接地综合项目工程设计

控制系统接地工程设计3.1接地基本概念3.1.1概述从电气特性来看，自然界土壤地层有两大特性：导电，导电率为10-3至10-1S/m，相对介电常数为5至15F/m，介于良导体和绝缘体之间，因导电，故可将用电设备和地之间构成电气连接。2）具备无限大容电量，故可以把土壤地层理解为等电位点或等电位面，成为电路或系统基准电位，即电位参照系。接地作用有二：1）保护人身和设备安全，如保护地、防雷地、本安地、防静电地等；2）抑制干扰，即为信号电压或系统电压提供一种稳定电位参照点。如工作地、屏蔽地、模仿地、数字地等。上述各种接地名称，都是按接地用途命名。同一种接地装置往往具备各种接地用途。接地系统在概念和技术上，近十年发生了很大变化，其中最重要转变是：此前接地系统与否合格以接地电阻值为准，当前侧重于接地构造兼顾接地电阻值，特别是从独立接地到采用共用接地网等电位连结方式转变。等电位连接就是将分开装置、诸导电物体用等电位连接导体或浪涌保护器连接起来，以减小雷电流或其他干扰电流在它们之间产生电位差。为干扰及雷电流提供低阻抗持续通道泄放到大地。由于等电位连接减小了系统内各金属部件和各系统间电位差（但并非是真正等电位体），无论是从防雷角度或者是从减小控制系统共模干扰来看，这都是十分有益。由于采用共用接地网等电位接地方式具备其他接地无法比拟优势，因此等电位接地方式应当是控制系统接地首选方式。据查证，世界上最早提出等电位接地方式是国内在1958年建设北京人民大会堂时笼式接地网，比起英国GOLDE在[雷电]一书中提及要早十八年。但在原则中浮现等电位接地是1999年“IEC61312-2”，国内3.1.2接地系统构造从工业应用角度来看，当前控制系统普通有单独接地及等共用接地两种方式。单独接地这种接地方式是将控制系统保护地接入电气安全接地网，工作接地采用“独立”、“干净”接地装置与大地相接。由于在一段电源保护地线两点间会有数毫伏，甚至几伏电位差，这对低电平信号电路来说，是一种非常严重干扰，因而控制系统工作地不要和保护接地在柜内就混用。2）共用接地共用接地是以等电位观点为主体思想多点连接，即设备和装置外露可导电某些电位基本相等电气连接。其中涉及构造钢筋、金属设备、管道等，进而和接地极相连。所谓多点是指建筑物基本钢筋、地下金属管道、埋地电缆金属外皮都成为较好接地极。和单独接地相比，共用接地有如下特点：1）如在爆炸危险场合，因电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位存在地电位差，这地电位差可以使连接在不同地点设备产生电火花引起爆炸或损坏设备，无法保障人身和控制系统安全。如采用共用接地实行等电位连接，由于建筑物各处均为等电位，从而就可减小或避免这种危险发生。2）由于建筑物各处均为等电位，减小了进入控制系统电子线路共模干扰。3）实行以便。如果电气专业已把全厂地下管道、地下构造、接地体连成一种统一共用接地网时，此时控制系统再单独接地并规定其接地点和电气接地网相距至少要5m以上，和建筑物防雷地相距至少要20m以上，这在现场有时是很难做到。4）和控制系统关于规范原则[1]对等电位连结时接地连接（Bonding）电阻，即接地通路（Path）电阻总和不不不大于1欧姆；而对接地极对地电阻普通规定不不不大于4欧姆。这两个数值对采用共用接地网等电位连接是不难做到。3.1.3S型星形构造和M型网形构造等电位连接采用共用接地网实行等电位连接网络有S型星形构造和M型网状构造两种基本构造。1)S型星形构造S型等电位连接网络是控制系统组件仅通过唯一一点（ERP）组合到接地系统中去，如图3.1所示。在这种状况下，为避免产生感应环路，组件间应绝缘。2)M型网状构造M型等电位连接网络是控制系统组件通过多点连接组合到接地系统中去。此时，各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘，如图3.2所示。M型等电位接地网络宜用于延伸较大开环系统，并且在设备之间敷设有许多线路和电缆，以及设施和电缆从若干处进入系统。在复杂系统中，还可以将S型和M型两种等电位连接网络组合在一起。图3图3.2M型网形构造图3.1S型星形构造图3.3和图3.4为S型接地连接例子。TN-S制中TN-S制中PE线图3.3仪表及控制系统S型接地连接图3.4电子信息设备机房S型等电位连接网络示意图图3.5和图3.6为M型接地连接例子。图3.5M型（网格式）接地方式例子图3.6电子信息设备机房M型等电位连接网络示意图3.1.4接地系统耦合1）串联接地和耦合图3.7串联接地串联接地如图3.7图3.7串联接地VA=（I1+I2+I3）R1；VB=VA+（I2+I3）R2；VC=VB+I3R3。可见A、B及C点间存在一定电位差，其中A和C点间电压差可达（I2+I3）R2+I3R3，如果该电压差变化较大，则电路间会因各电路地电流通过地线阻抗而产生耦合，导致各电路之间基准电压不一致，从而产生干扰，因此不推荐使用。