1刘世起 2.林海3.曹珠东
1宁波水艺膜科技发展有限公司 浙江宁波 315336; 2 中国海诚工程科技股份有限公司 上海 200031; 3宁波东君工程技术有限公司 浙江宁波 315100；
摘要：结合仪表及控制系统接地的工作原理，根据有关规范，讨论了接地工程的设计方法和一些实际问题。
关键词：仪表及控制系统；接地；接地网；接地连接；接地规范；接地电阻 抗干扰
随着工业的进步，造纸机控制系统是越来越复杂，包含了DCS、MCS、QCS、WIS、传动、智能MCC、复卷机、分切机、纸卷输送系统等多个子控制系统，现场干扰复杂，高低频干扰、静电干扰等，系统对稳定性要求也越来越高，当然对接地系统要求也越来越高。良好的接地系统能保证整个控制系统及其仪表设备的安全、稳定工作起到关键作用。
接地系统不是一个新的概念，很多问题早有结论，也有正确的设计方法。但在部分工程技术人员中，仍存在一些模糊概念和疑虑。本文主要以某新建卷烟纸机产线接地系统为蓝本说明纸机接地系统的设计及其应用，及其现场一些干扰及其问题处理。本案车间级采用接地网型设计， TN-S供电系统，电气接地和仪表及其控制系统接地公用设计，结合仪表及控制系统接地的工作原理，根据有关规范，讨论了接地工程的设计方法和一些实际问题。
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图一
一、什么是接地，为什么要接地？
1、将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极称为接地。连接到接地极的导线称为接地线。接地极与接地线合称为接地装置。若干接地体在大地中互相连接则组成接地网，接地线又可分为接地干线和接地支线。按规定，接地干线应采用不少于两根导体在不同地点与接地网连接。电力系统中接地的点一般是中性点。
2、仪表及控制系统接地的目的主要有两个：
一是保护人身安全和电气设备的运行安全，包括保护接地、本质安全系统接地、防静电接地和防雷接地等，称为安全接地或保护接地；
二是信号传输和减少干扰的接地，称为工作接地或参考接地。这两种接地的目的不同，接地连接方法也有所不同，但两者又是相关的，不能截然分开。
二、接地系统设计包括哪些内容？
1、保护接地（PE）： 即为保护仪表和人身安全的接地，又称安全接地（PE）。
2、工作接地(TE)：即仪表及控制系统正常工作所要求的接地，它包括信号回路接地和屏蔽接地，接入DCS柜子底部的TE接地排，如图二所示，这是Honeywell DCS系统提供的接地要求。
1）信号回路接地：信号回路接地中的信号又可分为非隔离信号和隔离信号，一般来说，非隔离的信号需要建立一个统一的信号参考点，应进行信号回路接地（通常为直流电源负极）。隔离信号可以不接地，但是隔离应当是每一输入（出）信号和其他输入（出）信号的电路是绝缘的，对地是绝缘的，电源是独立的且相互隔离的。
2）屏蔽接地：为避免电磁场对仪表和信号的干扰采取的接地，现场仪表一般采用单端接地方式，即采取机柜侧汇流排接地,接入TE接地排。
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图二
3、防静电接地：在实际工程中，基本上所有仪表设备都已经做了保护接地和工作接地，而做了保护接地和工作接地的仪表和设备，不用单独做防静电接地，与其他接地系统共用接地装置。比如QCS扫描架本身的导静电拉丝绳连接到纸机基础附近的接地装置上去，要求接地连接电阻（Bonding resistance）小于1Ω，通常25mm2铜线接入附近接地桩。纸页因为化学助剂和胶辊的原因，纸页出二段干燥部后，尤其是软亚光之后，静电高达20kv以上，之后的WIS和QCS测量之前，纸页面静电必须消除到1kv以下，再次之前需要增加静电消除装置，我们在使用的过程，发现使用碳纤维静电刷可能更加方便和经济，比离子风装置更加经济可靠。
4、防雷接地，防雷接地是一个系统工程，仪表及控制系统的接地是防雷接地的一部分内容，通常属于电气专业的范畴，因为有非常明确的做法和规范在这里不做详述。
5、本安接地，即本质安全仪表正常工作时所需要的接地，造纸行业本安接地很少涉及，在这里就不多赘述。
