儀表及控制系統(tǒng)接地知識科普

儀表及控制系統(tǒng)接地不是一個新的論題，很多問題早有結論，也有正確的設計方法。但在部分工程技術人員中，仍存在一些模糊概念和疑慮。接地的作用、接地的分類很多文獻都討論過，由不同的方法可以有不同的分類，都有道理，本文不再討論。本文主要討論接地設計怎么做，為什么。

儀表及控制系統(tǒng)接地的目的主要有兩個：一是為人身安全和電氣設備的運行，包括保護接地、本安接地、防靜電接地和防雷接地等；二是為信號傳輸和抗干擾的工作接地。但二者又是相關的，不能截然分開。

關于儀表系統(tǒng)接地，我國目前還沒有制定相應的國家標準。但電氣專業(yè)關于保護接地、防雷接地的國家標準中的有關規(guī)定，是可以參照執(zhí)行的。

IEC和ISA等國際組織的有關標準提供了很好的參考，特別是信息技術裝置功能接地和保護接地通過等電位連接以及合用接地的規(guī)定，為設計人員提供了權威的、明確的工程設計依據(jù)。

01

保護接地

保護接地是為人身安全和電氣設備安全而設置的接地(也稱為安全接地)，儀表專業(yè)的保護接地與電氣專業(yè)的保護接地一樣，屬于低壓配電系統(tǒng)接地，因此，應按電氣專業(yè)的有關標準、規(guī)范和方法進行。例如：GBJ65-83《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》等。

對于低壓配電系統(tǒng)接地，電氣專業(yè)有一系列比較完善的設計、計算、試驗、施工及驗收的標準規(guī)范，對接地系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都有較完整的理論、實驗和方法，絕不是某個接地電阻值就可以概括的。

儀表專業(yè)用電一般來自不間斷電源UPS或電氣專業(yè)的建筑物配電，大體可分為控制室用電和現(xiàn)場儀表用電?？刂剖矣秒娨话悴捎肨N-S系統(tǒng)(整個系統(tǒng)中的保護線和中線是分開的)［1］?，F(xiàn)場儀表用電一般采用TT系統(tǒng)(分散接地)。

根據(jù)等電位連接原則，儀表用電的保護接地應當是電氣接地系統(tǒng)。不但建筑物內實施等電位連接，石油化工裝置一般還采用全裝置等電位連接。

接地工程應當按電氣專業(yè)的標準規(guī)范和方法來設計。有的設計將UPS供電的儀表系統(tǒng)的保護接地分離出來單獨設置接地系統(tǒng)，這是不適宜的。多數(shù)UPS的兩路供電中的一路是不經(jīng)過變壓器隔離而直接切換輸出的，這就不可能具備單獨設置接地系統(tǒng)的條件。另外，建筑物內的其他配電系統(tǒng)(如照明配電、維修配電等)是電氣專業(yè)的低壓配電系統(tǒng)，并不是UPS出來的儀表電源。這樣，在同一建筑物內有兩個接地系統(tǒng)，而且不能避免發(fā)生被同時接觸的事件，這就違反了電氣專業(yè)規(guī)范中“能同時觸及的外露導電部分應接至同一接地系統(tǒng)”的配電系統(tǒng)接地規(guī)定。既無法實現(xiàn)兩個接地系統(tǒng)的完全隔離，同時也無法實現(xiàn)建筑物內的等電位連接，形成不安全因素。

02

儀表工作接地

儀表及控制系統(tǒng)工作接地的目的是抗干擾，對此問題很多文獻都論述得很清楚，從理論、實踐及方法上都是正確的、可行的。本文不再重復。儀表及控制系統(tǒng)工作接地從工程上可分為屏蔽接地、儀表信號接地等。

2.1

屏蔽接地

儀表屏蔽接地分兩種。一種是電纜保護管、電纜槽等接地。這類接地應與裝置電氣接地網(wǎng)相連，屬于等電位連接。另一種為信號屏蔽電纜接地，應根據(jù)信號源和接收儀表的不同情況采用不同接法。例如：常用的變送器內部電路多數(shù)是不接地的，因此信號屏蔽電纜一般在控制室一側接地。信號屏蔽電纜接地應為單點接地。

