地铁BAS电气保护措施

地铁地铁 BAS 电气保护措施电气保护措施 第 1 页 共 7 页 地铁地铁 BASBAS 电气保护措施电气保护措施 3 3 电气保护措施电气保护措施 3 1 有关电气保护措施的问题有关电气保护措施的问题 为了避免由于电气短路或过流烧坏设备应采取那些电气保护措施 BAS 系统是否是浮 地 3 2 有关电气保护措施问题的答复有关电气保护措施问题的答复 由于地铁 BAS 系统所处现场动力线路密布 设备启停运转繁忙 因此存在严重的电场 和磁场干扰 而地铁 BAS 系统又有几百乃至几千个输入输出通道分布在其中 导线之间形 成相互耦合是通道干扰的主要原因之一 如果系统浮地 系统和系统设备均不安全 因此 系统不能浮地 具体分析和保护措施参见下面论述 这些电磁干扰主要表现为电容性耦合 电感性耦合 电磁场辐射三种形式 在 BAS 系 统中 由前两种耦合造成的干扰是主要的 第三种是次要的 它们对电路主要造成共模形 式的干扰 可以等效为图 3 1 中的干扰源 Ecm 图 3 1 地电位差和电磁干扰造成的共模电压的等效图 众所周知 地球是一个静电容量很大的导体 其电位非常恒定 如果把一个导体与大 地紧密连接 那么该导体的电位也是恒定的 通常我们把它的电位叫作零电位 它是电位 的参考点 然而 工程上不可能做到这种紧密连接 总是存在一定的接地电阻 当有电流 经该导体入地时 它的电位就有波动 于是 不同的接地点之间的电位就会有差异 当我 们用一根导线连接不同的接地点时 在导线中就可能有电流流动 这称为地环电流 接地 抗干扰技术就是解决以地环电流为中心的一系列技术问题 图 1 等效示意了信号源地线和 放大器地线之间的电位差形成的干扰源 EG 它对电路主要造成共模形式的干扰 然而 由干扰源 Ecm 和 EG 形成的共模电压 其中一部分会转换成差模电压 直接 对电路造成干扰 假设信号源 Es 0 即只考虑干扰源 Ecm 和 EG 的作用时 因为 i1 回路 和 i2 回路阻抗不相等 因此 回路电流 i1 和 i2 也不相等 于是两个电流的差在放大器的 地铁地铁 BAS 电气保护措施电气保护措施 第 2 页 共 7 页 输入电阻上形成了差模电压 采取合适的屏蔽和正确的接地措施就可以减少和消除这些干 扰 3 2 13 2 1 屏蔽抗干扰技术屏蔽抗干扰技术 电场耦合的屏蔽和抑制技术电场耦合的屏蔽和抑制技术 1 1 克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽 因为放置在空心导体或者金属网内的物体不 受外电场的影响 请注意 屏蔽电场耦合干扰时 导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线 使用 因在有地环电流时 这将在屏蔽层形成磁场 干扰被屏蔽的导线 正确的作法是把 屏蔽层单点接地 一般选择它的任一端头接地 造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合 当两导线形成电场 耦合干扰时 导线 在导线 上产生的对地干扰电压 VN 为 式中 V1 和 是干扰源导线 1 的电压和角频率 R 和 C2G 是被干扰导线 2 的对地负 载电阻和总电容 C12 是导线 1 和导线 2 之间的分布电容 通常 C12 C2G 因此 式 1 可 以简化成 从式 2 可以看出 在干扰源的角频率 不变时 要想降低导线 2 上的被干扰电压 VN 应当减小导线 1 的电压 V1 减小两导线之间的分布电容 C12 减小导线 2 对地负载 电阻 R 以及增大导线 2 对地的总电容 C2G 在这些措施中 可操作性最好的是减小两导线 之间的分布电容 C12 即采用远离技术 弱信号线要远离强信号线敷设 尤其是远离动力 线路 工程上的 远离 概念 通常取干扰导线直径的 40 倍 即认为足够了 同时 避免 平行走线也可以减小 C12 磁场耦合的抑制技术磁场耦合的抑制技术 2 2 抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源 大电机 电抗器 磁力开关和大电流 载流导线等等都是很强的磁场干扰源 但把它们都用导磁材料屏蔽起来 在工程上是很难 做到的 通常是采用一些被动的抑制技术 