叶向东谈仪表接地的原理和用意(SH/T3081-2019补充资料)

2020/9/15 19:31:04 人评论 次浏览 分类:调试维修  文章地址:/tech/3336.html

SH/T3081-2019《石油化工仪表接地设计规范》详细规定了仪表及控制系统接地做什么、怎样做,由于只能按照标准规范编制的要求行文及用词,不能说明规范中条文的道理和背景,因而阅读时很乏味,有时甚至不容易理解。本文从九个方面着重讨论了仪表接地的原理和用意,可以作为有关规范的补充资料,供读者参考。

接地的目的
仪表及控制系统接地的目的主要有两个:一是保护人身安全和电气设备的运行安全,包括保护接地、本质安全系统接地、防静电接地和防雷接地等,称为安全接地或保护接地;二是信号传输和减少干扰的接地,称为工作接地或参考接地。这两种接地的目的不同,接地连接方法也有所不同,但两者又是相关的,不能截然分开。

仪表及控制系统安全接地或保护接地,本文称为保护接地,是仪表用电而需要的接地。仪表用电的来源是工业或民用的220V交流电,因此仪表专业的保护接地与电气专业的保护接地一样,属于电气低压供配电系统接地,因此应按电气专业的有关标准、规范和方法进行,并应接入电气专业的低压供配电系统接地装置。

保护接地与电气低压供配电系统的供电形式相关,并且有多种形式。根据仪表及控制系统交流用电的性质与特点,普遍采用TNS形式,具有单独的接地线PE(protecting earthing),是较为安全的用电形式,TNS供电形式如图1所示。仪表保护接地与来自电气专业的PE线是同一种接地,属于重复接地。

TN-S系统接线图
图1 TN-S接线图

仪表及控制系统工作接地或参考接地,本文称为工作接地,是直流电源系统接地或公共点接地,属于电压公共参考点的连接,并不一定要真实接大地。不同的文献对仪表工作接地有不同的用词、定义和分类,实质是一样的。

接地的作用
1、保护接地的作用有三个:
①在用电设备上形成与地面电位接近的电位,当用电设备绝缘损坏漏电时,不会对站在地上并且接触用电设备金属部件的人形成致人伤害的接触电压;
②形成漏电回路电流,使漏电保护器件动作,起到保护作用;
③用于电涌电流的泄放,电涌电流可能来自电源,也可能来自雷电。

2、工作接地的作用有三个:
①为直流用电设备提供用电回路参考点,采用公共汇流排用电回路方式可以减少配线。
②为电子电路提供参考点,形成工作回路或消除噪声。
③为屏蔽层接地,使屏蔽层形成法拉第笼,起到对静电和电场或一定范围电磁场的屏蔽作用。

接地原理
物理学和电学的术语“电压”是指两点之间的,或者一点相对于某一参考点的,参考点不同,电压值就有可能不同。电流是从一点通过电流路径流向另一点的,在供电和用电电路中是流回电流源的,所以一定形成电流回路。但是,在静电学和电场中却有所不同,电流是累积的静电荷击穿绝缘时突然流动的结果,是没有电流回路的,摩擦生电放电、干燥季节的物体静电放电和雷电放电就是例子。

根据上述电压及电流回路的原理和作用,通常以大地作为参考点,具有相对稳定的电位。既然是大地提供电路参考点、或形成用电回路、或是用于异常电流的泄放,所以原理上既可以采用分散接地,也可以采用共用接地。但是为了减少分散接地点或分散接地系统之间的电压或电流,采用共用接地是更安全、更可靠的方式,既减少了不同的参考点,也形成了很好的(低阻抗)电流通路和异常电流的泄放路径,达到了保障用电设备安全运行、减少和消除对电子设备干扰的目的。

在一些特定的条件下,不便以大地作为参考点,例如:移动设备可以采用设备或系统的公共电气连接点作为接地点,使移动设备的电气系统自成体系,效果是一样的。而这种不直接与大地相连接的“接地”称为“接地连接”,有的文献称为“接地联结”,双方各执一词,争执不下,但基本含义都是将需要接地的设备、仪表、可能带电的金属体、大型的孤立金属体用导体连接在一起,使这些物体的电位近似相等,所以也称为等电位连接或等电位联结。当然,这种“接地”既可以不接大地,也可以接大地。

