现场仪表接地的要求及实施细节

2022/3/2 13:55:53 人评论 次浏览 分类:调试维修  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/4136.html

本文从现场仪表的分类和接地的目的出发,根据GB/IEC(等同采用或修改采用IEC标准的中国国家标准)几项有关“安全防护电击防护”标准,讨论这几个问题,辨析现场仪表在不同条件下的接地方式。

1、现场仪表分类

与接地有关的现场仪表指涉及电信号或用电的电动或电子仪表,包括单体仪表和集成(组合)仪表。与电信号无关的纯机械仪表不在本文讨论之列,例如:弹簧管压力表、双金属温度计、磁翻板液位计等。

单体仪表可按信号功能分为6类:

①测量类仪表。各种类型的把物理变量转变成电信号的测量仪表,如:热电偶、变送器、电子测量元件等。
②驱动类仪表。把电信号变成物理或机械作用的仪表,包括电气转换器、阀门定位器、电磁阀、电动执行机构等。
③信号过渡类仪表。包括指示仪、隔离器、安全栅、继电器、电子开关、指示灯、报警器、音响器、小型可编程序控制器(PLC)等。
④信号处理类仪表。常规信号仪表、计算机、服务器、客户机、工作站、终端机、交换机、路由器等。
⑤电源变换类仪表。交流/直流电源装置。
⑥机械类电动仪表。无电子或电动元件,但又与电信号或供电相关的仪表,如:机械按钮、机械开关、浮球液位开关等。

前5类为有电子元件或电动元件的单体仪表,第4类、第5类有时也用于现场仪表,第6类为无电子或电动元件的机械类电动单体仪表。


现场仪表按保护结构又可分为绝缘外壳和金属外壳两类。


集成仪表是多于1台单体仪表组合而成的仪表,例如:分散型控制系统(DCS)、PLC等。


仪表按防爆功能分为防爆类仪表和非防爆类仪表。石油化工行业常用的防爆类仪表按GB 836/IEC60079系列标准的防爆方法分为:本质安全型、隔爆型、增安型、浇封型、无火花型、正压外壳型、油浸型、充砂型等。


2、现场仪表接地的目的

2.1 仪表外壳需要接地的目的
仪表外壳需要接地的目的有三个:为避免电气故障造成人身伤害;避免电气故障形成爆炸危险环境的引燃条件,非爆炸危险环境没有该目的;为雷电电涌防护器提供电涌泄放条件。这三个目的都属于电击防护。所以,仪表接地是与电有关的。

2.2 不需要接地的仪表

不需要接地的仪表包括:绝缘外壳仪表、机械类电动仪表、与电信号无关的纯机械类仪表。

2.3 现场仪表接地的类型

现场仪表不需要、也没有工作接地,仪表电子电路是不接地的,内部电路没有专门引出的接地点。只有金属外壳仪表上有接地端子供需要的接地用。即只有金属外壳的现场仪表上有接地点,只能接到现场的保护接地,所以,现场仪表接地就是电动和电子仪表的金属外壳接地。

2.4 仪表外壳接地的条件

仪表外壳有的场合需要接地,有的场合不需要接地,有的场合可以接地,也可以不接地。仪表外壳接地不是一定要接,也不是接地了就比不接地好,要根据具体的用途和场合。

根据现场环境和仪表用电分为不同的条件,仪表外壳接地也有所不同:

①是否采用特低电压(ELV)。仪表常用供电分为直流低电压(24V(DC))和工业及民用交流低电压(220V(AC))。根据GB/T16895.21-2020/IEC60364441:2017《低压电气装置第441部分:安全防护电击防护》,低于交流50V,直流120V属于ELV。
②是否用于爆炸危险环境。石油化工工厂现场仪表所处的环境分为爆炸危险环境和非爆炸危险环境,是两个不同的环境条件。通常爆炸危险环境,又分为0区、1区、2区。
③是否安装电涌防护器。根据防雷工程需要分为装配和不装配电涌防护器两个防雷条件。

