海洋石油平臺(tái)電伴熱漏電保護(hù)電路設(shè)計(jì)探討

李建球

（中國(guó)石油集團(tuán)（青島）海洋工程有限公司，山東青島266555）

海洋石油平臺(tái)電伴熱漏電保護(hù)電路設(shè)計(jì)探討

李建球

（中國(guó)石油集團(tuán)（青島）海洋工程有限公司，山東青島266555）

電伴熱在保證海洋石油平臺(tái)工藝流程正常運(yùn)行中起著重要的作用，但其在實(shí)際應(yīng)用中有可能存在漏電風(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，指出現(xiàn)有設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范存在的差異，并對(duì)電伴熱漏電保護(hù)設(shè)計(jì)和國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)提出改進(jìn)建議。

海洋石油平臺(tái)；電伴熱；漏電保護(hù)

0 引言

海洋石油平臺(tái)的管道和設(shè)備在環(huán)境溫度較低時(shí)一般采用電伴熱進(jìn)行保溫，由于海洋石油平臺(tái)處于高濕度、多鹽霧的惡劣環(huán)境并工作于1區(qū)或2區(qū)易燃易爆危險(xiǎn)物品的場(chǎng)所，電伴熱出現(xiàn)漏電可能會(huì)危及平臺(tái)的安全，因此國(guó)內(nèi)外一些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海洋石油電伴熱的配電和保護(hù)均有較嚴(yán)格的安全要求，如要求電伴熱每個(gè)回路配備漏電保護(hù)裝置等。由于目前海洋石油平臺(tái)廣泛應(yīng)用的自調(diào)控電伴熱為近30年來(lái)發(fā)展的技術(shù)，其在我國(guó)的推廣應(yīng)用和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制訂也較晚，因此在實(shí)際工程中出現(xiàn)了對(duì)漏電保護(hù)不夠重視、部分標(biāo)準(zhǔn)制訂不完善以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解存在差異情況等，這導(dǎo)致了某些電伴熱配電和漏電保護(hù)電路設(shè)計(jì)上的不規(guī)范，給海洋石油平臺(tái)的安全生產(chǎn)帶來(lái)了一定的隱患。本文將結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)電伴熱配電和漏電保護(hù)電路不同的設(shè)計(jì)方案逐一進(jìn)行分析，提出合理的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)提出相應(yīng)的修改建議。

1 電伴熱線路需采取漏電保護(hù)措施的原因

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)，甚至可對(duì)管道和閥門密集、拐彎較多而無(wú)法用熱水和蒸汽進(jìn)行伴熱的區(qū)域伴熱，并可實(shí)現(xiàn)DCS監(jiān)控和遙控自動(dòng)化管理，因此，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。

一般認(rèn)為，要保證海洋石油平臺(tái)電伴熱安全可靠地工作，對(duì)其供電線路除采用常用的過(guò)載、短路保護(hù)外，還應(yīng)采用漏電保護(hù)措施。但目前在這方面也存在著不同的見解，有觀點(diǎn)認(rèn)為，電伴熱電纜被保溫層覆蓋而不易受到損害，同時(shí)人也不會(huì)觸及，不必采取漏電保護(hù)措施，萬(wàn)一出現(xiàn)故障，只要有短路和過(guò)載保護(hù)就可以了。也有些初次接觸電伴熱的用戶常常會(huì)提出為什么電伴熱要采用漏電保護(hù)的問(wèn)題。因此，只有認(rèn)識(shí)到海洋石油平臺(tái)電伴熱漏電或單相接地故障產(chǎn)生的原因和危害，并理解國(guó)內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)電伴熱配電和保護(hù)電路的要求，才能在設(shè)計(jì)上予以重視，并采取有效的措施予以防范。

1.1 電伴熱在實(shí)際應(yīng)用中存在漏電風(fēng)險(xiǎn)

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。

（4） 伴熱管道保溫層的防水外罩因安裝或維護(hù)不當(dāng)存在雨水進(jìn)入的可能，浸水處的電伴熱電纜的絕緣性能將被減弱，如電伴熱電纜長(zhǎng)期在此狀態(tài)下工作就可能發(fā)生漏電或接地故障。

