浅谈化工仪表系统接地

浅谈化工仪表系统接地

王顺民

湖南百利工程科技股份有限公司常州分公司  江苏常州 213000

摘要：仪表系统接地是化工仪表自控工程设计中不可或缺的一环，合理的接地系统，不仅保障了现场工作人员的人身安全，还提高了仪表自控系统的可靠性和稳定性。本文参照相应的设计规范，结合实际工程经验，阐述了化工仪表接地的分类及做法要求。

关键词：控制系统；仪表接地；等电位接地；共用接地系统

引言

20世纪中期，随着电子计算机的发明和应用，仪表自动化技术在石油和化工行业中得到了很大的推广。各类控制系统，例如DCS（集散控制系统）、PLC（可编程序控制器）、SIS（安全仪表系统）、GDS（气体报警系统）等系统在各类生产机组和化工装置中得到广泛应用。自动化仪表的增加，给工厂带来了“减员增效”的益处，但同时也随之带来了一系统问题：仪表控制系统是否稳定可靠？电气设备投入的增多是否会存在加大触电、火灾或者爆炸的风险？针对这些问题，仪表系统接地的设计及施工就显得尤为重要了。笔者从设计角度，结合实际工作，以及对国家标准及行业规范的解读，浅谈一下化工仪表自控系统仪表的接地问题。

1．仪表接地分类

仪表自控系统接地按其功能可分为两大类：保护接地和工作接地。

1.1保护接地

保护接地，又称安全接地，其设置的主要目的是为了保障工作人员的人身安全和系统设备的稳定运行。其中又可细分为保护接地（狭义）、防静电接地和防雷接地。

通常情况下，用电仪表和控制系统会有部分不带电的金属部分裸露在人员易接触的地方。这部分会在系统出现故障或不正常运行时带上危险电压，此时我们就需要考虑是否需要将这些危险电压接入大地，以免出现安全事故。因这部分原因所做的安全接地便被称为保护接地（狭义）。

所有的材料，不论固体还是液体，都是由千变万化排列的原子组成的。原子有带正电的原子核和负电的核外电子组成。如果两个之前不带电的物质接触，通常在它们的公共边界会产生电荷转移。分开时，每个表面将携带极性相反的等量电荷。如果放置在其他带电荷物体产生的电场中，或者靠近高电位导体，导电性物体就会起电。由于物体的接触分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等原因，使物体正负电荷失去平衡或电荷分布不均，而在宏观上呈现带电的现象。当某种起电因素使物体上静电起电的速率超过静电消散的速率时，物体表面就会出现静电积聚的现象，而静电电场的能量达到一定程度后，会击穿其间介质而进行放电，此时就我们需要考虑是否需要将静电电压接入大地，以免出现安全事故。因这部分原因所做的安全接地便被称为静电接地。

雷电是大气中的一种放电现象，有一定几率击打在仪表及控制系统外露部分，强大的雷电浪涌会损坏仪表设备以及危害人身安全。此时我们就需要考虑将雷电通过接地线导入大地，防止出现安全事故。因这部分原因所做的安全接地便被称为防雷接地。防雷接地保护外部防雷接地和内部防雷接地。外部防雷接地由电气专业负责，不在本文讨论范围之内。内部防雷接地包括电缆机柜的屏蔽接地、浪涌保护器的接地。

1.2工作接地

工作接地是为了保障自控仪表数据的准确度和可靠度而设置的，其中又可细分为回路接地、屏蔽接地和本安接地。

仪表系统信号分为隔离信号和非隔离信号：隔离信号本身就处于绝缘状态，电源也是独立隔离的，因此不需要做回路接地，例如仪表设备内部的电路板；非隔离信号需要建立一个统一的信号参考点，通常为直流电源的负极。

屏蔽接地的设置是防止高频电磁干扰信号对设备内部电路信号产生影响，从而导致自控仪表数据的不可靠。通常电缆屏蔽层、排扰线、仪表上的屏蔽接地端子、不带屏蔽层的普通多芯电缆的备用芯等均应作屏蔽接地。

