火力發(fā)電廠DCS接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柳 華 陳西杰

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094）

1 引言

目前火力發(fā)電廠自動(dòng)化程度日益提高，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普遍，分散控制系統(tǒng)（DCS）在國(guó)內(nèi)各電廠中已得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。為了保證DCS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制精度和安全、可靠運(yùn)行，必須保證DCS系統(tǒng)有可靠的接地系統(tǒng)。本文按照熱工自動(dòng)化對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)的要求和設(shè)計(jì)規(guī)范，分析了電廠由于接地問題引起儀表不能正常工作、系統(tǒng)停運(yùn)的典型案例。重點(diǎn)分析了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接地目的、類型、接地的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)過程中需要注意問題等方面，給出了大型機(jī)組的典型設(shè)計(jì)方案。

2 DCS接地的目的及分類

DCS接地系統(tǒng)是保證電廠DCS安全可靠運(yùn)行不可缺少的條件，而且也是避免人身傷害或設(shè)備損壞的重要手段。

接地又可分為保護(hù)接地和工作接地和防雷等[1-2]。

2.1 保護(hù)接地

保護(hù)接地的主要目的是保證人身和設(shè)備的安全，當(dāng)電氣設(shè)備的金屬外殼由于進(jìn)線電源絕緣被損壞，有可能帶上危險(xiǎn)相電壓，若無保護(hù)接地，人觸及則形成與地通電，危及人身。為了防止這種危險(xiǎn)電壓危及人身和設(shè)備安全，對(duì)電氣設(shè)備的可能接觸到的金屬部位（如機(jī)柜外殼、元件外殼等）采取接地。

采用保護(hù)接地措施，它一方面降低接觸電壓，將電器設(shè)備的機(jī)架、機(jī)殼和走線架等金屬部分與大地間的電壓降到允許的數(shù)值，另一方面降低了跨步電壓，使電氣設(shè)備與大地表面存在的電位差降低。當(dāng)故障電流流入大地上層時(shí)，其擴(kuò)散能力最小。

2.2 工作接地

工作接地為了保證進(jìn)入DCS系統(tǒng)的各種信號(hào)不受或少受外界干擾而采取的接地。不同文獻(xiàn)中對(duì)工作接地的分類和表述不同，一般分為邏輯地、信號(hào)地、系統(tǒng)地和屏蔽地。

接地系統(tǒng)能夠?yàn)镈CS提供屏蔽層，消除電子噪聲干擾，并為整個(gè)控制系統(tǒng)提供公共信號(hào)參考點(diǎn)（即參考零電位）。

（1）邏輯地

邏輯地也叫主機(jī)電源地，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地，也是+5V等電源的輸出地。

（2）信號(hào)地

信號(hào)地也叫信號(hào)回路地，是現(xiàn)場(chǎng)返回信號(hào)的負(fù)端。當(dāng)DCS給現(xiàn)場(chǎng)提供24V DC時(shí)，且AI、AO為非隔離式，信號(hào)地就是系統(tǒng)地。當(dāng)由其他設(shè)備提供電源時(shí)，根據(jù)信號(hào)源原理決定是否接入公共接地極。

（3）系統(tǒng)地

系統(tǒng)地也叫系統(tǒng)基準(zhǔn)地，通常也是系統(tǒng)電源地，是為DCS信號(hào)提供的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。在DCS中系統(tǒng)地就是給模件供電的24V DC或5V DC的電源地。對(duì)于通道隔離的I/O模塊應(yīng)用場(chǎng)合，它與信號(hào)地是有區(qū)別的，因?yàn)閮烧邲]有電氣聯(lián)系。系統(tǒng)地接地比較復(fù)雜，一般要考慮如下幾種情況：①信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)側(cè)已經(jīng)接地的情況；②系統(tǒng)I/O的輸入、輸出在現(xiàn)場(chǎng)接入同一裝置（而裝置的電路原理不明確）的情況。

（4）屏蔽地

屏蔽地也叫模擬地，是為了避免電磁場(chǎng)對(duì)儀表和信號(hào)的干擾而采取的屏蔽網(wǎng)接地。電纜屏蔽層必須一端接地，以防止形成閉合回路干擾。

2.3 防雷接地

防雷接地是當(dāng)系統(tǒng)受到雷電襲擊時(shí)防止造成損害的接地系統(tǒng)。

當(dāng)接地系統(tǒng)發(fā)生問題時(shí)，例如：接地電阻過大，二（多）點(diǎn)接地，接地線斷線或者接地線與高電壓、大電流設(shè)備相接觸等，都會(huì)造成人身傷害或設(shè)備的損壞。

