論控制系統(tǒng)對(duì)接地電阻值的要求

徐義亨

(浙江中控研究院有限公司，浙江 杭州 310053)

論控制系統(tǒng)對(duì)接地電阻值的要求

徐義亨

(浙江中控研究院有限公司，浙江 杭州 310053)

控制系統(tǒng)對(duì)接地電阻值有其自身的要求，而目前國內(nèi)許多控制系統(tǒng)的制造商仍以4Ω作為對(duì)接地電阻值的要求。通過分析認(rèn)為： 控制機(jī)柜內(nèi)設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)，空氣開關(guān)或熔斷器的動(dòng)作電流以及土壤或地面的電阻率決定了控制機(jī)柜保護(hù)地對(duì)接地電阻值大小的要求；控制系統(tǒng)的絕緣性能與對(duì)稱性能決定了工作地對(duì)接地電阻值大小的要求。控制系統(tǒng)的工作地與控制機(jī)柜的保護(hù)地對(duì)接地電阻值的要求是有差異的，設(shè)計(jì)過程中接地電阻的期望值應(yīng)小于兩者中的較小值。

控制系統(tǒng) 接地電阻 接觸電位差 保護(hù)地 工作地

控制系統(tǒng)對(duì)接地電阻值的要求，鮮有文獻(xiàn)作詳細(xì)討論。國內(nèi)許多控制系統(tǒng)的制造商在其產(chǎn)品使用說明書里，仍沿用以4Ω作為對(duì)接地電阻值的要求。筆者嘗試對(duì)該命題進(jìn)行探討。

1 電氣裝置對(duì)接地電阻值要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

涉及電氣裝置對(duì)接地電阻值要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有： DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》[1]；GB 16895.11—2001《低壓電氣裝置對(duì)暫時(shí)過電壓和高壓系統(tǒng)之間的故障的保護(hù)》[2]；GB 14050—2008《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》[3]。

上述標(biāo)準(zhǔn)確定電氣裝置保護(hù)地接地電阻值R的基本公式為

R≤U/It

(1)

式中：U——共用接地網(wǎng)電位允許的升高值，V；It——流經(jīng)接地裝置的短路電流或切斷故障回路的動(dòng)作電流，A。其中，文獻(xiàn)[1]對(duì)U的要求見表1所列。

2 控制機(jī)柜對(duì)保護(hù)地接地電阻值的要求

筆者認(rèn)為，控制機(jī)柜對(duì)保護(hù)地接地電阻值的要求應(yīng)根據(jù)機(jī)柜在發(fā)生故障時(shí)，人與機(jī)柜間的接觸電位差Ut考慮，而不宜按機(jī)柜電位允許的升高值考慮。

如圖1所示，設(shè)R為接地電阻值，It為機(jī)柜發(fā)生故障時(shí)流經(jīng)接地裝置的短路電流或切斷故障回路的動(dòng)作電流。此時(shí)，機(jī)柜電位的升高值為U=ItR，地電位的分布如圖1中的曲線所示。

Ut=ItR-U1

(2)

式中：U1——機(jī)柜發(fā)生故障時(shí)操作人員所在處的地電位，V。

圖1 人體與機(jī)柜的接觸電位差示意

系 統(tǒng)U/V說 明 中性點(diǎn)有效接地的發(fā)電廠、變電所等大電流接地系統(tǒng)，指110kV以上的系統(tǒng)2000 接地故障電流很大，系統(tǒng)的繼電保護(hù)會(huì)迅速切斷電源，接地裝置上出現(xiàn)高電壓的時(shí)間很短暫，故U可取2000V 中性點(diǎn)不接地的小電流接地系統(tǒng)，指60kV以下的系統(tǒng)250 接地故障允許存在2h，所以U的允許值大幅降低，R不宜大于10Ω 發(fā)電廠、變電所電力生產(chǎn)用低壓電力設(shè)備120 考慮人與低壓電氣裝置接觸的機(jī)會(huì)較多，故U值較低，R不應(yīng)大于4Ω 建筑物電氣裝置的TT系統(tǒng)或IT系統(tǒng)50 考慮人與低壓電氣裝置接觸，50V為人體的安全電壓，R不宜大于4Ω

