現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)屏蔽/接地

將以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)用于發(fā)電廠(chǎng)機(jī)組級(jí)控制，在我國(guó)正處于起步階段。FCS有許多設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS、PLC)所不曾遇到的，如區(qū)域(站點(diǎn))劃分與位置確定、FCS 網(wǎng)段設(shè)計(jì)、FCS的屏蔽/接地等，其中屏蔽/接地直接關(guān)系到FCS的監(jiān)測(cè)控制精度和機(jī)組的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)繁多，本文以適用于發(fā)電廠(chǎng)控制，且配套產(chǎn)品相對(duì)齊全的FF和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)為例，闡述現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)屏蔽/接地。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)屏蔽/接地

控制系統(tǒng)具有保護(hù)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(duì)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(chǎng)總線(xiàn)屏蔽/接地

FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)中儀表信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)不得用于接地，儀表安全接地必須通過(guò)信號(hào)電纜之外的獨(dú)立導(dǎo)線(xiàn);在網(wǎng)絡(luò)中的任何一處現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備不得將雙絞線(xiàn)對(duì)中的任一根導(dǎo)線(xiàn)與地連接，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)中的任一根導(dǎo)線(xiàn)接地將導(dǎo)致該總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段上的所有設(shè)備通信中斷。與傳統(tǒng)儀表系統(tǒng)相同，采用雙絞線(xiàn)外部的屏蔽是為了避免信號(hào)干擾(噪聲)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)電纜的屏蔽層必須接地。

針對(duì)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(gè)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(gè)網(wǎng)段的電纜屏蔽層不得與現(xiàn)場(chǎng)儀表和接線(xiàn)盒的機(jī)殼連接，因?yàn)檫@些機(jī)殼通?？偸墙拥氐摹Ｔ跊](méi)有等電位地的情況下，應(yīng)該遵循這種屏蔽層單端接地原則。

(2)在現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾較強(qiáng)的情況下，理想的抗干擾措施是將電纜屏蔽層與金屬接線(xiàn)盒、儀表機(jī)殼及控制室內(nèi)的系統(tǒng)接地連接在一起，這就不可避免地存在多點(diǎn)接地。只有當(dāng)設(shè)有等電位地時(shí)，才可以采用此方法。

(3)在多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)中，沒(méi)有完善的等電位地(儀表的安裝現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有裝置區(qū)域范圍的等電位地，而控制室與裝置現(xiàn)場(chǎng)的地沒(méi)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(chǎng)的接線(xiàn)盒和儀表機(jī)殼連接在一起，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)等電位基礎(chǔ)上的多點(diǎn)接地，而電纜屏蔽層在控制室內(nèi)經(jīng)由一個(gè)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(duì)少數(shù)現(xiàn)場(chǎng)等電位地不完善的裝置區(qū)域，建議實(shí)施的接地方法為：(l )主干線(xiàn)電纜屏蔽層在控制室單點(diǎn)接地，且與現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)盒機(jī)箱之間通過(guò)隔離電容連接，該隔離電容可集成在接線(xiàn)盒內(nèi);(2)將各分支的電纜屏蔽層與接線(xiàn)盒機(jī)箱之間也通過(guò)隔離電容連接，此時(shí)分支的電纜屏蔽層即可經(jīng)儀表機(jī)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(hào)干擾。如果在大范圍分散系統(tǒng)的各個(gè)總線(xiàn)站之間存在電位差且不能實(shí)現(xiàn)等電位屏蔽層接地時(shí)，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(chǎn)生等電位屏蔽接地電流。對(duì)于靜止的總線(xiàn)站，將機(jī)柜入口一端的 Profibus 電纜屏蔽網(wǎng)連接到基準(zhǔn)地。

(2)在工業(yè)裝備中安裝Profibus DP的標(biāo)準(zhǔn)方法是有接地基準(zhǔn)電位地，即必須把所有模塊機(jī)架和負(fù)載電流回路與公共的基準(zhǔn)電位地相連接?？偩€(xiàn)插頭連接器將Pronbus 電纜的屏蔽與網(wǎng)絡(luò)中所有的總線(xiàn)站相連接，然后將各個(gè)部件的接地連接到控制柜的公共接地點(diǎn)(接地總線(xiàn)匯流條)。就地設(shè)備就近單點(diǎn)接地。另外，應(yīng)該注意與接地點(diǎn)相連的連接線(xiàn)應(yīng)有足夠大的載面積，同時(shí)還須確保在控制柜內(nèi)的各個(gè)接地總線(xiàn)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(diǎn)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(diǎn)接地和就地設(shè)備就近單點(diǎn)接地。由圖1可見(jiàn)，主站與1號(hào)、2號(hào)從站皆有就地接地，同時(shí)接地電纜將3 個(gè)機(jī)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(yùn)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(diǎn)接地。理論上各柜接地極與大地間的接地電阻應(yīng)該為零，但在實(shí)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(hào)的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，在各個(gè)接地點(diǎn)產(chǎn)生的影響也相同。假設(shè)在接地系統(tǒng)中，每個(gè)接地點(diǎn)產(chǎn)生的干擾信號(hào)I、 (i=1,2,3，…，n)可等效為一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)I(地回路電流)，其流向?yàn)閺?號(hào)機(jī)柜到n號(hào)機(jī)柜，再到大地，由于接地導(dǎo)線(xiàn)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(gè)接地系統(tǒng)的電阻值可表示為：

