оправдано в случаях, когда известно, что электромагнитная наводка с частотой 50 Гц больше, чем наводка, вызванная протеканием выравнивающего тока через оплетку.

3.5.5. Экраны кабелей для защиты от молнии

Для защиты от магнитного поля молнии сигнальные кабели систем автоматизации, проходящие по открытой местности, должны быть проложены в металлических трубах из ферромагнитного материала, например, стали. Трубы играют роль магнитного экрана [Vijayaraghavan]. Нержавеющую сталь использовать нельзя, поскольку этот материал не является ферромагнитным. Трубы прокладывают под землей, а при наземном расположении они должны быть заземлены примерно через каждые 3 метра [Zipse]. Кабель должен быть экранирован и экран заземлен. Заземление экрана должно быть произведено очень качественно с минимальным сопротивлением на землю.

Внутри здания магнитное поле ослабляется в железобетонных зданиях и не ослабляется в кирпичных.

Радикальным решением проблем защиты от молнии является применение оптоволоконного кабеля, который стоит уже достаточно дешево и легко подключается к интерфейсу RS-485.

3.5.6. Заземление при дифференциальных измерениях

Рис. 3.105. Заземление аналоговых входов через сопротивления для уменьшения синфазной помехи

Если источник сигнала не имеет сопротивления на землю, то при дифференциальном измерении образуется «плавающий вход» (рис. 3.105). На плавающем входе может наводиться статический заряд от атмосферного электричества (см. также раздел «Виды заземлений») или входного тока утечки операционного усилителя. Для отведения заряда и тока на землю потенциальные входы модулей аналогового ввода обычно содержат внутри себя резисторы сопротивлением от 1 МОм до 20 МОм, соединяющие аналоговые входы с землей. Однако при большом уровне помех или большом сопротивлении источника сигнала сопротивление 20 МОм может оказаться недостаточным и тогда необходимо дополнительно использовать внешние резисторы сопротивлением от десятков кОм до 1 МОм или конденсаторы с таким же сопротивлением на частоте помехи (рис. 3.105).

3.5.7. Интеллектуальные датчики

В последнее время получили быстрое распространение и развитие так называемые интеллектуальные датчики, содержащие микроконтроллер для линеаризации характеристики преобразования датчика (см., например, «Датчики температуры, давления, влажности»). Интеллектуальные датчики выдают сигнал в цифровой или аналоговой форме [Caruso]. Вследствие того, что цифровая часть датчика совмещена с аналоговой, при неправильном заземлении выходной сигнал имеет повышенный уровень шума.

Некоторые датчики, например, фирмы Honeywell, имеют ЦАП с токовым выходом и поэтому требуют подключения внешнего сопротивления нагрузки (порядка 20 кОм [Caruso]), поэтому полезный сигнал в них получается в форме напряжения, падающего на нагрузочном резисторе при протекании выходного тока датчика.

Рассмотрим пример. На рис. 3.106 напряжение на нагрузке равно

т. е. зависит от тока , который включает в себя ток цифровой земли. Ток цифровой земли содержит шум и, в соответствии с вышеприведенной формулой, влияет на напряжение на нагрузке. Чтобы устранить этот эффект, цепи заземления надо выполнить так, как показано на рис. 3.107. Здесь ток цифровой земли не протекает через сопротивление и поэтому не вносит шум в напряжение сигнала на сопротивлении нагрузки.

Рис. 3.106. Неправильное заземление интеллектуального датчика

Рис. 3.107. Правильное заземление интеллектуального датчика

3.5.8. Монтажные шкафы

Монтаж шкафов автоматики должен учитывать всю вышеизложенную информацию. Однако заранее нельзя сказать однозначно, какие требования являются обязательными, какие — нет, поскольку набор обязательных требований зависит от требуемой точности измерений и от окружающей электромагнитной обстановки. Поэтому нижеприведенные примеры заземления разделены на «правильные» и «ошибочные» условно. При этом «правильный» пример всегда дает меньший уровень помех, чем «неправильный».

