論控制系統對接地電阻值的要求

徐義亨

(浙江中控研究院有限公司，浙江 杭州 310053)

論控制系統對接地電阻值的要求

徐義亨

(浙江中控研究院有限公司，浙江 杭州 310053)

控制系統對接地電阻值有其自身的要求，而目前國內許多控制系統的制造商仍以4Ω作為對接地電阻值的要求。通過分析認為： 控制機柜內設備在發生故障時，空氣開關或熔斷器的動作電流以及土壤或地面的電阻率決定了控制機柜保護地對接地電阻值大小的要求；控制系統的絕緣性能與對稱性能決定了工作地對接地電阻值大小的要求。控制系統的工作地與控制機柜的保護地對接地電阻值的要求是有差異的，設計過程中接地電阻的期望值應小于兩者中的較小值。

控制系統 接地電阻 接觸電位差 保護地 工作地

控制系統對接地電阻值的要求，鮮有文獻作詳細討論。國內許多控制系統的制造商在其產品使用說明書里，仍沿用以4Ω作為對接地電阻值的要求。筆者嘗試對該命題進行探討。

1 電氣裝置對接地電阻值要求的相關標準

涉及電氣裝置對接地電阻值要求的相關標準主要有： DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》[1]；GB 16895.11—2001《低壓電氣裝置對暫時過電壓和高壓系統之間的故障的保護》[2]；GB 14050—2008《系統接地的型式及安全技術要求》[3]。

上述標準確定電氣裝置保護地接地電阻值R的基本公式為

R≤U/It

(1)

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

2 控制機柜對保護地接地電阻值的要求

筆者認為，控制機柜對保護地接地電阻值的要求應根據機柜在發生故障時，人與機柜間的接觸電位差Ut考慮，而不宜按機柜電位允許的升高值考慮。

如圖1所示，設R為接地電阻值，It為機柜發生故障時流經接地裝置的短路電流或切斷故障回路的動作電流。此時，機柜電位的升高值為U=ItR，地電位的分布如圖1中的曲線所示。

Ut=ItR-U1

(2)

式中：U1——機柜發生故障時操作人員所在處的地電位，V。

圖1 人體與機柜的接觸電位差示意

系 統U/V說 明 中性點有效接地的發電廠、變電所等大電流接地系統，指110kV以上的系統2000 接地故障電流很大，系統的繼電保護會迅速切斷電源，接地裝置上出現高電壓的時間很短暫，故U可取2000V 中性點不接地的小電流接地系統，指60kV以下的系統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 發電廠、變電所電力生產用低壓電力設備120 考慮人與低壓電氣裝置接觸的機會較多，故U值較低，R不應大于4Ω 建筑物電氣裝置的TT系統或IT系統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機柜發生故障時的地電位分布

為了簡化問題，假設接地體為簡單的半球狀接地體，如圖2所示，控制機柜設置在半球狀接地體上部的地面上。

圖2 半球狀接地體示意

因為土壤有一定的電阻率，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。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。根據電流場理論,土壤中的電場強度E、電流密度和土壤電阻率的關系應滿足：

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強度沿長度x方向的積分：

(4)

式中：r——半球狀接地體的半徑,m。

即可得到機柜在發生故障時，離機柜距離為S處的電位值的計算公式：

(5)

式中：S——離機柜的距離，m。

2.2Ut的限值

Ut的限值指超過該限值即被認為是危險帶電，國內外各標準對危險限值的規定不一，而且許多規范通常以設備的工作電壓或者按設備允許升高的電位值去考慮危險限值。

GB 4793.1—2007《測量、控制和實驗室用電氣設備的安全要求 第1部分： 通用要求》[4]對所謂危險帶電限值的規定，是指設備在正常條件下，在可觸及零部件與地之間，同1臺設備任意2個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，都認為是危險帶電。

這與其他標準的規定相比，其特點是：

1) 不按設備工作電壓的高低或設備允許升高的電位值來考慮危險限值。

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

2.3保護地接地電阻值的計算

由圖1可知，根據式(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,按上述危險限值考慮，則Ut可取33V,人體離機柜的距離取0.8m，則R應滿足下式的要求：