相应在工程中，不适当将控制柜接地汇流排实行串联接地。2）并联接地和分类汇总并联接地如图3.8所示，由图可知：VA=I1RI+VD；VB=I2R2+VD；VC=I3R3+VD；VD=（I1+I2+I3）R4。图3.8并联接地由图可知，如R4作为接地电阻应愈小愈好。如果咱们把D点作为参照电位，则任何一种电路地电位只受这个电路自身地电流和它地线自身阻抗影响。由于并联接地可以减少因地电流引起电路间耦合，因此在关于接地原则里，各种用途接地系统强调要“分类汇总”，汇总点D离地接入点要愈近愈好。3.1.5工频接地电阻和冲击接地电阻由于流入地中电流错综复杂，有工频电流，计算机系统高频电流以及雷击时脉冲电流等等。流过电流频率不一，接地系统所呈现阻抗性质也不同样，有人称之谓接地系统频率特性。就拿工频电流和雷击时脉冲电流来说，接地系统接地电阻就有工频接地电阻和脉冲接地电阻之分。它们之间换算关系为：Ra=ARi（3.1）式中：Ra---工频接地电阻（欧姆）；A----换算系数，它取决于土壤电阻率、接地体最长支线实际长度L（见图3.9a）和有效长度Le，普通A取值范畴是不不大于1，不大于3，其数值可按图3．9b拟定；Ri---冲击接地电阻（欧姆）。接地体有效长度应按下式拟定：（3.2）式中：ρ──敷设接地体处土壤电阻率（Ω·m）。由式（3.1）可知，同一种接地装置，其工频接地电阻值要不不大于其冲击接地电阻值；因此测出工频接地电阻值是合格话，普通冲击接地电阻值也会满足规定。图3.9a接地体有效长度计算图3.9b换算系数A3.1.6接地系统产生电磁干扰1）接地系统有来自不同地方电流（如电气设备漏电流），由于接地系统存在阻抗，因此就会产生电压降。这个电压降就是导致电磁干扰干扰电动势，并且正比于接地电阻大小，这种干扰电动势也称为“公共阻抗耦合”。2）接地系统连接也许存在回路，则外部电磁场就也许通过“电感性耦合”产生感应干扰电动势。由此可见：1）减小接地电阻（公共耦合阻抗）有助于控制系统抗干扰，但会增长投资。2）接地系统连接应避免产生回路。3.2交流供电系统接地3.2.1低压配电系统接地制式低压系统接地制式按配电系统和电气设备（涉及控制系统）不同接地组合来分类。按照IEC原则规定，低压系统接地制式普通由两个字母构成，必要时可加后续字母。由于IEC原则以法文作为正式文献，因而所用字母为相应法文文字首字母。第一种字母表达电源接地点对地关系：T表达直接接地，I表达不接地（涉及所有带电某些与地隔离）或通过阻抗与大地相连。第二个字母表达电气设备外露导电某些（如DCS机柜）与地关系：T表达独立于电源接地点直接接地，N表达直接与电源系统接地点或与该点引出导体相连接。后续字母表达中性线（N）与保护线（PE）之间关系：C表达中性线（N）与保护线（PE）合并为PEN线；S表达表达中性线与保护线分开；C-S表达在电源侧为PEN线，从某点分开为N及PE线。按低压系统接地制式划分有TN-S、TN-C、TN-C-S、TT、IT等五种。1）TN-C系统（见图3.10）这种系统有简朴、经济长处。但是当三相负载不平衡或有谐波电流时，PEN线中有电流，其所产生压降会呈当前电气设备外壳上，有时可达运营电压5%以上，这对敏感性电子设备不利，它不合用于防爆环境内。图3.10TN-C系统2）TN-S系统（见图3.11）该系统相对于TN-C系统最大特点是N线和PE线是分开，由于在正常时PE线上不通过负荷电流，因此与PE线相连电气设备金属外壳在正常运营时也不带电位。由于多拉一根线，因此在价格上要贵一点。图3.11TN-S系统3）TN-C-S系统（见图3.12）该系统前端是TN-C系统，背面改为TN-S系统。图3.12TN-C-S系统4）TT系统（见图3.13）TT系统内，电气设备金属外壳单独接地，与电源在接地上无电气联系。其长处是避免发生故障时，将故障电压蔓延。缺陷是接地故障电流不大于正常负荷电流时，自动开关不能切除故障，设备外壳上会带百伏级电压，人身安全无法保证。图3.13TT系统5）IT系统（见图3.14）该系统没有配出中性线，电源系统不接地。合用于大型电厂厂用电。图3.14IT系统3.2.2有关原则对控制系统采用TN-S系统规定由于TN-S系统最大长处是在正常时PE线上不通过负荷电流，因而与PE线相连电气设备金属外壳在正常运营时也不带电位（即等电位）。再则，控制系统电源由低压配电系统提供，因此控制系统保护接地也应属于低压配电系统接地系统，并接入电气专业低压配电系统接地网，即等电位共用接地网。因此许多规范原则都采用这种接地制式。例如：（1）《建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB50343-）》第5.4.1条作了下列强制性规定：“电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时，配电线路必要采用TN-S系统接地方式。”