拖曳水池信号接地系统分析

张 玮

(中船第九设计研究院工程有限公司, 上海 200063)

拖曳水池信号接地系统分析

张 玮

(中船第九设计研究院工程有限公司, 上海 200063)

分析了某拖曳水池测试设备的信号接地系统设计方案。水池内测试设备通常在移动状态,因此信号电路接地采用多点环形接地体方式。水池测试设备调试结果表明,整体信号接地系统方案提高了电子测试设备信号基准电位的准确性,信号电路接地电阻测量值为0.39 Ω,基础接地网接地电阻测量值为0.18 Ω,满足设计要求。

拖曳水池; 信号电路接地; 信号干扰源; 共用接地体; 联结导体

0 引 言

根据测试船体类型及测试内容的不同,船舶与海洋工程试验水池分为拖曳水池、耐波操控性水池、垂直空泡水洞水池、海洋深水水池等。拖曳水池是比较常见的大型船舶与海洋工程试验水池,其水池的面积是试验水池中最大的,约有几千平方米。在模拟实际航行中的波浪条件下,缩小比例的船体模型由拖曳小车按照不同的速度在水池中拖动,小车上测试设备同步测试船体模型的航行参数。由于测试设备移动性和测试环境复杂性的特点,信号基准电位不稳定,严重影响测试数据的准确性,这主要是因为信号接地系统不合理。

本文分析了某拖曳水池测试设备的信号接地系统,采用的整体信号接地系统可提高测试设备信号基准电位的准确性。

1 项目概况

某拖曳水池长300 m(含12 m长船坞),宽16 m,深7.5 m,半埋式结构。水池设在建筑物内,建筑物跨度为24 m,建筑总层数为2层,总长度约为337 m,总宽度约为44 m,总高度为15.5 m。

2 拖曳水池信号接地系统

2.1 信号接地系统

按接地的不同作用分为功能性接地和保护性接地,其中信号电路接地属于功能性接地。JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》第12.7.1～4条规定:电子设备接地电阻值一般不宜大于4 Ω,并采用一点接地方式;电子设备接地宜与防雷接地系统共用接地体,但接地电阻不应大于1 Ω。

实际工程中,测试设备供应商要求将信号电路接地与防雷接地系统分开设置。由于常见的电子设备为固定式,一般位于在实验室或车间内,等电位措施操作性强,环境特征稳定,因此信号电路接地采用一点接地方式,基准电位效果稳定性较好。

大型船舶与海洋工程试验水池内测试设备通常在移动状态下完成,因此信号电路接地不适用一点接地方式,而采用多点环形接地体方式。

2.2 拖曳水池信号干扰源

电子设备信号干扰源常见有电磁干扰、噪声干扰、频率干扰、射线干扰等。电子设备基准电位的稳定性取决于信号电路接地系统是否针对性地采用等电位联结或绝缘技术措施屏蔽干扰源。因此,测试设备信号干扰源是设计信号电路接地系统方案的关键。

拖曳水池基本干扰源的主要类型如表1所示。

表1 拖曳水池基本干扰源的主要类型

2.3 信号接地电阻值

该拖曳水池主要向国外的船东提供测试服务,测试设备也由国外供应商提供,为了达到国外其他拖曳水池的要求,水池实验室要求测试设备就地信号接地电阻值不大于0.5 Ω,故建议信号网接地电阻不应大于0.2 Ω,且要求将信号电路接地体与建筑内保护性接地体分开。

目前,国内设计规范中各系统接地电阻均不大于1 Ω,精度要求特别高的实验设备要求仪表信号接地电阻值不应大于0.5 Ω,因此该工程接地电阻值的高要求增加了信号电路接地系统的难度。

3 信号接地系统方案

3.1 接地系统总体思路

拖曳水池接地系统将信号电路接地体与建筑物保护性接地体分开设置。建筑物的保护性接地为防雷及设备配电保护接地,利用建筑物的基础钢筋以及柱内主筋沿建筑物外圈形成共用接地网,接地电阻不大于1 Ω;如电阻值达不到要求,沿外圈增打接地极。

信号电路接地网采用铜排在水池基础底部的土壤内垂直打接地体,水平连接形成内圈网格,接地引上线也采用铜排单独明敷至水池侧边,与混凝土中的钢筋绝缘。

水池底部基础比建筑物基础深,建筑物的保护性共用接地网只能形成外圈,中间不能形成网格,因此水池基础周边的信号电路接地网与保护性共用接地网没有交叉,间距约有4 m,分隔二者的是基础土壤和水化合物,可近似为是屏蔽的。

