仪表系统的接地设计(新)

仪表系统的接地设计 摘要：仪表系统接地是为了保证当仪表系统中的信号、供电电源或设备本身出现问题时，有效的接地系统

能承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地。接地系统能够为仪表系统提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整个系统提供公共信号参考点（即参考零电位）。当接地系统发生问题时(接地电阻过大，多点接地，接地线断线或接地线与高电压、大电流设备相接触等)，会造成人员的触电伤害及设备的损坏， 因此，完善、可靠、正确的接地，是仪表系统能够安全、可靠和良好运行的关键。 关键词：仪表及控制系统 接地 接地连接 接地规范 仪表及控制系统接地不是一个新的论题，很多问题早有结论，也有正确的设计方法。但在部分工程技术人员中，仍存在一些模糊概念和疑虑。接地的作用、接地的分类很多文献都讨论过，由不同的方法可以有不同的分类，都有道理，本文不再讨论。本文主要讨论接地设计怎么做，为什么。 仪表系统接地已成为仪表工程设计的一个组成部分，仪表及控制系统的可靠性直接影响到生产装置安全、稳定的运行。 一、仪表及控制系统接地的目的 （一）为了人身安全和电气设备的运行 即保护接地，用电仪表的金属外壳及自控设备不带电的金属部分，由于各种原因（如绝缘破坏等）而有可能带危险电压者，均应作保护接地。通常所指的自控设备如下： 1、 仪表盘、仪表操作台、仪表柜、仪表架和仪表箱； 2、 DCS/SIS/PLC机柜和操作站； 3、 计算机系统机柜和操作台； 4、 供电盘、供电箱、用电仪表外壳、电缆桥架（托盘）、穿线管、接线盒和铠装电缆的铠装护层； 5、 其他各种自控辅助设备。 安装在非爆炸危险场所的金属表盘上的按钮、信号灯、继电器等小型低压电器的金属外壳，当与已做保护接地的金属表盘框架电气接触良好时，可不做保护接地。 低于36V供电的现场仪表、变送器、就地开关等，若无特殊需要时可不做保护接地。 凡已经作了保护接地的地方即可认为已做了静电接地。在控制室内使用防静电活动地板时，应做静电接地。 静电接地可与保护接地合用接地系统。 保护接地是为人身安全和电气设备安全而设置的接地(也称为安全接地)，仪表专业的保护接地与电气专业的保护接地一样，属于低压配电系统接地，因此，应按电气专业的有关标准、规范和方法进行。例如：《工业与民用电力装置的接地设计规范》等。 对于低压配电系统接地，电气专业有一系列比较完善的设计、计算、试验、施工及验收的标准规范，对接地系统的各个环节都有较完整的理论、实验和方法，绝不是某个接地电阻值就可以概括的。 仪表专业用电一般来自不间断电源UPS或电气专业的建筑物配电，大体可分为控制室用电和现场仪表用电。控制室用电一般采用TN-S系统(整个系统中的保护线和中线是分开的)。现场仪表用电一般采用TT系统(分散接地)。 根据等电位连接原则，仪表用电的保护接地应当是电气接地系统。不但建筑物内实施等电位连接，石油化工装置一般还采用全装置等电位连接。 接地工程应当按电气专业的标准规范和方法来设计。有的设计将UPS供电的仪表系统的保护接地分离出来单独设置接地系统，这是不适宜的。多数UPS的两路供电中的一路是不经过变压器隔离而直接切换输出的，这就不可能具备单独设置接地系统的条件。另外，建筑物内的其他配电系统(如照明配电、维修配电等)是电气专业的低压配电系统，并不是UPS出来的仪表电源。这样，在同一建筑物内有两个接地系统，而且不能避免发生被同时接触的事件，这就违反了电气专业规范中“能同时触及的外露导电部分应接至同一接地系统”的配电系统接地规定。既无法实现两个接地系统的完全隔离，同时也无法实现建筑物内的等电位连接，形成不安全因素。 其保护作用的原理从图1可以看出，图1(a)中，若表盘未做保护接地，如图1(a)中所示，表盘带电时，此时如果人体触及表盘，电流经人体和电源中性接地电阻而形成通路，人就遭受触电的危害；若表盘加上接地装置，如图1（b）所示，此时仪表盘由于意外事故带电时，接地短路电流将沿着接地体和人体两条通路流过，由于表盘通过接地线与接地体相连，人体触及时，接触电压已在危险电压以下，并且人体的电阻远远大于接地电阻R’,所以通过人体的电流很小。短路电流大多通过接地电阻，这样人体就避免触电危险。

