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齐纳式安全栅在接地系统中的应用
发布时间:2013/9/13  阅读:1475

防雷、防静电与接地

防雷基础

1) 雷击是一种自然现象,它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。雷电对人参、设备设施的主要方式有:雷击、雷电感应、雷击电磁脉冲。防雷主要采取以下措施:传导、搭接、接地、分流、屏蔽、躲避。
2) 雷电会导致多种不同形式的危害,没有任何一种办法可以全面防止雷电的危害。
3) 直击雷:是带电云层(雷云)与建筑物构架、其它物体、大地或防雷装置之间发生的迅猛放电现象,并由此伴随而产生的电效应、热效应或机械力等一系列的破坏作用,危害建筑物、建筑物内电子设备和人。直击雷的电压峰值通常可达几万伏甚至几百万伏,电流峰值可达几十kA乃至几百kA,其之所以破坏性很强,主要原因是雷云所蕴藏的能量在极短的时间(其持续时间通常只有几μs到几百μs)就释放出来,瞬间功率巨大的。
防御直击雷:通常都是充分利用建筑物的基础桩、梁柱等结构钢筋作为引下线和接地装置,采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网或金属物件作为接闪器,将雷电流接收下来,并通过作引下线的金属导体导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。
4) 雷电感应:指当雷云来临时地面上的一切物体,尤其是导体,由于静电感应,都聚集起大量的雷电极性相反的束缚电荷,在雷云对地或对另一雷云闪击放电后,云中的电荷就变成了自由电荷,从而产生出很高的静电电压(感应电压),其过电压幅值可达到几万到几十万伏,这种过电压往往会造成附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线、接地不良的金属物导体和大型的金属设备放电而引起电火花,从而引起火灾、爆炸、危及人身安全或对供电系统造成的危害。另外,在雷电闪击时,由于雷电流的变化率大而在雷电流的通道附近就形成了一个很强的感应电磁场,对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏,又或者使周围的金属构件产生感应电流,从而产生大量的热而引起火灾。
感应雷虽然没有直接雷猛烈,但其发生的几率比直击雷高得多。阻止感应雷的有效手段是屏蔽,将建筑物屋顶、墙体中的钢筋以及金属门窗、引入建筑物、构筑物的金属管道等通通连起来,达到一定的网格距就可以防御雷电感应。
5) 雷电浪涌:当线路遭受直击雷或产生雷电感应,高电位便会沿着导线电源线以及信号侵入变电站或建筑物内,这种雷电波侵入也会对电气设备造成危害或使建筑物内的金属设备放电,引起破坏作用。最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的,而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。一方面由于电子设备内部结构高度集成化,从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降,对雷电(包括感应雷及操作过电压浪涌)的承受能力下降,另一方面由于信号来源路径增多,系统较以前更容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜人电脑设备。信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。
防雷击电磁脉冲:线路进入建筑物处与接地装置连接、装设浪涌保护器。


避雷针及保护范围

1) 避雷针:避雷针的作用实质上是主动引雷入地,防止被保护物遭雷击。避雷针尖(又称接闪器)引入雷雨云上的电荷,引下线将电荷引到接地体上,接地体将电荷快速释放到大地中。
避雷针由接受器、接地引下线和接地体(接地极)三部分串联组成。避雷针的接受器是指避雷针顶端部分的金属针头。接受器的位置都高于被保护的物体。接地引下线是避雷针的中间部分,是用来连接雷电接受器和接地体的。接地引下线的截面积不但应根据雷电流通过时的发热情况计算,使其不会因过热而熔化,而且还要有足够的机械强度。接地体是整个避雷针的最底下部分。它的作用不仅是安全地把雷电流由此导入地中,而且还要进一步使雷电流在流入大地时均匀地分散开去。

当单支或双支避雷针不足以保护全部设备或建筑物时,可装三支或更多支形成更大范围的联合保护。需要注意的是,雷电时期内,在避雷针接地装置附近,由于跨步电压甚高,人员接近时有触电的危险,一般在避雷针接地装置附近约10米的范围内是比较危险的。