（“建筑物防雷设计规范GB50057-94”第6.4.1条也如此规定。）（2）《石油化工仪表接地设计规范（SH3081-）》第3.1.2条规定：“控制室用电应采用TN-S系统。整个系统中，保护线PE与中线N是分开。”虽然控制系统有时需要仅仅是单相交流电源，但在考虑接地系统设计时，必要要考虑该单相电源所在三相电源接地制式。3.3接地电阻由于土壤是由不同土壤颗粒和其间隙中存在水和空气构成；再则，接地体形状、尺寸又不一，因此接地电阻有非常复杂性质。3.3.1接地电阻定义1）定性解释过去，有人以为接地电阻涉及接地体自身电阻、接地体与土壤间接触电阻、接地体附近土壤电阻、接地体至电气设备间连接导线电阻四者之和。其中，接地体附近土壤电阻是重要，接地体自身电阻和接地体与土壤间接触电阻可以忽视不计。还一种说法以为，从仪表、控制设备接地端子到总接地板之间导体及连接点电阻总和称为联结电阻；接地极对地电阻和总接地板、接地总干线及接地总干线两端连接点电阻之和称为接地电阻（见图3.15）。这种说法是由于它对联接电阻和接地电阻分别提出了不同规定。其实，这两种说法均不甚严密。图3.15接地连接示意图2）定量定义假设在某一电极上流入接地电流I，若接地电极电位比周边大地高出E时，其电位上升值与接地电流之比E/I即为接地电阻（引自“高桥健彦（日），接地技术，科学出版社，”）。II电位上升E接地极图3.16接地电阻定义电源主接地电极电源主接地电极I辅助电极图3.17测量接地电阻可操作性该定义必要要和测量可操作性结合起来。上述定义必要要有两个条件：1）要使接地电流流向接地极，必要要有一种闭合回路，即还要向大地打入另一种辅助电极A。2）接地电极电位上升，必要以大地无限远点为基准。所谓无限远点是指虽然有接地电流，电位也不变动地点。图3.18接地电阻测量通惯用电位降法测接地电阻，其原理如图3.18图3.18接地电阻测量图中T---被测接地体；P---接地棒；A---辅助接地体。测量时，T、P、A极普通各相距20米，并成直线排列。或PT之间距离为AT之间距离0.618倍。这样用欧姆定理就可计算出接地电阻Ra=V/I（3.3）离接地极相称远时，由于电流通路截面积变得非常大，即便土壤导电性不良，电阻依然很小。但是在接地极附近，由于电流通路截面积不是很大，接地电阻才呈现一定电阻值。即接地电阻重要取决于接地极附近接地电阻值，并和接地极形状大小关于（见图3.19）。普通以为，90%以上电阻集中在接地极周边20m左右土壤中，而其中70%左右电阻又集中在接地极周边2m左右土壤中。截面积大截面积小I截面积大截面积小I图3.19电流通路截面积因此可以以为接地电阻大小重要取决于下列两个因素：1）接地体附近土壤电阻率；2）接地体形状，它影响到土壤里电流场截面大小。即：R=ρ·f（3.4）式中：ρ——大地电阻率（Ω·m)；f——由电极形状和尺寸决定函数（1/m）。3.3.2接地电阻理论值为了设计接地系统，必要要懂得接地电阻理论值计算。1）接地电阻理论值导出为了理论上比较容易解决，现以半球状电极为例进行讨论。图3.20表达半球状电极接地模型。假设辅助电极位于相对主接地电极无限远点，接地电流从电极表面向周边大地呈放射形流出。如果辅助电极很近，电流分布就不是放射状了。图3.20半球状接地电极模型图3.21半球状接地电极当前思考从半球状电极（半径r）流出接地电流通过许多同心球状大地某些，如图3.21所示。设图中画有斜线某些与电极中心距离是x,厚度dx某些电阻是dR,大地电阻率是ρ，则有（3.5）可以以为式（3.5）与电阻体式子R=ρ·L/S是等效。其中，ρ为电阻率，L为长度，S为截面积。将式（3.5）从电极表面r积分到r1就可以求出总接地电阻（3.6）由于接地电阻是从电极到无限远处所有电阻，如果r1为无限大，则1/r1等于零，则式（3.6）为（3.7）当前，用如下两个观点阐明该理论式。一方面是关于电流通路截面积，从图3.21可以看出随着电极半径增大，其接地电阻按1/r1成比例减小。即因截面积（2πr2）变大而使接地电阻收敛。再看接地电阻表达式（3.4）。分解半球状电极接地电阻计算式（3.7），可得（3.8）函数f某些是1/2πr,其量纲为1/L。2）垂直棒电极接地电阻（3.9）或者（3.10）lltrρ图3.22垂直棒电极一种单独接地体设计如图3.23所示。图3.23单独接地体设计图3.23是最常用一种接地体。由于地表下0.15米到0.5米处土壤处在干湿交界地方，接地导体易受腐蚀，因此普通规定接地体埋深不不大于0.6米。考虑到接地体互相屏蔽影响，因此接地体间距不适当不大于其长度2倍。为了抗腐蚀，材质可用镀锌扁钢和镀锌角铁。也可用铜。该接地体接地电阻值是上述单根垂直棒电极接地电阻三分之一。