現(xiàn)場儀表接地解析

現(xiàn)場儀表接地解析現(xiàn)場儀表需要接地嗎？為什么？如果接地應(yīng)該怎么接？什么情況下可以不接地？有什么標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嗎？爆炸危險(xiǎn)環(huán)境和非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的現(xiàn)場儀根據(jù)GB/IEC（等同采用或修改采用IEC標(biāo)準(zhǔn)的中國國家標(biāo)準(zhǔn)）幾項(xiàng)有關(guān)的接地方式?，F(xiàn)場儀表分類與接地有關(guān)的現(xiàn)場儀表指涉及電信號或用電的電動或電子儀表，包括單體儀表和集成（組合）儀表。與電信號無關(guān)的純機(jī)械儀表不在本文討論之列，例如：彈簧管壓力表、雙金屬溫度計(jì)、磁翻板液位計(jì)等。單體儀表可按信號功能分為6類：1）測量類儀表。各種類型的把物理變量轉(zhuǎn)變成電信號的測量儀表，如：熱電偶、變送器、電子測量元件等。2）驅(qū)動類儀表。把電信號變成物理或機(jī)械作用的儀表，包括電氣轉(zhuǎn)換器、閥門定位器、電磁閥、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。3）信號過渡類儀表。包括指示儀、隔離器、安全柵、繼電器、電子開關(guān)、指示燈、報(bào)警器、音響器、小型可編程序控制器（PLC）等。4）信號處理類儀表。常規(guī)信號儀表、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、客戶機(jī)、工作站、終端5）電源變換類儀表。交流/直流電源裝置。6）機(jī)械類電動儀表。無電子或電動元件，但又與電信號或供電相關(guān)的儀表，如：機(jī)械按鈕、機(jī)械開關(guān)、浮球液位開關(guān)等。前5類為有電子元件或電動元件的單體儀表，第4類、第5類有時(shí)也用于現(xiàn)場儀表，第6類為無電子或電動元件的機(jī)械類電動單體儀表。現(xiàn)場儀表按保護(hù)結(jié)構(gòu)又可分為絕緣外殼和金屬外殼兩類。集成儀表是多于1臺單體儀表組合而成的儀表，例如：分散型控制系統(tǒng)（DCS）、儀表按防爆功能分為防爆類儀表和非防爆類儀表。石油化工行業(yè)常用的防爆類儀表按GB3836/IEC60079系列標(biāo)準(zhǔn)的防爆方法分為：本質(zhì)安全型、隔爆型、增安型、澆封型、無火花型、正壓外殼型、油浸型、充砂型等。現(xiàn)場儀表接地的目的2.1儀表外殼需要接地的目的儀表外殼需要接地的目的有三個(gè)：為避免電氣故障造成人身傷害；避免電氣故障形成爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的引燃條件，非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境沒有該目的；為雷電電涌防護(hù)器提供電涌泄放條件。這三個(gè)目的都屬于電擊防護(hù)。所以，儀表接地是與電有關(guān)的。2.2不需要接地的儀表不需要接地的儀表包括：絕緣外殼儀表、機(jī)械類電動儀表、與電信號無關(guān)的純機(jī)械類儀表。2.3現(xiàn)場儀表接地的類型現(xiàn)場儀表不需要、也沒有工作接地，儀表電子電路是不接地的，內(nèi)部電路沒有專門引出的接地點(diǎn)。只有金屬外殼儀表上有接地端子供需要的接地用。即只有金屬外殼的現(xiàn)場儀表上有接地點(diǎn)，只能接到現(xiàn)場的保護(hù)接地，所以，現(xiàn)場儀表接地就是電動和電子儀表的金屬外殼接地。2.4儀表外殼接地的條件儀表外殼有的場合需要接地，有的場合不需要接地，有的場合可以接地，也可以不接地。儀表外殼接地不是一定要接，也不是接地了就比不接地好，要根據(jù)具體的用途和場合。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和儀表用電分為不同的條件，儀表外殼接地也有所不同：1）是否采用特低電壓（ELV）。儀表常用供電分為直流低電壓（24V（DC））和工業(yè)及民用交流低電壓（220V（AC））。根據(jù)GB/T16895.21-2020/IEC60364-4-41：2017《低壓電氣裝置第441部分：安全防護(hù)電擊防護(hù)》，低于交流50V，直流120V屬于ELV。2）是否用于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境。石油化工工廠現(xiàn)場儀表所處的環(huán)境分為爆炸危險(xiǎn)環(huán)境和非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境，是兩個(gè)不同的環(huán)境條件。通常爆炸危險(xiǎn)環(huán)境，又分為3）是否安裝電涌防護(hù)器。根據(jù)防雷工程需要分為裝配和不裝配電涌防護(hù)器兩個(gè)防雷條件。儀表外殼接地的確定根據(jù)需要接地的目的、現(xiàn)場條件及儀表類型可確定儀表外殼接地的需要。