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仪表及控制系统接地

ababab  发表于 2018/4/24 10:34:50      186 查看 35 回复  [上一主题]  [下一主题]

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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ISA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-Ⅲ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,一种是直流短路,通常两线制或三线制变送器就是由24~30V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1Ω。”

可是,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》SH3081-1997),是值得进一步商榷的。

ISA-RP12.6-1995《危险场所仪表的接地实施》第一部分:“本质安全”中规定了安全栅接地汇流条与交流电源的中性点之间的连接电阻小于1Ω,并明确给出了直接连线的图示。MTL公司的接地指南中也是这样规定的,只是多了一句:“如果能达到0.1Ω更合适。”并提到:用导线连接是最容易的方法。至于接大地的电阻,在上述资料中均无规定。有的安全栅公司只是含含糊糊地说,一般推荐为1Ω,但如果询其依据,则没有。应当注意,在国外的资料中,接大地称Earthing或Grounding,接地连接称Bonding,意义是不一样的。凡是论及本安仪表接地电阻的资料,基本上都是规定接地连接(Bonding)电阻。

国外的资料只重视接地连接(Bonding)电阻,ISA-RP12.6-1995和MTL公司的接地资料中都提出用两条接地导线重复连接的方法,以便测量接地连接(Bonding)电阻,而不是测量接大地(Earthing)的电阻。

现场本安仪表的信号端一般是不接地的,仪表外壳接地的目的并非为了本质安全。另外,地电位只作用在外壳接地的变送器的绝缘上,不会达到击穿现场仪表绝缘的程度。有的文献把变送器外壳接地当作信号端接地。并以外壳接地点与非危险场所的齐纳式安全栅接地点之间的电位差来讨论安全栅的击穿问题是不正确的。如果仪表信号的现场端是固有接地的,回路形成两点接地,地电位差就有可能作用于安全栅上。在这种情况下,使用齐纳式安全栅是不对的,应使用隔离式安全栅,以免形成多点接地。这样既符合信号传送的要求,也符合本质安全的要求。


04

 防雷接地


在谈论仪表及控制系统防雷接地问题时,应当先讨论仪表及控制系统防雷工程设计,因为仪表及控制系统防雷接地仅是仪表及控制系统防雷工程的一个组成部分。文献[3]对这个问题已有比较详细的论述。本文不是专为讨论仪表防雷工程的,仅对仪表防雷接地补充几点。


4.1


 国家标准

国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》提供了很好的依据和参考。标准虽然没有直接规定关于电子设备的防雷设计,但是也作了一些说明。GB50057-94标准中规定了防直击雷、防雷电感应和防雷电波侵入。IEC1024-1-1993将防雷分为外部防雷和内部防雷。外部防雷就是防直击雷,内部防雷包括防雷电感应、防反击、防雷电波侵入和防生命危险,而核心方法就是等电位连接。

在对GB50057-94标准第3.2.4条第5款和第6款的条文说明中,指出了防直击雷和防感应雷的等电位连接:“从防雷观点出发,较好是设共用接地装置,它适合供所有接地之用(例如:防雷、低压电力系统、电讯系统)”,“接地装置的布置和尺寸比接地电阻的特定值更重要。”


4.2


关于接地电阻

国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定了防雷接地电阻为冲击接地电阻,并给出了冲击接地电阻与工频接地电阻的关系。冲击接地电阻与工频接地电阻之比称为冲击系数。雷电落地时有击穿现象,有火花效应,接地极表现出来的电阻为冲击接地电阻;雷电落地时的散流电阻为非线性电阻,与闪电电流的峰值和波形有关,因此不能简单地套用狭义欧姆定律。

随意降低接地电阻值是不负责任的做法。接地电阻的规定应当是有依据的,这直接影响接地工程。例如,在水电部1959年《电气设备接地装置规程》发布之前,电力系统的电气设备接地电阻为0.5Ω。为此,很多电厂消耗了大量钢材,据说有的达到10~40t,接地装置面积100×100m2。而每年为维持和改善接地电阻需继续埋下数吨钢材,数年以后共埋了几十吨,再埋也没有用了。而后来采用均衡接地的设计方法,解决了人体伤害的矛盾。我国现行国家标准的接地电阻规定为4Ω。防雷接地电阻应当按国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》的规定,不应随意降低。


4.3


接地系统的维护

接地电阻通常不是一成不变的,接地装置也不可能是一劳永逸的。对接地系统应当定期检查、维护,及时发现诸如锈蚀、断线、损坏等故障并及时修复,以保持整个系统的完好,特别是接地连接的完好。大量实例证明,对防雷工程的检查和维护是非常重要的。


4.4


现代防雷技术是综合防治技术

仪表系统防雷绝不能单纯依靠接地来做到。不能简单地认为接地就能解决问题,埋地电缆同样也会受到雷击,只不过是它受雷击的几率比架空电缆小而已。

现代防雷技术是综合防治技术,概括起来有:传导、均衡连接、接地、分流、屏蔽等。这方面可参见有关文献。


4.5


雷电的能量

雷电的功率极大,电流脉冲峰值的典型值为104A,闪电通道的电位差为107~109V,中值功率有1012W(10亿千瓦),但一次雷电的能量并不大,时间约10~40μs,电荷约20C(库仑),电能约109J(焦耳),相当于100W的灯泡照明100多天而已[4]。了解雷电的特性,有利于理解防雷技术。


