本文從現(xiàn)場儀表的分類和接地的目的出發(fā)，根據(jù)GB/IEC(等同采用或修改采用IEC標準的中國國家標準)幾項有關(guān)“安全防護電擊防護”標準，討論這幾個問題，辨析現(xiàn)場儀表在不同條件下的接地方式。
1、現(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、磁翻板液位計等。
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、計算機、服務(wù)器、客戶機、工作站、終端機、交換機、路由器等。
⑤電源變換類儀表。交流/直流電源裝置。
⑥機械類電動儀表。無電子或電動元件，但又與電信號或供電相關(guān)的儀表，如：機械按鈕、機械開關(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類有時也用于現(xiàn)場儀表，第6類為無電子或電動元件的機械類電動單體儀表。
現(xiàn)場儀表按保護結(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)、PLC等。
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GB 836/IEC60079系列標準的防爆方法分為：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。
2、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：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環(huán)境的引燃條件，非爆炸危險環(huán)境沒有該目的；為雷電電涌防護器提供電涌泄放條件。這三個目的都屬于電擊防護。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、機械類電動儀表、與電信號無關(guān)的純機械類儀表。
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。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，只能接到現(xiàn)場的保護接地，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/IEC60364441：2017《低壓電氣裝置第441部分：安全防護電擊防護》，低于交流50V，直流120V屬于ELV。
②是否用于爆炸危險環(huán)境。石油化工工廠現(xiàn)場儀表所處的環(huán)境分為爆炸危險環(huán)境和非爆炸危險環(huán)境，是兩個不同的環(huán)境條件。通常爆炸危險環(huán)境，又分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。
③是否安裝電涌防護器。根據(jù)防雷工程需要分為裝配和不裝配電涌防護器兩個防雷條件。
3、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/T16895.21-2020/IEC60364441：2017的規(guī)定，電擊防護包括基本防護和故障防護?；痉雷o措施用作正常情況的防護，采用外表面絕緣或阻擋防護的方式。目的是將帶電物體與可能接觸的被防護目標(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，對于某些特別防護的場合，需要采取故障防護措施。IEC標準規(guī)定了當絕緣破壞時的幾種故障防護措施——雙重絕緣、加強絕緣、自動切斷電源、電氣分隔、采用ELV、保護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。
3.2 電涌防護器
裝備電涌防護器的儀表外殼需要接地。電涌防護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器的接地。
3.3 本質(zhì)安全儀表
根據(jù)GB3836.4-2010/IEC6007911：2006《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(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)均不能點燃規(guī)定的爆炸危險環(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環(huán)境的點燃條件。
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標準規(guī)定的ELV并具有規(guī)定的故障防護措施，因此，也不會形成可能造成人身傷害的危險電壓。
GB/T3836.15-2017/IEC6007914：2007《爆炸性環(huán)境第15部分：電氣裝置的設(shè)計、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)定或為防止靜電電荷積聚有要求時除外”。而IEC標準規(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 非爆炸危險環(huán)境的非本安儀表
非爆炸危險環(huán)境的非本安儀表如果不需要防雷工程，沒有配備電涌防護器，則只需要考慮為避免電氣故障造成人身傷害。
根據(jù)GB/T 16895.21-2020/IEC60364441：2017，電擊防護包括基本防護措施和故障防護措施?；痉雷o措施用作正常情況的防護，采用完全覆蓋絕緣的方式，或采用遮攔或外護物的防止人員接觸的方式都可作為基本防護。故障防護措施有自動切斷電源、雙重絕緣或加強絕緣、電氣分隔、采用ELV、金屬外表面接地、附加防護等方法。
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措施(絕緣)和故障防護措施(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，因為“安全電壓”屬于標準中規(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措施即為安全防護，除接地外的其他故障防護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措施時，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措施，接地是當絕緣破壞時的故障防護措施之一。
3.5 爆炸危險環(huán)境的非本安儀表
根據(jù)GB/T3836.15-2017/IEC6007914：2007中第6.2.5條規(guī)定：“安全特低電壓系統(tǒng)(SELV)應(yīng)符合GB/T 16895.21-2020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/T16895.21-2020/IEC60364441：2017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、保護導(dǎo)體以及其他回路的外露可導(dǎo)電部分作電氣連接”。GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》也有相同的規(guī)定。
而根據(jù)GB/T17045-2020/IEC61140：2016《電擊防護裝置和設(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)的電氣防護功能和絕緣強度，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)定的爆炸危險環(huán)境的非本安儀表可以不接地。
