拖曳水池信號接地系統(tǒng)分析

張 瑋

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司, 上海 200063)

拖曳水池信號接地系統(tǒng)分析

張 瑋

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司, 上海 200063)

分析了某拖曳水池測試設(shè)備的信號接地系統(tǒng)設(shè)計方案。水池內(nèi)測試設(shè)備通常在移動狀態(tài),因此信號電路接地采用多點環(huán)形接地體方式。水池測試設(shè)備調(diào)試結(jié)果表明,整體信號接地系統(tǒng)方案提高了電子測試設(shè)備信號基準(zhǔn)電位的準(zhǔn)確性,信號電路接地電阻測量值為0.39 Ω,基礎(chǔ)接地網(wǎng)接地電阻測量值為0.18 Ω,滿足設(shè)計要求。

拖曳水池; 信號電路接地; 信號干擾源; 共用接地體; 聯(lián)結(jié)導(dǎo)體

0 引 言

根據(jù)測試船體類型及測試內(nèi)容的不同,船舶與海洋工程試驗水池分為拖曳水池、耐波操控性水池、垂直空泡水洞水池、海洋深水水池等。拖曳水池是比較常見的大型船舶與海洋工程試驗水池,其水池的面積是試驗水池中最大的,約有幾千平方米。在模擬實際航行中的波浪條件下,縮小比例的船體模型由拖曳小車按照不同的速度在水池中拖動,小車上測試設(shè)備同步測試船體模型的航行參數(shù)。由于測試設(shè)備移動性和測試環(huán)境復(fù)雜性的特點,信號基準(zhǔn)電位不穩(wěn)定,嚴重影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,這主要是因為信號接地系統(tǒng)不合理。

本文分析了某拖曳水池測試設(shè)備的信號接地系統(tǒng),采用的整體信號接地系統(tǒng)可提高測試設(shè)備信號基準(zhǔn)電位的準(zhǔn)確性。

1 項目概況

某拖曳水池長300 m(含12 m長船塢),寬16 m,深7.5 m,半埋式結(jié)構(gòu)。水池設(shè)在建筑物內(nèi),建筑物跨度為24 m,建筑總層數(shù)為2層,總長度約為337 m,總寬度約為44 m,總高度為15.5 m。

2 拖曳水池信號接地系統(tǒng)

2.1 信號接地系統(tǒng)

按接地的不同作用分為功能性接地和保護性接地,其中信號電路接地屬于功能性接地。JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第12.7.1～4條規(guī)定:電子設(shè)備接地電阻值一般不宜大于4 Ω,并采用一點接地方式;電子設(shè)備接地宜與防雷接地系統(tǒng)共用接地體,但接地電阻不應(yīng)大于1 Ω。

實際工程中,測試設(shè)備供應(yīng)商要求將信號電路接地與防雷接地系統(tǒng)分開設(shè)置。由于常見的電子設(shè)備為固定式,一般位于在實驗室或車間內(nèi),等電位措施操作性強,環(huán)境特征穩(wěn)定,因此信號電路接地采用一點接地方式,基準(zhǔn)電位效果穩(wěn)定性較好。

大型船舶與海洋工程試驗水池內(nèi)測試設(shè)備通常在移動狀態(tài)下完成,因此信號電路接地不適用一點接地方式,而采用多點環(huán)形接地體方式。

2.2 拖曳水池信號干擾源

電子設(shè)備信號干擾源常見有電磁干擾、噪聲干擾、頻率干擾、射線干擾等。電子設(shè)備基準(zhǔn)電位的穩(wěn)定性取決于信號電路接地系統(tǒng)是否針對性地采用等電位聯(lián)結(jié)或絕緣技術(shù)措施屏蔽干擾源。因此,測試設(shè)備信號干擾源是設(shè)計信號電路接地系統(tǒng)方案的關(guān)鍵。

