天然气场站仪表控制系统接地设计浅析

上海燃气工程设计研究有限公司 曹 佳

随着天然气行业的发展，越来越多天然气场站无需就地人工干预，依托自动化控制系统即可保障整个场站的正常运营，各远程监控站在调度控制中心的统一指挥下完成各自的工作。通过对现场数据的采集、存储和处理，站控系统可负责场站各部分之间的协调运行，指挥天然气场站的正常运行。

随着自控系统集成化及自动化的水平不断发展、工艺过程的日趋复杂，场站控制系统对雷击的敏感性也同步增长，雷击对天然气场站的影响小至元件读数的缺失，大到导致整个场站性能的降低甚至瘫痪。因此在场站的设计中，仪表控制系统的防雷和接地的重要性也日趋明显。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰，保证仪表控制系统的正常工作。

1 仪表控制系统接地常见问题分析

由于天然气场站仪表和设备多处于空旷区域，抗雷电电磁脉冲能力以及抗过电压能力较弱，因此对于其控制系统来说，需要采取一系列的保护手段，如接地、屏蔽处理以及安装必要的抗浪涌保护等，才能有效防止雷电事故的发生。在天然气场站设计中，一般采取独立式接闪杆及接地网对整个场站进行保护。室外工艺装置区设备的防雷接地保护往往是设计中的重点，而仪表部分的接地设计经常被忽略。常见的问题主要有：运行中现场仪表会受到直击雷或感应雷的冲击，导致仪表易被击穿，这类情况发生损坏的多为现场仪表和室内控制系统；施工时未做好电缆的屏蔽措施，遗漏部分设备的防浪涌保护，导致收集到的信号存在相互干扰；在施工时对仪表系统的接地不够清楚明了，存在系统做法上的疑问，接地系统存在混接及漏项。

解决上述问题需要从整个系统逐一排查，检查每个关键节点。首先需要明确工作接地、屏蔽接地、防静电接地等各种接地系统是否混合联接，造成信号的干扰，并且每一个接地系统是否按照规范规定施工到位；其次从现场仪表角度来分析，确认现场接线箱内在信号合并时是否按照模拟量、开关量等不同的信号类型将电缆分开；在接线时是否考虑信号电缆屏蔽层做好接地；同时确认仪表的现场端和接收端均设置浪涌保护模块对仪表进行保护。此外还需要确认机柜是否都正常做好接地保护、机柜间内是否整体接地，防浪涌信号是否设置正确等。

2 仪表控制系统接地系统的分类

接地系统主要分为保护接地和工作接地两种。在供电系统中，由于电气设备绝缘发生故障可能会造成不应该携带电荷的部分突然带电，或应该加载上低压电的部分突然加载上高压电等现象。为了杜绝出现上述现象而采取的保护措施称为电气设备的保护接地，即对在故障情况下可能呈现危险的对地电压设备的外露可导电部分进行接地。

工作接地是指在正常或故障情况下为了保证电气设备的可靠运行，而将电力系统中某一点接地。工作接地包括信号回路接地、屏蔽接地和本质安全接地等，具体的接地形式说明详见表1。

表1 工作接地类型表

3 仪表控制系统接地的常见做法

常见的天然气场站通常设置工艺区以及生活区，而仪表控制系统的布置主要体现为室外设置的现场仪表以及控制室内的控制系统。

3.1 仪表和线路接地保护

由于两个或以上的接地点就会存在地电点位差形成地回路，从而对仪表形成干扰，因此同一个信号回路、同一屏蔽层只设一个接地点。由于站内仪表常用的变送器等在现场端是不接地的，故其负端在计算机端子处接地。

除现场二次仪表外，其他如现场仪表桥架和穿线管等均应每隔30 m用接地线与已接地的金属构件相连。个别现场仪表、电缆接线盒的保护接地连接，可就近接至已接地的金属构件或金属管道。特别需要指出的是，现场接地绝不能利用储运可燃性介质的金属设备、管道以及与之相连的金属构件进行接地。

3.2 控制室内接地保护

控制室内的仪表自控设备、机柜、仪表盘等应单独分类设置保护接地、工作接地汇流排。各仪表设备的保护接地端子和信号及屏蔽接地端子通过各自的接地连线分别接至保护接地汇流排和工作接地汇流排。同样，各类接地汇流排经各自的接地分干线也需接至保护接地汇总板和工作接地汇总板。本质安全接地根据选用的安全栅形式来定，通常隔离式安全栅采用隔离保护技术，不需要专门接地；齐纳安全栅的接地汇流排通过接地导线及总接地板最终应与交流电源的中线起始端相连接。保护接地汇总板和工作接地汇总板各自经过接地干线接到总接地板，从而形成控制室接地的主要网络。

