Лекция 17. Характеристики АСУ. Помехоустойчивость. Заземление

Изучение влияния помех, связанных с неправильным заземлением, требует составления правдоподобных упрощенных моделей системы, включающих источники, приемники и пути прохождения помехи. Анализ таких моделей позволяет оценить влияние помех на характеристики системы.

Термин «заземление» имеет много смысловых оттенков. Далее не будут рассматриваться вопросы заземления энергетических электроустановок. Это отдельная тема, достаточно подробно рассмотреная в литературе по электроэнергетике. Далее рассматривается заземление, используемое в системах автоматизации для обеспечения их стабильного функционирования, а также заземление с целью защиты персонала от поражения электрическим током, поскольку эти 2 вопроса невозможно рассматривать изолированно один от другого, не нарушая стандартов системы безопасности труда.

Большинство проблем заземления в системах автоматизации возникают из-за необходимости защиты человека от поражения электрическим током. С землей соединена нейтраль трансформатора электрической подстанции, земля является частью генератора электростатического заряда во время грозы, а также обкладкой паразитных емкостей и проводником, в котором за счет явления э-м индукции наводятся токи. Земля как проводник участвует практически в любой электрической системе и ее наличие нельзя игнорировать.

17.1. Определения

Заземление - соединение с грунтом Земли или с некоторым общим проводом электрической системы, относительно которого измеряют электрический потенциал (например, в космическом корабле или самолете землей считают металлический корпус, в приемнике с батарейным питанием - систему внутренних проводников, являющиеся общим проводом для всей электронной схемы). В дальнейшем слово земля, используется без выделения, поскольку оно давно стало физическим термином. Потенциал земли в электрической системе не всегда равен нулю относительно грунта Земли (например, в летящем самолете за счет генерации электростатического заряда потенциал земли (корпуса) самолета может составлять сотни и тысячи вольт относительно поверхности Земли.

Плавающая земля - не соединенная с грунтом Земли система проводников, относительно которой отсчитывается потенциал в отдельной части электрической системы (например, в модуле аналогового ввода с гальванической развязкой внутренняя аналоговая земля модуля может не соединяться с грунтом Земли, т.е. быть плавающей.

Защитное заземление - электрическое соединение проводящих частей оборудования с грунтом Земли через заземляющее устройство с целью защиты персонала от поражения электрическим током.

Заземляющее устройство - совокупность заземлителя (т.е. проводника, соприкасающегося с землей) и заземляющих проводников.

Общий провод (проводник) - проводник в системе автоматики, относительно которого отсчитываются потенциалы. Обычно он является общим для источника питания и подключенных к нему электронных устройств. Примером может быть провод, общий для всех 8 входов 8-канального модуля аналогового ввода с одиночными (не дифференциальными) входами. Общий провод во многих случаях является синонимом земли, но он может быть вообще не соединен с грунтом Земли.

Сигнальное заземление - соединение с землей общего провода цепей передачи сигнала. Делится на цифровую и аналоговую. Сигнальную аналоговую землю иногда делят на землю аналоговых входов и землю аналоговых выходов.

Силовая земля - общий провод в системе, соединенный с защитной землей, по которому протекает большой (по сравнению с током сигнала) ток.

В основе указанной классификации земель лежит различный уровень чувствительности к помехам аналоговых и цифровых цепей, а также сигнальных и мощных (силовых) цепей, и, как правило, гальваническая развязка между указанными землями в системах ПА.

Глухозаземленная нейтраль - нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземлителю непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформатор тока).

Нулевой провод - провод сети, соединенный с глухозаземленной нейтралью.

Изолированная нейтраль - нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству.

Зануление - соединение оборудования с глухозаземленной нейтралью трансформатора или генератора в сетях 3-фазного тока или с глухо заземленным выводом источника 1-фазного тока.