(7)

例： 控制機柜斷路器配置的空氣開關的額定電流為10A，如脫口器為固定式，長延時動作電流為10A，ρ取100Ω·m，如按式(7)計算，則R宜小于23.3Ω。

一般而言，控制機柜不可能直接立在接地體上部的地面上，實際對保護地接地電阻值的計算要復雜些，式(7)可用來估算對保護地接地電阻值大小的要求。式(7)中右側第1項33/It為保護地接地電阻要求的最小值，第2項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，如允許的連接電阻為1Ω，則按式(7)計算出來的接地電阻值還應該減去1Ω。

3 控制系統對工作地接地電阻值的要求

控制系統的工作地，即為信號和系統提供1個穩定的電位參考點,它對接地電阻值的要求是基于對系統測量精度的要求。

現以雙端對地輸入的模擬量輸入卡的測量系統為例進行討論，如圖3所示。

圖3 雙端對地輸入的模擬量輸入卡的測量系統

設：Rd為接地電阻；R1，R2分別為信號輸入端的導線電阻；R3，R4分別為測量系統對地的等效絕緣電阻。

假設信號輸入為零，由于共模干擾電壓Uc的存在，則在測量系統的輸入端產生的串模干擾電壓為

(8)

由圖3和式(8)可知：

1) 如電路對稱，即R1=R2，R3=R4，則串模干擾電壓U3=0；如電路不對稱，共模干擾電壓Uc就會產生串模干擾電壓U3，從而影響測量系統的精度。

2)Rd愈大或I愈大，產生的Uc也愈大。

3) 如能做到I=0，則模擬量輸入卡對Rd的大小沒有要求。

4)I的大小取決于系統的絕緣性能，即R3和R4的大小。

所以，模擬量輸入卡的測量系統對Rd大小的要求取決于系統對地的絕緣性能和對稱性能。

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

控制系統對Rd大小的要求必須通過試驗的方法確定。試驗時，可以用改變連接電阻的大小去測試對系統測量精度的影響，從而確定系統工作地對接地電阻值的要求。

4 結束語

綜上所述，可得如下幾點結論：

1) 控制機柜內設備在發生故障時,空氣開關或熔斷器的動作電流以及土壤或地面的電阻率決定了控制機柜保護地對接地電阻值大小的要求；控制系統的絕緣性能與對稱性能決定了對工作地接地電阻值大小的要求。

2) 控制系統對工作地接地電阻值的要求是控制系統的屬性；而對保護地接地電阻值的要求則為控制機柜的屬性。控制系統產品使用說明書中規定的接地電阻值應該是指對工作地接地電阻值的要求。

3) 控制系統的工作地與控制機柜的保護地對接地電阻值的要求是不一樣的，對某個工程設計，接地電阻的期望值應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低壓電氣裝置對暫時過電壓和高壓系統之間的故障的保護[S].北京： 中國標準出版社,2001.

[3] 劉江,曾雁鴻,裴曉波,等.GB 14050—2008系統接地的型式

及安全技術要求[S].北京： 中國標準出版社,2008.

[4] 賈真，郭建宇，肖向榮.GB 4793.1—2007測量、控制和實用電氣設備的安全要求 第1部分： 通用要求[S].北京： 中國標準出版社,2007.

[5] 徐義亨.控制工程中的電磁兼容[M].上海： 上海科學技術出版社，2017.

[6] 中國建筑學會建筑電氣分會.電磁兼容與防雷接地[M].北京： 中國建筑工業出版社，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年畢業于浙江大學化工自動化專業，曾工作于原化學工業部沈陽化工研究院、原冶金工業部鞍山焦化耐火材料設計研究院、浙江中控集團等單位，從事過程控制系統的工程設計和研究開發工作，已出版專著3本，現為浙江中控研究院有限公司高級技術顧問，中國儀表和自動化發展60年史料《飛鴻踏雪泥》學術編委。