淺談儀表系統接地及安裝

張紅霞

(中石化第十建設有限公司， 山東 青島 266555)

淺談儀表系統接地及安裝

張紅霞

(中石化第十建設有限公司， 山東 青島 266555)

儀表系統存在的絕緣強度低，過電壓和過電流耐受能力差、對電磁干擾敏感等不足之處，嚴重影響儀表設備的正常控制。為確保生產裝置安全運行，儀表系統的正確接地也很重要，分別介紹了保護接地、工作接地和防雷接地3種儀表系統接地技術，闡述了接地連接方法、接地體的設置、接地連接線的要求，針對儀表系統接地安裝應注意的問題作出了具體說明，同時就儀表系統安裝質量問題提出了一些參考建議。

儀表系統 保護接地 工作接地 屏蔽接地 本質安全接地

隨著科學技術的不斷進步，儀表系統的智能化也快速發展，石油化工裝置對儀表設備的運行要求也越來越高。而儀表設備仍然存在絕緣強度低、過電壓和過電流耐受能力差、對電磁干擾敏感等弱點，如果儀表設備受到強電干擾，將嚴重影響儀表設備的正常控制和安全運行，導致儀表設備控制失效或儀表設備永久性損壞，嚴重時還可能造成裝置停車、人員傷亡等生產事故。為了避免因儀表接地錯誤產生的潛在的不安全因素，確保生產裝置正常安全運行，儀表系統接地的設計、安裝質量就變得尤為重要。本文針對儀表系統接地的作用、分類及常用的接地方法等問題進行了討論、分析和說明。

1 儀表系統接地

接地技術不僅用來對人和設備進行保護，也是一種重要的抗干擾技術。可以通過接地將干擾電流引入接地體內，從而抑制或消除干擾。儀表系統接地按用途和作用不同，可分為保護接地、工作接地和防雷接地。對于裝有安全柵等防爆措施的系統，如化工行業所用的系統，還要求有本質安全接地。

1.1 保護接地

保護接地，是保證儀表、電氣設備及人身安全所需的接地，就是將儀表設備或系統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，儀表或系統設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電壓時都要做保護接地。 如:儀表盤、儀表柜、儀表箱、DCS/PLC的機柜、操作站儀表供電設備、電纜橋架、穿線管、接線盒及鎧裝電纜的鎧裝層，以及控制室內的防靜電地板。如果保護接地良好，就可以避免觸電事故，當出現某意外事故時,就必然出現較大接地電流,保護接地能大幅降低人身承受的接地電壓,因此不會產生設備損壞及電擊致命的嚴重后果。

同樣現場儀表橋架、穿線管應每隔30 m與已接地的金屬構件相連。一般來講，使用直流24 V的現場儀表、變送器等無特殊要求的可不作保護接地。控制室的儀表自控設備、機柜、儀表盤等應單獨設置保護接地匯流排，接至廠區電氣專業接地網，接地電阻小于4 Ω。

1.2 工作接地

將系統中的某一點，通常是中性點，直接或經特殊設備與大地作金屬連接，稱為工作接地。工作接地包括:信號回路接地、屏蔽接地、邏輯接地和本質安全接地。

1.2.1信號回路接地

信號回路接地一般有2種情況，一種是儀表設備本身結構形成的事實上的信號回路接地。例如:為減少測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;另一種是為了達到抑制干擾信號的目的所要求的接地，在保證單點接地情況下,共模干擾可被有效抑制。為抑制干擾而使信號回路接地，即信號公共端接地。

1.2.2屏蔽接地

屏蔽不但是儀表和控制系統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，如果儀表系統中儀表及信號線要求接地，應注意將儀表上屏蔽接線端子、信號線屏蔽層及未作保護接地但仍要起靜電屏蔽作用的導線管、匯線槽，儀表外殼進行正確可靠接地。

1.2.3邏輯地

邏輯地也叫機器邏輯地、主機電源地，是計算機內部的邏輯電平負端公共地，也是+5 V等的電源輸出地。如CPU的±5 V、±12 V的負端，需要接入公共接地極。

1.2.4本質安全接地

本質安全接地應獨立設置接地系統，接地電阻不大于4 Ω。本質安全接地系統應保持獨立，與廠區電氣接地網或其他儀表系統接地網的距離應在5 m以上。

本安儀表系統接地除了具有抑制干擾的作用外，同時也是保證儀表系統本質安全防爆的措施之一，抑制作用如上文所述，在此重點介紹防爆作用。本安系統主要是借助安全柵將進入危險場所的能量限制在安全限額以內。對隔離型安全保持器就是在整個儀表回路中采用隔離變壓器把危險側信號和安全側進行有效的電流隔離,對非隔離型，則采用齊納二極管反向擊穿特性進行安全保護，而對于現場側接地與控制室一側安全柵端子的等電位需采取專門措施予以保證。目前有2種通用方法，一種是限制接地電阻辦法，就是要求接地系統保持獨立，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，就是將現場接地線直流電源負端以及儀表系統接地端都壓接到符合要求的保護接地干線上，以保證本質安全儀表系統所有接地的電位平衡。

本質安全儀表系統在安全功能上必須接地的部件，應根據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電源故障時能夠對危險場所進行保護。其匯流排或導軌作本質安全接地。

信號回路只有一個接地點，不能有一個以上接地點，如果出現多個接地點就難免產生電位差，產生共模信號干擾電流造成對儀表信號的干擾。但究竟在現場還是控制室接地，宜根據控制系統儀表類型和線路組成來定。對于控制系統而言一般采用控制室一側接地，對于信號線屏蔽層接地也只能有一個接地點，且應與信號回路在同一側接地，其作用是為了消除屏蔽層和信號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工程，需要采用多種防護方法和措施，本文不詳細贅述。