3）扁带状电极接地电阻（3.11）或者（3.12）ttlab图3.24扁带状电极4）板状电极接地电阻（3.13）aabt图3.25板状电极5）接地网接地电阻简易计算（3.14）式中：S——地网总面积，平方米。关于这个简朴计算公式，有过一段国际趣闻，同样一种大型地网，美、日学者用计算机算，中华人民共和国学者用该公式人工手算，成果三人计算成果只差百分之几。道理很简朴，地网接地电阻重要取决土壤电阻率和地网面积。如果网格比较密，可按前述板状电极进行计算。3.3.3减少接地电阻办法1）减少土壤电阻系数减少土壤电阻系数办法有：（1）对土壤进行解决，如在接地体周边土壤中加入食盐、木炭、电石渣等，缺陷是易流失，有腐蚀性。（2）换土，如换成黏土、黑土、沙质黏土等电阻率较低土壤。（3）运用长效降阻剂，长效降阻剂是由几种物质配制而成，它具有导电性能良好强电解质和水份。（4）钻孔深埋法，接地体长度普通为5至10米，再深效果不明显。（5）采用导电性混凝土，在水泥中掺入碳质纤维作为接地极使用。（6）引入无腐蚀污水。（7）运用水和与水接触钢筋混凝土体作为流散介质。（详见“陈家斌[接地技术与接地装置]”第388-400页）2）采用新型接地系统---IEA电解离子接地系统一种新型离子接地系统，它构造某些采用防护性较好金属，内部填充由电解物及其载体组分构成内填料，外部包裹导电性能良好不定性导电复合材料（即外填料）。图3.26IEA电解离子接地系统图3.26是美国ATI公司新型接地系统---IEA电解离子接地系统，该系统是由先进陶瓷复合材料、合金电极、中性离子化合物构成。其内部采用特制电解离子化合物，通过电极顶部呼吸孔吸取空气和土壤中水分，使化合物潮解形成电解液，渗入到周边土壤中去，减少土壤电阻率，从而减少接地电阻。该合金电极连接采用火泥熔接技术，以保证连接可靠性。这种接地系统接地电阻可在1欧姆如下，使用寿命不不大于25年（普通钢仅为3-5年）。3.3.4接地材料选取接地材料普通有：镀锌钢材；铜；美国ATI镀铜钢（寿命可达30年）；非金属材料和电解质（四川中光）。由于铜导电率是钢8倍，铜耐腐蚀性也比钢好，铜材接地系统性能稳定、可靠、免维护，寿命长。因此作为接地材料铜优于钢。但铜单价是镀锌钢4-5倍（铜---不大于0元/吨，镀锌钢---4000元/吨）。3.3.5土壤电阻率测量A.土壤种类和电阻率土壤种类和其电阻率如表3.1所示。表3.1土壤电阻率土壤种类电阻率（Ω·m）沼泽地及泥地80～200粘土质砂地150～300砂地250～500砂岩及岩盘地带10,000～100,000混凝土（基本构造体）38～80B.等距法（文勒法）测土壤电阻率四个小电极成直线排列，相距为a（见图3.27）,所测电阻为R，则电阻率为：ρ=2πaR=2πaU/I（3.15）AAVaaaaa图3.27等距法（文勒法）测土壤电阻率在布电极时，为了减少测量误差，应取a≥10h,h为测量电极埋设深度，这样可近似将电流极看作是半球电极来解决，依照式（3.7）就不难得到土壤电阻率计算公式。3.3.6接地网接地电阻测量可以运用等腰三角形布电极法测量接地网接地电阻值，其布线应按图3.28来实行，普通应取d≥2D，D为接地网最大对角线距离。2302300ddD1图3.28采用等腰三角形布电极法测量接地网接地电阻值3.3.7接地电阻季节因数由于土壤电阻率是随季节（温度和含水量）变化，土壤电阻率在冬季最高。规范所规定接地电阻事实上是接地电阻最大允许值。为了满足这个规定，接地电阻要达到：R=Rmax/ω（3.16）式中：Rmax——接地电阻最大值；ω——季节因数，惯用值为1.45。因此，Rmax=10Ω，R=6.9Ω；Rmax=4Ω，R=2.75Ω；Rmax=1Ω，R=0.69Ω。3.4接地系统实行3.4.1构成接地系统各某些名称依照化工行业自控设计原则（HG/T20513-），并相应于图3.15，接地系统构成各某些如图3.29所示，它涉及接地连接和接地装置两大某些。从而给接地系统各构成某些有一种统一名称。接地连线接地连线接地汇流排接地分干线接地汇总板接地干线总接地板接地总干线接地极接地联接接地装置接地系统图3.29构成接地系统各某些名称3.4.2接地方式选取仪表和控制系统接地方式选取，应：1）当公司已把建筑物（或装置）金属构造、基本钢筋、金属设备、地下金属水管等形成一种共用接地网时，仪表、控制系统各类接地也应汇接到该共用接地网，实现等电位连结。这是首选原则。2）当公司尚未形成共用接地网实行等电位连结，仪表、控制系统如采用单独接地，但保护接地应接到电气专业保护接地装置上，工作接地如采用单独接地体并与电气专业接地体须相距5m以上，和建筑物独立防雷地相距20m以上。为了防止雷电反击，还3.4.3接地系统连接办法A.现场仪表接地连接办法现场仪表接地普通可遵循如下规定：1）对于现场仪表电缆槽、仪表电缆保护管是每隔30米用接地连接线与就近已接地金属构件相连，并应保证其接地可靠性及电气持续性。仪表外壳以及现场接线箱金属外壳等也应就近接地。