根據(jù)GB/T16895低壓電氣裝置第4-41部分的規(guī)定，電擊防護(hù)包括基本防護(hù)和故障防護(hù)。基本防護(hù)措施用作正常情況的防護(hù)，采用外表面絕緣或阻擋防護(hù)的方式。目的是將帶電物體與可能接觸的被防護(hù)目標(biāo)（例如：人員）分隔開。絕緣是保證安全用電的基本措施和最重要的方法，特殊情況下，絕緣有可能被破壞形成絕緣故障，對于某些特別防護(hù)的場合，需要采取故障防護(hù)措施。IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了當(dāng)絕緣破壞時(shí)的幾種故障防護(hù)措施---雙重絕緣、加強(qiáng)絕緣、自動切斷電源、電氣分隔、采用ELV、保護(hù)接地和等電位接地等，導(dǎo)電外表面接地僅是其中之一，儀表外殼接地就屬于這種。3.1儀表外殼接地端子可以接地的儀表帶有外殼接地端子，帶有接地端子的儀表并不意味著一定需要接地，需要根據(jù)用途、現(xiàn)場環(huán)境以及其他條件確定，有的儀表使用說明就明確了儀表本身不需要接地，儀表接地端子是供用戶根據(jù)需要選擇使用的。外殼沒有接地端子的儀表確定不需要接地。裝備電涌防護(hù)器的儀表外殼需要接地。電涌防護(hù)器的接地是接在儀表外殼內(nèi)的接地端子上的，儀表外殼的內(nèi)、外兩個(gè)接地端子是通過外殼相通的，因此只需要外殼接地即可，不需要儀表內(nèi)部向外引接地線。對于絕緣外殼的儀表，需要配備帶內(nèi)、外接地端子的金屬接線盒用于電涌防護(hù)器的接地。3.3本質(zhì)安全儀表根據(jù)GB3836.4-2010/IEC60079-11：2006《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》，本質(zhì)安全儀表（簡稱本安儀表）與本安關(guān)聯(lián)儀表組成本質(zhì)安全系統(tǒng)。本安儀表是符合本質(zhì)安全參數(shù)的儀表，是一種可裝在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的儀表；本安關(guān)聯(lián)儀表是能夠限制本質(zhì)安全電路的電壓、電流和能量的儀表，裝在非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境。本質(zhì)安全電路是在正常工作和規(guī)定的故障條件下，產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的電路。根據(jù)本安系統(tǒng)的原理和功能，本安儀表不會形成爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的點(diǎn)燃條件。雖然石油化工儀表通常采用24V（DC）供電，但本質(zhì)安全系統(tǒng)的可施加電壓是高于36V的。由于本質(zhì)安全系統(tǒng)采用IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ELV并具有規(guī)定的故障防護(hù)措施，因此，也不會形成可能造成人身傷害的危險(xiǎn)電壓。GB/T3836.15-2017/IEC60079-14：2007《爆炸性環(huán)境第15部分：電氣裝置的設(shè)計(jì)、選型和安裝》的6.3.1條規(guī)定：“本質(zhì)安全設(shè)備或限能設(shè)備的金屬外殼不需要與等電位連接系統(tǒng)連接，但設(shè)備文件有規(guī)定或?yàn)榉乐轨o電電荷積聚有要求時(shí)除外”。而IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用于靜電釋放的電阻小于1MΩ即可，儀表安裝的大多數(shù)場合都具備這個(gè)條件，不需要額外考慮。所以，本安儀表外殼不需要接地。3.4非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的非本安儀表非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的非本安儀表如果不需要防雷工程，沒有配備電涌防護(hù)器，則只需要考慮為避免電氣故障造成人身傷害。根據(jù)GB/T16895低壓電氣裝置第4-41部分，電擊防護(hù)包括基本防護(hù)措施和故障防護(hù)措施?；痉雷o(hù)措施用作正常情況的防護(hù)，采用完全覆蓋絕緣的方式，或采用遮攔或外護(hù)物的防止人員接觸的方式都可作為基本防護(hù)。故障防護(hù)措施有自動切斷電源、雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣、電氣分隔、采用ELV、金屬外表面接地、附加防護(hù)等方法。石油化工過程檢測及控制儀表本身和供電回路就包括了基本防護(hù)措施（絕緣）和故障防護(hù)措施（自動切斷電源、電氣分隔等）。通常，采用“安全電壓（低于36V）”供電的儀表外殼不需要接地，因?yàn)椤鞍踩妷骸睂儆跇?biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的ELV，不會造成人身傷害。非安全電壓供電的儀表，如果采用了故障防護(hù)措施即為安全防護(hù)，除接地外的其他故障防護(hù)措施是不需要外殼接地的。