接地的應(yīng)用討論

■劉成發(fā) 中國石化集團(tuán)第十建設(shè)公司山東淄博255438

接地的應(yīng)用討論

■劉成發(fā) 中國石化集團(tuán)第十建設(shè)公司山東淄博255438

接地工程的廣泛性和重要性已是大家的共識,根據(jù)近年來的施工經(jīng)驗,對接地進(jìn)行簡要的介紹和探討。

接地干擾常見問題

隨著時代的進(jìn)步,微電子技術(shù)的推廣，使得設(shè)備要求更低的接地電阻，更強(qiáng)的抗干擾能力。實踐要求有更加系統(tǒng)的接地理論來對工程實際進(jìn)行指導(dǎo),本文根據(jù)儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)定結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，對接地進(jìn)行簡要介紹和探討。

1 接地的目的和要求

1.1 接地的目的和分類

接地的目的概括起來有兩個：一是為了安全，保護(hù)人員和設(shè)備不受損害的保護(hù)接地；二是為了抑制干擾，保障設(shè)備的正常運(yùn)行的工作接地。

1.1.1 保護(hù)地

防雷接地是受到雷電襲擊（直擊、感應(yīng)或線路引入）時，為防止造成損害的接地系統(tǒng)。常有信號（弱電）防雷地和電源（強(qiáng)電）防雷地之分。

機(jī)殼安全接地是將設(shè)備平時不帶電的部分與地之間形成良好的導(dǎo)電連接，以保護(hù)設(shè)備和人身安全。主要是避免故障發(fā)生時強(qiáng)電串入，另外可避免外殼的靜電荷積累。

1.1.2 工作地

工作地是為了使系統(tǒng)以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測量和控制精度而設(shè)的接地。它分為機(jī)器邏輯地、信號回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系統(tǒng)中還有本安接地。

邏輯地：也叫機(jī)器邏輯地、主機(jī)電源地，是計算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地，也是+5V等的電源輸出地。

信號回路接地：非隔離的信號需建立的一個統(tǒng)一的信號參考點，通常為直流電源負(fù)極。

屏蔽地：也叫模擬地，它可以把現(xiàn)場信號傳輸時所受到的干擾屏蔽掉，以提高信號精度。

本安地：是本安儀表或安全柵的接地。這種接地除了抑制干擾外，還是使儀表和系統(tǒng)具有本質(zhì)安全性質(zhì)的措施之一。本安接地因采用的本安措施不同而不同。

1.2 接地的原則和要求

1.2.1 接地原則

接地系統(tǒng)由接地聯(lián)結(jié)和接地裝置兩部分組成，接地聯(lián)結(jié)包括:接地連線、接地匯流排、接地分干線、接地匯總板、接地干線。接地裝置包括:總接地板、接地總干線、接地極。儀表及控制系統(tǒng)的接地聯(lián)結(jié)采用分類匯總，最終與總接地板聯(lián)結(jié)的方式。交流電源的中線起始端應(yīng)與接地極或總接地板連接。在各類接地聯(lián)結(jié)中嚴(yán)禁接人開關(guān)或熔斷器。

1.2.2 接地要求

(1)當(dāng)廠區(qū)電氣接地網(wǎng)對地分布電阻≤4Ω時，電氣接地網(wǎng)可當(dāng)儀表系統(tǒng)的公共接地極（網(wǎng)）。當(dāng)電氣接地網(wǎng)接地電阻較大或雜亂時，儀表系統(tǒng)應(yīng)獨立設(shè)置接地。

(2)沒有本安地接入的公共接地極（網(wǎng)）的對地分布電阻小于4Ω；有本安地的小于1Ω。接地總干線的線路阻抗小于0.1Ω。

(3)接地極周圍15m內(nèi)無避雷地的接入點，8m內(nèi)無30KW以上的高低壓用電設(shè)備外殼的接入點。當(dāng)現(xiàn)場無法滿足該條件時，防雷保護(hù)地通過避雷器/沖擊波抑制器與公共接地極的主干線相連。電焊地切勿與公共接地極及其接地網(wǎng)搭接在一起，二者應(yīng)距離10m以上。

