浅谈仪表系统接地及安装

2017-12-29张红霞

石油化工自动化 2017年6期

关键词：屏蔽仪表电缆

张红霞

(中石化第十建设有限公司，山东青岛 266555)

浅谈仪表系统接地及安装

张红霞

(中石化第十建设有限公司，山东青岛 266555)

仪表系统存在的绝缘强度低，过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等不足之处，严重影响仪表设备的正常控制。为确保生产装置安全运行，仪表系统的正确接地也很重要，分别介绍了保护接地、工作接地和防雷接地3种仪表系统接地技术，阐述了接地连接方法、接地体的设置、接地连接线的要求，针对仪表系统接地安装应注意的问题作出了具体说明，同时就仪表系统安装质量问题提出了一些参考建议。

仪表系统保护接地工作接地屏蔽接地本质安全接地

随着科学技术的不断进步，仪表系统的智能化也快速发展，石油化工装置对仪表设备的运行要求也越来越高。而仪表设备仍然存在绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，如果仪表设备受到强电干扰，将严重影响仪表设备的正常控制和安全运行，导致仪表设备控制失效或仪表设备永久性损坏，严重时还可能造成装置停车、人员伤亡等生产事故。为了避免因仪表接地错误产生的潜在的不安全因素，确保生产装置正常安全运行，仪表系统接地的设计、安装质量就变得尤为重要。本文针对仪表系统接地的作用、分类及常用的接地方法等问题进行了讨论、分析和说明。

1 仪表系统接地

接地技术不仅用来对人和设备进行保护，也是一种重要的抗干扰技术。可以通过接地将干扰电流引入接地体内，从而抑制或消除干扰。仪表系统接地按用途和作用不同，可分为保护接地、工作接地和防雷接地。对于装有安全栅等防爆措施的系统，如化工行业所用的系统，还要求有本质安全接地。

1.1 保护接地

保护接地，是保证仪表、电气设备及人身安全所需的接地，就是将仪表设备或系统不带电的金属部分与接地体之间做良好的金属连接。正常情况下，仪表或系统设备的金属外壳和正常不带电的金属部分为防止绝缘部分破坏而带危险电压时都要做保护接地。如:仪表盘、仪表柜、仪表箱、DCS/PLC的机柜、操作站仪表供电设备、电缆桥架、穿线管、接线盒及铠装电缆的铠装层，以及控制室内的防静电地板。如果保护接地良好，就可以避免触电事故，当出现某意外事故时,就必然出现较大接地电流,保护接地能大幅降低人身承受的接地电压,因此不会产生设备损坏及电击致命的严重后果。

同样现场仪表桥架、穿线管应每隔30 m与已接地的金属构件相连。一般来讲，使用直流24 V的现场仪表、变送器等无特殊要求的可不作保护接地。控制室的仪表自控设备、机柜、仪表盘等应单独设置保护接地汇流排，接至厂区电气专业接地网，接地电阻小于4 Ω。

1.2 工作接地

将系统中的某一点，通常是中性点，直接或经特殊设备与大地作金属连接，称为工作接地。工作接地包括:信号回路接地、屏蔽接地、逻辑接地和本质安全接地。

1.2.1信号回路接地

信号回路接地一般有2种情况，一种是仪表设备本身结构形成的事实上的信号回路接地。例如:为减少测量滞后而采取热电偶与金属套焊接在一起的接地型热电偶;另一种是为了达到抑制干扰信号的目的所要求的接地，在保证单点接地情况下,共模干扰可被有效抑制。为抑制干扰而使信号回路接地，即信号公共端接地。

1.2.2屏蔽接地

屏蔽不但是仪表和控制系统防范和抵御电磁干扰的重要方法，也是减少雷电电磁影响的重要措施。屏蔽层要起到屏蔽作用就必须接地，如果仪表系统中仪表及信号线要求接地，应注意将仪表上屏蔽接线端子、信号线屏蔽层及未作保护接地但仍要起静电屏蔽作用的导线管、汇线槽，仪表外壳进行正确可靠接地。

1.2.3逻辑地

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+5 V等的电源输出地。如CPU的±5 V、±12 V的负端，需要接入公共接地极。

