火力發電廠DCS接地系統的設計

柳 華 陳西杰

（國核電力規劃設計研究院，北京 100094）

1 引言

目前火力發電廠自動化程度日益提高，計算機監控系統的應用越來越普遍，分散控制系統（DCS）在國內各電廠中已得到廣泛應用，并取得了良好的效果。為了保證DCS系統的監測控制精度和安全、可靠運行，必須保證DCS系統有可靠的接地系統。本文按照熱工自動化對計算機系統接地設計的要求和設計規范，分析了電廠由于接地問題引起儀表不能正常工作、系統停運的典型案例。重點分析了計算機系統的接地目的、類型、接地的設計流程和設計過程中需要注意問題等方面，給出了大型機組的典型設計方案。

2 DCS接地的目的及分類

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

接地又可分為保護接地和工作接地和防雷等[1-2]。

2.1 保護接地

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

采用保護接地措施，它一方面降低接觸電壓，將電器設備的機架、機殼和走線架等金屬部分與大地間的電壓降到允許的數值，另一方面降低了跨步電壓，使電氣設備與大地表面存在的電位差降低。當故障電流流入大地上層時，其擴散能力最小。

2.2 工作接地

工作接地為了保證進入DCS系統的各種信號不受或少受外界干擾而采取的接地。不同文獻中對工作接地的分類和表述不同，一般分為邏輯地、信號地、系統地和屏蔽地。

接地系統能夠為DCS提供屏蔽層，消除電子噪聲干擾，并為整個控制系統提供公共信號參考點（即參考零電位）。

（1）邏輯地

邏輯地也叫主機電源地，是計算機內部的邏輯電平負端公共地，也是+5V等電源的輸出地。

（2）信號地

信號地也叫信號回路地，是現場返回信號的負端。當DCS給現場提供24V DC時，且AI、AO為非隔離式，信號地就是系統地。當由其他設備提供電源時，根據信號源原理決定是否接入公共接地極。

（3）系統地

系統地也叫系統基準地，通常也是系統電源地，是為DCS信號提供的一個基準點。在DCS中系統地就是給模件供電的24V DC或5V DC的電源地。對于通道隔離的I/O模塊應用場合，它與信號地是有區別的，因為兩者沒有電氣聯系。系統地接地比較復雜，一般要考慮如下幾種情況：①信號在現場側已經接地的情況；②系統I/O的輸入、輸出在現場接入同一裝置（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，是為了避免電磁場對儀表和信號的干擾而采取的屏蔽網接地。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

防雷接地是當系統受到雷電襲擊時防止造成損害的接地系統。

當接地系統發生問題時，例如：接地電阻過大，二（多）點接地，接地線斷線或者接地線與高電壓、大電流設備相接觸等，都會造成人身傷害或設備的損壞。

3 接地不當引起熱工系統異常的事例分析

2000年4月，安順電廠1號機組由于DCS系統6號柜接地線松動，導致機組停運[3]。在6號端子柜DI輸入信號中，接有一次風機A、一次風機B、送風機A、送風機B、引風機A、引風機B跳閘信號，受到交流干擾引起輸入端子電壓降低時，以上這些DI輸入均為“1”，根據保護邏輯，2臺送風機或2臺引風機停運都要引起MFT動作，這就是MFT動作的原因。

1997年夏季媽灣電廠4號機組投產調試時出現了DCS系統模擬量信號大范圍波動現象，嚴重影響了安全生產[4]。4號機組DCS系統模擬量信號大范圍波動，說明計算機控制系統受到嚴重的電噪聲干擾。解決干擾的重要手段和最有效的措施是計算機系統接地和采用屏蔽技術。

北侖發電廠1號機組DCS改造時，分散控制系統OVATION上電后不久，發現在600多個熱電偶信號中大約有200個信號會在白天大幅跳躍，而到了晚上跳躍幅度則會小很多。經過分析檢查，發現這些熱電偶的負端在現場都接地。根據OVATION熱電偶模件的結構，其負端在DCS側也接地，由此造成測量回路的二端接地。由于現場的地與DCS的地之間存在電勢差，且這個電勢差不穩定，白天現場施工人員比較多，電動設備的起停比較頻繁，因此導致了熱電偶信號的跳躍且白天和晚間跳躍幅度有所不同。

4 接地系統的設計方案

DCS系統的各電子機柜中應設有獨立的安全地、系統地、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共地。不同性質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），在最終處匯入一點接地，可直接接到接地電阻小于4Ω的電廠電氣接地網上[1，5]。DCS廠家一般在出廠時在控制柜底部裝設一根接地銅條，控制站內部的安全地、信號參考地、屏蔽地三地都連接在該銅條上。操作員機柜、打印機等均應接保護地。DCS系統的總結匯流銅排應置于防護的總接地箱中，總接地箱可設置在集控室下的電纜夾層中。DCS系統接地總示意如圖1所示。

圖1 DCS系統接地總示意圖

其中，AG為屏蔽接地和系統地，CG為保護接地。

4.1 控制站接地

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

圖2 控制站機柜接地示意圖

4.2 操作臺接地

操作臺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和大地處于浮置狀態，以利于系統的一點接地，如圖3所示。

圖3 操作臺及部分遠程IO柜接地示意圖

4.3 遠程IO柜接地

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

圖4 遠程IO柜接地示意圖

同一個DCS系統中，所有網絡節點的系統地必須同地，以滿足系統內直流地的等電勢要求。系統內的三地必須最后匯流到同一個接地點上，而這個接地點接地電阻應足夠小，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）接地的連線應當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外，都應當是絕緣的。

（2）接地線需使用帶絕緣的導線，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）接地點周圍15m半徑內無6kV電氣設備。

6 設計過程注意問題

根據所了解現場運行中DCS接地系統存在的問題和生產運行的經驗，設計過程嚴格按廠家規范執行，避免易忽略的問題。

（1）避免兩點接地

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

（2）屏蔽電纜接地

當屏蔽電纜途經接線盒或中間端子柜分開或合并時[1]，應在接線盒或中間端子柜內將其兩端電纜的屏蔽層通過端子連接。

7 結論

安順電廠接地線松動的問題可以通過施工時嚴格遵守安裝規程避免；對于夏季媽灣電廠的電磁干擾問題，最有效的方法就是信號線采用屏蔽電纜，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的可靠運行，但接地問題又較復雜，許多故障現象都可能是接地不好引起的。目前不同的DCS廠家對接地系統的要求和接法也不盡相同，許多問題有待進一步深入探討，需要我們總結現場問題，提出更好解決方案。

[1] DL/T 5182-2004.火力發電廠熱工自動化就地設備安裝、管路及電纜設計技術規定[S].中華人民共和國電力行業標準.

[2] 華東六省一市電機工程(電力)學會.熱工自動化[M].北京:中國電力出版社,2006.

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

[4] 吳唯質,成勝昌,袁文重,肖凌濤.媽灣發電總廠4 號機組DCS 系統模擬量信號大范圍波動分析處理[J].熱力發電,2002 (1):40-41.

[5] DL/T 1083-2008.火力發電廠分散控制系統技術條件[S].中華人民共和國電力行業標準.

[6] DL/T 5190.5-2004.電力建設施工及驗收技術規范 第5部分: 熱工自動化[S].中華人民共和國電力行業標準.

[7] GB50174-93,電子計算機機房設計規范[S].中華人民共和國國家標準.