3.2 信号接地电阻值计算

要求接地电阻≤0.2 Ω,水池计算条件参数:主边缘闭合水平接地网长为306 m,宽为18 m,深为3 m,土壤电阻率ρ=20 Ω·m。人工接地电阻为

式中:S——大于100 m2的闭合接地网的面积。

3.3 信号接地网做法

沿水池四周底板下设垂直段人工接地极,采用φ16铜包钢接地棒,长度为2.5 m,间隔为12 m,共52组;水池四周底板设闭合水平接地网,采用40 mm×4 mm铜排,水平方向每隔24 m连通,并与垂直段人工接地极连接,形成环路作为共用接地体。信号接地网做法如图1所示。

图1 信号接地网做法 (mm)

3.4 信号接地联结导体的做法

信号电路接地联结导体引上线采用40 mm×4 mm铜排穿塑料管沿水池侧壁垂直明敷,间隔24 m设一引上点,水池侧壁顶部以下1.5 m处沿四周设环形40 mm×4 mm铜排,作为联结导体接地带,联结导体引上线与接地带连接;通过独立的联结导体方式将信号电路接地系统与建筑物金属材料中的磁干扰绝缘屏蔽。

联结导体接地带通过40 mm×4 mm铜排与水池顶部二侧钢轨道每隔24 m垂直联通,将轨道做等电位联结处理,消除拖曳小车沿轨道快速滑动产生的机械摩擦干扰。

水池的电子测试设备安装在拖曳小车上(拖曳小车动态移动),因此小车上测试设备的信号电路接地点通过滑触线方式与联结导体连接,滑触线设在水池侧壁顶部以下1 m处,单侧布置;确保测试设备的信号电路接地点与配电系统的保护接地系统绝缘屏蔽。

为解决造波机模拟形成水池内波浪冲击而对水池内的移动式传感器造成的流体干扰问题,施工时在水池内壁水面下每隔12 m设1 m×1 m的铝合金板(嵌在内壁表面上),通过水池外侧的联结导体接地带分别连通铝合金板、小车上测试设备和水下的传感器而形成等电位。

信号电路接地系统整体做法如图2所示。

图2 信号电路接地系统整体做法

4 信号接地系统的辅助措施

拖曳水池信号接地系统的范围比较大,周边环境复杂,在施工过程中需要采取一些辅助措施,以提高信号接地系统抗干扰性。

对于接地系统,接地电阻越小越好。电流流过接地电阻时产生的电压会带来寄生电感和寄生电容,可能导致发生水平振荡。为了降低接地电阻,施工方采用了三种方法:① 接地极选用导电性高的材质;② 将接地网内的接地线、接地螺栓、接地极牢靠地连接,在接触点采用热熔的方式来保持良好的接触效果,以减小接触电阻;③ 增加接地极的表面积和降低土壤的电阻率(土壤中注入降阻剂)。

为了加强水池水平、垂直敷设的信号电路接

地联结导体的抗干扰性,施工过程中采取了以下措施:

(1) 在敷设40 mm×4 mm铜排的塑料管内加注填充剂,以屏蔽电磁传导。

(2) 联结导体的连接处采用热熔方式以降低电阻,必须螺栓连接的,则增加软片垫圈。

(3) 拖曳小车上测试设备的基础采用非金属材料,与小车的钢平台绝缘等屏蔽方法。

5 信号接地系统实际数据

2014年2月该拖曳水池项目完成了水池测试设备调试工作,电子测试设备信号基准电位符合设备商标准,小车上电子测试设备信号电路接地电阻测量值为0.39 Ω,信号电路基础接地网接地电阻测量值为0.18 Ω,上述结果满足设计要求。

6 结 语

本文分析拖曳水池信号接地系统,提供了较完整的信号电路接地系统设计、施工方案,以供设计人员在类似项目时参考。随着科学技术的进步,对信号干扰源的认识会不断提高,信号电路接地系统也会相应地不断完善,从而达到真正的信号源零电位。

[1] JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范[S].

[2] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

[3] GB 50065—2011 交流电气装置的接地设计规范[S].

[4] 中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施——电气[M].北京:中国计划出版社,2009.

Analysis for Signal Grounding System of Towing Tank

ZHANGWei

(China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The paper analyzed the design scheme of the signal grounding system for towing tank. and put forward the entirety signal earthing system scheme,which improves the standard potential of testing equipment signal. The testing equipment usually is in the moving state,so the signal circuit grounding uses the multipoint circular grounding mode. The testing results show that the scheme of signal grounding system improves the accuracy of signal benchmark potential to meet the design requirements,which the grounding resistance measuring value of signal circuit is 0.39 Ω and the grounding resistance measuring value of fundamental grounding grid is 0.18 Ω.

towing tank; signal circuit grounding; signal disturbing source; shared grounding body; bonding conductor

张 玮(1974—),男,工程师,从事工业与民用建筑电气设计方面的研究。

TU 856

A

1674-8417(2015)07-0055-03

2015-06-25