1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上地鐵BAS電氣保護措施3.電氣保護措施3.1有關電氣保護措施的問題為了避免由于電氣短路或過流燒壞設備應采取那些電氣保護措施，BAS系統(tǒng)是否是浮地？3.2有關電氣保護措施問題的答復由于地鐵BAS系統(tǒng)所處現(xiàn)場動力線路密布，設備啟停運轉(zhuǎn)繁忙，因此存在嚴重的電場和磁場干擾。而地鐵BAS系統(tǒng)又有幾百乃至幾千個輸入輸出通道分布在其中，導線之間形成相互耦合是通道干擾的主要原因之一。如果系統(tǒng)浮地，系統(tǒng)和系統(tǒng)設備均不安全，因此系統(tǒng)不能浮地。具體分析和保護措施參見下面論述：這些電磁干擾主要表現(xiàn)為電容性耦合、電感性耦合、電磁場輻射三種形式。在BAS系統(tǒng)中，由前兩種耦合造成的干擾是主要的，第

2、三種是次要的。它們對電路主要造成共模形式的干擾。可以等效為圖3-1中的干擾源Ecm。 圖3-1 地電位差和電磁干擾造成的共模電壓的等效圖眾所周知，地球是一個靜電容量很大的導體，其電位非常恒定。如果把一個導體與大地緊密連接，那么該導體的電位也是恒定的。通常我們把它的電位叫作零電位，它是電位的參考點。然而，工程上不可能做到這種緊密連接，總是存在一定的接地電阻。當有電流經(jīng)該導體入地時，它的電位就有波動。于是，不同的接地點之間的電位就會有差異。當我們用一根導線連接不同的接地點時，在導線中就可能有電流流動，這稱為地環(huán)電流。接地抗干擾技術就是解決以地環(huán)電流為中心的一系列技術問題。圖1 等效示意了信號源地線

3、和放大器地線之間的電位差形成的干擾源EG，它對電路主要造成共模形式的干擾。然而，由干擾源Ecm和EG形成的共模電壓，其中一部分會轉(zhuǎn)換成差模電壓， 直接對電路造成干擾。假設信號源Es=0，即只考慮干擾源Ecm和EG的作用時。因為i1回路和i2 回路阻抗不相等，因此，回路電流i1和i2也不相等。于是兩個電流的差在放大器的輸入電阻上形成了差模電壓。采取合適的屏蔽和正確的接地措施就可以減少和消除這些干擾。3.2.1屏蔽抗干擾技術電場耦合的屏蔽和抑制技術克服電場耦合干擾最有效的方法是屏蔽。因為放置在空心導體或者金屬網(wǎng)內(nèi)的物體不受外電場的影響。請注意，屏蔽電場耦合干擾時，導線的屏蔽層最好不要兩端連接當?shù)鼐€

4、使用。因在有地環(huán)電流時，這將在屏蔽層形成磁場，干擾被屏蔽的導線。正確的作法是把屏蔽層單點接地，一般選擇它的任一端頭接地。造成電場耦合干擾的原因是兩根導線之間的分布電容產(chǎn)生的耦合。當兩導線形成電場耦合干擾時，導線在導線上產(chǎn)生的對地干擾電壓VN為：式中，V1和是干擾源導線1的電壓和角頻率；R和C2G是被干擾導線2的對地負載電阻和總電容；C12是導線1和導線2之間的分布電容。通常，C12<<C2G，因此，式(1)可以簡化成：從式(2)可以看出，在干擾源的角頻率不變時，要想降低導線2上的被干擾電壓VN， 應當減小導線1的電壓V1，減小兩導線之間的分布電容C12，減小導線2對地負載電阻R以及

5、增大導線2對地的總電容C2G。在這些措施中，可操作性最好的是減小兩導線之間的分布電容C12。即采用遠離技術：弱信號線要遠離強信號線敷設，尤其是遠離動力線路。工程上的“遠離”概念，通常取干擾導線直徑的40倍，即認為足夠了。同時，避免平行走線也可以減小C12。磁場耦合的抑制技術抑制磁場耦合干擾的好辦法應該是屏蔽干擾源。大電機、電抗器、磁力開關和大電流載流導線等等都是很強的磁場干擾源。但把它們都用導磁材料屏蔽起來，在工程上是很難做到的。通常是采用一些被動的抑制技術。當回路1對回路2造成磁場耦合干擾時，其在回路2 上形成的串聯(lián)干擾電壓VN為：VN=jBAcos (3) 式中，是干擾信號的角頻率；B是干