從屏蔽的作用可分為：電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽等，以便解決干擾問題。電場屏蔽即靜電屏蔽，解決分布電容產(chǎn)生的干擾問題，采用高電導率的材料，應當接地。磁場屏蔽采用高磁導率的材料，要求磁路閉合，頻率低時可不接地。電磁場屏蔽防各類電磁波輻射干擾，采用低阻材料，屏蔽體可接地也可不接地。

2.2

儀表信號接地

儀表信號接地分隔離信號與非隔離信號。隔離信號一般可以不接地。這里的隔離應當是每一輸入信號(或輸出信號)的電路與其他輸入信號(或輸出信號)的電路是絕緣的，對地是絕緣的，其電源是獨立的相互隔離的。

非隔離信號通常以24VDC電源負極為參考點并接地。信號分配均以此為參考點。這種電路的共模抑制電壓通常都很小，接地是消除此類干擾的主要措施。接地工程設計時應當注意避免設備工作時在地線上產(chǎn)生電壓降，而對信號產(chǎn)生干擾。

不同系列的常規(guī)儀表有不同的接地連接規(guī)定。這是因為常規(guī)儀表的二次儀表之間的信號傳輸比較復雜。例如：關于I系列儀表信號接地，在《I系列電子式儀表系統(tǒng)設計指南》中有詳細的敘述。

儀表信號公共點接地、分散型控制系統(tǒng)(DCS)和可編程序控制器(PLC)的非隔離輸入的接地等，均應從連接端子排或匯流條接到接地匯總板上。這實質上也是一種等電位連接。EK系列儀表是典型的公共接地儀表。儀表非隔離信號接地，雖然最終是與電氣接地相連的，但不應直接與電氣接地混接。儀表工作接地的連線應當采用多股銅芯絕緣電線，在接至接地匯總板之前，各接地線、接地匯流條除正常的連接點外，都應當是絕緣的。最終與接地體或接地網(wǎng)的連接是從接地匯總板單獨接線的。

DDZ-Ⅲ型儀表、EK系列儀表、I系列儀表以及YS80系列儀表等常規(guī)儀表的接地，最終都是與電氣接地接在一起的。

儀表及控制系統(tǒng)信號絕大多數(shù)是低頻信號，低頻信號接地的原則是單點接地，對接地電阻沒有特殊要求。信號回路中應避免形成接地回路，如果一條線路上的信號源和接收儀表都不可避免接地，則應采用隔離器將兩點接地隔離開。

2.3

電子信息設備接地和保護接地合用接地極

國家標準GB50174-93《電子計算機機房設計規(guī)范》第6.4.3條規(guī)定：交流工作接地、安全保護接地、直流工作接地、防雷接地等四種接地宜共用一組接地裝置，其接地電阻按其中最小值確定。雖然GB50174-93標準制定的適用范圍沒有包括工業(yè)控制機房和微機房，但其中一些規(guī)定是可以參考的。

IEC標準《信息技術裝置的接地和等電位連接》(IEC364-5-548-1996)明確規(guī)定：信息技術裝置功能接地和保護接地通過等電位連接，合用接地。適用范圍包括：信息技術裝置、數(shù)據(jù)交換需要互聯(lián)的裝置、數(shù)據(jù)通訊設備、數(shù)據(jù)處理設備、建筑物內帶有接地返回通路的信號裝置、建筑物內直流供電的信息技術裝置的通訊網(wǎng)絡、局域通訊網(wǎng)、火災報警系統(tǒng)和入侵報警系統(tǒng)，諸如直接數(shù)字控制系統(tǒng)的建筑服務設備、計算機輔助制造(CAM)和其他計算機輔助服務系統(tǒng)。該標準還規(guī)定了允許接到接地匯總導體上的匯流排還有：遠程通訊電纜或設備的屏蔽、過電壓保護裝置的接地匯流排、無線電通訊天線系統(tǒng)的接地匯流排、信息技術裝置直流供電系統(tǒng)的接地匯流排、功能接地匯流排等。

IEEEStd11000-1992規(guī)定：不建議采用任何一種所謂分開的、獨立的、絕緣的、專用的、干凈的、靜止的、信號的、計算機的、電子的或其他這類不正確的大地接地體，作為設備接地導體的一個連接點。

