淺談儀表系統(tǒng)接地及安裝

張紅霞

(中石化第十建設(shè)有限公司， 山東 青島 266555)

淺談儀表系統(tǒng)接地及安裝

張紅霞

(中石化第十建設(shè)有限公司， 山東 青島 266555)

儀表系統(tǒng)存在的絕緣強(qiáng)度低，過(guò)電壓和過(guò)電流耐受能力差、對(duì)電磁干擾敏感等不足之處，嚴(yán)重影響儀表設(shè)備的正常控制。為確保生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行，儀表系統(tǒng)的正確接地也很重要，分別介紹了保護(hù)接地、工作接地和防雷接地3種儀表系統(tǒng)接地技術(shù)，闡述了接地連接方法、接地體的設(shè)置、接地連接線的要求，針對(duì)儀表系統(tǒng)接地安裝應(yīng)注意的問(wèn)題作出了具體說(shuō)明，同時(shí)就儀表系統(tǒng)安裝質(zhì)量問(wèn)題提出了一些參考建議。

儀表系統(tǒng) 保護(hù)接地 工作接地 屏蔽接地 本質(zhì)安全接地

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，儀表系統(tǒng)的智能化也快速發(fā)展，石油化工裝置對(duì)儀表設(shè)備的運(yùn)行要求也越來(lái)越高。而儀表設(shè)備仍然存在絕緣強(qiáng)度低、過(guò)電壓和過(guò)電流耐受能力差、對(duì)電磁干擾敏感等弱點(diǎn)，如果儀表設(shè)備受到強(qiáng)電干擾，將嚴(yán)重影響儀表設(shè)備的正?？刂坪桶踩\(yùn)行，導(dǎo)致儀表設(shè)備控制失效或儀表設(shè)備永久性損壞，嚴(yán)重時(shí)還可能造成裝置停車(chē)、人員傷亡等生產(chǎn)事故。為了避免因儀表接地錯(cuò)誤產(chǎn)生的潛在的不安全因素，確保生產(chǎn)裝置正常安全運(yùn)行，儀表系統(tǒng)接地的設(shè)計(jì)、安裝質(zhì)量就變得尤為重要。本文針對(duì)儀表系統(tǒng)接地的作用、分類(lèi)及常用的接地方法等問(wèn)題進(jìn)行了討論、分析和說(shuō)明。

1 儀表系統(tǒng)接地

接地技術(shù)不僅用來(lái)對(duì)人和設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，也是一種重要的抗干擾技術(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)接地將干擾電流引入接地體內(nèi)，從而抑制或消除干擾。儀表系統(tǒng)接地按用途和作用不同，可分為保護(hù)接地、工作接地和防雷接地。對(duì)于裝有安全柵等防爆措施的系統(tǒng)，如化工行業(yè)所用的系統(tǒng)，還要求有本質(zhì)安全接地。

1.1 保護(hù)接地

保護(hù)接地，是保證儀表、電氣設(shè)備及人身安全所需的接地，就是將儀表設(shè)備或系統(tǒng)不帶電的金屬部分與接地體之間做良好的金屬連接。正常情況下，儀表或系統(tǒng)設(shè)備的金屬外殼和正常不帶電的金屬部分為防止絕緣部分破壞而帶危險(xiǎn)電壓時(shí)都要做保護(hù)接地。 如:儀表盤(pán)、儀表柜、儀表箱、DCS/PLC的機(jī)柜、操作站儀表供電設(shè)備、電纜橋架、穿線管、接線盒及鎧裝電纜的鎧裝層，以及控制室內(nèi)的防靜電地板。如果保護(hù)接地良好，就可以避免觸電事故，當(dāng)出現(xiàn)某意外事故時(shí),就必然出現(xiàn)較大接地電流,保護(hù)接地能大幅降低人身承受的接地電壓,因此不會(huì)產(chǎn)生設(shè)備損壞及電擊致命的嚴(yán)重后果。