因此從實(shí)際情況看，電伴熱發(fā)生高阻接地（漏電）的情況多于導(dǎo)體直接接地（短路）的情況。當(dāng)發(fā)生高阻接地漏電故障時(shí)，普通斷路器就會(huì)因?yàn)楣收想娏魈投荒苊摽?，漏電處就可能產(chǎn)生電弧或電火花；或溫度會(huì)不斷升高，達(dá)到防爆場(chǎng)所的溫度極限。特別是當(dāng)伴熱管道內(nèi)為可燃性液體時(shí)，如輸油管道，電伴熱電纜的漏電或接地故障即使發(fā)生在少許液體滲漏處也可能導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生。因此，對(duì)電伴熱電路的漏電或接地故障保護(hù)必須做到在其產(chǎn)生電弧或電火花之前就將其故障電路切斷。而漏電保護(hù)裝置正好能滿足這種要求，如30 mA剩余電流動(dòng)作型漏電保護(hù)器在接地電流剛達(dá)到30 mA時(shí)就動(dòng)作，確保了電伴熱電路在發(fā)生漏電或接地故障時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)安全隱患。需進(jìn)一步明確說(shuō)明的是，對(duì)電伴熱采取漏電保護(hù)措施不是用于防止人體觸電，而是防止漏電可能帶來(lái)的火災(zāi)危險(xiǎn)，而火災(zāi)危險(xiǎn)主要來(lái)自于高阻接地故障（易產(chǎn)生拉弧和溫升），因此，從海洋石油平臺(tái)電伴熱的工作特性和實(shí)際應(yīng)用情況考慮，電伴熱必須采用漏電保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。

1.2 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。

2 海洋石油平臺(tái)電伴熱供電保護(hù)電路實(shí)例分析

通過(guò)近年建造的海洋石油平臺(tái)項(xiàng)目與上述國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求的對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)在目前的一部分海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)的電伴熱漏電保護(hù)方案中出現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)要求不符的情況，有些甚至存在一定的安全隱患；同時(shí)，設(shè)計(jì)圖紙與標(biāo)準(zhǔn)條文要求的不一致也給海洋石油平臺(tái)建造監(jiān)理方的監(jiān)督和檢驗(yàn)工作帶來(lái)了一定困難。因此有必要對(duì)目前應(yīng)用的各設(shè)計(jì)方案加以分析，以明確其利弊和設(shè)計(jì)可行性。

2.1 TN-S供電系統(tǒng)下電伴熱供電線路實(shí)例分析（設(shè)計(jì)方案一）

圖1是曾為泰國(guó)建造的海洋石油平臺(tái)上TN-S系統(tǒng)采用的剩余電流型漏電斷路器對(duì)電伴熱供電保護(hù)的示意圖。電伴熱負(fù)荷采用獨(dú)立的變壓器供電，所有負(fù)荷均采用剩余電流型漏電斷路器進(jìn)行保護(hù)，具有過(guò)載、短路和漏電保護(hù)功能。為便于電路分析，假設(shè)電伴熱負(fù)荷3采用不帶漏電保護(hù)功能的普通微型斷路器MCB進(jìn)行保護(hù)，僅具有過(guò)載、短路保護(hù)功能。

在電伴熱負(fù)荷3的供電回路中，如發(fā)生單相對(duì)地短路（R3=0），其短路電流直接通過(guò)PE線回到中性點(diǎn)N，因此，短路電流很大，足以使斷路器脫扣。但當(dāng)發(fā)生單相高阻接地漏電故障時(shí)，有：

Ie3=U/（R3+RL）

式中Ie3——電伴熱負(fù)荷3接地電流有效值；

U——相電壓有效值；

R3——電伴熱負(fù)荷3漏電電阻；

RL——接地回路導(dǎo)線電阻（很小，可忽略不計(jì)）。

現(xiàn)假設(shè)電伴熱電纜的局部絕緣電阻因受損或老化等原因降低至0.001 MΩ，即R3為1 000 Ω，當(dāng)U=120 V時(shí)，有：

Ie3=U/（R3+RL）=120/1000=0.12（A）=120（mA）

由于普通斷路器是通過(guò)檢測(cè)負(fù)荷線路的工作電流來(lái)設(shè)定其短路和過(guò)載保護(hù)的脫扣值的，一般其瞬時(shí)脫扣值為斷路器額定工作電流的5倍以上；而過(guò)載保護(hù)采用反時(shí)限特性，也要在斷路器額定工作電流的1.05倍以上才能動(dòng)作。由此可見，這時(shí)的接地故障電流太小而不足以使普通斷路器脫扣。因此，普通斷路器不能對(duì)高阻接地漏電故障起到保護(hù)作用。

