仪表系统接地在施工中的常见问题

2017-04-20陈鹏飞曲国瑞

设备管理与维修 2017年11期

关键词：分布电容屏蔽仪表

陈鹏飞，刘波，汪帅，曲国瑞

（中国石油天然气第七建设有限公司，山东青岛 266300）

1 接地的分类

1.1 保护接地

各种用电设备的金属外壳正常情况下不带电的金属部分，由于非正常现象的出现（如绝缘破坏）成为带电体，而有可能使其带有危险电压，威胁人身安全和设备的安全运行，因此必须将金属外壳和大地之间做好良好的连接叫保护接地。

1.2 工作接地

仪表及控制系统为了抗干扰，确保正常稳定的运行，应做的接地叫工作接地。

1.3 屏蔽接地

屏蔽接地也叫模拟接地，它的作用是防止外部高频电磁干扰信号对设备内部电路信号产生影响，把现场所受到的干扰屏蔽掉，以提高信号精度。

2 干扰源及接地对抑制干扰的作用

随着电动Ⅲ型仪表和分散控制系统（DCS）及自保逻辑控制系统（PLC）的应用，干扰的来源主要有：①空间辐射的干扰。②信号线引入的干扰。③接地系统混乱的干扰。④仪表供电线路引入的干扰。⑤来自计算机系统内部的干扰。抗干扰措施有隔离、屏蔽、双绞线、滤波和接地等。

3 施工中的问题

施工中常会遇到一些接地问题，比如由于对有些接地方式对系统所产生的影响认识不够，因而采用一些不规范或不符合要求的接地方式。下面举例分析，并同正确接地方式进行对比。

3.1 系统串联接地方式（图1）

图1 系统串联接地方式

假设1#柜（盘）产生一个干扰电流I1，这个干扰电流经r1，r2…rn流入大地，这样在每个机柜（盘）的接地处就产生一个附加电位，如在 2#柜（盘）U=Ir1，在 n#盘为 U＝（Ir1+r2+…+rn－1），从而造成各柜（盘）间的基准电压不同，由于仪表接收的都是（4～20）mA系统信号，所以对测量影响很大（图1a）。这在控制系统中是不允许的，而且这种干扰是随机的，没有办法消除。正确接法见图1b。各接地分干线到汇流铜板间尽量短，并且要求用截面积较大铜导线（一般25 mm2），这样各柜到汇流板之间电阻很小，而且假如1#柜产生干扰电流I1，则在汇流板上形成的电压U＝I1r1，要比串联在各柜间产生的电压小很多，而且各基准电压相同，如干扰是持续存在的，可通过经验法消除。

3.2 屏蔽层不接地

屏蔽层能防止电场的干扰，抑制共模干扰，但有时施工人员对屏蔽层接地认识不够，要求不严格，认为不接地也可以起到抗电磁干扰作用，以下分析两种情况。

（1）如导线1为信号干扰源，导线2对大地电阻可认定是无穷大，且设有屏蔽层，当屏蔽没有接地时，屏蔽与信号干扰源有分布电容的存在（图2）。在屏蔽层上会感应有电压es＝C1Se1（/C1S+CS），由于导线2与屏蔽层之间存在有电容C2S，在C2S上无电流存在，所以导线2感应电压ec＝es。

（2）如果把屏蔽层接地（图3），es＝0，导线 2上感应电压也减小到接近于零。实际上导线一般总要引出屏蔽层，导线1和屏蔽的导线2之间有电容e2存在（如果屏蔽层为编织网，则导线1经屏蔽层网孔而与导线2所形成的电容也包括在其中），导线2与地之间存在电容C2G，则在导线2的感应电压为 ec＝C12e1（/C12+C2G+C2S），当导线 2 对地电阻为有限值时，且 R<<1/jω（C2G+C2S）时，耦合至导线 2的干扰电压ec＝jωRC12e1。因此采用屏蔽层后，应该使 C1（2干扰源导线之间）大大减小，从而使干扰电压ec大大减小。屏蔽层必须接地，否则对减小感应电压没有效果。

图2 屏蔽层未接地

图3 屏蔽层接地

3.3 屏蔽在信号电缆的两端同时接地

信号电缆在控制装置之间的接地端应为对地电容大的一端，因此信号电缆对地分布电容能相应减少影响。通常在控制室侧接地。有时屏蔽层室内接地作好了，而室外一次表处由于电缆头的屏蔽网没有处理好，有同仪表外壳接触而形成接地的现象，在绝缘性能较差大功率用电设备附近时一旦两处接地形成较大电位差，屏蔽层内便会形成回路，产生电流i，屏蔽层虽是金属网，但仍有一定的电阻，而地电阻通常比它还小，因此便会有电位梯度在屏蔽层上形成，此处的电位梯度又会同信号导线与屏蔽层间的分布电容C1C2耦合到电路上去（图4），这样形成的干扰往往超过有用信号的许多倍，所以信号导线的屏蔽层必须单点接地。施工中，室外屏蔽网切断处应用塑料带包好，可避免此现象的产生。

3.4 个别盘工作地造成浮地

图4 同时接地屏蔽在信号电缆两端

系统接地通常有浮地、直接接地和电容接地等3种方式。由于规模较大的DCS的浮地方式具有较大的分布电容，真正悬浮的实现是相当的不容易。当基准电位受干扰时，由于对地分布电容所形成的位移电流则会使控制系统的正常工作状态受到影响；当增大该DCS的规模时，会使对地电容增大，位移干扰电流增加，而给系统引入干扰。因此，通常采取直接接地方式。以前遇到过这种情况，两个仪表盘间的基准零电位之间有几伏的电位差，究其原因是施工中将其中一块仪表盘的接地浮空，没和接地汇流排接（图5）。由于1#盘24 V负接地而2#盘没接，这样由于接地电阻的作用，如在A处形成电压U1＝I1R，而B处U2为0，因此在AB间形成附加电流，从而对2#盘仪表形成共模干扰，造成测量精度下降。如果正确接地，则可避免产生这个共模干扰。

图5 个别盘工作地造成浮地

3.5 特殊要求的屏蔽接地

有些仪表的屏蔽接地有特殊要求。如本特利的振动位移显示仪表要求电缆屏蔽必须单独接到该表指定接地点，而不能与其他电缆屏蔽接到一起。这样可避免引入对测量造成影响的干扰信号。施工中必须注意这些仪表的接地方式的特殊要求。

3.6 接地电阻不满足要求

对每套系统来说，保护接地、工作接地都有一个规定的接地电阻上限，如Foxboro的I/A系统，要求接地电阻<1 Ω。做接地体时必须满足设计要求，而且还要考虑其他因素的影响，否则会影响系统的正常运行。某装置发现过这样问题，施工时接地电阻测试符合设计要求，但开车后一段时间，就出现了问题，最后分析原因，可能接地电阻不满足要求，果然经测试接地电阻不满足要求，变大了。接地电阻受接地体所处土壤的环境、气候变化和测试时天气等环境的影响，如果在夏季施工，由于雨水大，接地电阻满足要求，但到了秋、冬季，土壤干燥，接地电阻超过了设计值。所以施工中，一定考虑这些因素的影响，才能保证系统的正常运行。