同樣現(xiàn)場(chǎng)儀表橋架、穿線管應(yīng)每隔30 m與已接地的金屬構(gòu)件相連。一般來(lái)講，使用直流24 V的現(xiàn)場(chǎng)儀表、變送器等無(wú)特殊要求的可不作保護(hù)接地?？刂剖业膬x表自控設(shè)備、機(jī)柜、儀表盤(pán)等應(yīng)單獨(dú)設(shè)置保護(hù)接地匯流排，接至廠區(qū)電氣專(zhuān)業(yè)接地網(wǎng)，接地電阻小于4 Ω。

1.2 工作接地

將系統(tǒng)中的某一點(diǎn)，通常是中性點(diǎn)，直接或經(jīng)特殊設(shè)備與大地作金屬連接，稱(chēng)為工作接地。工作接地包括:信號(hào)回路接地、屏蔽接地、邏輯接地和本質(zhì)安全接地。

1.2.1信號(hào)回路接地

信號(hào)回路接地一般有2種情況，一種是儀表設(shè)備本身結(jié)構(gòu)形成的事實(shí)上的信號(hào)回路接地。例如:為減少測(cè)量滯后而采取熱電偶與金屬套焊接在一起的接地型熱電偶;另一種是為了達(dá)到抑制干擾信號(hào)的目的所要求的接地，在保證單點(diǎn)接地情況下,共模干擾可被有效抑制。為抑制干擾而使信號(hào)回路接地，即信號(hào)公共端接地。

1.2.2屏蔽接地

屏蔽不但是儀表和控制系統(tǒng)防范和抵御電磁干擾的重要方法，也是減少雷電電磁影響的重要措施。屏蔽層要起到屏蔽作用就必須接地，如果儀表系統(tǒng)中儀表及信號(hào)線要求接地，應(yīng)注意將儀表上屏蔽接線端子、信號(hào)線屏蔽層及未作保護(hù)接地但仍要起靜電屏蔽作用的導(dǎo)線管、匯線槽，儀表外殼進(jìn)行正確可靠接地。

1.2.3邏輯地

邏輯地也叫機(jī)器邏輯地、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+5 V等的電源輸出地。如CPU的±5 V、±12 V的負(fù)端，需要接入公共接地極。

1.2.4本質(zhì)安全接地

本質(zhì)安全接地應(yīng)獨(dú)立設(shè)置接地系統(tǒng)，接地電阻不大于4 Ω。本質(zhì)安全接地系統(tǒng)應(yīng)保持獨(dú)立，與廠區(qū)電氣接地網(wǎng)或其他儀表系統(tǒng)接地網(wǎng)的距離應(yīng)在5 m以上。

本安儀表系統(tǒng)接地除了具有抑制干擾的作用外，同時(shí)也是保證儀表系統(tǒng)本質(zhì)安全防爆的措施之一，抑制作用如上文所述，在此重點(diǎn)介紹防爆作用。本安系統(tǒng)主要是借助安全柵將進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量限制在安全限額以?xún)?nèi)。對(duì)隔離型安全保持器就是在整個(gè)儀表回路中采用隔離變壓器把危險(xiǎn)側(cè)信號(hào)和安全側(cè)進(jìn)行有效的電流隔離,對(duì)非隔離型，則采用齊納二極管反向擊穿特性進(jìn)行安全保護(hù)，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)側(cè)接地與控制室一側(cè)安全柵端子的等電位需采取專(zhuān)門(mén)措施予以保證。目前有2種通用方法，一種是限制接地電阻辦法，就是要求接地系統(tǒng)保持獨(dú)立，并且接地電阻不大于4 Ω，目前多采用該方法。另一種是等電位連接辦法，就是將現(xiàn)場(chǎng)接地線直流電源負(fù)端以及儀表系統(tǒng)接地端都?jí)航拥椒弦蟮谋Ｗo(hù)接地干線上，以保證本質(zhì)安全儀表系統(tǒng)所有接地的電位平衡。