1.2.4本质安全接地

本质安全接地应独立设置接地系统，接地电阻不大于4 Ω。本质安全接地系统应保持独立，与厂区电气接地网或其他仪表系统接地网的距离应在5 m以上。

本安仪表系统接地除了具有抑制干扰的作用外，同时也是保证仪表系统本质安全防爆的措施之一，抑制作用如上文所述，在此重点介绍防爆作用。本安系统主要是借助安全栅将进入危险场所的能量限制在安全限额以内。对隔离型安全保持器就是在整个仪表回路中采用隔离变压器把危险侧信号和安全侧进行有效的电流隔离,对非隔离型，则采用齐纳二极管反向击穿特性进行安全保护，而对于现场侧接地与控制室一侧安全栅端子的等电位需采取专门措施予以保证。目前有2种通用方法，一种是限制接地电阻办法，就是要求接地系统保持独立，并且接地电阻不大于4 Ω，目前多采用该方法。另一种是等电位连接办法，就是将现场接地线直流电源负端以及仪表系统接地端都压接到符合要求的保护接地干线上，以保证本质安全仪表系统所有接地的电位平衡。

本质安全仪表系统在安全功能上必须接地的部件，应根据仪表制造厂的要求作本安接地。如齐纳安全栅的汇流排必须与直流电源公共端相连，该措施主要是保证当电源故障时能够对危险场所进行保护。其汇流排或导轨作本质安全接地。

信号回路只有一个接地点，不能有一个以上接地点，如果出现多个接地点就难免产生电位差，产生共模信号干扰电流造成对仪表信号的干扰。但究竟在现场还是控制室接地，宜根据控制系统仪表类型和线路组成来定。对于控制系统而言一般采用控制室一侧接地，对于信号线屏蔽层接地也只能有一个接地点，且应与信号回路在同一侧接地，其作用是为了消除屏蔽层和信号线间的分布电容所形成的阻抗不高的回路，避免由此引起的共模干扰。

1.3 防雷接地

为把雷电电流迅速导入大地以防止雷害为目的的接地叫作防雷接地。仪表防雷是综合防护工程，需要采用多种防护方法和措施，本文不详细赘述。

仪表系统防雷工程的主要内容是对电涌电流和电磁场的防护，无论是现场仪表还是控制室仪表，都应在电气专业的直击雷防护范围内，避免现场仪表成为接闪设备。防雷接地必须采用等电位连接方式，现在中国国内几家大型石油化工工程公司，均提倡在装置中采用等电位连接的防雷接地系统。等电位连接网络的结构形式有S型、M型以及2种结构形式的组合，仪表系统属于低频小信号系统，采用“单点接地方式”，因此，相关设计规范规定仪表系统防雷工程的接地连接宜采用S型网络的结构形式。

2 接地系统的连接方法

2.1 接地连接方法

在国内石油化工装置中，技术人员接触较多的仪表系统的接地连接方法主要有浮地、多点接地2种方法。

1) 浮地。是指仪表的工作地与建筑物的接地系统保持绝缘，这样建筑物接地系统中的电磁干扰就不能传导到仪表系统中，地电位的变化对仪表系统也无影响。其缺点是电路易受寄生电容的影响，使电路的地电位变化且增加了对模拟电路的感应干扰；由于该方法的接地与大地无导体连接，易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰。因此，浮地的效果不仅取决于浮地的绝缘电阻的大小，而且取决于浮地的寄生电容的大小和信号频率。

2) 多点接地。是指仪表、控制系统等设备的工作接地与保护接地分开，这种接地方式的突出优点是可以就近接地，接地线的寄生电感小。但是如果较强的雷电波通过保护地进入系统，电子电路同样会因承受高压而损坏。

由于多雷电地区石油化工装置的防雷要求越来越高，以上2种接地方式都不能满足防雷的需要。因此，可以考虑将保护地与工作地相连接，并且接入防雷接地系统，问题就可以解决了。控制室的防雷接地、防静电接地、电气设备的保护接地、仪表系统工作接地、屏蔽接地、电涌防护器接地等共用接地装置，如图1所示。

图1 仪表接地系统示意

2.2 接地体的设置

接地体的设置应参照《全国通用电气安全标准图、接地装置安装》[1]，也应考虑现场具体情况选用。要求保护接地和工作接地必须独立设置，但保护接地是否能同电力系统接地相连接，需要视情况而定。

下列情况应单独设设置仪表接地体:土壤电阻率较高，接地电阻达不到规定要求的场所；周围环境有较严重电磁干扰的场所；所采用的仪表对噪声敏感；所有仪表远离电力系统接地网。

