現(xiàn)場儀表接地解析

葉向東

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

現(xiàn)場儀表需要接地嗎？為什么？如果接地應(yīng)該怎么接？什么情況下可以不接地？有什么標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嗎？爆炸危險(xiǎn)環(huán)境和非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的現(xiàn)場儀表接地有什么區(qū)別和要求？本文從現(xiàn)場儀表的分類和接地的目的出發(fā)，根據(jù)GB/IEC(等同采用或修改采用IEC標(biāo)準(zhǔn)的中國國家標(biāo)準(zhǔn))幾項(xiàng)有關(guān)“安全防護(hù)-電擊防護(hù)”標(biāo)準(zhǔn)，討論這幾個(gè)問題，辨析現(xiàn)場儀表在不同條件下的接地方式。

1 現(xiàn)場儀表分類

與接地有關(guān)的現(xiàn)場儀表指涉及電信號(hào)或用電的電動(dòng)或電子儀表，包括單體儀表和集成(組合)儀表。與電信號(hào)無關(guān)的純機(jī)械儀表不在本文討論之列，例如： 彈簧管壓力表、雙金屬溫度計(jì)、磁翻板液位計(jì)等。

單體儀表可按信號(hào)功能分為6類：

1)測量類儀表。各種類型的把物理變量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的測量儀表，如： 熱電偶、變送器、電子測量元件等。

2)驅(qū)動(dòng)類儀表。把電信號(hào)變成物理或機(jī)械作用的儀表，包括電氣轉(zhuǎn)換器、閥門定位器、電磁閥、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

3)信號(hào)過渡類儀表。包括指示儀、隔離器、安全柵、繼電器、電子開關(guān)、指示燈、報(bào)警器、音響器、小型可編程序控制器(PLC)等。

4)信號(hào)處理類儀表。常規(guī)信號(hào)儀表、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、客戶機(jī)、工作站、終端機(jī)、交換機(jī)、路由器等。

5)電源變換類儀表。交流/直流電源裝置。

6)機(jī)械類電動(dòng)儀表。無電子或電動(dòng)元件，但又與電信號(hào)或供電相關(guān)的儀表，如： 機(jī)械按鈕、機(jī)械開關(guān)、浮球液位開關(guān)等。

前5類為有電子元件或電動(dòng)元件的單體儀表，第4類、第5類有時(shí)也用于現(xiàn)場儀表，第6類為無電子或電動(dòng)元件的機(jī)械類電動(dòng)單體儀表。

現(xiàn)場儀表按保護(hù)結(jié)構(gòu)又可分為絕緣外殼和金屬外殼兩類。

集成儀表是多于1臺(tái)單體儀表組合而成的儀表，例如： 分散型控制系統(tǒng)(DCS)、PLC等。

儀表按防爆功能分為防爆類儀表和非防爆類儀表。石油化工行業(yè)常用的防爆類儀表按GB 3836/IEC60079系列標(biāo)準(zhǔn)的防爆方法分為： 本質(zhì)安全型、隔爆型、增安型、澆封型、無火花型、正壓外殼型、油浸型、充砂型等。

2 現(xiàn)場儀表接地的目的

2.1 儀表外殼需要接地的目的

儀表外殼需要接地的目的有三個(gè)： 為避免電氣故障造成人身傷害；避免電氣故障形成爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的引燃條件，非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境沒有該目的；為雷電電涌防護(hù)器提供電涌泄放條件。這三個(gè)目的都屬于電擊防護(hù)。所以，儀表接地是與電有關(guān)的。

2.2 不需要接地的儀表

不需要接地的儀表包括： 絕緣外殼儀表、機(jī)械類電動(dòng)儀表、與電信號(hào)無關(guān)的純機(jī)械類儀表。

2.3 現(xiàn)場儀表接地的類型

現(xiàn)場儀表不需要、也沒有工作接地，儀表電子電路是不接地的，內(nèi)部電路沒有專門引出的接地點(diǎn)。只有金屬外殼儀表上有接地端子供需要的接地用。即只有金屬外殼的現(xiàn)場儀表上有接地點(diǎn)，只能接到現(xiàn)場的保護(hù)接地，所以，現(xiàn)場儀表接地就是電動(dòng)和電子儀表的金屬外殼接地。