禁止运用储存、输送可燃性介质金属设备、管道以及与之有关金属构件进行接地。2）现场仪表工作接地普通应在控制室侧接地。3）对于规定或必要在现场接地现场仪表，如接地型热电偶、PH计、电磁流量计等应在现场侧接地。4）对于现场仪表规定或必要在现场接地，同步又规定将控制室接受仪表在控制室侧接地，应将两个接地点作电气隔离，以免产生对地回路。5）现场仪表接线箱两侧电缆屏蔽层应在箱内跨接。B.控制室盘、台、柜接地控制室盘、台、柜接地普通可遵循如下原则：控制室内等电位连接网络至少通过两条途径和室外共用接地网相连。等电位连接网络在共用接地网上接地点离建筑物防雷引下线接地点以及和其她高电压、大电流电气设备接地点之间沿接地体长度宜不不大于15m，地中直线距离宜不不大于10m。2）在控制室内盘、台、柜内应分类设立保护接地汇流排、信号及屏蔽接地汇流排（工作接地汇流排）和本安接地汇流条。3）在控制室内，可设立接地汇总箱。箱内设立工作接地汇总板和保护接地汇总板。4）由于工控机在出厂时已将工作接地和保护接地连在一起，将外壳上任一颗螺丝连在操作台内保护接地汇流排上即可。5）如果DCS系统通信线路上设有电气隔离装置，远程设备接地汇流排可汇总到就近总接地板上。3.4.4接地连接线规格接地连接线规格应满足如下规定：1）接地系统导线应采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆。2）接地系统导线应依照连接设备数量和长度按下列数值范畴选用：接地连线1～2.5（平方毫米）接地分干线4～16（平方毫米）接地干线10～25（平方毫米）接地总干线16～50（平方毫米）接地汇流排、连接板规格应满足如下规定：1）接地汇流排宜采用25×6铜条制作。2）接地汇总板和总接地板应采用铜板制作。铜板厚度不应不大于6mm，长宽尺寸按需要拟定。3.4.5接地连接构造规定接地连接构造应满足如下规定。1）所有接地连线在接到接地汇流排前均应良好绝缘；所有接地分干线在接到接地汇总板前均应良好绝缘；所有接地干线在接到总接地板前均应良好绝缘。2）接地汇流排（汇流条）、接地汇总板、总接地板应用绝缘支架固定。3）接地系统各种连接应保证良好导电性能。接地连线、接地分干线、接地干线、接地总干线与接地汇流排、接地汇总板连接应采用铜接线片和镀锌钢质螺栓，并采用防松和防滑脱件，以保证连接牢固可靠，或采用焊接。接地总干线和接地极连接某些应分别进行热镀锌或热镀锡。4）接地系统应设立耐久性标记。标记颜色为交替黄绿色（见GB2681-1981[电工成套装置中颜色]），符合IEC原则。3.5几种接地案例分析1）不屏蔽接地干线会带来干扰现象：某尿素装置DCS系采用单独接地，但信号总是飘移不定。因素：日后发现，其接地干线长50米，从三楼沿外墙敷设到接地体，没有穿管屏蔽，过长接地干线，如果没有屏蔽办法，接地干线就象是一根天线，可以接受大量干扰信号，使系统无法稳定工作，乃至系统卡件发生故障。结论：接地干线应愈短愈好，必要时也应当采用屏蔽办法。2）保持和其他接地系统距离（如图3.30）现象：某玻璃装置DCS采用单独接地，发现信号干扰很大。因素：DCS单独接地体和原有接地网相距不到5米。结论：若DCS采用单独接地，其接地体和电气接地网相距必要不不大于5米，和单独防雷接地体相距必要不不大于20米图3.30保持和其他接地系统距离等电位接地也要考虑接地引入点（ERP）位置（见图3.31）图3.31接地引入点位置现象：某装置DCS系统采用等电位接地，但信号中经常浮现信号不明波形。因素：离DCS接地引入点不到10米结论：保持和防雷地、大电流高电压设备接地点有不不大于5米3.6关于接地系统实行过程中几种问题3.6.1关于DCS机柜对地浮空机柜对安装地面浮空,是指机柜柜体和安装地面间与否绝缘,而不是机柜不接地（如图3.32）。图3.32机柜对安装地面不浮空由图3.32可知，当机柜不浮空并且和安装槽钢间不绝缘时，有也许因两个接地点地电位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，这对DCS会产生一定干扰。干扰大小和Va与Vb之间差值大小关于。因此在机柜和安装槽钢间进行绝缘解决是有助于系统抗干扰。但在现场解决机柜和安装槽钢之间进行绝缘解决是一件很麻烦事，既要在机柜和安装槽钢间加绝缘垫，并且还要在固定螺栓、机柜、安装槽钢间进行绝缘解决。如果将机柜安装槽钢作等电位接地，同步将接地汇流排和槽钢相连，这样，一旦槽钢上浮现高电压，可以不通过系统直接释放（见图3.33）。因此此时，机柜和安装槽钢间可以不作浮空解决。图3.33机柜对安装地面等电位3.6.2控制系统接地参照图（图3.34）图3.34为控制系统接地参照图。其中有两点应予以阐明：1）如共用接地网接地电阻值不能满足控制系统规定，则可另设接地体，再将该接地体和共用接地网相连接。2）考虑到雷电反击（将在第4章详述），应将现场变送器等设备金属外壳或诸如金属安装支架等自然接地体进行接地并和共用接地网相连接。