引起爆炸的需要三个必要条件，缺一不可：爆炸点火所需能量、空气或氧气、可燃气体（粉尘）。本安仪表系统限制的是爆炸点火所需能量：即使线路发生短路或电火花，也不足以点燃周围的易燃易爆气体（粉尘）。本安接地是指本质安全仪表在安全功能上需要接地的部件应做接地。安全栅是设置在本安电路与非本安电路之间的限流、限压装置，以防止非本安电路的危险能量窜入本安电路。安全栅主要分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两种。当故障发生时，由于隔离式安全栅内有可靠的隔离单元，它对地产生电势，但对地电流不可能从可靠隔离单元流向危险区，因此在安全栅的本安电路侧不需要专门本安接地。齐纳式安全栅应做本安接地，隔离式安全栅不需要做本安接地。齐纳式安全栅采用在电路回路中串联快速熔断丝、限流电阻和并联限压产纳二极管实现能量的限制，保证危险区仪表与安全区仪表信号连接时安全限能。齐纳式安全栅如果不接地，若当安全区内配电故障导致一个对地高电势 (交流220V的相线)落在安全栅上时,齐纳管只限制齐纳式安全栅导线之间的电压Uo，但无法限制任何一线对地的电势，该电势将可能被引入危险区，一旦现场仪表对地绝缘隔离不好，对地产生短路，立即产生强大的地电流，这样的高电势和对地电流的能量并没有得到限制，因此，极可能产生火花而引起危险。若安全栅有可靠接地，当同样的故障发生时，齐纳管限制了对地的电势故障电流只能在安全区内流过，这样确保危险区的现场安全。

2．接地原则

依据《SH/T3081-2019石油化工仪表接地设计规范》及《HG/T 20513-2014仪表系统接地设计规范》，现阶段接地设计的原则是独立的等电位连接结构，防电位差影响仪表系统的正常运行，同时兼顾接地电阻值。因此化工仪表控制系统接地应遵循以下几点要求：

（1）各个单独的仪表、设备及控制系统均应采用单独接地线连接到接地汇流排，不得采用任何形式的串联链接的连接方式；

（2）各类仪表、设备及控制系统的接地宜采用分类汇总的方式，最终与总结地板连接的方式，即分类集中接地结构；

（3）各类仪表、设备及控制系统的接地应根据等电位接地的原则，实现等电位接地连接网；

（4）仪表接地应与电气系统接地共用接地装置，应接到电气系统的接地板上；

（5）仪表系统的接地连接电阻（接地端到总接地板这两者之间的电阻值大小）不应大于1Ω，仪表系统的接地电阻不应大于4Ω。（ISA-RP12.06《危险场所仪表的接地实施 第1部分:本质安全》中规定了安全栅接地汇流排与交流电源的中性点之间的连接电阻小于1Ω。在接地资料中提出用两条接地导线重复连接的方法，以便测量接地连接（Grounding path） 电阻，而不是测量接大地（Earthing）的电阻。仪表及控制系统的接地电阻为电气专业的低压配电系统接地装置的接地电阻，根据电气专业有关标准规范确定，一般情况不应大于4Ω。按通过接地极的工频交流电流测量计算出的接地电阻称为工频接地电阻。)

3．接地方法

3.1保护接地

36V为安全电压，是指不致使人直接致死或致残的电压，一般环境条件下允许持续接触的“安全特低电压”。人体接触36V以下的电压，无需考虑电流大小，均不会电死人。当人体接触超过36V以上电压时，90-100mA电流即可致人死命。因此大于36V供电的现场仪表、设备、控制系统等均应实施保护接地。各电流与对人体伤害程度对照如下表：

非爆炸危险环境中，供电电压低于36V的现场仪表金属外壳、金属保护箱、金属接线箱，可不实施保护接地；爆炸危险环境中，由于有易燃易爆气体存在的可能性，因此非本质安全系统的现场仪表金属外壳、金属保护箱、金属接线箱应实施保护接地，本质安全系统的现场仪表金属外壳、金属保护箱、金属接线箱可不实施保护接地。

通常情况，防静电接地有两个目的：1. 防止静电对易燃油、天然气储蓄罐和管道等的危险作用而设的接地；2. 电子行业为降低静电放电损害等而采取的措施。由于本文讨论的是仪表系统的接地，所以不讨论第一种目的。静电产生的能量虽然非常小（一般不超过毫焦级），但可能产生较高的静电电压，静电电压对电压敏感的半导体器件可能造成损害。因此在安装自控系统等设备的控制室、机柜室、过程控制计算机的机房以及金属电缆桥架和非金属桥架的静电汇流线，都应做防静电接地。已经实施了保护接地和工作接地的仪表设备可不做防静电接地。

控制室内的所有金属结构、管道、支架、金属活动地板等应进行等电位连接，并采用导线或直接与接地连接体连接，以消除雷电对仪表自控系统的电容性耦合干扰。仪表电缆的选型和敷设应能使电缆具有双层屏蔽效果。电缆内外屏蔽层应全程与电气导通，内屏蔽层一端接地，以消除雷电引起的电容性耦合干扰，外屏蔽层应至少两端接地，以消除雷电引起的电感性耦合干扰。另外浪涌保护器也是保护仪表不受雷电电涌电流冲击的有效措施之一，但不应以设置浪涌保护器来代替防雷工程（外部防雷接地）。浪涌保护器需接地，信号浪涌保护器的接地线接至机相的工作接地汇流排，电源浪涌保护器的接地线接至配电柜的保护接地汇流排。

