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遠動中的接地技術(shù)綜述

2014-09-26 06:31,,,,,
電氣開關(guān) 2014年6期
關(guān)鍵詞:機殼信號源單點

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(1.甘肅省電力公司檢修公司,蘭州 蘭州 730000; 2.甘肅天水供電公司,甘肅 天水 741020)

1 電力系統(tǒng)接地概述

接地是指電氣設(shè)備的某個部分與直接接觸大地的金屬導(dǎo)體(組)連接的現(xiàn)象。接地不僅起著保護設(shè)備安全的作用,而且還起著抗干擾的作用。遠動系統(tǒng)分布在各發(fā)電廠、變電站,完成實時信息的收集、處理、傳送,并接收、執(zhí)行調(diào)度端的命令,運行條件相對較為惡劣,而實時信息又是從室外端子箱、保護屏、控制屏、計量屏等多處采集,通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)秸{(diào)度端,涉及多系統(tǒng)連接,且傳輸距離長短不一,信號種類、幅度各不相同。因此,微機遠動系統(tǒng)同其他系統(tǒng)連接的電氣問題就成為一個非常實際和極為重要的問題,解決處理不當就可能造成信息不準確、設(shè)備損壞、遠動系統(tǒng)停用。

1.1 接地分類

(1)安全接地:使用交流電的設(shè)備必須通過黃綠色安全地線接地,否則當設(shè)備內(nèi)的電源與機殼之間的絕緣電阻變小時,會導(dǎo)致電擊傷害。

(2)雷電接地:出于防雷設(shè)計而要求的接地,一般由避雷針、下導(dǎo)體和與接地系統(tǒng)相連的接頭組成。

(3)電磁兼容接地:出于電磁兼容設(shè)計而要求的接地,包括屏蔽接地、濾波器接地、噪聲和干擾抑制 和電路參考等。

1.2 接地策略

(1)單點接地

所有電路的地線接到公共地線的同一點稱為單點接地,這樣接地的最大好處是沒有地環(huán)路,信號就可以在不同的電路之間傳輸。

(2)多點接地

所有電路的地線就近接地,地線很短,適合高頻接地。這種接地結(jié)構(gòu)能夠提供較低的接地阻抗,因此在高頻電路中必須使用多點接地。

(3)混合接地

混合接地既包含了單點接地的特性,又包含了多點接地的特性。

2 運動中的接地技術(shù)

2.1 地線系統(tǒng)分析

在自動化相關(guān)系統(tǒng)中,一般有以下幾種地線:信號地( 模擬地、數(shù)字地) 、安全地、系統(tǒng)地、交流地。

(1)模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位,直接與生產(chǎn)現(xiàn)場連接。數(shù)字地是計算機中各種數(shù)字電路的零電位,應(yīng)該與模擬地分開,避免模擬信號受數(shù)字脈沖的干擾。兩者都是為保證信號具有穩(wěn)定的基準電壓而設(shè)置的接地。

(2)安全地的目的是使設(shè)備機殼與大地等電位,以避免機殼帶電而影響人身及設(shè)備安全和防止電磁干擾和雷擊等因素對設(shè)備的影響和損壞而設(shè)置的接地。通常安全地又稱為保護地或機殼地,是為保證人身及設(shè)備安全而設(shè)置的接地。

(3)系統(tǒng)地就是上述幾種地的最終回流點,直接與大地相連如圖1所示。地球是導(dǎo)體而目體積非常大,因而大地的靜電容量也非常大,電位比較恒定,所以人們把它的電位作為基準電位,也就是零電位。一般系統(tǒng)維護人員很容易將安全地、系統(tǒng)地和交流地同等對待。其實三者相互聯(lián)系,但絕不等同。

圖1 回流法接地

(4)交流地是計算機交流供電電源地,即動力線地,它的地電位取決于供電質(zhì)量,一般情況下較為穩(wěn)定,但并非理想狀況下的零電位。在交流地上任意兩點之間,往往有幾伏甚至幾十伏的電位差存在,很容易帶來各種干擾。因此,交流地絕對不允許分別與上述幾種地相連,而且交流電源變壓的絕緣性能要好,絕對避免漏電現(xiàn)象。