图3.34控制系统等电位接地系统图3.6.3关于接地体系统形状为了让大电流（如雷电流）能均匀分布地流入大地，从而使地中电位降梯度比较平缓，应尽量采用环形或网形接地体系统。已有接地网用两根已有接地网用两根40X4扁钢相连接3.35环形接地体系统3.6.4接地装置电气持续性测量电路检查接地装置电气持续性应采用至少为1A直流或交流测试电流进行（见图3.36）。图中:S1----空气开关,250V,脱扣器额定电流3A；T----220/24V短路安全型变压器，200VA；V----电压表，30V，1.5级；A----电流表，10A，1.5级；E----熔断器，15A；R----可变绕线电阻器，4.7Ω，120W；S2----按钮开关，15A。VVA测量端220VACLPENS1T（220/24）ES2R图3.36接地装置电气持续性测量电路测量环节：1）将测量端连接到被测钢筋上预埋件上；2）断开S2，将串入可变绕线电阻器R调至最大值；3）合上变压器T一次侧电源后，从电压表V上读取U1；4）合上S2后，调节R使电流表A上读数为1A左右，并读取I和U2值；5）按下式计算测量电阻r:r=(U1-U2)/I-RL（3.17）（注：RL为测量连接线电阻。）计算出r值为1Ω左右时，则满足规定。3.6.5关于浮地所谓浮地是指电子系统地线在电气上与建筑物接地保持绝缘，两者之间绝缘电阻普通应在50兆欧以上。浮地长处是：1）建筑物接地系统中电磁干扰不会传递到电子设备上去；2）地电位浮动对设备也没有影响。因此浮地可以提高设备抗干扰能力。但浮地也带来了某些缺陷，如：1）容易产生静电积累；2）当雷电感应较强时，外壳和其内部电子电路间也许会浮现很高电压将两者之间绝缘击穿，导致电子电路损坏。3.7接地工程设计审查和验收接地工程设计审查应涉及：接地装置构造和安装位置；接地体埋设距离、深度、安装办法；接地装置接地电阻；接地装置材质、连接办法、防腐解决。在进行接地工程验收时，应注意整个接地网外露某些连接办法与否可靠，接地线规格与否对的，防腐层与否完好，标志与否齐全明显。验收时，应对接地系统工频率接地电阻值进行测量并符合设计规定，但不应在雨后测量接地电阻。最后，应提交完整资料文献，涉及竣工图、安装技术记录、测试记录等。3.8独立接地和共用接地孰是孰非控制系统应当是独立接地还是采用共用接地系统进行等电位连接，这个问题由来已久。从几年前国内自控界行业原则看，采用共用接地系统已经达到共识。然而，尚有不少控制系统制造商（涉及国外一流DCS制造商），至今还在规定顾客按独立接地进行设计施工。孰是孰非似乎还没有统一。本章对关于独立接地与共用接地特点以及对它们评价作一讨论。3.8.1接地方式形态如果有几种并存系统或设备需要接地时，接地方式可以有如图3.37所示那样四种形态：1）各个设备独立接地；2）将独立接地接地线连接在一起；3）几种设备共用接地；4）将接地线连接到共用接地网上。其中，图3.37中a为独立接地，b、c、d均为共用接地。3.8.2独立接地所谓独立接地就是各自进行接地施工方式。抱负独立接地应当如图3.38所示那样，如果有两个接地极，其中一种电极中无论流过如何电流，对另一种接地极就不应当发生电位上升状况。从理论上讲，如果两个接地极之间距离不是无限远话，不能说它们是完全独立。(a)(a)(b)(c)(d)图3.37接地方式形态固然，在工程中只要把电位上升限制在一定范畴内，就可以当作是互相独立。此时接地极其间距决定如下三个重要因素：1）流入接地极电流波形和其最大值；2）电位上升容许值；3）接地点土壤电阻率。II电位分布接地极电位上升ΔV≈0V图3.38接地极之间互相干扰在这里简介以棒状接地极（半径为7mm,c长度为3m）为例，研究因工频接地电流I产生电位上升（ΔV）与间隔距离S关系（见图3.39）。表3.2为有工频接地电流流入A接地极时，计算出B接地极发生电位上升到容许值ΔV间隔距离（该数据引自[11]）。表3.2独立接地间隔距离（m）接地电流I（A）电位上升容许值ΔV2.5V25V50V1063635031832161006376432注：本表相对于电阻率为ρ=100Ω·m。如果大地电阻率很高，虽然接地电流很小，间隔距离也会增大。由表3.2所知，在实行独立接地时，必要采用大极间间隔。在有限场地内如有各种接地系统时，要找到足够接地施工空间是很困难。BIBI电位分布接地极电位上升ΔV≈0VSA图3.39独立接地极之间干扰3.8.3共用接地所谓共用接地就是把几种设备系统汇集在一起，连接到一种或几种接地点共用接地极上。本章以接地线连接到共用接地网上为例（图3.37d）进行讨论。在讨论共用接地网时，应当把接地作为系统来考虑。3.8.3.1共用接地长处相对于独立接地，共用接地有如下长处：1）由于是运用地下既有诸如金属水管和建筑物基本钢筋等做接地极，因此接地线少，接地系统简朴，维修检查容易。