Кондуктивный - термин (от conductor - проводник) - связанный с проводимостью материала (например, кондуктивная помеха наводится через проводник, соединяющий 2 цепи).

17.2. Цели заземления

Защитное заземление служит исключительно для защиты людей от поражения электрическим током и может не применяться только для оборудования с напряжением питания до 42В переменного или 110В постоянного тока, за исключением взрывоопасных зон. Наличие защитного заземления часто приводит к увеличению уровня помех в СА, но является совершенно необходимым. Исполнение сигнальной и силовой земли должно выполняться с учетом защитного заземление созданного в соответствии с ПУЭ.

Правила заземления для уменьшения помех от сети 50Гц в СА зависят от заземления сети: с глухозаземленной или с изолированной нейтралью. Заземление нейтрали трансформатора на подстанции выполняется с целью ограничения напряжения, которое может появиться на проводах сети 220/380 В относительно Земли при прямом ударе молнии или в результате случайного соприкосновения с линиями более высокого напряжения, или в результате пробоя изоляции токоведущих частей распределительной сети.

Электросети с изолированной нейтралью используются для исключения перерывов питания потребителя при единственном повреждении изоляции, поскольку при пробое изоляции на землю в сетях с глухозаземленной нейтралью срабатывает защита и питание сети прекращается. Кроме того, в цепях с изолированной нейтралью при пробое изоляции на землю отсутствует искра, которая неизбежна в сетях с глухозаземленной нейтралью. Это свойство очень важно при питании оборудования во взрывоопасной зоне. В нефтегазовой и химической промышленности США используется также заземление нейтрали через сопротивление, ограничивающее ток на землю в случае к.з.

Сигнальная земля служит для упрощения электрической цепи и удешевления систем и устройств автоматики. При использовании сигнальной земли в качестве общего провода для разных цепей появляется возможность применения одного общего источника питания для всей электрической цепи вместо нескольких плавающих источников. Электрические цепи без общего провода (без земли) всегда можно преобразовать в цепи с общим проводом и наоборот.

В зависимости от целей применения сигнальные земли делятся на базовые и экранные.

Базовая земля используется для отсчета потенциала и передачи сигнала в электронной цепи, для привязки потенциала изолированной части электрической цепи к земле СА. Например, если входные каскады модуля ввода сигналов термопар имеют гальваническую развязку от земли системы, то потенциал входов может быть как угодно большим вследствие заряда паразитной емкости между землей и входными каскадами. Во время грозы этот потенциал может составить тысячи вольт, что приведет к пробою гальванической изоляции модуля. Для предотвращения этого явления аналоговая земля входных каскадов (обычно обозначаемая AGND) должна быть соединена с землей системы, как это будет показано далее.

Экранная земля используется для заземления экранов кабелей, экранирующих перегородок, корпусов приборов и снятия статических зарядов с трущихся частей транспортерных лент, ремней электроприводов и т.п.

17.3. Защитное заземление зданий

В качестве защитных заземляющих проводников используют естественные и искусственные заземлители. К естественным заземлителям относятся, например, стальные и железобетонные каркасы производственных зданий; металлические конструкции производственного назначения; стальные трубы электропроводок; алюминиевые оболочки кабелей; металлические стационарные открыто проложенные трубопроводы всех назначений, за исключением трубопроводов горючих и взрывоопасных веществ, канализации и центрального отопления. Если их проводимость удовлетворяет требованиям к заземлению, то дополнительные проводники для заземления не используются.

Возможность использования железобетонного фундамента здания объясняется тем, что удельное сопротивление влажного бетона примерно равно удельному сопротивлению земли (150...300 Ом м)

Искусственные (специально изготовленные) заземлители используют, когда сопротивление заземления превышает установленные ПУЭ нормы. Конструктивно это трубы, уголки, пруты, помещенные в землю вертикально на глубину 3м или горизонтально на глубину не менее 50...70 см. Для улучшения равномерности распределения потенциала земли (для уменьшения шагового напряжения) используют несколько заземлителей, соединяя их стальной полосой. На электрических подстанциях используют сетку заземлителей. При соединении заземлителей между собой не рекомендуется образовывать замкнутый контур большой площади, поскольку он является «антенной», в которой может циркулировать большой ток во время разрядов молнии. Лучшие результаты получаются при соединении заземлителей в форме сетки, когда площадь каждого контура сетки много меньше общей площади, охватываемой заземлителями.