拖曳水池基本干擾源的主要類型如表1所示。

表1 拖曳水池基本干擾源的主要類型

2.3 信號接地電阻值

該拖曳水池主要向國外的船東提供測試服務(wù),測試設(shè)備也由國外供應(yīng)商提供,為了達到國外其他拖曳水池的要求,水池實驗室要求測試設(shè)備就地信號接地電阻值不大于0.5 Ω,故建議信號網(wǎng)接地電阻不應(yīng)大于0.2 Ω,且要求將信號電路接地體與建筑內(nèi)保護性接地體分開。

目前,國內(nèi)設(shè)計規(guī)范中各系統(tǒng)接地電阻均不大于1 Ω,精度要求特別高的實驗設(shè)備要求儀表信號接地電阻值不應(yīng)大于0.5 Ω,因此該工程接地電阻值的高要求增加了信號電路接地系統(tǒng)的難度。

3 信號接地系統(tǒng)方案

3.1 接地系統(tǒng)總體思路

拖曳水池接地系統(tǒng)將信號電路接地體與建筑物保護性接地體分開設(shè)置。建筑物的保護性接地為防雷及設(shè)備配電保護接地,利用建筑物的基礎(chǔ)鋼筋以及柱內(nèi)主筋沿建筑物外圈形成共用接地網(wǎng),接地電阻不大于1 Ω;如電阻值達不到要求,沿外圈增打接地極。

信號電路接地網(wǎng)采用銅排在水池基礎(chǔ)底部的土壤內(nèi)垂直打接地體,水平連接形成內(nèi)圈網(wǎng)格,接地引上線也采用銅排單獨明敷至水池側(cè)邊,與混凝土中的鋼筋絕緣。

水池底部基礎(chǔ)比建筑物基礎(chǔ)深,建筑物的保護性共用接地網(wǎng)只能形成外圈,中間不能形成網(wǎng)格,因此水池基礎(chǔ)周邊的信號電路接地網(wǎng)與保護性共用接地網(wǎng)沒有交叉,間距約有4 m,分隔二者的是基礎(chǔ)土壤和水化合物,可近似為是屏蔽的。

3.2 信號接地電阻值計算

要求接地電阻≤0.2 Ω,水池計算條件參數(shù):主邊緣閉合水平接地網(wǎng)長為306 m,寬為18 m,深為3 m,土壤電阻率ρ=20 Ω·m。人工接地電阻為

式中:S——大于100 m2的閉合接地網(wǎng)的面積。

3.3 信號接地網(wǎng)做法

沿水池四周底板下設(shè)垂直段人工接地極,采用φ16銅包鋼接地棒,長度為2.5 m,間隔為12 m,共52組;水池四周底板設(shè)閉合水平接地網(wǎng),采用40 mm×4 mm銅排,水平方向每隔24 m連通,并與垂直段人工接地極連接,形成環(huán)路作為共用接地體。信號接地網(wǎng)做法如圖1所示。

圖1 信號接地網(wǎng)做法 (mm)

3.4 信號接地聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的做法

信號電路接地聯(lián)結(jié)導(dǎo)體引上線采用40 mm×4 mm銅排穿塑料管沿水池側(cè)壁垂直明敷,間隔24 m設(shè)一引上點,水池側(cè)壁頂部以下1.5 m處沿四周設(shè)環(huán)形40 mm×4 mm銅排,作為聯(lián)結(jié)導(dǎo)體接地帶,聯(lián)結(jié)導(dǎo)體引上線與接地帶連接;通過獨立的聯(lián)結(jié)導(dǎo)體方式將信號電路接地系統(tǒng)與建筑物金屬材料中的磁干擾絕緣屏蔽。

聯(lián)結(jié)導(dǎo)體接地帶通過40 mm×4 mm銅排與水池頂部二側(cè)鋼軌道每隔24 m垂直聯(lián)通,將軌道做等電位聯(lián)結(jié)處理,消除拖曳小車沿軌道快速滑動產(chǎn)生的機械摩擦干擾。

水池的電子測試設(shè)備安裝在拖曳小車上(拖曳小車動態(tài)移動),因此小車上測試設(shè)備的信號電路接地點通過滑觸線方式與聯(lián)結(jié)導(dǎo)體連接,滑觸線設(shè)在水池側(cè)壁頂部以下1 m處,單側(cè)布置;確保測試設(shè)備的信號電路接地點與配電系統(tǒng)的保護接地系統(tǒng)絕緣屏蔽。