而剩余電流型漏電斷路器的工作原理與普通斷路器不同，它通過(guò)零序電流互感器可以檢測(cè)出回路中存在的微弱流入、流出的不平衡電流差額（即漏電流，毫安級(jí)），在交變磁通的作用下，通過(guò)中間環(huán)節(jié)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)切斷故障電路。圖1中電伴熱負(fù)荷1和負(fù)荷2即采用了這種保護(hù)方式。

在電伴熱負(fù)荷1的供電回路中，電伴熱回路未發(fā)生漏電或其他接地故障，流入和流出零序電流互感器的電流瞬時(shí)值大小相等，方向相反，即+=0（為A1相線的電流瞬時(shí)值，為N1中性線的電流瞬時(shí)值），這時(shí)，在互感器鐵心中所產(chǎn)生的磁通互相抵消，即+=0（為A1相線的磁通瞬時(shí)值，為N1中性線的磁通瞬時(shí)值），零序電流互感器中無(wú)漏電磁通，漏電保護(hù)器不動(dòng)作。

當(dāng)電伴熱回路發(fā)生漏電或單相接地故障時(shí)（見電伴熱負(fù)荷2的供電回路），流入的電流一部分通過(guò)PE線回到了中性點(diǎn)N，即接地漏電流Ie2，另一部分通過(guò)零序電流互感器流出，即為。這時(shí)，流入和流出零序電流互感器的電流的矢量和就不等于零了，即+=≠0（為B2相線的電流瞬時(shí)值，為N2中性線的電流瞬時(shí)值，為電伴熱負(fù)荷2接地漏電流瞬時(shí)值），在互感器鐵心中所產(chǎn)生的磁通也就不能互相抵消了，即=≠0（為B2相線的磁通瞬時(shí)值，為N2中性線的磁通瞬時(shí)值，為電伴熱負(fù)荷2漏電磁通瞬時(shí)值），零序電流互感器檢測(cè)到漏電流引起的漏電磁通，通過(guò)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行比較，當(dāng)漏電值達(dá)到保護(hù)的設(shè)定值時(shí)，使斷路器脫扣，勵(lì)磁線圈TL通電，斷路器跳閘，線路得到保護(hù)。

由此可見，在TN-S系統(tǒng)下，剩余電流型漏電斷路器可以對(duì)每個(gè)電伴熱回路起到可靠的保護(hù)作用。這就是為什么IEEE Std 515標(biāo)準(zhǔn)和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》都要求電伴熱負(fù)荷采用中點(diǎn)接地（TN-S）供電系統(tǒng)的原因，同時(shí)該設(shè)計(jì)方案也滿足《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》對(duì)電伴熱電路的要求。

該設(shè)計(jì)方案的不足之處是要求對(duì)電伴熱的故障電路立即停用，及時(shí)修復(fù)。但受維修材料供貨周期或海況等因素的影響，實(shí)際并不一定能做到迅速修復(fù)，因此勢(shì)必對(duì)生產(chǎn)造成一定的影響。

2.2 IT供電系統(tǒng)下電伴熱供電線路實(shí)例分析

2.2.1冀東油田某石油平臺(tái)電伴熱電路設(shè)計(jì)實(shí)例（設(shè)計(jì)方案二）

圖2為冀東油田某石油平臺(tái)照明和小功率負(fù)荷供電單線圖，IT系統(tǒng)供電、電伴熱負(fù)荷無(wú)獨(dú)立配電盤，其每路電源取自照明配電盤，通過(guò)絕緣監(jiān)測(cè)器EFM對(duì)整個(gè)照明配電盤的負(fù)荷回路進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)。為方便分析，圖3單獨(dú)畫出了3路電伴熱負(fù)荷的等效電路圖。

如圖3所示，電伴熱負(fù)荷采用剩余電流型漏電斷路器ELB進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)電伴熱負(fù)荷2的B相發(fā)生絕緣損壞甚至是導(dǎo)體直接接地故障時(shí)，由于電源中性點(diǎn)N未接地，與接地點(diǎn)無(wú)電氣連接，不能形成故障電流泄放回路，僅存在很小的線路等效分布電容CA1、CB1、CB2、CC2、CC3、CA3產(chǎn)生的泄放電流，零序電流互感器中檢測(cè)到的漏電磁通達(dá)不到設(shè)定動(dòng)作整定值（30 mA產(chǎn)生的漏電磁通），漏電斷路器不動(dòng)作。這時(shí)，僅絕緣監(jiān)測(cè)器EFM發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示照明配電盤中負(fù)荷有單相絕緣或接地故障。