当回路 1 对回路 2 造成磁场耦合干扰时 其在 回路 2 上形成的串联干扰电压 VN 为 VN j BAcos 3 式中 是干扰信号的角频率 B 是干扰源回路 1 形成的磁场链接至回路 2 处的磁通 密度 A 为回路 2 感受磁场感应的闭合面积 是和两个矢量的夹角 从式 3 可以看出 在干扰源的角频率 不变时 要想降低干扰电压 VN 首先应当减 小 B 对于直线电流磁场来说 B 与回路 1 流过的电流成正比 而与两导线的距离成反比 因此 要有效抑制磁场耦合干扰 仍然是远离技术 同时 也要避免平行走线 屏蔽线的使用屏蔽线的使用 3 3 图 3 2 示出了屏蔽线使用的三种情况 图 a 是单端接地方式 假设信号电流 i1 从芯线 流入屏蔽线 流过负载电阻 RL 之后 再通过屏蔽层返回信号源 因为 i1 与 i2 大小相等方 向相反 所以它们产生的磁场干扰相互抵消 这是一个很好的抑制磁场干扰的措施 同时 它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施 图 b 是两端接地方式 由于屏蔽层上流过的 电流是 i2 与地环电流 iG 的迭加 所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰 因此 它抑制磁场耦合干扰的能力也比图 a 差 图 a 和 b 都有屏蔽电场耦合干扰作用 图 c 的屏 蔽层悬浮 因此 它只有屏蔽电场耦合干扰能力 而无抑制磁场耦合干扰能力 地铁地铁 BAS 电气保护措施电气保护措施 第 3 页 共 7 页 a 单端接地 b 两端接地 c 屏蔽层不接地 图 3 2 屏蔽线的用法 如果把图 c 的抑制磁场干扰衰减能力定为 0 dB 当图 a b c 的信号源内阻 R S 都为 100 负载电阻 RL 都为 1 M 信号源频率在 50 kHz 高于该电缆屏蔽体截频的 倍 时 根据国外专家实验测定 图 a 具有 80 dB 的衰减 即抑制磁场干扰能力很强 而图 b 具有 27 dB 的磁场干扰抑制能力 图 a 的单端接地方式抗干扰能力最好 其接地 点的选择可以是图 a 中的情况 也可以选择负载电阻 RL 侧接地 而让信号源浮置 双绞线的使用双绞线的使用 4 4 双绞线的绞扭节距把式 3 中的 A 回路分隔成许多的小回路 如果双绞线的绞扭一致的 话 那么这些小回路的面积相等而法方向相反 因此 其磁场干扰可以相互抵消 双绞线 的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力 当给双绞线加上屏蔽层后 一个价廉物美的传输 线就诞生了 图 3 3 示出了双绞线的使用方法 如果每 2 54 cm 扭 6 个均匀绞扭的话 当 采用上节约定的参数时 根据国外专家的实验测定 各用法对磁场干扰的抑制 dB 数如图 所示 其中图 a 采用单端接地方式 因此对磁场干扰具有高达 55 dB 的衰减能力 可见 双绞线确实有很好的效果 而图 b 由于两端接地 地线阻抗与信号线阻抗不对称 地环电 流造成了双绞线电流不平衡 因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力 所以图 b 只有 13 dB 的磁场干扰衰减能力 图 c 使用屏蔽双绞线 由于其屏蔽层一端接地 另一端悬空 因此 屏蔽层上没有返回信号电流 所以它的屏蔽层只有抗电场干扰能力 而无抑制磁场耦合干 扰能力 所以图 c 的 dB 数与图 a 一样衰减 55 dB 图 d 屏蔽层单端接地 而另一端又与 负载冷端相连 因此它具有图 2 a 的效果 但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根 分流 又比图 2 a 稍差 具有 77 dB 的衰减 图 e 的屏蔽层双端接地 具有一定的抑制磁 场耦合干扰能力 加上双绞线本身的作用 因此具有 63 dB 的衰减 图 f 的屏蔽层和双绞 线都两端接地 因此其效果只是比图 3 b 稍好 具有 28 dB 衰减 双绞线最好的应用是作平衡式传输线路 因为两条线的阻抗一样 自身产生的磁场干 扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消 