儀表自控系統(tǒng)的接地工程設(shè)計(jì)

董進(jìn)泉

摘 要：文章闡述了儀表自控系統(tǒng)接地的分類及主要原則。參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，介紹了不同類型接地在工程中的實(shí)施方法。結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，就設(shè)計(jì)人員在接地工程設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)的錯(cuò)誤和注意事項(xiàng)給出了建議。

關(guān)鍵詞：儀表接地；等電位連接；屏蔽；抗干擾

接地是儀表自控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，合理的接地系統(tǒng)是儀表自控系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行和操作人員人身安全的保障。本文從設(shè)計(jì)人員的角度，通過對(duì)國標(biāo)及行業(yè)規(guī)范的解讀，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)儀表自控系統(tǒng)接地的工程設(shè)計(jì)方法及注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述。

1 接地分類

儀表自控系統(tǒng)接地按其作用分為安全接地和工作接地兩大類。安全接地用于保護(hù)人身安全和設(shè)備安全，其包括：保護(hù)接地、防靜電接地、防雷接地。工作接地是為了保障儀表及控制系統(tǒng)的正常工作，其包括：回路接地、屏蔽接地和本安接地。

1.1 安全接地

保護(hù)接地是將用電儀表及設(shè)備正常時(shí)不帶電的金屬部分用接地線與大地相連。當(dāng)發(fā)生某些故障時(shí)，會(huì)造成這些正常時(shí)不帶電的金屬部分帶危險(xiǎn)電壓，而保護(hù)接地線可以將這些危險(xiǎn)電壓迅速導(dǎo)入大地，避免人員觸電和對(duì)用電設(shè)備造成損害。此外，保護(hù)接地還可以防止靜電的積聚。

防靜電接地是將帶靜電物體或有可能產(chǎn)生靜電的物體通過接地線與大地相連，防止靜電電流竄入儀表及控制系統(tǒng)對(duì)人員和設(shè)備造成直接傷害和電磁干擾。

防雷接地是將雷電產(chǎn)生的雷電浪涌通過接地線導(dǎo)入大地、防雷接地包含外部防雷接地和內(nèi)部防雷接地。外部防雷由電氣專業(yè)負(fù)責(zé)，不在本文討論范圍之內(nèi)。內(nèi)部防雷接地包括電纜屏蔽的接地、機(jī)柜的屏蔽接地、浪涌保護(hù)器的接地等，由自控儀表專業(yè)負(fù)責(zé)。

1.2 工作接地

回路接地是指在自動(dòng)化系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備中，非隔離的信號(hào)需要建立一個(gè)統(tǒng)一的信號(hào)參考點(diǎn)并做接地，通常為直流電源的公共端。

屏蔽接地是將電纜的屏蔽層、排擾線、儀表的屏蔽接地端子做接地以消除電磁干擾。還有一種屏蔽接地指的是控制室建筑物內(nèi)的鋼筋、金屬門窗等連接起來，形成一個(gè)屏蔽網(wǎng)并接地，這種屏蔽接地由建筑專業(yè)負(fù)責(zé)。

本安接地是指本質(zhì)安全儀表在安全功能上需要接地的部件應(yīng)做接地。安全柵是設(shè)置在本安電路與非本安電路之間的限流、限壓裝置，以防止非本安電路的危險(xiǎn)能量竄入本安電路。安全柵主要分為齊納式安全柵和隔離式安全柵兩種。齊納式安全柵應(yīng)做本安接地，隔離式安全柵不需要做本安接地。

2 接地原則

自從我國引進(jìn)和采用IEC接地標(biāo)準(zhǔn)，接地系統(tǒng)在概念和技術(shù)上發(fā)生了很大變化。以前的接地系統(tǒng)是否合格，以接地電阻值為準(zhǔn)，現(xiàn)在側(cè)重于接地結(jié)構(gòu)兼顧接地電阻值，特別是從獨(dú)立接地、聯(lián)合接地到采用共用接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)等電位連接方式的轉(zhuǎn)變。圖1為HG/T 20513-2014《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中接地連接示意圖。

2.1 等電位連接

等電位連接是將廠區(qū)內(nèi)各種金屬構(gòu)件、金屬設(shè)施、金屬管道、金屬設(shè)備等導(dǎo)電物體用導(dǎo)線或?qū)w實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接，使各物體之間具有近似相等的電位。等電位連接減少了系統(tǒng)內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差。無論是從防雷的角度還是從減小控制系統(tǒng)的共模干擾來看，都是十分有益的。

從圖1可以看出，儀表自控系統(tǒng)在控制室內(nèi)通過各接地線和接地匯流排來實(shí)現(xiàn)等電位連接。

2.2 共用接地裝置

儀表自控系統(tǒng)各接地部件實(shí)施等電位連接后，接地極的設(shè)置有單獨(dú)接地和共用接地兩種方式。

單獨(dú)接地是將儀表自控系統(tǒng)的安全接地接入電氣接地網(wǎng)，而工作接地則采用“獨(dú)立的”“干凈的”接地極與大地相連。獨(dú)立接地要求儀表工作接地極與電氣接地極之間保持足夠的極間間隔，防止電氣接地極上泄放大電流時(shí)對(duì)儀表接地極產(chǎn)生干擾，而工程實(shí)際中要找到足夠的接地施工空間是很難的。另外，不同接地極所在的大地之間可能因地電位不均等形成地回路，使儀表自控系統(tǒng)引入干擾。