2.4 儀表外殼接地的條件

儀表外殼有的場合需要接地，有的場合不需要接地，有的場合可以接地，也可以不接地。儀表外殼接地不是一定要接，也不是接地了就比不接地好，要根據(jù)具體的用途和場合。

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和儀表用電分為不同的條件，儀表外殼接地也有所不同：

1)是否采用特低電壓(ELV)。儀表常用供電分為直流低電壓(24 V(DC))和工業(yè)及民用交流低電壓(220 V(AC))。根據(jù)GB/T 16895.21—2020/IEC60364-4-41： 2017《低壓電氣裝置第4-41部分： 安全防護(hù) 電擊防護(hù)》[1]，低于交流50 V，直流120 V屬于ELV。

2)是否用于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境。石油化工工廠現(xiàn)場儀表所處的環(huán)境分為爆炸危險(xiǎn)環(huán)境和非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境，是兩個(gè)不同的環(huán)境條件。通常爆炸危險(xiǎn)環(huán)境，又分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。

3)是否安裝電涌防護(hù)器。根據(jù)防雷工程需要分為裝配和不裝配電涌防護(hù)器兩個(gè)防雷條件。

3 儀表外殼接地的確定

根據(jù)需要接地的目的、現(xiàn)場條件及儀表類型可確定儀表外殼接地的需要。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，電擊防護(hù)包括基本防護(hù)和故障防護(hù)?；痉雷o(hù)措施用作正常情況的防護(hù)，采用外表面絕緣或阻擋防護(hù)的方式。目的是將帶電物體與可能接觸的被防護(hù)目標(biāo)(例如： 人員)分隔開。

絕緣是保證安全用電的基本措施和最重要的方法，特殊情況下，絕緣有可能被破壞形成絕緣故障，對于某些特別防護(hù)的場合，需要采取故障防護(hù)措施。IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了當(dāng)絕緣破壞時(shí)的幾種故障防護(hù)措施——雙重絕緣、加強(qiáng)絕緣、自動(dòng)切斷電源、電氣分隔、采用ELV、保護(hù)接地和等電位接地等，導(dǎo)電外表面接地僅是其中之一，儀表外殼接地就屬于這種。

3.1 儀表外殼接地端子

可以接地的儀表帶有外殼接地端子，帶有接地端子的儀表并不意味著一定需要接地，需要根據(jù)用途、現(xiàn)場環(huán)境以及其他條件確定，有的儀表使用說明就明確了儀表本身不需要接地，儀表接地端子是供用戶根據(jù)需要選擇使用的。外殼沒有接地端子的儀表確定不需要接地。

3.2 電涌防護(hù)器

裝備電涌防護(hù)器的儀表外殼需要接地。電涌防護(hù)器的接地是接在儀表外殼內(nèi)的接地端子上的，儀表外殼的內(nèi)、外兩個(gè)接地端子是通過外殼相通的，因此只需要外殼接地即可，不需要儀表內(nèi)部向外引接地線。對于絕緣外殼的儀表，需要配備帶內(nèi)、外接地端子的金屬接線盒用于電涌防護(hù)器的接地。

3.3 本質(zhì)安全儀表

根據(jù)GB 3836.4—2010/IEC60079-11： 2006《爆炸性環(huán)境 第4部分： 由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》[2]，本質(zhì)安全儀表(簡稱本安儀表)與本安關(guān)聯(lián)儀表組成本質(zhì)安全系統(tǒng)。本安儀表是符合本質(zhì)安全參數(shù)的儀表，是一種可裝在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的儀表；本安關(guān)聯(lián)儀表是能夠限制本質(zhì)安全電路的電壓、電流和能量的儀表，裝在非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境。本質(zhì)安全電路是在正常工作和規(guī)定的故障條件下，產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的電路。根據(jù)本安系統(tǒng)的原理和功能，本安儀表不會(huì)形成爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的點(diǎn)燃條件。

雖然石油化工儀表通常采用24 V(DC)供電，但本質(zhì)安全系統(tǒng)的可施加電壓是高于36 V的。由于本質(zhì)安全系統(tǒng)采用IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ELV并具有規(guī)定的故障防護(hù)措施，因此，也不會(huì)形成可能造成人身傷害的危險(xiǎn)電壓。

