Промышленные сети автоматизации, системы распределения электроэнергии и сложные контуры управления во многом зависят от надлежащего заземления, обеспечивающего стабильную работу. Поэтому инженерам по системам управления и специалистам-электрикам необходимо хорошо разбираться в различиях между заземлением, подключением к земле и уравниванием потенциалов. За 15 лет ввода в эксплуатацию распределённых систем управления (DCS) и архитектур фабричной автоматизации я сталкивался со множеством загадочных отказов оборудования, вызванных неправильным заземлением. Ниже я разъясню эти важные понятия и опишу отраслевые стандарты, регулирующие промышленную электробезопасность.

Разъяснение основных понятий: земля и заземление

Термины «заземление» и «подключение к земле» часто вызывают путаницу в международных промышленных проектах. По сути, Земля — это наша планета, выступающая в качестве проводника с теоретическим опорным потенциалом, равным нулю. Под подключением к земле понимают прямое соединение электрических цепей или корпусов оборудования с Землёй либо с проводящим телом, обеспечивающим такое соединение. Однако в региональных инженерных стандартах эти термины используются по-разному. В европейских стандартах и стандартах IEC предпочтителен термин «заземление», тогда как в североамериканских стандартах NEC, IEEE и ANSI используется термин «подключение к земле». Несмотря на различия в терминологии, оба понятия обозначают создание надёжной опорной точки с низким импедансом для распределения электропитания и сигналов.

Различия между заземлением, подключением к земле и уравниванием потенциалов

Хотя специалисты часто употребляют термины «заземление» и «подключение к земле» как взаимозаменяемые, уравнивание потенциалов выполняет отдельную и важную механическую функцию. Заземление обеспечивает прямое электрическое соединение с заземлителями или забиваемыми в землю стержнями. В свою очередь, уравнивание потенциалов соединяет все металлические поверхности, корпуса оборудования и конструктивные элементы проводниками с низким импедансом. Такое соединение металлических частей создаёт систему уравнивания потенциалов, не допуская возникновения опасной разности напряжений между отдельными точками. Например, коммерческие самолёты и морские добывающие платформы не имеют непосредственного соединения с планетой Земля, находясь в воздухе или на плаву. Тем не менее тщательное уравнивание потенциалов внутри них защищает персонал и чувствительную аппаратуру управления от статических зарядов и ударов молнии.

Устранение электронных помех и проблем с качеством электроэнергии

Современная промышленная автоматизация в значительной степени зависит от чувствительных микропроцессоров, программируемых логических контроллеров (ПЛК) и высокоскоростных сетей связи. Поэтому при вводе предприятий в эксплуатацию часто возникают проблемы с качеством электроэнергии. Электротехники, специализирующиеся на электроснабжении, и инженеры по контрольно-измерительным приборам, работающие с сигналами, нередко придерживаются противоречивых подходов к снижению помех. Электротехники в первую очередь сосредоточены на отключении токов короткого замыкания, тогда как инженеры по сигналам отдают приоритет опорным сетям сигналов и снижению электромагнитных помех (EMI). Для решения этих проблем необходимо строго следовать утверждённым согласованным стандартам, а не прибегать к импровизированным исправлениям проводки.

Применение стандартов IEEE в промышленных энергосистемах

Проектировщики промышленных предприятий используют авторитетные справочники, издаваемые Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE). «Зелёная книга» IEEE содержит подробные рекомендации по заземлению систем в промышленных электросетях, включая заземление нейтрали, конфигурации трансформаторов и соединение корпусов оборудования. Кроме того, «Изумрудная книга» IEEE посвящена электропитанию и заземлению чувствительного электронного оборудования, промышленных контроллеров и инфраструктуры информационных технологий. Использование этих цветных справочников помогает инженерам согласовать требования безопасности с подавлением помех в современных системах заводской автоматизации.

Соблюдение требований Национального электротехнического кодекса (NEC)

Национальный электротехнический кодекс (NFPA 70) устанавливает строгие требования к электробезопасности на промышленных объектах. Статья 250 NEC определяет точные требования к заземлению электрических систем, соединению металлических кабельных каналов и установке заземляющих электродов ниже уровня земли. Главная цель NEC — защита жизни людей и материального имущества от электрических опасностей. Поэтому инженеры по автоматизации должны считать соблюдение кодекса обязательным исходным условием при разработке базового проекта любого промышленного предприятия.

Практический пример решения: устранение контуров заземления в распределённых модулях ввода-вывода DCS

Представьте крупное нефтехимическое предприятие, где периодически искажаются аналоговые сигналы от термопар, подключённых к распределённой системе управления (DCS). Проверка показывает, что экраны сигнальных кабелей неправильно заземлены с обоих концов, из-за чего образуется нежелательный контур заземления, наводящий электромагнитные помехи. Специалисты по КИПиА устраняют проблему, изолируя экраны кабелей, подключая их только к главной шине заземления шкафа управления и обеспечивая надлежащее уравнивание потенциалов во всех местных соединительных коробках. Это инженерное решение устраняет колебания сигнала, стабилизирует контуры регулирования и предотвращает ненужные остановки производства.

Об авторе

Ван Лэй — старший эксперт по промышленной автоматизации с более чем 15-летним опытом работы на объектах по всему миру. Специализируется на защите электроснабжения, вводе в эксплуатацию DCS, проектировании КИПиА и оптимизации систем заземления. На протяжении своей карьеры Ван руководил командами инженеров-электриков и инженеров по системам управления на многочисленных крупных нефтегазоперерабатывающих заводах, химических предприятиях и производствах тяжёлой промышленности в Азии и на Ближнем Востоке. Он сертифицированный специалист по электробезопасности, регулярно готовит техническую документацию и делится отраслевыми знаниями в международных изданиях по автоматизации.