2.1機(jī)柜發(fā)生故障時(shí)的地電位分布

為了簡(jiǎn)化問題，假設(shè)接地體為簡(jiǎn)單的半球狀接地體，如圖2所示，控制機(jī)柜設(shè)置在半球狀接地體上部的地面上。

圖2 半球狀接地體示意

因?yàn)橥寥烙幸欢ǖ碾娮杪?，接地體在泄散電流過程中，接地電流I將在土壤中建立起電流場(chǎng)。由圖2可知，土壤中的電流密度在接地體處最大，隨著離開接地體距離x的增加，電流密度逐漸減小。根據(jù)電流場(chǎng)理論,土壤中的電場(chǎng)強(qiáng)度E、電流密度和土壤電阻率的關(guān)系應(yīng)滿足：

E=ρJ

(3)

式中：ρ——土壤電阻率，Ω·m；J——土壤中的電流密度，A/m2。

接地體處的電位等于電場(chǎng)強(qiáng)度沿長度x方向的積分：

(4)

式中：r——半球狀接地體的半徑,m。

即可得到機(jī)柜在發(fā)生故障時(shí)，離機(jī)柜距離為S處的電位值的計(jì)算公式：

(5)

式中：S——離機(jī)柜的距離，m。

2.2Ut的限值

Ut的限值指超過該限值即被認(rèn)為是危險(xiǎn)帶電，國內(nèi)外各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)危險(xiǎn)限值的規(guī)定不一，而且許多規(guī)范通常以設(shè)備的工作電壓或者按設(shè)備允許升高的電位值去考慮危險(xiǎn)限值。

GB 4793.1—2007《測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備的安全要求 第1部分： 通用要求》[4]對(duì)所謂危險(xiǎn)帶電限值的規(guī)定，是指設(shè)備在正常條件下，在可觸及零部件與地之間，同1臺(tái)設(shè)備任意2個(gè)可觸及的零部件之間，如交流電壓的有效值有可能超過33V，直流電壓值有可能超過70V時(shí)，都認(rèn)為是危險(xiǎn)帶電。

這與其他標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定相比，其特點(diǎn)是：

1) 不按設(shè)備工作電壓的高低或設(shè)備允許升高的電位值來考慮危險(xiǎn)限值。

2) 考慮到交流電和直流電對(duì)人體的危險(xiǎn)性不一，所以交流電壓的危險(xiǎn)限值不同于直流電壓的危險(xiǎn)限值。

2.3保護(hù)地接地電阻值的計(jì)算

由圖1可知，根據(jù)式(2)和式(5)，并令式(5)中的I=It，則

(6)

若電源電壓為常見的交流220V,按上述危險(xiǎn)限值考慮，則Ut可取33V,人體離機(jī)柜的距離取0.8m，則R應(yīng)滿足下式的要求：

(7)

例： 控制機(jī)柜斷路器配置的空氣開關(guān)的額定電流為10A，如脫口器為固定式，長延時(shí)動(dòng)作電流為10A，ρ取100Ω·m，如按式(7)計(jì)算，則R宜小于23.3Ω。

一般而言，控制機(jī)柜不可能直接立在接地體上部的地面上，實(shí)際對(duì)保護(hù)地接地電阻值的計(jì)算要復(fù)雜些，式(7)可用來估算對(duì)保護(hù)地接地電阻值大小的要求。式(7)中右側(cè)第1項(xiàng)33/It為保護(hù)地接地電阻要求的最小值，第2項(xiàng)的大小取決于人體所處地面的電阻率。

另外，本文定義的接地電阻值包括地面上的連接電阻在內(nèi)，如允許的連接電阻為1Ω，則按式(7)計(jì)算出來的接地電阻值還應(yīng)該減去1Ω。

3 控制系統(tǒng)對(duì)工作地接地電阻值的要求

控制系統(tǒng)的工作地，即為信號(hào)和系統(tǒng)提供1個(gè)穩(wěn)定的電位參考點(diǎn),它對(duì)接地電阻值的要求是基于對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的要求。

現(xiàn)以雙端對(duì)地輸入的模擬量輸入卡的測(cè)量系統(tǒng)為例進(jìn)行討論，如圖3所示。

圖3 雙端對(duì)地輸入的模擬量輸入卡的測(cè)量系統(tǒng)

設(shè)：Rd為接地電阻；R1，R2分別為信號(hào)輸入端的導(dǎo)線電阻；R3，R4分別為測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地的等效絕緣電阻。

假設(shè)信號(hào)輸入為零，由于共模干擾電壓Uc的存在，則在測(cè)量系統(tǒng)的輸入端產(chǎn)生的串模干擾電壓為

(8)

由圖3和式(8)可知：

1) 如電路對(duì)稱，即R1=R2，R3=R4，則串模干擾電壓U3=0；如電路不對(duì)稱，共模干擾電壓Uc就會(huì)產(chǎn)生串模干擾電壓U3，從而影響測(cè)量系統(tǒng)的精度。