接地分类
仪表及控制系统接地可按接地功能分类,也可按照接地作用分类,没有严格的界定。

有些接地既可以属于这一种接地,又可以属于另一种接地,不同的文献分类有所不同。新修订的SH/T 3081《石油化工仪表接地设计规范》把接地分为:保护接地、工作接地、本质安全系统接地、屏蔽接地、防静电接地和防雷接地等。

1、保护接地
保护接地是为人身安全和电气设备安全而设置的接地,仪表及控制系统的外露导电部分,正常时不带电,在故障、损坏或非正常情况时可能带有危险电压,对该样的设备,均应实施保护接地。

低于安全电压供电的仪表,可不作保护接地,但有可能与高于安全电压的电气设备接触的除外。安全电压是指对人体不构成危险的电压值,不同国家、不同时期的规范规定的安全电压值不同,不同的环境条件、不同的人体条件、不同的作业环境、不同的频率,可能致人伤害的接触电压和接触电流也不同。中国曾经规定安全电压为36V,后来又规定了不同作业环境下的不同安全电压。GB/T3805-2008《特低电压(ELV)限值》规定了不同环境状况和不同故障情况下的不会造成人体伤害的电压值。

当用电设备已经自然接地时,可以不用重复接地。例如:安装在已接地的金属仪表盘、箱、柜、框架上并且与之电气接触良好的仪表,可不作保护接地。

2、工作接地
本文中的工作接地,均指仪表及控制系统工作接地,包括仪表信号回路接地和直流供电参考点接地。仪表及控制系统的信号是直流标准信号或低频通信信号;网络通信信号和载波信号另当别论。

非隔离信号通常以直流电源负极为参考点并接地,常规模拟仪表的信号分配均以此为参考点。

隔离信号的电路与其他电路是绝缘的,对地也是绝缘的,因而可以不接地。

隔离信号的本质:
①电路系统是浮空的,与接地参考点没有任何电气的连接,电路对地电压是不确定的;
②电源系统是另一个接地系统;隔离电路两端的2个接地系统之间的电位差是不确定的,是随接地系统条件和环境的变化而变化的。

3、本安系统接地
采用隔离式安全栅的本质安全系统,输入端和输出端是隔离的,没有电流通路,所以本身不需要专门接地;采用齐纳式安全栅的本质安全系统,输入端和输出端是电路连通的,为了限制现场端的故障电压,则需要设置与参考点的接地连接系统。齐纳式安全栅的本质安全系统接地与仪表信号回路接地不应分开,实际上也分不开。

4、屏蔽接地
根据法拉第笼原理,金属屏蔽体需要接地才能综合有效。屏蔽接地有线路屏蔽和设备屏蔽两种,屏蔽的实质是对线路或设备外界环境的,所以是属于保护性质的。

屏蔽的作用是减少静电、外界电场或部分电磁场对屏蔽目标的干扰,所以既不是电气安全性质的保护接地,也不是仪表系统内部电路工作所需要的接地。

一般情况下通过屏蔽层的静电释放及电场涡流的电流比较小,所以屏蔽接地既可以接到保护接地,也可以接到工作接地。

信号屏蔽电缆的屏蔽层单端接地,是为了避免异地的地电位在屏蔽层上产生的电流对信号芯线产生干扰。为了工程实施的简便,又不影响屏蔽效果,信号屏蔽电缆的屏蔽层通常在控制室仪表一端接地

在雷电防护的应用中,屏蔽接地有泄放雷电流的作用,所以接到保护接地更合适。某些场合还专门利用外界电磁场产生的屏蔽电流减少干扰,这种利用异地接地环流的方式就需要屏蔽层两端接地。

解决该矛盾有两种方法:一是采用单层屏蔽,屏蔽层一端直接接地,另一端通过电容接地;二是采用双层屏蔽,内屏蔽层单端接地,外屏蔽层两端接地,外屏蔽可以利用金属保护管、金属电缆槽等,不一定是电缆的屏蔽层。因此,仪表电缆的金属保护管、金属电缆槽应该在两端接到保护接地,较长的保护管或电缆槽还要每隔一段距离重复接地;同样仪表信号用的铠装电缆的金属铠装保护层,也要在两端接至保护接地。

由于屏蔽层电流不是影响电气安全性质的电流以及一些工程习惯,又常常接到仪表工作接地,这就是屏蔽接地工程实施的不确定性。

现场仪表接地的作用主要是利用金属外壳实现简单屏蔽,而仪表内部的电路是不接地的,有些文献以仪表内部电路接地作为分析前提的说法均无根据。

5、防静电接地
防止静电对电子设备造成损坏的主要方法是防止静电的集聚和实现泄放的导电连接。通常在安装DCS,PLC,SIS,PC等设备的控制室和机柜室及过程控制计算机的机房内,应考虑防静电处理,这些室内的导静电地面、金属活动地板、工作台、机柜等应实施接地。

