地鐵BAS電氣保護(hù)措施

1、地鐵BAS電氣保護(hù)措施3.電氣保護(hù)措施3.1有關(guān)電氣保護(hù)措施的問(wèn)題為了避免由于電氣短路或過(guò)流燒壞設(shè)備應(yīng)采取那些電氣保護(hù)措施，BAS系統(tǒng)是否是浮地？3.2有關(guān)電氣保護(hù)措施問(wèn)題的答復(fù)由于地鐵BAS系統(tǒng)所處現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力線路密布，設(shè)備啟停運(yùn)轉(zhuǎn)繁忙，因此存在嚴(yán)重的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾。而地鐵BAS系統(tǒng)又有幾百乃至幾千個(gè)輸入輸出通道分布在其中，導(dǎo)線之間形成相互耦合是通道干擾的主要原因之一。如果系統(tǒng)浮地，系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)備均不安全，因此系統(tǒng)不能浮地。具體分析和保護(hù)措施參見(jiàn)下面論述：這些電磁干擾主要表現(xiàn)為電容性耦合、電感性耦合、電磁場(chǎng)輻射三種形式。在BAS系統(tǒng)中，由前兩種耦合造成的干擾是主要的，第三種是次要的。它們對(duì)電路主

2、要造成共模形式的干擾。可以等效為圖3-1中的干擾源Ecm。 圖3-1 地電位差和電磁干擾造成的共模電壓的等效圖眾所周知，地球是一個(gè)靜電容量很大的導(dǎo)體，其電位非常恒定。如果把一個(gè)導(dǎo)體與大地緊密連接，那么該導(dǎo)體的電位也是恒定的。通常我們把它的電位叫作零電位，它是電位的參考點(diǎn)。然而，工程上不可能做到這種緊密連接，總是存在一定的接地電阻。當(dāng)有電流經(jīng)該導(dǎo)體入地時(shí)，它的電位就有波動(dòng)。于是，不同的接地點(diǎn)之間的電位就會(huì)有差異。當(dāng)我們用一根導(dǎo)線連接不同的接地點(diǎn)時(shí)，在導(dǎo)線中就可能有電流流動(dòng)，這稱為地環(huán)電流。接地抗干擾技術(shù)就是解決以地環(huán)電流為中心的一系列技術(shù)問(wèn)題。圖1 等效示意了信號(hào)源地線和放大器地線之間的電位差形

3、成的干擾源EG，它對(duì)電路主要造成共模形式的干擾。然而，由干擾源Ecm和EG形成的共模電壓，其中一部分會(huì)轉(zhuǎn)換成差模電壓， 直接對(duì)電路造成干擾。假設(shè)信號(hào)源Es=0，即只考慮干擾源Ecm和EG的作用時(shí)。因?yàn)閕1回路和i2 回路阻抗不相等，因此，回路電流i1和i2也不相等。于是兩個(gè)電流的差在放大器的輸入電阻上形成了差模電壓。采取合適的屏蔽和正確的接地措施就可以減少和消除這些干擾。屏蔽抗干擾技術(shù)電場(chǎng)耦合的屏蔽和抑制技術(shù)克服電場(chǎng)耦合干擾最有效的方法是屏蔽。因?yàn)榉胖迷诳招膶?dǎo)體或者金屬網(wǎng)內(nèi)的物體不受外電場(chǎng)的影響。請(qǐng)注意，屏蔽電場(chǎng)耦合干擾時(shí)，導(dǎo)線的屏蔽層最好不要兩端連接當(dāng)?shù)鼐€使用。因在有地環(huán)電流時(shí)，這將在屏蔽層

