海洋石油平臺(tái)電伴熱漏電保護(hù)設(shè)計(jì)研究

于林

摘 要：海洋石油平臺(tái)低壓配電多采用IT不接地系統(tǒng)，如果配置不當(dāng)，漏電斷路器無(wú)法對(duì)電伴熱回路起到相應(yīng)保護(hù)作用，從而發(fā)生漏電風(fēng)險(xiǎn)，給海洋石油平臺(tái)的安全生產(chǎn)帶來(lái)一定的隱患，因而可靠的供電和保護(hù)電路設(shè)計(jì)是確保電伴熱安全運(yùn)行的前提之一。文章通過(guò)工程實(shí)例和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的分析，對(duì)電伴熱漏電保護(hù)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析比較，并對(duì)電伴熱漏電保護(hù)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：海洋石油平臺(tái);電伴熱;漏電保護(hù);IT系統(tǒng)

1 問(wèn)題的提出

根據(jù)CCS《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》要求，需要對(duì)電伴熱回路假裝漏電保護(hù)單元，具體條文要求如下：

目前海上低壓接地系統(tǒng)采用的IT中性點(diǎn)不接地的方式，即便在電伴熱回路加了漏電保護(hù)，由于中性點(diǎn)不接地的原因，無(wú)法形成有效的漏電流通路，漏電保護(hù)無(wú)法啟動(dòng)斷路器跳閘，也就無(wú)法發(fā)揮作用。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中為此與CCS船檢審圖部門進(jìn)行過(guò)多次溝通探討，最終為了滿足規(guī)范及審圖要求，每個(gè)回路還是象征性的加了漏電保護(hù)單元，但實(shí)際并沒(méi)有起作用。

為此針對(duì)海上IT系統(tǒng)電伴熱回路到底是否需要加裝漏電，加了漏電如何發(fā)揮作用的問(wèn)題進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

2 電伴熱回路是否需要加漏電

由于電伴熱與熱水伴熱和蒸汽伴熱相比具有節(jié)能、放熱均勻、換熱效率高、無(wú)泄漏隱患、溫度控制準(zhǔn)確快捷、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，目前在海洋石油平臺(tái)上一般采用電伴熱的方法對(duì)管道和設(shè)備進(jìn)行保溫。盡管電伴熱具有其他伴熱不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)踐證明這種伴熱方法也存在一定的漏電風(fēng)險(xiǎn)：

①電伴熱電纜敷設(shè)完畢后，需用保溫巖棉對(duì)管道、設(shè)備和容器進(jìn)行包敷保溫，在保溫巖棉的施工過(guò)程中，有可能損傷電伴熱電纜護(hù)套和絕緣，留下漏電或接地隱患;②電伴熱電纜本身為發(fā)熱源，即使自調(diào)控型電伴熱電纜具有正溫度系數(shù)電阻（PTC）特性，從理論上講不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而達(dá)到防爆場(chǎng)所的溫度極限或燒毀電纜，但在溫度反復(fù)變化過(guò)程中，電纜絕緣層相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)老化得快些，當(dāng)電伴熱電纜的允許使用期限小于平臺(tái)的服役期限而未對(duì)電伴熱電纜及時(shí)更換時(shí)，就可能發(fā)生漏電或接地故障;③伴熱管道的法蘭、閥門等設(shè)備連接處在長(zhǎng)期工作中可能出現(xiàn)少許液體滲漏現(xiàn)象，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)或維護(hù)不當(dāng)，滲漏的液體將降低電伴熱電纜的絕緣性能，如侵入其絕緣薄弱處或各接頭處，也可能導(dǎo)致漏電或接地故障。

綜上所述，電伴熱回路加裝漏電保護(hù)是有必要的。

3 國(guó)內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電伴熱配電和漏電保護(hù)的要求

正因?yàn)殡姲闊崧╇娀蚪拥毓收蠒?huì)給海洋石油平臺(tái)帶來(lái)安全隱患，所以IEEE Std 515、API RP 14F、NFPA 70、《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》和《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》等國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)電伴熱線路提出了漏電保護(hù)的要求。IEEE Std 515標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的針對(duì)電伴熱試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)的專用標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電伴熱的要求也引用IEEE Std 515 作為標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)?！稖\海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》是中國(guó)船級(jí)社（CCS）編制的標(biāo)準(zhǔn)，為國(guó)內(nèi)海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)依據(jù)之一。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均提出：電伴熱負(fù)荷采用專用變壓器供電，變壓器二次側(cè)應(yīng)采用接地系統(tǒng);每個(gè)電伴熱電路應(yīng)具有高阻接地（即漏電）和短路故障保護(hù)能力。在其漏電電流超過(guò)30 mA時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)斷開(kāi)該電伴熱線路電源。《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》也是國(guó)內(nèi)海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)依據(jù)之一，其中也提出“電伴熱帶及配套使用的控制電氣設(shè)備應(yīng)設(shè)有過(guò)載、短路及漏電流的檢測(cè)、控制和保護(hù)裝置”的要求。上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均提出了對(duì)電伴熱負(fù)荷采用漏電保護(hù)裝置的要求。其中IEEE Std 515和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》對(duì)漏電保護(hù)方案提出了較明確的要求，即采用專用變壓器供電的中性點(diǎn)接地（TN-S）供電系統(tǒng)，并配備漏電保護(hù)裝置但《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》未對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行具體描述。