顯然,采用合理的接地方法是非常重要的。接地系統(tǒng)的選用一般可根據(jù)接地引線長度和電子設(shè)備的工作頻率來計算高頻阻抗及射頻電阻,然后選用合適的方式,當頻率小于1MHz時,可以采用單點接地方式,當頻率高于10MH時,可以采用環(huán)( 網(wǎng)) 狀接地方式。在1~10MHz之間,如果用單點接地時,其地線長度不得超過波長的1/20,否則應(yīng)環(huán)狀接地。單點接地的目的是避免形成地環(huán)路,地環(huán)路產(chǎn)生的電流會引入到信號回路內(nèi)引起干擾。

在過程控制計算機中,一般采用分別回流法單點接地。信號地、安全地(機殼地)的分別回流法如圖1所示?;亓骶€往往采用匯流條而不采用一般的導(dǎo)線。匯流條是由多層銅導(dǎo)體構(gòu)成,截面呈矩形,各層之間有絕緣層。采用多層匯流條以減少自感,可減少干擾的竄入途徑。在要求高的系統(tǒng)中,分別使用橫向及縱向匯流條,機柜內(nèi)各層機架之間分別設(shè)置匯流條,以最大限度地減少公共阻抗的影響。在空間上將數(shù)字地匯流條與模擬地匯流條間隔開,以避免通過匯流條間電容產(chǎn)生耦合。安全地( 機殼地) 始終與信號地( 模擬地、數(shù)字地) 是浮離開的。這些地之間只在最后會聚一點,并且常常通過銅接地板交匯然后用線徑不小于300mm2的多股軟線焊接在接地極上后深埋地下。

2.2 低頻接地技術(shù)

(1)一點接地方式

信號地線的接地方式應(yīng)采用一點接地,而不采用多點接地。一點接地主要有兩種接法:即串聯(lián)接地(或稱共同接地)和并聯(lián)接地(或稱分別接地)如圖2、圖3所示。

圖2 串聯(lián)一點接地

圖3 并聯(lián)一點接地

從防止噪聲角度考慮,如圖2所示的串聯(lián)接地方式是最不適用的。由于地電阻r1、r2和r3是串聯(lián)的,所以各電路間相互發(fā)生干擾。雖然這種接地方式很不合理,但由于比較簡單,用的地方仍然很多。當各電路的電平相差很大時就不能使用,因為高電平將會產(chǎn)生很大的地電流并干擾到低電平電路中去。使用這種串聯(lián)一點接地方式時還應(yīng)注意把低電平的電路放在距接地點最近的地方,即圖2最接近于地電位的A點上。

并聯(lián)接地式在低頻時是最適用的,因為各電路的地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關(guān),不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點是需要連很多根地線,用起來比較麻煩。在遠動系統(tǒng)中,如果多臺設(shè)備接地線合用同一接地點,必須并聯(lián),嚴禁串聯(lián)。

(2)實用的低頻接地

一般在低頻時用串聯(lián)一點接地的綜合接法,即在符合噪聲標準和簡單易行的條件下統(tǒng)籌兼顧。也就是說可用分組接法,即低電平電路經(jīng)一組共同地線接地,高電平電路經(jīng)另一組共同地線接地。注意不要把功率相差很多、噪聲電平相差很大的電路接入同一組地線接地。在一般的系統(tǒng)中至少要有3條分開的地線( 為避免噪聲耦合,3種地線應(yīng)分開)如圖4所示,一條是低電平信號地線I;一條是繼電器、電動機等的地線(稱為噪聲地線) ;一條是設(shè)備機殼地線( 稱為金屬件地線)。若設(shè)備使用交流電源,則電源地線應(yīng)和金屬件地線相連。這三條地線應(yīng)在一點連接接地。使用這種方法接地時,可解決計算機控制系統(tǒng)的大部分接地問題。

