矿山自动化控制系统的低压接地.pdf

l , t L 企I _ 程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G l N E E R I N G d o i 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i s s n ．2 0 9 5 1 7 4 4 ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 0 8 矿山自动化控制系统的低压接地 圜仓冰南郭振字王启柏王庆凯 北京矿冶研究总院北京1 0 0 0 7 0 摘要随着科学技术的发展．现代矿山企业的自动化、集成化、智能化程度越来越商，接地系统在 矿山企业中占据的地位也越来越重要。接地系统不当轻则导致控制系统受到干扰而无法正常工作， 重则会导致电缆烧焦甚至引起贵重设备损坏和人员伤亡。从工程技术角度阐述矿山企业低压自动化 系统常用接地系统及其在工程应用中出现的一些问题。 关键词自动化；低压接地系统，综述；矿山企业 中图分类号T D 6 1 4文献标识码A文章编号2 0 9 5 - 1 7 4 4 2 0 1 2 0 3 - 0 0 5 8 ．0 4 随着科学技术的发展，现代矿山企业的自动化、集 成化、智能化程度越来越高，接地系统在矿山企业中占 据的地位也越来越重要。接地系统如果建设不规范，轻 则会使控制系统受到干扰影响正常工作，重则会导致电 缆烧焦甚至引起贵重设备损坏和人员伤亡。某黄金选矿 厂位于高海拔地区．属雷电高发区．在一次雷击中，由 于等电位联结安装不规范及未采用共用接地系统，建筑 物防雷接地，电气系统接地与弱电系统等分别采用独立 接地，导致各系统问存在较大电位差，雷电流直接引入 自动化控制系统，造成大量信号电缆烧焦、仪表损坏， 经济损失较大。良好的接地系统在大型工矿企业建设中 具有非常重要的地位。 1 矿山企业常见低压接地系统 目前国际上常见的低压系统供电制式主要有T T 系 统、I T 系统及T N 系统，它们是以交流低压配电系统中 性点接地方式及用电设备外漏导电部分和设备金属外壳 的接地方式不同进行划分的，其名称的各个字母含义可 查阅国家相关规范。我国矿山企业低压供电制式主要采 用T N 系统，T N 供电系统又分为“ I N ．C 系统．T N ．s 系统、 T N C S 系统，有些需要防爆的矿山也会使用I T 系统。 1 T N C 系统又被称之为三相四线制系统，如图l 所示。该系统中性线N 与保护接地P E 合二为一，通称 P E N 线。这种供电系统简单经济，由于N 线和P E 线合 二为一，因此在电缆敷设时可以省一根线。同时，由于 其结构相对简单，因此在我国经济技术还较为落后的时 期，可以迅速推广，统一规范，对我国的低压配电系统 建设起到了积极作用。该系统对接地灵敏度高，一旦出 现单相碰壳故障，可瞬间在故障线路上产生很大电流以 使保护装置 如断路器，熔断器 动作切断电路，有效 保护人员安全。然而，其缺点也较为明显，一旦P E N 线断开，若发生碰壳事故将会使系统内的设备外壳带 2 2 0V 电，远远高于国家规定的5 0V 安全电压，容易引 起电击事故。同时，在三相不平衡的场所，P E N 线上有 时存在工作电流，在设备金属外壳处会形成电位差，当 电位差达到一定程度时也会带来不安全隐患。此外，由 于三相不平衡等原因使得控制系统外壳带电而形成的电 磁感应亦会对控制系统模块形成干扰，可能影响控制系 统正常工作。因此，现在各行业已逐渐开始用T N ．S 等 收稿日期2 0 1 2 - 0 2 - 0 1 作者简介仓冰南 1 9 8 5 - ，男，沈阳市人．助理工程师，硕士 主要从事矿冶过程自动化等方面的研究。 5 8 工程设计E n g i n e e r i n gD e s i g n 万方数据 更为先进的接地系统取代T N C 系统。 J 广- ．L J I 广 l 图1T N C 系统示意 2 T N S 是一个三相四线加P E 线的接地系统，也 通称为三相五线制系统，如图2 所示。