儀表自控系統的接地工程設計

董進泉

摘 要：文章闡述了儀表自控系統接地的分類及主要原則。參照相應標準規范，介紹了不同類型接地在工程中的實施方法。結合工程實際經驗，就設計人員在接地工程設計中易出現的錯誤和注意事項給出了建議。

關鍵詞：儀表接地；等電位連接；屏蔽；抗干擾

接地是儀表自控系統工程設計的重要環節，合理的接地系統是儀表自控系統安全可靠運行和操作人員人身安全的保障。本文從設計人員的角度，通過對國標及行業規范的解讀，結合工程經驗，對儀表自控系統接地的工程設計方法及注意事項進行了闡述。

1 接地分類

儀表自控系統接地按其作用分為安全接地和工作接地兩大類。安全接地用于保護人身安全和設備安全，其包括：保護接地、防靜電接地、防雷接地。工作接地是為了保障儀表及控制系統的正常工作，其包括：回路接地、屏蔽接地和本安接地。

1.1 安全接地

保護接地是將用電儀表及設備正常時不帶電的金屬部分用接地線與大地相連。當發生某些故障時，會造成這些正常時不帶電的金屬部分帶危險電壓，而保護接地線可以將這些危險電壓迅速導入大地，避免人員觸電和對用電設備造成損害。此外，保護接地還可以防止靜電的積聚。

防靜電接地是將帶靜電物體或有可能產生靜電的物體通過接地線與大地相連，防止靜電電流竄入儀表及控制系統對人員和設備造成直接傷害和電磁干擾。

防雷接地是將雷電產生的雷電浪涌通過接地線導入大地、防雷接地包含外部防雷接地和內部防雷接地。外部防雷由電氣專業負責，不在本文討論范圍之內。內部防雷接地包括電纜屏蔽的接地、機柜的屏蔽接地、浪涌保護器的接地等，由自控儀表專業負責。

1.2 工作接地

回路接地是指在自動化系統和計算機等電子設備中，非隔離的信號需要建立一個統一的信號參考點并做接地，通常為直流電源的公共端。

屏蔽接地是將電纜的屏蔽層、排擾線、儀表的屏蔽接地端子做接地以消除電磁干擾。還有一種屏蔽接地指的是控制室建筑物內的鋼筋、金屬門窗等連接起來，形成一個屏蔽網并接地，這種屏蔽接地由建筑專業負責。

本安接地是指本質安全儀表在安全功能上需要接地的部件應做接地。安全柵是設置在本安電路與非本安電路之間的限流、限壓裝置，以防止非本安電路的危險能量竄入本安電路。安全柵主要分為齊納式安全柵和隔離式安全柵兩種。齊納式安全柵應做本安接地，隔離式安全柵不需要做本安接地。

2 接地原則

自從我國引進和采用IEC接地標準，接地系統在概念和技術上發生了很大變化。以前的接地系統是否合格，以接地電阻值為準，現在側重于接地結構兼顧接地電阻值，特別是從獨立接地、聯合接地到采用共用接地網實現等電位連接方式的轉變。圖1為HG/T 20513-2014《儀表系統接地設計規范》中接地連接示意圖。

2.1 等電位連接

等電位連接是將廠區內各種金屬構件、金屬設施、金屬管道、金屬設備等導電物體用導線或導體實現導電連接，使各物體之間具有近似相等的電位。等電位連接減少了系統內各金屬部件和各系統之間的電位差。無論是從防雷的角度還是從減小控制系統的共模干擾來看，都是十分有益的。

從圖1可以看出，儀表自控系統在控制室內通過各接地線和接地匯流排來實現等電位連接。

2.2 共用接地裝置

儀表自控系統各接地部件實施等電位連接后，接地極的設置有單獨接地和共用接地兩種方式。

單獨接地是將儀表自控系統的安全接地接入電氣接地網，而工作接地則采用“獨立的”“干凈的”接地極與大地相連。獨立接地要求儀表工作接地極與電氣接地極之間保持足夠的極間間隔，防止電氣接地極上泄放大電流時對儀表接地極產生干擾，而工程實際中要找到足夠的接地施工空間是很難的。另外，不同接地極所在的大地之間可能因地電位不均等形成地回路，使儀表自控系統引入干擾。

共用接地是將儀表自控系統的接地極與電氣接地極共用。由于實現了等電位連接，各接地系統及金屬導體相對于接地極的基準電位是一致的，這樣減少了進入儀表自控系統的共模干擾。同時減少了接地極的數量，節省了設備和施工的費用。

文獻[1-4]都明確提出儀表自控系統的各接地部件采用等電位連接后與電氣共用接地裝置，國內外諸多大型石化項目都已證明采用此接地方式的儀表自控系統都能安全穩定工作。

2.3 分類匯總

從圖1可以看出，接地聯結由接地匯流排、接地匯總板及接地線組成。工作接地匯流排通過接地分干線接至工作接地匯總板。保護接地匯流排通過接地分干線接至保護接地匯總板。工作接地在工作接地匯總板之前不應與保護接地混接。若工作接地和保護接地過早相連，容易將保護接地回路中的干擾引入工作接地回路，影響儀表自控系統的正常運行。