R=rl+r2+r3+……+rn+r

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

因此，1號(hào)機(jī)柜與n號(hào)機(jī)柜的基準(zhǔn)電壓不同。在同一系統(tǒng)中，不允許這種情況的存在。這是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)監(jiān)控信號(hào)為弱電流信號(hào)，即使微小的信號(hào)干擾，也會(huì)給系統(tǒng)的檢測(cè)和控制帶來(lái)誤差。同時(shí)，干擾信號(hào)具有隨機(jī)性，在系統(tǒng)聯(lián)校時(shí)無(wú)法消除，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由于大型發(fā)電廠(chǎng)存在變壓器、電動(dòng)機(jī)、大功率可控硅整流設(shè)備等干擾源，并且目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工以及等電位聯(lián)結(jié)的配件不配套使得在現(xiàn)場(chǎng)難以尋找等電位地，因此采用系統(tǒng)單點(diǎn)接地(圖2(b))較為合理。由圖2(b)可見(jiàn)，在FCS的接地裝置中設(shè)有匯流板，將各個(gè)需要接地的點(diǎn)單獨(dú)并聯(lián)于匯流板上，匯流板為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)基準(zhǔn)電位面，在匯流板上所有各點(diǎn)的電位均相等。假設(shè)系統(tǒng)中存在一個(gè)等效的干擾信號(hào)I，匯流板與接地裝置間存在著一個(gè)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(hào)所產(chǎn)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(gè)接地點(diǎn)的電位保持在同一電位U上。由于電位U對(duì)系統(tǒng)中每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的影響相同，因此可通過(guò)聯(lián)?；蛞欢螘r(shí)間的試運(yùn)行，得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，以消除電位U對(duì)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(duì)相互絕緣隔離型的雙層屏蔽電纜(無(wú)絕緣隔離的雙屏蔽層，其實(shí)質(zhì)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(qiáng)電流干擾的情況。

(1)當(dāng)控制電纜被源磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通所包圍時(shí)，在電纜屏蔽層中將因電位差而被感應(yīng)屏蔽電流，由屏蔽電流產(chǎn)生的磁通，將抵消源磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通對(duì)電纜芯線(xiàn)的影響。假定屏蔽作用理想，兩者共同作用的結(jié)果，將使被屏蔽層完全包圍的電纜芯線(xiàn)中的磁通為零，電纜屏蔽層形成了一個(gè)理想的法拉第籠，這與帶有二次短路線(xiàn)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(dá)到完全理想狀態(tài)，被屏蔽的電纜芯線(xiàn)在源磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通作用下，仍然會(huì)感應(yīng)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(chǎn)生的暫態(tài)感應(yīng)電壓。當(dāng)雷電經(jīng)避雷器注入地網(wǎng)，使發(fā)電廠(chǎng)地網(wǎng)中的沖擊電流增大時(shí)，將產(chǎn)生暫態(tài)的電位波動(dòng)，同時(shí)地網(wǎng)的視在接地電阻也將暫時(shí)增大。與正常交流電阻相比，此時(shí)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(shè)在地電位升高的附近，將由于電纜電位的波動(dòng)而受到干擾。采用兩端接地的屏蔽電纜，可以將暫態(tài)感應(yīng)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(shí)，不形成電位差，電纜屏蔽層電壓為零，可顯著減少靜電感應(yīng)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?yàn)閱味私拥氐撵o電放電速度是最快的。對(duì)相互絕緣隔離型的雙層屏蔽電纜的內(nèi)層屏蔽層必須單點(diǎn)接地。

3 結(jié)論

(1)大型發(fā)電廠(chǎng)以電纜屏蔽層單點(diǎn)接地為宜。

(2)對(duì)于有外部電擊、雷電及強(qiáng)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(shè)備安全，必須多點(diǎn)接地。值得注意的是，在電纜屏蔽層中因電位差而感應(yīng)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(xiàn)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?xún)r(jià)比較高的選擇。