以上说了这么多种接地，那么各接地极和接地系统是否可以共用？答案是肯定的，因为是车间设计是接地网设计，共大地，在+0.5m、+6.5m高度间隔一段距离设等电位箱，可直接接入，现在新的一些设计规范都明确共接地、等电位设计，尤其在造纸厂等大功率电器、电磁干扰严重的厂房设计。例如：在控制室内使用防静电活动地板时，应做静电接地。静电接地是可以和保护接地合用接地系统，但应注意不得使用电气供电系统的中线作静电接地；另外特别说明一点，因为在造纸车间设计过程中，通常仪控专业和电气专业是分开的，比如防雷接地和和电气保护接地和仪表各个接地是不同专业负责分工的，接地点引入时要协调好。在MCC室内部的接地引入点，变压器等保护接地点和仪表地要保持一定距离；保护接地和工作接地和防雷接地接入位置要保持5m以上的距离；各类配电柜的保护接地最好和控制系统保护接地分开（配电柜使用黄绿接地线单独分别引至接地等电位箱。）
三、一些现场接地的做法
1、现场仪表的接地
1）、绝大多数现场仪表的工作接地一般应在控制室侧接地，即原则为单点接地，接入控制柜的TE接地排。
2）、对于要求或需要在现场接地的现场仪表，应在现场侧接地。此类仪表例如有：电磁流量计、浓度计、定量阀等，另注意一点，电磁流量计的传感器法兰之间的接线需要跨接，两片法兰使用1.5mm2-2.5mm2黄绿双色线做好跨接。
3）、对于现场仪表要求或需要在现场接地，同时又要将控制室接受仪表在控制室侧接地的，信号回路中要考虑避免产生接地回路，应将两个接地点作电气隔离，例如在控制室侧加电气隔离器。
5、现场总线仪表的接地比较特殊一些，现场总线仪表信号是数字传输，易受到电磁场的影响，因此一般来说需在总线线缆的屏蔽层的两端接地，通过屏蔽层建立一个理想的法拉第笼，以避免通信信号受到外界电磁场的干扰。在不能确定控制室与现场之间有良好的等电位接地系统时，宜在总线信号电缆屏蔽层的现场端直接将屏蔽层接地，而电缆屏蔽层的另一端通过电容与接地系统连接。这样做的理由是基于电容对直流（DC）和低频交流（AC）的隔离作用，电容性接地可防止循环地电流。对高频导通，从而对电磁干扰构筑起一个密闭屏蔽网络（法拉第笼）。屏蔽电容的规格是：固态电介质，电容C≤10nF，试验电压V≥1500V。
2、接线箱的接地
现场仪表接线箱两侧的电缆的屏蔽层应在箱内跨接。现场仪表接线箱内的多芯电缆备用芯宜在箱内做端子连接。
3、控制室相关设备的接地
1、电涌防护器的接地
在接地工程中，很多时候需要用到SPD，即电涌防护器，它的接地要求如下：
1）仪表信号的电涌防护器的接地线应接到工作接地汇总板（TE Bar）
2）仪表供电的电涌防护器的接地线应接到保护接地汇总板（PE Bar）
2、直流电源的接地
直流电源的负端必须接到本机柜的工作接地（TE）汇流排，不设工作接地汇流排的情况应经工作接地干线接到工作接地汇总板。
3、机柜的接地
一般来说控制室或机柜间内有各种类型的机柜，需根据需要接保护地和工作地，为方便起见，我列出表格对比一下。
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提到机柜接地，有一点比较特殊，就是DCS机柜是否需要对地浮空。
1)机柜对安装地面的浮空,是指机柜柜体和安装地面间是否绝缘,而不是柜不接地。
2)当机柜不浮空而且和机柜间不绝缘时（比如有基础槽钢时），有可能因Va不等于Vb，在A--接地汇流排---接地连接线---机笼---机柜---B---安装槽钢之间形成环流，对DCS会产生一定的干扰。干扰的大小和Va和Vb之间的差值大小有关。见如图三所示：
3）所以在机柜和安装槽钢间绝缘是有利于系统抗干扰的。
4）由于现场处理机柜对安装槽钢的绝缘是一件很麻烦的事，既要在机柜和安装槽钢间加绝缘垫，而且还要在安装螺栓和机柜、安装槽钢间进行绝缘处理。
5）如果机柜的安装槽钢作等电位接地；同时将接地汇流排和槽钢相连。这样，一旦槽钢上出现高电压，可以不通过系统直接释放。则机柜和安装槽钢间可以不作浮空处理。
6）此时DCS系统的接地联接仍然采用分类汇总的原则连到接地汇总板上。如图四所示：
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4、操作台的接地
一般来说操作台只需要接保护地。
5、机柜基础及防静电活动地板的接地
机柜基础、防静电地板及活动地板下所有外露可导电金属设施均应接至机柜间内电气专业敷设的接地干线（通常为扁钢），扁钢再与总接地极相连。
6、接地线敷设注意事项