2)Rd愈大或I愈大，產(chǎn)生的Uc也愈大。

3) 如能做到I=0，則模擬量輸入卡對(duì)Rd的大小沒有要求。

4)I的大小取決于系統(tǒng)的絕緣性能，即R3和R4的大小。

所以，模擬量輸入卡的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)Rd大小的要求取決于系統(tǒng)對(duì)地的絕緣性能和對(duì)稱性能。

如對(duì)圖3所示的模擬量輸入卡的輸入端采取隔離措施，由于信號(hào)的發(fā)送端與接受端之間形成不了共模電壓，可以大幅降低對(duì)工作地接地電阻值的要求。

控制系統(tǒng)對(duì)Rd大小的要求必須通過試驗(yàn)的方法確定。試驗(yàn)時(shí)，可以用改變連接電阻的大小去測(cè)試對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響，從而確定系統(tǒng)工作地對(duì)接地電阻值的要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，可得如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 控制機(jī)柜內(nèi)設(shè)備在發(fā)生故障時(shí),空氣開關(guān)或熔斷器的動(dòng)作電流以及土壤或地面的電阻率決定了控制機(jī)柜保護(hù)地對(duì)接地電阻值大小的要求；控制系統(tǒng)的絕緣性能與對(duì)稱性能決定了對(duì)工作地接地電阻值大小的要求。

2) 控制系統(tǒng)對(duì)工作地接地電阻值的要求是控制系統(tǒng)的屬性；而對(duì)保護(hù)地接地電阻值的要求則為控制機(jī)柜的屬性?？刂葡到y(tǒng)產(chǎn)品使用說明書中規(guī)定的接地電阻值應(yīng)該是指對(duì)工作地接地電阻值的要求。

3) 控制系統(tǒng)的工作地與控制機(jī)柜的保護(hù)地對(duì)接地電阻值的要求是不一樣的，對(duì)某個(gè)工程設(shè)計(jì)，接地電阻的期望值應(yīng)小于兩者中的較小值。

[1] 杜澍春.DL/T 621—1997交流電氣裝置的接地[S].北京： 中國電力出版社,1997.

[2] 李世林,郭汀,朱德基,等.GB 16895.11—2001低壓電氣裝置對(duì)暫時(shí)過電壓和高壓系統(tǒng)之間的故障的保護(hù)[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[3] 劉江,曾雁鴻,裴曉波,等.GB 14050—2008系統(tǒng)接地的型式

及安全技術(shù)要求[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[4] 賈真，郭建宇，肖向榮.GB 4793.1—2007測(cè)量、控制和實(shí)用電氣設(shè)備的安全要求 第1部分： 通用要求[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[5] 徐義亨.控制工程中的電磁兼容[M].上海： 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2017.

[6] 中國建筑學(xué)會(huì)建筑電氣分會(huì).電磁兼容與防雷接地[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2010.

DiscussiononRequirementofGroundingResistanceValueforControlSystem

Xu Yiheng

(Zhejiang Supcon Research Co. Ltd., Hangzhou, 310053, China)

The grounding resistance value of control system has its own requirements. Nowadays, 4Ω as the requirement of grounding resistance value is still used in many manufacturers of control system in China.Through analysis, requirements of protection grounding to grounding resistance value for control cabinet is determined by action current of air switch or fuse and resistivity of soil (or ground) when the fault of equipment in a cabinet happened. Requirements of working ground to grounding resistance value is determined by insulation performance and symmetrical performance of control system. The requirements of the working grounding resistance value for control system differ from that of the protection grounding. The expected value of grounding resistance value for an engineering design should be less than one of the smaller.

control system; grounding resistance; contact potential difference; protection grounding; working grounding

TP277

B

1007-7324(2017)05-0008-03

稿件收到日期： 2016-12-19，修改稿收到日期2017-06-16。

徐義亨(1940—)，上海人，1962年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工自動(dòng)化專業(yè)，曾工作于原化學(xué)工業(yè)部沈陽化工研究院、原冶金工業(yè)部鞍山焦化耐火材料設(shè)計(jì)研究院、浙江中控集團(tuán)等單位，從事過程控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和研究開發(fā)工作，已出版專著3本，現(xiàn)為浙江中控研究院有限公司高級(jí)技術(shù)顧問，中國儀表和自動(dòng)化發(fā)展60年史料《飛鴻踏雪泥》學(xué)術(shù)編委。