Многочисленные объекты энергетики весьма чувствительны к негативному влиянию электромагнитных помех. С особой легкостью подвергаются вредоносному воздействию микропроцессорные электрические и электронные устройства. Заземление экрана кабеля призвано уберечь цепи и устройства от деструктивных или пагубных процессов. Эффективность защиты зависит от многих факторов. Их необходимо учитывать при различных способах заземления экрана, при выборе оптимальной методики для обеспечения безопасности.

Экранированный контрольный кабель

Мир современных коммуникаций требует прокладывания множества проводниковых систем. Поэтому рядом (в одном канале, желобе или колодце) оказываются кабели различного назначения. Электромагнитные поля, существующие в каждом проводнике, воздействуют друг на друга. Для нейтрализации возникающих помех применяют экранированный кабель.

Экран нужен для защиты внутреннего электромагнитного поля от внешних воздействий и для минимизации внутреннего влияния на токи, поля других проводников. Появление электромагнитных потенциалов на поверхности кабельного продукта снимается благодаря заземлению экрана.

Среди множества экранированной продукции контрольные кабели отличаются особым назначением. Они служат для обмена и передачи данных в условиях ограниченного доступа. Контрольный кабель обеспечивает надежную связь с приборами для получения необходимых сигналов и сообщений. Иногда продукт именуют «многожильным кабелем управления».

Экран в контрольных кабелях предназначен для защиты информации, передача которой осложняется воздействием электромагнитных полей от внешних источников. Производится экран из тонкой фольги либо медной проволоки. Экранирующее покрытие выполняется также из луженной проволочной оплетки. Встречаются комбинации электростатического экрана из луженного дренажного провода с металлизированной пленкой.

Особенности конструкции контрольных кабелей, разновидности экранов

Основу конструкции составляют токонесущие жилы. Изготавливают их преимущественно из меди. Изоляция токопроводящих стержней осуществляется с применением материалов ПВХ.

Жилы скручиваются попарно с применением оптимального шага. Пары также могут скручиваться по длине с сохранением оптимального шага. Благодаря парной скрутке происходит эффективное подавление перекрестных помех.

В структуре контрольного кабеля присутствуют наполнитель, экран, внешняя оболочка. Для заполнения промежутков между жилами используются специальные материалы с целью придания кабелю округлой формы. Некоторые контрольные кабели бывают бронированными.

Заземление экрана контрольного кабеля располагается непосредственно под внешней оболочкой. Его обычное место – верхний слой повива. Экран имеет вид обмотки, состоящей из медной (алюминиевой) ленты либо фольги. Сплошность экрана обеспечивается перекрытием защищающих слоев. Требуется только выдерживать допустимые радиусы изгиба.

Допускается производство экранов, конструкция которых отличается продольно накладываемыми гофрированными алюминиевыми лентами с перекрытием. Некоторые разновидности экранирования выполняются с применением алюминиевой фольги, по которой продольно располагается медная проволока.

Внешнюю оболочку изготавливают из различных PVC-материалов. Многие из них являются не распространяющими горение, самозатухающими. Внешняя оболочка делает контрольные кабели устойчивыми перед химическими реагентами, маслами.

Области применения экранированных контрольных кабелей

Контрольные экранированные кабели по назначению подразделяются на 2 основных вида:

для неподвижной прокладки используются марки КВВГЭ, АКВВГЭ;
для нестационарной прокладки применяется марка КГВЭВ.

Буква «Э» становится общей при маркировке разновидностей. Обозначает она наличие экрана. Используются контрольные экранированные кабели с целью соединения между электрическими приборами, электрическими распределительными устройствами. Предусмотрена возможность прокладки группами.

Спектр применения значительно расширяется, когда употребляются гибкие контрольные кабели. Они используются при проведении и организации:

электромонтажных работ;
автоматизированных систем управления (на производствах различного уровня сложности);
техники кондиционирования и отопления;
систем транспортировки и автоматизации;
оборудования электростанций;
систем безопасности;
альтернативной энергетики;
управления станками и приборами.

Гибкие контрольные кабели эффективно применяются в подвижных цепях. Определенные разновидности контрольных кабелей могут использоваться вне помещений, поскольку проводники устойчивы перед ультрафиолетовыми излучениями.

В ассортименте контрольных кабелей имеются продукты, предназначенные для искробезопасных установок. Некоторые разновидности устойчивы к стиранию, механическим нагрузкам, агрессивным химическим веществам.