Рис. 3.108. Пример правильного заземления шкафов автоматики

На рис. 3.109 приведен пример, в котором каждое отличие от рис. 3.108 увеличивает вероятность сбоев цифровой части и ухудшает погрешность аналоговой. На рис. 3.109 сделаны следующие «неправильные» соединения:

• заземление шкафов выполнено в разных точках, поэтому потенциалы их земель отличаются, см. рис. 3.95, рис. 3.96;
• шкафы соединены между собой, что создает замкнутый контур в цепи заземления, см. рис. 3.69, раздел «Защитное заземление зданий», «Заземляющие проводники», «Электромагнитные помехи»;
• проводники аналоговой и цифровой земли в левом шкафу на большом участке идут параллельно, поэтому на аналоговой земле могут появиться индуктивные и емкостные наводки от цифровой земли;
• блок питания (точнее, его отрицательный вывод) соединен с корпусом шкафа в ближайшей точке, а не на клемме заземления, поэтому по корпусу шкафа течет ток помехи, проникающий через трансформатор блока питания;
• используется один блок питания на два шкафа, что увеличивает длину и индуктивность проводника заземления;
• в правом шкафу выводы земли подсоединены не к клемме заземления, а непосредственно к корпусу шкафа. При этом корпус шкафа становится источником индуктивной наводки на все провода, проходящие вдоль его стен;
• в правом шкафу, в среднем ряду, аналоговая и цифровая земли соединены прямо на выходе блоков, что неправильно, см. рис. 3.95, рис. 3.104.

Перечисленные недостатки устранены на рис. 3.108. Дополнительным улучшением разводки в этом примере было бы применение отдельного проводника заземления для наиболее чувствительных аналоговых модулей ввода.

Рис. 3.109. Пример неправильного заземления шкафов с автоматики. Жирной линией выделены неправильные соединения. GND — вывод для подключения заземленного вывода питания.

В пределах шкафа (стойки) желательно группировать аналоговые модули отдельно, цифровые — отдельно, чтобы при прокладке проводов в кабельном канале уменьшить длину участков параллельного прохождения цепей цифровой и аналоговой земли.

3.5.9. Распределенные системы управления

В системах управления, распределенных по некоторой территории с характерными размерами в десятки и сотни метров, нельзя использовать модули ввода без гальванической развязки. Только гальваническая развязка позволяет соединять цепи, заземленные в точках с разными потенциалами.

Кабели, проходящие по открытой местности, должны быть защищены от магнитных импульсов во время грозы (см. раздел «Молния и атмосферное электричество», «Экраны кабелей для защиты от молнии») и магнитных полей при коммутации мощных нагрузок (см. раздел «Экраны кабелей на электрических подстанциях»). Особое внимание надо уделить заземлению экрана кабеля (см. раздел «Экранирование сигнальных кабелей»). Радикальным решением для территориально распределенной системы управления является передача информации по оптическому волокну или радиоканалу.

Неплохие результаты можно получить, отказавшись от передачи информации по аналоговым стандартам в пользу цифровых. Для этого можно использовать модули распределенной системы управления RealLab! серии NL фирмы Reallab!. Суть этого подхода заключается в том, что модуль ввода располагают возле датчика, уменьшая тем самым длину проводов с аналоговыми сигналами, а в ПЛК передается сигнал по цифровому каналу. Разновидностью этого подхода является применение датчиков со встроенными в них АЦП и цифровым интерфейсом (например, датчиков серии NL-1S).

3.5.10. Чувствительные измерительные цепи

Для измерительных цепей с высокой чувствительностью в плохой электромагнитной обстановке лучшие результаты дает применение «плавающей» земли (см. раздел «Виды заземлений») совместно с батарейным питанием [Floating] и передачей информации по оптоволокну.

3.5.11. Исполнительное оборудование и приводы

Цепи питания двигателей с импульсным управлением, двигателей сервоприводов, исполнительных устройств с ШИМ-управлением должны быть выполнены витой парой для уменьшения магнитного поля, а также экранированы для снижения электрической компоненты излучаемой помехи. Экран кабеля должен быть заземлен с одной стороны. Цепи подключения датчиков таких систем должны быть помещены в отдельный экран и по возможности пространственно отдалены от исполнительных устройств.

Заземление в промышленных сетях

Промышленная сеть на основе интерфейса RS-485 выполняется экранированной витой парой с обязательным применением модулей гальванической развязки рис. 3.110). Для небольших расстояний (порядка 10 м) при отсутствии поблизости источников помех экран можно не использовать. При больших расстояниях (стандарт допускает длину кабеля до 1,2 км) разница потенциалов земли в удаленных друг от друга точках может достигать несколько единиц и даже десятков вольт (см. раздел «Экранирование сигнальных кабелей»). Поэтому, чтобы предотвратить протекание по экрану тока, выравнивающего эти потенциалы, экран кабеля нужно заземлять только в одной точке (безразлично, в какой). Это также предотвратит появление замкнутого контура большой площади в цепи заземления, в котором за счет электромагнитной индукции может наводится ток большой величины при ударах молнии или коммутации мощных нагрузок. Этот ток через взаимную индуктивность наводит на центральной паре проводов э. д. с., которая может вывести из строя микросхемы драйверов порта.

