硫磺裝置儀表工作接地異常問題分析排查與預防

張 斌 謝文奮 唐曉紅

（中國石油獨山子石化公司信息網絡公司煉油儀表車間）

在硫磺裝置的例行巡檢過程中，儀表維護人員發現機柜間配電柜直流24 V（DC）電源母排對安全接地之間的電壓發生顛倒，正極母排對安全接地的電壓由正常的24 V（DC）變為0 V（DC），負極母排對安全接地電壓由正常0 V（DC）變為-24 V（DC），正、負母排之間的電壓為24 V（DC），其他機柜測量狀況相同。 直流24 V（DC）穩壓電源及負載設備運行正常。 電壓的變化，對裝置的平穩運行帶來了巨大的隱患。 筆者總結介紹對硫磺裝置儀表工作接地異常問題的排查處理思路，為此類問題提供預防思路和解決方法。

1 儀表接地分類

儀表控制系統接地主要分為保障人身安全的安全接地（保護接地），儀表設備的運行和保護信號傳輸以及抗干擾的工作接地（參考接地）。 雖然兩種接地的目的不同，但二者又是相關的。

儀表系統接地主要有保護接地、工作接地［1］、屏蔽接地及本安接地等，筆者只介紹前兩種接地方式。

1.1 保護接地

保護接地的主要目的是保護設備和人員安全。 當電子設備由低壓交流或直流線路供電時，為防止發生接地故障時其外露可導電部分出現危險的接觸電壓，設備的外露可導電部分應接保護接地導體（PE 線）。 對于化工自控儀表，除低于36 V（DC）供電的現場儀表、變送器及觸點開關等無需接地外［2］，儀表盤、儀表柜、儀表操作臺、儀表架、儀表箱、控制系統機柜、操作站、電纜橋架、穿線管和計算機控制系統都要實現良好接地。

1.2 工作接地

工作接地在化工自控接地系統中一般指信號回路接地，但屏蔽接地在實際施工中也接入工作接地。 信號回路接地是為了保證信號有穩定的基準電位而設置的接地。 在自動化系統、計算機等電子設備中，非隔離的信號需要建立一個統一信號參考點，保證電子設備穩定可靠地工作。 因此，電子設備的信號電路應接地，也稱為信號地，通常為直流電源負極。

2 故障分析

硫磺裝置使用的是CENTUM 系統， 由電氣UPS 采用TN-S 方式提供兩路220 V（AC）供電。直流穩壓電源由3 塊摩爾電源RPSTECH 40A冗余組成，3 塊摩爾電源模塊輸出在配電柜母排匯集，然后經過空氣開關分配到安全柵柜、繼電器柜、GPS 柜，以及需要單獨供電的火焰檢測系統、GE 超聲波流量計、音叉液位開關等設備，供電系統示意圖如圖1 所示。 裝置使用隔離式安全柵，按照SH/T 3081—2019《石油化工儀表接地設計規范》， 不需要將直流電源負極接入公共地，因此系統24 V（DC）直流供電系統采用浮空方式， 直流電源負極作為儀表信號參考零電位。輸出直流電采用浮空方式，即儀表信號回路接地懸空。

圖1 供電系統示意圖

正常情況下，電源正極對安全地PE 之間的電壓為24 V（DC），電源負極對安全地PE 之間的電壓為0 V（DC），由于它們之間由電源模塊內高阻元件隔離，因此不會有電流通過。 電源的正負極如果一端與安全地PE 連接， 不構成回路，也不會有電流通過，電源正負極之間的用電設備不受影響，但存在直流電壓參考點的改變。根據故障現象，在電源負極和安全地PE 之間接入變送器做測試，變送器有指示。 初步判斷為電源正極與安全地PE 相連，造成整個供電系統零位參考點發生改變。 直流供電系統所帶設備眾多，受環境、施工及設備等因素的影響，筆者判斷存在電源正級或負極直接接地和絕緣老化間接接地的現象。

