硫磺裝置儀表工作接地異常問題分析排查與預(yù)防

張 斌 謝文奮 唐曉紅

（中國石油獨(dú)山子石化公司信息網(wǎng)絡(luò)公司煉油儀表車間）

在硫磺裝置的例行巡檢過程中，儀表維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)機(jī)柜間配電柜直流24 V（DC）電源母排對安全接地之間的電壓發(fā)生顛倒，正極母排對安全接地的電壓由正常的24 V（DC）變?yōu)? V（DC），負(fù)極母排對安全接地電壓由正常0 V（DC）變?yōu)?24 V（DC），正、負(fù)母排之間的電壓為24 V（DC），其他機(jī)柜測量狀況相同。 直流24 V（DC）穩(wěn)壓電源及負(fù)載設(shè)備運(yùn)行正常。 電壓的變化，對裝置的平穩(wěn)運(yùn)行帶來了巨大的隱患。 筆者總結(jié)介紹對硫磺裝置儀表工作接地異常問題的排查處理思路，為此類問題提供預(yù)防思路和解決方法。

1 儀表接地分類

儀表控制系統(tǒng)接地主要分為保障人身安全的安全接地（保護(hù)接地），儀表設(shè)備的運(yùn)行和保護(hù)信號傳輸以及抗干擾的工作接地（參考接地）。 雖然兩種接地的目的不同，但二者又是相關(guān)的。

儀表系統(tǒng)接地主要有保護(hù)接地、工作接地［1］、屏蔽接地及本安接地等，筆者只介紹前兩種接地方式。

1.1 保護(hù)接地

保護(hù)接地的主要目的是保護(hù)設(shè)備和人員安全。 當(dāng)電子設(shè)備由低壓交流或直流線路供電時(shí)，為防止發(fā)生接地故障時(shí)其外露可導(dǎo)電部分出現(xiàn)危險(xiǎn)的接觸電壓，設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)接保護(hù)接地導(dǎo)體（PE 線）。 對于化工自控儀表，除低于36 V（DC）供電的現(xiàn)場儀表、變送器及觸點(diǎn)開關(guān)等無需接地外［2］，儀表盤、儀表柜、儀表操作臺、儀表架、儀表箱、控制系統(tǒng)機(jī)柜、操作站、電纜橋架、穿線管和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)都要實(shí)現(xiàn)良好接地。

1.2 工作接地

工作接地在化工自控接地系統(tǒng)中一般指信號回路接地，但屏蔽接地在實(shí)際施工中也接入工作接地。 信號回路接地是為了保證信號有穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位而設(shè)置的接地。 在自動化系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備中，非隔離的信號需要建立一個(gè)統(tǒng)一信號參考點(diǎn)，保證電子設(shè)備穩(wěn)定可靠地工作。 因此，電子設(shè)備的信號電路應(yīng)接地，也稱為信號地，通常為直流電源負(fù)極。

2 故障分析

硫磺裝置使用的是CENTUM 系統(tǒng)， 由電氣UPS 采用TN-S 方式提供兩路220 V（AC）供電。直流穩(wěn)壓電源由3 塊摩爾電源RPSTECH 40A冗余組成，3 塊摩爾電源模塊輸出在配電柜母排匯集，然后經(jīng)過空氣開關(guān)分配到安全柵柜、繼電器柜、GPS 柜，以及需要單獨(dú)供電的火焰檢測系統(tǒng)、GE 超聲波流量計(jì)、音叉液位開關(guān)等設(shè)備，供電系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。 裝置使用隔離式安全柵，按照SH/T 3081—2019《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》， 不需要將直流電源負(fù)極接入公共地，因此系統(tǒng)24 V（DC）直流供電系統(tǒng)采用浮空方式， 直流電源負(fù)極作為儀表信號參考零電位。輸出直流電采用浮空方式，即儀表信號回路接地懸空。

圖1 供電系統(tǒng)示意圖

正常情況下，電源正極對安全地PE 之間的電壓為24 V（DC），電源負(fù)極對安全地PE 之間的電壓為0 V（DC），由于它們之間由電源模塊內(nèi)高阻元件隔離，因此不會有電流通過。 電源的正負(fù)極如果一端與安全地PE 連接， 不構(gòu)成回路，也不會有電流通過，電源正負(fù)極之間的用電設(shè)備不受影響，但存在直流電壓參考點(diǎn)的改變。根據(jù)故障現(xiàn)象，在電源負(fù)極和安全地PE 之間接入變送器做測試，變送器有指示。 初步判斷為電源正極與安全地PE 相連，造成整個(gè)供電系統(tǒng)零位參考點(diǎn)發(fā)生改變。 直流供電系統(tǒng)所帶設(shè)備眾多，受環(huán)境、施工及設(shè)備等因素的影響，筆者判斷存在電源正級或負(fù)極直接接地和絕緣老化間接接地的現(xiàn)象。

3 現(xiàn)場排查

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的供電方式， 依據(jù)工作原理進(jìn)行分析排查，將分析排查類型分為4 類，詳見表1。

表1 排查類型相關(guān)點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.1 電源系統(tǒng)自身故障的分析排查