僅只有基本絕緣的儀表，或需要接地作為故障防護(hù)措施時(shí)，儀表外殼才需要接地。絕緣是保證安全用電的基本和最重要的防護(hù)措施，接地是當(dāng)絕緣破壞時(shí)的故障防護(hù)措施之一。3.5爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的非本安儀表根據(jù)GB3836.15-2017爆炸性環(huán)境中第6.2.5條規(guī)定：“安全特低電壓系統(tǒng)（SELV）應(yīng)符合GB/T16895.21-2020第414章的規(guī)定。SELV電路的帶電部件不應(yīng)對地連接，或與帶電部件、或與構(gòu)成其他電路一部分的保護(hù)導(dǎo)體連接。任何裸露導(dǎo)電部件可不接地，也可接地（例如：用于電磁兼容的裸露帶電部件）”。根據(jù)GB/T16895低壓電氣裝置部分中第414.4.4條規(guī)定：“SELV回路內(nèi)的外露可導(dǎo)電部分不應(yīng)與地、保護(hù)導(dǎo)體以及其他回路的外露可導(dǎo)電部分作電氣連接”。GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》也有相同的規(guī)定。而根據(jù)GB/T17045-2020/IEC61140：2016《電擊防護(hù)裝置和設(shè)備的通用部分》，SELV的電壓限值就是ELV的電壓限值：該值不大于交流50V，或不大于直流120V，外露可導(dǎo)電部分不接地。由于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境所用的儀表均應(yīng)為符合防爆規(guī)定的防爆型儀表，并具有相應(yīng)的電氣防護(hù)功能和絕緣強(qiáng)度，儀表外殼與儀表內(nèi)部電路、電源裝置是電氣隔離、絕緣的，供電符合SELV規(guī)定。由此看來，符合SELV電壓供電規(guī)定的爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的非本安儀表可以不接地。根據(jù)GB3836.15-2017爆炸性環(huán)境中第4.1節(jié)通用要求，規(guī)定包括爆炸危險(xiǎn)場所以，爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，符合SELV（低于50V（AC120V（DC規(guī)定供電的非本安儀表可以不接地。3.6關(guān)于不同防爆分區(qū)非本安儀表外殼接地的考慮根據(jù)GB3836.14-2014/IEC60079-10-1：2008《爆炸性環(huán)境第14部分：場所分類爆炸性氣體環(huán)境》以及GB3836.15-2017爆炸性環(huán)境，爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，采用SELV供電的非本安儀表可以不接地。標(biāo)準(zhǔn)的“通用要求”中包括爆炸危險(xiǎn)鑒于2區(qū)為“正常情況下，不可能存在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境”，所以可以確定不需要采取其他故障防護(hù)措施。上述有關(guān)GB/IEC標(biāo)準(zhǔn)是作為SH/T3164-2021《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于儀表外殼接地條文的編寫依據(jù)。3.7關(guān)于直流電源裝置現(xiàn)在的直流電源裝置普遍采用開關(guān)型電源，無論是獨(dú)立的直流電源裝置還是用電設(shè)備配套的直流電源模塊，內(nèi)部都有隔離變壓器。儀表用的直流電源裝置的規(guī)格中都標(biāo)明符合IEC，EN關(guān)于SELV的標(biāo)準(zhǔn)。3.8關(guān)于儀表的故障防護(hù)措施儀表不但本身具有足夠的絕緣強(qiáng)度，還采用具有符合SELV標(biāo)準(zhǔn)的電源供電，并且儀表供電回路都設(shè)置保險(xiǎn)器件用于在故障時(shí)自動切斷電源。儀表供電裝置都采用隔離變壓器并帶有自動切斷電源的功能，這些都是GB/IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障防護(hù)措施。這樣的多重防護(hù)充分滿足了爆炸危險(xiǎn)環(huán)境安全用電以及電擊防護(hù)GB/IEC系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的不同之處4.1《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058-2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中第5.5.3條中關(guān)于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)設(shè)備的保護(hù)接地的規(guī)定如下：“1按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50065《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，下列不需要接地的部分，在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)仍應(yīng)進(jìn)行接地：1）??2)在干燥環(huán)境，交流額定電壓為127V及以下，直流電壓為110V及以下的設(shè)備正常不帶電的金屬外殼。