5


防静电接地

静电放电的特点是电压高、电流小、时间短、功率高。对仪表系统而言,人体静电在电子装置的金属外壳上放电是最常见的静电放电现象。抑制或消除静电放电应采取多种措施,除尽量避免产生静电外,及时泄放静电是有效手段之一。仪表及控制系统的防静电接地比较简单,静电导体对地的泄放电阻通常是104~106Ω数量级的,因此很多相应的资料规定用于静电接地的电阻为100Ω。并且,防静电接地可与其他接地系统共用。


6


DCS和PLC接地

   


6.1


 起因

分散型控制系统(DCS)和可编程序控制器(PLC)的接地本来不是一个单独的接地分类,但由于种种原因,使人们有意无意地将其分离出来,而国内、国际并没有单独为DCS和PLC所编制的接地标准规范(其实在客观上也根本没有必要),有时由于一些误解或不正确的规定,反而令造成不小的麻烦。


6.2


 接地依据

DCS(或PLC)的设备可分为信号处理部分和数据处理部分。信号处理部分就是控制器、检测器的输入、输出(I/O)部分。这与常规仪表是一样的,属于仪表工作接地。因此,《石油化工仪表接地设计规范》SH3081-1997的有关叙述(2.0.1,3.0.1)是正确的。数据处理部分有控制器、操作台、工程师站等各处理机或称网络站点设备。这些设备的实质是单板机、微机、工作站、小型机等类型的计算机。而这些设备的接地是保护接地,其开关电源、主板等器件或板卡的接地,或浮空或与机壳相连。因此DCS(或PLC)的接地如何做亦可以明确了。


6.3


有关规范的条文

在DCS制造商的接地工程手册中,大多都有应当符合当地政府、国家或国际有关电气接地标准、规范的条文,然后再推荐一个根据DCS(或PLC)制造商当地政府、国家或国际有关标准的接地方法。

我国有些规范的有关条文常写成“根据仪表制造厂的要求”去做,这并不合适。国外的标准、规范极少这样规定,国际标准根本就没有这样的规定,都是制造商必须符合当地政府、国家或国际有关标准、规范的规定。这不但是一个科学技术问题,在某些领域或某些方面甚至是政治、经济问题。这样的例子并不少见,应当引起重视。

有些制造商是严格按照ISO,IEC及ISA等标准的规定进行实验、研究、设计、生产和制造的,其成果是可以直接利用的。


6.4


一个错误的实例

DCS(或PLC)接地方法与常规仪表是相同的,这已经明确。这里举的实例并不是示范,而是一种不正确的方式,请读者注意。

在某DCS的工程设计资料中,交流接地和DCS的“主参考地”分别设置接地极,并对接地有一段叙述:“安全接地系统要求提供0.1~5Ω的接地电阻,其所需数值由下列方式决定:

“1.当设备既无安全栅又没有防雷接地时,交流安全接地仅需满足当地电气规范所规定的最小接地电阻,通常为5Ω。

“2.当设备使用齐纳式安全栅时,交流接地应小于0.1Ω且主参考地小于0.9Ω。其理由参见防雷接地。

“3.当设备考虑防雷时,每个防雷接地棒都应有最大为0.1Ω的接地电阻。

“本手册防雷讨论中,防雷原则是每一防雷接地棒的接地电阻小于0.1Ω。设100kA的雷电击中,并通过0.1Ω的电阻,会产生10kV的电位。经验表明10kV不会引起电线槽内的火花放电或端子爬电。没有火花或电磁感应,系统就能在雷电击中时完好地工作。”

在该资料中,多次出现防雷接地的接地电阻小于0.1Ω的规定。

对照这些规定不难发现其中的错误,而其防雷接地电阻的理由更是荒唐的。这些不合理的规定给设计工作带来了困难,造成工程上的浪费和施工中的困难,甚至还成了该系统出故障时的托辞。



07

 相关因素


某种接地通常是为实现某一目的而采取的方法之一,如本质安全系统中的本安接地、防雷技术中的防雷接地等。而其他方法和环节的缺少都会影响到接地系统的效果,甚至达不到接地系统预期的目的。因此在工程设计中,不但要注意接地系统的设计,也要注意相关的其他设计。

工程上的事情很多是随机事件,有些甚至是偶然事件。事故的发生常常是多个因素同时作用的结果。由接地引起的故障就是典型的多因素随机事件。错误的工程设计并不一定出现运行事故,而正确的工程设计,有时却由于其他原因引起的事故无法查清而被误认为是该设计引起的。这就是生产过程事故的复杂性和随机性。而事故现象的实验、模拟、再现和事故原因的查清,有时是非常困难的,这也是诸如接地工程这类防止发生某种随机事件的工程设计更容易使人感到困惑的原因。

这已经超出了本文要讨论问题的范围,但这确实是影响接地工程设计的一个因素。


08

 结论



8.1


接地工程的基本原则

为实现接地的各种目的和实施接地工程的各种方法的基本原则是等电位连接,而绝对的等电位连接是不可能的,为实现近似的等电位连接,也需设计多种方法并付出工程代价。

接地工程是系统工程,是由传导、搭接、等电位板、接地线、接地极等多个环节组成的,每一环节的缺陷的故障都会影响到接地系统的效果。接地工程的效能也是综合结果,不可简单地用接地电阻的数值来表征。

低频信号工作接地的原则为单点接地。仪表及控制系统的接地,最终应当接至电气系统的接地装置。


8.2


 接地工程的经济约束

接地工程必须考虑经济因素,切不可片面提高某一指标或过分强调某一接地方式而不顾其实施的成本和困难。正确的工程设计方法,可以用简单易行的方式和相对较低的造价,很好地达到接地工程的目的。


8.3


本质安全系统接地

本质安全仪表系统接地不应是单独的接地系统,应与电气系统接地合一。


8.4


防雷接地电阻

防雷接地电阻为冲击电阻。


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