1、LNG储罐仪表系统防雷设计方法
雷电防护系统包括外部和内部雷电防护系统，其中外部雷电防护系统通常由接闪器、引下线和接地装置组成，用于防护直击雷；内部雷电防护系统通常由等电位连接系统、共用接地系统、屏蔽系统、合理布线、浪涌保护器等组成，主要用于减少和防止雷电流所产生的电磁效应。仪表系统雷电防护通过采用外部雷电防护和内部雷电防护措施进行综合防护。
LNG储罐一般设计为第二类防雷建筑物，在工程设计中，由电气专业负责LNG储罐的直击雷防护设计，设置避雷针、接闪带、接闪网、引下线及环形接地装置。LNG储罐上的现场仪表均在直击雷防护范围内。自控专业主要负责现场仪表的防雷设计、控制室仪表系统的防雷设计及电缆的屏蔽。
2、LNG储罐现场仪表的防雷设计
现场仪表的防雷设计主要包括仪表的接地及安装浪涌保护器。
①LNG储罐现场仪表的接地
现场仪表及接线箱的金属外壳应就近接地或与接地的金属体相连接。通过接地可以抑制雷电电磁脉冲的电磁感应和静电感应。LNG储罐所有金属结构全部采用等电位连接，钢框架、爬梯、栏杆等与接闪网直接连接。在现场仪表及接线箱的安装支架上设置接地螺栓，使用 6mm2接地线将仪表及接线箱的外壳与安装支架连接，金属支架的底板一般焊接在LNG储罐平台的钢结构上，从而实现了现场仪表的接地。针对安装在LNG储罐罐顶环形通道内的仪表，其安装支架通过膨胀螺栓固定在混凝土地面上，并且使用接地线将安装支架就近与平台钢结构或栏杆连接。
②浪涌保护器
浪涌保护器是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件。浪涌保护器并接在被保护设备的前端，在无浪涌出现时为高阻抗(即开路状态)，当出现浪涌时就在最短的时间内(纳秒级)迅速将雷电流泄放到地，从而保护了被保护设备。现场仪表浪涌保护器的形式包括装配式浪涌保护器、集成式浪涌保护器和通用式浪涌保护器3种。其中，集成式浪涌保护器由仪表厂家集成在仪表内部，性能和规格参差不齐，使用时应注意产品的技术规格是否满足设计要求。工程设计中一般选用装配式浪涌保护器及通用式浪涌保护器。
国家标准《液化天然气接收站工程设计规范》GB51156-2015中，要求液化天然气储罐罐顶仪表应设置浪涌保护器。行业标准《石油化工仪表系统防雷设计规范》SH/T3164-2012中，列出了需要在现场端设置浪涌保护器的仪表类型。根据现行规范要求，针对LNG储罐上变送器、阀门定位器、电磁阀、火焰检测器、可燃气体检测器等现场仪表应设置浪涌保护器。
根据现场仪表的安装方式、信号线制(两线制或三线制)、电气接口尺寸及电气接口数量，对应选择浪涌保护器的类型。针对有备用电气接口的仪表(如压力变送器等)，配置装配式并联浪涌保护器，将浪涌保护器安装在仪表的备用电气接口上，信号电缆通过单独的电气接口接入仪表内部；针对没有备用电气接口的仪表(如温度变送器等)，配置装配式串联浪涌保护器，将浪涌保护器安装在仪表的电气接口上，信号电缆通过与浪涌保护器共用的电气接口接入仪表内部。两种类型的装配式浪涌保护器接线示意图如图1和图2所示。
图1 装配式并联浪涌保护器接线示意图
图2 装配式串联浪涌保护器接线示意图
针对安装在接线箱内的仪表(如用于测量LNG储罐内部表面温度的分体式温度变送器)，配置通用式浪涌保护器，通过金属导轨与所保护的仪表安装在同一个接线箱内。接线箱内变送器的输出信号通过电缆接入浪涌保护器的输出端子，去控制室的信号电缆接入浪涌保护器的输入端子。通用式浪涌保护器的安装示意图如图3所示，接线箱中上方为浪涌保护器，下方为温度变送器模块。
图3 通用式浪涌保护器安装示意图
浪涌保护器的重要参数包括最大持续运行电压Uc、标称放电电流In、电压保护水平Up、响应时间等。结合规范要求及主流产品的技术参数，工程设计中针对24VDC供电的仪表，要求浪涌保护器应满足Uc≥36V、In(8/20μs)≥3kA、Up=60V、响应时间≤5ns。用于爆炸危险环境中本安仪表的装配式浪涌保护器，还应取得本质安全认证。
3、LNG储罐控制室仪表系统的防雷设计
控制室仪表系统的防雷设计主要包括机柜的接地及安装室内浪涌保护器。