С какой целью применяется заземление

Заземление экрана кабеля используется для защиты оборудования. При помощи этой операции устройства, инструменты, приборы, аппаратуру предохраняют от электромагнитного излучения и многообразных видов других помех.

Препятствия для нормальной работы оборудования создаются:

токами короткого замыкания;
ударами молнии;
коммутацией в низковольтных и высоковольтных сетях;
силовыми агрегатами;
разрядами статического электричества;
радиопередающими устройствами.

Процедура заземления приводит к снижению напряжения при прикосновении до безопасного значения. Из-под возможного поражения выводятся не только различное оборудование, но и люди, животные.

Экранное заземление исключает протекание токов, генерируемых паразитной обратной связью. Такой вид связи способен действовать синфазно. Результатом становится то, что 2 проводника используют усиление входных сигналов. Заземление экрана нейтрализует это нежелательное явление.

Во многих странах общие требования к заземлению, его конкретному внедрению регламентируют утвержденные правила (ПУЭ – «Правила устройства электроустановок»). Для урегулирования процессов безопасной эксплуатации применяются технические регламенты, отдельные законодательные нормы.

Природа и характер помех

Частотный диапазон помех, их величины варьируются в достаточно широких пределах. Разряды статического электричества составляют миллиамперы. А удары молнии вызывают сотни килоампер. К этому добавляются промышленные частоты при токах короткого замыкания (ТКЗ). Их стремительный рост под влиянием молний или радиопередающих устройств достигает нескольких гигагерц. Подобные условия создают весьма жесткую электромагнитную обстановку (ЭМО).

Атмосферное электричество генерируется за счет электрического потенциала грозовых облаков. Возможное напряжение отдельного грозового облака достигает десятки миллионов вольт, доходя иногда до 1 млрд. Электрические разряды начинаются с острых предметов – деревьев, труб, мачт и т. п. Оборудование Останкинской телебашни, имеющей высоту 540 м, ежегодно выдерживает 30 прямых ударов молнии.

Электромагнитные помехи воздействуют на различные объекты. Характер распространения и влияния проявляется несколькими способами. Воздействие осуществляется на корпус того или иного оборудования посредством излучения. Через аналоговые либо цифровые интерфейсы, порты заземления помехи способны попадать внутрь устройств.

Ток, продуцируемый молнией, теряет напряжение, проходя по земле. Однако даже упавшее напряжение способно выводить из рабочего состояния драйверы интерфейсов. Эти устройства выходят из строя при отсутствии гальванической развязки, расположении в различных зданиях (оборудовании неодинаковыми заземлителями). В пределах одной системы автоматизации лучше использовать из медной шины отдельную «землю». С ней соединяют шину защитного заземления всего здания в одной точке.

Часто микропроцессорное оборудование окружается открытыми распределительными устройствами (ОРУ), силовыми шинами и аппаратами. В таких местах количество и величина помех возрастают в разы. Основным источником воздействий становятся коммутации в силовых сетях, воздействующие на вторичные цепи.

Характер связей между вторичными цепями и высоковольтными системами обусловлен их взаимным расположением. Проектирование магистралей с вторичными цепями должно учитывать геометрические соотношения. Однако повседневная практика приводит массу случаев нарушения этого условия. Происходит это из-за противоречий с другими нормативными требованиями.

Во многих подобных ситуациях защиту от помех обеспечивает экранирование цепей. Но такая операция не способна решить все проблемы по нейтрализации негативного воздействия. Для более надежного предохранения не обойтись без заземления экранов. Они предназначаются для надежного отделения проводников одной электрической цепи от воздействия других цепей, электромагнитных атмосферных явлений.

Механизмы распространения воздействий

Перераспределение энергии в сетях высокого напряжения происходит при коммутациях. Фиксируются мгновенные изменения параметров электрической магистрали. При этом возникают электромагнитные поля, проникающие во вторичные цепи. Следствием становится воздействие на оборудование, изоляцию подключающего кабеля, искажение передаваемых сигналов.

Электромагнитное поле, возникающее при переходном процессе, распространяется и проникает во вторичные цепи. Вместе эти фазы образуют единый физически неделимый процесс. Попытки свести отмеченные процессы к упрощенным моделям приводят к неверным решениям.

Неделимое электромагнитное поле рассматривается как единое. В его составе находятся 2 элемента – электрический и магнитный. Синтез конечных результатов осуществляется, исходя из принципа суперпозиции. Наложение процессов приводит к возникновению интерференции в конструктивном и деструктивном вариантах.

