仪表及控制系统接地知识科普.doc
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1、仪表及控制系统接地知识科普仪表及控制系统接地不是一个新的论题,很多问题早有结论,也有正确的设计方法。但在部分工程技术人员中,仍存在一些模糊概念和疑虑。接地的作用、接地的分类很多文献都讨论过,由不同的方法可以有不同的分类,都有道理,本文不再讨论。本文主要讨论接地设计怎么做,为什么。仪表及控制系统接地的目的主要有两个:一是为人身安全和电气设备的运行,包括保护接地、本安接地、防静电接地和防雷接地等;二是为信号传输和抗干扰的工作接地。但二者又是相关的,不能截然分开。关于仪表系统接地,我国目前还没有制定相应的国家标准。但电气专业关于保护接地、防雷接地的国家标准中的有关规定,是可以参照执行的。IEC和IS
2、A等国际组织的有关标准提供了很好的参考,特别是信息技术装置功能接地和保护接地通过等电位连接以及合用接地的规定,为设计人员提供了权威的、明确的工程设计依据。01保护接地保护接地是为人身安全和电气设备安全而设置的接地(也称为安全接地),仪表专业的保护接地与电气专业的保护接地一样,属于低压配电系统接地,因此,应按电气专业的有关标准、规范和方法进行。例如:GBJ65-83工业与民用电力装置的接地设计规范等。对于低压配电系统接地,电气专业有一系列比较完善的设计、计算、试验、施工及验收的标准规范,对接地系统的各个环节都有较完整的理论、实验和方法,绝不是某个接地电阻值就可以概括的。仪表专业用电一般来自不间断
3、电源UPS或电气专业的建筑物配电,大体可分为控制室用电和现场仪表用电。控制室用电一般采用TN-S系统(整个系统中的保护线和中线是分开的)1。现场仪表用电一般采用TT系统(分散接地)。根据等电位连接原则,仪表用电的保护接地应当是电气接地系统。不但建筑物内实施等电位连接,石油化工装置一般还采用全装置等电位连接。接地工程应当按电气专业的标准规范和方法来设计。有的设计将UPS供电的仪表系统的保护接地分离出来单独设置接地系统,这是不适宜的。多数UPS的两路供电中的一路是不经过变压器隔离而直接切换输出的,这就不可能具备单独设置接地系统的条件。另外,建筑物内的其他配电系统(如照明配电、维修配电等)是电气专业
4、的低压配电系统,并不是UPS出来的仪表电源。这样,在同一建筑物内有两个接地系统,而且不能避免发生被同时接触的事件,这就违反了电气专业规范中“能同时触及的外露导电部分应接至同一接地系统”的配电系统接地规定。既无法实现两个接地系统的完全隔离,同时也无法实现建筑物内的等电位连接,形成不安全因素。02仪表工作接地仪表及控制系统工作接地的目的是抗干扰,对此问题很多文献都论述得很清楚,从理论、实践及方法上都是正确的、可行的。本文不再重复。仪表及控制系统工作接地从工程上可分为屏蔽接地、仪表信号接地等。2.1屏蔽接地仪表屏蔽接地分两种。一种是电缆保护管、电缆槽等接地。这类接地应与装置电气接地网相连,属于等电位
5、连接。另一种为信号屏蔽电缆接地,应根据信号源和接收仪表的不同情况采用不同接法。例如:常用的变送器内部电路多数是不接地的,因此信号屏蔽电缆一般在控制室一侧接地。信号屏蔽电缆接地应为单点接地。从屏蔽的作用可分为:电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽等,以便解决干扰问题。电场屏蔽即静电屏蔽,解决分布电容产生的干扰问题,采用高电导率的材料,应当接地。磁场屏蔽采用高磁导率的材料,要求磁路闭合,频率低时可不接地。电磁场屏蔽防各类电磁波辐射干扰,采用低阻材料,屏蔽体可接地也可不接地。2.2仪表信号接地仪表信号接地分隔离信号与非隔离信号。隔离信号一般可以不接地。这里的隔离应当是每一输入信号(或输出信号)的电路与其他
6、输入信号(或输出信号)的电路是绝缘的,对地是绝缘的,其电源是独立的相互隔离的。非隔离信号通常以24VDC电源负极为参考点并接地。信号分配均以此为参考点。这种电路的共模抑制电压通常都很小,接地是消除此类干扰的主要措施。接地工程设计时应当注意避免设备工作时在地线上产生电压降,而对信号产生干扰。不同系列的常规仪表有不同的接地连接规定。这是因为常规仪表的二次仪表之间的信号传输比较复杂。例如:关于I系列仪表信号接地,在I系列电子式仪表系统设计指南中有详细的叙述。仪表信号公共点接地、分散型控制系统(DCS)和可编程序控制器(PLC)的非隔离输入的接地等,均应从连接端子排或汇流条接到接地汇总板上。这实质上也
