Zusammenfassung: Eine zuverlässige Erdung eines DCS-Systems ist die Grundvoraussetzung für den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Kraftwerks-DCS. Basierend auf meiner Erfahrung in der Systemplanung und im Feldbetrieb mehrerer Kraftwerke erörtere und stelle ich die Erdung von DCS-Systemen kurz vor. Einleitung: Mit der rasanten Entwicklung der Energiewirtschaft und der Verbesserung der thermischen Automatisierung haben sich verteilte Steuerungssysteme (DCS) in Kraftwerken in ganz China weit verbreitet. Sie spielen eine entscheidende Rolle für den sicheren, wirtschaftlichen und effizienten Betrieb von Kraftwerken und erzielen hervorragende Ergebnisse. Eine angemessene und zuverlässige Erdung des DCS-Systems ist dabei von zentraler Bedeutung. Um die Genauigkeit der Überwachung und Steuerung sowie den sicheren und zuverlässigen Betrieb des DCS-Systems zu gewährleisten, müssen Aspekte wie Systemerdungsmethoden, Erdungsanforderungen, Signalabschirmung, Auswahl des Erdungsleiterquerschnitts, Auslegung der Erdungselektrode und Anordnung des Erdungskastens sorgfältig geplant und umfassend berücksichtigt werden. Dieser Artikel erörtert und stellt die Erdung von DCS-Systemen anhand der Auslegungsspezifikationen kurz vor und dient als Referenz für alle, die mit der Planung, Installation und Wartung von DCS-Systemen befasst sind. 1. Grundlegende Anforderungen an die Erdung von DCS-Systemen: Die Erdung von DCS-Systemen gewährleistet, dass bei Problemen mit den Signalen, der Stromversorgung oder den DCS-Systemkomponenten selbst ein effektives Erdungssystem Überlastströme aufnehmen und diese schnell gegen Erde ableiten kann. Das Erdungssystem bildet eine Abschirmung für das DCS, eliminiert elektronische Störungen und stellt einen gemeinsamen Signalbezugspunkt (d. h. Nullpunktpotential) für das gesamte Steuerungssystem bereit. Probleme im Erdungssystem (z. B. zu hoher Erdungswiderstand, mehrere Erdungspunkte, gebrochene Erdungsleitungen oder Kontakt von Erdungsleitungen mit Hochspannungs- und Hochstromgeräten) können zu Stromschlägen und Sachschäden führen. Es ist bekannt, dass DCS-Systeme in Kraftwerken häufig ausfallen (auch aus unbekannten Gründen), meist aufgrund mangelhafter oder fehlerhafter Erdungssysteme. Daher ist eine vollständige, zuverlässige und korrekte Erdung entscheidend für den sicheren, zuverlässigen und effizienten Betrieb eines DCS-Systems. 1.1 DCS-Erdungsklassifizierung Unter normalen Umständen benötigen DCS-Steuerungssysteme zwei Arten von Erdung: Schutzerde und Betriebserde (Logikerde, Schirmungserde usw.). Bei Systemen mit explosionsgeschützten Sicherheitsbarrieren, wie sie beispielsweise in der chemischen Industrie eingesetzt werden, ist zusätzlich eine eigensichere Erdung erforderlich. 1.1.1 Schutzerde (CG, Schaltschrankerdung): Dies ist eine Schutzmaßnahme, die die Ansammlung statischer Ladung am Gerätegehäuse und damit verbundene Verletzungen verhindert. Alle Bedienschränke, Feldsteuerstationen, Drucker, Terminalschränke usw. im DCS-System müssen an die Schutzerde angeschlossen sein. Die Schutzerde muss mit dem elektrischen Erdungsnetz der Anlage verbunden sein, und der Erdungswiderstand muss unter 4 Ω liegen. 