2）共用接地系统将各个接地极并联连接，此时接地电阻值要比独立接地时小。3）虽然有一种接地极失效，其他电极也能补充，提高了接地可靠性。4）由于可以减少接地电极总数，故可节约设备施工费用。5）如在爆炸危险场合，因电气设备故障或雷击会形成建筑物不同部位之间地电位差存在，这时如意外连接不同地点设备会产生电火花引起爆炸或损坏设备，无法保障人身和控制系统安全。如采用共用接地系统，由于实现了等电位连接，建筑物各处均为等电位，从而就可减小或避免这种危险发生。6）由于建筑物各处均为等电位，减小了进入控制系统共模干扰。3.8.3.2共用接地存在一种问题但共用接地也存在着一种问题，那就是电位上升而波及危险。在共用接地场合，如果在共有接地设备中有一种发生接地电流，就会流入大地。这时因各个接地极总是有些接地电阻，就会使接地点电位上升。如果是独立接地，由接地极引起电位上升仅限于自身而不波及它极（这是抱负接地）。而如图3.40所示共用接地，由接地电流引起电位上升会波及到共用接地所有设备。R1R1、R2：电极接地电阻I1R1、I2R2：电位上升I1I2R2I2R2I1R1发生接地电流设备R1图3.40共用接地电位上升因此在实行共用接地场合，对于因共用接地而连接所有设备必要要考虑发生接地电流性质以及电位上升给系统带来影响。接地电流性质涉及接地电流大小和波形、持续时间长短以及发生概率。例如，由直击雷在外部避雷装置接地系统上可以产生电流达200kA，频率高至1MHz，但持续时间很短(μs级)。又如在设备电路和大地之间有大电容滤波器时，会有相称大位移电流流向大地。又如大电流高电压工频用电设备，会有漏电流长时间地流向大地等等。下面就该问题提出几种解决问题办法。3.8.3.3如何解决共用接地系统电位上升可以有下列几种办法去解决共用接地系统电位上升。1）减少共用接地系统接地电阻如果共用接地系统接地电阻很低，那么电位上升波及危险不会有太大问题。由接地网接地电阻计算公式可知：要减少共用接地系统接地电阻，一可增长地网总面积S，二可减少土壤电阻率ρ。如果要把某共用接地网接地电阻减小到本来一半，则要将接地网面积增长到本来四倍，这在工程现场几乎是不也许事。因此更多是通过采用降阻剂来实现。如选用稀土防雷防腐降阻剂，其降阻有效率可在60%～90%之间。2）保持和大接地电流系统接地点有一定距离在共用接地网上，建筑物外部避雷装置接地点和DCS接地点，沿地下接地体长度必要不不大于15米。即通过15米距离，普通能沿接地体传播雷电过电压衰能减到局限性以危及设备绝缘。土壤电阻率愈低，需要该距离就愈小。在共用接地网上，大电流、高电压用电设备接地点和DCS接地点，沿地下接地体长度必要不不大于5米。176176eî1建筑物1设备1EBB1PE1î2建筑物2设备2EBB2PE2信号线干扰电流î2图3.41雷电反击原理图3）保证整个DCS系统所有接地点都在同一种共用接地网上如图3.41所示，当建筑物1遭雷击时，由于强大雷电流通过建筑物1接地装置，可使建筑物1内设备1电位上升数十万伏。如建筑物2内设备2系独立接地且离开建筑物1又有相称距离话，由于设备2和设备1之间有信号线相连，强大地电位差会在设备2和设备1之间产生闪络（反击）使设备1、设备2损坏。在石油化工公司里，有许多金属塔器是直接运用其金属壁作引下线，而金属塔器上又有许多测量元件和变送器，高金属塔器一当遭到雷击，由于强大雷电流通过金属塔接地装置，使位于金属塔上测量元件和变送器电位随整个塔上升。如此时DCS是独立接地话，DCS系统和测量元件、变送器之间便会产生闪络（反击）使测量元件和变送器、DCS损坏。为了防止产生反击，应把避雷装置和DCS接地装置都连接到共用接地网上。3.8.4用建筑物构造体作共用接地网在接地极中，可以采用棒状、线状、板状等人工接地极，也可运用水管等作自然接地极。所谓自然接地极并不是那种以接地为目施工物体，而是将与大地接触导电物体来代替接地极使用，如水管等。此前使用水管多半为金属管，但近几年来水管用合成树脂制成，它已经不能作为代用接地极了。于是有人就想运用建筑构造体位于地表下某些钢筋作自然接地极。最初提出该想法是美国H.G.Ufer,“Ufer电极”名称便由此而来。建筑构造体接地必要条件是构造体必要为钢架、钢筋混凝土制造，而不是砂浆或木造。钢架和钢筋自身有较好导电性，并且贯穿到整个建筑物并通过混凝土与大地接触。只要混凝土不是绝对绝缘物，从宏观上可以以为构造体就是一种接地极。3.8.4.1建筑构造体电气特性在钢架造、钢筋混凝土造和钢架-钢筋混凝土造建筑物中，其本体构造无疑是牢固，即柱或梁等都是互相紧密结合。但是建筑物构造体各个某些与否以很低电阻互相连接着呢？换言之，建筑物构造体与否是一种以导体构成“电笼”（cage）。钢架造大厦，因钢架之间是用铆钉或螺栓连接，无疑是一种电笼。而对于钢筋混凝土构造大厦，混凝土中主筋和箍筋就未必是连接，因此有人就怀疑它不是电笼。