儀表系統(tǒng)過去較多的采用專用接地網(wǎng)。但這種接地方式缺點太多：占地面積太大，投資高，電纜及接地網(wǎng)鋼材耗量大，距廠房有相當(dāng)?shù)木嚯x(因不易在廠房內(nèi)找到合適的位置)，管理、維護(hù)、測量及查找接地極和接地線不方便，且效果不甚良好。近些年大多改用電氣接地網(wǎng)接地，當(dāng)然，有幾個主要因素需要考慮并解決，首先要考慮電氣系統(tǒng)地上是否干擾很大，如大電流設(shè)備啟停是否頻繁，對地產(chǎn)生的干擾是否大；其次電氣系統(tǒng)地的接地電阻是否足夠小，而且整個地網(wǎng)各個部分的電位差是否很小，即地網(wǎng)的各部分之間是否阻值很?。ā?W）；另外也需考慮弱電子系統(tǒng)的抗干擾能力以及所用到的傳輸信號的抗干擾能力，例如有無小信號(電偶，熱電阻)的直接傳輸?shù)?。這幾個因素是不難解決的，綜合分析兩種方案的安全與成本，近年來基本都采用儀表系統(tǒng)各類接地匯接到電氣總接地板，實現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)，與電氣系統(tǒng)合用接地裝置與大地連接。

2 接地方法

2.1 供電系統(tǒng)地

在很多企業(yè)廠區(qū)內(nèi)有一個很大的地線網(wǎng)，而通常供電系統(tǒng)的地是與地線網(wǎng)連在一起的。有的設(shè)備廠家尤其是系統(tǒng)廠家強(qiáng)調(diào)所有接地必須和供電系統(tǒng)地以及其它（如避雷地）嚴(yán)格分開，而且之間至少應(yīng)保持15m以上的距離。所以為了徹底防止供電系統(tǒng)地的影響，目前供電線線路大多用隔離變壓器隔開。

2.2 一點接地方式

控制系統(tǒng)接地采用一點接地方式,形成一個統(tǒng)一接地系統(tǒng)，我們稱為“合設(shè)接地系統(tǒng)”；“工作地”、“保護(hù)地”和“防雷地”分別安裝，互不連接，我們稱為“分設(shè)接地系統(tǒng)”。合設(shè)接地系統(tǒng)消除了不同接地點可能存在的電位差，在發(fā)生雷擊時，可以較好地抑制不同接地點之間發(fā)生的放電現(xiàn)象，目前大部分系統(tǒng)廠家各種地在機(jī)柜內(nèi)部自己分別接地，匯于一點，然后用接地分支干線將各匯地點連起來，接到一個公共的接地體上。各種接地在沒匯到接地匯流排前，彼此之間應(yīng)保證絕緣，避免接地干擾。

保護(hù)接地：控制系統(tǒng)的所有設(shè)備均有一個保護(hù)地，一般在設(shè)計加工時在內(nèi)部已經(jīng)接好，有的系統(tǒng)中將該保護(hù)地在內(nèi)部同電源進(jìn)線的保護(hù)地連在一起，有的禁止將保護(hù)地同電源進(jìn)線相連，大部分廠家都選后者，前者情況很少見，筆者僅在日本神鋼擠出機(jī)系統(tǒng)盤柜中見過，一般情況設(shè)計會單獨出一套總的接地系統(tǒng)接線圖，對此可能有疏忽，現(xiàn)場需特別注意。

信號接地：有單點接地，多點接地，浮地和混合接地。單點接地是指整個電路系統(tǒng)中只有一個物理點被定義為接地參考點，其他各個需要接地的點都直接接到這一點上。在低頻電路中，布線和元件之間不會產(chǎn)生太大影響。通常頻率小于1MHz的電路采用一點接地。多點接地是指電子設(shè)備中各個接地點都直接接到距它最近的接地平面上（即設(shè)備的金屬底板）。在高頻電路中，寄生電容和電感的影響較大。通常頻率大于10MHz的電路，常采用多點接地。浮地，即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。虛地:沒有接地，卻和地等電位的點。其優(yōu)點是該電路不受大地電性能的影響。浮地可使功率地（強(qiáng)電地）和信號地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。其缺點是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應(yīng)干擾。對于PLC、DCS等控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制系統(tǒng)，應(yīng)采用直接接地方式。在原則上不允許變送器和其它的傳感器在現(xiàn)場端接地，而是將其在計算機(jī)端一點接地，在有些場合現(xiàn)場端必須接地時，一定要注意原信號的輸入端子絕對不許和計算機(jī)的接地線有任何電氣連接，計算機(jī)前端必須要有有效的隔離措施。