2) 避雷针的保护范围:避雷针保护其附近比它矮的建筑物或设备免受雷击是有一定范围的。这范围像一顶以避雷针为中心的圆锥形的帐篷,罩在帐篷里面空间的物体,可以免遭雷击,这就是避雷针的保护范围。国际电工委员会(IEC)推荐的滚球法计算。
1、根避雷针的保护范围:当避雷针的高度h≤hr时,距地面hr处作一条平行于地面的平行线,以避雷针的针尖为圆心,hr为半径画弧,交水平线于AB两点,又分别以AB两点为圆心,hr为半径,从针尖向地面画弧。如图5.1所示,则图中曲线就是避雷针保护范围的边界,保护范围是一个对称的锥体。当避雷针的高度h≤hr时,在避雷针上取高度为hr的一点代替单根避雷针针尖作圆心,其余做法同上。
以图1O点为原点,地面为X轴,避雷针为Y轴,建立直角坐标系。那么B点的坐标为。以B点为圆心,避雷针在高度为hx的水平面上的保护半径rx为:。当避雷针的高度h≥hr时:在避雷针上取高度为hr的一点代替单根避雷针针尖作圆心,其余做法同上。
2、两根等高避雷针的保护范围:当避雷针的高度h≤hr时,若两针之间的距离
其保护范围按单根避雷针保护范围方法确定。若,其保护范围按下面方法确定:

在地面上,分别以两根避雷针为圆心,为半径画弧,两弧相交于EC两点。在AEBC外侧的保护范围,按单根避雷针的方法确定。在地面每侧的最小保护宽度b0为:
(勾股定理) 
因为。在AOB轴线上,O’距地面高度为hr,以O’为圆心,O’A为半径,在AB两点间画弧。若以O’Oy轴,地面为x轴建立直角坐标系,则O’的坐标为(0hr),弧轨迹方程为:,那么,距离中心线任一距离x处,其保护范围边缘上的保护高度hr可由该式得出:


燃气调压站防雷

1) 露天设置的燃气调压设施最常用的避雷针是防御直击雷。
2) 燃气调压站布置在建筑物、构筑物内的,应按GB50057 的有关规定执行防雷分类及防雷措施。
3) 露天布置时,按GB 50183-2004的规定,由于阀门、管道、容器等是密闭的,且钢板厚度都大 4mm,雷电流无法击穿,不需要装设避雷针(线),但应做好防雷接地,冲击接地电阻不应大于30Ω
4) 仪表信号和计算机等弱电设备电源防雷:雷电侵害主要是通过线路侵入。对380VAC220VAC的低压线路应进行过电压保护,按国家规范应有三部分:建议在高压变压器后端到二次低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器或保护器,作一级保护;在二次低压设备的总配电盘至二次低压设备的配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器保护器,作二级保护;在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器或保护器,作为三级保护。目的是用分流(限幅)技术即采用高吸收能量的分流设备(避雷器)将雷电过电压(脉冲)能量分流泄人大地,达到保护目的,所以,分流(限幅)技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络保护的关键,因此,选择合格优良的避雷器或保护器至关重要。
5) 仪表信号和计算机等弱电设备信号防雷:对于信息系统,应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定,精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。
6) 防雷端子:对于信号系统的防雷,由于仪表信号的电源和信号线路一般汇集在附近控制室的控制柜内,因此常以接线端子形式出现,俗称防雷端子、雷电浪涌保护器等。需要注意的是,各种信号如4~20mARS232/485、以太网络、视频网络线路等必须安装与信号类别匹配的浪涌保护器。目前普遍对仪表信号系统的雷电浪涌防护还重视不够,常常引起设备的损坏。
7) 接地:不管哪种防雷保护型式,都必须有一个良好的接地系统,因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄人大地,从而保护设备和人身安全。另外还有防干扰的屏蔽问题,防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。
8) 防雷问题是一个综合性的工作,要完善外部雷电防护:
 (1)设备防雷:通过避雷针或金属设备直接接地将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散。
 (2)电源防雷:阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波。
 (3)信号防雷:限制被保护设备上浪涌过压过流幅值在设备可承受的范围。