3 現場排查

根據現場設備的供電方式， 依據工作原理進行分析排查，將分析排查類型分為4 類，詳見表1。

表1 排查類型相關點數統計

3.1 電源系統自身故障的分析排查

電源模塊輸出24 V（DC），正、負極先分別接到正、負母排上，再從母排經空氣開關分配到各機柜和現場用電設備，如圖2 所示。母排上共有6組輸入點、4 組輸出點， 無其余外接點和接地點。用萬用表測量電源母排間電壓為24 V （DC），該值在正常范圍。 電源監測模塊無報警，目測各接線點無虛接，母排到空氣開關上電纜完好。 排除電源母排和接線故障。

圖2 機柜間電源系統

3.2 機柜內直流供電回路接地分析排查

由配電柜來的24 V（DC）電源在機柜內通過帶保險的端子分配到各用電設備上，檢查電源端子進出線完好，無毛刺，與柜體無接觸，排除機柜內電源線接地的可能。 從問題現象分析，確定是現場設備正極與屏蔽層或設備體接觸。 而現場到機柜內電纜的屏蔽層都匯總到了屏蔽母排IE上，然后通過接地電纜到總接地。 如果斷開接地電纜，參考電位恢復就可以找到電源接地所在的機柜。

3.3 AI 和AO 模擬量分析排查

現場變送器和控制閥都是通過P+F 柵隔離式安全柵測量和控制，通過測試得知安全柵供電端子與輸入輸出端子處于完全絕緣狀態，變送器端正極或負極接地不會影響電源母排A-PE 之間的電壓。 因此，可以排除通過安全柵測量和控制的儀表電纜接地造成電源電壓偏移。 為了確保準確， 將硫磺裝置、 酸性水裝置和溶劑再生裝置3套裝置的安全柵柜屏蔽母排IE 斷開， 同時檢測電源模塊正極對地電壓， 測量電壓仍為0 V（DC），排除了AI 和AO 模擬量的影響（圖3）。

圖3 模擬量輸入/輸出信號接地示意圖

3.4 DI 開關量回路接地分析排查

硫磺裝置開關量通過兩種方式進入CENTUM 卡件，一種為直接上卡件，直流電源經過卡件后到現場觸點開關；另一種為通過繼電器板隔離后到CENTUM 卡件，現場觸點開關由繼電器板供電（圖4）。

圖4 開關量輸入信號接地示意圖

兩種接線方式，直流電源的正、負極都連接到現場， 如果現場設備電源負極與屏蔽層連接，即F 點和D 點連接， 負極母排B 點與安全地PE等電位。測量B 和安全地PE 間電壓為0 V（DC），測量A 和安全地PE 間電壓為24 V（DC）。如果現場設備電源正極與屏蔽層連接，即E 點和C 點連接， 正極母排A 點與安全地PE 等電位。 測量A和安全地PE 間電壓為0 V（DC），測量B 和安全地PE 間電壓為-24 V（DC）。 由于進入CENTUM系統的DI 信號不帶聯鎖，在工藝允許的情況下，逐臺斷開回訊信號的接線端子，同時檢測電源模塊正極對地電壓，測量結果仍為0 V（DC）。 排除了DI 開關量的影響。

3.5 DO 開關量回路接地分析排查

硫磺裝置輸出開關量都是通過繼電器板控制現場電磁閥和電氣控制開關的。 電磁閥由控制系統直流電源供電，電氣控制開關由電氣提供電源，與儀表電源隔離。 因此，現場電磁閥控制電纜屏蔽層存在與電源正負極接觸的可能（圖5）。 由于裝置處于運行狀態， 禁止現場電磁閥動作，采取將繼電器柜內IE 屏蔽母排斷開， 同時檢測電源模塊正極對地電壓， 測量電壓仍為0 V（DC）?？梢耘懦鼶O 點正負極與屏蔽層接觸的可能，但不排除DO 點正負極與電磁閥殼體接觸的可能。

圖5 開關量輸出信號接地示意圖

3.6 現場直供電設備

硫磺裝置需要單獨供電的儀表主要是火焰檢測儀、固定式報警器、超聲波流量計和音叉液位開關，它們都需要控制電纜提供24 V（DC）電源，因此存在電纜絕緣破損造成電源正負極與電氣地接通的可能。