儀表系統防雷工程的主要內容是對電涌電流和電磁場的防護，無論是現場儀表還是控制室儀表，都應在電氣專業的直擊雷防護范圍內，避免現場儀表成為接閃設備。防雷接地必須采用等電位連接方式，現在中國國內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。等電位連接網絡的結構形式有S型、M型以及2種結構形式的組合，儀表系統屬于低頻小信號系統，采用“單點接地方式”，因此，相關設計規范規定儀表系統防雷工程的接地連接宜采用S型網絡的結構形式。

2 接地系統的連接方法

2.1 接地連接方法

在國內石油化工裝置中，技術人員接觸較多的儀表系統的接地連接方法主要有浮地、多點接地2種方法。

1) 浮地。是指儀表的工作地與建筑物的接地系統保持絕緣，這樣建筑物接地系統中的電磁干擾就不能傳導到儀表系統中，地電位的變化對儀表系統也無影響。其缺點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模擬電路的感應干擾；由于該方法的接地與大地無導體連接，易產生靜電積累而導致靜電放電，可能造成靜電擊穿或強烈的干擾。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頻率。

2) 多點接地。是指儀表、控制系統等設備的工作接地與保護接地分開，這種接地方式的突出優點是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強的雷電波通過保護地進入系統，電子電路同樣會因承受高壓而損壞。

由于多雷電地區石油化工裝置的防雷要求越來越高，以上2種接地方式都不能滿足防雷的需要。因此，可以考慮將保護地與工作地相連接，并且接入防雷接地系統，問題就可以解決了。控制室的防雷接地、防靜電接地、電氣設備的保護接地、儀表系統工作接地、屏蔽接地、電涌防護器接地等共用接地裝置，如圖1所示。

圖1 儀表接地系統示意

2.2 接地體的設置

接地體的設置應參照《全國通用電氣安全標準圖、接地裝置安裝》[1]，也應考慮現場具體情況選用。要求保護接地和工作接地必須獨立設置，但保護接地是否能同電力系統接地相連接，需要視情況而定。

下列情況應單獨設設置儀表接地體:土壤電阻率較高，接地電阻達不到規定要求的場所；周圍環境有較嚴重電磁干擾的場所；所采用的儀表對噪聲敏感；所有儀表遠離電力系統接地網。

系統保護接地電阻值宜為4 Ω，最高不超過10 Ω，而土壤電阻率較高難以實現該數值時可以適當提高接地電阻值或加降阻劑。一般要求如下:工作接地電阻應在1～4 Ω；當設置防雷系統時，接地電阻應小于1 Ω；DCS，PLC等控制系統接地應小于4 Ω；接地板間距離應大于5 m。

2.3 接地連接線要求

保護接地線分支線應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體應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，搭接長度為扁鋼寬度的2倍；采用圓鋼搭接時，搭接長度為圓鋼直徑的6倍。接地匯流排應采用銅排，并用絕緣支架隔離。

3 儀表系統接地安裝應注意的問題

1) 接地電纜壓接時，應當保證壓接可靠；若采用焊接時，焊接處應采取防腐蝕措施。目前，銅包鋼接地線使用廣泛，焊接時，必須嚴格按廠家的要求使用專用磨具、焊藥，確保焊接質量。

由于采用高溫焊接，焊接質量可以采用目測的方式進行檢查，主要項目為焊接物的大小、顏色、表面光潔度和氣泡等。

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

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

2) 電纜屏蔽線接地時，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，然后壓接專用接地線。筆者認為，這樣做雖然美觀，但同時也帶來了隱患。如果壓接不牢，就會形成屏蔽線兩端浮空的情況，從而產生干擾信號。將屏蔽線絕緣，直接接到相應的匯流條是比較穩妥的做法。

3) 當采用鎧裝電纜時，鎧裝層兩端應進行保護接地。GB 50093—2013《自動化儀表工程施工及質量驗收規范》[2]對此做了明確的規定。

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，進行鎧裝電纜的接線，導致儀表側鎧裝層浮空。因此，現場儀表工程師應當對分包商做詳細的技術交底。

4) 當控制室、機柜室內的接地干線采用扁鋼時，應絕緣到接地裝置連接點。文獻[2]中10.2.17條有規定，一般可以采用熱縮套管絕緣。

5) 控制室、機柜室內接地線、電纜較多，儀表工作地和保護地的支線最好用黃色和綠色加以區分，這樣便于在接地系統施工完畢后進行檢查確認。

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

7) 必須按規定進行接地系統的電阻測試，以保證接地能滿足控制系統制造商的要求。測試時，應通知監理到現場。如果達不到系統要求，必須及時聯系設計人員，采取相應的降阻措施。用接地電阻測試儀測量接地電阻，接地電阻值應符合下列規定:

a) 儀表系統保護接地電阻值宜為4 Ω，最高不宜超過10 Ω。

b) 當設置有高靈敏度接地自動報警裝置或接地自動切斷裝置等情況時，接地電阻值可大于10 Ω，但不應超過100 Ω，當設置有防雷系統時，接地電阻不應大于1 Ω。

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

4 結束語

儀表系統接地安裝質量關系到整個儀表系統運行，而儀表又是生產裝置的大腦和眼睛，因此在今后的儀表系統接地安裝工作中，技術人員應當仔細研究設計圖紙，充分了解設計意圖。施工過程中，嚴格按照設計圖紙和相關規范標準的要求對施工人員進行詳細的技術交底。質量工程師也應當在現場監督整個安裝過程，確保安裝質量符合設計及規范標準。

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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，現就職于中石化第十建設有限公司，參與過齊魯重油加氫工程、大連西太平洋渣油加氫工程等項目的儀表控制系統安裝工程，任儀表主任工程師。

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