该系统中性线N 与保护接地线P E 除在变压器中性点共同接地外，两线 不再有任何电气连接且两线间间隔一定安全距离。通常 建筑物内设有独立变配电所时进线采用该系统I l l 。由于 P E 线的存在，T N s 系统可有效降低丁N C 系统在P E N 线断开且发生单相碰壳故障时的危险性。在三相不平衡 的场所，即使N 线有工作电流流过，也不会在设备金属 外壳形成大的电位差，有效保护了人员安全。同时，这 也使控制系统有效避免电磁干扰。该接地系统完全具备 安全和可靠的基准电位，可以在各行业尤其是采用等电 位接地系统的企业中广为推广。 I ．1 L 2 L 3 N P H 广‘I 广。P I 低压系统 外露导电部分 E 源接地点 图2T N S 系统示意 3 T N - C - S 系统由两个接地系统组成，第一部分是 T N c 系统，第二部分是T N - S 系统，分界面在N 线与 P E 线的连接点。该系统一般用在建筑物由区域变电所 供电的场所，进户之前采用T N ．C 系统，进户处做重复 接地，进户后变成T N S 系统川。T N C ．S 系统既考虑了 系统的安全性又兼顾了系统建设的经济性。在我国一些 老式企业依然较多采用T N C 系统，蜃须进行技术改造， 考虑到成本问题，对该类企业进行技术改造可使用T N c s 系统，车间外不进行改造，车间内P E N 线重复接地 后分出P E 接地极和N 接地极使之成为T N ．S 系统，这 样既考虑了经济性亦相对提高了系统安全性及抗干扰能 力，省时省力，如果需要的话亦可在之后条件允许情况 下再进行全厂T N S 系统改造。 广1 广 l 图3T N C S 系统示意 P F N 4 T T 系统亦为三相四线接地系统，见图4 。该系统 常用于建筑物供电来自公共电网的地方。T T 系统的中 性点接地与P E 线接地完全分开，无一点电气连接。该 系统正常运行时，即使由三相负荷不平衡引起中性线N 带电，由于设备金属外壳连接P E 线直接就近接至接地 极，因此设备外壳不会带电。同时即使N 线断开也只会 影响单相负荷而不会影响整个系统运行，系统安全系数 相对较高。然而，该系统由于保护接地电阻较大，和N 线接地电阻串在一起后造成单相碰壳短路电流较小，无 法使断路器、熔断器等保护装置及时动作，而且此时碰 壳设备金属外壳对地电位差依然大于安全电压，单台设 备存在安全隐患，由于故障不易被发现和切断，有可能 会引发二次碰壳故障。因此T T 系统要求安装足够灵敏 的漏电保护装置及保护接地。此外T T 系统需在每个用 电设备附近就近安装接地极，这会较大程度提高施工成 本，但该系统在配合足够灵敏的保护接地及漏电保护器 的情况下可作为智能型建筑物的接地系统。 广 ●_l -●广L P E 一 ●lII 图4T T 系统示意 5 I T 系统为三相三线制接地系统，该系统变压器中 性点一般经高阻抗接地，亦可不接地，但在变压器中性 点不接地的情况下接地检测复杂，因此很少使用。该系 统无中性线N ，有线电压，无相电压，保护接地P E 接 地方式同T T 系统，因此该系统内设备不会在系统三相 不平衡时使金属外壳带电。此外，在出现单相接地故障 时，由于电源线中性点处高电阻的存在，短路电流很小， 单相碰壳设备金属外壳对地电压降很小，安全性很高， 可在单相接地情况下由小电流选线装置确认是否使系统 有色金属工程2 0 1 2 年第3 期 5 9 万方数据 看么企点工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G 继续运行一段时间以排查故障或切断电源，但该系统缺 点是不能配出中性线N ，且由于小电流选线装置本身技 术发展的瓶颈，使得系统有时会出现误判断。该系统较 多使用于需连续供电的化工、冶金等行业的重要实验室、 车间以及矿山，医院等企业的较重要场所，但由于该系 统无法配出中性线，接单相负荷时需加装隔离变压器， 因此适宜用于以电机为主的配电场所| 2 1 。 