本質(zhì)安全儀表系統(tǒng)在安全功能上必須接地的部件，應(yīng)根據(jù)儀表制造廠的要求作本安接地。如齊納安全柵的匯流排必須與直流電源公共端相連，該措施主要是保證當(dāng)電源故障時(shí)能夠?qū)ξｋU(xiǎn)場(chǎng)所進(jìn)行保護(hù)。其匯流排或?qū)к壸鞅举|(zhì)安全接地。

信號(hào)回路只有一個(gè)接地點(diǎn)，不能有一個(gè)以上接地點(diǎn)，如果出現(xiàn)多個(gè)接地點(diǎn)就難免產(chǎn)生電位差，產(chǎn)生共模信號(hào)干擾電流造成對(duì)儀表信號(hào)的干擾。但究竟在現(xiàn)場(chǎng)還是控制室接地，宜根據(jù)控制系統(tǒng)儀表類(lèi)型和線路組成來(lái)定。對(duì)于控制系統(tǒng)而言一般采用控制室一側(cè)接地，對(duì)于信號(hào)線屏蔽層接地也只能有一個(gè)接地點(diǎn)，且應(yīng)與信號(hào)回路在同一側(cè)接地，其作用是為了消除屏蔽層和信號(hào)線間的分布電容所形成的阻抗不高的回路，避免由此引起的共模干擾。

1.3 防雷接地

為把雷電電流迅速導(dǎo)入大地以防止雷害為目的的接地叫作防雷接地。儀表防雷是綜合防護(hù)工程，需要采用多種防護(hù)方法和措施，本文不詳細(xì)贅述。

儀表系統(tǒng)防雷工程的主要內(nèi)容是對(duì)電涌電流和電磁場(chǎng)的防護(hù)，無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)儀表還是控制室儀表，都應(yīng)在電氣專(zhuān)業(yè)的直擊雷防護(hù)范圍內(nèi)，避免現(xiàn)場(chǎng)儀表成為接閃設(shè)備。防雷接地必須采用等電位連接方式，現(xiàn)在中國(guó)國(guó)內(nèi)幾家大型石油化工工程公司，均提倡在裝置中采用等電位連接的防雷接地系統(tǒng)。等電位連接網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式有S型、M型以及2種結(jié)構(gòu)形式的組合，儀表系統(tǒng)屬于低頻小信號(hào)系統(tǒng)，采用“單點(diǎn)接地方式”，因此，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定儀表系統(tǒng)防雷工程的接地連接宜采用S型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式。

2 接地系統(tǒng)的連接方法

2.1 接地連接方法

在國(guó)內(nèi)石油化工裝置中，技術(shù)人員接觸較多的儀表系統(tǒng)的接地連接方法主要有浮地、多點(diǎn)接地2種方法。

1) 浮地。是指儀表的工作地與建筑物的接地系統(tǒng)保持絕緣，這樣建筑物接地系統(tǒng)中的電磁干擾就不能傳導(dǎo)到儀表系統(tǒng)中，地電位的變化對(duì)儀表系統(tǒng)也無(wú)影響。其缺點(diǎn)是電路易受寄生電容的影響，使電路的地電位變化且增加了對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾；由于該方法的接地與大地?zé)o導(dǎo)體連接，易產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電，可能造成靜電擊穿或強(qiáng)烈的干擾。因此，浮地的效果不僅取決于浮地的絕緣電阻的大小，而且取決于浮地的寄生電容的大小和信號(hào)頻率。

2) 多點(diǎn)接地。是指儀表、控制系統(tǒng)等設(shè)備的工作接地與保護(hù)接地分開(kāi)，這種接地方式的突出優(yōu)點(diǎn)是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強(qiáng)的雷電波通過(guò)保護(hù)地進(jìn)入系統(tǒng)，電子電路同樣會(huì)因承受高壓而損壞。