1.1.2 Logikmasse: Auch Maschinenmasse oder Host-Masse genannt, ist sie die gemeinsame Masse für die Minusanschlüsse der internen Logikpegel des Computers und gleichzeitig die Ausgangsmasse für +5 V usw. Beispielsweise für die Minusanschlüsse der ±5-V- und ±12-V-Versorgung der CPU. Sie muss mit einer gemeinsamen Erdungselektrode verbunden werden. 1.1.3 Schirmungsmasse (AG, Analoge Erdung): Auch analoge Erdung genannt, schirmt sie gegen Störungen ab, die bei der Feldsignalübertragung auftreten können, und verbessert so die Signalgenauigkeit. Die Schirmung der Signalkabel im DCS-System muss geschirmt und geerdet sein. Die Kabelschirmung muss an einem Ende geerdet sein, um die Bildung von geschlossenen Schleifenstörungen zu verhindern. Die Metallarmierung von armierten Kabeln darf nicht als Schirmungsmasse verwendet werden; sie muss mit Kupferdrahtgewebe oder aluminiumbeschichteter Abschirmung geerdet werden. Sie muss mit einer gemeinsamen Erdungselektrode verbunden werden. 1.1.4 Das eigensichere Erdungssystem muss separat mit einem Erdungswiderstand von ≤ 4 Ω eingerichtet werden. Das eigensichere Erdungssystem muss unabhängig sein und einen Abstand von mehr als 5 m zum elektrischen Erdungsnetz der Anlage oder anderen Erdungsnetzen von Instrumentensystemen aufweisen. 1.2 Erdungsmethoden für DCS-Systeme Allgemeine Erdungsmethoden für DCS-Systeme 1.2.1 Nutzung des elektrischen Erdungsnetzes als DCS-Erdungsnetz, d. h. gemeinsame Nutzung der Erdung mit dem elektrischen Erdungsnetz; 1.2.2 Einrichtung eines dedizierten und unabhängigen Erdungsnetzes für das DCS-System; 1.2.3 Einrichtung eines dedizierten DCS-Erdungsnetzes, das über Erdungsleitungen mit dem elektrischen Erdungsnetz verbunden ist; Da die dritte Erdungsmethode viele Ähnlichkeiten mit der zweiten aufweist, wurden dedizierte Erdungsnetze früher häufig für Computer- oder DCS-Systeme verwendet. Diese Erdungsmethode weist jedoch folgende Nachteile auf: Sie benötigt viel Fläche, hohe Investitionskosten, verbraucht viel Stahl für Kabel und Erdungsnetze, ist relativ weit vom Kraftwerk entfernt (da es schwierig ist, innerhalb des Kraftwerks einen geeigneten Standort zu finden) und erschwert die Verwaltung, Wartung, Messung und Lokalisierung von Erdungselektroden und -leitungen. Zudem ist die Wirkung nicht optimal. In der Praxis erweist sich die Einrichtung eines separaten Erdungsnetzes für das DCS-System als schwierig und unsicher. Beispielsweise kam es in einem Kraftwerk aufgrund von Erdungsproblemen zu Dutzenden von Anlagenausfällen. Untersuchungen zufolge stellten viele Kraftwerke ihre DCS-Systeme daraufhin auf elektrische Erdungsnetze um und erzielten damit gute Ergebnisse. 1.3 Anforderungen an die gemeinsame Erdungselektrode (das gemeinsame Erdungsnetz) 1.3.1 Wenn der verteilte Erdungswiderstand des elektrischen Erdungsnetzes des Kraftwerks ≤ 4 Ω beträgt, kann dieses als gemeinsame Erdungselektrode (das gemeinsame Erdungsnetz) des DCS-Systems verwendet werden. 1.3.2 Bei hohem oder unregelmäßigem Erdungswiderstand des elektrischen Erdungsnetzes der Anlage ist ein unabhängiges Erdungssystem einzurichten, das als gemeinsame Erdungselektrode (Netz) des DCS-Systems dient. 1.3.3 Der verteilte Erdungswiderstand der gemeinsamen Erdungselektrode (des gemeinsamen Erdungsnetzes) ohne eigensichere Erdung muss unter 4 Ohm liegen; mit eigensicherer Erdung muss er unter 1 Ohm liegen. Die Leitungsimpedanz der Haupterdungsleitung muss unter 0,1 Ohm liegen. 