火力发电厂DCS接地系统的设计

柳 华 陈西杰

（国核电力规划设计研究院，北京 100094）

1 引言

目前火力发电厂自动化程度日益提高，计算机监控系统的应用越来越普遍，分散控制系统（DCS）在国内各电厂中已得到广泛应用，并取得了良好的效果。为了保证DCS系统的监测控制精度和安全、可靠运行，必须保证DCS系统有可靠的接地系统。本文按照热工自动化对计算机系统接地设计的要求和设计规范，分析了电厂由于接地问题引起仪表不能正常工作、系统停运的典型案例。重点分析了计算机系统的接地目的、类型、接地的设计流程和设计过程中需要注意问题等方面，给出了大型机组的典型设计方案。

2 DCS接地的目的及分类

DCS接地系统是保证电厂DCS安全可靠运行不可缺少的条件，而且也是避免人身伤害或设备损坏的重要手段。

接地又可分为保护接地和工作接地和防雷等[1-2]。

2.1 保护接地

保护接地的主要目的是保证人身和设备的安全，当电气设备的金属外壳由于进线电源绝缘被损坏，有可能带上危险相电压，若无保护接地，人触及则形成与地通电，危及人身。为了防止这种危险电压危及人身和设备安全，对电气设备的可能接触到的金属部位（如机柜外壳、元件外壳等）采取接地。

采用保护接地措施，它一方面降低接触电压，将电器设备的机架、机壳和走线架等金属部分与大地间的电压降到允许的数值，另一方面降低了跨步电压，使电气设备与大地表面存在的电位差降低。当故障电流流入大地上层时，其扩散能力最小。

2.2 工作接地

工作接地为了保证进入DCS系统的各种信号不受或少受外界干扰而采取的接地。不同文献中对工作接地的分类和表述不同，一般分为逻辑地、信号地、系统地和屏蔽地。

接地系统能够为DCS提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整个控制系统提供公共信号参考点（即参考零电位）。

（1）逻辑地

逻辑地也叫主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等电源的输出地。

（2）信号地

信号地也叫信号回路地，是现场返回信号的负端。当DCS给现场提供24V DC时，且AI、AO为非隔离式，信号地就是系统地。当由其他设备提供电源时，根据信号源原理决定是否接入公共接地极。

（3）系统地

系统地也叫系统基准地，通常也是系统电源地，是为DCS信号提供的一个基准点。在DCS中系统地就是给模件供电的24V DC或5V DC的电源地。对于通道隔离的I/O模块应用场合，它与信号地是有区别的，因为两者没有电气联系。系统地接地比较复杂，一般要考虑如下几种情况：①信号在现场侧已经接地的情况；②系统I/O的输入、输出在现场接入同一装置（而装置的电路原理不明确）的情况。

（4）屏蔽地

屏蔽地也叫模拟地，是为了避免电磁场对仪表和信号的干扰而采取的屏蔽网接地。电缆屏蔽层必须一端接地，以防止形成闭合回路干扰。

2.3 防雷接地

防雷接地是当系统受到雷电袭击时防止造成损害的接地系统。

当接地系统发生问题时，例如：接地电阻过大，二（多）点接地，接地线断线或者接地线与高电压、大电流设备相接触等，都会造成人身伤害或设备的损坏。

3 接地不当引起热工系统异常的事例分析

2000年4月，安顺电厂1号机组由于DCS系统6号柜接地线松动，导致机组停运[3]。在6号端子柜DI输入信号中，接有一次风机A、一次风机B、送风机A、送风机B、引风机A、引风机B跳闸信号，受到交流干扰引起输入端子电压降低时，以上这些DI输入均为“1”，根据保护逻辑，2台送风机或2台引风机停运都要引起MFT动作，这就是MFT动作的原因。

1997年夏季妈湾电厂4号机组投产调试时出现了DCS系统模拟量信号大范围波动现象，严重影响了安全生产[4]。4号机组DCS系统模拟量信号大范围波动，说明计算机控制系统受到严重的电噪声干扰。解决干扰的重要手段和最有效的措施是计算机系统接地和采用屏蔽技术。

北仑发电厂1号机组DCS改造时，分散控制系统OVATION上电后不久，发现在600多个热电偶信号中大约有200个信号会在白天大幅跳跃，而到了晚上跳跃幅度则会小很多。经过分析检查，发现这些热电偶的负端在现场都接地。根据OVATION热电偶模件的结构，其负端在DCS侧也接地，由此造成测量回路的二端接地。由于现场的地与DCS的地之间存在电势差，且这个电势差不稳定，白天现场施工人员比较多，电动设备的起停比较频繁，因此导致了热电偶信号的跳跃且白天和晚间跳跃幅度有所不同。