图1、人体触及带电表盘时的电流通路 （二）为信号传输和抗干扰的工作接地 为保证自动化仪表系统正常可靠地工作，应给予工作接地。工作接地的内容为信号回路接地、屏蔽接地、本质安全仪表接地。 1、信号回路接地：在自动化系统和计算机等电子设备中，非隔离的信号需要建立一个统一的信号参考点，并应进行信号回路接地（通常为直流电源负极）。隔离信号可以不接地。这里指的隔离每一输入（出）信号和其他输入（出）信号的电路是绝缘的，对地是绝缘的，电源是独立的，相互隔离的。 2、屏蔽接地：屏蔽接地作用是抑制电容性耦合干扰，降低电磁干扰的部件的一种有效措施，仪表系统中，用以降低电磁干扰的部件如电缆的屏蔽层，排扰线，仪表上的屏蔽接地端子，均应作屏蔽接地。 在强雷击区，室外架空敷设的不带屏蔽层的普通多芯电缆，其备用芯应按照屏蔽接地，如果是屏蔽电缆，屏蔽层已接地，则备用芯可不用接地，穿管多芯电缆备用芯也可不用接地。 3、本质安全仪表接地：这种接地除了具有抑制干扰的作用外，还有使仪表系统具有本质安全的性质的措施之一。因此，应给与重视。本质安全仪表系统在安全功能上必须接地的部件，应根据仪表制造厂的要求做本安接地， 齐纳式安全栅的汇流条必须与供电的直流电源的公共端相连，齐纳安全栅的汇流条（或导轨）应作本安接地。 隔离型安全栅不需要接地。 安全栅分为隔离式和齐纳式两种。隔离式安全栅采用隔离保护技术，不需要专门接地，而齐纳式安全栅则根据其保护工作原理需要良好的接地系统。本安系统接地通常讨论的是齐纳式安全栅接地问题。 非本安区域的电源故障有两种，一种是直流短路，通常两线制或三线制变送器就是由24～30V直流电源供电的，因此安全栅接地必须应与直流电源的共公端相连接；另一种是交流短路，为实现保护功能，安全栅接地又必须与交流供电的中线相连。这就决定了安全栅接地最终应是电气系统接地。 安全栅接地汇流条与交流供电的中线始点相连的最简单可靠的方法是用导线连接。 IEC标准IEC60079-14《危险场所的电气设备安装》关于本质安全电路的接地中规定：对于“没有电气隔离的安全栅(例如齐纳式安全栅)的接地端子应：1)以最短的可行的路径接到等电位连接系统；或2)对于TN-S系统，接到一个高度完整的接地点，连接方式应保证这一点接到主电源系统接地点之间的阻抗小于1Ω。” 可是，有的公司采用以大地作为导体的方式，使一些设计人员误认为这是正规的合理的方法，从而导致工程设计上的不妥。因此，造成了工程中的浪费和施工的麻烦，还形成安全栅事故隐患。用大地作为导体的方法最初见于电力输电的两线一地制，而电力设备接地规范中强调：在低压电力网中严禁利用大地作相线或零线。目前，用大地作导体的方式仅见于TT系统的接地。但是，有很多工程设计采用了为齐纳式安全栅接地单独设置接地极的方式，而恰恰是这种方式形成了地电位击穿安全栅的条件。这是因接地问题而造成齐纳式安全栅损坏的事故根源之一。因此笔者认为，这种为齐纳式安全栅接地单独设置接地极的方式还写进一些标准规范中(如《石油化工仪表接地设计规范》SH3081-1997)，是值得进一步商榷的。 ISA-RP12．6-1995《危险场所仪表的接地实施》第一部分：“本质安全”中规定了安全栅接地汇流条与交流电源的中性点之间的连接电阻小于1Ω，并明确给出了直接连线的图示。MTL公司的接地指南中也是这样规定的，只是多了一句：“如果能达到0.1Ω更合适。”并提到：用导线连接是最容易的方法。至于接大地的电阻，在上述资料中均无规定。有的安全栅公司只是含含糊糊地说，一般推荐为1Ω，但如果询其依据，则没有。应当注意，在国外的资料中，接大地称Earthing或Grounding，接地连接称Bonding，意义是不一样的。凡是论及本安仪表接地电阻的资料，基本上都是规定接地连接(Bonding)电阻。 国外的资料只重视接地连接(Bonding)电阻，ISA-RP12．6-1995和MTL公司的接地资料中都提出用两条接地导线重复连接的方法，以便测量接地连接(Bonding)电阻，而不是测量接大地(Earthing)的电阻。 现场本安仪表的信号端一般是不接地的，仪表外壳接地的目的并非为了本质安全。另外，地电位只作用在外壳接地的变送器的绝缘上，不会达到击穿现场仪表绝缘的程度。有的文献把变送器外壳接地当作信号端接地。并以外壳接地点与非危险场所的齐纳式安全栅接地点之间的电位差来讨论安全栅的击穿问题是不正确的。如果仪表信号的现场端是固有接地的，回路形成两点接地，地电位差就有可能作用于安全栅上。在这种情况下，使用齐纳式安全栅是不对的，应使用隔离式安全栅，以免形成多点接地。这样既符合信号传送的要求，也符合本质安全的要求。 二、防静电接地 静电放电的特点是电压高、电流小、时间短、功率高。对仪表系统而言，人体静电在电子装置的金属外壳上放电是最常见的静电放电现象。抑制或消除静电放电应采取多种措施，除尽量避免产生静电外，及时泄放静电是有效手段之一。仪表及控制系统的防静电接地比较简单，静电导体对地的泄放电阻通常是104～106Ω数量级的，因此很多相应的资料规定用于静电接地的电阻为100Ω。并且，防静电接地可与其他接地系统共用。 三、DCS和PLC接地 分散型控制系统(DCS)和可编程序控制器(PLC)的接地本来不是一个单独的接地分类，但由于种种原因，使人们有意无意地将其分离出来，而国内、国际并没有单独为DCS和PLC所编制的接地标准规范(其实在客观上也根本没有必要)，有时由于一些误解或不正确的规定，反而令造成不小的麻烦。

四、小结 1、为实现接地的各种目的和实施接地工程的各种方法的基本原则是等电位连接，而绝对的等电位连接是不可能的，为实现近似的等电位连接，也需设计多种方法并付出工程代价。接地工程是系统工程，是由