1.3.4 Innerhalb von 15 Metern um die Erdungselektrode dürfen sich keine Blitzschutz-Erdungsanschlüsse befinden, und innerhalb von 8 Metern dürfen sich keine Anschlusspunkte für das Gehäuse von Hoch- oder Niederspannungs-Elektrogeräten über 30 kW befinden. Wenn die Standortbedingungen dies nicht zulassen, wird die Blitzschutzerdung über einen Überspannungsableiter/Überspannungsschutz mit der Hauptleitung der gemeinsamen Erdungselektrode verbunden. Schweißerdung darf nicht mit der gemeinsamen Erdungselektrode und ihrem Erdungsnetz verbunden werden. Die beiden sollten mindestens 10 Meter voneinander entfernt sein. 2. Erdungsprinzipien von DCS-Systemen 2.1 Erdungsvorrichtungen für DCS-Systeme 2.2.1 Bedienfelder, Druckertische, Serverschränke: Ausgestattet mit Schutzerdungsschrauben. 2.2.2 Relaisschränke, USV-Schränke, Verteilerschränke: Ausgestattet mit Schutzerdungsschrauben. 2.2.3 DCS-E/A-Schränke: Ausgestattet mit geschirmten Erdungsschienen und Schutzerdungsschrauben. Die Systemerdung (+24 V) ist potentialfrei. 2.2.4 Instrumentenschränke, manuelle Bedienfelder: Ausgestattet mit geschirmten Erdungsschienen und Schutzerdungsschrauben. 2.2.5 Sicherheitsschranken: Ausgestattet mit geschirmten Erdungsschienen, eigensicheren Erdungsschienen und Schutzerdungsschrauben. 2.2 Signalabschirmung und -erdung 2.2.1 Gemäß den einschlägigen technischen Vorschriften darf die Schirmung von Computer- oder DCS-Systemsignalkabeln nicht potentialfrei sein und muss geerdet sein. Die Erdungsmethode muss den folgenden Vorschriften entsprechen: 2.2.1.1 Bei potentialfreier Signalquelle muss die Schirmung computerseitig geerdet werden. 2.2.1.2 Bei geerdeter Signalquelle muss die Schirmung signalquellenseitig geerdet werden. 2.2.1.3 Bei potentialfreiem Verstärker muss ein Ende der Schirmung mit der Schirmabdeckung und das andere Ende vorzugsweise mit der Gleichtaktmasse verbunden werden (bei geerdeter Signalquelle mit der Signalmasse, bei potentialfreier Signalquelle mit der Feldmasse). 2.2.1.4 Beim Bruch oder Zusammenführen eines geschirmten Kabels in einer Anschlussdose müssen die Schirmungen beider Kabelenden innerhalb der Anschlussdose verbunden werden. 2.2.2 Die Auswahl und Verlegung der Signalkabel des DCS-Systems muss den geltenden Vorschriften entsprechen. Die Schirmung des geschirmten Kabels muss gemäß den oben genannten Anforderungen geerdet werden. Zur Verbesserung der Störfestigkeit des DCS-Systems eignen sich flammhemmende, verdrillte, kupfergeschirmte Computerkabel für die digitalen Ein-/Ausgangssignale. 3. Erdungsmethoden für DCS-Systeme 3.1 Erdungsmethoden für zentral angeordnete DCS-Geräte 3.2 Erdungsmethoden für verteilte DCS-Geräte Die Verbindungen zwischen den Geräten in einem verteilten DCS-System erfolgen in der Regel über Netzwerkleitungen (Kommunikationsleitungen). Beispielsweise sind Feldleitstellen über das gesamte Feld verteilt, während sich die Bedienerstationen in verschiedenen Leitwarten befinden. Der Verteilungsdurchmesser beträgt 500 Meter. Für die Verbindung zwischen den Stationen werden Multimode-Glasfaserkabel, verdrillte Kabel der Kategorie 5 oder DP-geschirmte verdrillte Kabel verwendet. 3.2.1 Stationen mit Glasfaserverbindungen: Die Erdungsmethode innerhalb jeder Station entspricht derjenigen für zentral angeordnete DCS-Geräte. 