系统保护接地电阻值宜为4 Ω，最高不超过10 Ω，而土壤电阻率较高难以实现该数值时可以适当提高接地电阻值或加降阻剂。一般要求如下:工作接地电阻应在1～4 Ω；当设置防雷系统时，接地电阻应小于1 Ω；DCS，PLC等控制系统接地应小于4 Ω；接地板间距离应大于5 m。

2.3 接地连接线要求

保护接地线分支线应采用多股铜芯电缆或电线。单体仪表的接地线截面积为2.5 mm2，机柜间的接地干线截面积为4～16 mm2，连接总接地板的接地干线截面积为10～25 mm2。连接室外接地装置的导体应采用带绝缘的热镀锌扁钢或铜材，也可以采用截面积为16～50 mm2多股铜芯电缆。

埋地接地干线卡采用有效截面积的扁钢或铜包圆钢焊接，接头采用搭接。采用扁钢搭接时，搭接长度为扁钢宽度的2倍；采用圆钢搭接时，搭接长度为圆钢直径的6倍。接地汇流排应采用铜排，并用绝缘支架隔离。

3 仪表系统接地安装应注意的问题

1) 接地电缆压接时，应当保证压接可靠；若采用焊接时，焊接处应采取防腐蚀措施。目前，铜包钢接地线使用广泛，焊接时，必须严格按厂家的要求使用专用磨具、焊药，确保焊接质量。

由于采用高温焊接，焊接质量可以采用目测的方式进行检查，主要项目为焊接物的大小、颜色、表面光洁度和气泡等。

a) 大小。焊接范围导线没有大量的暴露。焊渣清除后，水平连接的冒口不低于导线的顶端。

b) 颜色。接头正常的颜色是金黄色至青铜色, 接头表面应该平滑，没有大块焊渣存在。如果接头表面有20%的焊渣，或焊渣清除后有导线暴露，接头报废。如果接头的表面有小孔，其深度一定不能延伸至导线的中心。

2) 电缆屏蔽线接地时，许多施工单位为了保证接线外观美观，常常将屏蔽线从电缆头处剪断，然后压接专用接地线。笔者认为，这样做虽然美观，但同时也带来了隐患。如果压接不牢，就会形成屏蔽线两端浮空的情况，从而产生干扰信号。将屏蔽线绝缘，直接接到相应的汇流条是比较稳妥的做法。

3) 当采用铠装电缆时，铠装层两端应进行保护接地。GB 50093—2013《自动化仪表工程施工及质量验收规范》[2]对此做了明确的规定。

目前仪表施工中，有些分包商仪表工仍然用一般屏蔽电缆的接线方法，进行铠装电缆的接线，导致仪表侧铠装层浮空。因此，现场仪表工程师应当对分包商做详细的技术交底。

4) 当控制室、机柜室内的接地干线采用扁钢时，应绝缘到接地装置连接点。文献[2]中10.2.17条有规定，一般可以采用热缩套管绝缘。

5) 控制室、机柜室内接地线、电缆较多，仪表工作地和保护地的支线最好用黄色和绿色加以区分，这样便于在接地系统施工完毕后进行检查确认。

6) 各接地支线、汇流排或端子板之间在非连接处应彼此绝缘。接地电缆应敷设整齐美观，在接地电缆两端应用电缆牌或贴纸标清电缆的起始，便于后续检查和施工。

7) 必须按规定进行接地系统的电阻测试，以保证接地能满足控制系统制造商的要求。测试时，应通知监理到现场。如果达不到系统要求，必须及时联系设计人员，采取相应的降阻措施。用接地电阻测试仪测量接地电阻，接地电阻值应符合下列规定:

a) 仪表系统保护接地电阻值宜为4 Ω，最高不宜超过10 Ω。

b) 当设置有高灵敏度接地自动报警装置或接地自动切断装置等情况时，接地电阻值可大于10 Ω，但不应超过100 Ω，当设置有防雷系统时，接地电阻不应大于1 Ω。

c) 工作接地和屏蔽接地应小于10 Ω，DCS，PLC，PCS系统接地电阻应小于4 Ω。

4 结束语

仪表系统接地安装质量关系到整个仪表系统运行，而仪表又是生产装置的大脑和眼睛，因此在今后的仪表系统接地安装工作中，技术人员应当仔细研究设计图纸，充分了解设计意图。施工过程中，严格按照设计图纸和相关规范标准的要求对施工人员进行详细的技术交底。质量工程师也应当在现场监督整个安装过程，确保安装质量符合设计及规范标准。

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