仪表自控系统的接地工程设计

董进泉

摘 要：文章阐述了仪表自控系统接地的分类及主要原则。参照相应标准规范，介绍了不同类型接地在工程中的实施方法。结合工程实际经验，就设计人员在接地工程设计中易出现的错误和注意事项给出了建议。

關键词：仪表接地；等电位连接；屏蔽；抗干扰

接地是仪表自控系统工程设计的重要环节，合理的接地系统是仪表自控系统安全可靠运行和操作人员人身安全的保障。本文从设计人员的角度，通过对国标及行业规范的解读，结合工程经验，对仪表自控系统接地的工程设计方法及注意事项进行了阐述。

1 接地分类

仪表自控系统接地按其作用分为安全接地和工作接地两大类。安全接地用于保护人身安全和设备安全，其包括：保护接地、防静电接地、防雷接地。工作接地是为了保障仪表及控制系统的正常工作，其包括：回路接地、屏蔽接地和本安接地。

1.1 安全接地

保护接地是将用电仪表及设备正常时不带电的金属部分用接地线与大地相连。当发生某些故障时，会造成这些正常时不带电的金属部分带危险电压，而保护接地线可以将这些危险电压迅速导入大地，避免人员触电和对用电设备造成损害。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。

防静电接地是将带静电物体或有可能产生静电的物体通过接地线与大地相连，防止静电电流窜入仪表及控制系统对人员和设备造成直接伤害和电磁干扰。

防雷接地是将雷电产生的雷电浪涌通过接地线导入大地、防雷接地包含外部防雷接地和内部防雷接地。外部防雷由电气专业负责，不在本文讨论范围之内。内部防雷接地包括电缆屏蔽的接地、机柜的屏蔽接地、浪涌保护器的接地等，由自控仪表专业负责。

1.2 工作接地

回路接地是指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做接地，通常为直流电源的公共端。

屏蔽接地是将电缆的屏蔽层、排扰线、仪表的屏蔽接地端子做接地以消除电磁干扰。还有一种屏蔽接地指的是控制室建筑物内的钢筋、金属门窗等连接起来，形成一个屏蔽网并接地，这种屏蔽接地由建筑专业负责。

本安接地是指本质安全仪表在安全功能上需要接地的部件应做接地。安全栅是设置在本安电路与非本安电路之间的限流、限压装置，以防止非本安电路的危险能量窜入本安电路。安全栅主要分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两种。齐纳式安全栅应做本安接地，隔离式安全栅不需要做本安接地。

2 接地原则

自从我国引进和采用IEC接地标准，接地系统在概念和技术上发生了很大变化。以前的接地系统是否合格，以接地电阻值为准，现在侧重于接地结构兼顾接地电阻值，特别是从独立接地、联合接地到采用共用接地网实现等电位连接方式的转变。图1为HG/T 20513-2014《仪表系统接地设计规范》中接地连接示意图。

2.1 等电位连接

等电位连接是将厂区内各种金属构件、金属设施、金属管道、金属设备等导电物体用导线或导体实现导电连接，使各物体之间具有近似相等的电位。等电位连接减少了系统内各金属部件和各系统之间的电位差。无论是从防雷的角度还是从减小控制系统的共模干扰来看，都是十分有益的。

从图1可以看出，仪表自控系统在控制室内通过各接地线和接地汇流排来实现等电位连接。

2.2 共用接地装置

仪表自控系统各接地部件实施等电位连接后，接地极的设置有单独接地和共用接地两种方式。

单独接地是将仪表自控系统的安全接地接入电气接地网，而工作接地则采用“独立的”“干净的”接地极与大地相连。独立接地要求仪表工作接地极与电气接地极之间保持足够的极间间隔，防止电气接地极上泄放大电流时对仪表接地极产生干扰，而工程实际中要找到足够的接地施工空间是很难的。另外，不同接地极所在的大地之间可能因地电位不均等形成地回路，使仪表自控系统引入干扰。

共用接地是将仪表自控系统的接地极与电气接地极共用。由于实现了等电位连接，各接地系统及金属导体相对于接地极的基准电位是一致的，这样减少了进入仪表自控系统的共模干扰。同时减少了接地极的数量，节省了设备和施工的费用。

文献[1-4]都明确提出仪表自控系统的各接地部件采用等电位连接后与电气共用接地装置，国内外诸多大型石化项目都已证明采用此接地方式的仪表自控系统都能安全稳定工作。

2.3 分类汇总

从图1可以看出，接地联结由接地汇流排、接地汇总板及接地线组成。工作接地汇流排通过接地分干线接至工作接地汇总板。保护接地汇流排通过接地分干线接至保护接地汇总板。工作接地在工作接地汇总板之前不应与保护接地混接。若工作接地和保护接地过早相连，容易将保护接地回路中的干扰引入工作接地回路，影响仪表自控系统的正常运行。

3 接地方法

3.1 保护接地

低于36V供电的现场仪表，可不做保护接地，但有可能与高于36V电压设备接触的除外。

当安装在金属仪表盘柜上的仪表与已接地的金属仪表盘柜电气接触良好时，可不做保护接地。

3.2 防静电接地

安装自控系统等设备的控制室、机柜室、过程控制计算机的机房，应做防静电接地。这些室内的导静电地面、防静电活动地板、工作台等应做防静电接地。

已经做了保护接地和工作接地的仪表和设备，不必再做防静电接地。

3.3 防雷接地

控制室内的所有金属结构、管道、支架、金属活动地板等应进行等电位连接，并采用导线或直接与接地连接体连接，以消除雷电对仪表自控系统的电容性耦合干扰。

仪表电缆的选型和敷设应能使电缆具有双层屏蔽效果。电缆内层屏蔽和外层屏蔽的界定可参考文献[3]。内外屏蔽层应全程电气导通，内屏蔽层一端接地，以消除雷电引起的电容性耦合干扰；外屏蔽层应至少两端接地，以消除雷电引起的电感性耦合干扰。

