煤化工廠區(qū)的布線和抗干擾措施

張廣軍 閆懷堯

(江蘇晉煤恒盛化工股份有限公司)

煤化工廠區(qū)的布線和抗干擾措施

張廣軍 閆懷堯

(江蘇晉煤恒盛化工股份有限公司)

從屏蔽電纜的選擇與接地、等電位連接和共用接地系統(tǒng)、光纜的選擇與使用說(shuō)明3方面，介紹了相關(guān)規(guī)程規(guī)范在煤化工廠區(qū)布線和抗干擾中的應(yīng)用。

等電位 煤化工 共用接地 屏蔽電纜 光纜

目前，煤化工行業(yè)的調(diào)度和生產(chǎn)系統(tǒng)集DCS系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、電話通信和廣播系統(tǒng)于一體。工業(yè)布線在原連續(xù)模擬信號(hào)和少量數(shù)字信號(hào)的基礎(chǔ)上，逐步融入了語(yǔ)音、圖像視頻等模擬和數(shù)字通信技術(shù)，這勢(shì)必引起相互干擾。加之雷電、產(chǎn)生電火花的設(shè)備、電感性負(fù)載及大功率輸電線等外界環(huán)境的影響，也使得廠區(qū)綜合布線變得復(fù)雜。因此，在同一電磁環(huán)境中，使用電設(shè)備之間能夠和諧共存、互不干擾，是工程技術(shù)人員普遍面臨的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[1]就干擾源及其對(duì)系統(tǒng)的干擾機(jī)制、抗干擾措施、接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和描述，對(duì)單純的儀表和DCS系統(tǒng)具有很好的借鑒意義。在此，筆者針對(duì)當(dāng)前復(fù)雜得綜合布線系統(tǒng)和外圍電磁環(huán)境，結(jié)合最新的國(guó)家規(guī)程相關(guān)章節(jié)，論述屏蔽電纜的選擇與接地、等電位連接、光纜的選擇與使用。

1 屏蔽電纜的選擇與接地

干擾源和接收端可以等效成電容的兩極，一端若有電壓波動(dòng)將會(huì)通過(guò)電容感應(yīng)到另一端。若插入接地的中間層(即屏蔽層)來(lái)破壞此等效電容，即可切斷干擾通路。

文獻(xiàn)[2]中要求：當(dāng)電子設(shè)備之間采用多芯線纜連接，且工作頻率f≤1MHz，線纜長(zhǎng)度L與波長(zhǎng)λ之比L/λ≤0.15時(shí)，其屏蔽層應(yīng)采用一點(diǎn)接地(單端接地)；當(dāng)工作頻率f>1MHz、L/λ>0.15時(shí)，其屏蔽層應(yīng)采用多點(diǎn)接地，并使接地點(diǎn)間的距離S≤0.2λ。

常規(guī)的儀表模擬信號(hào)是連續(xù)的，無(wú)頻率，因此單點(diǎn)接地即可滿足要求。但電話語(yǔ)音、圖像視頻、DCS通信系統(tǒng)的傳輸要復(fù)雜得多。例如f=1MHz的電磁波，根據(jù)c=λ×f(c為電磁波在空氣中的傳播速度，c=3×108m/s)，得到λ=300m，若線纜長(zhǎng)度L>45m，則其屏蔽層需采用多點(diǎn)接地。

對(duì)于雷電等強(qiáng)電磁干擾，文獻(xiàn)[3]第6.3.1條-3款規(guī)定，若有屏蔽層，則屏蔽層的兩端均應(yīng)連接到建筑物的等電位連接帶上。該條文說(shuō)明，屏蔽是減少電磁干擾的基本措施，當(dāng)屏蔽層一端等電位連接、另一端懸浮時(shí)，只能防止靜電感應(yīng)，而無(wú)法防止磁場(chǎng)強(qiáng)度變化所感應(yīng)的電壓。文獻(xiàn)[4]也強(qiáng)調(diào)，屏蔽層懸浮只具有屏蔽電場(chǎng)耦合干擾的能力，而無(wú)抑制磁場(chǎng)耦合干擾的能力。

為了減小屏蔽芯線的感應(yīng)電壓，在屏蔽層僅一端做等電位連接的情況下，應(yīng)采用有絕緣層隔開(kāi)的雙層屏蔽，外層屏蔽應(yīng)至少在兩端做等電位連接。此時(shí)，外屏蔽層與其他同樣做了等電位的導(dǎo)體構(gòu)成的回路感應(yīng)出電流，產(chǎn)生了降低原磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁通，從而抵消無(wú)外層屏蔽時(shí)所感應(yīng)的電壓。

綜上所述，僅一端接地或做等電位連接的情況下，可選用單層屏蔽的雙芯或多芯電纜；兩端、多點(diǎn)做等電位連接或接地的，應(yīng)選擇有絕緣層隔開(kāi)的雙層屏蔽。

2 等電位連接和接地

煤化工生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜、安全防護(hù)距離要求嚴(yán)苛，并且大型的動(dòng)、靜設(shè)備較多，因而設(shè)備和廠房在地域上較為分散。而若將全部設(shè)備和廠房的接地系統(tǒng)連為一體，投資巨大，也無(wú)此需要。因此，根據(jù)電子設(shè)備和工藝的工段區(qū)域特點(diǎn)，分區(qū)域建立功能性等電位連接和共用接地顯得尤為重要。