6、擾源回路1形成的磁場鏈接至回路2處的磁通密度；A為回路2感受磁場感應的閉合面積，是和兩個矢量的夾角。從式(3)可以看出，在干擾源的角頻率不變時，要想降低干擾電壓VN，首先應當減小B。對于直線電流磁場來說，B與回路1流過的電流成正比，而與兩導線的距離成反比 。因此，要有效抑制磁場耦合干擾，仍然是遠離技術。同時，也要避免平行走線。屏蔽線的使用圖3-2示出了屏蔽線使用的三種情況。圖(a)是單端接地方式。假設信號電流i1從芯線流入屏蔽線，流過負載電阻RL之后，再通過屏蔽層返回信號源。因為i1與i2大小相等方向相反，所以它們產(chǎn)生的磁場干擾相互抵消。這是一個很好的抑制磁場干擾的措施。同時它也是一個很好的抵

7、制磁場耦合干擾的措施。圖(b)是兩端接地方式。由于屏蔽層上流過的電流是i2與地環(huán)電流iG的迭加，所以它不能完全抵消信號電流所產(chǎn)生的磁場干擾。因此，它抑制磁場耦合干擾的能力也比圖(a)差。圖(a)和(b)都有屏蔽電場耦合干擾作用。圖(c)的屏蔽層懸浮，因此，它只有屏蔽電場耦合干擾能力，而無抑制磁場耦合干擾能力。(a)單端接地      (b)兩端接地   (c)屏蔽層不接地圖3-2 屏蔽線的用法如果把圖(c)的抑制磁場干擾衰減能力定為0 dB，當圖(a)、(b)、(c)的信號源內(nèi)阻RS都為100，負載電阻RL都為1 M，信號源

8、頻率在50 kHz（高于該電纜屏蔽體截頻的倍）時，根據(jù)國外專家實驗測定，圖(a)具有80 dB的衰減，即抑制磁場干擾能力很強。而圖(b)具有27 dB的磁場干擾抑制能力。 圖(a)的單端接地方式抗干擾能力最好。其接地點的選擇可以是圖(a)中的情況，也可以選擇負載電阻RL側(cè)接地，而讓信號源浮置。雙絞線的使用雙絞線的絞扭節(jié)距把式(3)中的A回路分隔成許多的小回路，如果雙絞線的絞扭一致的話，那么這些小回路的面積相等而法方向相反，因此，其磁場干擾可以相互抵消。雙絞線的結(jié)構(gòu)對電場耦合干擾的抑制毫無能力。當給雙絞線加上屏蔽層后，一個價廉物美的傳輸線就誕生了。圖3-3示出了雙絞線的使用方法。如果每2.54

9、cm扭6 個均勻絞扭的話，當采用上節(jié)約定的參數(shù)時，根據(jù)國外專家的實驗測定，各用法對磁場干擾的抑制dB數(shù)如圖所示。其中圖(a)采用單端接地方式，因此對磁場干擾具有高達55 dB的衰減能力。可見，雙絞線確實有很好的效果。而圖(b)由于兩端接地，地線阻抗與信號線阻抗不對稱，地環(huán)電流造成了雙絞線電流不平衡，因此降低了雙絞線抗磁場干擾的能力，所以圖(b)只有13 dB的磁場干擾衰減能力。圖(c)使用屏蔽雙絞線，由于其屏蔽層一端接地，另一端懸空，因此屏蔽層上沒有返回信號電流，所以它的屏蔽層只有抗電場干擾能力，而無抑制磁場耦合干擾能力。所以圖(c)的dB數(shù)與圖(a)一樣衰減55 dB。圖(d)屏蔽層單端接地

10、，而另一端又與負載冷端相連，因此它具有圖2(a)的效果，但它的屏蔽層上的電流由于被雙絞線中的一根分流，又比圖2(a)稍差。具有77 dB的衰減。圖(e)的屏蔽層雙端接地，具有一定的抑制磁場耦合干擾能力，加上雙絞線本身的作用，因此具有63 dB的衰減。圖(f)的屏蔽層和雙絞線都兩端接地，因此其效果只是比圖3(b)稍好。具有28 dB衰減。雙絞線最好的應用是作平衡式傳輸線路。因為兩條線的阻抗一樣，自身產(chǎn)生的磁場干擾或外部磁場干擾都可以較好的抵消。同時，平衡式傳輸又獨具很強的抗共模干擾能力，因此成為大多數(shù)計算機網(wǎng)絡的傳輸線。例如，物理層采用RS422A或RS485通信接口，就是很好的平衡傳輸模式。