由于多雷電地區(qū)石油化工裝置的防雷要求越來(lái)越高，以上2種接地方式都不能滿足防雷的需要。因此，可以考慮將保護(hù)地與工作地相連接，并且接入防雷接地系統(tǒng)，問(wèn)題就可以解決了?？刂剖业姆览捉拥亍⒎漓o電接地、電氣設(shè)備的保護(hù)接地、儀表系統(tǒng)工作接地、屏蔽接地、電涌防護(hù)器接地等共用接地裝置，如圖1所示。

圖1 儀表接地系統(tǒng)示意

2.2 接地體的設(shè)置

接地體的設(shè)置應(yīng)參照《全國(guó)通用電氣安全標(biāo)準(zhǔn)圖、接地裝置安裝》[1]，也應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)具體情況選用。要求保護(hù)接地和工作接地必須獨(dú)立設(shè)置，但保護(hù)接地是否能同電力系統(tǒng)接地相連接，需要視情況而定。

下列情況應(yīng)單獨(dú)設(shè)設(shè)置儀表接地體:土壤電阻率較高，接地電阻達(dá)不到規(guī)定要求的場(chǎng)所；周?chē)h(huán)境有較嚴(yán)重電磁干擾的場(chǎng)所；所采用的儀表對(duì)噪聲敏感；所有儀表遠(yuǎn)離電力系統(tǒng)接地網(wǎng)。

系統(tǒng)保護(hù)接地電阻值宜為4 Ω，最高不超過(guò)10 Ω，而土壤電阻率較高難以實(shí)現(xiàn)該數(shù)值時(shí)可以適當(dāng)提高接地電阻值或加降阻劑。一般要求如下:工作接地電阻應(yīng)在1～4 Ω；當(dāng)設(shè)置防雷系統(tǒng)時(shí)，接地電阻應(yīng)小于1 Ω；DCS，PLC等控制系統(tǒng)接地應(yīng)小于4 Ω；接地板間距離應(yīng)大于5 m。

2.3 接地連接線要求

保護(hù)接地線分支線應(yīng)采用多股銅芯電纜或電線。單體儀表的接地線截面積為2.5 mm2，機(jī)柜間的接地干線截面積為4～16 mm2，連接總接地板的接地干線截面積為10～25 mm2。連接室外接地裝置的導(dǎo)體應(yīng)采用帶絕緣的熱鍍鋅扁鋼或銅材，也可以采用截面積為16～50 mm2多股銅芯電纜。

埋地接地干線卡采用有效截面積的扁鋼或銅包圓鋼焊接，接頭采用搭接。采用扁鋼搭接時(shí)，搭接長(zhǎng)度為扁鋼寬度的2倍；采用圓鋼搭接時(shí)，搭接長(zhǎng)度為圓鋼直徑的6倍。接地匯流排應(yīng)采用銅排，并用絕緣支架隔離。

3 儀表系統(tǒng)接地安裝應(yīng)注意的問(wèn)題

1) 接地電纜壓接時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證壓接可靠；若采用焊接時(shí)，焊接處應(yīng)采取防腐蝕措施。目前，銅包鋼接地線使用廣泛，焊接時(shí)，必須嚴(yán)格按廠家的要求使用專(zhuān)用磨具、焊藥，確保焊接質(zhì)量。

由于采用高溫焊接，焊接質(zhì)量可以采用目測(cè)的方式進(jìn)行檢查，主要項(xiàng)目為焊接物的大小、顏色、表面光潔度和氣泡等。

a) 大小。焊接范圍導(dǎo)線沒(méi)有大量的暴露。焊渣清除后，水平連接的冒口不低于導(dǎo)線的頂端。

b) 顏色。接頭正常的顏色是金黃色至青銅色, 接頭表面應(yīng)該平滑，沒(méi)有大塊焊渣存在。如果接頭表面有20%的焊渣，或焊渣清除后有導(dǎo)線暴露，接頭報(bào)廢。如果接頭的表面有小孔，其深度一定不能延伸至導(dǎo)線的中心。