Напряжение, которое образуется при переходном процессе, проникает во вторичные цепи с установленным коэффициентом ослабления. Уровень перенапряжений при переключениях в сетях 110 кВ способен превышать номинальный больше, чем троекратно. Этот показатель повышается до 300 кВ. Для типовых подстанций принимается коэффициент ослабления, равный 100 кВ. Тогда потенциал, который возникает при коммутациях на вторичных цепях, составит 3 кВ.

Во вторичных цепях индуцируется напряжение за счет высокочастотного тока переходного процесса и потока магнитного поля. Для типовых подстанций величина взаимоиндукции ориентировочно составляет 1 мкГн. Если допустить, что высоковольтными шинами протекает ток 500 А, имеющий частоту 1 МГц, то перенапряжение на вторичном кабеле равняется 3141 В.

Приведенные расчеты убеждают, что существует реальная опасность разрушительного воздействия на оборудование и устройства. Уменьшения электромагнитного влияния можно добиться экранированием кабелей. Благодаря защите экранов кабелей удается существенно снизить величину перенапряжений. Опытным путем подтверждается, что с еще большей эффективностью снижается уровень перенапряжений в цепях с экранированным кабелем, получившим заземление.

Основные способы экранного заземления

Заземление экранов – важное монтажно-техническое мероприятие. Процедура охватывает 2 точки. Заземлению подвергаются начало прокладываемого кабеля и его окончание.

Помещения, в которых осуществляется процедура заземления, должны соответствовать основным требованиям по техническим условиям для оборудования и средств. Помехозащищенность системы обеспечивается полной изолированностью экрана от проводника и экранным заземлением. Защитное экранирование преимущественно достигается благодаря перераспределению зарядов (на поверхности экрана) и магнитного поля (из-за протекания индуцированного тока).

Заземляются как пары, генерирующие помехи, так пары, в которых помехи наводятся. В процессе проведения монтажных работ необходимо обеспечить максимально возможное в пространстве разделение сигналов разных типов.

Эффективное заземление экрана контрольного кабеля проводится 2 основными способами. Оно бывает:

односторонним;
двусторонним.

Избранный способ заземления напрямую влияет на надежную защиту цепей. Каждый из способов отличается определенными преимуществами и недостатками.

Плюсы и минусы одностороннего заземления

Принимается по умолчанию, что один из двух ключей (K1 или K2) замкнут. Заземление экранов контрольных кабелей осуществляется с одной стороны.

Под действием электрополя при переходных процессах в шинах с высоким напряжением на поверхности экрана индуцируются заряды. Их поле направляется встречно по отношению к первичному. Такое наложение приводит к тому, что внутри кабеля практически отсутствует электрическое поле. Электрической компонентой поля на экране кабеля наводится потенциал, который уравнивается через одно заземленное окончание.

Для того чтобы ограничить магнитную компоненту поля, необходимо прохождение тока по экрану, направленного встречно первичному. По приведенной схеме единственный возможный путь протекания тока идет через петлю. Ее составляют «экран – ключ (K1 либо K2) – устройство заземления – емкости C2 и C3». По обозначенному пути протекает малая часть тока. Создаваемый магнитный поток лишь частично компенсирует первичный поток. В итоге магнитное поле незначительно экранизируется.

Преимуществом одностороннего экранного заземления становится отсутствие тока на защите при разностях потенциалов между окончаниями. Это позволяет свести к минимуму риски термических повреждений кабелей.

Однако отсутствие возможных путей для беспрепятственного протекания тока становится причиной появления ряда других проблем. Токи, образующиеся при коротких замыканиях, приводят к высокой разности потенциалов между окончаниями кабеля. Такая разность достигает несколько киловольт и прикладывается к незаземленному окончанию экрана. Повышается опасность повреждений самого кабеля, порчи подключенного оборудования. Может пострадать и обслуживающий персонал.

Поэтому одностороннее экранное заземление не удовлетворяет требования по защите от перенапряжений оборудования. Такой вид заземления нельзя считать эффективным экранированием, обеспечивающим безопасность работы персонала. Одностороннее экранное заземление не рекомендуется по стандартам Международной электротехнической комиссии (МЭК).

Целесообразность двустороннего заземления

Необходимо вернуться к приведенной схеме. Отталкиваясь от нее, принимается, что оба ключа (K1 и K2) замкнуты. Другими словами, экран кабеля заземляется с обеих сторон.

Аналогично описанному выше процессу экранирование электрической компоненты обуславливается индуцированными зарядами на поверхности экрана. Потенциал, наводимый на экране, уравнивается при этом через оба заземленных окончания.