3.2.2 Stationen mit verdrillten Adernpaaren der Kategorie 5 oder DP-geschirmten verdrillten Adernpaaren: 3.2.2.1 Alle Erdungsleitungen im Kontrollraum werden zunächst an eine gemeinsame Anschlussplatine angeschlossen, die dann über eine Haupterdungsleitung mit einer gemeinsamen Erdungselektrode verbunden ist. Vom gemeinsamen Erdungspunkt aus betrachtet, bildet das gesamte Erdungsnetz eine Sterntopologie. 3.2.2.2 Verwenden Sie verdrillte Adernpaare der Kategorie 5 oder DP-geschirmte verdrillte Adernpaare, um beide Enden über Überspannungsschutzgeräte (Signalüberspannungsableiter mit einer Strombelastbarkeit von mindestens 5 kA) mit dem DCS-Switch, Hub, Repeater oder anderen Netzwerkgeräten zu verbinden. Jeder Standort verfügt über eine eigene gemeinsame Erdungselektrode; eine Metallverbindung zwischen den beiden ist nicht erforderlich. Die Erdungsmethode für jeden Standort ist dieselbe wie für zentral angeordnete DCS-Geräte. Verdrillte Adernpaare der Kategorie 5 oder DP-geschirmte verdrillte Adernpaare müssen in verzinkten Stahlrohren oder Metallkabelrinnen verlegt werden, und die Rohre oder Rinnen müssen zuverlässig geerdet sein. Wenn Blitzeinschläge oder elektrische Unfälle eine zu hohe Potenzialdifferenz zwischen den beiden Seiten verursachen, können Überspannungsableiter die Geräte auf beiden Seiten schützen. 3.3 Installation der Erdung von DCS-Geräten 3.3.1 Erdungselektrode: Ein gut leitender Draht, der in den Boden getrieben wird. Der Strom von der Haupterdungsleitung wird über die Erdungselektrode in die Erde abgeleitet. Die Erdungselektrode wird mit der Haupterdungsleitung verlötet und nach dem Schweißen korrosionsgeschützt. Mehrere Erdungselektroden können über die Erdungsnetz-Hauptleitung zu einem Netzwerk verbunden werden. Das Erdungsnetz muss die Anforderungen an den Erdungswiderstand des DCS-Systems erfüllen. Beim Überlappenschweißen der Erdungsnetz-Hauptleitung und der Erdungselektrode muss die Überlappungslänge dem Doppelten der Breite des Flachstahls bzw. dem Sechsfachen des Durchmessers des Rundstahls entsprechen. Abbildung 3-2 zeigt ein typisches Installationsschema für mehrere Erdungselektroden. 3.4 Methoden zur Reduzierung des Bodenwiderstands bei der Erdung von DCS-Systemen 3.4.1 Die Bodenstruktur um die Erdungselektrode herum verändern. Im Umkreis von 2–3 m um die Erdungselektrode wird ein wasserunlösliches Material mit guter Wasseraufnahmefähigkeit, wie z. B. Holzkohle, Koks, Kohlenasche oder Schlacke, eingemischt. Dadurch kann der spezifische Bodenwiderstand auf 1/5 bis 1/10 des ursprünglichen Wertes reduziert werden. 3.4.2 Reduzierung des spezifischen Bodenwiderstands mit Salz und Holzkohle. Salz und Holzkohle werden schichtweise aufgetragen und verdichtet. Holzkohle und feines Pulver werden gleichmäßig zu einer etwa 10–15 cm dicken Schicht vermischt. Anschließend werden 2–3 cm Salz hinzugefügt. Insgesamt werden 5–8 Schichten aufgetragen. Nach dem Auftragen wird die Erdungselektrode eingeschlagen. Dadurch kann der spezifische Bodenwiderstand auf 1/3 bis 1/5 des ursprünglichen Wertes reduziert werden. Das Salz wird jedoch mit der Zeit durch Wasser ausgewaschen und muss in der Regel alle zwei Jahre erneuert werden. 