图5I T 系统示意 2 等电位联结和共用接地系统 等电位联结的概念源于电路的基本原理。电压即电 位差，所谓“等电位”，就是电位差 电压 为零或很 小接近于零。若在电路系统中做等电位联结，即被连的 两点间电压为零或接近为零不会引起电击，从而起到防 止人身触电和避免引发火灾的作用”。 等电位联结就是将建筑物电气装置内外露可导电部 分、电气装置外可导电部分、人工或自然接地体用导体 连接起来以达到减少电位差。等电位联结也有不与人工 或自然接地体连接的，称为不接地的等电位联结。等电 位接地主要分为总等电位联结、局部等电位联结和辅助 等电位联结等”】。目前大部分工业企业均采用等电位联 结方式进行建筑物接地。共用接地系统是相对于独立接 地系统而言的，现在国家相关规范已经不再提及单独接 地的概念。很多情况下，建筑物防雷接地、电气系统接 地与弱电系统接地要做到完全隔离比较困难，有时因地 域限制根本无法实现，当雷电发生时就会有很大的瞬间 电流经引下线入地，并在不同接地装置问产生较高的电 位差，造成危害，前述的因雷电引起的事故即有未采用 共用接地系统的原因。若上述3 个系统共用接地装置， 当地电位上升时，全系统的地电位就会一起上升，而不 会有危险的电位差进入信息系统。共用接地系统就是把 建筑物的金属构件与接地装置的金属装置连接为一体， 组成一个低电感的网形接地系统。系统的等电位联结网 络与共用接地系统通过接地基准点进行连接”J 。 采用等电位联结一共用接地系统后，信号接地不 形成闭合回路，共模型态的杂讯不易产生，同时可消除 静电和电场的干扰，不易受磁场干扰。同时，采用T N c s 或T N S 系统，在三相电流不平衡时产生的“电流” 只在专用的零线 N 中流动，不会通过共用接地系统对 设备产生干扰㈣。所描述工程中的接地系统如无特殊说 明均为等电位联结一共用接地系统。 3 T N 接地系统在工程应用中成柜 注意事项及常见故障分析 目前我国矿山企业除有些矿山使用I T 接地系统外， 使用最多的接地系统即为“ I N 系统。在矿冶工程项目中 遇到过一些因成柜或接地系统不良引起的低压控制系统 故障，现对遇到的一些成柜注意事项及接地系统典型故 障进行阐述及分析。 3 ．1 2 4V 以上低压自动化系统接地注意事项 由于推荐采用T N S 或T N C s 系统，因此需电气 低压柜侧单独制作P E 接地排和N 接地排，将中性线N 与保护接地P E 在柜内接线时严格分离，见图6 。若中 性线N 与保护接地P E 没有有效分离则系统将又变为 “ I N c 。在采用了等电位联结一共用接地系统后，若再 采用“ I N - C 系统供电，尤其是在三相不平衡的大型工矿 企业电网中，5 0H z 的工频干扰将经由设备外壳、元件 底板串人信息系统，讯号接地容易形成闭合回路，亦容 易产生共模型态的杂讯，同时由静电和电场干扰形成的 磁场干扰亦会影响控制系统信号传输的准确性。因此， 必须使P E 与N 严格分离。 图6 仪表控制柜接地排 3 ．2 2 4V 以下低压自动化系统接地注意事项 2 4V 以下弱电自动化系统除需考虑2 4V 以上自动 化系统中的保护接地P E 和中性线N 外，还应非常重视 一种很重要但却经常为施工人员所忽视的2 4V 以下弱 电自动化系统功能性接地，简称弱电工作接地 T E 。 需在控制柜侧制作专门T E 接地排，连接从控制柜至现 场仪表信号线的屏蔽层、2 4V 变压电源箱、P L C 背板 上2 4 V 供电电源参考地等。将P E 与T E 分离可有效防 止P E 中高频干扰信号进人弱电自动化系统及2 4 V 以下 弱电信号电缆。成柜接地排制作需注意T E 接地排应与 控制柜体绝缘以及引专门接地线连接至电气专业提供的 T E 接地汇流排，详情见图7 。 6 0 工程设计E n g i n e e r i n gD e s i g n 万方数据 图7 低压电气柜接地排 3 ．3 接地系统在工程中某些典型故障分析 低压自动化系统必须按规范进行接地系统设计与施 工，否则将可能会影响系统正常工作。 