3 接地不當(dāng)引起熱工系統(tǒng)異常的事例分析

2000年4月，安順電廠1號(hào)機(jī)組由于DCS系統(tǒng)6號(hào)柜接地線松動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)[3]。在6號(hào)端子柜DI輸入信號(hào)中，接有一次風(fēng)機(jī)A、一次風(fēng)機(jī)B、送風(fēng)機(jī)A、送風(fēng)機(jī)B、引風(fēng)機(jī)A、引風(fēng)機(jī)B跳閘信號(hào)，受到交流干擾引起輸入端子電壓降低時(shí)，以上這些DI輸入均為“1”，根據(jù)保護(hù)邏輯，2臺(tái)送風(fēng)機(jī)或2臺(tái)引風(fēng)機(jī)停運(yùn)都要引起MFT動(dòng)作，這就是MFT動(dòng)作的原因。

1997年夏季媽灣電廠4號(hào)機(jī)組投產(chǎn)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)了DCS系統(tǒng)模擬量信號(hào)大范圍波動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)[4]。4號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng)模擬量信號(hào)大范圍波動(dòng)，說明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)受到嚴(yán)重的電噪聲干擾。解決干擾的重要手段和最有效的措施是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接地和采用屏蔽技術(shù)。

北侖發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組DCS改造時(shí)，分散控制系統(tǒng)OVATION上電后不久，發(fā)現(xiàn)在600多個(gè)熱電偶信號(hào)中大約有200個(gè)信號(hào)會(huì)在白天大幅跳躍，而到了晚上跳躍幅度則會(huì)小很多。經(jīng)過分析檢查，發(fā)現(xiàn)這些熱電偶的負(fù)端在現(xiàn)場(chǎng)都接地。根據(jù)OVATION熱電偶模件的結(jié)構(gòu)，其負(fù)端在DCS側(cè)也接地，由此造成測(cè)量回路的二端接地。由于現(xiàn)場(chǎng)的地與DCS的地之間存在電勢(shì)差，且這個(gè)電勢(shì)差不穩(wěn)定，白天現(xiàn)場(chǎng)施工人員比較多，電動(dòng)設(shè)備的起停比較頻繁，因此導(dǎo)致了熱電偶信號(hào)的跳躍且白天和晚間跳躍幅度有所不同。

4 接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

DCS系統(tǒng)的各電子機(jī)柜中應(yīng)設(shè)有獨(dú)立的安全地、系統(tǒng)地、屏蔽地和防雷接地等。除防雷接地外，其他接地一般可與電氣接地網(wǎng)共地。不同性質(zhì)的地用分干線接入各自的匯流板（或者直接接入總的匯流板），各匯流板用總干線接入公共接地極（網(wǎng)），在最終處匯入一點(diǎn)接地，可直接接到接地電阻小于4Ω的電廠電氣接地網(wǎng)上[1，5]。DCS廠家一般在出廠時(shí)在控制柜底部裝設(shè)一根接地銅條，控制站內(nèi)部的安全地、信號(hào)參考地、屏蔽地三地都連接在該銅條上。操作員機(jī)柜、打印機(jī)等均應(yīng)接保護(hù)地。DCS系統(tǒng)的總結(jié)匯流銅排應(yīng)置于防護(hù)的總接地箱中，總接地箱可設(shè)置在集控室下的電纜夾層中。DCS系統(tǒng)接地總示意如圖1所示。

圖1 DCS系統(tǒng)接地總示意圖

其中，AG為屏蔽接地和系統(tǒng)地，CG為保護(hù)接地。

4.1 控制站接地

控制站機(jī)柜的底部裝有一根接地匯流銅條[5]，控制站內(nèi)部的安全地、信號(hào)參考地、屏蔽地三地都連接在該銅條上，如圖2所示。

圖2 控制站機(jī)柜接地示意圖

4.2 操作臺(tái)接地

操作臺(tái)底座安裝有一根接地匯流排，安全地即外殼連接到此匯流排上，它的任何金屬部件應(yīng)和大地處于浮置狀態(tài)，以利于系統(tǒng)的一點(diǎn)接地，如圖3所示。

圖3 操作臺(tái)及部分遠(yuǎn)程IO柜接地示意圖

4.3 遠(yuǎn)程IO柜接地

如果系統(tǒng)的通信線路上無電氣隔離裝置，遠(yuǎn)程站（控制站、操作站）的工作接地匯流排應(yīng)匯總到控制系統(tǒng)的工作接地匯總板上；保護(hù)接地匯流排匯總到就近的電器保護(hù)接地上。如果系統(tǒng)的通信線路上設(shè)有電氣隔離裝置，遠(yuǎn)程站的工作接地匯流排和保護(hù)接地匯流排應(yīng)匯總到就近的總匯流接地銅排（如吹灰動(dòng)力遠(yuǎn)程IO柜的接地）或就近全廠接地網(wǎng)，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程IO柜接地示意圖