4、形成磁場(chǎng)，干擾被屏蔽的導(dǎo)線。正確的作法是把屏蔽層單點(diǎn)接地，一般選擇它的任一端頭接地。造成電場(chǎng)耦合干擾的原因是兩根導(dǎo)線之間的分布電容產(chǎn)生的耦合。當(dāng)兩導(dǎo)線形成電場(chǎng)耦合干擾時(shí)，導(dǎo)線在導(dǎo)線上產(chǎn)生的對(duì)地干擾電壓VN為：式中，V1和是干擾源導(dǎo)線1的電壓和角頻率；R和C2G是被干擾導(dǎo)線2的對(duì)地負(fù)載電阻和總電容；C12是導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的分布電容。通常，C12<<C2G，因此，式(1)可以簡(jiǎn)化成：從式(2)可以看出，在干擾源的角頻率不變時(shí)，要想降低導(dǎo)線2上的被干擾電壓VN， 應(yīng)當(dāng)減小導(dǎo)線1的電壓V1，減小兩導(dǎo)線之間的分布電容C12，減小導(dǎo)線2對(duì)地負(fù)載電阻R以及增大導(dǎo)線2對(duì)地的總電容C2G。在這些

5、措施中，可操作性最好的是減小兩導(dǎo)線之間的分布電容C12。即采用遠(yuǎn)離技術(shù)：弱信號(hào)線要遠(yuǎn)離強(qiáng)信號(hào)線敷設(shè)，尤其是遠(yuǎn)離動(dòng)力線路。工程上的“遠(yuǎn)離”概念，通常取干擾導(dǎo)線直徑的40倍，即認(rèn)為足夠了。同時(shí)，避免平行走線也可以減小C12。磁場(chǎng)耦合的抑制技術(shù)抑制磁場(chǎng)耦合干擾的好辦法應(yīng)該是屏蔽干擾源。大電機(jī)、電抗器、磁力開(kāi)關(guān)和大電流載流導(dǎo)線等等都是很強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾源。但把它們都用導(dǎo)磁材料屏蔽起來(lái)，在工程上是很難做到的。通常是采用一些被動(dòng)的抑制技術(shù)。當(dāng)回路1對(duì)回路2造成磁場(chǎng)耦合干擾時(shí)，其在回路2 上形成的串聯(lián)干擾電壓VN為：VN=jBAcos (3) 式中，是干擾信號(hào)的角頻率；B是干擾源回路1形成的磁場(chǎng)鏈接至回路2處的

6、磁通密度；A為回路2感受磁場(chǎng)感應(yīng)的閉合面積，是和兩個(gè)矢量的夾角。從式(3)可以看出，在干擾源的角頻率不變時(shí)，要想降低干擾電壓VN，首先應(yīng)當(dāng)減小B。對(duì)于直線電流磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，B與回路1流過(guò)的電流成正比，而與兩導(dǎo)線的距離成反比 。因此，要有效抑制磁場(chǎng)耦合干擾，仍然是遠(yuǎn)離技術(shù)。同時(shí)，也要避免平行走線。屏蔽線的使用圖3-2示出了屏蔽線使用的三種情況。圖(a)是單端接地方式。假設(shè)信號(hào)電流i1從芯線流入屏蔽線，流過(guò)負(fù)載電阻RL之后，再通過(guò)屏蔽層返回信號(hào)源。因?yàn)閕1與i2大小相等方向相反，所以它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾相互抵消。這是一個(gè)很好的抑制磁場(chǎng)干擾的措施。同時(shí)它也是一個(gè)很好的抵制磁場(chǎng)耦合干擾的措施。圖(b)是兩端

7、接地方式。由于屏蔽層上流過(guò)的電流是i2與地環(huán)電流iG的迭加，所以它不能完全抵消信號(hào)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾。因此，它抑制磁場(chǎng)耦合干擾的能力也比圖(a)差。圖(a)和(b)都有屏蔽電場(chǎng)耦合干擾作用。圖(c)的屏蔽層懸浮，因此，它只有屏蔽電場(chǎng)耦合干擾能力，而無(wú)抑制磁場(chǎng)耦合干擾能力。(a)單端接地      (b)兩端接地   (c)屏蔽層不接地圖3-2 屏蔽線的用法如果把圖(c)的抑制磁場(chǎng)干擾衰減能力定為0 dB，當(dāng)圖(a)、(b)、(c)的信號(hào)源內(nèi)阻RS都為100，負(fù)載電阻RL都為1 M，信號(hào)源頻率在50 kHz（高于該電纜屏蔽體

