论控制系统对接地电阻值的要求

论控制系统对接地电阻值的要求徐义亨【摘要】The grounding resistance value of control system has its own requirements.Nowadays,4 Q as the requirement of grounding resistance value is still used in many manufacturers of control system in China.Through analysis,requirements of protection grounding to grounding resistance value for control cabinet is determined by action current of air switch or fuse and resistivity of soil (or ground) when the fault of equipment in a cabinet happened.Requirements of working ground to grounding resistance value is determined by insulation performance and symmetrical performance of control system.The requirements of the working grounding resistance value for control system differ from that of the protection grounding.The expected value of grounding resistance value for an engineering design should be less than one of the smaller.%控制系统对接地电阻值有其自身的要求，而目前国内许多控 制系统的制造商仍以4Q作为对接地电阻值的要求通过分析认为:控制机柜内设备 在发生故障时,空气开关或熔断器的动作电流以及土壤或地面的电阻率决定了控制 机柜保护地对接地电阻值大小的要求;控制系统的绝缘性能与对称性能决定了工作 地对接地电阻值大小的要求.控制系统的工作地与控制机柜的保护地对接地电阻值 的要求是有差异的,设计过程中接地电阻的期望值应小于两者中的较小值.【期刊名称】 石油化工自动化年(卷),期】 2017(053)005【总页数】4页(P8-10,49) 【关键词】 控制系统;接地电阻;接触电位差;保护地;工作地【作 者】 徐义亨【作者单位】 浙江中控研究院有限公司,浙江杭州310053【正文语种】 中 文【中图分类】 TP277控制系统对接地电阻值的要求，鲜有文献作详细讨论。国内许多控制系统的制造商在其产品使用说明书里，仍沿用以4Q作为对接地电阻值的要求。笔者尝试对该命 题进行探讨。涉及电气装置对接地电阻值要求的相关标准主要有： DL/T 6211997交流电气装置的接地1 ； GB 16895.112001低压电气装置对暂时过电压和高压系 统之间的故障的保护2 ； GB 140502008系统接地的型式及安全技术要求 3。上述标准确定电气装置保护地接地电阻值R的基本公式为式中：U共用接地网电位允许的升高值，V ； It流经接地装置的短路电流 或切断故障回路的动作电流，A。其中，文献1对U的要求见表1所列。 笔者认为，控制机柜对保护地接地电阻值的要求应根据机柜在发生故障时，人与机 柜间的接触电位差Ut考虑，而不宜按机柜电位允许的升高值考虑。如图1所示，设R为接地电阻值，It为机柜发生故障时流经接地装置的短路电流 或切断故障回路的动作电流。此时，机柜电位的升高值为U=ItR，地电位的分布 如图1中的曲线所示。式中：U1机柜发生故障时操作人员所在处的地电位，V。2.1 机柜发生故障时的地电位分布为了简化问题，假设接地体为简单的半球状接地体，如图2所示，控制机柜设置 在半球状接地体上部的地面上。因为土壤有一定的电阻率，接地体在泄散电流过程中，接地电流I将在土壤中建立起电流场。由图2可知，土壤中的电流密度在接地体处最大，随着离开接地体距离X的增加，电流密度逐渐减小。根据电流场理论，土壤中的电场强度E、电流密 度和土壤电阻率的关系应满足：式中：P土壤电阻率，Qm; J土壤中的电流密度，A/m2。