论控制系统对接地电阻值的要求

徐义亨

(浙江中控研究院有限公司，浙江 杭州 310053)

论控制系统对接地电阻值的要求

徐义亨

(浙江中控研究院有限公司，浙江 杭州 310053)

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4Ω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。

控制系统 接地电阻 接触电位差 保护地 工作地

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4Ω作为对接地电阻值的要求。笔者尝试对该命题进行探讨。

1 电气装置对接地电阻值要求的相关标准

涉及电气装置对接地电阻值要求的相关标准主要有： DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》[1]；GB 16895.11—2001《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 14050—2008《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

R≤U/It

(1)

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。

2 控制机柜对保护地接地电阻值的要求

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。

Ut=ItR-U1

(2)

式中：U1——机柜发生故障时操作人员所在处的地电位，V。

图1 人体与机柜的接触电位差示意

系 统U/V说 明 中性点有效接地的发电厂、变电所等大电流接地系统，指110kV以上的系统2000 接地故障电流很大，系统的继电保护会迅速切断电源，接地装置上出现高电压的时间很短暂，故U可取2000V 中性点不接地的小电流接地系统，指60kV以下的系统250 接地故障允许存在2h，所以U的允许值大幅降低，R不宜大于10Ω 发电厂、变电所电力生产用低压电力设备120 考虑人与低压电气装置接触的机会较多，故U值较低，R不应大于4Ω 建筑物电气装置的TT系统或IT系统50 考虑人与低压电气装置接触，50V为人体的安全电压，R不宜大于4Ω

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。

图2 半球状接地体示意

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：

E=ρJ

(3)

式中：ρ——土壤电阻率，Ω·m；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：

(4)

式中：r——半球状接地体的半径,m。

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：

(5)

式中：S——离机柜的距离，m。

2.2Ut的限值

Ut的限值指超过该限值即被认为是危险带电，国内外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 4793.1—2007《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(5)中的I=It，则

(6)

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：

(7)

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，ρ取100Ω·m，如按式(7)计算，则R宜小于23.3Ω。

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1Ω，则按式(7)计算出来的接地电阻值还应该减去1Ω。

3 控制系统对工作地接地电阻值的要求

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。

图3 双端对地输入的模拟量输入卡的测量系统

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

(8)

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I=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。

4 结束语

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。

[1] 杜澍春.DL/T 621—1997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,朱德基,等.GB 16895.11—2001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 14050—2008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 4793.1—2007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.

[5] 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.

DiscussiononRequirementofGroundingResistanceValueforControlSystem

Xu Yiheng

(Zhejiang Supcon Research Co. Ltd., Hangzhou, 310053, China)

The grounding resistance value of control system has its own requirements. Nowadays, 4Ω 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.

control system; grounding resistance; contact potential difference; protection grounding; working grounding

TP277

B

1007-7324(2017)05-0008-03

稿件收到日期： 2016-12-19，修改稿收到日期2017-06-16。

徐义亨(1940—)，上海人，1962年毕业于浙江大学化工自动化专业，曾工作于原化学工业部沈阳化工研究院、原冶金工业部鞍山焦化耐火材料设计研究院、浙江中控集团等单位，从事过程控制系统的工程设计和研究开发工作，已出版专著3本，现为浙江中控研究院有限公司高级技术顾问，中国仪表和自动化发展60年史料《飞鸿踏雪泥》学术编委。