該設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)如下：

（1） 電伴熱與照明負(fù)荷共用一臺(tái)變壓器，未采用專用變壓器供電，其伴熱負(fù)荷取自照明控制盤，當(dāng)電伴熱線路或照明線路發(fā)生故障時(shí)可能互相造成影響，與IEEE Std 515標(biāo)準(zhǔn)和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》的要求不符。

（2） 電伴熱供電未采用中性點(diǎn)接地（TN-S）系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生一次單相絕緣或接地故障時(shí)，剩余電流型漏電斷路器ELB似乎形同虛設(shè)，不能切斷故障電路，與IEEE Std 515標(biāo)準(zhǔn)和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》的要求不符。

（3） 沒(méi)有對(duì)每路電伴熱負(fù)荷進(jìn)行漏電流實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控，不能了解漏電流的暫態(tài)過(guò)程。而絕緣監(jiān)測(cè)器EFM可在單相絕緣或接地故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但不能明確是否為電伴熱負(fù)荷故障，也不能明確所在故障回路，需花費(fèi)一定時(shí)間查找故障。

當(dāng)然，該設(shè)計(jì)方案中電伴熱供電采用中性點(diǎn)不接地（IT）系統(tǒng)，由于在發(fā)生一次單相絕緣或接地故障時(shí)無(wú)漏電流泄放回路，雖然漏電斷路器不能動(dòng)作，但該故障也不會(huì)產(chǎn)生有害的電弧和電火花，故障電路可暫時(shí)繼續(xù)工作，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響。也就是說(shuō)，上述特點(diǎn)（2）只是與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求不一致，并不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的危害，這也是IT供電系統(tǒng)安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2渤海遼東灣某石油平臺(tái)電伴熱電路設(shè)計(jì)實(shí)例（設(shè)計(jì)方案三）

由于IT系統(tǒng)在單相對(duì)地絕緣發(fā)生故障時(shí)無(wú)漏電流泄放回路，因此在一些專著和標(biāo)準(zhǔn)中提出IT系統(tǒng)中不宜安裝漏電保護(hù)器，而通過(guò)絕緣監(jiān)視報(bào)警器對(duì)線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)的觀點(diǎn)，這是發(fā)現(xiàn)IT系統(tǒng)單相絕緣和接地故障的一般慣用方法。

為此，國(guó)內(nèi)近年設(shè)計(jì)的一些海洋石油平臺(tái)對(duì)IT系統(tǒng)中的電伴熱線路似乎也取消了漏電保護(hù)斷路器，甚至連照明和電伴熱共用變壓器都不設(shè)置，電伴熱負(fù)荷與眾多其他同一電壓等級(jí)的負(fù)荷無(wú)隔離地取自同一配電盤，通過(guò)電伴熱供電盤柜上端的配電盤柜安裝的絕緣監(jiān)測(cè)器EFM對(duì)整體線路進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)，電伴熱的保護(hù)電路實(shí)際上與照明等其他負(fù)荷無(wú)任何區(qū)別。渤海遼東灣某石油平臺(tái)電伴熱供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案即為這種設(shè)計(jì)方案的典型代表。

圖4為渤海遼東灣某石油平臺(tái)照明和電伴熱供電單線圖，IT系統(tǒng)供電，電伴熱負(fù)荷雖有獨(dú)立配電盤，但每個(gè)電伴熱配電盤的總電源仍未設(shè)專用變壓器而直接取自照明和小功率配電盤。

該設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)與2.2.1所述冀東油田某平臺(tái)電伴熱電路的最大不同點(diǎn)在于設(shè)計(jì)中取消了漏電斷路器。因此，有必要就其取消漏電斷路器后的絕緣或接地故障加以分析。