圖4 實用低頻接地

3 通道饋線的接地技術(shù)

(1)電路一點地基準

一個實際的模擬量輸入通道,總可以簡化成由信號源、輸入饋線和輸人放大器3部分組成。如圖5所示的將信號源與輸入放大器分別接地的方式是不科學(xué)的。它在受到磁場耦合影響的同時,還會以為A、B兩點地電位不等而引起環(huán)流噪聲干擾。忽略導(dǎo)線電阻,誤認為A和B兩點都是大地地電位應(yīng)該相等,是導(dǎo)致這種接地錯誤的根本原因。實際上,由于各處接地體幾何形狀、材質(zhì)、埋地深度不可能完全相同,土壤的電阻率因地層結(jié)構(gòu)各異也相差甚大,使得接地電阻和接地電位可能有很大的差值。這種接地電位的不相等,幾乎每個控制現(xiàn)場都要碰到。為了克服雙端接地的缺點,應(yīng)將圖5輸入回路改為單端接地方式。當單端接地點位于信號源端時,放大器電源不接地:當單端接地點位于放大器端時,信號源不接地。

圖5 不科學(xué)的接地方式

(2)電纜屏蔽層的接地

當信號電路是一點接地時,低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點接地。如欲將屏蔽一點接地,則應(yīng)選擇較好的接地點。當一個電路有一個不接地的信號源與一個接地的(即使不是接大地)放大器相連時,輸入線的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端:當接地信號源與不接地放大器相連時,即使信號源端接的不是大地,輸入線的屏蔽層也應(yīng)接到信號源的公共端。這種單端接地方式如圖6所示。

圖6 電纜屏蔽層單端接地方式

4 主機外殼接地與多機系統(tǒng)接地

為了提高計算機的抗干擾能力,將主機外殼作為屏蔽罩接地。而把機內(nèi)器件架與外殼絕緣,絕緣電阻大于50MΩ,即機內(nèi)信號地浮空如圖7所示。這種方法安全可靠,抗干擾能力強,但制造工藝復(fù)雜,一旦絕緣電阻降低就會引入干擾。

圖7 主機外殼接地方式

通常,一幢建筑物存在多種接地。除上面提到的設(shè)備接地外,還有重復(fù)接地、防雷接地等。可以利用建筑物金屬體在房間內(nèi)將有關(guān)的和內(nèi)部有連接的各電子設(shè)備之間作為等電位聯(lián)結(jié),建筑物結(jié)構(gòu)金屬體起到一種屏蔽作用,類似于計算機外殼屏蔽。

在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,多臺計算機之間相互通信,資源共享。如果接地不合理,將使整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法正常工作。近距離的幾臺計算機安裝在同一機房內(nèi),可采用類似圖8那樣的多機一點接地方法。對于遠距離網(wǎng)絡(luò)多臺計算機之間的數(shù)據(jù)通信,可通過隔離的辦法把地分開。

圖8 多機一點接地方式

5 舉例 視頻監(jiān)控系統(tǒng)接地

目前,視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用視頻傳輸,其頻率不超過6MHz。因此,建議采用一點接地方式。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接地網(wǎng)由接地線、接地母線、接地干線、主接地母線(總接線端子)、接地引入線和接地體6部分組成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 電視監(jiān)控系統(tǒng)的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)的接地處理過程中,根據(jù)設(shè)備所處的地理位置不同,可以設(shè)置幾個接地母線連接點(盡可能少) ,將若干個相近的設(shè)備單獨用接地線接到同一條接地母線,各接地母線通過相應(yīng)的接地干線再連接到系統(tǒng)的唯一一條主接地母線(總接線端子) ,最后由接地引入線連接至接地體,這就是所謂的一點接地方式。系統(tǒng)中各設(shè)備接地的設(shè)計和具體施工,以及接地線、接地母線、接地干線、主接地母線、接地引入線和接地體的處理工藝都應(yīng)該嚴格按照有關(guān)技術(shù)操作規(guī)范要求進行。

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