儀表系統(tǒng)接地在施工中的常見(jiàn)問(wèn)題

陳鵬飛，劉 波，汪 帥，曲國(guó)瑞

（中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)有限公司，山東青島 266300）

1 接地的分類(lèi)

1.1 保護(hù)接地

各種用電設(shè)備的金屬外殼正常情況下不帶電的金屬部分，由于非正常現(xiàn)象的出現(xiàn)（如絕緣破壞）成為帶電體，而有可能使其帶有危險(xiǎn)電壓，威脅人身安全和設(shè)備的安全運(yùn)行，因此必須將金屬外殼和大地之間做好良好的連接叫保護(hù)接地。

1.2 工作接地

儀表及控制系統(tǒng)為了抗干擾，確保正常穩(wěn)定的運(yùn)行，應(yīng)做的接地叫工作接地。

1.3 屏蔽接地

屏蔽接地也叫模擬接地，它的作用是防止外部高頻電磁干擾信號(hào)對(duì)設(shè)備內(nèi)部電路信號(hào)產(chǎn)生影響，把現(xiàn)場(chǎng)所受到的干擾屏蔽掉，以提高信號(hào)精度。

2 干擾源及接地對(duì)抑制干擾的作用

隨著電動(dòng)Ⅲ型儀表和分散控制系統(tǒng)（DCS）及自保邏輯控制系統(tǒng)（PLC）的應(yīng)用，干擾的來(lái)源主要有：①空間輻射的干擾。②信號(hào)線引入的干擾。③接地系統(tǒng)混亂的干擾。④儀表供電線路引入的干擾。⑤來(lái)自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。抗干擾措施有隔離、屏蔽、雙絞線、濾波和接地等。

3 施工中的問(wèn)題

施工中常會(huì)遇到一些接地問(wèn)題，比如由于對(duì)有些接地方式對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響認(rèn)識(shí)不夠，因而采用一些不規(guī)范或不符合要求的接地方式。下面舉例分析，并同正確接地方式進(jìn)行對(duì)比。

3.1 系統(tǒng)串聯(lián)接地方式（圖1）

圖1 系統(tǒng)串聯(lián)接地方式

假設(shè)1#柜（盤(pán)）產(chǎn)生一個(gè)干擾電流I1，這個(gè)干擾電流經(jīng)r1，r2…rn流入大地，這樣在每個(gè)機(jī)柜（盤(pán)）的接地處就產(chǎn)生一個(gè)附加電位，如在 2#柜（盤(pán)）U=Ir1，在 n#盤(pán)為 U＝（Ir1+r2+…+rn－1），從而造成各柜（盤(pán)）間的基準(zhǔn)電壓不同，由于儀表接收的都是（4～20）mA系統(tǒng)信號(hào)，所以對(duì)測(cè)量影響很大（圖1a）。這在控制系統(tǒng)中是不允許的，而且這種干擾是隨機(jī)的，沒(méi)有辦法消除。正確接法見(jiàn)圖1b。各接地分干線到匯流銅板間盡量短，并且要求用截面積較大銅導(dǎo)線（一般25 mm2），這樣各柜到匯流板之間電阻很小，而且假如1#柜產(chǎn)生干擾電流I1，則在匯流板上形成的電壓U＝I1r1，要比串聯(lián)在各柜間產(chǎn)生的電壓小很多，而且各基準(zhǔn)電壓相同，如干擾是持續(xù)存在的，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法消除。

3.2 屏蔽層不接地

屏蔽層能防止電場(chǎng)的干擾，抑制共模干擾，但有時(shí)施工人員對(duì)屏蔽層接地認(rèn)識(shí)不夠，要求不嚴(yán)格，認(rèn)為不接地也可以起到抗電磁干擾作用，以下分析兩種情況。

（1）如導(dǎo)線1為信號(hào)干擾源，導(dǎo)線2對(duì)大地電阻可認(rèn)定是無(wú)窮大，且設(shè)有屏蔽層，當(dāng)屏蔽沒(méi)有接地時(shí)，屏蔽與信號(hào)干擾源有分布電容的存在（圖2）。在屏蔽層上會(huì)感應(yīng)有電壓es＝C1Se1（/C1S+CS），由于導(dǎo)線2與屏蔽層之間存在有電容C2S，在C2S上無(wú)電流存在，所以導(dǎo)線2感應(yīng)電壓ec＝es。

（2）如果把屏蔽層接地（圖3），es＝0，導(dǎo)線 2上感應(yīng)電壓也減小到接近于零。實(shí)際上導(dǎo)線一般總要引出屏蔽層，導(dǎo)線1和屏蔽的導(dǎo)線2之間有電容e2存在（如果屏蔽層為編織網(wǎng)，則導(dǎo)線1經(jīng)屏蔽層網(wǎng)孔而與導(dǎo)線2所形成的電容也包括在其中），導(dǎo)線2與地之間存在電容C2G，則在導(dǎo)線2的感應(yīng)電壓為 ec＝C12e1（/C12+C2G+C2S），當(dāng)導(dǎo)線 2 對(duì)地電阻為有限值時(shí)，且 R<<1/jω（C2G+C2S）時(shí)，耦合至導(dǎo)線 2的干擾電壓ec＝j(luò)ωRC12e1。因此采用屏蔽層后，應(yīng)該使 C1（2干擾源導(dǎo)線之間）大大減小，從而使干擾電壓ec大大減小。屏蔽層必須接地，否則對(duì)減小感應(yīng)電壓沒(méi)有效果。