為方便分析，圖5單獨(dú)畫出了在不同電伴熱配電盤中的各兩路電伴熱負(fù)荷的等效電路圖。電路采用IT系統(tǒng)供電，每個(gè)電伴熱負(fù)荷回路未配置漏電斷路器，而采用普通微型斷路器MCB對(duì)電伴熱提供過(guò)載和兩相短路保護(hù)，通過(guò)采用絕緣監(jiān)測(cè)器EFM對(duì)整體線路進(jìn)行單相絕緣或單相接地故障監(jiān)測(cè)。

當(dāng)電伴熱負(fù)荷2的B相發(fā)生絕緣損壞甚至導(dǎo)體直接接地故障時(shí)（一次接地故障），如前所述，由于電源中性點(diǎn)與接地點(diǎn)無(wú)電氣連接，不能形成故障電流泄放回路，因此該負(fù)荷回路保護(hù)斷路器不會(huì)跳閘，但也不會(huì)產(chǎn)生有害的電弧和電火花，這時(shí)，電伴熱負(fù)荷2可暫不停電繼續(xù)工作。但進(jìn)一步分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，若在電伴熱負(fù)荷2故障回路修復(fù)之前，電伴熱負(fù)荷3的C相又發(fā)生絕緣損壞時(shí)（二次接地故障），接地故障電流就由B相→負(fù)荷2的B相接地故障點(diǎn)→鋼結(jié)構(gòu)（平臺(tái)地）→負(fù)荷3的C相接地故障點(diǎn)→C相形成泄放回路，接地泄放電流Ie的大小為：

Ie=U/（R2+R3+RL+RE）

式中Ie——電伴熱負(fù)荷2、負(fù)荷3接地故障電流有效值；

U——相電壓有效值；

R2——電伴熱負(fù)荷2漏電電阻；

R3——電伴熱負(fù)荷3漏電電阻；

RL——接地回路導(dǎo)線電阻（很小，可忽略不計(jì)）；

RE——兩接地點(diǎn)間導(dǎo)體電阻（由于為鋼結(jié)構(gòu)直接連接，所以很小，可忽略不計(jì)）。

假設(shè)電伴熱負(fù)荷2絕緣電阻因老化等原因降低至0.002 MΩ，即R2=2 000 Ω，電伴熱負(fù)荷3為導(dǎo)體直接接地故障，即R3≈0 Ω，當(dāng)U=230 V時(shí)，有：

Ie=U/（R2+R3+RL+RE）=230/2 000=115（mA）

由于電伴熱負(fù)荷2和負(fù)荷3的供電保護(hù)斷路器不具有漏電保護(hù)功能，其接地故障電流太小而不足以使斷路器脫扣。這時(shí)在電伴熱負(fù)荷2和負(fù)荷3的漏電處就有可能會(huì)產(chǎn)生電弧或電火花。如果它們?nèi)匀徊捎寐╇姅嗦菲鬟M(jìn)行保護(hù)，則可對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)，避免可能存在的安全隱患。

由此可見，該設(shè)計(jì)方案表面看似乎合理，其實(shí)存在著更多的問(wèn)題。其特點(diǎn)如下：

（1） 電伴熱未采用專用變壓器供電，電伴熱負(fù)荷與其他負(fù)荷未進(jìn)行有效隔離，不同控制箱內(nèi)的各類負(fù)荷接地故障都可能彼此互相影響（導(dǎo)致二次接地故障），存在安全隱患，與IEEE Std 515標(biāo)準(zhǔn)和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》的要求不符。

（2） 電伴熱供電未采用中性點(diǎn)接地（TN-S）系統(tǒng)，與IEEE Std 515標(biāo)準(zhǔn)和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》的要求不符。

（3） 電伴熱每路供電回路取消了漏電斷路器，不能滿足IEEE Std 515標(biāo)準(zhǔn)、《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》的要求。

（4） 在電伴熱負(fù)荷發(fā)生一次單相絕緣或單相接地故障時(shí)，若暫不停電繼續(xù)工作，則線路不能對(duì)二次單相絕緣或單相接地故障進(jìn)行保護(hù)，存在安全隱患。

（5） 電伴熱負(fù)荷既未設(shè)置專用絕緣監(jiān)測(cè)器EFM，也未對(duì)每路負(fù)荷進(jìn)行漏電流實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控，其保護(hù)電路與其他負(fù)荷沒(méi)有任何區(qū)別。EFM在單相絕緣或接地故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但不能區(qū)分是電伴熱還是照明等線路的故障，也不能明確所在故障回路，由于其監(jiān)測(cè)的負(fù)荷太多，需花費(fèi)大量時(shí)間查找故障。