共用接地是將儀表自控系統(tǒng)的接地極與電氣接地極共用。由于實(shí)現(xiàn)了等電位連接，各接地系統(tǒng)及金屬導(dǎo)體相對(duì)于接地極的基準(zhǔn)電位是一致的，這樣減少了進(jìn)入儀表自控系統(tǒng)的共模干擾。同時(shí)減少了接地極的數(shù)量，節(jié)省了設(shè)備和施工的費(fèi)用。

文獻(xiàn)[1-4]都明確提出儀表自控系統(tǒng)的各接地部件采用等電位連接后與電氣共用接地裝置，國內(nèi)外諸多大型石化項(xiàng)目都已證明采用此接地方式的儀表自控系統(tǒng)都能安全穩(wěn)定工作。

2.3 分類匯總

從圖1可以看出，接地聯(lián)結(jié)由接地匯流排、接地匯總板及接地線組成。工作接地匯流排通過接地分干線接至工作接地匯總板。保護(hù)接地匯流排通過接地分干線接至保護(hù)接地匯總板。工作接地在工作接地匯總板之前不應(yīng)與保護(hù)接地混接。若工作接地和保護(hù)接地過早相連，容易將保護(hù)接地回路中的干擾引入工作接地回路，影響儀表自控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 接地方法

3.1 保護(hù)接地

低于36V供電的現(xiàn)場(chǎng)儀表，可不做保護(hù)接地，但有可能與高于36V電壓設(shè)備接觸的除外。

當(dāng)安裝在金屬儀表盤柜上的儀表與已接地的金屬儀表盤柜電氣接觸良好時(shí)，可不做保護(hù)接地。

3.2 防靜電接地

安裝自控系統(tǒng)等設(shè)備的控制室、機(jī)柜室、過程控制計(jì)算機(jī)的機(jī)房，應(yīng)做防靜電接地。這些室內(nèi)的導(dǎo)靜電地面、防靜電活動(dòng)地板、工作臺(tái)等應(yīng)做防靜電接地。

已經(jīng)做了保護(hù)接地和工作接地的儀表和設(shè)備，不必再做防靜電接地。

3.3 防雷接地

控制室內(nèi)的所有金屬結(jié)構(gòu)、管道、支架、金屬活動(dòng)地板等應(yīng)進(jìn)行等電位連接，并采用導(dǎo)線或直接與接地連接體連接，以消除雷電對(duì)儀表自控系統(tǒng)的電容性耦合干擾。

儀表電纜的選型和敷設(shè)應(yīng)能使電纜具有雙層屏蔽效果。電纜內(nèi)層屏蔽和外層屏蔽的界定可參考文獻(xiàn)[3]。內(nèi)外屏蔽層應(yīng)全程電氣導(dǎo)通，內(nèi)屏蔽層一端接地，以消除雷電引起的電容性耦合干擾；外屏蔽層應(yīng)至少兩端接地，以消除雷電引起的電感性耦合干擾。

浪涌保護(hù)器是保護(hù)儀表不受雷電電涌電流沖擊的有效措施之一，但不應(yīng)以設(shè)置浪涌保護(hù)器來代替防雷工程。浪涌保護(hù)器需接地，信號(hào)浪涌保護(hù)器的接地線接至機(jī)柜的工作接地匯流排，電源浪涌保護(hù)器的接地線接至配電柜的保護(hù)接地匯流排。

3.4 回路接地

回路接地的原則是單點(diǎn)接地，防止不同接地點(diǎn)的地電位不均等形成地回路從而引入干擾。

回路接地一般是在控制室側(cè)機(jī)柜內(nèi)將電源公共端接至機(jī)柜的工作接地匯流排上。對(duì)于需要在現(xiàn)場(chǎng)接地的現(xiàn)場(chǎng)儀表，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)側(cè)通過儀表接地端子接至電氣接地網(wǎng)。而需要在現(xiàn)場(chǎng)接地同時(shí)又要在控制室內(nèi)接地的，應(yīng)將兩個(gè)接地點(diǎn)之間做電氣隔離防止形成地回路。

3.5 屏蔽接地

這里的屏蔽接地僅指屏蔽電纜的屏蔽層和排擾線的接地，原理上與防雷接地中的內(nèi)屏蔽層相同。屏蔽接地的原則也是單點(diǎn)接地以消除電容性耦合干擾。

屏蔽接地的做法與回路接地一致。屏蔽接地應(yīng)保持屏蔽層的全程電氣導(dǎo)通，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)接線箱時(shí)，屏蔽層需在接線箱內(nèi)跨接。