GB/T 3836.15—2017/IEC60079-14： 2007《爆炸性環(huán)境 第15部分： 電氣裝置的設(shè)計(jì)、選型和安裝》[3]的6.3.1條規(guī)定：“本質(zhì)安全設(shè)備或限能設(shè)備的金屬外殼不需要與等電位連接系統(tǒng)連接，但設(shè)備文件有規(guī)定或?yàn)榉乐轨o電電荷積聚有要求時(shí)除外”。而IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用于靜電釋放的電阻小于1 MΩ即可，儀表安裝的大多數(shù)場合都具備這個(gè)條件，不需要額外考慮。

所以，本安儀表外殼不需要接地。

3.4 非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的非本安儀表

非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的非本安儀表如果不需要防雷工程，沒有配備電涌防護(hù)器，則只需要考慮為避免電氣故障造成人身傷害。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，電擊防護(hù)包括基本防護(hù)措施和故障防護(hù)措施?；痉雷o(hù)措施用作正常情況的防護(hù)，采用完全覆蓋絕緣的方式，或采用遮攔或外護(hù)物的防止人員接觸的方式都可作為基本防護(hù)。故障防護(hù)措施有自動(dòng)切斷電源、雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣、電氣分隔、采用ELV、金屬外表面接地、附加防護(hù)等方法。

石油化工過程檢測及控制儀表本身和供電回路就包括了基本防護(hù)措施(絕緣)和故障防護(hù)措施(自動(dòng)切斷電源、電氣分隔等)。

通常，采用“安全電壓(低于36 V)”供電的儀表外殼不需要接地，因?yàn)椤鞍踩妷骸睂儆跇?biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的ELV，不會(huì)造成人身傷害。

非安全電壓供電的儀表，如果采用了故障防護(hù)措施即為安全防護(hù)，除接地外的其他故障防護(hù)措施是不需要外殼接地的。僅只有基本絕緣的儀表，或需要接地作為故障防護(hù)措施時(shí)，儀表外殼才需要接地。

絕緣是保證安全用電的基本和最重要的防護(hù)措施，接地是當(dāng)絕緣破壞時(shí)的故障防護(hù)措施之一。

3.5 爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的非本安儀表

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中第6.2.5條規(guī)定：“安全特低電壓系統(tǒng)(SELV)應(yīng)符合GB/T 16895.21—2020第414章的規(guī)定。SELV電路的帶電部件不應(yīng)對地連接，或與帶電部件、或與構(gòu)成其他電路一部分的保護(hù)導(dǎo)體連接。任何裸露導(dǎo)電部件可不接地，也可接地(例如： 用于電磁兼容的裸露帶電部件)”。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中第414.4.4條規(guī)定：“SELV回路內(nèi)的外露可導(dǎo)電部分不應(yīng)與地、保護(hù)導(dǎo)體以及其他回路的外露可導(dǎo)電部分作電氣連接”。GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]也有相同的規(guī)定。

而根據(jù)GB/T 17045—2020/IEC61140： 2016《電擊防護(hù) 裝置和設(shè)備的通用部分》[5]，SELV的電壓限值就是ELV的電壓限值： 該值不大于交流50 V，或不大于直流120 V，外露可導(dǎo)電部分不接地。

由于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境所用的儀表均應(yīng)為符合防爆規(guī)定的防爆型儀表，并具有相應(yīng)的電氣防護(hù)功能和絕緣強(qiáng)度，儀表外殼與儀表內(nèi)部電路、電源裝置是電氣隔離、絕緣的，供電符合SELV規(guī)定。

由此看來，符合SELV電壓供電規(guī)定的爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的非本安儀表可以不接地。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中第4.1節(jié)通用要求，規(guī)定包括爆炸危險(xiǎn)場所0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。

所以，爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，符合SELV(低于50 V(AC)，120 V(DC))規(guī)定供電的非本安儀表可以不接地。