屏蔽地：在設(shè)計和制造中機(jī)柜內(nèi)部都安置了屏蔽匯流排，屏蔽地必須一端接地，防止形成閉合回路干擾。信號電纜的屏蔽層不得浮空，必須接地，其接地方式應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）當(dāng)信號源浮空時，屏蔽層應(yīng)在計算機(jī)側(cè)接地；

（2）當(dāng)信號源接地時，屏蔽層應(yīng)在信號源側(cè)接地；

（3）當(dāng)放大器浮空時，屏蔽層的一端與屏蔽罩相連，另一端宜接共模地(當(dāng)信號源接地時，接信號地。當(dāng)信號源浮空時接現(xiàn)場地)。

有一點需稍加注意，鎧裝電纜的金屬鎧不應(yīng)作為屏蔽接地，必須是銅絲網(wǎng)或鍍鋁屏蔽層接地。在實際施工中，要避免發(fā)生這個錯誤。

本安地：本安地的接地系統(tǒng)應(yīng)保持獨立，接地電阻符合系統(tǒng)的說明要求。

3 接地材料要求

3.1 接地系統(tǒng)的導(dǎo)線

接地系統(tǒng)的導(dǎo)線應(yīng)采用多股絞合銅芯絕緣電線或電纜。根據(jù)連接儀表的數(shù)量和長度按下列數(shù)值選用：

接地連線:1～2.5mm2

接地分干線:4～16mm2

接地干線:10～25mm2

接地總干線:16～50mm2

3.2 接地匯流排、聯(lián)結(jié)板規(guī)格

接地匯流排宜采用25×6mm2的銅條制作。也可用連接端子組合而成。接地匯總板和總接地板應(yīng)采用銅板制作。銅板厚度不應(yīng)小于6mm，長寬尺寸按需要確定。

4 影響接地實際效果的問題及措施

除了接地本身高標(biāo)準(zhǔn)要求外，設(shè)備和布線的合理選擇與否也至關(guān)重要，選擇合理可很大程度降低對接地的要求，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性；選擇不合理，再高水平的接地也滿足不了實際的要求。國內(nèi)工業(yè)系統(tǒng)的干擾主要來自系統(tǒng)外引線的干擾。即通過電源和信號線引入，可通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)備選型和合理的布線減少這些干擾，下面簡要討論一下。

實踐證明，因電源引入的干擾造成控制系統(tǒng)故障的情況很多，筆者在某工程調(diào)試中遇到過，后更換隔離性能更高的電源問題才得到解決。現(xiàn)在這種情況基本上已經(jīng)避免了，對于控制系統(tǒng)供電的電源，一般都采用隔離性能較好的UPS電源，而對于變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，并沒受到足夠的重視。雖然采取了一定的隔離措施，但普遍還不夠，主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大，抑制干擾能力差，經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以對于變送器和共用信號儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù))的配電器，以減少對系統(tǒng)的干擾。在選擇國外進(jìn)口產(chǎn)品要注意，我國是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。由于我國電網(wǎng)內(nèi)阻大，零點電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上，對系統(tǒng)抗干擾性能要求更高。在國外能正常工作的PLC產(chǎn)品在國內(nèi)工業(yè)就不一定能可靠運(yùn)行，這就要在采用國外產(chǎn)品時，按我國的標(biāo)(GB/T13926)合理選擇。

來自信號線引入的干擾，主要是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，這種往往也是最嚴(yán)重的，引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴(yán)重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機(jī)，當(dāng)然這也是之所以做接地系統(tǒng)的主要原因。實踐證明，正確的選擇電纜和敷設(shè)電纜，可有效地減少這種干擾。

(1)不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時傳送動力電源和信號，避免信號線與動力電纜靠近平行敷設(shè)，以減少電磁干擾

(2)將不同種類的信號線隔離鋪設(shè)(不在同一電纜槽中，或用隔板隔開)，可根據(jù)信號不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分成幾等。模擬量信號、低電平開關(guān)信號建議用屏蔽雙絞線連接，模擬量信號線必須單獨占用電纜管或電纜槽。低電平開關(guān)信號、數(shù)據(jù)通信線路也要單獨走線，不可和動力線和大負(fù)載信號線在一起平行走線。高電平的開關(guān)量的輸入輸出以及其他繼電器輸入輸出信號建議用雙絞線連接，也單獨走電纜管或電纜槽。