7、是一种等电位连接。EK系列仪表是典型的公共接地仪表。仪表非隔离信号接地,虽然最终是与电气接地相连的,但不应直接与电气接地混接。仪表工作接地的连线应当采用多股铜芯绝缘电线,在接至接地汇总板之前,各接地线、接地汇流条除正常的连接点外,都应当是绝缘的。最终与接地体或接地网的连接是从接地汇总板单独接线的。DDZ-型仪表、EK系列仪表、I系列仪表以及YS80系列仪表等常规仪表的接地,最终都是与电气接地接在一起的。仪表及控制系统信号绝大多数是低频信号,低频信号接地的原则是单点接地,对接地电阻没有特殊要求。信号回路中应避免形成接地回路,如果一条线路上的信号源和接收仪表都不可避免接地,则应采用隔离器将两点接地
8、隔离开。2.3电子信息设备接地和保护接地合用接地极国家标准GB50174-93电子计算机机房设计规范第6.4.3条规定:交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻按其中最小值确定。虽然GB50174-93标准制定的适用范围没有包括工业控制机房和微机房,但其中一些规定是可以参考的。IEC标准信息技术装置的接地和等电位连接(IEC364-5-548-1996)明确规定:信息技术装置功能接地和保护接地通过等电位连接,合用接地。适用范围包括:信息技术装置、数据交换需要互联的装置、数据通讯设备、数据处理设备、建筑物内带有接地返回通路的信号装置、建筑物内直流
9、供电的信息技术装置的通讯网络、局域通讯网、火灾报警系统和入侵报警系统,诸如直接数字控制系统的建筑服务设备、计算机辅助制造(CAM)和其他计算机辅助服务系统。该标准还规定了允许接到接地汇总导体上的汇流排还有:远程通讯电缆或设备的屏蔽、过电压保护装置的接地汇流排、无线电通讯天线系统的接地汇流排、信息技术装置直流供电系统的接地汇流排、功能接地汇流排等。IEEEStd11000-1992规定:不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、绝缘的、专用的、干净的、静止的、信号的、计算机的、电子的或其他这类不正确的大地接地体,作为设备接地导体的一个连接点。2.4等电位原理麦克斯韦提倡用法拉第笼的原理防雷,不仅可以
10、不接地,而且比现在的方法更安全、更经济,这就是等电位原理。高压带电作业用的就是等电位原理而不是绝缘防护。IEC标准信息技术装置的接地和等电位连接规定了设备接地和保护接地通过等电位连接而合用接地,对接地电阻的大小没有要求。等电位连接正是防止干扰信号影响的有效措施之一,此时接地电阻的大小对信息设备已无影响,核心技术是等电位连接。在军事上、通讯上的移动设备只做机身连接而不接大地,也无法满足对接地电阻的种种要求,却能够安全、正常、可靠地工作,正是运用了等电位连接原理的结果。“从单独接地到等电位连接,在国际电气学术界早已取得了共识,并写入了IEC标准、ISA标准和一些发达国家的标准,很多制造商的产品资料
11、都作了正确的规定或已作了修改。但还有些制造商仍继续沿用单独接地和苛刻电阻值的接地要求,那可能是不了解标准的现行规定,或出于某种商业目的。”2国家标准GB50174-93电子计算机机房设计规范第6.4.5条规定:电子计算机系统的接地应采取单点接地并宜采取等电位措施。对自控专业而言,保护接地、仪表工作接地、本安系统接地最终在接地总汇流排上连接在一起,合用接地极,实现等电位连接。03本安系统接地安全栅分为隔离式和齐纳式两种。隔离式安全栅采用隔离保护技术,不需要专门接地,而齐纳式安全栅则根据其保护工作原理需要良好的接地系统。本安系统接地通常讨论的是齐纳式安全栅接地问题。非本安区域的电源故障有两种,一种
12、是直流短路,通常两线制或三线制变送器就是由2430V直流电源供电的,因此安全栅接地必须应与直流电源的共公端相连接;另一种是交流短路,为实现保护功能,安全栅接地又必须与交流供电的中线相连。这就决定了安全栅接地最终应是电气系统接地。安全栅接地汇流条与交流供电的中线始点相连的最简单可靠的方法是用导线连接。IEC标准IEC60079-14危险场所的电气设备安装关于本质安全电路的接地中规定:对于“没有电气隔离的安全栅(例如齐纳式安全栅)的接地端子应:1)以最短的可行的路径接到等电位连接系统;或2)对于TN-S系统,接到一个高度完整的接地点,连接方式应保证这一点接到主电源系统接地点之间的阻抗小于1。”可是
13、,有的公司采用以大地作为导体的方式,使一些设计人员误认为这是正规的合理的方法,从而导致工程设计上的不妥。因此,造成了工程中的浪费和施工的麻烦,还形成安全栅事故隐患。用大地作为导体的方法最初见于电力输电的两线一地制,而电力设备接地规范中强调:在低压电力网中严禁利用大地作相线或零线。目前,用大地作导体的方式仅见于TT系统的接地。但是,有很多工程设计采用了为齐纳式安全栅接地单独设置接地极的方式,而恰恰是这种方式形成了地电位击穿安全栅的条件。这是因接地问题而造成齐纳式安全栅损坏的事故根源之一。因此笔者认为,这种为齐纳式安全栅接地单独设置接地极的方式还写进一些标准规范中(如石油化工仪表接地设计规范SH3
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