11、圖3-3 雙絞線的用法及其抗磁場耦合干擾能力3.2.2接地抗干擾技術接地抗干擾技術的主要內(nèi)容，其一是避開地環(huán)電流的干擾；其二是降低公共地線阻抗的耦合干擾。“一點接地”有效地避開了地環(huán)電流；而在“一點接地”前提下，并聯(lián)接地則是降低公共地線阻抗的耦合干擾的有效措施；它們是工業(yè)控制系統(tǒng)采用的最基本的接地方法。然而，工業(yè)控制系統(tǒng)接地的含義不一定就是接大地。例如直流接地只是定義電路或系統(tǒng)的基準電位。它可以懸浮，但要求與大地嚴格絕緣。通常，其絕緣電阻要達到50 M以上。直流地懸浮隔離了交流地網(wǎng)的干擾，經(jīng)濟簡便，工程中經(jīng)常使用。直流地懸浮的缺點是機器容易帶靜電，如果該靜電電位過高，會損壞器件，擊傷操作人員等

12、等；而且，如果這時直流地與大地的絕緣電阻減小，可能會產(chǎn)生很多原先沒有想到的干擾。直流地接大地，按照國家標準，要埋設一個不大于 的獨立接地體。但無論直流地懸浮或者接大地，直流地與大地之間的電位都存在著間接或者直接的關系。工業(yè)控制機所操作的各種輸入輸出信號之間接地是否合理，不只是形成相互耦合干擾的問題，有時還危及計算機系統(tǒng)的安全。 在實際的工業(yè)控制系統(tǒng)中，各種通道的信號頻率大多在MHz內(nèi)，屬于低頻范圍。因此，本文只涉及低頻范圍的接地討論。串聯(lián)接地和并聯(lián)接地在圖3-4(a) 所示意的串聯(lián)接地方式中，電路、各有一個電流i1、i2、i3流向接地點。由于地線存在電阻，因此，A、B、C點的電位不再是零， 于

13、是各個電路間相互發(fā)生干擾。尤其是強信號電路將嚴重干擾弱信號電路。如果必須要這樣使用，應當盡力減小公共地線的阻抗，使其能達到系統(tǒng)的抗干擾容限要求。串聯(lián)的次序是，最怕干擾的電路的地接點，而最不怕干擾的電路的地應當接點。但工業(yè)控制機中的模擬通道和數(shù)字通道不能這樣串聯(lián)接地。應當按照圖3-4(b)所示意的并聯(lián)接地方式使用。并聯(lián)接地中各個電路的地電位只與其自身的地線阻抗和地電流有關，互相之間不會造成耦合干擾。因此，有效地克服了公共地線阻抗的耦合干擾問題，工業(yè)控制機應當盡量采用并聯(lián)接地方式。值得注意的是，雖然采用了并聯(lián)接地方式，但是地線仍然要粗一些，以使各個電路部件之間的地電位差盡量減小。這樣，當各個部件之

14、間有信號傳送時，地線環(huán)流干擾將減小。 圖3-4 電路部件的一點接地(a)串聯(lián)接地方式(b)并聯(lián)接地方式一個實際的信號采集系統(tǒng)接地方案圖3-5 一個實際的信號采集系統(tǒng)接地示意圖一個實際的信號采集系統(tǒng)接地示意圖如圖3-5所示。 多個模擬輸入信號采用屏蔽雙絞線接至工控數(shù)據(jù)采集處理機。所有模擬信號源都浮置，這對于多數(shù)工業(yè)變送器（傳感器）來說，都能夠滿足這個要求。模擬輸入信號采用一點接地，接地點選在微處理機的模入接口的模擬地GA上。屏蔽層也采用一點接地，接在模擬地上。這與圖3(c)的用法相同。這種用法靠雙絞線抑制磁場耦合干擾，屏蔽層屏蔽電場干擾。雖然抑制dB數(shù)不算高，但它不會引入其它噪聲，可靠性較好，不

15、論在什么現(xiàn)場環(huán)境都可用。所有的模擬電路的地線并聯(lián)于GA點，然后用一根具有絕緣皮的低阻抗導線，將模擬地連接到專為工控機埋設的獨立接地體的線鼻上。工控數(shù)據(jù)采集處理機的數(shù)字地也應并聯(lián)于一點GD，仍然用一根具有絕緣皮的低阻抗導線，將數(shù)字地GD連接到專為工控機埋設的獨立接地體的線鼻上。工控機的外設地線也應并聯(lián)于該獨立接地體的線鼻上。對于一般的工業(yè)現(xiàn)場，外設的保護地線、工控機柜、傳感器柜、執(zhí)行器柜等的保護地線都可以并聯(lián)到該獨立接地體的線鼻上。但是要求高的項目應當埋設專門的獨立的安全保護地線，并把設備和機柜的保護地線并聯(lián)地接于那里。國家標準規(guī)定，計算機的安全保護地線接地電阻不應大于4 。嚴禁使用建筑物的避雷