同一個(gè)DCS系統(tǒng)中，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)地必須同地，以滿足系統(tǒng)內(nèi)直流地的等電勢(shì)要求。系統(tǒng)內(nèi)的三地必須最后匯流到同一個(gè)接地點(diǎn)上，而這個(gè)接地點(diǎn)接地電阻應(yīng)足夠小，以保證有效地快速消除干擾。

5 接地匯流銅排及接地線要求

（1）接地的連線應(yīng)當(dāng)采用多股銅芯絕緣電線，在接至接地匯總板之前，各接地線、接地匯流排除正常的連接點(diǎn)外，都應(yīng)當(dāng)是絕緣的。

（2）接地線需使用帶絕緣的導(dǎo)線，盡可能選的短、粗、扁。

（3）接地線截面的選擇基于DCS制造廠家技術(shù)資料要求。

（4）接地線與接地銅牌采取永久牢靠的接線方式，線鼻子壓接后再焊接[6]。

（5）接地點(diǎn)周圍15m半徑內(nèi)無6kV電氣設(shè)備。

6 設(shè)計(jì)過程注意問題

根據(jù)所了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中DCS接地系統(tǒng)存在的問題和生產(chǎn)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程嚴(yán)格按廠家規(guī)范執(zhí)行，避免易忽略的問題。

（1）避免兩點(diǎn)接地

在輸入DCS的信號(hào)中，有的因測(cè)量元件的特性使信號(hào)回路的信號(hào)源存在接地點(diǎn)，如通常測(cè)量金屬壁溫度的熱電偶和開關(guān)量信號(hào)中的電接點(diǎn)水位的電極等。而通常傳輸信號(hào)的電纜屏蔽層要求單點(diǎn)接地，這樣就有可能因屏蔽層與信號(hào)源的兩點(diǎn)接地產(chǎn)生干擾。要防止信號(hào)回路的兩點(diǎn)接地，一者選擇能與大地隔離的測(cè)量元件（如選擇與套管絕緣的熱電偶元件）；對(duì)于測(cè)量需要必須接地的測(cè)量元件（如為減少誤差焊于管道的測(cè)量金屬壁的熱電偶）或已經(jīng)使用接地的信號(hào)源元件，應(yīng)將屏蔽層接地點(diǎn)改在信號(hào)源側(cè)接地，以減少地電位差。

（2）屏蔽電纜接地

當(dāng)屏蔽電纜途經(jīng)接線盒或中間端子柜分開或合并時(shí)[1]，應(yīng)在接線盒或中間端子柜內(nèi)將其兩端電纜的屏蔽層通過端子連接。

7 結(jié)論

安順電廠接地線松動(dòng)的問題可以通過施工時(shí)嚴(yán)格遵守安裝規(guī)程避免；對(duì)于夏季媽灣電廠的電磁干擾問題，最有效的方法就是信號(hào)線采用屏蔽電纜，并且要屏蔽層一端可靠接地；北侖電廠的地電位差問題同樣可以通過屏蔽電纜一端接地解決。

DCS接地直接影響電廠DCS的可靠運(yùn)行，但接地問題又較復(fù)雜，許多故障現(xiàn)象都可能是接地不好引起的。目前不同的DCS廠家對(duì)接地系統(tǒng)的要求和接法也不盡相同，許多問題有待進(jìn)一步深入探討，需要我們總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)問題，提出更好解決方案。

[1] DL/T 5182-2004.火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化就地設(shè)備安裝、管路及電纜設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

[2] 華東六省一市電機(jī)工程(電力)學(xué)會(huì).熱工自動(dòng)化[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[3] 陳旭.一次DCS系統(tǒng)接地線松動(dòng)的分析[J]，電力安全技術(shù),2002(8):38.

[4] 吳唯質(zhì),成勝昌,袁文重,肖凌濤.媽灣發(fā)電總廠4 號(hào)機(jī)組DCS 系統(tǒng)模擬量信號(hào)大范圍波動(dòng)分析處理[J].熱力發(fā)電,2002 (1):40-41.

[5] DL/T 1083-2008.火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件[S].中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

[6] DL/T 5190.5-2004.電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范 第5部分: 熱工自動(dòng)化[S].中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

[7] GB50174-93,電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).