浪涌保护器是保护仪表不受雷电电涌电流冲击的有效措施之一，但不应以设置浪涌保护器来代替防雷工程。浪涌保护器需接地，信号浪涌保护器的接地线接至机柜的工作接地汇流排，电源浪涌保护器的接地線接至配电柜的保护接地汇流排。

3.4 回路接地

回路接地的原则是单点接地，防止不同接地点的地电位不均等形成地回路从而引入干扰。

回路接地一般是在控制室侧机柜内将电源公共端接至机柜的工作接地汇流排上。对于需要在现场接地的现场仪表，应在现场侧通过仪表接地端子接至电气接地网。而需要在现场接地同时又要在控制室内接地的，应将两个接地点之间做电气隔离防止形成地回路。

3.5 屏蔽接地

这里的屏蔽接地仅指屏蔽电缆的屏蔽层和排扰线的接地，原理上与防雷接地中的内屏蔽层相同。屏蔽接地的原则也是单点接地以消除电容性耦合干扰。

屏蔽接地的做法与回路接地一致。屏蔽接地应保持屏蔽层的全程电气导通，当现场设接线箱时，屏蔽层需在接线箱内跨接。

3.6 本安接地

因为隔离式安全栅不做本安接地，齐纳式安全栅需要做好接地措施才能满足本安要求，增加了设备和施工的费用，所以实际工程中普遍采用隔离式安全栅。

4 注意事项

4.1 与电气专业的配合

实际工程设计中需要仪表专业和电气专业紧密配合，若仅关注仪表自控系统本身的接地而忽略电气接地系统，往往会引发意想不到的后果。

仪表专业向电气专业提用电条件时，应要求控制室用电采用TN-S系统，以尽量减少因电源故障对仪表自控系统的干扰。

仪表自控系统的接地点应与电气防雷引下线或大电流高电压设备的接地点保持足够的安全距离，以减少大的泄放电流通过仪表接地点窜入仪表自控系统。

4.2 接地电阻值的要求

虽然共用接地装置在抗干扰和安全保护上有诸多优点，但也存在一个问题，那就是地电位上升。在共用接地系统中，若有一个设备发生接地电流I，就会流入大地。因为接地极的阻抗RG，造成各设备接地点处的电位上升为U（U=IRG），波及到共用接地的其它设备。为了减少这种影响，接地电阻值RG应足够小。文献[1-2]规定仪表自控系统接地电阻值不应大于4Ω。但GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》第10.2.1条规定：火灾自动报警系统接地装置采用共用接地装置时，接地电阻值不应大于1Ω。为了满足GB 50116的要求，仪表自控系统的接地电阻也应要求不大于1Ω。

4.3 工作接地的连接方式

在接地标准中强调不同用途的接地系统要分类汇总，不能发生混接。实际工程中，有些施工人员虽已将保护接地和工作接地分开，但将各机柜工作接地汇流排之间用接地线相连后再接至工作接地汇总板，形成所谓的“菊花链”串接方式。因为接地线存在阻抗，各机柜相对接地点的基准电压不同，使各机柜的接地电流通过地线阻抗而产生耦合干扰，所以不推荐使用。正确的做法是每个机柜工作接地汇流排单独用接地线接至工作接地汇总板，各机柜相对接地点的基准电压都是一样的，减少了因接地电流引起的电路间的耦合。

4.4 接地线的颜色

文献[1]规定仪表接地系统的标志颜色为：保护接地的接地线为绿色，工作接地的接地线为绿黄色。而GB/T 6995.4-2008《电线电缆识别标志方法》第4部分：电气装置电线电缆绝缘线芯识别标志中规定：无论采用颜色标志或数字标志，电缆中的接地线芯或类似保护目的的用线芯，都必须采用绿/黄组合颜色的识别标志。

工程实际中，电气专业的保护接地线也为绿黄色。为了不违背国标规定及避免与电气专业保护接地线混淆，工程实际中仪表接地系统的保护接地线和工作接地线都选用绿黄色。

5 结束语

仪表自控设计人员应深入研究标准规范，理解不同接地的抗干扰原理和实施方法，同时与电气、土建等相关专业密切沟通，正确合理地设计仪表自控系统接地，减少系统干扰，保证仪表系统安全可靠运行；避免因设计不合理造成仪表系统运行不稳定和安全事故。

参考文献

[1]李涛，陈鹏，王华，等.HG/T 20513-2014仪表系统接地设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014.

[2]叶向东，恽春.SH/T 3081-2003石油化工仪表接地设计规范[S].北京：中国石化出版社，2004.

[3]叶向东，徐义亨，欧清礼，等.SH/T 3164-2012石油化工仪表系统防雷设计规范[S].北京：中国石化出版社，2013.

[4]林维勇，黄友根，焦兴学，等.GB 50057-2010建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[5]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2000.

[6]徐义亨.工业控制工程中的抗干扰技术[M].上海上海科学技术出版社，2010.

[7]王厚余.试论等电位联结的应用[J].建筑电气，2011（10）：3-6.

[8]苏雪峰.仪表及控制系统接地设计工程评析[J].石油化工自动化，2012（8）：15-18.