2) 電纜屏蔽線接地時(shí)，許多施工單位為了保證接線外觀美觀，常常將屏蔽線從電纜頭處剪斷，然后壓接專(zhuān)用接地線。筆者認(rèn)為，這樣做雖然美觀，但同時(shí)也帶來(lái)了隱患。如果壓接不牢，就會(huì)形成屏蔽線兩端浮空的情況，從而產(chǎn)生干擾信號(hào)。將屏蔽線絕緣，直接接到相應(yīng)的匯流條是比較穩(wěn)妥的做法。

3) 當(dāng)采用鎧裝電纜時(shí)，鎧裝層兩端應(yīng)進(jìn)行保護(hù)接地。GB 50093—2013《自動(dòng)化儀表工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[2]對(duì)此做了明確的規(guī)定。

目前儀表施工中，有些分包商儀表工仍然用一般屏蔽電纜的接線方法，進(jìn)行鎧裝電纜的接線，導(dǎo)致儀表側(cè)鎧裝層浮空。因此，現(xiàn)場(chǎng)儀表工程師應(yīng)當(dāng)對(duì)分包商做詳細(xì)的技術(shù)交底。

4) 當(dāng)控制室、機(jī)柜室內(nèi)的接地干線采用扁鋼時(shí)，應(yīng)絕緣到接地裝置連接點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]中10.2.17條有規(guī)定，一般可以采用熱縮套管絕緣。

5) 控制室、機(jī)柜室內(nèi)接地線、電纜較多，儀表工作地和保護(hù)地的支線最好用黃色和綠色加以區(qū)分，這樣便于在接地系統(tǒng)施工完畢后進(jìn)行檢查確認(rèn)。

6) 各接地支線、匯流排或端子板之間在非連接處應(yīng)彼此絕緣。接地電纜應(yīng)敷設(shè)整齊美觀，在接地電纜兩端應(yīng)用電纜牌或貼紙標(biāo)清電纜的起始，便于后續(xù)檢查和施工。

7) 必須按規(guī)定進(jìn)行接地系統(tǒng)的電阻測(cè)試，以保證接地能滿足控制系統(tǒng)制造商的要求。測(cè)試時(shí)，應(yīng)通知監(jiān)理到現(xiàn)場(chǎng)。如果達(dá)不到系統(tǒng)要求，必須及時(shí)聯(lián)系設(shè)計(jì)人員，采取相應(yīng)的降阻措施。用接地電阻測(cè)試儀測(cè)量接地電阻，接地電阻值應(yīng)符合下列規(guī)定:

a) 儀表系統(tǒng)保護(hù)接地電阻值宜為4 Ω，最高不宜超過(guò)10 Ω。

b) 當(dāng)設(shè)置有高靈敏度接地自動(dòng)報(bào)警裝置或接地自動(dòng)切斷裝置等情況時(shí)，接地電阻值可大于10 Ω，但不應(yīng)超過(guò)100 Ω，當(dāng)設(shè)置有防雷系統(tǒng)時(shí)，接地電阻不應(yīng)大于1 Ω。

c) 工作接地和屏蔽接地應(yīng)小于10 Ω，DCS，PLC，PCS系統(tǒng)接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

4 結(jié)束語(yǔ)

儀表系統(tǒng)接地安裝質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)儀表系統(tǒng)運(yùn)行，而儀表又是生產(chǎn)裝置的大腦和眼睛，因此在今后的儀表系統(tǒng)接地安裝工作中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)仔細(xì)研究設(shè)計(jì)圖紙，充分了解設(shè)計(jì)意圖。施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)施工人員進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底。質(zhì)量工程師也應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督整個(gè)安裝過(guò)程，確保安裝質(zhì)量符合設(shè)計(jì)及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

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稿件收到日期：2017-09-06，修改稿收到日期2017-10-20。

張紅霞，現(xiàn)就職于中石化第十建設(shè)有限公司，參與過(guò)齊魯重油加氫工程、大連西太平洋渣油加氫工程等項(xiàng)目的儀表控制系統(tǒng)安裝工程，任儀表主任工程師。

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