3 接地方法

3.1 保護接地

低于36V供電的現場儀表，可不做保護接地，但有可能與高于36V電壓設備接觸的除外。

當安裝在金屬儀表盤柜上的儀表與已接地的金屬儀表盤柜電氣接觸良好時，可不做保護接地。

3.2 防靜電接地

安裝自控系統等設備的控制室、機柜室、過程控制計算機的機房，應做防靜電接地。這些室內的導靜電地面、防靜電活動地板、工作臺等應做防靜電接地。

已經做了保護接地和工作接地的儀表和設備，不必再做防靜電接地。

3.3 防雷接地

控制室內的所有金屬結構、管道、支架、金屬活動地板等應進行等電位連接，并采用導線或直接與接地連接體連接，以消除雷電對儀表自控系統的電容性耦合干擾。

儀表電纜的選型和敷設應能使電纜具有雙層屏蔽效果。電纜內層屏蔽和外層屏蔽的界定可參考文獻[3]。內外屏蔽層應全程電氣導通，內屏蔽層一端接地，以消除雷電引起的電容性耦合干擾；外屏蔽層應至少兩端接地，以消除雷電引起的電感性耦合干擾。

浪涌保護器是保護儀表不受雷電電涌電流沖擊的有效措施之一，但不應以設置浪涌保護器來代替防雷工程。浪涌保護器需接地，信號浪涌保護器的接地線接至機柜的工作接地匯流排，電源浪涌保護器的接地線接至配電柜的保護接地匯流排。

3.4 回路接地

回路接地的原則是單點接地，防止不同接地點的地電位不均等形成地回路從而引入干擾。

回路接地一般是在控制室側機柜內將電源公共端接至機柜的工作接地匯流排上。對于需要在現場接地的現場儀表，應在現場側通過儀表接地端子接至電氣接地網。而需要在現場接地同時又要在控制室內接地的，應將兩個接地點之間做電氣隔離防止形成地回路。

3.5 屏蔽接地

這里的屏蔽接地僅指屏蔽電纜的屏蔽層和排擾線的接地，原理上與防雷接地中的內屏蔽層相同。屏蔽接地的原則也是單點接地以消除電容性耦合干擾。

屏蔽接地的做法與回路接地一致。屏蔽接地應保持屏蔽層的全程電氣導通，當現場設接線箱時，屏蔽層需在接線箱內跨接。

3.6 本安接地

因為隔離式安全柵不做本安接地，齊納式安全柵需要做好接地措施才能滿足本安要求，增加了設備和施工的費用，所以實際工程中普遍采用隔離式安全柵。

4 注意事項

4.1 與電氣專業的配合

實際工程設計中需要儀表專業和電氣專業緊密配合，若僅關注儀表自控系統本身的接地而忽略電氣接地系統，往往會引發意想不到的后果。

儀表專業向電氣專業提用電條件時，應要求控制室用電采用TN-S系統，以盡量減少因電源故障對儀表自控系統的干擾。

儀表自控系統的接地點應與電氣防雷引下線或大電流高電壓設備的接地點保持足夠的安全距離，以減少大的泄放電流通過儀表接地點竄入儀表自控系統。

4.2 接地電阻值的要求

雖然共用接地裝置在抗干擾和安全保護上有諸多優點，但也存在一個問題，那就是地電位上升。在共用接地系統中，若有一個設備發生接地電流I，就會流入大地。因為接地極的阻抗RG，造成各設備接地點處的電位上升為U（U=IRG），波及到共用接地的其它設備。為了減少這種影響，接地電阻值RG應足夠小。文獻[1-2]規定儀表自控系統接地電阻值不應大于4Ω。但GB 50116-2013《火災自動報警系統設計規范》第10.2.1條規定：火災自動報警系統接地裝置采用共用接地裝置時，接地電阻值不應大于1Ω。為了滿足GB 50116的要求，儀表自控系統的接地電阻也應要求不大于1Ω。

4.3 工作接地的連接方式

在接地標準中強調不同用途的接地系統要分類匯總，不能發生混接。實際工程中，有些施工人員雖已將保護接地和工作接地分開，但將各機柜工作接地匯流排之間用接地線相連后再接至工作接地匯總板，形成所謂的“菊花鏈”串接方式。因為接地線存在阻抗，各機柜相對接地點的基準電壓不同，使各機柜的接地電流通過地線阻抗而產生耦合干擾，所以不推薦使用。正確的做法是每個機柜工作接地匯流排單獨用接地線接至工作接地匯總板，各機柜相對接地點的基準電壓都是一樣的，減少了因接地電流引起的電路間的耦合。

4.4 接地線的顏色

文獻[1]規定儀表接地系統的標志顏色為：保護接地的接地線為綠色，工作接地的接地線為綠黃色。而GB/T 6995.4-2008《電線電纜識別標志方法》第4部分：電氣裝置電線電纜絕緣線芯識別標志中規定：無論采用顏色標志或數字標志，電纜中的接地線芯或類似保護目的的用線芯，都必須采用綠/黃組合顏色的識別標志。

工程實際中，電氣專業的保護接地線也為綠黃色。為了不違背國標規定及避免與電氣專業保護接地線混淆，工程實際中儀表接地系統的保護接地線和工作接地線都選用綠黃色。

5 結束語

儀表自控設計人員應深入研究標準規范，理解不同接地的抗干擾原理和實施方法，同時與電氣、土建等相關專業密切溝通，正確合理地設計儀表自控系統接地，減少系統干擾，保證儀表系統安全可靠運行；避免因設計不合理造成儀表系統運行不穩定和安全事故。

參考文獻

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