8、截頻的倍）時(shí)，根據(jù)國(guó)外專家實(shí)驗(yàn)測(cè)定，圖(a)具有80 dB的衰減，即抑制磁場(chǎng)干擾能力很強(qiáng)。而圖(b)具有27 dB的磁場(chǎng)干擾抑制能力。 圖(a)的單端接地方式抗干擾能力最好。其接地點(diǎn)的選擇可以是圖(a)中的情況，也可以選擇負(fù)載電阻RL側(cè)接地，而讓信號(hào)源浮置。雙絞線的使用雙絞線的絞扭節(jié)距把式(3)中的A回路分隔成許多的小回路，如果雙絞線的絞扭一致的話，那么這些小回路的面積相等而法方向相反，因此，其磁場(chǎng)干擾可以相互抵消。雙絞線的結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)耦合干擾的抑制毫無(wú)能力。當(dāng)給雙絞線加上屏蔽層后，一個(gè)價(jià)廉物美的傳輸線就誕生了。圖3-3示出了雙絞線的使用方法。如果每2.54 cm扭6 個(gè)均勻絞扭的話，當(dāng)采用上節(jié)

9、約定的參數(shù)時(shí)，根據(jù)國(guó)外專家的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，各用法對(duì)磁場(chǎng)干擾的抑制dB數(shù)如圖所示。其中圖(a)采用單端接地方式，因此對(duì)磁場(chǎng)干擾具有高達(dá)55 dB的衰減能力?？梢?jiàn)，雙絞線確實(shí)有很好的效果。而圖(b)由于兩端接地，地線阻抗與信號(hào)線阻抗不對(duì)稱，地環(huán)電流造成了雙絞線電流不平衡，因此降低了雙絞線抗磁場(chǎng)干擾的能力，所以圖(b)只有13 dB的磁場(chǎng)干擾衰減能力。圖(c)使用屏蔽雙絞線，由于其屏蔽層一端接地，另一端懸空，因此屏蔽層上沒(méi)有返回信號(hào)電流，所以它的屏蔽層只有抗電場(chǎng)干擾能力，而無(wú)抑制磁場(chǎng)耦合干擾能力。所以圖(c)的dB數(shù)與圖(a)一樣衰減55 dB。圖(d)屏蔽層單端接地，而另一端又與負(fù)載冷端相連，因此它具

10、有圖2(a)的效果，但它的屏蔽層上的電流由于被雙絞線中的一根分流，又比圖2(a)稍差。具有77 dB的衰減。圖(e)的屏蔽層雙端接地，具有一定的抑制磁場(chǎng)耦合干擾能力，加上雙絞線本身的作用，因此具有63 dB的衰減。圖(f)的屏蔽層和雙絞線都兩端接地，因此其效果只是比圖3(b)稍好。具有28 dB衰減。雙絞線最好的應(yīng)用是作平衡式傳輸線路。因?yàn)閮蓷l線的阻抗一樣，自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾或外部磁場(chǎng)干擾都可以較好的抵消。同時(shí)，平衡式傳輸又獨(dú)具很強(qiáng)的抗共模干擾能力，因此成為大多數(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的傳輸線。例如，物理層采用RS422A或RS485通信接口，就是很好的平衡傳輸模式。 圖3-3 雙絞線的用法及其抗磁場(chǎng)耦合

