企業(yè)電伴熱帶安全性分析及改進建議

李紅星

中國石油吐哈油田分公司工程監(jiān)督中心 （新疆 鄯善 838202）

近些年，電伴熱帶在油田得到了大量的應(yīng)用，如管道、泵體、閥門使用電伴熱帶進行保溫，可起到防凍和防凝作用，但它的應(yīng)用也存在一些不安全因素。

1 影響電伴熱帶運行的不安全因素

1.1 電伴熱帶接地裝置不完整，保護裝置不動作，影響安全運行

電伴熱帶不規(guī)范使用，會造成設(shè)備損傷、電氣短路、發(fā)生火災(zāi)、系統(tǒng)停電等事故，主要原因是不能及時切斷故障電源?，F(xiàn)電源大部分是TN-C系統(tǒng)，如果接地裝置不完整（圖1，負荷2），很難保證開關(guān)能及時切除故障電源。

1.1.1 接地現(xiàn)狀

某油田接地裝置近20年的運行，局部出現(xiàn)鍍鋅扁鐵截面明顯減小，甚至斷裂。主要原因是當?shù)貧夂蚋稍?，夏季氣溫高，雨水、地下水蒸發(fā)快，淺表層積聚了大量的鹽漬土。在潮濕環(huán)境下這種土電阻率低，對金屬腐蝕性強。按照碳鋼腐蝕率0.2mm/a計算[1]，經(jīng)過20年，40mm×4mm埋地扁鐵，很可能消耗殆盡。通過埋地接地裝置開挖情況來看,嚴重區(qū)域接地扁鐵95%已經(jīng)被腐蝕。當?shù)貙I(yè)檢測部門提供的接地阻值是合格的,但其機械強度和熱穩(wěn)定性有待進一步驗證。

圖1 TN-S系統(tǒng)中電伴熱帶保護接零、重復(fù)接地示意圖

1.1.2 危害分析

如圖1，負荷2未采用漏電保護，僅具有過載、短路保護功能，且接地裝置不完整，未設(shè)置保護零線（PE 線）。

由于斷路器短路脫扣電流一般都在額定工作電流的5倍以上，雖過載保護具有反時限特性，其脫扣電流也在額定電流的1.05倍以上。一般負荷2漏電電流不足以讓斷路器脫扣。因此，不設(shè)置保護零線、未設(shè)置漏電保護裝置、重復(fù)接地電阻達不到規(guī)定要求，當電伴熱帶漏電時，普通斷路器不能及時切斷電源，系統(tǒng)正常不帶電的導(dǎo)電部分長期帶電，可能造成人體觸電、電弧損傷設(shè)備、火災(zāi)等事故。

1.2 電伴熱帶設(shè)計、安裝、驗收、維護保養(yǎng)、日常檢查不到位，留下安全隱患

例如，2009年12月4日，某油田天然氣管線流量計引壓管折彎處，電伴熱帶因安裝不規(guī)范，漏電造成引壓管破損，天然氣泄漏發(fā)生著火事故 （簡稱“12.4”著火事故）。事故直接原因：電伴熱帶絕緣層損傷，帶電線芯與金屬引壓管接觸放電，高溫電弧造成引壓管破損，導(dǎo)致天然氣泄漏著火。事故間接原因：①電伴熱帶未接地，且未設(shè)置漏電保護器；②保溫作業(yè)造成電伴熱帶絕緣損傷；③未按要求在電伴熱帶保溫前后進行絕緣測試；④維護保養(yǎng)不到位，未定期進行絕緣測試和檢查。

2 電伴熱帶安全運行措施

2.1 把好設(shè)計、施工、驗收、維護、檢查關(guān)

首先，保證使用符合標準的電伴熱帶，并滿足油氣場所防火防爆要求。施工應(yīng)在其他工序結(jié)束后進行，以免損傷伴熱帶。施工過程中，要嚴格按照相關(guān)規(guī)范進行施工，如一般要求每個開關(guān)控制電伴熱帶總長度小于100m[2]；纏繞電熱帶時應(yīng)避開介質(zhì)易泄漏的法蘭正下方；接線時，必須將電伴熱帶編織網(wǎng)連接起來，并保證可靠接地[3]；使用尾端盒，防止尾端芯線短路。電熱帶敷設(shè)完畢，保溫防水作業(yè)結(jié)束前后，均應(yīng)對伴熱系統(tǒng)進行檢查和測試[1]。電伴熱帶日常維護要注意：管道掃線時應(yīng)關(guān)閉電伴熱帶。每年重新開啟電伴熱帶系統(tǒng)前，要進行例行電氣檢查，以便及早發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。

2.2 重復(fù)接地、設(shè)置保護零線、安裝漏電保護器

設(shè)置重復(fù)接地，可以讓接觸帶電體的人與大地形成等電位，消除接觸電壓，避免觸電事故。

所以，重復(fù)接地能避免人員觸電事故發(fā)生，而設(shè)置了PE線，在接地電阻不滿足4Ω的情況下，它將故障電流足夠大地反饋給短路、過載、漏電保護裝置，及時切斷故障電源[3]。

3 建議方案

鑒于目前電伴熱帶運行實際情況和對其存在問題的危害因素分析，建議在電源側(cè)加裝“1：1”隔離變壓器。

3.1 隔離變壓器

3.1.1 “1:1隔離變壓器”的含義

所謂1:1隔離變壓器，就是指變比如式（1）的變壓器：

由法拉第電磁感應(yīng)定律得：

其中N1、N2為線圈匝數(shù)，dΦ 磁通量變化量，dt為變化時間。

將（2）、（3）代入（1）式，得：

即輸出電壓相同、一次側(cè)匝數(shù)和二次側(cè)匝數(shù)比相同的變壓器（圖2）。

3.1.2 隔離原理

隔離變壓器就是在電氣上進行隔離的變壓器。實質(zhì)上是將接地的電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為范圍很小的不接地電網(wǎng)。圖3（2）是電氣隔離的原理圖。