静电的集聚和泄放与空气湿度关系密切,静电泄放比较容易,对地泄放电阻小于100Ω就能达到良好的效果,所以已经做了保护接地和工作接地的仪表和设备,不需要再另做防静电接地。

近年来的DCS,PLC,SIS,PC等控制设备已经有防静电和接插件防止电压或电流冲击的设计,可以有效地防止静电损害和影响,对外部环境的静电防护要求也不需要那么严格了。

6、防雷接地
雷电防护接地的作用是将雷电流泄放入地,雷击电流分直击雷电流和雷电电磁感应产生的电涌电流。由于雷击电流强度很高,即使是感应产生的电涌电流也有十几至上百安培的幅值,但是雷击电流持续时间很短,因此本质是高频强电流脉冲。为了泄放雷击电涌电流,需要尽可能短的放电路径和尽可能小的通路阻抗。由于绝大多数的仪表线路并不是直接暴露在空旷地区等容易受到雷击的区域,因此危害仪表的绝大多数雷击电流是电涌电流而不是直击雷电流。

防雷接地需要注意雷电电涌电流泄放路径上产生的电位差及地电位反击电压。仪表及控制系统防雷接地有一些与电涌电流泄放相关的考虑和方法,并且应与电气专业接地系统共用接地装置。

接地规范
SH/T3081-2019《石油化工仪表接地设计规范》规定了保护接地、工作接地、本质安全系统接地、屏蔽接地、防静电接地等的具体方法和细节。

SH/T3164-2012《石油化工仪表系统防雷设计规范》规定了仪表防雷工程中的接地方法。该规范中关于仪表系统的接地设计是针对仪表防雷工程的,是对《石油化工仪表接地设计规范》的补充和扩展。按照《石油化工仪表系统防雷设计规范》实施的接地系统可以实现《石油化工仪表接地设计规范》涵盖的接地功能,所规定的接地方法完全可以代替《石油化工仪表接地设计规范》规定的接地方法。

接地的抗干扰作用
1、信号的干扰来源
仪表信号的干扰有差模干扰和共模干扰,会引起信号失真及差错。差模干扰是直接作用在信号线间的电压或电流,共模干扰是信号线与公共参考点或信号线与地线之间的电压或电流,干扰电压或电流的性质有直流、交流、脉冲及不规则等。

信号的干扰主要来源有电场(静电)和电磁场,电磁场有高频和低频之分。干扰作用原理为电场感应及电磁场感应。

防止或减小对仪表形成干扰的主要措施是屏蔽和反向电磁场对干扰电磁场的抵消和削弱。例如:双绞线、外屏蔽的多点接地等。

事故及异常干扰的原因通常为线路短路或断路造成的信号差错甚至仪表损坏。

2、接地的抗干扰作用
屏蔽作用:屏蔽是抗干扰的有效手段之一,根据干扰来源可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。由于仪表工作环境中三种情况都存在,因此屏蔽应综合考虑。

电场屏蔽的原理是采用导体制成屏蔽体,在接地的条件下实现静电平衡,消除电场和低频电磁场干扰源的电容耦合,实现电场屏蔽。

磁场屏蔽是防止外界的静磁场和低频电流产生的磁场进入需要保护的区域,必须用磁性介质做外壳,外壳越厚,磁导率越高,屏蔽的效果就越好。铁材料的磁导率很高,因而屏蔽效果比其他磁导率低的材料好得多。

电磁场屏蔽同样采用导体制成的屏蔽体,利用电磁感应现象在屏蔽体表面形成电涡流产生的反向磁场,抵消或减弱原干扰磁场,达到屏蔽的目的。普通碳钢和铁材料具有很高的电导率和磁导率,所以具有良好的电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽的效果。

屏蔽体的接地是实现屏蔽作用的重要条件之一。

3、导流作用
屏蔽体的接地把静电荷导流入地,使电场终止在屏蔽体的金属表面,实现了静电平衡,即实现了电场屏蔽。当电涌电流沿着信号线流动时,由于交流电的趋肤效应,部分电涌电流会通过屏蔽层的接地散流,其余的电涌电流会在电涌防护器的分流作用下散流入地,这就是接地系统的导流作用。