除此之外，控制室内的防静电地板应做静电接地。静电接地主要针对室内的防静电地面、活动地板、工作台等，并且静电接地应与保护接地合用接地系统。

4 仪表控制系统接地设计实例

4.1 项目概况

广州市第10.5代TFT-LCD显示器生产线项目配套 LNG气化站工程，该生产线厂房的建设是广州改革开放以来单笔投资最大的先进制造业项目，所以该配套气化站的建设也成为了投资建设的重要节点。该项目主要工艺流程为：LNG以槽车运至LNG站，在站内储存、气化、调压、计量、加臭后经输配管网向厂区供气。站内设有工艺生产区及辅助区。工艺生产区由低温储罐区、气化调压区及卸车区组成；辅助区是一座一层的站房，其中设有仪表控制室及配电间，本站的站控系统即位于站房的仪表控制室内。控制系统主要采集信号包括：压力、温度、阀门控制及反馈信号、流量信号、差压信号、液位信号、探测器泄漏报警信号等。信号采集电缆基本采用埋地敷设，在储罐区则沿金属线槽敷，进控制室后从防静电地板下方敷设至PLC机柜。PLC完成信号的集中控制和联锁逻辑，并且将重要信号传送至调度中心，实现多地、分级系统控制。

本项目站址位于广州市增城区，该地区属于雷电高发区，年平均雷暴日为 76.1d，属强雷区。经查询该地区气象资料，本项目站区容易受到直击雷和雷击电磁脉冲干扰。其中直击雷易对站内室外布置的工艺装置、仪表以及架空金属线缆等产生热效应，引起火花放电，从而造成设备损坏和人员安全隐患，雷击电磁脉冲产生的过电压和过电流易对设备造成损坏。

4.2 仪表控制系统接地设计思路

4.2.1 接地网设计

本项目仪表控制系统接地设计的第一步即是根据场站的总图布置，设计合理的站区接地网。由于本项目场站内的低压配电系统接地型式采用TN-S制，因此确定采用人工接地极及接地扁钢组成站区的接地网，并且工艺设备等与站区的接地网可靠相连。

4.2.2 设备接地

根据HG/T 20513－2014《仪表系统接地设计规范》的要求，本项目室外工艺装置区需接地的设备主要有压力变送器、温度变送器、可燃气体报警探测器及电动阀、接线箱以及现场的仪表桥架等，具体连接方法详见图1：

图1 现场接地系统示意

该现场接地系统中，电设备外壳接地线应设专用接地的螺栓或者接线柱，桥架需两端接地，桥架之间需用接地电缆连接，仪表及桥架接地后与就近的电气接地网等电位连接，配线电缆金属外皮两端、保护钢管两端均应接地。

4.2.3 控制室接地

控制内的接地设计主要包括DCS/PLC/EDS的机柜接地、操作站接地、以及防静电地板接地。考虑到项目实施方便，仪表工作接地最初拟采用串联连接方式，见图2，其中R1～R5为线路电阻。

图2 串联连接系统示意

在方案细化设计阶段发现，串联做法虽然在施工时较为简单方便，但是存在着一定隐患。由于本项目仪表及控制系统信号大多是 4～20 mA的信号，容易受到其他信号的干扰。当串联在一起的柜1受到信号干扰的时候，会产生干扰电流I，串联连接时柜1的基准电压Un=I×(R1+R2+R3+R4+R5)；而此时的柜3的基准电压Un=I×(R3+R4+R5)。可以看出柜1和柜3之间存在电压差，即采用串联的形式，会使受到干扰的柜子与其余的柜子之间的基准电压不一致。为消除此类干扰的影响，在最终确定设计方案时将工作接地方式调整为并联连接，见图3，R1、R2为线路电阻。

图3 并联连接系统示意

并联连接的具体做法为将仪表及控制系统工作接地的接地干线分别接到接地汇总板后，经单独的接地干线接到总接地板上，即使柜1发生信号干扰而产生干扰电流时，各个柜子的基准电压均为Un=I×(R1+R2)，可以保证各个柜子的基准电压一致。

综合以上分析，考虑到参考电压的不一致这对于同一个接地系统是不可取的，对于4～20 mA的信号，微小的干扰都会影响到控制和数据采集的巨大偏差，所以最终本项目建筑物内的DCS/PLC/EDS的机柜和操作站以及防静电地板接地设计详见图4：

