接地的应用讨论

■刘成发 中国石化集团第十建设公司山东淄博255438

接地的应用讨论

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接地工程的广泛性和重要性已是大家的共识,根据近年来的施工经验,对接地进行简要的介绍和探讨。

接地干扰常见问题

随着时代的进步,微电子技术的推广，使得设备要求更低的接地电阻，更强的抗干扰能力。实践要求有更加系统的接地理论来对工程实际进行指导,本文根据仪表系统接地设计规定结合现场经验，对接地进行简要介绍和探讨。

1 接地的目的和要求

1.1 接地的目的和分类

接地的目的概括起来有两个：一是为了安全，保护人员和设备不受损害的保护接地；二是为了抑制干扰，保障设备的正常运行的工作接地。

1.1.1 保护地

防雷接地是受到雷电袭击（直击、感应或线路引入）时，为防止造成损害的接地系统。常有信号（弱电）防雷地和电源（强电）防雷地之分。

机壳安全接地是将设备平时不带电的部分与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。主要是避免故障发生时强电串入，另外可避免外壳的静电荷积累。

1.1.2 工作地

工作地是为了使系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系统中还有本安接地。

逻辑地：也叫机器逻辑地、主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等的电源输出地。

信号回路接地：非隔离的信号需建立的一个统一的信号参考点，通常为直流电源负极。

屏蔽地：也叫模拟地，它可以把现场信号传输时所受到的干扰屏蔽掉，以提高信号精度。

本安地：是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了抑制干扰外，还是使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地因采用的本安措施不同而不同。

1.2 接地的原则和要求

1.2.1 接地原则

接地系统由接地联结和接地装置两部分组成，接地联结包括:接地连线、接地汇流排、接地分干线、接地汇总板、接地干线。接地装置包括:总接地板、接地总干线、接地极。仪表及控制系统的接地联结采用分类汇总，最终与总接地板联结的方式。交流电源的中线起始端应与接地极或总接地板连接。在各类接地联结中严禁接人开关或熔断器。

1.2.2 接地要求

(1)当厂区电气接地网对地分布电阻≤4Ω时，电气接地网可当仪表系统的公共接地极（网）。当电气接地网接地电阻较大或杂乱时，仪表系统应独立设置接地。

(2)没有本安地接入的公共接地极（网）的对地分布电阻小于4Ω；有本安地的小于1Ω。接地总干线的线路阻抗小于0.1Ω。

(3)接地极周围15m内无避雷地的接入点，8m内无30KW以上的高低压用电设备外壳的接入点。当现场无法满足该条件时，防雷保护地通过避雷器/冲击波抑制器与公共接地极的主干线相连。电焊地切勿与公共接地极及其接地网搭接在一起，二者应距离10m以上。

仪表系统过去较多的采用专用接地网。但这种接地方式缺点太多：占地面积太大，投资高，电缆及接地网钢材耗量大，距厂房有相当的距离(因不易在厂房内找到合适的位置)，管理、维护、测量及查找接地极和接地线不方便，且效果不甚良好。近些年大多改用电气接地网接地，当然，有几个主要因素需要考虑并解决，首先要考虑电气系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁，对地产生的干扰是否大；其次电气系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小（≤1W）；另外也需考虑弱电子系统的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力，例如有无小信号(电偶，热电阻)的直接传输等。这几个因素是不难解决的，综合分析两种方案的安全与成本，近年来基本都采用仪表系统各类接地汇接到电气总接地板，实现等电位联结，与电气系统合用接地装置与大地连接。

2 接地方法

2.1 供电系统地

在很多企业厂区内有一个很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。有的设备厂家尤其是系统厂家强调所有接地必须和供电系统地以及其它（如避雷地）严格分开，而且之间至少应保持15m以上的距离。所以为了彻底防止供电系统地的影响，目前供电线线路大多用隔离变压器隔开。

2.2 一点接地方式

控制系统接地采用一点接地方式,形成一个统一接地系统，我们称为“合设接地系统”；“工作地”、“保护地”和“防雷地”分别安装，互不连接，我们称为“分设接地系统”。合设接地系统消除了不同接地点可能存在的电位差，在发生雷击时，可以较好地抑制不同接地点之间发生的放电现象，目前大部分系统厂家各种地在机柜内部自己分别接地，汇于一点，然后用接地分支干线将各汇地点连起来，接到一个公共的接地体上。各种接地在没汇到接地汇流排前，彼此之间应保证绝缘，避免接地干扰。

保护接地：控制系统的所有设备均有一个保护地，一般在设计加工时在内部已经接好，有的系统中将该保护地在内部同电源进线的保护地连在一起，有的禁止将保护地同电源进线相连，大部分厂家都选后者，前者情况很少见，笔者仅在日本神钢挤出机系统盘柜中见过，一般情况设计会单独出一套总的接地系统接线图，对此可能有疏忽，现场需特别注意。

信号接地：有单点接地，多点接地，浮地和混合接地。单点接地是指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。在低频电路中，布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路采用一点接地。多点接地是指电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上（即设备的金属底板）。在高频电路中，寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路，常采用多点接地。浮地，即该电路的地与大地无导体连接。虚地:没有接地，却和地等电位的点。其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。对于PLC、DCS等控制系统而言，它属高速低电平控制系统，应采用直接接地方式。在原则上不允许变送器和其它的传感器在现场端接地，而是将其在计算机端一点接地，在有些场合现场端必须接地时，一定要注意原信号的输入端子绝对不许和计算机的接地线有任何电气连接，计算机前端必须要有有效的隔离措施。