接地方式
1、概述
接地方式有单点接地、多点重复接地等,原理上两种接地方式都能实现各类接地的需要,但实际工程中的接地效果因区域的大小不同、接地线路的长度不同、异常电流或干扰电流的性质不同而有所差别。

直流信号、低频信号、直流供电、工业及民用建筑供配电、工业设备供配电、供配电事故、雷电等都可能在接地线路或接地点上产生电流,但电子设备中的器件、总线以及通信的工作频率并不是正常或异常情况的地电流频率,例如:计算机的工作频率是数以GHz计的,但是芯片和电路板不需要接大地,只是局部电路的相对电位参考点。实际接地的是供配电接地,也就是保护接地,或直流及低频信号所需要的接地。

2、单点接地
仪表及控制系统的信号是直流信号或低频信号,低于10kHz,为避免不同接地点的地电位对信号产生干扰,也为了消除线路分布电容产生的影响,仪表工作接地常采用单点接地,信号回路中应避免产生接地回路。仪表工作单点接地如图2所示,信号源和接收仪表分别接地的方式如图3所示。
 
 
图2 仪表工作单点接地示意(注:U=US;U为仪表接受的信号;USμ信号源输出信号)
 

信号源和接收仪表分别接地示意
图3 信号源和接收仪表分别接地示意(注:U=US+Ug;Ugwei不同接地点间的地电位差)

从图2和图3中可以看出,信号源和接收仪表分别接地,不同接地点间会产生地电位差Ug。为了避免地电位对信号产生影响,信号不应通过大地构成回路。如果一条线路上的信号源和接收仪表都不可避免接地,则应采用隔离器将两点接地隔离开,以消除地电位差Ug的影响,隔离器两点接地隔离如图4所示。
 
 用隔离器将两点接地隔离示意
图4 用隔离器将两点接地隔离示意

在单点接地系统中,通常将所有接地线汇到1块汇总板——接地点上,再将这个接地点与接地网连接起来,汇总板接地如图5所示,图中虚线为接地线。
汇总板接地示意
图5 汇总板接地示意

3、多点接地
多点接地也称为重复接地,多点接地用于同一设备或线路上异常情况的大电流泄放,也用于大面积导电设备为安全设置的等电位连接,主要用于供配电和雷电防护的接地。对于单个的小型设备,外露可导电面积较小,异常电流通路或接地连接线路较短,不会产生电位差,因而1条接地线路就足够了。但是对于大型设备或较长的设备,就需要每隔一段距离实施接地,即重复接地,例如电缆槽的接地。

4、接地网络
对于导电良好的接地网络,如果仪表设备区域内没有大功率电气设备的故障接地,可以视为一个接地平面,区域内的所有种类的接地均可以就近接到该接地网络上,即可达到很好的接地效果,并且简单易行,这就是网型接地方式。

接地方案
1、
星型接地
星型接地形式常用于地域范围比较小的区域的接地,是典型的单点接地采用方式,例如控制室、机柜室等的接地。星型接地示意如图6所示。

星型接地示意
图6 星型接地示意

星型接地形式的工程实施有两个汇集:
①同类接地连接到一起。仪表保护接地线汇总到保护接地汇总板;仪表工作接地线汇总到工作接地汇总板,仪表接地线较多的场合可以采用分别汇总后再集中汇总的方式。
②把不同的汇流排汇集在一起。例如:把工作接地汇总板和保护接地汇总板汇集接到总接地板,再接到接地装置上。

采用星型接地或星型网型复合接地形式的星型部分,工作接地在接到工作接地汇总板之前不应与保护接地混接。工作接地的连线,包括各接地线、接地干线、接地汇流排等,在接至总接地板之前,除正常的连接点外,都应当是绝缘的。该规定尽管没有充分的证据和理由,但主要考虑是为了避免工程施工中的差错形成的异常电流回路产生的不良影响。

2、网型接地
网型接地形式相当于局部接地网,具有良好的接地效能,适用各种地域范围和各种接地需要,可用于单点接地系统或多点接地系统,缺点是造价稍高。网型接地示意如图7所示。
网型接地示意
图7 网型接地示意

网型接地排采用多路接地线路接到接地装置上,目的是为了提供更多的分流路径,提高接地效能,特别是接地电流较大的场合,同时也实现了仪表雷电电涌的顺利泄放。《石油化工仪表系统防雷设计规范》采用了该接地连接方法。