图4 控制室接地系统示意

同时，为防止不同接地点之间形成电位差，控制室接地设计遵循保护接地和工作接地隔离设置，其中仪表柜内信号接地与保护接地均独立设置，机柜内信号接地汇流排、保护接地汇流排安装在机柜室活动地板下，建筑物内总接地板联结，最终与工厂接地网相连。

4.3 场站接地网的设计要点

为利于雷电流的散流和内部点位的均衡，场站接地网的布置采用环网型。接地网在布置时与设备以及工艺管道均保持3 m的水平间距。接地极采用L50×5，L=2 500的热镀锌角钢，接地网连接线选用－40×4热镀锌扁钢，埋深0.8 m。接地极间隔有5 m，并优先设置于工艺装置区等露天易受雷击的工艺设备附近。

工艺装置区设备之间布置较为紧凑，这对于接地网的设计是一个难点。考虑到施工上的便捷以及接地的安全性，本项目的接地网以及接地极敷设于绿化带下，避开进出站易受到重车挤压的道路以及人员进出的大门。同时考虑到今后站内扩容改造的需求，项目的接地网布置尽量紧凑，为今后管道的延伸或设备的增加预留备用的场地。

在确定接地方案时，本项目业主对控制系统的安全性非常重视，提出要为仪表系统单独设置一套接地体。对于单独接地的控制系统，其接地网和电气接地网需离开5 m的距离，经与总图设计沟通，布置单独接地体的难度非常大。

通过对现场环境的实测及场站功能的分析，本项目所在地的土壤电阻率达到相关规范要求，场站周边也不存在严重的电磁干扰，并且所采用的仪表对噪声敏感并无特别要求，所有仪表与电力系统接地网位置较近，因此可不设单独接地体，而是与电力系统共用接地体，一方面较为经济合理，另一方面解决了用地的困扰。

4.4 主要设备材料的选择

4.4.1 电缆

为了防止雷击电磁脉冲干扰，本项目所有仪表线缆均选用屏蔽电缆，并要求在施工时确保屏蔽层一端接地，而对于选用的铠装电缆的金属铠不用作屏蔽保护接地。现场用于信号收集合并接线箱内的端子两侧的电缆屏蔽线应在箱内进行跨接。

4.4.2 接地线

本项目接地系统的导线多采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆，用绿/黄色标记，并且在截面选择应根据接地类型来选择，详见表2：

表2 接地线选择表

4.4.3 现场仪表

对于所在地这种容易遭受雷击的区域的项目，参照石油化工防雷规范的要求，现场仪表选择带防雷击有浪涌保护的二线制变送器，既对现场仪表进行保护，又省去了后期加装的工序。

4.4.4 控制柜

GA 267－2000《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》第8.4条要求：凡设在年平均雷电日大于5的地区的计算机信息系统，原则上均应装设防雷保护器，以防止雷电电磁脉冲过电压和过电流侵入计算机系统设备。因此在柜内检测仪表信号传输接口的所有I/O点、通信接口、供电接口等关键部位都应该设置浪涌保护器。浪涌保护器选择第II级SPD，波形为8/20 μs，采用与信号一对一的方式。

4.5 接地系统的验收和维护

项目接地系统安装完成后，需对接地系统工程进行运行验收。根据 GB 50169－2016《电气装置安装工程 接地装置施工及验收规范》中的要求，需对接地网外露部分的连接、接地线规格、防腐层、接地标志等内容进行检查并做好测试记录，确保场站接地部分工程符合设计规定。

对于仪表系统的接地而言，接地系统的完整性及完好性需要定期检查和维护。接地装置运行过程中，接地线和接地体会因外力破坏或腐蚀造成损伤或断裂，接地电阻也会随着土壤变化发生变化，因此必须对接地装置定期进行检查。一般3～5 y对地面下接地体检查一次；接地装置的接地电阻一般1～3 y测量一次。各种防雷装置的接地装置每年在雷雨季前检查一次，对有腐蚀型土壤的接地装置。在电气设备检修后，应检查接地线连接情况，是否牢固可靠。

5 结语

通过对天然气场站经常遇到的问题反馈及资料分析来看，雷击造成仪表损坏以及控制系统失灵的事故时有发生。究其原因除了线缆、仪表的选型规格不符合规定外，更多是在防雷接地方面的施工存在不足。因此，天然气场站仪表控制系统在工程设计、安装施工和运行维护时都需要全面考虑接地系统的完整性。除了做好保护接地、工作接地等接地系统，还需要根据规范要求，做好各类抗雷击抗干扰的保护措施，方能保证天然气场站中控制系统正常运行。