2.4

等電位原理

麥克斯韋提倡用法拉第籠的原理防雷，不僅可以不接地，而且比現(xiàn)在的方法更安全、更經(jīng)濟，這就是等電位原理。高壓帶電作業(yè)用的就是等電位原理而不是絕緣防護。

IEC標準《信息技術裝置的接地和等電位連接》規(guī)定了設備接地和保護接地通過等電位連接而合用接地，對接地電阻的大小沒有要求。等電位連接正是防止干擾信號影響的有效措施之一，此時接地電阻的大小對信息設備已無影響，核心技術是等電位連接。在軍事上、通訊上的移動設備只做機身連接而不接大地，也無法滿足對接地電阻的種種要求，卻能夠安全、正常、可靠地工作，正是運用了等電位連接原理的結果。

“從單獨接地到等電位連接，在國際電氣學術界早已取得了共識，并寫入了IEC標準、ISA標準和一些發(fā)達國家的標準，很多制造商的產(chǎn)品資料都作了正確的規(guī)定或已作了修改。但還有些制造商仍繼續(xù)沿用單獨接地和苛刻電阻值的接地要求，那可能是不了解標準的現(xiàn)行規(guī)定，或出于某種商業(yè)目的?！保?］

國家標準GB50174-93《電子計算機機房設計規(guī)范》第6.4.5條規(guī)定：電子計算機系統(tǒng)的接地應采取單點接地并宜采取等電位措施。

對自控專業(yè)而言，保護接地、儀表工作接地、本安系統(tǒng)接地最終在接地總匯流排上連接在一起，合用接地極，實現(xiàn)等電位連接。

03

本安系統(tǒng)接地

安全柵分為隔離式和齊納式兩種。隔離式安全柵采用隔離保護技術，不需要專門接地，而齊納式安全柵則根據(jù)其保護工作原理需要良好的接地系統(tǒng)。本安系統(tǒng)接地通常討論的是齊納式安全柵接地問題。

非本安區(qū)域的電源故障有兩種，一種是直流短路，通常兩線制或三線制變送器就是由24～30V直流電源供電的，因此安全柵接地必須應與直流電源的共公端相連接；另一種是交流短路，為實現(xiàn)保護功能，安全柵接地又必須與交流供電的中線相連。這就決定了安全柵接地最終應是電氣系統(tǒng)接地。

安全柵接地匯流條與交流供電的中線始點相連的最簡單可靠的方法是用導線連接。

IEC標準IEC60079-14《危險場所的電氣設備安裝》關于本質安全電路的接地中規(guī)定：對于“沒有電氣隔離的安全柵(例如齊納式安全柵)的接地端子應：1)以最短的可行的路徑接到等電位連接系統(tǒng)；或2)對于TN-S系統(tǒng)，接到一個高度完整的接地點，連接方式應保證這一點接到主電源系統(tǒng)接地點之間的阻抗小于1Ω?！?/p>

可是，有的公司采用以大地作為導體的方式，使一些設計人員誤認為這是正規(guī)的合理的方法，從而導致工程設計上的不妥。因此，造成了工程中的浪費和施工的麻煩，還形成安全柵事故隱患。用大地作為導體的方法最初見于電力輸電的兩線一地制，而電力設備接地規(guī)范中強調：在低壓電力網(wǎng)中嚴禁利用大地作相線或零線。目前，用大地作導體的方式僅見于TT系統(tǒng)的接地。但是，有很多工程設計采用了為齊納式安全柵接地單獨設置接地極的方式，而恰恰是這種方式形成了地電位擊穿安全柵的條件。這是因接地問題而造成齊納式安全柵損壞的事故根源之一。因此筆者認為，這種為齊納式安全柵接地單獨設置接地極的方式還寫進一些標準規(guī)范中(如《石油化工儀表接地設計規(guī)范》SH3081-1997)，是值得進一步商榷的。