3.6 本安接地

因?yàn)楦綦x式安全柵不做本安接地，齊納式安全柵需要做好接地措施才能滿足本安要求，增加了設(shè)備和施工的費(fèi)用，所以實(shí)際工程中普遍采用隔離式安全柵。

4 注意事項(xiàng)

4.1 與電氣專業(yè)的配合

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中需要儀表專業(yè)和電氣專業(yè)緊密配合，若僅關(guān)注儀表自控系統(tǒng)本身的接地而忽略電氣接地系統(tǒng)，往往會(huì)引發(fā)意想不到的后果。

儀表專業(yè)向電氣專業(yè)提用電條件時(shí)，應(yīng)要求控制室用電采用TN-S系統(tǒng)，以盡量減少因電源故障對(duì)儀表自控系統(tǒng)的干擾。

儀表自控系統(tǒng)的接地點(diǎn)應(yīng)與電氣防雷引下線或大電流高電壓設(shè)備的接地點(diǎn)保持足夠的安全距離，以減少大的泄放電流通過儀表接地點(diǎn)竄入儀表自控系統(tǒng)。

4.2 接地電阻值的要求

雖然共用接地裝置在抗干擾和安全保護(hù)上有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一個(gè)問題，那就是地電位上升。在共用接地系統(tǒng)中，若有一個(gè)設(shè)備發(fā)生接地電流I，就會(huì)流入大地。因?yàn)榻拥貥O的阻抗RG，造成各設(shè)備接地點(diǎn)處的電位上升為U（U=IRG），波及到共用接地的其它設(shè)備。為了減少這種影響，接地電阻值RG應(yīng)足夠小。文獻(xiàn)[1-2]規(guī)定儀表自控系統(tǒng)接地電阻值不應(yīng)大于4Ω。但GB 50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.2.1條規(guī)定：火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)接地裝置采用共用接地裝置時(shí)，接地電阻值不應(yīng)大于1Ω。為了滿足GB 50116的要求，儀表自控系統(tǒng)的接地電阻也應(yīng)要求不大于1Ω。

4.3 工作接地的連接方式

在接地標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)不同用途的接地系統(tǒng)要分類匯總，不能發(fā)生混接。實(shí)際工程中，有些施工人員雖已將保護(hù)接地和工作接地分開，但將各機(jī)柜工作接地匯流排之間用接地線相連后再接至工作接地匯總板，形成所謂的“菊花鏈”串接方式。因?yàn)榻拥鼐€存在阻抗，各機(jī)柜相對(duì)接地點(diǎn)的基準(zhǔn)電壓不同，使各機(jī)柜的接地電流通過地線阻抗而產(chǎn)生耦合干擾，所以不推薦使用。正確的做法是每個(gè)機(jī)柜工作接地匯流排單獨(dú)用接地線接至工作接地匯總板，各機(jī)柜相對(duì)接地點(diǎn)的基準(zhǔn)電壓都是一樣的，減少了因接地電流引起的電路間的耦合。

4.4 接地線的顏色

文獻(xiàn)[1]規(guī)定儀表接地系統(tǒng)的標(biāo)志顏色為：保護(hù)接地的接地線為綠色，工作接地的接地線為綠黃色。而GB/T 6995.4-2008《電線電纜識(shí)別標(biāo)志方法》第4部分：電氣裝置電線電纜絕緣線芯識(shí)別標(biāo)志中規(guī)定：無論采用顏色標(biāo)志或數(shù)字標(biāo)志，電纜中的接地線芯或類似保護(hù)目的的用線芯，都必須采用綠/黃組合顏色的識(shí)別標(biāo)志。

工程實(shí)際中，電氣專業(yè)的保護(hù)接地線也為綠黃色。為了不違背國標(biāo)規(guī)定及避免與電氣專業(yè)保護(hù)接地線混淆，工程實(shí)際中儀表接地系統(tǒng)的保護(hù)接地線和工作接地線都選用綠黃色。

5 結(jié)束語

儀表自控設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入研究標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，理解不同接地的抗干擾原理和實(shí)施方法，同時(shí)與電氣、土建等相關(guān)專業(yè)密切溝通，正確合理地設(shè)計(jì)儀表自控系統(tǒng)接地，減少系統(tǒng)干擾，保證儀表系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行；避免因設(shè)計(jì)不合理造成儀表系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定和安全事故。

參考文獻(xiàn)

[1]李濤，陳鵬，王華，等.HG/T 20513-2014儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2014.

[2]葉向東，惲春.SH/T 3081-2003石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2004.

[3]葉向東，徐義亨，歐清禮，等.SH/T 3164-2012石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2013.

[4]林維勇，黃友根，焦興學(xué)，等.GB 50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[5]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[6]徐義亨.工業(yè)控制工程中的抗干擾技術(shù)[M].上海上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2010.

[7]王厚余.試論等電位聯(lián)結(jié)的應(yīng)用[J].建筑電氣，2011（10）：3-6.

[8]蘇雪峰.儀表及控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)工程評(píng)析[J].石油化工自動(dòng)化，2012（8）：15-18.