Магнитная компонента поля экранируется током, протекающем по пути «экран – ключ (K2) – устройство заземления – ключ (K1)». Образующийся магнитный поток направляется встречно первичному полю. Это приводит к его ослабеванию.

Ток протекает вдоль кабельной оси. Создаваемый им поток отличается радиальной составляющей. Она не оказывает заметного влияния на жилы кабеля. Иногда возникает лишь незначительный потенциал, который обусловлен активным экранным сопротивлением. Качественное выполнение монтажных работ и заземления сводит размеры этой составляющей к нескольким вольтам.

Двустороннее экранное заземление защищает кабельные жилы от деструктивного воздействия электрической и магнитной компонент поля, возникающих в высоковольтной сети при переходных процессах. В этом плане преимущество экранного заземления с обеих сторон представляется неоспоримым.

Двустороннее заземление экрана признается более прогрессивным способом защиты контрольных кабелей от электромагнитных влияний. Однако система заземления должна иметь особенно великую эквипотенциальность. При коротких замыканиях или молниях возникающее на заземленном устройстве падение потенциала должно быть предельно малым, дабы не вызывать термических повреждений. Подобная ситуация достигается тщательным обустройством всей системы заземления.

Двустороннее заземление позволяет устранять влияния высоко- и низкочастотных электромагнитных помех. Этот метод требует тщательного проектирования систем заземления для обеспечения высокой степени эквипотенциальности.

Новейшие системные способы заземления

Развитие теории и практики экранного заземления приводит к созданию и апробации все новых способов защиты проводников. Одним из прогрессивных методов признается создание замкнутых заземляющих систем (Mesh-Common Bonding Network – MCBN). Отличаются они большим количеством связей без выделения «чистых» контуров, обеспечивающих заземление.

Еще одним эффективным методом экранной защиты считается применение параллельных заземляющих проводников (Parallel Earth Conductor – PEC). Прокладываются они вдоль кабеля. Ток растекается по параллельно заземляющим проводникам с обратной пропорциональностью к их сопротивлениям. Большая часть тока в этом случае протекает по массивным кабельным проводникам вдоль металлических конструкционных элементов либо кабельных каналов. Эти конструкции действуют как другие заземляющие проводники для всего кабеля.

Еще одна разновидность этого способа предполагает экранирование кабеля рядом с большим параллельным заземляющим проводником, как с экранированным кабелем, так и с параллельным заземляющим проводником. Подключаются они с каждого конца к локальному заземляющему контакту оборудования или устройства.

Для охвата очень больших расстояний рекомендуются дополнительные подключения к сети параллельного заземляющего проводника на нерегулярных расстояниях между устройствами. Эти дополнительные соединения образуют более короткий обратный путь для разрушающих токов, протекающих через параллельный заземляющий проводник. Для U-образных лотков, экранов и трубок дополнительные соединения должны быть внешними, чтобы поддерживать разделение с внутренним пространством.

Индуктивность соединения между заземляющим стержнем и соединительной сетью должна быть меньше одного μHenry (по возможности 0,5 мкГн). Например, можно использовать один провод длиной 50 см или два параллельных проводника длиной 1 метр, установленных на минимальном расстоянии друг от друга (не менее 50 см), чтобы уменьшить взаимную индуктивность между двумя проводниками.

Цель параллельного заземления проводников сводится к уменьшению синфазного тока. Метод доказал свою эффективность при защите от больших токовых нагрузок – при ударах молнии или возврате высоких токов повреждения.

Заключение или выводы

Окончательный выбор конкретного способа экранного заземления требует индивидуальных подходов и учета особенностей каждого конкретного случая. Защита контрольного кабеля от термических повреждений – далеко не тривиальная задача. Ее решение предполагает ответственное проектирование и качественный монтаж.

Успешное внедрение в эксплуатацию электронных и электрических устройств с заземлением, выполненным только по правилам безопасности (например: «ГОСТ 12.1.038»), иногда не представляется возможным. Допуски по стандартам безопасности составляют потенциал в десятки вольт. Это представляет опасность для целостности экрана кабеля и неприемлемо с точки зрения требований электромагнитной совместимости.

Экраны контрольных кабелей заземляются с целью надежной защиты аппаратуры, оборудования, устройств от электромагнитного излучения. Не стоит пренебрегать такой процедурой. Отсутствие экранного заземления может привести к выходу из строя дорогостоящего оборудования, безвозвратной потере важной информации.