屏蔽地：在设计和制造中机柜内部都安置了屏蔽汇流排，屏蔽地必须一端接地，防止形成闭合回路干扰。信号电缆的屏蔽层不得浮空，必须接地，其接地方式应符合下列规定：

（1）当信号源浮空时，屏蔽层应在计算机侧接地；

（2）当信号源接地时，屏蔽层应在信号源侧接地；

（3）当放大器浮空时，屏蔽层的一端与屏蔽罩相连，另一端宜接共模地(当信号源接地时，接信号地。当信号源浮空时接现场地)。

有一点需稍加注意，铠装电缆的金属铠不应作为屏蔽接地，必须是铜丝网或镀铝屏蔽层接地。在实际施工中，要避免发生这个错误。

本安地：本安地的接地系统应保持独立，接地电阻符合系统的说明要求。

3 接地材料要求

3.1 接地系统的导线

接地系统的导线应采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆。根据连接仪表的数量和长度按下列数值选用：

接地连线:1～2.5mm2

接地分干线:4～16mm2

接地干线:10～25mm2

接地总干线:16～50mm2

3.2 接地汇流排、联结板规格

接地汇流排宜采用25×6mm2的铜条制作。也可用连接端子组合而成。接地汇总板和总接地板应采用铜板制作。铜板厚度不应小于6mm，长宽尺寸按需要确定。

4 影响接地实际效果的问题及措施

除了接地本身高标准要求外，设备和布线的合理选择与否也至关重要，选择合理可很大程度降低对接地的要求，提高运行的稳定性；选择不合理，再高水平的接地也满足不了实际的要求。国内工业系统的干扰主要来自系统外引线的干扰。即通过电源和信号线引入，可通过严谨的设备选型和合理的布线减少这些干扰，下面简要讨论一下。

实践证明，因电源引入的干扰造成控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的电源问题才得到解决。现在这种情况基本上已经避免了，对于控制系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的UPS电源，而对于变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，并没受到足够的重视。虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少对系统的干扰。在选择国外进口产品要注意，我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高。在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标(GB/T13926)合理选择。

来自信号线引入的干扰，主要是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，这种往往也是最严重的，引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机，当然这也是之所以做接地系统的主要原因。实践证明，正确的选择电缆和敷设电缆，可有效地减少这种干扰。

(1)不同类型的信号分别由不同电缆传输，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰

(2)将不同种类的信号线隔离铺设(不在同一电缆槽中，或用隔板隔开)，可根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。模拟量信号、低电平开关信号建议用屏蔽双绞线连接，模拟量信号线必须单独占用电缆管或电缆槽。低电平开关信号、数据通信线路也要单独走线，不可和动力线和大负载信号线在一起平行走线。高电平的开关量的输入输出以及其他继电器输入输出信号建议用双绞线连接，也单独走电缆管或电缆槽。

另外还有一些其它干扰，比较复杂，作为应用部门无法改变，在此不做过多讨论。

5 现场接地常见问题

结合实际施工经验，主要以新疆美克化工施工过程中的遇到的问题为例对几个常见的故障小常识做简略说明。

5．1系统厂家自身的原因

系统厂家工厂测试时正常，但现场实际情况要复杂的多，在系统调试过程中出现以下问题：

（1）DCS画面的数据偶尔有变黑的故障显示，此时对现场信号的变化没有反应。

（2）卡件有问题，其指示灯闪烁，有时熄灭，导致其输入输出信号时有时无，有时则保持输入输出信号大小不变。

（3）继电器柜保险损坏，更换频繁。

经检查排除，有两个原因，一是是I/OLink与I/O端子卡件之间的数据线有问题，两端接触不好；二是室内的接地分支干线与接地干线由系统厂家自带φ6的独芯铜芯电缆作为接地线，后改为φ16的多股绞合铜芯绝缘电线。

设计与施工中要注意，不同的系统厂家有不同的要求，厂家标准高于规范时建议采用厂家标准，否则必须符合规范要求。

5.2 各系统之间的整合会出现问题

多表现在DCS/SIS与CCS之间，因硬件滤波及软件抗干扰措施的不到位引起同一信号不一致。美克化工的汽轮机采用的是505轴测检测系统，输出与DCS接收之间出现偏差，例如：505本身转速给定值输出为12mA，DCS处接受却为8mA左右等类似情况。

之前二者不存在此问题，在开车过程中出现的这个现象，应是信号干扰的原因，加上信号隔离器后此现象消失。

5.3 现场接线存在的问题

5.3.1 信号线

V3301氧压机入口阀现场开关正常，回讯开关正常，但在DCS画面上回讯关的信号一直接收不到。我们在机柜端子上短接，DCS画面显示阀关，说明机柜没问题；检测现场来的信号，闭合，据经验，再检测现场来的2线的分别对地（其实关键是“+”线，因为它接的机柜端子带24v正电），发现“+”线果然对地了，现场接线的线头过长触到接线盒上了。此前已有一个调节阀出现过类此问题，其“+”线接地，控制室给定信号，阀不动，但用FLUKE741加信号，阀动，741的信号过强大，造成判断失误，即认为控制室信号出现问题了。

5.3.2 屏蔽线

汽压机入口端轴承温度在开车过程中均正常，后在停车期间发现其温度达到80℃以上了。温度探头坏的可能性很小，但仍需排除，现场检测没问题，后发现就地接线箱内，探头电缆与二次电缆直接绑在一起了，而不是按要求分别接在箱内的端子排上。信号线绑在一起接触不良，最主要是屏蔽线绑在一起接触箱体而导致此问题，而在开车过程中因为机组震动，屏蔽线反而没有接触到箱体。

6 结束语

接地的作用日益显现，高标准的接地系统对现代化企业的安全、平稳、高效的生产至关重要。如何更好的做好接地还需要我们进一步的研究探讨并在工程和生产实践中不断摸索和总结经验。

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