На практике, например, при использовании естественных заземлителей, избежать контуров при выполнении разводки шин заземления по зданию часто не удается: железобетонные конструкции промышленных зданий содержат металлические арматурные прутья, соединяемые между собой сваркой и система заземления здания является металлической клеткой, нижняя часть которой электрически соединена с грунтом. Монтажная организация обеспечивает надежный контакт между собой всех металлических конструкций здания и оформляет акты на скрытые работы. Заземляющий контакт для подключения оборудования в этом случае является болтом, приваренным к металлической закладной конструкции элемента колонны или фундамента здания.

При монтаже систем заземления следует избегать зазоров в контурах, на которых может магнитным полем молнии наводиться э.д.с., чтобы исключить появление искры и возможного возгорания горючих веществ в здании.

В зданиях для размещения оборудования систем связи систему проводников заземления выполняют в виде сетки, выполняющей одновременно функции заземления и э-м экрана здания. На электростанциях в помещениях с ПА стены и потолок экранируют стальными плитами, окна и отверстия для кондиционирования закрывают медной сеткой, пол выполняют из электропроводного пластика.

Следует обеспечить высокое качество контактов в цепи заземления (например, плохо затянутый болт в цепи заземления приводит к трудно идентифицируемым сбоям автоматики. В заземлении нельзя использовать контакты разнородных металлов, чтобы не образовывались гальванические пары, являющиеся местами быстрой коррозии. Медь со сталью можно соединять только через буферные металлы: нержавеющую сталь или бронзу, без оцинкованного крепежа.

При монтаже СА в уже построенном здании система заземляющих проводников, как правило, уже смонтирована и шина защитного заземления разведена по зданию.

17.4. Автономное заземление

К системе защитного заземления промышленного объекта могут быть подключены силовые установки, поставляющие большой ток помехи в провод заземления. Поэтому для точных измерений может потребоваться отдельная земля, выполненная по технологии искусственного заземления в грунт. Такое заземление соединено с общим заземлением здания только в одной точке для целей выравнивания потенциала между разными землями, что важно при ударе молнии.

Второй вариант автономной, чистой земли можно получить с помощью изолированного провода, который нигде не соединяется с металлическими конструкциями здания, но соединяется с основной клеммой заземления у ввода нейтрали питающего фидера в здание. Такое заземление делают из медной шины с поперечным сечением не менее 13 мм ².

17.5. Заземляющие проводники

Проводники, соединяющие оборудование с заземлителем, должны быть по возможности короткими, чтобы снизить их активное и индуктивное сопротивление. Для эффективного заземления на частотах более 1 МГц проводник должен быть короче 1/20, а лучше 1/50 длины волны самой высокочастотной гармоники в спектре помехи. При частоте помехи 10 МГц (длина волны 30 м) и длине проводника 7,5 м (1/4 от длины волны) модуль его полного сопротивления на частоте помехи равен бесконечности, т.е. такой проводник можно использовать в качестве изолятора на частоте помехи, но не для заземления.

При наличии фильтров в СА за максимальную частоту влияющей помехи можно принимать верхнюю граничную частоту фильтра.

Чтобы снизить падение напряжения на заземлителе, надо уменьшать его длину. Индуктивное сопротивление провода заземления на частоте помехи f равно X_L = 2πfLa, где L в типовых случаях равно примерно 0,8 мкГн/м (погонная индуктивность провода), a - длина провода.