3.4.3 Verwendung von langwirksamen chemischen Widerstandsreduzierern. Durch die Verwendung von langwirksamen chemischen Widerstandsreduzierern kann der spezifische Bodenwiderstand auf 40 % des ursprünglichen Wertes reduziert werden. 3.5 Erdungsmaterialien und -anforderungen für das DCS-System 3.5.1 Materialanforderungen für Erdungselektroden und Erdungsleitungen Die Stahlspezifikationen für Erdungselektroden und Erdungsleitungen können gemäß der untenstehenden Tabelle ausgewählt werden. Falls der Erdungswiderstand die Anforderungen nicht erfüllt, können auch Kupfermaterialien verwendet werden. Bei Installation der Erdungselektrode und der Erdungsleitung in stark korrosiven Umgebungen sind je nach Art der Korrosion Korrosionsschutzmaßnahmen wie Feuerverzinken oder Feuerverzinnen durchzuführen oder der Querschnitt entsprechend zu vergrößern. 3.5.2 Anforderungen an die Erdungsanschlüsse Die Schutzerdung und die Schirmungserdung des DCS-Systems müssen mit Kupferkern-isolierten Drähten oder Kabeln erfolgen, die an das anlageneigene elektrische Erdungsnetz oder die Erdungselektrode angeschlossen sind. Die Tabelle listet die Spezifikationen verschiedener Erdungskabeltypen auf. Bei großen Erdungsabständen, hohen Anforderungen des DCS-Systems an den Erdungswiderstand oder einer hohen Anzahl von Abzweigungen der Erdungshauptleitung empfiehlt sich die Verwendung von Drähten und Kabeln mit größeren Querschnitten (siehe Tabelle). 4. Allgemeine Erdungsvorkehrungen 4.1 Feldsteuerstation: Aufgrund der Isolierung durch das Gummi zwischen Gehäuse und Sockel sowie der Isolierung zwischen Schirmsammelschiene und Sockel muss die Feldsteuerstation vorschriftsmäßig geerdet werden. Dies bedeutet, dass sie separat an die Erdungssammelschiene der Feldsteuerstation angeschlossen werden muss. Die Erdung des E/A-Schranks und die Erdung der USV müssen auf derselben Erdung liegen, um Potenzialausgleich zu gewährleisten. 4.2 Feldsteuerstation: Bedienerstationen, Technikerstationen, Netzwerk-Switches, Server, Systemmonitore usw. sollten entweder über eine Gehäuseerdung geerdet oder direkt mit dem Erdungsdraht des Stromnetzes verbunden werden. 4.3 E/A-Module: Der Minuspol des Analogmoduls (40 V, DC 24 V) ist mit der Logik-Masseschiene zu verbinden. Diese ist wiederum mit der Schirmungsmasse und anschließend mit der Haupt-Masseschiene zu verbinden. 4.4 Die Schutzerdung der Feldsteuerstation ist von der Erdungsschraube an der Unterseite des Schaltschranks mit der Erdungsabzweigleitung zu verbinden. Die Schirmungsmasse der Feldsteuerstation ist von der Erdungsschiene mit der gemeinsamen Anschlussplatine zu verbinden. 4.5 Der Widerstand des Erdungssystems muss geprüft werden, um sicherzustellen, dass die Erdung den Anforderungen des Herstellers des Steuerungssystems entspricht. Autorenbiografie: Name: Liu Dong Geburtsdatum: 3. September 1977 Geburtsort: Kreis Zhangbei, Stadt Zhangjiakou, Provinz Hebei Arbeitgeber: Beijing Hollysys Systems Engineering Co., Ltd. Kontaktinformationen: Tel.: 010-82922200 Durchwahl 1643 Mobil: 13911854465 Fax: 010-82923980 Adresse: Nr. 10, Xisanqi Jiancaicheng Middle Road, Haidian District, Beijing 100096, China E-Mail: [email protected] [email protected] Arbeitgeber des Autors: Beijing Hollysys Systems Engineering Co., Ltd. Adresse: Nr. 10, Xisanqi Jiancaicheng Middle Road, Haidian District, Beijing 100096, China E-Mail: [email protected]