在某选矿厂车间，出现控制系统经常受到干扰无法 正常工作的情况，后经技术人员排查，是由于控制柜， 电控柜、变频器控制柜安放在零、地线合一的钢平台上， 供电系统经常处于三相不平衡状态，且采用不规范的串 联方式将柜体作等电位联结。当等电位联结在某处断开 时，后面控制柜就会出现底板带电的情况，由于地板带 电形成磁场干扰，导致系统不能正常工作。见图8 。 柜体一柜体 _ X 坠工二_ 坠 地处分别引出室内P E 接地极与N 接地极，但施工人员 并未正确区分P E 接地极与N 接地极，电源中性线N 及 柜体保护接地线P E 随意杂连于N 和P E 接地极，造成 室内T N ．S 供电系统失效，重新变回T N - c 供电系统。 由于该车间低压电气系统有时会出现三相不平衡情况， 因此中性线N 有时会有电流，干扰可通过P E N 线引入 控制系统。此后施工人员将室内中性线N 与保护接地 P E 线重新按照规范分别连接于N 接地极和P E 接地极 即将P E N 线分离为P E 线与N 线 后，该车间低压电 气系统恢复正常运行。 某铜矿选矿厂，在一次电焊机工作时，仪表信号电缆出 现烧焦的情况。经检查发现，在电控柜中零线 N 接在 了等电位联结导体上，导致了零、地线合一，且由于等 电位联结不规范。当电焊机零线就地接在钢平台上工作 时，整个平台上都有电流，电流大部分通过信号电缆外 屏蔽层形成回路，大电流将信号电缆烧焦，见图9 。 图8 错误的等电位联结示意4结语 某金冶炼厂车间项目，采用 I N C S 接地制式供电 系统，室外为T N ．C 供电系统，在室内P E N 线重复接 地后采用T N - s 接地系统。P L C 柜侧D I 模块采用2 2 0V 继电器隔离干扰。该车间电气自动化设计为设备就地启 动时点动就地侧启动按钮，向P L C 发出请求启动D I 信 号，P L C 收到该信号为l 后输出允许电机启动D O 信号， 该设备电机前端接触器吸合，设备启动，否则接触器不 吸合。在调试过程中，控制系统及车间设备上电后发现 某些D I 隔离继电器处于半亮状态，进而P L C 程序监视 到与该半亮状态隔离继电器对应的设备电机请求启动D I 信号在0 和l 间跳变，导致该设备允许启动D O 信号亦 为0 和l 问跳变，该设备电机前端接触器反复动作，致 使该设备无法正常启动。根据以上情况，怀疑电机请求 启动D I 信号电缆串人干扰，此干扰多为信号电缆屏蔽 层带电形成的电磁效应引起。鉴于该车间高压电缆和低 压电缆已按施工规范在施工时敷设于不同桥架中，因此 基本可以排除电缆敷设不规范引起的干扰因素，则电磁 干扰极有可能为接地系统施工不规范引起。 技术人员在故障排查过程中发现尽管车间内采用 T N S 供电系统．且P E N 接地极已在刚进室内的重复接 图9 某选矿厂主厂房供电示意 介绍矿山企业常见低压接地系统及其在矿山工程应 用中出现的一些典型故障及成柜注意事项。通过分析可 知，如果不能构建良好的接地系统，则可能会影响低压 电气系统正常运行。因此在进行矿山工程设计与施工中， 必须非常重视接地系统，不能使接地系统成为矿山正常 生产的瓶颈。 参考文献 ⋯l 梁政．住宅楼供电接地系统与等电位联结保护【J 】大众科 技，2 0 0 9 4 8 0 - 8 1 ． [ 2 】冯岩，朱文强．交流低压配电系统中性点接地方式探讨[ J ] ． 黑龙江电力，2 0 0 7 2 9 7 - 1 0 0 ，1 0 8 ． [ 3 】张文有，孙伟，王筱芳．智能楼字防雷与接地设计[ J 】，甘肃 科技，2 0 0 7 ，2 3 1 1 9 8 - 1 9 9 ． 【4 】贾永东．建筑物等电位联结和接地故障的保护【J 】安装， 2 0 1l 8 4 8 - 5 0 ． [ 5 ] 章严．电气保护与接地在民用建筑设计中的应用Ⅲ．江西 建材，2 0 0 8 4 1 7 2 - 1 7 2 ． 【6 】陈德鑫．论智能建筑的电气保护与接地[ J 】．中国新技术新产 品，2 0 1 0 5 1 7 2 ．1 7 2 ． 有色金属工程2 0 1 2 年第3 期 6 1 万方数据