電源模塊輸出24 V（DC），正、負(fù)極先分別接到正、負(fù)母排上，再從母排經(jīng)空氣開關(guān)分配到各機(jī)柜和現(xiàn)場用電設(shè)備，如圖2 所示。母排上共有6組輸入點(diǎn)、4 組輸出點(diǎn)， 無其余外接點(diǎn)和接地點(diǎn)。用萬用表測量電源母排間電壓為24 V （DC），該值在正常范圍。 電源監(jiān)測模塊無報(bào)警，目測各接線點(diǎn)無虛接，母排到空氣開關(guān)上電纜完好。 排除電源母排和接線故障。

圖2 機(jī)柜間電源系統(tǒng)

3.2 機(jī)柜內(nèi)直流供電回路接地分析排查

由配電柜來的24 V（DC）電源在機(jī)柜內(nèi)通過帶保險(xiǎn)的端子分配到各用電設(shè)備上，檢查電源端子進(jìn)出線完好，無毛刺，與柜體無接觸，排除機(jī)柜內(nèi)電源線接地的可能。 從問題現(xiàn)象分析，確定是現(xiàn)場設(shè)備正極與屏蔽層或設(shè)備體接觸。 而現(xiàn)場到機(jī)柜內(nèi)電纜的屏蔽層都匯總到了屏蔽母排IE上，然后通過接地電纜到總接地。 如果斷開接地電纜，參考電位恢復(fù)就可以找到電源接地所在的機(jī)柜。

3.3 AI 和AO 模擬量分析排查

現(xiàn)場變送器和控制閥都是通過P+F 柵隔離式安全柵測量和控制，通過測試得知安全柵供電端子與輸入輸出端子處于完全絕緣狀態(tài)，變送器端正極或負(fù)極接地不會影響電源母排A-PE 之間的電壓。 因此，可以排除通過安全柵測量和控制的儀表電纜接地造成電源電壓偏移。 為了確保準(zhǔn)確， 將硫磺裝置、 酸性水裝置和溶劑再生裝置3套裝置的安全柵柜屏蔽母排IE 斷開， 同時(shí)檢測電源模塊正極對地電壓， 測量電壓仍為0 V（DC），排除了AI 和AO 模擬量的影響（圖3）。

圖3 模擬量輸入/輸出信號接地示意圖

3.4 DI 開關(guān)量回路接地分析排查

硫磺裝置開關(guān)量通過兩種方式進(jìn)入CENTUM 卡件，一種為直接上卡件，直流電源經(jīng)過卡件后到現(xiàn)場觸點(diǎn)開關(guān)；另一種為通過繼電器板隔離后到CENTUM 卡件，現(xiàn)場觸點(diǎn)開關(guān)由繼電器板供電（圖4）。

圖4 開關(guān)量輸入信號接地示意圖

兩種接線方式，直流電源的正、負(fù)極都連接到現(xiàn)場， 如果現(xiàn)場設(shè)備電源負(fù)極與屏蔽層連接，即F 點(diǎn)和D 點(diǎn)連接， 負(fù)極母排B 點(diǎn)與安全地PE等電位。測量B 和安全地PE 間電壓為0 V（DC），測量A 和安全地PE 間電壓為24 V（DC）。如果現(xiàn)場設(shè)備電源正極與屏蔽層連接，即E 點(diǎn)和C 點(diǎn)連接， 正極母排A 點(diǎn)與安全地PE 等電位。 測量A和安全地PE 間電壓為0 V（DC），測量B 和安全地PE 間電壓為-24 V（DC）。 由于進(jìn)入CENTUM系統(tǒng)的DI 信號不帶聯(lián)鎖，在工藝允許的情況下，逐臺斷開回訊信號的接線端子，同時(shí)檢測電源模塊正極對地電壓，測量結(jié)果仍為0 V（DC）。 排除了DI 開關(guān)量的影響。

3.5 DO 開關(guān)量回路接地分析排查

硫磺裝置輸出開關(guān)量都是通過繼電器板控制現(xiàn)場電磁閥和電氣控制開關(guān)的。 電磁閥由控制系統(tǒng)直流電源供電，電氣控制開關(guān)由電氣提供電源，與儀表電源隔離。 因此，現(xiàn)場電磁閥控制電纜屏蔽層存在與電源正負(fù)極接觸的可能（圖5）。 由于裝置處于運(yùn)行狀態(tài)， 禁止現(xiàn)場電磁閥動作，采取將繼電器柜內(nèi)IE 屏蔽母排斷開， 同時(shí)檢測電源模塊正極對地電壓， 測量電壓仍為0 V（DC）。可以排除DO 點(diǎn)正負(fù)極與屏蔽層接觸的可能，但不排除DO 點(diǎn)正負(fù)極與電磁閥殼體接觸的可能。

圖5 開關(guān)量輸出信號接地示意圖

3.6 現(xiàn)場直供電設(shè)備

硫磺裝置需要單獨(dú)供電的儀表主要是火焰檢測儀、固定式報(bào)警器、超聲波流量計(jì)和音叉液位開關(guān)，它們都需要控制電纜提供24 V（DC）電源，因此存在電纜絕緣破損造成電源正負(fù)極與電氣地接通的可能。