在混凝土中钢筋和钢筋之间虽然是分离，但是钢筋之间却布满了混凝土。从外观上看，混凝土犹如坚硬石头，但它比普通岩石吸水性大，因而，处在湿润状态混凝土电阻率相称低。再加上躯体或柱有很大截面积，因此虽然是钢筋混凝土造大厦，构造体各某些也是以低电阻连接，可以将它当作是电笼。实测某钢架造高层大厦构造体电阻，从顶层到地下一层直流电阻是10-3Ω。用双电桥测钢筋混凝土构造三层楼构造体电阻直流电阻是10-2Ω左右。因此“电笼”必要满足下列两个条件:1)建筑物必要是钢架造、钢筋混凝土造、钢架造-钢筋混凝土造，并且要有相称大地下某些与大地接触面积。2）施工地点土壤电阻率要低到一定限度。3.8.4.2建筑构造体接地电阻地下建筑某些地上建筑地下建筑某些地上建筑某些A图3.42建筑构造体建筑构造体地表下某些与大地接触着（见图3.42），设构造体与大地接触面积（涉及构造体底面积与侧面积总和）为A(m2)，土壤电阻率为ρ（Ω·m），则其接地电阻为：（3.18）由式可知，构造体与大地接触面积A愈大，接地电阻就愈小。表3.3为构造体接地实测例子。通过上述讨论可知，由于共用接地系统相对与独立接地有众多长处，加之它又可以克服因接地电流给系统带来电位上升影响，因此DCS应当采用共用接地系统。表3.3构造体接地实测例子（日本）大厦名层数总建筑面积m2地下层地面面积m2构造构造体接地电阻Ω新大谷饭店地上17层地下3层102,5009,470钢架钢筋混凝土造0.31东京电业会馆地上4层地下1层1,767480钢筋混凝土造0.6千叶大学工学部地上4层地下1层2,354576钢筋混凝土造1.04大阪合同厅舍3号楼地上15层地下3层39,5793,405钢架钢筋混凝土造0.21迎宾馆地上2层地下1层15,3555,260钢架砖砌0.35东亚不动产新侨大厦地上15层地下3层52,0154,742钢架钢筋混凝土造0.013.8.4.3建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统图3.43为《GB50343-建筑物电子信息系统防雷技术规范》推荐建筑物内共用接地系统。在建筑物内地下层某些设立了总等电位接地端子板，该等电位接地端子板和建筑物内构造钢筋相连。各楼层分别设立了保护地（PE）和工作地等电位接地端子板。图中，工作地总干线和各楼层钢筋实行了等电位连接，而保护地总干线却没有和各楼层钢筋进行等电位连接。为此，有人提出异议，一种以为，两条总干线均应和各楼层钢筋实行等电位连接；尚有一种观点以为，保护地总干线应和各楼层钢筋实行等电位连接，而工作地没有必要。当建筑物采用总等电位连接办法后，各等电位连接网络均与共用接地系统有直通大地可靠连接，每个电子信息系统等电位连接网络，不适当再设单独接地引下线接至总等电位接地端子板，而宜将各个等电位连接网络用接地线引至本楼层或电气竖井内等电位接地端子板。等电位连接与共用接地系统是内部防雷办法中两种不同而又密切有关重要办法，其目都是为了避免在需要防雷空间内发生生命危险，减小电子信息系统因雷击而中断正常工作、发生火灾等事故。图3.43建筑物防雷区等电位连接及共用接地系统3.9接地技术面临挑战接地和“引雷入地”技术创造真正鼻祖，应追溯到3前，来华传教士、葡萄牙人安文斯（1609-1677）在《中华人民共和国十二大奇迹》一书中对中华人民共和国建筑特点和渊源述说。她在书中简介，屋顶脊吻龙上金属条一端插入地里，这样，当闪电落在屋上或皇宫时，闪电就被龙舌引向金属条通路，并且直奔地下消散，因而不致伤害人（见林凉爽、戴念祖著“电磁学”）。她记述比起1753年美国科学家富兰克林在进行雷电实验时，在大地上安装了接线端子，即实行了所谓接地，要早一种世纪。接地作为由中华人民共和国人开创一种应用技术，在电气、电子、控制等行业里功能似乎是无可非议。但是近些年，在这个古老而又在不断发展技术领域内，在中华人民共和国接地工程界里却浮现了某些令众家而争鸣大问题。现不妨简要地予以简介。3.9.1“接地电阻不可测，应予废除”权威著作《辞海》对接地电阻定义是：“接地体对地电阻和接地引线电阻和，数值上等于接地装置对地电压与通过接地体流入地中电流比值。”这个定义似乎很严谨，但在实践中难以测量。全国雷电防护原则化技术委员会制定《信息系统雷电防护术语》对接地电阻定义是：“接地极与零远方接地极之间欧姆定律值。”这个定义在措辞上比《辞海》更严谨一点，但依然没有可操作性。咱们在前面，已经简介了由日本高桥健彦对接地电阻所作出定量定义。在这个定义里，事实上存在着两个值得思考问题：1）电阻最初概念是来自欧姆定律，即R=U/I。欧姆定律合用范畴是金属导体，而土壤并不是金属导体，因此用欧姆定律来定义接地电阻是不适当。2）欧姆定律只用于电路，而土壤层不是“路”，而应当是“场”。黑龙江省防雷中心六名技术人员用一台从日本进口高档地阻测试仪对一种建筑物地网进行了28次测量，测得数据共14组，最小值为0.7Ω，最大值为100Ω，两者相差竟达