因此，在取消了各路漏電保護(hù)裝置的情況下，若要保證平臺(tái)無(wú)安全隱患，當(dāng)絕緣監(jiān)測(cè)器EFM監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)單相絕緣和單相接地故障時(shí)，要求必須對(duì)電伴熱的故障電路立即進(jìn)行修復(fù)，這將導(dǎo)致該設(shè)計(jì)方案不但不能發(fā)揮IT系統(tǒng)可連續(xù)供電的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)與TN-S系統(tǒng)相比，還增加了查找故障所在負(fù)荷回路的時(shí)間，勢(shì)必對(duì)生產(chǎn)造成較大的影響。

受維修材料供貨周期或海況以及施工條件等因素的影響，在需要更換電伴熱電纜等情況下，絕緣故障并不能馬上得到修復(fù)。另外，有些電伴熱負(fù)荷并不希望在發(fā)生一次接地故障時(shí)立即停電，比如在不能停產(chǎn)的情況下，從安全角度考慮必須保證消防管道不因電伴熱的單相接地故障停電而導(dǎo)致凍結(jié)。但若該設(shè)計(jì)方案中電伴熱負(fù)荷在一次接地故障時(shí)不停產(chǎn)繼續(xù)工作，則它將工作在無(wú)漏電保護(hù)的狀態(tài)下，存在產(chǎn)生電弧或電火花的安全隱患。特別是在取消了電伴熱專用變壓器的情況下，不同的電伴熱配電盤之間、電伴熱配電盤與照明配電盤之間等均未進(jìn)行電氣隔離，大大增加了發(fā)生二次接地故障的概率。因此，該設(shè)計(jì)方案在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中在一定時(shí)期內(nèi)存在保護(hù)盲區(qū)。

2.2.3陸豐油田某石油平臺(tái)電伴熱設(shè)計(jì)實(shí)例（設(shè)計(jì)方案四）

圖6為陸豐油田某石油平臺(tái)電伴熱供電單線圖，IT系統(tǒng)供電。電伴熱既采用了獨(dú)立的變壓器和配電盤，同時(shí)每個(gè)電伴熱負(fù)荷回路又配備了漏電斷路器ELB和獨(dú)立的零序電流互感器ZCT。

結(jié)合前述其他幾個(gè)設(shè)計(jì)方案的分析，我們不難得出該設(shè)計(jì)方案具有如下特點(diǎn)：

（1） 電伴熱采用專用變壓器供電，電路發(fā)生故障時(shí)與照明等其他線路彼此不會(huì)影響。

（2） 雖然采用了△/Y專用變壓器供電，但并未從中性點(diǎn)引出中性線，即電伴熱供電未采用中性點(diǎn)接地（TN-S）系統(tǒng)，與IEEE Std 515標(biāo)準(zhǔn)和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》的要求不符。

（3） 絕緣監(jiān)測(cè)裝置EFM可在單相絕緣或接地故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，配合零序電流互感器ZCT對(duì)每個(gè)電伴熱負(fù)荷回路進(jìn)行實(shí)時(shí)漏電流的監(jiān)控，通過(guò)對(duì)接地故障瞬態(tài)電流進(jìn)行分析，可幫助判斷故障所在回路。

（4） 電伴熱供電采用中性點(diǎn)不接地（IT）系統(tǒng)，由于在發(fā)生一次單相絕緣或接地故障時(shí)無(wú)漏電流泄放回路，雖然漏電斷路器不能動(dòng)作，但也不會(huì)產(chǎn)生有害的電弧和電火花，故障電路可暫時(shí)不斷電繼續(xù)工作。在一次單相絕緣或接地故障排除之前，線路對(duì)二次單相絕緣或接地故障仍具有保護(hù)作用，因此，既不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響，也不會(huì)留下任何安全隱患。

3 電伴熱漏電保護(hù)設(shè)計(jì)方案綜合對(duì)比評(píng)估和建議

以上所列方案基本可覆蓋目前海洋石油平臺(tái)電伴熱漏電保護(hù)設(shè)計(jì)方案。為更加直觀對(duì)比各設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)將其特點(diǎn)進(jìn)行綜合對(duì)比歸納，見表1。