3.6 關(guān)于不同防爆分區(qū)非本安儀表外殼接地的考慮

根據(jù)GB 3836.14—2014/IEC60079-10-1： 2008《爆炸性環(huán)境 第14部分： 場所分類 爆炸性氣體環(huán)境》[6]以及文獻(xiàn)[3]，爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，采用SELV供電的非本安儀表可以不接地。標(biāo)準(zhǔn)的“通用要求”中包括爆炸危險(xiǎn)場所0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。

鑒于2區(qū)為“正常情況下，不可能存在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境”，所以可以確定不需要采取其他故障防護(hù)措施。上述有關(guān)GB/IEC標(biāo)準(zhǔn)是作為SH/T 3164—2021《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于儀表外殼接地條文的編寫依據(jù)。

3.7 關(guān)于直流電源裝置

現(xiàn)在的直流電源裝置普遍采用開關(guān)型電源，無論是獨(dú)立的直流電源裝置還是用電設(shè)備配套的直流電源模塊，內(nèi)部都有隔離變壓器。儀表用的直流電源裝置的規(guī)格中都標(biāo)明符合IEC，EN關(guān)于SELV的標(biāo)準(zhǔn)。

3.8 關(guān)于儀表的故障防護(hù)措施

儀表不但本身具有足夠的絕緣強(qiáng)度，還采用具有符合SELV標(biāo)準(zhǔn)的電源供電，并且儀表供電回路都設(shè)置保險(xiǎn)器件用于在故障時(shí)自動(dòng)切斷電源。儀表供電裝置都采用隔離變壓器并帶有自動(dòng)切斷電源的功能，這些都是GB/IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障防護(hù)措施。這樣的多重防護(hù)充分滿足了爆炸危險(xiǎn)環(huán)境安全用電以及電擊防護(hù)GB/IEC系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的不同之處

4.1 《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》

GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中第5.5.3條中關(guān)于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)設(shè)備的保護(hù)接地的規(guī)定如下：

“1按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50065《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，下列不需要接地的部分，在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)仍應(yīng)進(jìn)行接地：

1)……

2)在干燥環(huán)境，交流額定電壓為127 V及以下，直流電壓為110 V及以下的設(shè)備正常不帶電的金屬外殼。

3)安裝在已接地的金屬結(jié)構(gòu)上的設(shè)備。

2在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)，設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)可靠接地。爆炸性環(huán)境1區(qū)、20區(qū)、21區(qū)內(nèi)的所有設(shè)備以及爆炸性環(huán)境2區(qū)、22區(qū)內(nèi)除照明燈具以外的其他設(shè)備應(yīng)采取專用的接地線，該接地線若與相線敷設(shè)在同一保護(hù)管內(nèi)時(shí)，應(yīng)具有與相線相等的絕緣。爆炸性環(huán)境2區(qū)、22區(qū)內(nèi)的照明燈具，可利用有可靠電氣連接的金屬管線系統(tǒng)作為接地線，但不得利用輸送可燃物質(zhì)的管道?！?/p>

該條規(guī)定影響非常大，雖然該規(guī)范是針對電氣專業(yè)，但泛指用電設(shè)備，把儀表也捎帶了，其他有關(guān)規(guī)范都是由此而來。

現(xiàn)行的GB 50058等標(biāo)準(zhǔn)將來也許會(huì)根據(jù)GB/IEC的相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)修訂有關(guān)條文。

4.2 《石油化工儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》

SH/T 3081—2019《石油化工儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]規(guī)定如下：

“4.1.4非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，供電電壓低于36 V的現(xiàn)場儀表金屬外殼、金屬保護(hù)箱、金屬接線箱，可不實(shí)施保護(hù)接地，但對于可能與高于36 V電壓設(shè)備接觸的應(yīng)實(shí)施保護(hù)接地?！?/p>

“4.1.5爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，非本質(zhì)安全系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表金屬外殼、金屬保護(hù)箱、金屬接線箱應(yīng)實(shí)施保護(hù)接地，本質(zhì)安全系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表金屬外殼、金屬保護(hù)箱、金屬接線箱可不實(shí)施保護(hù)接地?！?/p>