11、干擾能力接地抗干擾技術(shù)接地抗干擾技術(shù)的主要內(nèi)容，其一是避開(kāi)地環(huán)電流的干擾；其二是降低公共地線阻抗的耦合干擾?！耙稽c(diǎn)接地”有效地避開(kāi)了地環(huán)電流；而在“一點(diǎn)接地”前提下，并聯(lián)接地則是降低公共地線阻抗的耦合干擾的有效措施；它們是工業(yè)控制系統(tǒng)采用的最基本的接地方法。然而，工業(yè)控制系統(tǒng)接地的含義不一定就是接大地。例如直流接地只是定義電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位。它可以懸浮，但要求與大地嚴(yán)格絕緣。通常，其絕緣電阻要達(dá)到50 M以上。直流地懸浮隔離了交流地網(wǎng)的干擾，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，工程中經(jīng)常使用。直流地懸浮的缺點(diǎn)是機(jī)器容易帶靜電，如果該靜電電位過(guò)高，會(huì)損壞器件，擊傷操作人員等等；而且，如果這時(shí)直流地與大地的絕緣電阻減小，

12、可能會(huì)產(chǎn)生很多原先沒(méi)有想到的干擾。直流地接大地，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，要埋設(shè)一個(gè)不大于 的獨(dú)立接地體。但無(wú)論直流地懸浮或者接大地，直流地與大地之間的電位都存在著間接或者直接的關(guān)系。工業(yè)控制機(jī)所操作的各種輸入輸出信號(hào)之間接地是否合理，不只是形成相互耦合干擾的問(wèn)題，有時(shí)還危及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。 在實(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)中，各種通道的信號(hào)頻率大多在MHz內(nèi)，屬于低頻范圍。因此，本文只涉及低頻范圍的接地討論。串聯(lián)接地和并聯(lián)接地在圖3-4(a) 所示意的串聯(lián)接地方式中，電路、各有一個(gè)電流i1、i2、i3流向接地點(diǎn)。由于地線存在電阻，因此，A、B、C點(diǎn)的電位不再是零， 于是各個(gè)電路間相互發(fā)生干擾。尤其是強(qiáng)信號(hào)電路將嚴(yán)

13、重干擾弱信號(hào)電路。如果必須要這樣使用，應(yīng)當(dāng)盡力減小公共地線的阻抗，使其能達(dá)到系統(tǒng)的抗干擾容限要求。串聯(lián)的次序是，最怕干擾的電路的地接點(diǎn)，而最不怕干擾的電路的地應(yīng)當(dāng)接點(diǎn)。但工業(yè)控制機(jī)中的模擬通道和數(shù)字通道不能這樣串聯(lián)接地。應(yīng)當(dāng)按照?qǐng)D3-4(b)所示意的并聯(lián)接地方式使用。并聯(lián)接地中各個(gè)電路的地電位只與其自身的地線阻抗和地電流有關(guān)，互相之間不會(huì)造成耦合干擾。因此，有效地克服了公共地線阻抗的耦合干擾問(wèn)題，工業(yè)控制機(jī)應(yīng)當(dāng)盡量采用并聯(lián)接地方式。值得注意的是，雖然采用了并聯(lián)接地方式，但是地線仍然要粗一些，以使各個(gè)電路部件之間的地電位差盡量減小。這樣，當(dāng)各個(gè)部件之間有信號(hào)傳送時(shí)，地線環(huán)流干擾將減小。 圖3-4