2.1等電位連接

等電位連接按作用可分為保護(hù)等電位連接(如防間接接觸的等電位連接、防雷的等電位連接)和功能等電位連接(如信息系統(tǒng)抗電磁干擾的等電位連接、用于電磁兼容EMC的等電位連接)，按作用范圍可分為總等電位連接、輔助等電位連接和局部等電位連接。

基于上述分類，同一工段或相鄰較近建筑物內(nèi)的接地導(dǎo)體、金屬設(shè)備、管道及自然接地體[2]等，可構(gòu)成同一工段的總等電位連接。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根據(jù)功能和保護(hù)的需要，分別建立輔助和局部等電位連接，最后，遵循就近原則建立總等電位連接。

在高頻條件下，電子設(shè)備的接地線阻抗會(huì)大幅增加，如長(zhǎng)為18.3m、截面積為25mm2的銅導(dǎo)體，工作頻率10MHz時(shí)其電抗為1 970Ω。所以，功能性接地電阻要求具有很低的工頻接地電阻(0.5～1.0Ω)是毫無(wú)意義的。電子設(shè)備的接地，只要實(shí)現(xiàn)了高頻的低阻抗接地和等電位連接即可，當(dāng)與其他接地系統(tǒng)共用時(shí)可以按其他接地系統(tǒng)接地電阻的最小值確定。

2.2共用接地系統(tǒng)

同一工段的建筑物內(nèi)通常具有多種接地方式，如電力系統(tǒng)接地(功能性)、電氣裝置保護(hù)接地、電子信息設(shè)備信號(hào)電路接地及防雷接地等。如果用于不同目的的多個(gè)接地系統(tǒng)分開(kāi)獨(dú)立接地，不但會(huì)受場(chǎng)地的限制難以實(shí)施，而且不同的地電位也會(huì)帶來(lái)安全隱患，不同系統(tǒng)接地導(dǎo)體間的耦合也會(huì)引起相互干擾。因此，接地導(dǎo)體少、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的共用接地系統(tǒng)被廣泛采用，其中接地裝置的接地電阻值必須按接入設(shè)備中要求的最小值確定。

3 光纜的選擇與使用

當(dāng)幾個(gè)建筑物內(nèi)的接地極無(wú)法相互連接時(shí)，推薦通信網(wǎng)絡(luò)采用電氣分隔，如光纖連接[5]。光纖傳輸相較銅纜具有傳輸頻帶寬、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾、無(wú)電磁輻射及安全可靠性高等優(yōu)勢(shì)[6]。在雷電災(zāi)害嚴(yán)重地段，光纜可采用非金屬加強(qiáng)芯或無(wú)金屬構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式。

煤化工工藝復(fù)雜，測(cè)量控制儀表較多。使用大量的單芯、多芯屏蔽電纜，將儀表信號(hào)傳送到集中的電子間和控制室，會(huì)增加電纜和橋架的投資。同時(shí)在易燃易爆環(huán)境中也增加了信號(hào)傳輸過(guò)程中的危險(xiǎn)性。鑒于此，將DCS系統(tǒng)以分散就近方式布置，可以方便現(xiàn)場(chǎng)電信號(hào)和控制系統(tǒng)的就地等電位連接，從根本上消除兩地電位的電氣連接。然后通過(guò)光纖組網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)DCS控制的合理布局。光纜的使用在減少電磁干擾的同時(shí)，還可以降低儀表和DCS系統(tǒng)的布線安全風(fēng)險(xiǎn)和整體造價(jià)，滿足DCS系統(tǒng)控制分散、危險(xiǎn)分散、集中管理的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著我國(guó)新規(guī)程的頒布，等電位和共用接地的概念逐步明晰，并逐漸深入到工程實(shí)踐中。筆者基于對(duì)相關(guān)規(guī)程的理解，結(jié)合實(shí)際情況，探討了規(guī)程在煤化工廠區(qū)布線和抗干擾中的應(yīng)用。只有結(jié)合工程實(shí)際不斷地解讀規(guī)程規(guī)范，才能找出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題的溯源，找到解決問(wèn)題的辦法，達(dá)到提高儀表設(shè)備和控制系統(tǒng)安全性、降低工作量、減少企業(yè)成本的目的。

[1] 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,2011:1100～1110.

[2] 劉屏周.工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2016:1372～1434.

[3] GB 50057-2010,建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2010.

[4] 張輔琪.電纜屏蔽層接地方式及PLC信號(hào)抗干擾分析[J].冶金設(shè)備管理與維修,2013,31(6):56～57.

[5] GB/T 16895.10-2010,低壓電氣裝置第4-44部分:安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

[6] 吳達(dá)金.綜合布線系統(tǒng)產(chǎn)品選用系列談(7):如何權(quán)衡采用屏蔽電纜和光纖光纜[J].電信技術(shù),2004,(7):92～94.

張廣軍(1969-)，工程師，從事化肥廠電氣、儀表的生產(chǎn)管理工作，zhanguangjun@21cn.com。

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