為解決造波機模擬形成水池內(nèi)波浪沖擊而對水池內(nèi)的移動式傳感器造成的流體干擾問題,施工時在水池內(nèi)壁水面下每隔12 m設(shè)1 m×1 m的鋁合金板(嵌在內(nèi)壁表面上),通過水池外側(cè)的聯(lián)結(jié)導(dǎo)體接地帶分別連通鋁合金板、小車上測試設(shè)備和水下的傳感器而形成等電位。

信號電路接地系統(tǒng)整體做法如圖2所示。

圖2 信號電路接地系統(tǒng)整體做法

4 信號接地系統(tǒng)的輔助措施

拖曳水池信號接地系統(tǒng)的范圍比較大,周邊環(huán)境復(fù)雜,在施工過程中需要采取一些輔助措施,以提高信號接地系統(tǒng)抗干擾性。

對于接地系統(tǒng),接地電阻越小越好。電流流過接地電阻時產(chǎn)生的電壓會帶來寄生電感和寄生電容,可能導(dǎo)致發(fā)生水平振蕩。為了降低接地電阻,施工方采用了三種方法:① 接地極選用導(dǎo)電性高的材質(zhì);② 將接地網(wǎng)內(nèi)的接地線、接地螺栓、接地極牢靠地連接,在接觸點采用熱熔的方式來保持良好的接觸效果,以減小接觸電阻;③ 增加接地極的表面積和降低土壤的電阻率(土壤中注入降阻劑)。

為了加強水池水平、垂直敷設(shè)的信號電路接

地聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的抗干擾性,施工過程中采取了以下措施:

(1) 在敷設(shè)40 mm×4 mm銅排的塑料管內(nèi)加注填充劑,以屏蔽電磁傳導(dǎo)。

(2) 聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的連接處采用熱熔方式以降低電阻,必須螺栓連接的,則增加軟片墊圈。

(3) 拖曳小車上測試設(shè)備的基礎(chǔ)采用非金屬材料,與小車的鋼平臺絕緣等屏蔽方法。

5 信號接地系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)

2014年2月該拖曳水池項目完成了水池測試設(shè)備調(diào)試工作,電子測試設(shè)備信號基準(zhǔn)電位符合設(shè)備商標(biāo)準(zhǔn),小車上電子測試設(shè)備信號電路接地電阻測量值為0.39 Ω,信號電路基礎(chǔ)接地網(wǎng)接地電阻測量值為0.18 Ω,上述結(jié)果滿足設(shè)計要求。

6 結(jié) 語

本文分析拖曳水池信號接地系統(tǒng),提供了較完整的信號電路接地系統(tǒng)設(shè)計、施工方案,以供設(shè)計人員在類似項目時參考。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,對信號干擾源的認識會不斷提高,信號電路接地系統(tǒng)也會相應(yīng)地不斷完善,從而達到真正的信號源零電位。

[1] JGJ 16—2008 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005.

[3] GB 50065—2011 交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施——電氣[M].北京:中國計劃出版社,2009.

Analysis for Signal Grounding System of Towing Tank

ZHANGWei

(China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The paper analyzed the design scheme of the signal grounding system for towing tank. and put forward the entirety signal earthing system scheme,which improves the standard potential of testing equipment signal. The testing equipment usually is in the moving state,so the signal circuit grounding uses the multipoint circular grounding mode. The testing results show that the scheme of signal grounding system improves the accuracy of signal benchmark potential to meet the design requirements,which the grounding resistance measuring value of signal circuit is 0.39 Ω and the grounding resistance measuring value of fundamental grounding grid is 0.18 Ω.

towing tank; signal circuit grounding; signal disturbing source; shared grounding body; bonding conductor

張 瑋(1974—),男,工程師,從事工業(yè)與民用建筑電氣設(shè)計方面的研究。

TU 856

A

1674-8417(2015)07-0055-03

2015-06-25