固定式報(bào)警器由機(jī)柜內(nèi)電源端子供電，每塊儀表的供電都有單獨(dú)帶保險(xiǎn)的端子。 在工藝允許的情況下， 逐臺斷開固定式報(bào)警器正極端子，停用報(bào)警器， 同時(shí)檢測電源模塊正極對地電壓，測量結(jié)果仍為0 V（DC）。 排除報(bào)警器正極接地的可能。

超聲波流量計(jì)和音叉液位開關(guān)由配電柜提供24 V（DC）電源，在工藝允許的情況下，逐臺斷開儀表供電空開停用儀表，同時(shí)檢測電源模塊正極對地電壓，測量結(jié)果仍為0 V（DC），排除超聲波流量計(jì)和音叉液位開關(guān)正極接地的可能。

火焰檢測儀是聯(lián)鎖儀表，由配電柜提供24 V（DC）電源，在工藝摘除聯(lián)鎖后，斷開火焰檢測儀A 支供電空氣開關(guān)，電源模塊正極對保護(hù)接地電壓變?yōu)檎５?4 V（DC），反復(fù)通斷幾次，確認(rèn)該回路出現(xiàn)問題。 檢查火焰檢測儀現(xiàn)場接線箱，接線完好。 接線箱到火檢探頭使用9 芯專用電纜，通過航空插頭連接，專用電纜屏蔽層與接線箱殼體相連。 拆下火檢專用電纜，測量電源正極線芯與屏蔽層之間的電阻為0 Ω， 檢查電纜發(fā)現(xiàn)靠近航空插頭處電纜有被砸的痕跡， 剝開電纜，正極線芯絕緣破，并與屏蔽層連接。 由于專用電纜屏蔽層與箱體接地連接，造成電源正極通過接線箱殼體與電氣地相連，形成電源正極與電氣地等電位。

大修時(shí)在該處進(jìn)行吊裝作業(yè)，吊裝設(shè)備可能擠壓電纜，造成電源正極電纜絕緣破損，與電纜屏蔽層接觸，繼而與裝置接地系統(tǒng)連接。 由于儀表直流供電系統(tǒng)采用浮空接法，電源正極接地后儀表控制系統(tǒng)工作接地參考值發(fā)生改變，但沒有與電源負(fù)極構(gòu)成回路，未影響到火焰檢測系統(tǒng)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致隱患一直未被發(fā)現(xiàn)。

4 預(yù)防措施

儀表直流供電系統(tǒng)正、負(fù)極接地，造成儀表工作接地電勢發(fā)生改變，給儀表控制系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行帶來隱患， 建議采用以下措施防止事故的發(fā)生：

a. 設(shè)置保護(hù)措施。 由于各裝置的24 V（DC）直流電源均采用負(fù)極浮空， 因此輸出端的正、負(fù)極都設(shè)置了保險(xiǎn)端子， 端子保險(xiǎn)絲容量不宜過大，防止發(fā)生短路時(shí)拉低母排電壓。

b. 建立實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。使用電壓表測量電源正極母排與保護(hù)接地極之間的電壓，電壓表具有24 V（DC）轉(zhuǎn)4～20 mA 電流的功能，將4～20 mA 電流信號引入CENTUM 系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電源正極母排與保護(hù)接地極之間的電壓變化。

c. 完善電源數(shù)據(jù)監(jiān)視功能。 建立摩爾電源監(jiān)控模塊與CENTUM 系統(tǒng)的通信，將電壓、電流及負(fù)荷分配等信息實(shí)時(shí)上傳到CENTUM 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

d. 加強(qiáng)巡檢。 對現(xiàn)場需要單獨(dú)供電的火焰檢測系統(tǒng)、超聲波流量計(jì)、音叉液位開關(guān)及電磁閥的電纜和接線進(jìn)行完好性檢查。

e. 完善裝置開工驗(yàn)收內(nèi)容。 將電源系統(tǒng)正極對保護(hù)接地、負(fù)極對保護(hù)接地、正負(fù)極之間的絕緣測試作為PSR 驗(yàn)收的內(nèi)容。

5 結(jié)束語

通過對某硫磺裝置儀表接地問題分析與處理，可以明確判斷處理浮空接地與電源負(fù)極接地故障的方式是不同的。 隨著裝置長周期運(yùn)行的需要，對儀表和控制系統(tǒng)的要求也越來越高，而電源系統(tǒng)作為儀表和控制系統(tǒng)的公共單元，其重要性不言而喻。 針對此類問題，一方面要保證供電系統(tǒng)電源設(shè)備質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性； 另一方面，工程公司在裝置設(shè)計(jì)及改造中，要嚴(yán)格執(zhí)行國家和行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)， 施工單位嚴(yán)控施工質(zhì)量，避免設(shè)計(jì)和施工過程留下安全隱患；此外，在運(yùn)行過程中要健全管理機(jī)制，制定日常檢查維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。 在全流程上消除測量控制儀表和控制系統(tǒng)供電回路的安全隱患，將由電源故障而引起的裝置安全生產(chǎn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)降到最低。