現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)屏蔽/接地

將以現(xiàn)場總線技術為基礎的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)用于發(fā)電廠機組級控制，在我國正處于起步階段。FCS有許多設計和應用技術是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS、PLC)所不曾遇到的，如區(qū)域(站點)劃分與位置確定、FCS 網(wǎng)段設計、FCS的屏蔽/接地等，其中屏蔽/接地直接關系到FCS的監(jiān)測控制精度和機組的安全、可靠、穩(wěn)定運行。由于現(xiàn)場總線標準繁多，本文以適用于發(fā)電廠控制，且配套產品相對齊全的FF和Profibus現(xiàn)場總線標準為例，闡述現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)屏蔽/接地。

1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)屏蔽/接地

控制系統(tǒng)具有保護地和工作地2 種接地方式，其中工作地分為邏輯地、屏蔽地等，對于裝有安全柵防爆措施的控制系統(tǒng)，還要求具有本安地。

1.1 FF現(xiàn)場總線屏蔽/接地

FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)中儀表信號導線不得用于接地，儀表安全接地必須通過信號電纜之外的獨立導線;在網(wǎng)絡中的任何一處現(xiàn)場總線設備不得將雙絞線對中的任一根導線與地連接，現(xiàn)場總線導線中的任一根導線接地將導致該總線網(wǎng)絡/網(wǎng)段上的所有設備通信中斷。與傳統(tǒng)儀表系統(tǒng)相同，采用雙絞線外部的屏蔽是為了避免信號干擾(噪聲)，現(xiàn)場總線電纜的屏蔽層必須接地。

針對不同工程，原則上可選用以下3種電纜屏蔽層接地方法。

(l)整個網(wǎng)段中所有電纜的屏蔽層連接在一起，只在網(wǎng)段的一端接地，通常是在控制室端接地。在此情況下，整個網(wǎng)段的電纜屏蔽層不得與現(xiàn)場儀表和接線盒的機殼連接，因為這些機殼通常總是接地的。在沒有等電位地的情況下，應該遵循這種屏蔽層單端接地原則。

(2)在現(xiàn)場電磁干擾較強的情況下，理想的抗干擾措施是將電纜屏蔽層與金屬接線盒、儀表機殼及控制室內的系統(tǒng)接地連接在一起，這就不可避免地存在多點接地。只有當設有等電位地時，才可以采用此方法。

(3)在多數(shù)現(xiàn)場中，沒有完善的等電位地(儀表的安裝現(xiàn)場設有裝置區(qū)域范圍的等電位地，而控制室與裝置現(xiàn)場的地沒有等電位)，為了獲得很好的抗干擾效果，可將電纜屏蔽層與現(xiàn)場的接線盒和儀表機殼連接在一起，實現(xiàn)現(xiàn)場等電位基礎上的多點接地，而電纜屏蔽層在控制室內經(jīng)由一個隔離電容接地。該電容的參數(shù)為 10nF/1500V，可集成在 FF 配電單元中。

對少數(shù)現(xiàn)場等電位地不完善的裝置區(qū)域，建議實施的接地方法為：(l )主干線電纜屏蔽層在控制室單點接地，且與現(xiàn)場接線盒機箱之間通過隔離電容連接，該隔離電容可集成在接線盒內;(2)將各分支的電纜屏蔽層與接線盒機箱之間也通過隔離電容連接，此時分支的電纜屏蔽層即可經(jīng)儀表機殼接地。

(l)電纜屏蔽層通常是兩端接地。特別是在高頻干擾情況下，用此種方法可以抑制信號干擾。如果在大范圍分散系統(tǒng)的各個總線站之間存在電位差且不能實現(xiàn)等電位屏蔽層接地時，建議僅在一端將電纜屏蔽層接地，以避免在 Profibus 電纜屏蔽層中產生等電位屏蔽接地電流。對于靜止的總線站，將機柜入口一端的 Profibus 電纜屏蔽網(wǎng)連接到基準地。

(2)在工業(yè)裝備中安裝Profibus DP的標準方法是有接地基準電位地，即必須把所有模塊機架和負載電流回路與公共的基準電位地相連接?？偩€插頭連接器將Pronbus 電纜的屏蔽與網(wǎng)絡中所有的總線站相連接，然后將各個部件的接地連接到控制柜的公共接地點(接地總線匯流條)。就地設備就近單點接地。另外，應該注意與接地點相連的連接線應有足夠大的載面積，同時還須確保在控制柜內的各個接地總線匯流條都有相同的接地電位，即它們之間不能存在電位差和電流。

2 屏蔽/接地分析

2.1 多點接地與等電位地

在FF與Profibus屏蔽/接地規(guī)范中，均提到了多點接地和就地設備就近單點接地。由圖1可見，主站與1號、2號從站皆有就地接地，同時接地電纜將3 個機柜的接地匯流條串聯(lián)在一起。為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行，F(xiàn)F與Profibus屏蔽/接地規(guī)范中，均要求等電位地，如圖2所示。