3.2工作接地

由于不同接地点的电位并不完全相等，所以回路接地主要是为所有电子仪表建立统一的基准电位，如变送器信号的负端接地，开关量信号的负端接地等，通常的做法是在控制室侧机柜内将电源公共端接至机柜的工作接地汇流排上。汇流排采用单点接地的方式接入电气接地网。对于同时需要在现场和控制室接地的仪表，则应将两个接地点之间做电气隔离，防止形成回路，影响仪表数据的精确性和可靠性。

屏蔽接地主要是防电磁干扰，原理上与防雷接地中的内屏蔽层相同。屏蔽接地的原则也是单点接地以消除电容性耦合干扰。屏蔽接地的做法与回路接地一致，应在控制室一侧接到工作接地，宜先将各信号屏蔽电缆的屏蔽层汇接到端子或接地汇流排。屏蔽接地应保持屏蔽层的全程电气导通，当现场设接线箱时，屏蔽层需在接线箱内跨接。

隔离式安全栅由于自身的特性无需接地，所以本质安全系统接地通常讨论的是齐纳式安全栅接地。从电路接线上，齐纳式安全栅是串联在仪表信号回路的，因此接地是分不开的。本安系统接地的工作原理和作用与仪表工作接地不同，类似于设备保护接地。仪表信号是由直流电源供电的，为使安全栅能在直流电源故障时实现对危险场所的保护功能，安全栅接地与直流电源的公共端相连接。安全栅的安装导轨兼做接地汇流排。

4．接地系统

通常将接地导线、接地连接导体、接地汇流排、接地板、接地装置等连接在一起的接地网络称为接地系统。

接地导线起连接作用，贯通各处，应采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆，标识颜色通常为黄、绿相间两色或绿色。接地导线的截面宜根据接地连接类型按下列数值选用：室内安装的单台仪表的接地连线：1mm2~2.5mm2 ；现场仪表或接线箱的接地连线：2.5mm2~4.0mm2；机柜内汇流排或汇流导轨之间的接地连线： 4.0mm2~6.0mm2；接地分干线：4.0mm2 ~16mm2；机柜到接地汇总板或汇总板之间的接地干线：10mm2 ~25mm2；接地总干线: 16mm2 ~50mm2；接地装置引出线: 25 mm2~70 mm2。通常情况保护接地、接地总干线连线采用绿色接地线；工作接地连接线采用黄、绿相间两色接地线。各类接地线中，不应接入开关或熔断器。

接地连接导体宜采用截面积尺寸40mmX4mm (宽×厚)的铜材或热镀锌扁钢，接地连接导体之间应直接焊接，当需要导线连接时直采用截面积为25mm2~70m2的绝缘多股铜芯导线焊接或压接。接地排之间、接地排与接地连接导体之间、接地连接导体之间、接地连接导体与其他钢材之间的连接应采用焊接的方式，焊口处至少应有两条纵向焊缝，焊缝的焊接总长度应大于160mm，焊接部位应做防腐处理。

接地汇流排宜采用25mmX6mm （宽X厚）的铜条制作，也可用连接端子组合而成。

接地系统的各接地汇总板可在地板下的适当位置设置，应采用铜板制作，厚度不应小于6mm，长、宽尺寸应按需要确定。

仪表系统接地与低压配电系统接地及防雷系统接地共用接地系统，各类接地设施、接地连接、接地设备、等电位连接系统及接地装置连接成一个接地系统。各类接地应按其不同的用途分类汇总，不可发生混接。

5．结束语

仪表控制系统需要设计人员深入研读各类标准规范，烂熟各类接地的抗干扰原理和解决方法，同时与电气等相关专业密切沟通，才能正确合理设计仪表系统接地，只有用科学合理的接地保护才能让仪表控制系统减少各类型的干扰，方可安全可靠稳定运行。

参考文献

【1】李涛，陈鹏等HG/T20513-2014仪表系统接地设计规范 中国计划出版社 2014

【2】叶向东，冯欣，杨刚 SH/T 3081-2019 石油化工仪表接地设计规范 中国石化出版社 2019

【3】巫祥，石林 HG/T 20675-1990 化工企业静电接地设计规程 化工部工程建设标准编辑中心 1990