根據(jù)GB/T3836.15-2017/IEC6007914：2007中第4.1節(jié)通用要求，規(guī)定包括爆炸危險場所0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。
所以，爆炸危險環(huán)境中，符合SELV(低于50V(AC)，120V(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/IEC60079101：2008《爆炸性環(huán)境第14部分：場所分類爆炸性氣體環(huán)境》以及GB/T3836.15-2017/IEC6007914：2007，爆炸危險環(huán)境中，采用SELV供電的非本安儀表可以不接地。標準的“通用要求”中包括爆炸危險場所0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。
鑒于2區(qū)為“正常情況下，不可能存在爆炸危險環(huán)境”，所以可以確定不需要采取其他故障防護措施。上述有關(guān)GB/IEC標準是作為SH/T3164-2021《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計規(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)格中都標明符合IEC，EN關(guān)于SELV的標準。
3.8 關(guān)于儀表的故障防護措施
儀表不但本身具有足夠的絕緣強度，還采用具有符合SELV標準的電源供電，并且儀表供電回路都設(shè)置保險器件用于在故障時自動切斷電源。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標準規(guī)定的故障防護措施。這樣的多重防護充分滿足了爆炸危險環(huán)境安全用電以及電擊防護GB/IEC系列標準的規(guī)定。
4、現(xiàn)行標準中的不同之處
4.1《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》
GB 50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》中第5.5.3條中關(guān)于爆炸危險環(huán)境內(nèi)設(shè)備的保護接地的規(guī)定如下：
"1 按照現(xiàn)行國家標準GB/T 50065《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，下列不需要接地的部分，在爆炸危險環(huán)境內(nèi)仍應(yīng)進行接地：
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)在同一保護管內(nèi)時，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。"
該條規(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等標準將來也許會根據(jù)GB/IEC的相關(guān)系列標準修訂有關(guān)條文。
4.2 《石油化工儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)范》
SH/T3081-2019《石油化工儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)范》規(guī)定如下：
"4.1.4非爆炸危險環(huán)境中，供電電壓低于36V的現(xiàn)場儀表金屬外殼、金屬保護箱、金屬接線箱，可不實施保護接地，但對于可能與高于36V電壓設(shè)備接觸的應(yīng)實施保護接地。"
"4.1.5爆炸危險環(huán)境中，非本質(zhì)安全系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表金屬外殼、金屬保護箱、金屬接線箱應(yīng)實施保護接地，本質(zhì)安全系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表金屬外殼、金屬保護箱、金屬接線箱可不實施保護接地。"
對于該規(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，具備標準規(guī)定的故障防護措施，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的，儀表保護箱、接線箱同樣。所以也沒有必要接地。
剩下就是雷電防護了。除了現(xiàn)場儀表的電涌防護器需要接地，從原理上來講，用于雷電防護的現(xiàn)場儀表外殼接地是為了避免金屬縫隙在雷擊時產(chǎn)生火花，引燃可能存在的可燃氣體，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氣體)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器的儀表)都要接地，未免過度防護。
SH/T3081-2019《石油化工儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定偏嚴格，主要是參考了GB50058-2014中的條款。從近兩年來現(xiàn)場情況看，整改麻煩不少。實際上現(xiàn)場儀表漏電或因為雷擊電流引起金屬縫隙打火引燃可能存在的可燃氣體，都是極小概率事件。而對于爆炸危險場所2區(qū)，確實沒有必要非接地不可。
5、現(xiàn)場儀表外殼的接地
現(xiàn)場儀表的接地為儀表外殼接地，接到現(xiàn)場的保護接地，可以參照表1所列。
表1現(xiàn)場儀表保護接地類型
儀表防爆類型0區(qū)、1區(qū)爆炸危險環(huán)境2區(qū)爆炸危險環(huán)境非爆炸危險環(huán)境有電涌防護器本安儀表不接地不接地不接地應(yīng)接地非本安儀表安全特低電壓宜接地不接地不接地應(yīng)接地非安全特低電壓應(yīng)接地宜接地宜接地應(yīng)接地需要接地的儀表外殼、保護箱、接線箱、機柜等的接地端子應(yīng)采用導(dǎo)線直接，或利用電纜保護鋼管、電纜槽、安裝鋼管、支架、護欄、框架等金屬物體作為中間連接導(dǎo)體最終接到電氣接地設(shè)施。這些金屬物體只要進行了可靠的導(dǎo)電連接，就比一般的接地線的導(dǎo)電截面積大得多，導(dǎo)電性能好，沒有必要采用專用的接地線。注意連接點的牢固與防腐蝕即可。法蘭之間的導(dǎo)電連接也是同樣道理。
當然，有區(qū)別地、清晰地實施現(xiàn)場儀表外殼接地，并不排斥為了簡單一致、統(tǒng)一實施，“一刀切”地全部實施接地。
6、結(jié)束語
現(xiàn)代石油化工儀表本身就具備很好的安全電氣性能?，F(xiàn)場儀表接地的目的，并不是特別嚴格的安全防護措施。雖然爆炸危險環(huán)境的現(xiàn)場儀表外殼接地有輔助防爆的意義，但并不是主要的防爆措施。GB/IEC相關(guān)系列標準有明確的規(guī)定，是很好的參考依據(jù)，但國內(nèi)有的標準規(guī)定過于嚴格，與GB/IEC有關(guān)的系列標準有所不同。根據(jù)防爆原理和接地的作用，現(xiàn)場儀表外殼接地應(yīng)當區(qū)分條件和環(huán)境背景，可以采用不同的接地方式，千篇一律地采取過度防范措施全部接地雖然未嘗不可，但并不完全符合科學原理和GB/IEC相關(guān)系列標準規(guī)范。作為技術(shù)人員應(yīng)該清楚其中的道理。
作者：葉向東
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