固定式報警器由機柜內電源端子供電，每塊儀表的供電都有單獨帶保險的端子。 在工藝允許的情況下， 逐臺斷開固定式報警器正極端子，停用報警器， 同時檢測電源模塊正極對地電壓，測量結果仍為0 V（DC）。 排除報警器正極接地的可能。

超聲波流量計和音叉液位開關由配電柜提供24 V（DC）電源，在工藝允許的情況下，逐臺斷開儀表供電空開停用儀表，同時檢測電源模塊正極對地電壓，測量結果仍為0 V（DC），排除超聲波流量計和音叉液位開關正極接地的可能。

火焰檢測儀是聯鎖儀表，由配電柜提供24 V（DC）電源，在工藝摘除聯鎖后，斷開火焰檢測儀A 支供電空氣開關，電源模塊正極對保護接地電壓變為正常的24 V（DC），反復通斷幾次，確認該回路出現問題。 檢查火焰檢測儀現場接線箱，接線完好。 接線箱到火檢探頭使用9 芯專用電纜，通過航空插頭連接，專用電纜屏蔽層與接線箱殼體相連。 拆下火檢專用電纜，測量電源正極線芯與屏蔽層之間的電阻為0 Ω， 檢查電纜發現靠近航空插頭處電纜有被砸的痕跡， 剝開電纜，正極線芯絕緣破，并與屏蔽層連接。 由于專用電纜屏蔽層與箱體接地連接，造成電源正極通過接線箱殼體與電氣地相連，形成電源正極與電氣地等電位。

大修時在該處進行吊裝作業，吊裝設備可能擠壓電纜，造成電源正極電纜絕緣破損，與電纜屏蔽層接觸，繼而與裝置接地系統連接。 由于儀表直流供電系統采用浮空接法，電源正極接地后儀表控制系統工作接地參考值發生改變，但沒有與電源負極構成回路，未影響到火焰檢測系統的正常運行，導致隱患一直未被發現。

4 預防措施

儀表直流供電系統正、負極接地，造成儀表工作接地電勢發生改變，給儀表控制系統平穩運行帶來隱患， 建議采用以下措施防止事故的發生：

a. 設置保護措施。 由于各裝置的24 V（DC）直流電源均采用負極浮空， 因此輸出端的正、負極都設置了保險端子， 端子保險絲容量不宜過大，防止發生短路時拉低母排電壓。

b. 建立實時監控報警系統。使用電壓表測量電源正極母排與保護接地極之間的電壓，電壓表具有24 V（DC）轉4～20 mA 電流的功能，將4～20 mA 電流信號引入CENTUM 系統，實時監控電源正極母排與保護接地極之間的電壓變化。

c. 完善電源數據監視功能。 建立摩爾電源監控模塊與CENTUM 系統的通信，將電壓、電流及負荷分配等信息實時上傳到CENTUM 系統，實現過程數據遠程監控。

d. 加強巡檢。 對現場需要單獨供電的火焰檢測系統、超聲波流量計、音叉液位開關及電磁閥的電纜和接線進行完好性檢查。

e. 完善裝置開工驗收內容。 將電源系統正極對保護接地、負極對保護接地、正負極之間的絕緣測試作為PSR 驗收的內容。

5 結束語

通過對某硫磺裝置儀表接地問題分析與處理，可以明確判斷處理浮空接地與電源負極接地故障的方式是不同的。 隨著裝置長周期運行的需要，對儀表和控制系統的要求也越來越高，而電源系統作為儀表和控制系統的公共單元，其重要性不言而喻。 針對此類問題，一方面要保證供電系統電源設備質量的可靠性和穩定性； 另一方面，工程公司在裝置設計及改造中，要嚴格執行國家和行業規范標準， 施工單位嚴控施工質量，避免設計和施工過程留下安全隱患；此外，在運行過程中要健全管理機制，制定日常檢查維護標準。 在全流程上消除測量控制儀表和控制系統供電回路的安全隱患，將由電源故障而引起的裝置安全生產運行風險降到最低。