3)安裝在已接地的金屬結(jié)構(gòu)上的設(shè)備。2在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)，設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)可靠接地。爆炸性環(huán)境1區(qū)、20區(qū)、21區(qū)內(nèi)的所有設(shè)備以及爆炸性環(huán)境2區(qū)、22區(qū)內(nèi)除照明燈具以外的其他設(shè)備應(yīng)采取專用的接地線，該接地線若與相線敷設(shè)在同一保護(hù)管內(nèi)時(shí)，應(yīng)具有與相線相等的絕緣。爆炸性環(huán)境2區(qū)、22區(qū)內(nèi)的照明燈具，可利用有可靠電氣連接的金屬管線系統(tǒng)作為接地線，但不得利用輸送可燃物質(zhì)的管道?！痹摋l規(guī)定影響非常大，雖然該規(guī)范是針對電氣專業(yè)，但泛指用電設(shè)備，把儀表也捎帶了，其他有關(guān)規(guī)范都是由此而來。現(xiàn)行的GB50058等標(biāo)準(zhǔn)將來也許會根據(jù)GB/IEC的相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)修訂有關(guān)條文。4.2《石油化工儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T3081-2019《石油化工儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定如下：“4.1.4非爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，供電電壓低于36V的現(xiàn)場儀表金屬外殼、金屬保護(hù)箱、金屬接線箱，可不實(shí)施保護(hù)接地，但對于可能與高于36V電壓設(shè)備接觸的應(yīng)實(shí)施保護(hù)接地?！薄?.1.5爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，非本質(zhì)安全系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表金屬外殼、金屬保護(hù)箱、金屬接線箱應(yīng)實(shí)施保護(hù)接地，本質(zhì)安全系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表金屬外殼、金屬保護(hù)箱、金屬接線箱可不實(shí)施保護(hù)接地?！睂τ谠撘?guī)范中第4.1.4條規(guī)定，沿用了以往電氣專業(yè)有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，實(shí)際上，如果是24V（DC）供電的儀表，內(nèi)部不會有高于ELV的供電，供電的直流電源裝置也具有過電壓、過電流保護(hù)設(shè)備；如果是220V（AC）供電的儀表，無論是傳統(tǒng)的變壓器電源還是開關(guān)電源都是安全可靠的，具備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障防護(hù)措施，如今的工業(yè)及民用電氣設(shè)備的絕緣及安全設(shè)計(jì)技術(shù)幾乎是萬無一失的。所以儀表外殼不可能“與高于36V電壓設(shè)備接觸”，沒有必要接地。對于該規(guī)范第4.1.5條規(guī)定，用于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的儀表一定是防爆的，無論哪一種防爆形式，一定是會防止儀表內(nèi)部電路對外殼短路產(chǎn)生漏電引起爆炸危險(xiǎn)的，儀表保護(hù)箱、接線箱同樣。所以也沒有必要接地。剩下就是雷電防護(hù)了。除了現(xiàn)場儀表的電涌防護(hù)器需要接地，從原理上來講，用于雷電防護(hù)的現(xiàn)場儀表外殼接地是為了避免金屬縫隙在雷擊時(shí)產(chǎn)生火花，引燃可能存在的可燃?xì)怏w，但這是小概率（雷擊使金屬縫隙打火）中的小概率（存在高于爆炸下限的可燃?xì)怏w）事件。這樣的規(guī)定使現(xiàn)場所有的儀表外殼（包括沒有裝配電涌防護(hù)器的儀表）都要接地，未免過度防護(hù)。SH/T3081石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定偏嚴(yán)格，主要是參考了爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范中的條款。從近兩年來現(xiàn)場情況看，