對于該規(guī)范中第4.1.4條規(guī)定，沿用了以往電氣專業(yè)有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，實(shí)際上，如果是24 V(DC)供電的儀表，內(nèi)部不會(huì)有高于ELV的供電，供電的直流電源裝置也具有過電壓、過電流保護(hù)設(shè)備；如果是220 V(AC)供電的儀表，無論是傳統(tǒng)的變壓器電源還是開關(guān)電源都是安全可靠的，具備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障防護(hù)措施，如今的工業(yè)及民用電氣設(shè)備的絕緣及安全設(shè)計(jì)技術(shù)幾乎是萬無一失的。所以儀表外殼不可能“與高于36 V電壓設(shè)備接觸”，沒有必要接地。

對于該規(guī)范第4.1.5條規(guī)定，用于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的儀表一定是防爆的，無論哪一種防爆形式，一定是會(huì)防止儀表內(nèi)部電路對外殼短路產(chǎn)生漏電引起爆炸危險(xiǎn)的，儀表保護(hù)箱、接線箱同樣。所以也沒有必要接地。

剩下就是雷電防護(hù)了。除了現(xiàn)場儀表的電涌防護(hù)器需要接地，從原理上來講，用于雷電防護(hù)的現(xiàn)場儀表外殼接地是為了避免金屬縫隙在雷擊時(shí)產(chǎn)生火花，引燃可能存在的可燃?xì)怏w，但這是小概率(雷擊使金屬縫隙打火)中的小概率(存在高于爆炸下限的可燃?xì)怏w)事件。這樣的規(guī)定使現(xiàn)場所有的儀表外殼(包括沒有裝配電涌防護(hù)器的儀表)都要接地，未免過度防護(hù)。

文獻(xiàn)[8]的規(guī)定偏嚴(yán)格，主要是參考了文獻(xiàn)[7]中的條款。從近兩年來現(xiàn)場情況看，整改麻煩不少。實(shí)際上現(xiàn)場儀表漏電或因?yàn)槔讚綦娏饕鸾饘倏p隙打火引燃可能存在的可燃?xì)怏w，都是極小概率事件。而對于爆炸危險(xiǎn)場所2區(qū)，確實(shí)沒有必要非接地不可。

5 現(xiàn)場儀表外殼的接地

現(xiàn)場儀表的接地為儀表外殼接地，接到現(xiàn)場的保護(hù)接地，可以參照表1所列。

表1 現(xiàn)場儀表保護(hù)接地類型

需要接地的儀表外殼、保護(hù)箱、接線箱、機(jī)柜等的接地端子應(yīng)采用導(dǎo)線直接，或利用電纜保護(hù)鋼管、電纜槽、安裝鋼管、支架、護(hù)欄、框架等金屬物體作為中間連接導(dǎo)體最終接到電氣接地設(shè)施。這些金屬物體只要進(jìn)行了可靠的導(dǎo)電連接，就比一般的接地線的導(dǎo)電截面積大得多，導(dǎo)電性能好，沒有必要采用專用的接地線。注意連接點(diǎn)的牢固與防腐蝕即可。法蘭之間的導(dǎo)電連接也是同樣道理。

當(dāng)然，有區(qū)別地、清晰地實(shí)施現(xiàn)場儀表外殼接地，并不排斥為了簡單一致、統(tǒng)一實(shí)施，“一刀切”地全部實(shí)施接地。

6 結(jié)束語

現(xiàn)代石油化工儀表本身就具備很好的安全電氣性能?，F(xiàn)場儀表接地的目的，并不是特別嚴(yán)格的安全防護(hù)措施。雖然爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的現(xiàn)場儀表外殼接地有輔助防爆的意義，但并不是主要的防爆措施。GB/IEC相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)有明確的規(guī)定，是很好的參考依據(jù)，但國內(nèi)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定過于嚴(yán)格，與GB/IEC有關(guān)的系列標(biāo)準(zhǔn)有所不同。根據(jù)防爆原理和接地的作用，現(xiàn)場儀表外殼接地應(yīng)當(dāng)區(qū)分條件和環(huán)境背景，可以采用不同的接地方式，千篇一律地采取過度防范措施全部接地雖然未嘗不可，但并不完全符合科學(xué)原理和GB/IEC相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。作為技術(shù)人員應(yīng)該清楚其中的道理。

致謝： 本文寫作過程中，得到范詠峰、丁蘭蓉、曾裕玲等同行專家的討論與支持，在此表示衷心的感謝！