防静电

1) 工业静电(industrial static electricity
静电是对观测者处于相对静止的电荷。由它所引起的磁场效应较之电场效应可以忽略不计。静电可由物质的接触与分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等物理过程而产生。工业静电是生产、储运过程中在物料、装置、人体、器材和构筑物上产生和积累起来的静电。
2) 在生产加工、储运过程中,设备、管道、操作工具及人体等,有可能产生和积聚静电而造成静电危害时,应采取静电接地措施。
3) 在进行静电接地时,必须注意下列部位的接地:
 装在设备内部而通常从外部不能进行检查的导体;
 装在绝缘物体上的金属部件;
 与绝缘物体同时使用的导体;
 被涂料或粉体绝缘的导体;
 容易腐蚀而造成接触不良的导体;
 在液面上悬浮的导体。
4) 固定设备:固定设备(塔、容器、机泵、换热器、过滤器等)的外壳,应进行静电接地。若为覆土设备一般可不做静电接地。与地绝缘的金属部件(如法兰、胶管接头、喷嘴等),应采用铜芯软绞线跨接引出接地。
5) 管道系统:管道在进出装置区(含生产车间厂房)处、分岔处应进行接地。长距离无分支管道应每隔100m接地一次。
平行管道净距小于100mm时,应每隔20m加跨接线。当管道交叉且净距小于100mm时,应加跨接线。
容量为50m3及以上的贮罐,其接地点不应少于两处,且接地点的间距不应大于30m,并应在罐体底部周围对称与接地体连接,接地体应连接成环形的闭合回路。
易燃或可燃液体的浮动式贮罐,在无防雷接地时,其罐顶与罐体之间应采用铜软线作不少于两处跨接,其截面不应小于25mm2,且其浮动式电气测量装置的电缆,应在引入贮罐处将铠装、金属外壳可靠地与罐体连接。
当金属法兰采用金属螺栓或卡子紧固时,一般可不必另装静电连接线,但应保证至少有两个螺栓或卡子间具有良好的导电接触面。
工艺管道的加热伴管,应在伴管进汽口、回水口处与工艺管道等电位连接。
风管及保温层的保护罩当采用薄金属板制作时,应咬口并利用机械固定的螺栓等电位连接。
金属配管中间的非导体管段,除需做特殊防静电处理外,两端的金属管应分别与接地干线相连,或用截面不小于6mm2的铜芯软绞线跨接后接地。
非导体管段上的所有金属件均应接地。
地下直埋金属管道可不做静电接地。
6) 人体防静电:操作人员在可能产生静电危害的场所,应采取下列措施:
应正确使用各种防静电防护用品(如防静电鞋、防静电工作服、防静电手套等),不得穿戴合成纤维及丝绸衣物。
操作人员应徒手或徒手戴防静电手套触摸接地金属物体后方可进入工作场所。
禁止在爆炸危险场所穿脱衣服、帽子等。


接地系统

1) 仪控系统大量采用仪表和RTU/PLC控制系统,其可靠性直接关系到燃气调压站的安全、稳定地运行。应采取抗电磁干扰措施,提高仪表系统的可靠性。
2) 干扰源:仪控系统的干扰源有电力网络的协波、雷电、电视、广播、无线电通信、接地混乱造成的环路电流等。
3) 接地种类:保护接地、工作接地、本质安全系统接地、防静电接地和防雷接地。
4) 接地装置由接地极(接地体)、接地总干线(接地总线)、总接地板(总接地端子、接地母排)组成。
5) 接地系统的导线应采用多股胶合铜芯绝缘电线或电缆,各接地汇流排可采用截面25mm×6mm的铜条制作,总接地板应采用铜板制作,厚度不小于6mm,机柜内的保护接地汇流排应与机柜做可靠连接。汇流排、工作接地汇流总板应采用绝缘支架固定。
6) 接地系统的标识颜色为绿色或绿、黄两色。接地线截面:
 接地线:1mm2~2.52mm
 接地干线:4mm2~162mm
 雷电浪涌保护器接地线:2.5mm2~42mm。雷电浪涌保护器接地线应尽可能短,并避免弯曲敷设。
各种接地连接应牢固、可靠,并应保证良好的导电性。接地线、接地干线、接地总干线与接地汇流排、接地汇总板的连接应采用铜接线片和镀锌钢质螺栓,并应有防松件,或采用焊接。
橇装仪表的接地采用型接地端子,并采用锯齿状不锈钢垫片与橇装调压站基础槽钢可靠连接。
各类接地连线中,严禁接入开关或熔断器。
7) 接地体的安装见图5.4
8) 燃气调压站防雷、网格状接地网示意图见图5.5。在燃气调压站设备布置区域地平面下0.6m布置网格状接地网,网格密度不大于5m×5m,从接地网干线引出到燃气调压站设备布置平面。电气施工应与土建施工密切配合,接地网应与附近建筑物基础主钢筋进行多点可靠连接,地面上0.3米处做多个临时接地卡。调压站安装时,将橇装槽钢基础与露出基础平面的接地线进行多点焊接连接。