圖2 屏蔽層未接地

圖3 屏蔽層接地

3.3 屏蔽在信號(hào)電纜的兩端同時(shí)接地

信號(hào)電纜在控制裝置之間的接地端應(yīng)為對(duì)地電容大的一端，因此信號(hào)電纜對(duì)地分布電容能相應(yīng)減少影響。通常在控制室側(cè)接地。有時(shí)屏蔽層室內(nèi)接地作好了，而室外一次表處由于電纜頭的屏蔽網(wǎng)沒(méi)有處理好，有同儀表外殼接觸而形成接地的現(xiàn)象，在絕緣性能較差大功率用電設(shè)備附近時(shí)一旦兩處接地形成較大電位差，屏蔽層內(nèi)便會(huì)形成回路，產(chǎn)生電流i，屏蔽層雖是金屬網(wǎng)，但仍有一定的電阻，而地電阻通常比它還小，因此便會(huì)有電位梯度在屏蔽層上形成，此處的電位梯度又會(huì)同信號(hào)導(dǎo)線與屏蔽層間的分布電容C1C2耦合到電路上去（圖4），這樣形成的干擾往往超過(guò)有用信號(hào)的許多倍，所以信號(hào)導(dǎo)線的屏蔽層必須單點(diǎn)接地。施工中，室外屏蔽網(wǎng)切斷處應(yīng)用塑料帶包好，可避免此現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.4 個(gè)別盤(pán)工作地造成浮地

圖4 同時(shí)接地屏蔽在信號(hào)電纜兩端

系統(tǒng)接地通常有浮地、直接接地和電容接地等3種方式。由于規(guī)模較大的DCS的浮地方式具有較大的分布電容，真正懸浮的實(shí)現(xiàn)是相當(dāng)?shù)牟蝗菀住．?dāng)基準(zhǔn)電位受干擾時(shí)，由于對(duì)地分布電容所形成的位移電流則會(huì)使控制系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)受到影響；當(dāng)增大該DCS的規(guī)模時(shí)，會(huì)使對(duì)地電容增大，位移干擾電流增加，而給系統(tǒng)引入干擾。因此，通常采取直接接地方式。以前遇到過(guò)這種情況，兩個(gè)儀表盤(pán)間的基準(zhǔn)零電位之間有幾伏的電位差，究其原因是施工中將其中一塊儀表盤(pán)的接地浮空，沒(méi)和接地匯流排接（圖5）。由于1#盤(pán)24 V負(fù)接地而2#盤(pán)沒(méi)接，這樣由于接地電阻的作用，如在A處形成電壓U1＝I1R，而B(niǎo)處U2為0，因此在AB間形成附加電流，從而對(duì)2#盤(pán)儀表形成共模干擾，造成測(cè)量精度下降。如果正確接地，則可避免產(chǎn)生這個(gè)共模干擾。

圖5 個(gè)別盤(pán)工作地造成浮地

3.5 特殊要求的屏蔽接地

有些儀表的屏蔽接地有特殊要求。如本特利的振動(dòng)位移顯示儀表要求電纜屏蔽必須單獨(dú)接到該表指定接地點(diǎn)，而不能與其他電纜屏蔽接到一起。這樣可避免引入對(duì)測(cè)量造成影響的干擾信號(hào)。施工中必須注意這些儀表的接地方式的特殊要求。

3.6 接地電阻不滿足要求

對(duì)每套系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，保護(hù)接地、工作接地都有一個(gè)規(guī)定的接地電阻上限，如Foxboro的I/A系統(tǒng)，要求接地電阻<1 Ω。做接地體時(shí)必須滿足設(shè)計(jì)要求，而且還要考慮其他因素的影響，否則會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。某裝置發(fā)現(xiàn)過(guò)這樣問(wèn)題，施工時(shí)接地電阻測(cè)試符合設(shè)計(jì)要求，但開(kāi)車(chē)后一段時(shí)間，就出現(xiàn)了問(wèn)題，最后分析原因，可能接地電阻不滿足要求，果然經(jīng)測(cè)試接地電阻不滿足要求，變大了。接地電阻受接地體所處土壤的環(huán)境、氣候變化和測(cè)試時(shí)天氣等環(huán)境的影響，如果在夏季施工，由于雨水大，接地電阻滿足要求，但到了秋、冬季，土壤干燥，接地電阻超過(guò)了設(shè)計(jì)值。所以施工中，一定考慮這些因素的影響，才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 注意事項(xiàng)

單獨(dú)設(shè)置接地體或與電力系統(tǒng)共用，接地體間垂直、水平距離>5 m，牢固連接與電氣專業(yè)低壓設(shè)備保護(hù)接地網(wǎng)上所接的保護(hù)接地，保護(hù)接地不能同防雷接地連接及串聯(lián)，接地線應(yīng)用多股線且需有絕緣層，接地電阻符合設(shè)計(jì)要求。儀表盤(pán)（箱，架）內(nèi)的保護(hù)接地應(yīng)各自接到相應(yīng)的母線上，接地干線與分線間應(yīng)彼此相互絕緣，并聯(lián)連接。

（2）屏蔽接地要求同一線路的屏蔽層應(yīng)有可靠的連續(xù)性，屏蔽層只能一端接地，大多在顯示儀表側(cè)接地，屏蔽層與地間電阻R≥5 MΩ。信號(hào)回路接地與公共點(diǎn)的連接，接地電阻以及與各接地極之間的距離應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，與其他各接地線之間的絕緣電阻R應(yīng)≥5 MΩ。本質(zhì)安全系統(tǒng)接地接到信號(hào)回路接地或單獨(dú)接地。

［1］華樹(shù)超，孫娜.基于電氣工程自動(dòng)化的智能化技術(shù)應(yīng)用分析［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(26)：158.

［2］葉向東，揮春.SH/T308/－2003石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2004.