通常采用DT型铜接线端子压接，同一压接点不应压接多条导线，接地线按最短路径敷设，做到各连接点牢固可靠，在保护接地和工作接地接到总接地板之前，任何接地点不可短接。
4、仪表电缆桥架及保护管的接地
1、仪表电缆桥架、电缆保护金属管应做保护接地，可直接焊接扁钢或用接地线连接在附近已接地的金属构件或金属管道上，并应保证接地的连续与可靠，但不得接至输送可燃物质的金属管道。本着多点接地的原则，工程上建议每隔小于30米设一个接地点。
2、仪表电缆槽、电缆保护金属管的连接处，应进行可靠的导电连接。交接处宜采用跨接线连接，在接地连线和跨接线的金属连接面宜涂导电膏。
5、铠装电缆接地
当使用铠装屏蔽型电缆，铠装层两端或多点接地，最内层屏蔽一端接地。
四、一些接地干扰及其故障现象及其处理方法
在这里主要讲一下比较特殊及其非常规的故障表现和处理方法，常规的比较容易发现及其解决的问题这里就不一一赘述，在现场实践过程中，会碰到一些实际问题，以下就是在现场中发现或遇到过的一些典型案例，和大家分享一下。
1、QCS是造纸测量的核心，目前高速造纸机重量、水份（Moi）、灰分（Ash）、不透明度、厚度等都可以在QCS中进行测量和控制，其中灰分测量对静电是最敏感的，比如某次在生产过程中，开始出现灰分波动很大，把灰分（Ash）上料打到手动，仍然波动很大，故判断是来自扫描架问题。经检查发现，扫描架有一根不锈钢拉绳脱落了，作用就是消除静电的，因为隐藏在盖板内部，不易发现，检查很久才确认是此问题；另外在安装时接地连接电阻（Bonding resistance）小于1Ω是必须的，需要认真检查，因纸页若在进扫描架之前无除静电装置，个别纸种静电高达20-30kv，严重时可能造成灰分传感器故障，及其损毁。
2、在调试时，校线过程中发现一个现象，DCS和传动控制电压24VDC对地有15V左右，220VAC对地也有105V左右，两相正常，非常奇怪，检查接线没有问题，所有接线完全按照设计及其接线表接线。最后发现UPS出线N线没有接地，在TN-S系统中，隔离变压器后中性点需要接地，因为规范很多，要求也不一样。UPS厂家过来调试安装时，完全按照机房常规做法接线，在这里中性点必须接地，否则就会出现在查线时，现场工作人员没有基准，认知混乱，比如在现场仪表侧，测量带电、通断问题，完全无法检查。
3、总线故障：通讯电缆一定要做等电位接地连接，屏蔽层要要用卡子压住，否则就会出现偶发性的故障报警，下图是一个比较标准的屏蔽电缆等电位接地图例。所有DP通讯线在连接设备之前未作屏蔽层的重复接地处理；通讯线进出主柜及操作箱亦未作屏蔽层重复接地处理；电缆屏蔽层耦合到的感应电流会顺着屏蔽层及插头的金属连接部分流入所连接的设备，造成通讯干扰及损坏通讯口，如右图五所示；另外一个细节注意是动力电缆和通讯电缆不要并行铺设，最好一侧走动力电缆，一侧走信号及其通讯电缆。
4、等电位连接：在空间是分开的设备组件之间可能存在电位差，这类电位差可能存在高均衡电流，从而毁坏它们的接口，若两端都采用屏蔽电缆，并在不同的设备部件处接地，便会产生均衡电流，比如DCS和传动系统或QCS系统连接时，都要注意这些问题。当系统连接不同电源时，便会产生电位差。
在此说明一下，系统电源统一的必要性，一个系统尽量一个电源，这样输出电位基准是唯一的。
等电位连接的常规要求，必须通过等电位连接消除电位差，确保系统组件在运行时不会出现故障。因此在安装等电位连接电路时，必须遵守以下规定：若两个设备备件通过屏蔽电缆互连，并且其屏蔽电缆层在两端都连接到接地/保护导体上，则额外的敷设的等电位连接电缆阻抗不得超过屏蔽电阻的10%；等电位连接导线横截面必须能够承受最大均衡电流。根据已往经验，横截面最小为16mm2的电位连接导线效果最佳；使用合适的电缆夹头加紧等电位连接导轨上数据线屏蔽层。尽可能缩短设备和电位连接导轨的电缆长度；
结束语
接地网是对于电磁环境复杂工厂是一个很好的接地方法，对于现场仪表及其控制设备稳定性提供了很好的保障。仪表保护接地和工作接地实际是和低压供配电系统是一体的，只是引入点不一样，实际是共地的。保护接地和工作接地的作用是建立公共的参考电位和降低了接地电流在线路上的电位差，接地网等电位连接很好的实现了这个目的。在现场施工的过程中除了按照规范施工之外，还要考虑现场施工的可行性和方便性及其工程习惯。
参考文献：
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