另外還有一些其它干擾，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門無法改變，在此不做過多討論。

5 現(xiàn)場接地常見問題

結(jié)合實際施工經(jīng)驗，主要以新疆美克化工施工過程中的遇到的問題為例對幾個常見的故障小常識做簡略說明。

5．1系統(tǒng)廠家自身的原因

系統(tǒng)廠家工廠測試時正常，但現(xiàn)場實際情況要復(fù)雜的多，在系統(tǒng)調(diào)試過程中出現(xiàn)以下問題：

（1）DCS畫面的數(shù)據(jù)偶爾有變黑的故障顯示，此時對現(xiàn)場信號的變化沒有反應(yīng)。

（2）卡件有問題，其指示燈閃爍，有時熄滅，導(dǎo)致其輸入輸出信號時有時無，有時則保持輸入輸出信號大小不變。

（3）繼電器柜保險損壞，更換頻繁。

經(jīng)檢查排除，有兩個原因，一是是I/OLink與I/O端子卡件之間的數(shù)據(jù)線有問題，兩端接觸不好；二是室內(nèi)的接地分支干線與接地干線由系統(tǒng)廠家自帶φ6的獨芯銅芯電纜作為接地線，后改為φ16的多股絞合銅芯絕緣電線。

設(shè)計與施工中要注意，不同的系統(tǒng)廠家有不同的要求，廠家標(biāo)準(zhǔn)高于規(guī)范時建議采用廠家標(biāo)準(zhǔn)，否則必須符合規(guī)范要求。

5.2 各系統(tǒng)之間的整合會出現(xiàn)問題

多表現(xiàn)在DCS/SIS與CCS之間，因硬件濾波及軟件抗干擾措施的不到位引起同一信號不一致。美克化工的汽輪機(jī)采用的是505軸測檢測系統(tǒng)，輸出與DCS接收之間出現(xiàn)偏差，例如：505本身轉(zhuǎn)速給定值輸出為12mA，DCS處接受卻為8mA左右等類似情況。

之前二者不存在此問題，在開車過程中出現(xiàn)的這個現(xiàn)象，應(yīng)是信號干擾的原因，加上信號隔離器后此現(xiàn)象消失。

5.3 現(xiàn)場接線存在的問題

5.3.1 信號線

V3301氧壓機(jī)入口閥現(xiàn)場開關(guān)正常，回訊開關(guān)正常，但在DCS畫面上回訊關(guān)的信號一直接收不到。我們在機(jī)柜端子上短接，DCS畫面顯示閥關(guān)，說明機(jī)柜沒問題；檢測現(xiàn)場來的信號，閉合，據(jù)經(jīng)驗，再檢測現(xiàn)場來的2線的分別對地（其實關(guān)鍵是“+”線，因為它接的機(jī)柜端子帶24v正電），發(fā)現(xiàn)“+”線果然對地了，現(xiàn)場接線的線頭過長觸到接線盒上了。此前已有一個調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)過類此問題，其“+”線接地，控制室給定信號，閥不動，但用FLUKE741加信號，閥動，741的信號過強(qiáng)大，造成判斷失誤，即認(rèn)為控制室信號出現(xiàn)問題了。

5.3.2 屏蔽線

汽壓機(jī)入口端軸承溫度在開車過程中均正常，后在停車期間發(fā)現(xiàn)其溫度達(dá)到80℃以上了。溫度探頭壞的可能性很小，但仍需排除，現(xiàn)場檢測沒問題，后發(fā)現(xiàn)就地接線箱內(nèi)，探頭電纜與二次電纜直接綁在一起了，而不是按要求分別接在箱內(nèi)的端子排上。信號線綁在一起接觸不良，最主要是屏蔽線綁在一起接觸箱體而導(dǎo)致此問題，而在開車過程中因為機(jī)組震動，屏蔽線反而沒有接觸到箱體。

6 結(jié)束語

接地的作用日益顯現(xiàn)，高標(biāo)準(zhǔn)的接地系統(tǒng)對現(xiàn)代化企業(yè)的安全、平穩(wěn)、高效的生產(chǎn)至關(guān)重要。如何更好的做好接地還需要我們進(jìn)一步的研究探討并在工程和生產(chǎn)實踐中不斷摸索和總結(jié)經(jīng)驗。

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2010-05-04）