3、仪表外壳接地的确定

根据需要接地的目的、现场条件及仪表类型可确定仪表外壳接地的需要。根据GB/T16895.21-2020/IEC60364441:2017的规定,电击防护包括基本防护和故障防护。基本防护措施用作正常情况的防护,采用外表面绝缘或阻挡防护的方式。目的是将带电物体与可能接触的被防护目标(例如:人员)分隔开。

绝缘是保证安全用电的基本措施和最重要的方法,特殊情况下,绝缘有可能被破坏形成绝缘故障,对于某些特别防护的场合,需要采取故障防护措施。IEC标准规定了当绝缘破坏时的几种故障防护措施——双重绝缘、加强绝缘、自动切断电源、电气分隔、采用ELV、保护接地和等电位接地等,导电外表面接地仅是其中之一,仪表外壳接地就属于这种。


3.1 仪表外壳接地端子

可以接地的仪表带有外壳接地端子,带有接地端子的仪表并不意味着一定需要接地,需要根据用途、现场环境以及其他条件确定,有的仪表使用说明就明确了仪表本身不需要接地,仪表接地端子是供用户根据需要选择使用的。外壳没有接地端子的仪表确定不需要接地。

3.2 电涌防护器

装备电涌防护器的仪表外壳需要接地。电涌防护器的接地是接在仪表外壳内的接地端子上的,仪表外壳的内、外两个接地端子是通过外壳相通的,因此只需要外壳接地即可,不需要仪表内部向外引接地线。对于绝缘外壳的仪表,需要配备带内、外接地端子的金属接线盒用于电涌防护器的接地。

3.3 本质安全仪表

根据GB3836.4-2010/IEC6007911:2006《爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》,本质安全仪表(简称本安仪表)与本安关联仪表组成本质安全系统。本安仪表是符合本质安全参数的仪表,是一种可装在爆炸危险环境的仪表;本安关联仪表是能够限制本质安全电路的电压、电流和能量的仪表,装在非爆炸危险环境。本质安全电路是在正常工作和规定的故障条件下,产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸危险环境的电路。根据本安系统的原理和功能,本安仪表不会形成爆炸危险环境的点燃条件。

虽然石油化工仪表通常采用24V(DC)供电,但本质安全系统的可施加电压是高于36V的。由于本质安全系统采用IEC标准规定的ELV并具有规定的故障防护措施,因此,也不会形成可能造成人身伤害的危险电压。


GB/T3836.15-2017/IEC6007914:2007《爆炸性环境第15部分:电气装置的设计、选型和安装》的6.3.1条规定:“本质安全设备或限能设备的金属外壳不需要与等电位连接系统连接,但设备文件有规定或为防止静电电荷积聚有要求时除外”。而IEC标准规定用于静电释放的电阻小于1MΩ即可,仪表安装的大多数场合都具备这个条件,不需要额外考虑。


所以,本安仪表外壳不需要接地。


3.4 非爆炸危险环境的非本安仪表

非爆炸危险环境的非本安仪表如果不需要防雷工程,没有配备电涌防护器,则只需要考虑为避免电气故障造成人身伤害。

根据GB/T 16895.21-2020/IEC60364441:2017,电击防护包括基本防护措施和故障防护措施。基本防护措施用作正常情况的防护,采用完全覆盖绝缘的方式,或采用遮拦或外护物的防止人员接触的方式都可作为基本防护。故障防护措施有自动切断电源、双重绝缘或加强绝缘、电气分隔、采用ELV、金属外表面接地、附加防护等方法。


石油化工过程检测及控制仪表本身和供电回路就包括了基本防护措施(绝缘)和故障防护措施(自动切断电源、电气分隔等)。


通常,采用“安全电压(低于36V)”供电的仪表外壳不需要接地,因为“安全电压”属于标准中规定的ELV,不会造成人身伤害。


非安全电压供电的仪表,如果采用了故障防护措施即为安全防护,除接地外的其他故障防护措施是不需要外壳接地的。仅只有基本绝缘的仪表,或需要接地作为故障防护措施时,仪表外壳才需要接地。