4 接地系统的设计方案

DCS系统的各电子机柜中应设有独立的安全地、系统地、屏蔽地和防雷接地等。除防雷接地外，其他接地一般可与电气接地网共地。不同性质的地用分干线接入各自的汇流板（或者直接接入总的汇流板），各汇流板用总干线接入公共接地极（网），在最终处汇入一点接地，可直接接到接地电阻小于4Ω的电厂电气接地网上[1，5]。DCS厂家一般在出厂时在控制柜底部装设一根接地铜条，控制站内部的安全地、信号参考地、屏蔽地三地都连接在该铜条上。操作员机柜、打印机等均应接保护地。DCS系统的总结汇流铜排应置于防护的总接地箱中，总接地箱可设置在集控室下的电缆夹层中。DCS系统接地总示意如图1所示。

图1 DCS系统接地总示意图

其中，AG为屏蔽接地和系统地，CG为保护接地。

4.1 控制站接地

控制站机柜的底部装有一根接地汇流铜条[5]，控制站内部的安全地、信号参考地、屏蔽地三地都连接在该铜条上，如图2所示。

图2 控制站机柜接地示意图

4.2 操作台接地

操作台底座安装有一根接地汇流排，安全地即外壳连接到此汇流排上，它的任何金属部件应和大地处于浮置状态，以利于系统的一点接地，如图3所示。

图3 操作台及部分远程IO柜接地示意图

4.3 远程IO柜接地

如果系统的通信线路上无电气隔离装置，远程站（控制站、操作站）的工作接地汇流排应汇总到控制系统的工作接地汇总板上；保护接地汇流排汇总到就近的电器保护接地上。如果系统的通信线路上设有电气隔离装置，远程站的工作接地汇流排和保护接地汇流排应汇总到就近的总汇流接地铜排（如吹灰动力远程IO柜的接地）或就近全厂接地网，如图4所示。

图4 远程IO柜接地示意图

同一个DCS系统中，所有网络节点的系统地必须同地，以满足系统内直流地的等电势要求。系统内的三地必须最后汇流到同一个接地点上，而这个接地点接地电阻应足够小，以保证有效地快速消除干扰。

5 接地汇流铜排及接地线要求

（1）接地的连线应当采用多股铜芯绝缘电线，在接至接地汇总板之前，各接地线、接地汇流排除正常的连接点外，都应当是绝缘的。

（2）接地线需使用带绝缘的导线，尽可能选的短、粗、扁。

（3）接地线截面的选择基于DCS制造厂家技术资料要求。

（4）接地线与接地铜牌采取永久牢靠的接线方式，线鼻子压接后再焊接[6]。

（5）接地点周围15m半径内无6kV电气设备。

6 设计过程注意问题

根据所了解现场运行中DCS接地系统存在的问题和生产运行的经验，设计过程严格按厂家规范执行，避免易忽略的问题。

（1）避免两点接地

在输入DCS的信号中，有的因测量元件的特性使信号回路的信号源存在接地点，如通常测量金属壁温度的热电偶和开关量信号中的电接点水位的电极等。而通常传输信号的电缆屏蔽层要求单点接地，这样就有可能因屏蔽层与信号源的两点接地产生干扰。要防止信号回路的两点接地，一者选择能与大地隔离的测量元件（如选择与套管绝缘的热电偶元件）；对于测量需要必须接地的测量元件（如为减少误差焊于管道的测量金属壁的热电偶）或已经使用接地的信号源元件，应将屏蔽层接地点改在信号源侧接地，以减少地电位差。

（2）屏蔽电缆接地

当屏蔽电缆途经接线盒或中间端子柜分开或合并时[1]，应在接线盒或中间端子柜内将其两端电缆的屏蔽层通过端子连接。

7 结论

安顺电厂接地线松动的问题可以通过施工时严格遵守安装规程避免；对于夏季妈湾电厂的电磁干扰问题，最有效的方法就是信号线采用屏蔽电缆，并且要屏蔽层一端可靠接地；北仑电厂的地电位差问题同样可以通过屏蔽电缆一端接地解决。

DCS接地直接影响电厂DCS的可靠运行，但接地问题又较复杂，许多故障现象都可能是接地不好引起的。目前不同的DCS厂家对接地系统的要求和接法也不尽相同，许多问题有待进一步深入探讨，需要我们总结现场问题，提出更好解决方案。

[1] DL/T 5182-2004.火力发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定[S].中华人民共和国电力行业标准.

[2] 华东六省一市电机工程(电力)学会.热工自动化[M].北京:中国电力出版社,2006.

[3] 陈旭.一次DCS系统接地线松动的分析[J]，电力安全技术,2002(8):38.

[4] 吴唯质,成胜昌,袁文重,肖凌涛.妈湾发电总厂4 号机组DCS 系统模拟量信号大范围波动分析处理[J].热力发电,2002 (1):40-41.

[5] DL/T 1083-2008.火力发电厂分散控制系统技术条件[S].中华人民共和国电力行业标准.

[6] DL/T 5190.5-2004.电力建设施工及验收技术规范 第5部分: 热工自动化[S].中华人民共和国电力行业标准.

[7] GB50174-93,电子计算机机房设计规范[S].中华人民共和国国家标准.