3.2 隔離變壓器安全性分析

3.2.1 隔離變壓器有效防止人體觸電

隔離變壓器系統(tǒng)因降低了接觸電壓和電網(wǎng)對地漏電流，有效控制對心臟的直接漏電流，故人身觸電危險被降到最小程度。

當用電設(shè)備對人體心臟直接漏電大于10uA時，會造成微電擊事故。而在一般場所采用的漏電保護器，其動作響應(yīng)值是mA級，如：15mA、30mA。

圖2 1:1隔離變壓器

圖3 普通供電方式和改造后供電方式對比圖

2種供電方式危害性分析：如圖3，假設(shè)a、b2人分別接觸帶電導(dǎo)線，a、b 2人人體電阻R1=R3=2 000Ω，接地電阻R2=4Ω（R2為工作接地與重復(fù)接地并聯(lián)電阻），隔離變壓器輸入電壓U1=220V，輸出電壓U2=220V。

（1）220V市電危害分析。如圖3的普通供電方式：正常情況下，由于N線(或PEN線)在電源處直接接地，使流經(jīng)a的電流沿系統(tǒng)的工作接地和重復(fù)接地構(gòu)成回路。

3.2.2 隔離變壓器提高了供電可靠性

隔離變壓器系統(tǒng)在電網(wǎng)負載端出現(xiàn)第一個絕緣故障點時，不會引起上一級電源空開動作跳閘，保證了特殊場所供電的連續(xù)性。

普通供電方式，如果在負載端出現(xiàn)絕緣故障時，故障電流將經(jīng)過電源中性點對地構(gòu)成回路 （或經(jīng)PEN、PE線），如果保護裝置不可靠，故障電流可能導(dǎo)致越級跳閘。如果在某些特殊場所使用了隔離變壓器系統(tǒng)，當負載端出現(xiàn)第一點絕緣故障時，因其對地不能構(gòu)成回路，只會產(chǎn)生1個很小的容性漏電流，既對人體不會造成傷害，也不會導(dǎo)致上級空開動作，從而保證了供電的連接性。

3.2.3 隔離變壓器消除了漏電接觸電流，提高了防火安全性

故障電弧是引起電氣火災(zāi)的罪魁禍首之一。僅0.5A的電弧電流就足以引起火災(zāi),而2～10A的電弧電流就可以產(chǎn)生2 000～4 000℃的局部高溫。電伴熱帶故障電弧可能造成設(shè)備損壞、人身傷亡、火災(zāi)、爆炸等事故。某油田普遍市電供電的電伴熱帶，如果單相絕緣損傷，伴熱帶及其附件接地不可靠的情況下，帶電體與可靠接地的金屬接觸，往往會產(chǎn)生電弧。某油田“12.4”著火事故，就是因為連續(xù)不斷的電弧，灼傷天然氣引壓管，導(dǎo)致引壓管破損，發(fā)生火災(zāi)。

而采用隔離電源供電后，如果電伴熱帶發(fā)生漏電，其與可靠接地的金屬設(shè)備或管道之間消除了電位差，即便是伴熱帶帶電體與金屬設(shè)備或管道接觸，也不會產(chǎn)生故障電流，有效提高了電伴熱帶防火安全性。

3.3 隔離變壓器系統(tǒng)安全使用條件

（1）隔離變壓器電源開關(guān)具有短路、過載保護功能外，還須安裝漏電保護器[3]，同時被隔離的負載電源開關(guān)應(yīng)具有短路、過載保護功能，按規(guī)定的時間自動切斷故障回路。

（2）隔離變壓器必須具有加強絕緣的結(jié)構(gòu)。

（3）被隔離回路的帶電部分應(yīng)保持獨立，嚴禁與其他電氣回路連接，以防止從隔離回路以外引入故障電壓。

圖4 不同相線供電的電伴熱帶

（4）不同相線供電的電伴熱帶，必須用絕緣和不接地的等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體將屏蔽層等正常不帶電金屬部分相互連接，如圖4所示，以防止不同相的電伴熱帶之間形成電位差。

3.4 安裝施工

在原來電源開關(guān)下側(cè)安裝隔離變壓器和短路、過載保護裝置即可結(jié)束施工（圖5）。方法簡單、易于實現(xiàn)、經(jīng)濟成本不高。

圖5 安裝施工圖

經(jīng)濟成本說明：一般場所電伴熱帶按25W/m計算，每路開關(guān)控制100m電伴熱帶[2]，其功率為2 500 W,單個場所5kVA隔離變壓器應(yīng)該能夠滿足要求，其市場價1 200元左右。其中短路、過載保護開關(guān)，市場價大概60元。

4 結(jié)論

為防止因使用電伴熱帶發(fā)生著火、爆炸、觸電等事故，把好設(shè)計、施工、驗收、維護、檢查關(guān)是基礎(chǔ)，設(shè)置保護接零、重復(fù)接地、安裝漏電保護器是關(guān)鍵。同時，油田現(xiàn)有電伴熱帶系統(tǒng)，為確保其安全可靠運行，防止人體觸電、提高供電可靠性和滿足防火要求，使用隔離電源供電也是經(jīng)濟、可靠且易于實施的有效方法。

[1]SYJ7-84鋼質(zhì)管道及儲罐防腐蝕工程設(shè)計規(guī)范[S].

[2]SLDI 333C06-2001電伴熱設(shè)計導(dǎo)則[S].

[3]SH 3126-2001石油化工儀表及管道伴熱和隔熱設(shè)計規(guī)范[S].