14、 電路部件的一點(diǎn)接地(a)串聯(lián)接地方式(b)并聯(lián)接地方式一個(gè)實(shí)際的信號(hào)采集系統(tǒng)接地方案圖3-5 一個(gè)實(shí)際的信號(hào)采集系統(tǒng)接地示意圖一個(gè)實(shí)際的信號(hào)采集系統(tǒng)接地示意圖如圖3-5所示。 多個(gè)模擬輸入信號(hào)采用屏蔽雙絞線接至工控?cái)?shù)據(jù)采集處理機(jī)。所有模擬信號(hào)源都浮置，這對(duì)于多數(shù)工業(yè)變送器（傳感器）來(lái)說(shuō)，都能夠滿足這個(gè)要求。模擬輸入信號(hào)采用一點(diǎn)接地，接地點(diǎn)選在微處理機(jī)的模入接口的模擬地GA上。屏蔽層也采用一點(diǎn)接地，接在模擬地上。這與圖3(c)的用法相同。這種用法靠雙絞線抑制磁場(chǎng)耦合干擾，屏蔽層屏蔽電場(chǎng)干擾。雖然抑制dB數(shù)不算高，但它不會(huì)引入其它噪聲，可靠性較好，不論在什么現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境都可用。所有的模擬電路的地線并

15、聯(lián)于GA點(diǎn)，然后用一根具有絕緣皮的低阻抗導(dǎo)線，將模擬地連接到專為工控機(jī)埋設(shè)的獨(dú)立接地體的線鼻上。工控?cái)?shù)據(jù)采集處理機(jī)的數(shù)字地也應(yīng)并聯(lián)于一點(diǎn)GD，仍然用一根具有絕緣皮的低阻抗導(dǎo)線，將數(shù)字地GD連接到專為工控機(jī)埋設(shè)的獨(dú)立接地體的線鼻上。工控機(jī)的外設(shè)地線也應(yīng)并聯(lián)于該獨(dú)立接地體的線鼻上。對(duì)于一般的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，外設(shè)的保護(hù)地線、工控機(jī)柜、傳感器柜、執(zhí)行器柜等的保護(hù)地線都可以并聯(lián)到該獨(dú)立接地體的線鼻上。但是要求高的項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)埋設(shè)專門(mén)的獨(dú)立的安全保護(hù)地線，并把設(shè)備和機(jī)柜的保護(hù)地線并聯(lián)地接于那里。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，計(jì)算機(jī)的安全保護(hù)地線接地電阻不應(yīng)大于4 。嚴(yán)禁使用建筑物的避雷地作工業(yè)控制系統(tǒng)的任何地線使用。 如果把圖5的

16、計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)直流地懸浮運(yùn)行，那么它的的模擬地、數(shù)字地仍然要用低阻抗導(dǎo)線短接，只是不接大地就行了。目前的工控機(jī)廠商提供的大部分產(chǎn)品都沒(méi)有模擬地和數(shù)字地的接大地端子，它們的模擬地和數(shù)字地已在電路板上妥善短接。用戶最簡(jiǎn)單的應(yīng)用就是搞浮地運(yùn)行。這對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)變送器，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)是沒(méi)有大問(wèn)題的。接地六要素根據(jù)建筑接地和接線要求的規(guī)定：BAS系統(tǒng)接地的結(jié)構(gòu)包括接地線，接地母線（層接地端子）、接地干線。主接地母線（總接地端子）、接地引入線、接地體六部分，在進(jìn)行系統(tǒng)接地的設(shè)計(jì)時(shí)，可按上述6個(gè)要素分層次地進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.接地線接地線是指綜合布線系統(tǒng)各種設(shè)備與接地母線之間的連線。所有接地線均為銅質(zhì)絕緣導(dǎo)線，其

17、截面應(yīng)不小于4mm2。當(dāng)綜合布線系統(tǒng)采用屏蔽電纜布線時(shí)，信息插座的接地可利用電纜屏蔽層作為接地線連至每層的配線柜。若綜合布線的電纜采用穿鋼管或金屬線糟敷設(shè)時(shí)，鋼管或金屬線糟應(yīng)保持連續(xù)的電氣連接，并應(yīng)在兩端具有良好的接地。2.接地母線（層接地端子）接地母線是水平布線于系統(tǒng)接地線的公用中心連接點(diǎn)。每一層的樓層配線柜均應(yīng)與本樓層接地母線相焊接與接地母線同一配線間的所有綜合布線用的金屬架及接地干線均應(yīng)與該接地母線相焊接。接地母線均應(yīng)為銅母線，其最的小尺寸應(yīng)為6mm厚×50mm寬，長(zhǎng)度視工程實(shí)際需要來(lái)確定。接地母線應(yīng)盡量采用電鍍錫以減小接觸電阻，如不是電鍍，則在將導(dǎo)線固定到母線之前，須對(duì)母線進(jìn)