同时 平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力 因此成为大多数计算机网络的传输线 例如 物理层采用 RS422A 或 RS485 通信接口 就 是很好的平衡传输模式 地铁地铁 BAS 电气保护措施电气保护措施 第 4 页 共 7 页 图 3 3 双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力 3 2 23 2 2 接地抗干扰技术接地抗干扰技术 接地抗干扰技术的主要内容 其一是避开地环电流的干扰 其二是降低公共地线阻抗 的耦合干扰 一点接地 有效地避开了地环电流 而在 一点接地 前提下 并联接地则 是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施 它们是工业控制系统采用的最基本的接地方 法 然而 工业控制系统接地的含义不一定就是接大地 例如直流接地只是定义电路或系 统的基准电位 它可以悬浮 但要求与大地严格绝缘 通常 其绝缘电阻要达到 50 M 以上 直流地悬浮隔离了交流地网的干扰 经济简便 工程中经常使用 直流地悬浮的缺 点是机器容易带静电 如果该静电电位过高 会损坏器件 击伤操作人员等等 而且 如 果这时直流地与大地的绝缘电阻减小 可能会产生很多原先没有想到的干扰 直流地接大 地 按照国家标准 要埋设一个不大于 的独立接地体 但无论直流地悬浮或者接大 地 直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系 工业控制机所操作的各种输 入输出信号之间接地是否合理 不只是形成相互耦合干扰的问题 有时还危及计算机系统 的安全 在实际的工业控制系统中 各种通道的信号频率大多在 MHz 内 属于低频范 围 因此 本文只涉及低频范围的接地讨论 串联接地和并联接地串联接地和并联接地 1 1 地铁地铁 BAS 电气保护措施电气保护措施 第 5 页 共 7 页 在图 3 4 a 所示意的串联接地方式中 电路 各有一个电流 i1 i2 i3 流向 接地点 由于地线存在电阻 因此 A B C 点的电位不再是零 于是各个电路间相互 发生干扰 尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路 如果必须要这样使用 应当尽力减 小公共地线的阻抗 使其能达到系统的抗干扰容限要求 串联的次序是 最怕干扰的电路 的地接 点 而最不怕干扰的电路的地应当接 点 但工业控制机中的模拟通道和数字通 道不能这样串联接地 应当按照图 3 4 b 所示意的并联接地方式使用 并联接地中各个电 路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关 互相之间不会造成耦合干扰 因此 有 效地克服了公共地线阻抗的耦合干扰问题 工业控制机应当尽量采用并联接地方式 值得 注意的是 虽然采用了并联接地方式 但是地线仍然要粗一些 以使各个电路部件之间的 地电位差尽量减小 这样 当各个部件之间有信号传送时 地线环流干扰将减小 图 3 4 电路部件的一点接地 a 串联接地方式 b 并联接地方式 一个实际的信号采集系统接地方案一个实际的信号采集系统接地方案 2 2 图 3 5 一个实际的信号采集系统接地示意图 一个实际的信号采集系统接地示意图如图 3 5 所示 多个模拟输入信号采用屏蔽双绞 线接至工控数据采集处理机 所有模拟信号源都浮置 这对于多数工业变送器 传感器 来说 都能够满足这个要求 模拟输入信号采用一点接地 接地点选在微处理机的模入接 口的模拟地 GA 上 屏蔽层也采用一点接地 接在模拟地上 这与图 3 c 的用法相同 这 种用法靠双绞线抑制磁场耦合干扰 屏蔽层屏蔽电场干扰 虽然抑制 dB 数不算高 但它 不会引入其它噪声 可靠性较好 不论在什么现场环境都可用 所有的模拟电路的地线并 地铁地铁 BAS 电气保护措施电气保护措施 第 6 页 共 7 页 联于 GA 点 然后用一根具有绝缘皮的低阻抗导线 将模拟地连接到专为工控机埋设的独 立接地体的线鼻上 工控数据采集处理机的数字地也应并联于一点 GD 仍然用一根具有 绝缘皮的低阻抗导线 