①机柜的接地
LNG储罐仪表控制系统包括过程控制系统、安全仪表系统、火气检测系统及成套包控制系统(罐表系统、低压泵振动监测系统等)。控制系统机柜一般设置有系统柜、安全栅柜、继电器柜、端子柜、电源柜、网络柜等。针对装有浪涌保护器的机柜，在机柜内设置浪涌保护器汇流条、工作接地汇流条(LG)及保护接地汇流条(SG)，工作接地汇流条通过6mm2接地线与浪涌保护器汇流条相连接。浪涌保护器机柜内的接地原理图如图4所示。针对不安装浪涌保护器的机柜，在机柜内设置工作接地汇流条及保护接地汇流条。
图4 浪涌保护器机柜内的接地原理图
在控制室机柜间设置工作接地排、保护接地排、分组接地排、总接地排。总接地排通过接地总干线与控制室外的全厂接地网相连。针对安装浪涌保护器的机柜及与浪涌保护器机柜有线路联系的机柜，机柜内的接地汇流条均通过接地线就近与分组接地排连接，分组接地排再通过接地干线与总接地排连接。针对不安装浪涌保护器并且与浪涌保护器机柜没有线路联系的机柜，机柜内的工作接地汇流条、保护接地汇流条分别与工作接地排、保护接地排相连接，然后通过接地干线与总接地排连接。
②室内浪涌保护器
LNG 储罐接入控制系统的信号分类如下:
1)模拟量输入(AI)信号4-20mA信号，包括两线制及三线制信号；主要为温度/压力/液位/流量变送器、火焰检测器、可燃气体检测器等仪表输 入的信号。
2)模拟量输出(AO)信号4-20mA信号；主要为输出到I/P定位器、PST控制器的信号。
3)数字量输入(DI)信号包括NAMUR信号及无源接点信号；主要为阀位开关、手动按钮输入的信号及状态信号、报警信号、系统间互传信号等。
4)数字量输出(DO)信号包括本安电磁阀驱动信号、无源接点信号、24VDC输出信号；主要为输出到电磁阀(本安/隔爆)、声光报警器的信号及远程启停信号、联锁信号等。
5)通信信号包括MODBUS RUT及MODBUS TCP通信信号；主要为罐表系统、低压泵振动监测系统等成套包设备的信号。
针对现场的模拟量输入信号、模拟量输出信号、数字量输入信号、驱动本安电磁阀的数字量输出信号，应在控制系统侧配置浪涌保护器。针对现场数字量输出信号中的无源接点信号及24VDC输出信号，一般在控制系统侧配置继电器进行隔离，不再配置浪涌保护器。针对来自配电间、控制室的信号，如泵的远程启停信号、报警信号及成套设备的通信信号等，在控制系统侧通常不需配置浪涌保护器。
针对本安电路，浪涌保护器和安全栅一般安装在同一机柜内。可选择插接式浪涌保护器，将浪涌保护器直接安装在安全栅模块上，从而进一步节省机柜内空间。
4、电缆的屏蔽
电缆是控制回路中最长的部分，容易通过近场的耦合将雷电浪涌引入仪表及控制系统。电缆屏蔽是仪表系统防雷设计的一项基本措施，利用电缆内屏蔽层和电缆外屏蔽层构成了双层屏蔽。电缆内屏蔽层的单端接地可以抑制静电感应(即电容性耦合)，但抑制不了由于电磁感应(即电感性耦合)所产生的干扰。通过电缆外屏蔽层的两端或多端接地，可以有效抑制电感性耦合。
LNG储罐与控制室之间设置有铝合金槽式电缆桥架，电缆桥架与现场仪表或接线箱之间设置穿线钢管，穿线钢管之间通过铝合金穿线盒连接。室 外的仪表电缆全程穿钢管或在封闭桥架内敷设。LNG储罐项目工程设计中仪表电缆一般选用分屏加总屏的非铠装电缆，电缆内屏蔽层利用电缆的分屏蔽层，电缆外屏蔽层利用电缆敷设的桥架及穿线钢管。电缆内屏蔽层在控制室侧单端接地，电缆桥架及穿线钢管的两端应与接地的钢结构进行电气连接。
仪表系统防雷工程是一项系统工程，应采用综合防护的方法，由多专业配合完成。该文结合LNG储罐的工程设计经验，详细介绍了LNG储罐仪表系统的防雷设计工作，包括现场仪表的防雷设计、控制室仪表系统的防雷设计及电缆的屏蔽。仪表系统的雷电防护措施，应在工程设计阶段予以充分考虑，并体现在设计文件中，以保证在项目采办和施工阶段的有效实施，从而避免或减少仪表系统雷电事故的损害。
作者：海洋石油工程股份有限公司 吴鑫、张喜强、王乃民、黄洲
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