绝缘是保证安全用电的基本和最重要的防护措施,接地是当绝缘破坏时的故障防护措施之一。


3.5 爆炸危险环境的非本安仪表

根据GB/T3836.15-2017/IEC6007914:2007中第6.2.5条规定:“安全特低电压系统(SELV)应符合GB/T 16895.21-2020第414章的规定。SELV电路的带电部件不应对地连接,或与带电部件、或与构成其他电路一部分的保护导体连接。任何裸露导电部件可不接地,也可接地(例如:用于电磁兼容的裸露带电部件)”。

根据GB/T16895.21-2020/IEC60364441:2017中第414.4.4条规定:“SELV回路内的外露可导电部分不应与地、保护导体以及其他回路的外露可导电部分作电气连接”。GB 50054—2011《低压配电设计规范》也有相同的规定。


而根据GB/T17045-2020/IEC61140:2016《电击防护装置和设备的通用部分》,SELV的电压限值就是ELV的电压限值:该值不大于交流50V,或不大于直流120V,外露可导电部分不接地。


由于爆炸危险环境所用的仪表均应为符合防爆规定的防爆型仪表,并具有相应的电气防护功能和绝缘强度,仪表外壳与仪表内部电路、电源装置是电气隔离、绝缘的,供电符合SELV规定。


由此看来,符合SELV电压供电规定的爆炸危险环境的非本安仪表可以不接地。


根据GB/T3836.15-2017/IEC6007914:2007中第4.1节通用要求,规定包括爆炸危险场所0区、1区、2区。


所以,爆炸危险环境中,符合SELV(低于50V(AC),120V(DC))规定供电的非本安仪表可以不接地。


3.6 关于不同防爆分区非本安仪表外壳接地的考虑

根据GB3836.14-2014/IEC60079101:2008《爆炸性环境第14部分:场所分类爆炸性气体环境》以及GB/T3836.15-2017/IEC6007914:2007,爆炸危险环境中,采用SELV供电的非本安仪表可以不接地。标准的“通用要求”中包括爆炸危险场所0区、1区、2区。

鉴于2区为“正常情况下,不可能存在爆炸危险环境”,所以可以确定不需要采取其他故障防护措施。上述有关GB/IEC标准是作为SH/T3164-2021《石油化工仪表系统防雷设计规范》中关于仪表外壳接地条文的编写依据。


3.7关于直流电源装置

现在的直流电源装置普遍采用开关型电源,无论是独立的直流电源装置还是用电设备配套的直流电源模块,内部都有隔离变压器。仪表用的直流电源装置的规格中都标明符合IEC,EN关于SELV的标准。

3.8 关于仪表的故障防护措施

仪表不但本身具有足够的绝缘强度,还采用具有符合SELV标准的电源供电,并且仪表供电回路都设置保险器件用于在故障时自动切断电源。仪表供电装置都采用隔离变压器并带有自动切断电源的功能,这些都是GB/IEC标准规定的故障防护措施。这样的多重防护充分满足了爆炸危险环境安全用电以及电击防护GB/IEC系列标准的规定。

4、现行标准中的不同之处

4.1《爆炸危险环境电力装置设计规范》
GB 50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》中第5.5.3条中关于爆炸危险环境内设备的保护接地的规定如下:
"1 按照现行国家标准GB/T 50065《交流电气装置的接地设计规范》的有关规定,下列不需要接地的部分,在爆炸危险环境内仍应进行接地:
①……
②在干燥环境,交流额定电压为127V及以下,直流电压为110V及以下的设备正常不带电的金属外壳。
③安装在已接地的金属结构上的设备。
2 在爆炸危险环境内,设备的外露可导电部分应可靠接地。爆炸性环境1区、20区、21区内的所有设备以及爆炸性环境2区、22区内除照明灯具以外的其他设备应采取专用的接地线,该接地线若与相线敷设在同一保护管内时,应具有与相线相等的绝缘。爆炸性环境2区、22区内的照明灯具,可利用有可靠电气连接的金属管线系统作为接地线,但不得利用输送可燃物质的管道。"
该条规定影响非常大,虽然该规范是针对电气专业,但泛指用电设备,把仪表也捎带了,其他有关规范都是由此而来。
现行的GB50058等标准将来也许会根据GB/IEC的相关系列标准修订有关条文。