Если провода заземления располагаются близко один от другого, то между ними передается помеха через взаимную индуктивность. Это особенно существенно на высоких частотах.

Заземляющий проводник не должен касаться других металлических предметов, поскольку такие случайные нестабильные контакты могут быть источником дополнительных помех.

17.6. Модель земли

Электрическая модель системы заземления, показана на рис.17.1. При составлении модели предполагалось, что система заземления состоит из заземляющих электродов, соединенных между собой сплошной шиной заземления, к которой приварена пластина (клемма) заземления. К клемме заземления подсоединяются, к примеру, 2 шины (проводника) заземления, к которым в разных местах подключается заземляемое оборудование.

Если шины заземления или заземляющие проводники проходят близко один от другого, то между ними существует магнитная связь с коэф-том взаимной индукции (рис. 17.1). Каждый участок проводника (шины) системы заземления имеет индуктивность и сопротивление, и в нем через э-м индукцию наводится э.д.с. помехи E_пом. На разных участках шины к ней подсоединено оборудование автоматики, поставляющее в нее ток помехи, вызванный указанными причинами, и ток цепей питания, возвращающийся к источнику питания по шине земли. На рис. 17.1 изображено также сопротивление между заземляющими электродами и ток помехи, протекающий по земле, например, при ударах молнии или при к.з. на землю мощного оборудования.

Рис. 17.1. Электрическая модель системы заземления

Если шина сигнального заземления используется одновременно для питания СА (чего следует избегать), то необходимо учитывать ее сопротивление. Сопротивление медного провода длиной 1 м и диаметром 1 мм составляет 0,022 Ом. В ПА при расположении датчиков на большой площади (например в элеваторе), длина заземляющего проводника может достигать 100 м и более и его сопротивление составит 2,2 Ом. При количестве СА, питаемых от одного источника, равном 20 и типовом токе потребления одного модуля 0.1А падение напряжения на сопротивлении заземляющего проводника составит 4.4 В.

При частоте помехи более 1 МГц возрастает роль индуктивного сопротивления цепи заземления, а также емкостной и индуктивной связи между участками цепей заземления. Провода заземления начинают излучать э-м волны и сами становятся источниками помех.

На высоких частотах проводник заземления или экран кабеля, проложенный параллельно полу или стене здания, образует совместно с заземленными металлическими конструкциями здания длинную линию с волновым сопротивление порядка 500...1000 Ом, к.з. на конце. Поэтому сопротивление проводника для высокочастотных помех определяется не только его индуктивностью, но и явлениями, связанными с интерференцией между падающей волной помехи и отраженной от заземленного конца провода

Зависимость модуля полного комплексного сопротивления между точкой подключения проводника к заземляемому оборудованию и ближайшей точкой железобетонной конструкции здания можно приблизительно описать закономерностью для 2-проводной воздушной линии передачи:

Z_BX ≈ R_В tg(2πL/λ), (17.1)

где R_B - волновое сопротивление, L - длина проводника заземления; λ - длина волны помехи; λ ≈ с/f, с - скорость света в вакууме (300 тыс. км/с); f - частота помехи.

График, построенный по приведенной закономерности для типового проводника заземления (экрана) диаметром 3 мм при расстоянии до ближайшего прута железобетонной арматуры здания 50 см (при этом волновое сопротивление составляет 630 Ом), приведен на рис.17.2. Видно, что когда длина проводника приближается к 1/4 длины волны помехи, его сопротивление резко возрастает.

Таким образом, шина земли является в общем случае «грязной землей», источником помех, имеет активное и индуктивное сопротивление. Она является эквипотенциальной только по защите от поражения электрическим током, но не по передаче сигнала. Поэтому если в контур, включающий источник и приемник сигнала, входит участок «грязной земли», то напряжение помехи будет складываться с напряжением источника сигнала и прикладываться ко входу приемника.