控制室的仪表系统防雷接地应当采用网型接地,在机柜下面布设网型接地排。机柜内的各种汇流排可以直接接到机柜下面的网型接地排,实现了较短的接地路径。同时接地线应尽可能短,并且避免弯曲敷设。网型接地排可以采用厚×宽为4mm×40mm的铜板、热镀锌扁钢或不锈钢,适用于所有的等电位连接场合。

3、星型网型复合接地
星型网型复合接地形式如图8所示。
星型-网型复合接地示意
图8 星型-网型复合接地示意

接地原则
1、
共用接地装置
《石油化工仪表系统接地设计规范》规定了仪表及控制系统接地与电气专业的低压供配电系统接地合一,规定了仪表及控制系统的保护接地、工作接地、本质安全系统接地、屏蔽接地、防静电接地和防雷接地共用接地装置。

采用共用接地装置是电气接地系统和仪表及控制系统接地的共识,国内外现行标准规范大多规定了共用接地装置的原则,尤其GB 50057-210《建筑物防雷设计规范》规定了防雷电感应的接地装置应和电气设备接地装置共用。

根据仪表工作原理和电子电路的设计,仪表电路对接地电阻没有任何特殊要求,无论是仪表保护接地、仪表工作接地、本质安全接地、屏蔽接地、防静电接地和防雷接地方式,均应符合电气专业的接地规定,没有理由对接地电阻提出特殊要求。遍查有关文献,都没有看到仪表、通信设备、电子产品、计算机等电子设备对接地电阻特殊要求的原理或依据。

2、等电位连接
影响仪表正常工作或造成仪表过电压损坏的原因无非就是线路短路、地电位影响、电涌电流等,良好的接地线路导电性能、等电位连接和共用接地装置完全可以有效地解决上述问题。

仪表保护接地和仪表工作接地的作用归结起来:一是降低地电流在线路上产生的电位差;二是建立公共参考电位。等电位连接很好地实现了这两个目的,可以采用星型接地,也可以采用网型接地,网型接地的效果更好、更简便;但注意不能采用机柜串联或仪表串联的方法接地。

3、接地电阻
由于采用等电位连接方式并采用共用接地装置,因此仪表及控制系统的接地电阻即为电气低压供配电系统接地装置的接地电阻。低压供配电系统的接地电阻是根据触电场合和人身安全等情况计算出来并规定的,中国电气专业标准规定一般情况的接地电阻不大于4Ω。

接地装置的接地电阻的定义数值等于接地装置对地电压与通过接地极流入大地中电流的比值。由于中国的工业和民用交流电的频率是50Hz,接地电阻的测量也要采用50Hz的交流电进行,因此按通过接地极的工频交流电流测量及计算出的电阻称为工频接地电阻。

根据仪表接地原理和仪表接地的作用,良好的等电位连接比接地电阻值更重要。ISARP12.6《危险场所仪表的接地实施第一部分:本质安全》中规定了接地电路的连接电阻小于1Ω,而不是规定接地电阻的阻值,这是两个概念,不要混淆。在ISARP12.6中规定的接地方法中提出用2条接地导线重复连接的方式,以便采用断开1条导线测量回路电阻的方法测量接地连接(Grounding path)电阻,而不是测量接大地(Earthing)的电阻。

综上所述,无论是仪表保护接地还是仪表工作接地,对接地电阻都没有特殊要求,刻意规定或提出仪表信号电路接地电阻的文章、论述和资料都没有说清楚其中的道理,也就没有根据了。

根据仪表及控制系统接地的目的和作用原理,仪表保护接地和工作接地都应与电气的低压供配电系统共用接地装置,这已经是专业技术人员的共识,并且在多年的工程实践中得到充分证明。

仪表保护接地和工作接地的作用是建立公共参考电位和降低地电流在线路上产生的电位差,等电位连接很好地实现了这两个目的。

根据接地的基本原理,通常以大地作为参考点,具有相对稳定的电位。在一些特定的条件下,不便以大地作为参考点,可以采用设备或系统的公共电气连接点作为接地点,效果是一样的。

电子电路没有接大地的必要,没有充分的理论根据和实验证明电子电路必须接大地,也没有理论和证据提出电子电路接大地的电阻值。

仪表及控制系统的接地工程规范除了应满足接地目的和作用外,还要考虑工程实施的可行、方便和工程习惯。

作者:叶向东,男,中国石化集团北京设计院、中国石化工程建设公司副总工程师,教授级高级工程师

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