ISA-RP12．6-1995《危險場所儀表的接地實施》第一部分：“本質安全”中規(guī)定了安全柵接地匯流條與交流電源的中性點之間的連接電阻小于1Ω，并明確給出了直接連線的圖示。MTL公司的接地指南中也是這樣規(guī)定的，只是多了一句：“如果能達到0.1Ω更合適?！辈⑻岬剑河脤Ь€連接是最容易的方法。至于接大地的電阻，在上述資料中均無規(guī)定。有的安全柵公司只是含含糊糊地說，一般推薦為1Ω，但如果詢其依據(jù)，則沒有。應當注意，在國外的資料中，接大地稱Earthing或Grounding，接地連接稱Bonding，意義是不一樣的。凡是論及本安儀表接地電阻的資料，基本上都是規(guī)定接地連接(Bonding)電阻。

國外的資料只重視接地連接(Bonding)電阻，ISA-RP12．6-1995和MTL公司的接地資料中都提出用兩條接地導線重復連接的方法，以便測量接地連接(Bonding)電阻，而不是測量接大地(Earthing)的電阻。

現(xiàn)場本安儀表的信號端一般是不接地的，儀表外殼接地的目的并非為了本質安全。另外，地電位只作用在外殼接地的變送器的絕緣上，不會達到擊穿現(xiàn)場儀表絕緣的程度。有的文獻把變送器外殼接地當作信號端接地。并以外殼接地點與非危險場所的齊納式安全柵接地點之間的電位差來討論安全柵的擊穿問題是不正確的。如果儀表信號的現(xiàn)場端是固有接地的，回路形成兩點接地，地電位差就有可能作用于安全柵上。在這種情況下，使用齊納式安全柵是不對的，應使用隔離式安全柵，以免形成多點接地。這樣既符合信號傳送的要求，也符合本質安全的要求。

04

防雷接地

在談論儀表及控制系統(tǒng)防雷接地問題時，應當先討論儀表及控制系統(tǒng)防雷工程設計，因為儀表及控制系統(tǒng)防雷接地僅是儀表及控制系統(tǒng)防雷工程的一個組成部分。文獻［3］對這個問題已有比較詳細的論述。本文不是專為討論儀表防雷工程的，僅對儀表防雷接地補充幾點。

4.1

國家標準

國家標準GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》提供了很好的依據(jù)和參考。標準雖然沒有直接規(guī)定關于電子設備的防雷設計，但是也作了一些說明。GB50057-94標準中規(guī)定了防直擊雷、防雷電感應和防雷電波侵入。IEC1024-1-1993將防雷分為外部防雷和內部防雷。外部防雷就是防直擊雷，內部防雷包括防雷電感應、防反擊、防雷電波侵入和防生命危險，而核心方法就是等電位連接。

在對GB50057-94標準第3.2.4條第5款和第6款的條文說明中，指出了防直擊雷和防感應雷的等電位連接：“從防雷觀點出發(fā)，較好是設共用接地裝置，它適合供所有接地之用(例如：防雷、低壓電力系統(tǒng)、電訊系統(tǒng))”，“接地裝置的布置和尺寸比接地電阻的特定值更重要。”

4.2

關于接地電阻

國家標準GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》規(guī)定了防雷接地電阻為沖擊接地電阻，并給出了沖擊接地電阻與工頻接地電阻的關系。沖擊接地電阻與工頻接地電阻之比稱為沖擊系數(shù)。雷電落地時有擊穿現(xiàn)象，有火花效應，接地極表現(xiàn)出來的電阻為沖擊接地電阻；雷電落地時的散流電阻為非線性電阻，與閃電電流的峰值和波形有關，因此不能簡單地套用狹義歐姆定律。

隨意降低接地電阻值是不負責任的做法。接地電阻的規(guī)定應當是有依據(jù)的，這直接影響接地工程。例如，在水電部1959年《電氣設備接地裝置規(guī)程》發(fā)布之前，電力系統(tǒng)的電氣設備接地電阻為0.5Ω。為此，很多電廠消耗了大量鋼材，據(jù)說有的達到10～40t，接地裝置面積100×100m2。而每年為維持和改善接地電阻需繼續(xù)埋下數(shù)噸鋼材，數(shù)年以后共埋了幾十噸，再埋也沒有用了。而后來采用均衡接地的設計方法，解決了人體傷害的矛盾。我國現(xiàn)行國家標準的接地電阻規(guī)定為4Ω。防雷接地電阻應當按國家標準GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》的規(guī)定，不應隨意降低。