17.7. Виды заземлений

Одним из путей ослабления вредного влияния цепей заземления на СА является раздельное выполнение заземлений для устройств, имеющих разную чувствительность к помехам или являющихся источниками помех разной мощности. Этот позволяет выполнить их соединение с защитной землей в одной точке. При этом заземляющие проводники разных систем земель являются лучами звезды с центром в контакте с шиной защитного заземления здания. Благодаря такой топологии помехи грязной земли не протекают по проводникам чистой земли. Таким образом, несмотря на то что системы заземления разделены и имеют разные названия, в конечном счете все они соединены с Землей через систему защитного заземления. Исключение составляет только плавающая земля.

Силовое заземление. В СА могут использоваться э-м реле, микромощные серводвигатели, э-м клапаны и другие устройства, ток потребления которых существенно превышает ток потребления средств в-в и контроллеров. Цепи питания таких устройств выполняют отдельной парой свитых проводов (для уменьшения излучаемых помех), один из которых соединяется с шиной защитного заземления. Общий провод системы (обычно подключенный к отрицательному выводу источника питания) является силовой землей.

Аналоговая и цифровая земля. Системы ПА являются аналого-цифровыми. Поэтому одним из источников погрешностей аналоговой части является помеха, создаваемая цифровой частью системы. Для исключения прохождения помех через цепи заземления цифровую и аналоговую землю выполняют в виде несвязанных проводников, соединенных вместе только в одной общей точке. Для этого модули в-в и контроллеры имеют отдельные выводы аналоговой земли (AGND) и цифровой земли (DGND).

«Плавающая» земля. Образуется если общий провод небольшой части системы электрически не соединяется с шиной защитного заземления (т.е. с землей). Типовые примеры: батарейные измерительные приборы, системы автоматики автомобиля, самолета или космического корабля. Плавающая земля может быть получена и с помощью DC-DC или AC-DC-преобразователей, если вывод вторичного источника питания в них не заземлен. Это позволяет полностью исключить кондуктивные наводки через общий провод заземления. Кроме того, допустимое напряжение синфазного сигнала может достигать 300 В и более; практически 100%-ным становится подавление синфазного сигнала, снижается влияние емкостных помех. Однако на высоких частотах токи через емкость на землю существенно снижают последние 2 достоинства.

Если плавающая земля получена с помощью устройств гальванической развязки на оптронах и DC-DC преобразователях, то надо принять особые меры для предотвращения накопления заряда в емкости между землей и плавающей землей, которое может привести к пробою оптрона.

Пример образования плавающей земли показан на рис.17.3. Вывод AGND модуля ввода сигналов термопар не соединен с землей. Аналоговая часть модуля имеет эквивалентную емкость на землю, которая включает в себя емкость входных цепей на землю, емкость проводников печатной платы на землю, проходную емкость DC-DC-преобразователя и оптронов гальванической развязки. Величина этой емкости может составлять около 100 пФ и более. Поскольку воздух и другие диэлектрики, с которыми контактирует емкость, имеют не бесконечное электрическое сопротивление, то емкость может медленно, в течение минут или часов, зарядиться током утечки (рис.17.3) до потенциала электризованных тел, высоковольтных источников питания или потенциала, связанного с атмосферным электричеством.

Потенциал на плавающей земле может превысить напряжение пробоя изоляции оптронов и вывести систему из строя.

В качестве защитных мер рекомендуется соединить плавающую часть с землей через сопротивление от десятков кОм до единиц МОм. Второй способ - применение батарейного питания одновременно с передачей информации через оптический кабель.

Плавающая земля чаще всего используется в технике измерений малых сигналов и реже - в ПА.

17.8. Защита от помех. Экранирование и заземление

Техника заземления в СА существенно различается для гальванически связанных и развязанных цепей. Большинство методов, описанных в литературе, относится к гальванически связанным цепям, доля которых в последнее время существенно уменьшилась в связи с резким падением цен на изолирующие DC-DC преобразователи.