通過(guò)對(duì)以上實(shí)際工程中出現(xiàn)的電伴熱保護(hù)電路的分析，并對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，我們發(fā)現(xiàn)：方案一既滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，同時(shí)又不存在安全隱患；方案二和方案三既不滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，同時(shí)又存在安全隱患；方案四雖無(wú)安全隱患，與方案一相比還具有單相絕緣或接地故障不斷電的優(yōu)點(diǎn)，然而卻不能完全滿足IEEE Std 515和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》的要求。因此，我們認(rèn)為就電伴熱漏電保護(hù)而言，不僅其中有些設(shè)計(jì)方案存在問(wèn)題，而且現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也有待于進(jìn)一步細(xì)化和完善，以確保海上石油平臺(tái)的高效、安全生產(chǎn)。

為使設(shè)計(jì)合理規(guī)范，監(jiān)理方在建造和檢驗(yàn)過(guò)程中有據(jù)可尋，現(xiàn)對(duì)海洋石油平臺(tái)電伴熱漏電保護(hù)設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提出如下建議，供以后的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范修訂參考：

表1 電伴熱配電和漏電保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案綜合對(duì)比評(píng)估

（1） IEEE 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）下的方案四更具優(yōu)點(diǎn)，建議以后修訂時(shí)予以考慮采納。如果IEEE Std 515和《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》制訂機(jī)構(gòu)有充分理由證明方案四不合理，那么，設(shè)計(jì)部門就不應(yīng)再采用?？傊?，應(yīng)保證設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范一致。

（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） 目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的海洋石油平臺(tái)的整體供電方案一般為IT系統(tǒng)，電伴熱的供電方式通常也就與其一致而采用了IT系統(tǒng)。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。例如電伴熱負(fù)荷發(fā)生一次漏電接地故障，希望能立即切斷故障回路時(shí)，則應(yīng)采用專用變壓器將電伴熱的供電電路轉(zhuǎn)換為中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，然后通過(guò)每個(gè)負(fù)荷回路的漏電斷路器進(jìn)行保護(hù)；當(dāng)電伴熱負(fù)荷發(fā)生一次漏電接地故障，不希望立即切斷故障回路時(shí)，如消防管道或其他工藝流程因生產(chǎn)需要必須保持線路連續(xù)工作時(shí)，則應(yīng)采用上述實(shí)例分析中設(shè)計(jì)方案四的設(shè)計(jì)方法。

（4） IT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。

d.每個(gè)獨(dú)立電伴熱回路應(yīng)裝設(shè)漏電斷路器以達(dá)到對(duì)該回路二次漏電或接地故障的保護(hù)。

[1] IEEE Std 515-1997，IEEE Standard for the Testing,Design,Installation,and Maintenance of Electrical Resistance Heat Tracing for Industrial Applications[S].

[2] APIRP14F-1999，RecommendedPracticeforDesignand Installation of Electrical Systems for Fixed and Floating Offshore Petroleum Facilities for Unclassified and Class I,Division 1 and Division 2 Locations[S].

[3] NFPA 70-2008，National Electrical Code 2008 Edition[S].

[4] 中國(guó)船級(jí)社，淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范（2004）[S].

[5] 國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)，海上固定平臺(tái)安全規(guī)則（2000）[S].

[6] 顧月英.漏電保護(hù)器應(yīng)用[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

Abstract:Electrical heat tracing（EHT）plays an important role in ensuring normal production process ofoffshore oil platform.However there is a possible danger of ground fault in EHT practical application and it brings potential troubles to safe production of platform.The reliable power supply and protection circuit design is one of preconditions to insure EHT safe operation.This paper discusses the design of ground fault protection circuit for EHT by analyzing ever built engineering projects and comparing with relevant criteria,accordingly finds out discrepancies between the present design and the criteria,as well as provides rational relevant suggestions.

Key words:offshore oil platform;electrical heat tracing;ground fault protection

（11）Discussion on Ground Fault Protection Circuit Design of Electrical Heat Tracing for Offshore Platform

LI Jian-qiu（China National Offshore Engineering Co.,Ltd.（Qingdao）,Qingdao 266555,China）

TE951TM92

A

1001－2206（2011）02－0011－09

李建球(1964-)，男，湖南茶陵人，電氣工程師，1984年畢業(yè)于中原工學(xué)院，現(xiàn)從事海洋石油平臺(tái)電氣設(shè)計(jì)工作。

2010-05-30，

2011-01-14