圖2(a)為系統(tǒng)串聯(lián)多點接地。理論上各柜接地極與大地間的接地電阻應該為零，但在實際中由于天氣、土壤、施工等諸多因素的影響，各柜接地極與大地之間存在一定的電阻。由于干擾信號的產生具有隨機性，在各個接地點產生的影響也相同。假設在接地系統(tǒng)中，每個接地點產生的干擾信號I、 (i=1,2,3，…，n)可等效為一個擾動信號I(地回路電流)，其流向為從1號機柜到n號機柜，再到大地，由于接地導線間也存在電阻(圖2(a)中的 r, (i=1, 2,3，…，n)，因此忽略交流阻抗的影響整個接地系統(tǒng)的電阻值可表示為：

R=rl+r2+r3+……+rn+r

在相鄰兩個接地點之間必然存在一個微小的電位差(Ui-Ui-1=I×rn)，且接地點之間距離越長，電位差越大，如1號機柜和n號機柜之間的電位差為：U1-Un=I×(r1+r2+r3+……+rn)

因此，1號機柜與n號機柜的基準電壓不同。在同一系統(tǒng)中，不允許這種情況的存在。這是因為控制系統(tǒng)監(jiān)控信號為弱電流信號，即使微小的信號干擾，也會給系統(tǒng)的檢測和控制帶來誤差。同時，干擾信號具有隨機性，在系統(tǒng)聯(lián)校時無法消除，從而影響系統(tǒng)的正常運行。由于大型發(fā)電廠存在變壓器、電動機、大功率可控硅整流設備等干擾源，并且目前國內設計、施工以及等電位聯(lián)結的配件不配套使得在現(xiàn)場難以尋找等電位地，因此采用系統(tǒng)單點接地(圖2(b))較為合理。由圖2(b)可見，在FCS的接地裝置中設有匯流板，將各個需要接地的點單獨并聯(lián)于匯流板上，匯流板為整個系統(tǒng)設置了一個基準電位面，在匯流板上所有各點的電位均相等。假設系統(tǒng)中存在一個等效的干擾信號I，匯流板與接地裝置間存在著一個微小的電阻R，接地極與大地之間的電阻為r，因此該干擾信號所產生的等效電壓U=I(R+r)，并始終存在于匯流板與大地之間，從而使各個接地點的電位保持在同一電位U上。由于電位U對系統(tǒng)中每一個檢測點的影響相同，因此可通過聯(lián)?；蛞欢螘r間的試運行，得到一個經(jīng)驗參數(shù)，以消除電位U對控制系統(tǒng)的影響。

2.2 電纜屏蔽層兩端接地與一端接地[!--empirenews.page--]

2.2.1 兩端接地

電纜屏蔽層兩端接地是針對相互絕緣隔離型的雙層屏蔽電纜(無絕緣隔離的雙屏蔽層，其實質仍然是單屏蔽層)，雙層屏蔽電纜的最外屏蔽層兩端接地。電纜屏蔽層兩端接地適用于外部有強電流干擾的情況。

(1)當控制電纜被源磁場產生的磁通所包圍時，在電纜屏蔽層中將因電位差而被感應屏蔽電流，由屏蔽電流產生的磁通，將抵消源磁場產生的磁通對電纜芯線的影響。假定屏蔽作用理想，兩者共同作用的結果，將使被屏蔽層完全包圍的電纜芯線中的磁通為零，電纜屏蔽層形成了一個理想的法拉第籠，這與帶有二次短路線圈的理想變壓器一樣，鐵芯中的磁通將為零。但是，電纜屏蔽層的屏蔽作用不可能達到完全理想狀態(tài)，被屏蔽的電纜芯線在源磁場產生的磁通作用下，仍然會感應出一定的電壓。

(2)電纜屏蔽層兩端接地，可以降低由于地電位上升產生的暫態(tài)感應電壓。當雷電經(jīng)避雷器注入地網(wǎng)，使發(fā)電廠地網(wǎng)中的沖擊電流增大時，將產生暫態(tài)的電位波動，同時地網(wǎng)的視在接地電阻也將暫時增大。與正常交流電阻相比，此時接地電阻常常增大數(shù)倍乃至10倍以上。如果低壓控制電纜敷設在地電位升高的附近，將由于電纜電位的波動而受到干擾。采用兩端接地的屏蔽電纜，可以將暫態(tài)感應電壓抑制為原值的10%以下，是降低干擾電壓的一種有效措施。

2.2.2 一端接地

一端接地時，不形成電位差，電纜屏蔽層電壓為零，可顯著減少靜電感應電壓。如果是防止靜電干擾，電纜屏蔽層必須一端接地(不論是單層還是雙層屏蔽)，因為單端接地的靜電放電速度是最快的。對相互絕緣隔離型的雙層屏蔽電纜的內層屏蔽層必須單點接地。

3 結論

(1)大型發(fā)電廠以電纜屏蔽層單點接地為宜。

(2)對于有外部電擊、雷電及強電流干擾的情況，宜采用相互絕緣隔離型的雙層屏蔽電纜，且最外屏蔽層兩端接地;為了保證人身和設備安全，必須多點接地。值得注意的是，在電纜屏蔽層中因電位差而感應出屏蔽電流將引起額外的沖擊或干擾電壓。

(3)為了快速消除靜電干擾，在保證接地線截面積足夠大的情況下， FCS 的控制電纜采用單層屏蔽電纜，且一端接地，是性價比較高的選擇。