9) 接地电阻

保护接地,其接地电阻值一般为4Ω,最高不超过10Ω;当系统接有漏电保护开关时,接地电阻值可大于10Ω
从仪表或设备的接地端子到接地极之间的导线与接地点的电阻总和,称为接地连接电阻。接地极对地电阻与接地连接电阻之和称为接地电阻。仪表及控制系统的接地连接电阻不应大于。接地电阻为工频接地电阻,不应大于
静电接地系统静电接地电阻值不应大于106Ω。专设的静电接地体的对地电阻值不应大于100Ω,在山区等土壤电阻率较高的地区,其对地电阻值也不应大于1000Ω
正确使用摇表:摇表放置水平;布置电位、电流棒与被测物体保持基本垂直而且要拉开距离;接线正确;摇柄保持150/分的速度摇动即2.5/秒;指针稳定后读数。


保护接地

1) 保护接地(也称为安全接地)是为人身安全和电气设备安全而设置的接地。仪表与控制系统的外露导电部分,正常时不带电,在故障、损坏或非正常情况时可能带危险电压,对这样的设备,均应实施保护接地。仪表及控制、电气设备的金属外壳、金属构架、金属配线管及其配件、电缆保护管、电缆的金属护套等非带电的裸露金属部分,正常时不带电,在故障、损坏或非正常情况时可能带危险电压,对这样的设备,均应实施保护接地。在爆炸性气体环境1区内所有的电气设备以及爆炸性气体环境2区内除照明灯具以外的其它电气设备,应采用专用的接地线与橇装调压站基础槽钢可靠连接。
2) 低于36V供电的现场仪表,可不做保护接地,但有可能与高于36V电压设备接触的除外。
3) 控制室用电应采用TN-S系统。整个系统中,保护线PE与中性线N是分开的。
4) 当安装在金属仪表盘、箱、柜、框架上的仪表,与已接地的金属仪表盘、箱、柜、框架电气接触良好时,可不做保护接地。
5) 在爆炸危险环境中接地干线宜在不同方向与接地体相连,连接处不得少于两处。
6) 爆炸危险环境内的电气设备与接地线的连接,宜采用多股软绞线,其铜线最小截面面积不得小于4mm2,易受机械损伤的部位应装设保护管。
7) 铠装电缆引入电气设备时,其接地或接零芯线应与设备内接地螺栓连接;钢带及金属外壳应与设备外接地螺栓连接。
8) 爆炸危险环境内接地或接零用的螺栓应有防松装置;接地线紧固前,其接地端子及上述紧固件,均应涂导电性防锈脂。
9) 仪表和电气设备不允许通过电缆保护管做导体进行接地。