将数字地 GD 连接到专为工控机埋设的独立接地体的线鼻上 工控 机的外设地线也应并联于该独立接地体的线鼻上 对于一般的工业现场 外设的保护地线 工控机柜 传感器柜 执行器柜等的保护地线都可以并联到该独立接地体的线鼻上 但是 要求高的项目应当埋设专门的独立的安全保护地线 并把设备和机柜的保护地线并联地接 于那里 国家标准规定 计算机的安全保护地线接地电阻不应大于 4 严禁使用建筑物 的避雷地作工业控制系统的任何地线使用 如果把图 5 的计算机采集系统直流地悬浮运行 那么它的的模拟地 数字地仍然要用低阻抗导线短接 只是不接大地就行了 目前的工控 机厂商提供的大部分产品都没有模拟地和数字地的接大地端子 它们的模拟地和数字地已 在电路板上妥善短接 用户最简单的应用就是搞浮地运行 这对于使用标准变送器 检测 标准模拟信号是没有大问题的 接地六要素接地六要素 3 3 根据建筑接地和接线要求的规定 BAS 系统接地的结构包括接地线 接地母线 层接 地端子 接地干线 主接地母线 总接地端子 接地引入线 接地体六部分 在进行系 统接地的设计时 可按上述 6 个要素分层次地进行设计 1 接地线 接地线是指综合布线系统各种设备与接地母线之间的连线 所有接地线均为铜质绝缘 导线 其截面应不小于 4mm2 当综合布线系统采用屏蔽电缆布线时 信息插座的接地可 利用电缆屏蔽层作为接地线连至每层的配线柜 若综合布线的电缆采用穿钢管或金属线糟 敷设时 钢管或金属线糟应保持连续的电气连接 并应在两端具有良好的接地 2 接地母线 层接地端子 接地母线是水平布线于系统接地线的公用中心连接点 每一层的楼层配线柜均应与本 楼层接地母线相焊接与接地母线同一配线间的所有综合布线用的金属架及接地干线均应与 该接地母线相焊接 接地母线均应为铜母线 其最的小尺寸应为 6mm 厚 50mm 宽 长度 视工程实际需要来确定 接地母线应尽量采用电镀锡以减小接触电阻 如不是电镀 则在 将导线固定到母线之前 须对母线进行清理 3 接地干线 接地干线是由总接地母线引出 连接所有接地母线的接地导线 在进行接地干线的设 计 时 应充分考虑建筑物的结构形式 建筑物的大小以及综合布线的路由与空间配置 并与综合布线电缆干线的敷设相协调 接地干线应安装在不受物理和机械损伤的保护处 建筑物内的水管及金属电缆屏蔽层不能作为接地干线使用 当建筑物中使用两个或多个垂 直接地干线时 垂直接地干线之间每隔三层及顶层需用与接地干线等截面的绝缘导线相焊 接 接地干线应为绝缘铜芯导线 最小截面应不小于 16mm2 当在接地干线上 其接地电 位差大于 1Vrm S 有效值 时 楼层配线间应单独用接地干线接至主接地母线 4 主接地母线 总接地端子 一般情况下 每栋建筑物有一个主接地母线 主接地母线作为综合布线接地系统中接 地干线及设备接地线的转接点 其理想位置宜设于外线引入间或建筑配线间 主接地母线 应布置在直线路径上 同时考虑从保护器到主接地母线的焊接导线不宣过长 接地引入线 接地干线 直流配电屏接地线 外线引入间的所有接地线 以及与主接地母线同一配线间 的所有综合布线用的金属架均应与主接地母线良好焊接 当外线引入电缆配有屏蔽或穿金 属保护管时 此屏蔽和金属管也应焊接至主接地母线 主接地母线应采用铜母线 其最小 截面尺寸为 6mm 厚 X100mm 宽 长度可视工程实际需要而定 和接地母线相同 主接地 母线也应尽量采用电镀锡以减小接触电阻 如不是电镀 则主接地母线在固定到导线前必 须进行清理 5 接地引入线 接地引入线指主接地母线与接地体之间的连接线 宜采用 40mm 宽 4mm 厚或 50mm 5mm 的镀锌扁钢 接地引入线应作绝缘防腐处理 在其出土部位 应有防机械损伤 措施 且不宜与暖气管道同沟布放 地铁地铁 BAS 电气保护措施电气保护措施 第 7 页 共 7 页 6 接地体 接地体分自然接地体和人工接地体两种 当综合布线采用单独接地系统时 接地体一 般采用人工接地体 并应满足以下条件 1 距离工频低压交流供电系统的接地体不宣小于 10m 2 距离建筑物防雷系统的接地体不应小于 2m 3 接地电阻不应大于 40 当综合布线采用联合接地系统时 接地体一般利用建筑物基础内钢筋网作为自然接地 体 其接地电阻应小于 1 在实际应用中通常采用联合接地系统 这