16、地作工業(yè)控制系統(tǒng)的任何地線使用。 如果把圖5的計算機采集系統(tǒng)直流地懸浮運行，那么它的的模擬地、數(shù)字地仍然要用低阻抗導線短接，只是不接大地就行了。目前的工控機廠商提供的大部分產(chǎn)品都沒有模擬地和數(shù)字地的接大地端子，它們的模擬地和數(shù)字地已在電路板上妥善短接。用戶最簡單的應用就是搞浮地運行。這對于使用標準變送器，檢測標準模擬信號是沒有大問題的。接地六要素根據(jù)建筑接地和接線要求的規(guī)定：BAS系統(tǒng)接地的結(jié)構(gòu)包括接地線，接地母線（層接地端子）、接地干線。主接地母線（總接地端子）、接地引入線、接地體六部分，在進行系統(tǒng)接地的設計時，可按上述6個要素分層次地進行設計。1.接地線接地線是指綜合布線系統(tǒng)各種設備與接地

17、母線之間的連線。所有接地線均為銅質(zhì)絕緣導線，其截面應不小于4mm2。當綜合布線系統(tǒng)采用屏蔽電纜布線時，信息插座的接地可利用電纜屏蔽層作為接地線連至每層的配線柜。若綜合布線的電纜采用穿鋼管或金屬線糟敷設時，鋼管或金屬線糟應保持連續(xù)的電氣連接，并應在兩端具有良好的接地。2.接地母線（層接地端子）接地母線是水平布線于系統(tǒng)接地線的公用中心連接點。每一層的樓層配線柜均應與本樓層接地母線相焊接與接地母線同一配線間的所有綜合布線用的金屬架及接地干線均應與該接地母線相焊接。接地母線均應為銅母線，其最的小尺寸應為6mm厚×50mm寬，長度視工程實際需要來確定。接地母線應盡量采用電鍍錫以減小接觸電阻，如

18、不是電鍍，則在將導線固定到母線之前，須對母線進行清理。3.接地干線 接地干線是由總接地母線引出，連接所有接地母線的接地導線。在進行接地干線的設計 時，應充分考慮建筑物的結(jié)構(gòu)形式，建筑物的大小以及綜合布線的路由與空間配置，并與綜合布線電纜干線的敷設相協(xié)調(diào)。接地干線應安裝在不受物理和損傷的保護處，建筑物內(nèi)的水管及金屬電纜屏蔽層不能作為接地干線使用。當建筑物中使用兩個或多個垂直接地干線時，垂直接地干線之間每隔三層及頂層需用與接地干線等截面的絕緣導線相焊接。接地干線應為絕緣銅芯導線，最小截面應不小于16mm2。當在接地干線上，其接地電位差大于1VrmS(有效值)時，樓層配線間應單獨用接地干線接至主接地

19、母線。4主接地母線（總接地端子） 一般情況下，每棟建筑物有一個主接地母線。主接地母線作為綜合布線接地系統(tǒng)中接地干線及設備接地線的轉(zhuǎn)接點，其理想位置宜設于外線引入間或建筑配線間。主接地母線應布置在直線路徑上，同時考慮從保護器到主接地母線的焊接導線不宣過長。接地引入線、接地干線、直流配電屏接地線、外線引入間的所有接地線，以及與主接地母線同一配線間的所有綜合布線用的金屬架均應與主接地母線良好焊接。當外線引入電纜配有屏蔽或穿金屬保護管時，此屏蔽和金屬管也應焊接至主接地母線。主接地母線應采用銅母線，其最小截面尺寸為6mm厚X100mm寬，長度可視工程實際需要而定。和接地母線相同，主接地母線也應盡量采用電

20、鍍錫以減小接觸電阻。如不是電鍍，則主接地母線在固定到導線前必須進行清理。5接地引入線接地引入線指主接地母線與接地體之間的連接線，宜采用40mm寬×4mm厚或50mm×5mm的鍍鋅扁鋼。接地引入線應作絕緣防腐處理，在其出土部位應有防機械損傷措施，且不宜與暖氣管道同溝布放。6接地體 接地體分自然接地體和人工接地體兩種。當綜合布線采用單獨接地系統(tǒng)時，接地體一般采用人工接地體，并應滿足以下條件： （1） 距離工頻低壓交流供電系統(tǒng)的接地體不宣小于10m。 （2） 距離建筑物防雷系統(tǒng)的接地體不應小于2m。 （3） 接地電阻不應大于40。 當綜合布線采用聯(lián)合接地系統(tǒng)時，接地體一般利用建筑物基礎內(nèi)鋼筋網(wǎng)作為自然接地體，其接地電阻應小于1。在實際應用中通常采用聯(lián)合接地系統(tǒng)，這是因為與前者相比，聯(lián)合接地方式具有以下幾個顯著的優(yōu)點：（1）當建筑物遭受雷擊