根據(jù)我們的理解， IEEE Std 515和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》中要求加專用變壓器的作用有兩個(gè)：

①無(wú)論平臺(tái)整體供電系統(tǒng)如何，通過(guò)變壓器將電伴熱的供電轉(zhuǎn)換為中點(diǎn)接地（TN-S）供電系統(tǒng)，保證了漏電保護(hù)器在電伴熱發(fā)生漏電或單相接地故障時(shí)動(dòng)作;②使電伴熱負(fù)荷與其他負(fù)荷隔離，限制故障范圍，不同類負(fù)荷的故障彼此不受影響，如當(dāng)需要對(duì)電伴熱二級(jí)或三級(jí)供電保護(hù)進(jìn)行脫扣時(shí)，不會(huì)對(duì)照明等其他電路產(chǎn)生影響。

根據(jù)對(duì)相關(guān)規(guī)范條文的理解，最有效的方式是對(duì)電伴熱回路采用單獨(dú)的電伴熱變壓器，與其他照明負(fù)荷分開(kāi)。變壓器低壓側(cè)采用中性點(diǎn)接地的TN系統(tǒng)，相關(guān)配出回路加裝漏電一定可以正常發(fā)揮作用，這也是漏電保護(hù)基本功能，具體原理不再贅述。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)以上論述，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，采用TN接地系統(tǒng)的專用電伴熱配電變壓器是可以解決漏電保護(hù)正常發(fā)揮作用的問(wèn)題，但在目前海洋平臺(tái)的低壓配電系統(tǒng)中，規(guī)范也明確要求不得以平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)通回路，為了安全起見(jiàn)，埕島油田和中海油的平臺(tái)設(shè)計(jì)中，均完全采用IT中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，如果為了電伴熱的配電使得局部接地變?yōu)門N系統(tǒng)，則會(huì)出現(xiàn)IT系統(tǒng)和TN系統(tǒng)混用的情況，給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)不便。通過(guò)進(jìn)一步研究，認(rèn)為采用以下方式會(huì)更加優(yōu)化：

①維持規(guī)范要求中的電伴熱專用變壓器，但二次側(cè)依然不接地，與平臺(tái)整體接地系統(tǒng)保持一致;②220V母線側(cè)加裝絕緣監(jiān)測(cè)裝置，整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)漏電情況，可以發(fā)報(bào)警信號(hào)至中控;③每個(gè)電伴熱回路設(shè)置漏電保護(hù)，這主要是為了發(fā)生多回路二次接地故障時(shí)可以有效動(dòng)作;同時(shí)為每路配出加裝零序互感器，這樣單獨(dú)回路發(fā)生漏電故障，雖然無(wú)法切除故障，但可以顯示故障回路，簡(jiǎn)而言之就是增加了接地選線功能，這樣運(yùn)行過(guò)程中可以指示維修人員快速對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)處理，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大，提高了供電可靠性。具體選線的原理在此也不再展開(kāi)論述。

改進(jìn)后的電伴熱配電系統(tǒng)接線圖如下圖所示：

圖中EFM為母線絕緣監(jiān)測(cè)裝置，ZCT為分回路零序電流互感器。

5 結(jié)論

①IEEE Std 515和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》目前只認(rèn)可電伴熱中性點(diǎn)接地系統(tǒng)（TNS）的設(shè)計(jì)方案，而中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)（IT）更具優(yōu)點(diǎn)，建議以后修訂時(shí)予以考慮采納;②建議IEEE Std 515、《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》和《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》在以后的修訂版中能按TN-S和IT供電系統(tǒng)分別對(duì)電伴熱的漏電/絕緣保護(hù)提出明確要求，如增加在IT 供電系統(tǒng)時(shí)采用電伴熱專用絕緣監(jiān)測(cè)裝置的要求，明確規(guī)定IT系統(tǒng)下每路電伴熱負(fù)荷是否還應(yīng)裝設(shè)漏電斷路器的條款等。但我們從生產(chǎn)和安全的角度考慮認(rèn)為，海上石油平臺(tái)的電伴熱在IT 供電情況下仍應(yīng)保留漏電斷路器;③建議電伴熱負(fù)荷的供電和漏電保護(hù)方案應(yīng)按照整個(gè)平臺(tái)的供電方式、伴熱管道的工藝要求、平臺(tái)的維修保養(yǎng)能力和管理水平等多種因素綜合考慮;④IT供電系統(tǒng)雖然具有安全可靠的特點(diǎn)，但對(duì)于海洋石油平臺(tái)電伴熱工作的實(shí)際情況，如果設(shè)計(jì)考慮不周，仍然存在一定的安全隱患。IT供電系統(tǒng)下，一個(gè)完善的電伴熱供電系統(tǒng)應(yīng)該包括如下部分：a.獨(dú)立的電伴熱專用變壓器供電;b.每個(gè)電伴熱變壓器負(fù)荷端應(yīng)裝設(shè)一套絕緣監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置以實(shí)現(xiàn)對(duì)各負(fù)荷線路的整體絕緣水平的監(jiān)測(cè);c.每個(gè)獨(dú)立電伴熱回路宜裝設(shè)零序電流互感器對(duì)漏電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以幫助判斷該回路一次漏電或接地故障。