接地体处的电位等于电场强度沿长度x方向的积分：式中：r半球状接地体的半径,mo即可得到机柜在发生故障时，离机柜距离为S处的电位值的计算公式：式中：S离机柜的距离，m。2.2 Ut的限值Ut的限值指超过该限值即被认为是危险带电，国内夕b各标准对危险限值的规定不 一，而且许多规范通常以设备的工作电压或者按设备允许升高的电位值去考虑危险 限值。GB 4793.12007测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第1部分： 通用 要求4对所谓危险带电限值的规定，是指设备在正常条件下，在可触及零部件 与地之间，同1台设备任意2个可触及的零部件之间，如交流电压的有效值有可 能超过33V,直流电压值有可能超过70V时，都认为是危险带电。这与其他标准的规定相比，其特点是：1) 不按设备工作电压的高低或设备允许升高的电位值来考虑危险限值。2) 考虑到交流电和直流电对人体的危险性不一，所以交流电压的危险限值不同于 直流电压的危险限值。2.3 保护地接地电阻值的计算由图1可知，根据式(2)和式(5)，并令式中的I=It，则若电源电压为常见的交流220V,按上述危险限值考虑，则Ut可取33V,人体离机柜 的距离取0.8m，则R应满足下式的要求：例：控制机柜断路器配置的空气开关的额定电流为10A，如脱口器为固定式，长 延时动作电流为10A,p取100Qm,如按式(7)计算，则R宜小于23.3Q。一般而言，控制机柜不可能直接立在接地体上部的地面上，实际对保护地接地电阻 值的计算要复杂些，式(7)可用来估算对保护地接地电阻值大小的要求。式(7)中右 侧第1项33/It为保护地接地电阻要求的最小值，第2项的大小取决于人体所处地 面的电阻率。另外，本文定义的接地电阻值包括地面上的连接电阻在内，如允许的连接电阻为1Q,则按式(7)计算出来的接地电阻值还应该减去1Q。 控制系统的工作地，即为信号和系统提供1个稳定的电位参考点,它对接地电阻值 的要求是基于对系统测量精度的要求。现以双端对地输入的模拟量输入卡的测量系统为例进行讨论，如图3所示。设：Rd为接地电阻；R1, R2分别为信号输入端的导线电阻；R3, R4分别为测 量系统对地的等效绝缘电阻。假设信号输入为零，由于共模干扰电压Uc的存在，则在测量系统的输入端产生的 串模干扰电压为由图3和式(8)可知：1) 如电路对称，即R1=R2 , R3 = R4，则串模干扰电压U3=0 ;如电路不对称，共模干扰电压Uc就会产生串模干扰电压U3，从而影响测量系统的精度。2) Rd愈大或I愈大，产生的Uc也愈大。3) 如能做到1=0,则模拟量输入卡对Rd的大小没有要求。4) I的大小取决于系统的绝缘性能，即R3和R4的大小。所以，模拟量输入卡的测量系统对Rd大小的要求取决于系统对地的绝缘性能和对 称性能。如对图3所示的模拟量输入卡的输入端采取隔离措施，由于信号的发送端与接受 端之间形成不了共模电压，可以大幅降低对工作地接地电阻值的要求。控制系统对Rd大小的要求必须通过试验的方法确定。试验时，可以用改变连接电 阻的大小去测试对系统测量精度的影响，从而确定系统工作地对接地电阻值的要求 综上所述，可得如下几点结论：1) 控制机柜内设备在发生故障时,空气开关或熔断器的动作电流以及土壤或地面的 电阻率决定了控制机柜保护地对接地电阻值大小的要求；控制系统的绝缘性能与对 称性能决定了对工作地接地电阻值大小的要求。2) 控制系统对工作地接地电阻值的要求是控制系统的属性；而对保护地接地电阻 值的要求则为控制机柜的属性。控制系统产品使用说明书中规定的接地电阻值应该 是指对工作地接地电阻值的要求。3) 控制系统的工作地与控制机柜的保护地对接地电阻值的要求是不一样的，对某 个工程设计，接地电阻的期望值应小于两者中的较小值。【相关文献】1 杜澍春.DL/T 6211997交流电气装置的接地S.北京：中国电力出版社,1997.2 李世林，郭汀侏德基，等.GB 16895.112001低压电气装置对暂时过电压和高压系统之间的故 障的保护S.北京：中国标准出版社,2001.3 刘江，曾雁鸿,裴晓波，等.GB 140502008系统接地的型式及安全技术要求S.北京：中国标准出版社,2008.4 贾真，郭建宇，肖向荣.GB 4793.12007测量、控制和实用电气设备的安全要求第1部分: 通用要求S.北京：中国标准出版社,2007.徐义亨控制工程中的电磁兼容M上海：上海科学技术出版社，2017.6中国建筑学会建筑电气分会电磁兼容与防雷接地M.北京：中国建筑工业出版社，2010.