4.3

接地系統(tǒng)的維護

接地電阻通常不是一成不變的，接地裝置也不可能是一勞永逸的。對接地系統(tǒng)應當定期檢查、維護，及時發(fā)現(xiàn)諸如銹蝕、斷線、損壞等故障并及時修復，以保持整個系統(tǒng)的完好，特別是接地連接的完好。大量實例證明，對防雷工程的檢查和維護是非常重要的。

4.4

現(xiàn)代防雷技術是綜合防治技術

儀表系統(tǒng)防雷絕不能單純依靠接地來做到。不能簡單地認為接地就能解決問題，埋地電纜同樣也會受到雷擊，只不過是它受雷擊的幾率比架空電纜小而已。

現(xiàn)代防雷技術是綜合防治技術，概括起來有：傳導、均衡連接、接地、分流、屏蔽等。這方面可參見有關文獻。

4.5

雷電的能量

雷電的功率極大，電流脈沖峰值的典型值為104A，閃電通道的電位差為107～109V，中值功率有1012W(10億千瓦)，但一次雷電的能量并不大，時間約10～40μs，電荷約20C(庫侖)，電能約109J（焦耳)，相當于100W的燈泡照明100多天而已［4］。了解雷電的特性，有利于理解防雷技術。

5

防靜電接地

靜電放電的特點是電壓高、電流小、時間短、功率高。對儀表系統(tǒng)而言，人體靜電在電子裝置的金屬外殼上放電是最常見的靜電放電現(xiàn)象。抑制或消除靜電放電應采取多種措施，除盡量避免產(chǎn)生靜電外，及時泄放靜電是有效手段之一。儀表及控制系統(tǒng)的防靜電接地比較簡單，靜電導體對地的泄放電阻通常是104～106Ω數(shù)量級的，因此很多相應的資料規(guī)定用于靜電接地的電阻為100Ω。并且，防靜電接地可與其他接地系統(tǒng)共用。

6

DCS和PLC接地

6.1

起因

分散型控制系統(tǒng)(DCS)和可編程序控制器(PLC)的接地本來不是一個單獨的接地分類，但由于種種原因，使人們有意無意地將其分離出來，而國內、國際并沒有單獨為DCS和PLC所編制的接地標準規(guī)范(其實在客觀上也根本沒有必要)，有時由于一些誤解或不正確的規(guī)定，反而令造成不小的麻煩。

6.2

接地依據(jù)

DCS(或PLC)的設備可分為信號處理部分和數(shù)據(jù)處理部分。信號處理部分就是控制器、檢測器的輸入、輸出(I/O)部分。這與常規(guī)儀表是一樣的，屬于儀表工作接地。因此，《石油化工儀表接地設計規(guī)范》SH3081-1997的有關敘述(2.0.1，3.0.1)是正確的。數(shù)據(jù)處理部分有控制器、操作臺、工程師站等各處理機或稱網(wǎng)絡站點設備。這些設備的實質是單板機、微機、工作站、小型機等類型的計算機。而這些設備的接地是保護接地，其開關電源、主板等器件或板卡的接地，或浮空或與機殼相連。因此DCS(或PLC)的接地如何做亦可以明確了。

6.3

有關規(guī)范的條文

在DCS制造商的接地工程手冊中，大多都有應當符合當?shù)卣一驀H有關電氣接地標準、規(guī)范的條文，然后再推薦一個根據(jù)DCS(或PLC)制造商當?shù)卣?、國家或國際有關標準的接地方法。

我國有些規(guī)范的有關條文常寫成“根據(jù)儀表制造廠的要求”去做，這并不合適。國外的標準、規(guī)范極少這樣規(guī)定，國際標準根本就沒有這樣的規(guī)定，都是制造商必須符合當?shù)卣?、國家或國際有關標準、規(guī)范的規(guī)定。這不但是一個科學技術問題，在某些領域或某些方面甚至是政治、經(jīng)濟問題。這樣的例子并不少見，應當引起重視。