4.2 《石油化工仪表系统接地设计规范》

SH/T3081-2019《石油化工仪表系统接地设计规范》规定如下:
"4.1.4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,但对于可能与高于36V电压设备接触的应实施保护接地。"

"4.1.5爆炸危险环境中,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。"


对于该规范中第4.1.4条规定,沿用了以往电气专业有关规范的规定,实际上,如果是24V(DC)供电的仪表,内部不会有高于ELV的供电,供电的直流电源装置也具有过电压、过电流保护设备;如果是220V(AC)供电的仪表,无论是传统的变压器电源还是开关电源都是安全可靠的,具备标准规定的故障防护措施,如今的工业及民用电气设备的绝缘及安全设计技术几乎是万无一失的。所以仪表外壳不可能“与高于36V电压设备接触”,没有必要接地。


对于该规范第4.1.5条规定,用于爆炸危险环境的仪表一定是防爆的,无论哪一种防爆形式,一定是会防止仪表内部电路对外壳短路产生漏电引起爆炸危险的,仪表保护箱、接线箱同样。所以也没有必要接地。


剩下就是雷电防护了。除了现场仪表的电涌防护器需要接地,从原理上来讲,用于雷电防护的现场仪表外壳接地是为了避免金属缝隙在雷击时产生火花,引燃可能存在的可燃气体,但这是小概率(雷击使金属缝隙打火)中的小概率(存在高于爆炸下限的可燃气体)事件。这样的规定使现场所有的仪表外壳(包括没有装配电涌防护器的仪表)都要接地,未免过度防护。


SH/T3081-2019《石油化工仪表系统接地设计规范》的规定偏严格,主要是参考了GB50058-2014中的条款。从近两年来现场情况看,整改麻烦不少。实际上现场仪表漏电或因为雷击电流引起金属缝隙打火引燃可能存在的可燃气体,都是极小概率事件。而对于爆炸危险场所2区,确实没有必要非接地不可。


5、现场仪表外壳的接地

现场仪表的接地为仪表外壳接地,接到现场的保护接地,可以参照表1所列。
表1现场仪表保护接地类型

仪表防爆类型0区、1区爆炸危险环境2区爆炸危险环境非爆炸危险环境有电涌防护器本安仪表不接地不接地不接地应接地非本安仪表安全特低电压宜接地不接地不接地应接地非安全特低电压应接地宜接地宜接地应接地需要接地的仪表外壳、保护箱、接线箱、机柜等的接地端子应采用导线直接,或利用电缆保护钢管、电缆槽、安装钢管、支架、护栏、框架等金属物体作为中间连接导体最终接到电气接地设施。这些金属物体只要进行了可靠的导电连接,就比一般的接地线的导电截面积大得多,导电性能好,没有必要采用专用的接地线。注意连接点的牢固与防腐蚀即可。法兰之间的导电连接也是同样道理。


当然,有区别地、清晰地实施现场仪表外壳接地,并不排斥为了简单一致、统一实施,“一刀切”地全部实施接地。


6、结束语

现代石油化工仪表本身就具备很好的安全电气性能。现场仪表接地的目的,并不是特别严格的安全防护措施。虽然爆炸危险环境的现场仪表外壳接地有辅助防爆的意义,但并不是主要的防爆措施。GB/IEC相关系列标准有明确的规定,是很好的参考依据,但国内有的标准规定过于严格,与GB/IEC有关的系列标准有所不同。根据防爆原理和接地的作用,现场仪表外壳接地应当区分条件和环境背景,可以采用不同的接地方式,千篇一律地采取过度防范措施全部接地虽然未尝不可,但并不完全符合科学原理和GB/IEC相关系列标准规范。作为技术人员应该清楚其中的道理。
作者:叶向东

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