18、行清理。3.接地干線 接地干線是由總接地母線引出，連接所有接地母線的接地導(dǎo)線。在進(jìn)行接地干線的設(shè)計(jì) 時(shí)，應(yīng)充分考慮建筑物的結(jié)構(gòu)形式，建筑物的大小以及綜合布線的路由與空間配置，并與綜合布線電纜干線的敷設(shè)相協(xié)調(diào)。接地干線應(yīng)安裝在不受物理和機(jī)械損傷的保護(hù)處，建筑物內(nèi)的水管及金屬電纜屏蔽層不能作為接地干線使用。當(dāng)建筑物中使用兩個(gè)或多個(gè)垂直接地干線時(shí)，垂直接地干線之間每隔三層及頂層需用與接地干線等截面的絕緣導(dǎo)線相焊接。接地干線應(yīng)為絕緣銅芯導(dǎo)線，最小截面應(yīng)不小于16mm2。當(dāng)在接地干線上，其接地電位差大于1VrmS(有效值)時(shí)，樓層配線間應(yīng)單獨(dú)用接地干線接至主接地母線。4主接地母線（總接地端子） 一般情況

19、下，每棟建筑物有一個(gè)主接地母線。主接地母線作為綜合布線接地系統(tǒng)中接地干線及設(shè)備接地線的轉(zhuǎn)接點(diǎn)，其理想位置宜設(shè)于外線引入間或建筑配線間。主接地母線應(yīng)布置在直線路徑上，同時(shí)考慮從保護(hù)器到主接地母線的焊接導(dǎo)線不宣過(guò)長(zhǎng)。接地引入線、接地干線、直流配電屏接地線、外線引入間的所有接地線，以及與主接地母線同一配線間的所有綜合布線用的金屬架均應(yīng)與主接地母線良好焊接。當(dāng)外線引入電纜配有屏蔽或穿金屬保護(hù)管時(shí)，此屏蔽和金屬管也應(yīng)焊接至主接地母線。主接地母線應(yīng)采用銅母線，其最小截面尺寸為6mm厚X100mm寬，長(zhǎng)度可視工程實(shí)際需要而定。和接地母線相同，主接地母線也應(yīng)盡量采用電鍍錫以減小接觸電阻。如不是電鍍，則主接地母

20、線在固定到導(dǎo)線前必須進(jìn)行清理。5接地引入線接地引入線指主接地母線與接地體之間的連接線，宜采用40mm寬×4mm厚或50mm×5mm的鍍鋅扁鋼。接地引入線應(yīng)作絕緣防腐處理，在其出土部位應(yīng)有防機(jī)械損傷措施，且不宜與暖氣管道同溝布放。6接地體 接地體分自然接地體和人工接地體兩種。當(dāng)綜合布線采用單獨(dú)接地系統(tǒng)時(shí)，接地體一般采用人工接地體，并應(yīng)滿足以下條件： （1） 距離工頻低壓交流供電系統(tǒng)的接地體不宣小于10m。 （2） 距離建筑物防雷系統(tǒng)的接地體不應(yīng)小于2m。 （3） 接地電阻不應(yīng)大于40。 當(dāng)綜合布線采用聯(lián)合接地系統(tǒng)時(shí)，接地體一般利用建筑物基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋網(wǎng)作為自然接地體，其接地電阻應(yīng)小于1。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用聯(lián)合接地系統(tǒng)，這是因?yàn)榕c前者相比，聯(lián)合接地方式具有以下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：（1）當(dāng)建筑物遭