有些制造商是嚴格按照ISO，IEC及ISA等標準的規(guī)定進行實驗、研究、設計、生產(chǎn)和制造的，其成果是可以直接利用的。

6.4

一個錯誤的實例

DCS(或PLC)接地方法與常規(guī)儀表是相同的，這已經(jīng)明確。這里舉的實例并不是示范，而是一種不正確的方式，請讀者注意。

在某DCS的工程設計資料中，交流接地和DCS的“主參考地”分別設置接地極，并對接地有一段敘述：“安全接地系統(tǒng)要求提供0.1～5Ω的接地電阻，其所需數(shù)值由下列方式?jīng)Q定：

“1.當設備既無安全柵又沒有防雷接地時，交流安全接地僅需滿足當?shù)仉姎庖?guī)范所規(guī)定的最小接地電阻，通常為5Ω。

“2.當設備使用齊納式安全柵時，交流接地應小于0.1Ω且主參考地小于0.9Ω。其理由參見防雷接地。

“3.當設備考慮防雷時，每個防雷接地棒都應有最大為0.1Ω的接地電阻。

“本手冊防雷討論中，防雷原則是每一防雷接地棒的接地電阻小于0.1Ω。設100kA的雷電擊中，并通過0.1Ω的電阻，會產(chǎn)生10kV的電位。經(jīng)驗表明10kV不會引起電線槽內的火花放電或端子爬電。沒有火花或電磁感應，系統(tǒng)就能在雷電擊中時完好地工作?！?/p>

在該資料中，多次出現(xiàn)防雷接地的接地電阻小于0.1Ω的規(guī)定。

對照這些規(guī)定不難發(fā)現(xiàn)其中的錯誤，而其防雷接地電阻的理由更是荒唐的。這些不合理的規(guī)定給設計工作帶來了困難，造成工程上的浪費和施工中的困難，甚至還成了該系統(tǒng)出故障時的托辭。

07

相關因素

某種接地通常是為實現(xiàn)某一目的而采取的方法之一，如本質安全系統(tǒng)中的本安接地、防雷技術中的防雷接地等。而其他方法和環(huán)節(jié)的缺少都會影響到接地系統(tǒng)的效果，甚至達不到接地系統(tǒng)預期的目的。因此在工程設計中，不但要注意接地系統(tǒng)的設計，也要注意相關的其他設計。

工程上的事情很多是隨機事件，有些甚至是偶然事件。事故的發(fā)生常常是多個因素同時作用的結果。由接地引起的故障就是典型的多因素隨機事件。錯誤的工程設計并不一定出現(xiàn)運行事故，而正確的工程設計，有時卻由于其他原因引起的事故無法查清而被誤認為是該設計引起的。這就是生產(chǎn)過程事故的復雜性和隨機性。而事故現(xiàn)象的實驗、模擬、再現(xiàn)和事故原因的查清，有時是非常困難的，這也是諸如接地工程這類防止發(fā)生某種隨機事件的工程設計更容易使人感到困惑的原因。

這已經(jīng)超出了本文要討論問題的范圍，但這確實是影響接地工程設計的一個因素。

08

結論

8.1

接地工程的基本原則

為實現(xiàn)接地的各種目的和實施接地工程的各種方法的基本原則是等電位連接，而絕對的等電位連接是不可能的，為實現(xiàn)近似的等電位連接，也需設計多種方法并付出工程代價。

接地工程是系統(tǒng)工程，是由傳導、搭接、等電位板、接地線、接地極等多個環(huán)節(jié)組成的，每一環(huán)節(jié)的缺陷的故障都會影響到接地系統(tǒng)的效果。接地工程的效能也是綜合結果，不可簡單地用接地電阻的數(shù)值來表征。

低頻信號工作接地的原則為單點接地。儀表及控制系統(tǒng)的接地，最終應當接至電氣系統(tǒng)的接地裝置。

8.2

接地工程的經(jīng)濟約束

接地工程必須考慮經(jīng)濟因素，切不可片面提高某一指標或過分強調某一接地方式而不顧其實施的成本和困難。正確的工程設計方法，可以用簡單易行的方式和相對較低的造價，很好地達到接地工程的目的。

8.3

本質安全系統(tǒng)接地

本質安全儀表系統(tǒng)接地不應是單獨的接地系統(tǒng)，應與電氣系統(tǒng)接地合一。

8.4

防雷接地電阻

防雷接地電阻為沖擊電阻。