工作接地

1) 保证仪控系统仪表和RTU/PLC等控制系统装置准确、可靠的工作,包括信号回路接地、屏蔽接地。常见的工作接地如电缆屏蔽层用于抑制电容性噪声干扰、信号回路接地等。因RTU/PLC本身结构的原因造成的事实上的接地,故当RTUPLC与模拟信号仪表联用时,模拟信号与数字信号必须有一个公共的信号回路接地点。
2) 隔离信号可不接地。这里的隔离指每一输入(或输出)信号的电路与其它输入(或输出)信号的电路是绝缘的,其电源是独立的、相互隔离的。
3) 非隔离信号通常以直流电源负极为参考点缘的,并接地。信号分配均以此为参考点。
4) 仪表工作接地的原则为单点接地,信号回路应避免产生接地回路,如果一条线路上的饿信号源和接收仪表都不可避免接地,则应采取隔离器将两点接地隔离开。
5) 工作接地的连线,除了正常的连接点外,都应当是绝缘的。
6) 信号屏蔽电缆的屏蔽层接地应为单点接地,应根据信号源和接收仪表的饿不同情况采用不同接法。当信号源接地时,信号屏蔽电缆的屏蔽层应当在信号源端接地,否则,信号屏蔽电缆的屏蔽层应当在信号接收仪表一侧接地。
7) 现场哪个仪表接线箱两侧的电缆屏蔽层应在箱内用端子连接在一起。


本安仪表接地

1) 采用隔离式安全栅的本质安全系统,不需要专门接地。
2) 采用齐纳式安全栅的本质安全系统则应设置接地连接系统。齐纳式安全栅的本安系统接地与仪表信号回路接地不应分开。


防静电接地

1) 安装DCSPLCRTU等设备的控制室、机柜室、过程控制计算机的机房,应考虑防静电接地。这些室内的导静电地板、活动地板、工作台等应进行防静电接地。
2) 已经做了保护接地和工作接地的仪表和设备,不必再另做防静电接地。
3) 控制系统的防静电接地应与保护接地共用接地系统。
4) 不得使用电气供电系统的中性线作防静电接地。


10 防雷接地

1) 当仪表及控制系统的信号线路从室外进入室内处,需要设置防雷接地连接的场合,应实施防雷接地。防雷接地可与防雷接地共用,但不得与独立避雷装置共用接地装置。
2) 仪表电缆槽、仪表电缆保护管应在进入控制室处,与电气专业的防雷电感应的接地排相连。
3) 现场仪表的雷电浪涌保护器应与电气专业的现场防雷电感应的接地排相连。
4) 在雷击区室外架空敷设的不带屏蔽层的多芯电缆,备用芯应接入屏蔽接地;对屏蔽层已接地的屏蔽电缆或穿钢管敷设或在金属电缆槽中敷设的电缆,备用芯可不接地。
5) 控制室内仪表供电的防雷端子(雷电浪涌保护器)应与配电柜的保护接地汇总板或防雷电感应的接地排相连。


11 其它抗干扰措施

1) 仪控系统的饿抗干扰措施主要有隔离、屏蔽、绞线等。
2) 隔离:用可靠的绝缘和合理的配线将干扰源隔离开。可靠绝缘保证导线、电缆之间不会产生漏电流,导线和电缆的耐压等级、绝缘电阻必须要求。合理配线要求信号线或低那里内尽量避开干扰源。
3) 屏蔽:用金属导体将被保护的元件、电线包围起来,抑制电容性噪声特别有效,即通过屏蔽层接地使两根平行的导线之间的耦合电容降低到零,从而降低了干扰。非磁性屏蔽体对磁场无屏蔽效果,但钢管或钢制加盖的汇线槽的钢磁阻很小,使进入钢管或汇线槽内电缆的磁力线大大降低,也起义顶的屏蔽作用。而在信号电缆附近受到雷击时,通过分布电容和电感耦合到信号线,在信号回路内产生很高的冲击电压,损坏设备,危及人参安全。在接地的钢管或钢制加盖的汇线槽内敷设可得到屏蔽而受到一定保护。
4) 绞线:同一根绞线两个相邻的绞环所产生的感应电动势方向相反,相互抵消。对于低电平、周围有磁场干扰源的信号电缆,采用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效方法。
5) 接地:24VDC电源为抑制干扰也可将负端接地,就不会有漏电压(电流)引入。
6) 交流净化电源(隔离变压器):将仪控系统通过电源引入的干扰过滤掉。
7) 软件抗干扰:采用数字滤波,可消除开关量信号的误动作脉冲信号;采用工频, 整形采样,可消除周期性干扰。设置陷阱,当输入信号失常时的处理等等。
8) 雷击保护:仪表侧安装雷击保护设备。多芯电缆的备用芯应在一端接地,防止雷击时感应出高电压。

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