При использовании неэкранированного кабеля на нем может наводиться большой статический заряд (несколько киловольт) за счет атмосферного электричества, который может вывести из строя элементы гальванической развязки. Для предотвращения этого эффекта изолированную часть устройства гальванической развязки следует заземлить через сопротивление, например, 0,1. 1 МОм (на рис. 3.110 показано штриховой линией).

Особенно сильно проявляются описанные выше эффекты в сетях Ethernet с коаксиальным кабелем, когда при заземлении в нескольких точках (или отсутствии заземления) во время грозы выходят из строя сразу несколько сетевых Ethernet-плат.

В сетях Ethernet с малой пропускной способностью (10 Mбит/с) заземление экрана следует выполнять только в одной точке. В Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) заземление экрана следует выполнять в нескольких точках, пользуясь рекомендациями раздел «Экранирование сигнальных кабелей»

Рис. 3.110. Заземление в промышленной сети на основе интерфейса RS-485

При прокладке кабеля на открытой местности нужно использовать все правила, описанные в разделе «Экранирование сигнальных кабелей»

3.5.12. Заземление на взрывоопасных объектах

На взрывоопасных промышленных объектах (см. раздел «Автоматизация опасных объектов») при монтаже цепей заземления многожильным проводом не допускается применение пайки для спаивания жил между собой, поскольку вследствие хладотекучести припоя возможно ослабление мест контактного давления в винтовых зажимах.

Экран кабеля интерфейса RS-485 заземляется в одной точке, вне взрывоопасной зоны. В пределах взрывоопасной зоны он должен быть защищен от случайного соприкосновения с заземленными проводниками. Искробезопасные цепи не должны заземляться, если этого не требуют условия работы электрооборудования (ГОСТ Р 51330.10, раздел «Экранирование сигнальных кабелей»).

Искробезопасные цепи должны быть смонтированы таким образом, чтобы наводки от внешних электромагнитных полей (например, от расположенного на крыше здания радиопередатчика, от воздушных линий электропередачи или близлежащих кабелей для передачи большой мощности) не создавали опасного напряжение или тока в искробезопасных цепях. Это может быть достигнуто экранированием или отдалением искробезопасных цепей от источника электромагнитной наводки.

При прокладке в общем пучке или канале кабели с искроопасными и искробезопасными цепями должны быть разделены промежуточным слоем изоляционного материала или заземленной металлической перегородкой. Никакого разделения не требуется, если используются кабели с металлической оболочкой или экраном.

Заземленные металлические конструкции не должны иметь разрывов и плохих контактов между собой, которые могут искрить во время грозы или при коммутации мощного оборудования.

На взрывоопасных промышленных объектах используются преимущественно электрические распределительные сети с изолированной нейтралью, чтобы исключить возможность появления искры при коротком замыкании фазы на землю и срабатывания предохранителей защиты при повреждении изоляции.

Для защиты от статического электричества используют заземление, описанное в разделе «Статическое электричество». Статическое электричество может быть причиной воспламенения взрывоопасной смеси. Например, при емкости человеческого тела 100…400 пФ и потенциале заряда 1 кВ энергия искрового разряда с тела человека будет равна 50…200 мкДж, что может быть достаточно для воспламенения взрывоопасной смеси группы IIC (60 мкДж), см. [Денисенко].

3.4. ПАРАЗИТНЫЕ СВЯЗИ

3.6. ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА

• 1 Архитектура системы
• 2 Промышленные сети и интерфейсы
• 3 Защита от помех
  • 3.1 Источники помех
  • 3.2 Заземление
  • 3.3 Проводные каналы передачи сигналов
  • 3.4 Паразитные связи
  • 3.5 Методы экранирования и заземления
  • 3.6 Гальваническая развязка
  • 3.7 Защита промышленных сетей от молнии
  • 3.8 Стандарты и методы испытаний по ЭМС
  • 3.9 Верификация заземления и экранирования
  • 3.10 Заключение
  Похожие публикации:

  1. The infected как провести электричество
  2. Wago 224 112 как пользоваться
  3. Какая дата стоит на диэлектрических защитных средств
  4. Почему светодиодная лампа мигает в выключенном состоянии