石油钻机接零保护技术研究与实施1109.pptx

,石油钻机接零保护技术研究与实践,,2010.10,石油钻机电气安装工程规范化研究技术报告,,川庆钻探工程有限公司装备处版权所有所有权利全部保留2009,220/380V供电系统有三种系统接地型式，石油钻机属中性点接地系统，应采用接零保护（TN）系统。对石油钻机进行接零保护整改、安装井场总等电位联结、值班房和生活区总等电位联结，以及将TN-C改造为TN-C-S或TN-S系统后，可提高自动切断供电措施的有效性和可靠性，以及解决用电设备外壳带电的问题。运用这些原理对石油钻机进行接地安全隐患整改和防雷接地安装，可消除石油钻机接地安全隐患。,摘要,石油钻机广泛采用220/380V供电系统中性点接地方式，宜采用接零保护，但却普遍存在着安全隐患。有的钻机至今仍采取接地保护，其自动切断供电措施无法有效和可靠地断开。有的钻机虽然采取了接零保护，但却安装了超过30多个以上的PEN重复接地极，造成拆装、维护困难以及不必要的浪费。两年来，我们对四川50余个钻井队，长庆80余个钻井队的接地安全隐患情况进行调查，发现长庆钻总15531、40635、30688、30660等80余个钻井队发生的400多起电气故障或事故中，漏电或带电故障超过300起，占电气故障的70以上。川渝地区发生的设备漏电故障或事故也比较严重。漏电事故严重的原因，就是未按国家标准工业与民用电力装置接地设计规范中要求的采取接零保护方式，而错误地采取接地保护方式，如设备接地螺栓未接PE线或零线，导致相碰壳因接地电流小，断路器不跳，从而造成设备外壳带电的安全隐患。由于接零保护与接地保护不明确，虽然安装了超过30多个以上的PEN重复接地极，造成拆装、维护困难以及不必要的浪费，同时造成了大量的漏电带电故障与事故。2005年5月24日在长庆15531队发生的在营房内学徒触电身亡事故，就是典型的保护方式不当造成的安全事故。,引言,目前大多数钻机没有采取井场总等电位联结，有可能存在用电设备外壳带电的安全隐患。有的钻机采取TN-C系统，存在三相不平衡时因零线带电导致用电设备外壳带电。有的钻机没有专用的防雷接地极，导致防雷器失效。我们在川庆钻探经过两年多的实践，采取按TN-S系统设计新钻机、将在用钻机的TN-C系统改造为TN-C-S系统、采取接零保护和井场总等电位联结等技术措施，取得较好效果。,钻台一侧的接地极,钻台另一侧的接地极,振动筛的单独接地极,采取接地保护的接地极,1号油罐接地极,2号油罐接地极,一个电机一个接地极,有些是一个房一个接地极,不规范的接地极,一台电机一个接地极,接地保护的接地极,接地保护的接地极,,,,,1.系统接地型式与安全保护,石油钻机电气安装工程规范化研究技术报告,川庆钻探工程有限公司装备处版权所有所有权利全部保留2009,根据国标系统接地的型式和安全技术要求，系统接地型为分为TN、TT和IT系统。,1.1系统接地型式,,,,TT系统,IT系统,电网系统中性点有接地和不接地两种型式。高压传输电网，采取系统中性点不接地型式，当高压变压器的高压和低压绕组绝缘破坏时，高压侧的电源会患串入低压侧，低压侧电器设备上的电压可能导致设备损坏和人体触电等安全事故。在低压侧实行系统中性点接地后，可消除这一安全隐患。,,,,,1.2系统中性点接地的必要性,（1）无接地或接零保护的问题相间短路时，自动空开Q1可以断开，当某相碰壳时，设备金属外壳带电，且对地电压为220V，如果操作者与外壳接触，可能导致人身安全事故。,,,,,1.3中性点接地系统的安全保护,电动机无接地保护时“搭铁”的情况,（2）中性点系统采用接地保护存在的问题假定r04Ω，rD4Ω，C相对地电压U220V，因此，C相“碰壳”时接地电流iD计算如下,,,,,,,（1）,由式（1）可知，27.5A的电流，对于功率稍大的电动机而言，在电动机“相碰壳”时，不足以让断路器Q1断开，因此用电设备上长期带电。,,,,,,,用电设备上的电压UD为,,（2）,,中性点接地采用“保护接地”的问题,由式（2）可见，110V的电压，超出36V安全电压很多，因此可得出结论，中性点接地系统采用保护接地并不安全，宜采用接零保护。,,,,,,（3）中性点接地系统采用接零保护的优点当“相碰壳”时，碰壳电流通过用电设备外壳到零线形成回路，回流电流为短路电流，短时间内迅速上升达到断路器整定值，断路器跳闸，用电设备断电，不会造成人身触电事故。,,,中性点接地系统采用“保护接零”的情况,,国家标准施工现场临时用电安全技术规范[3]第1.0.3条规定在施工现场专用电源为中性点直接接地的电力线路中，必须采用TN-S保护接零系统，即电气设备的金属外壳必须与PE连接，这是一条强制性标准。国家标准工业与民用电力装置的接地设计规范[1]中第2.0.6条规定，中性点接地系统宜采用接零保护。,,,,,,（4）TN-C系统接零保护零断断线时存在的问题及PEN线重复接地中性点接地系统采用保护接零时，其零线断开时（见图8），电动机D2前端PEN线断开，当D2出现“相碰壳”故障时，D2外壳带电。由于PEN线断开，Q2不能通过PEN线形成闭合回路，因此断路器Q2无法跳，D2外壳带电故障会一直存在。由图上可以看出，与PEN断开后的所有电机外壳都带电，存在触电的安全隐患。,,,,,中性点接地系统采用“保护接零”时零线断开的情况,,,,,,中性点接地系统采用“保护接零”后，增加PEN重复接地，见下图。,,,,,中性点接地系统采用“接零保护”增加PEN重复接地的情况,,,,,,,（5）等电位联结不论是TN-C系统，还是TN-S系统，供电系统的用电设备的自动供电切断措施如断路器或熔断器等，都有可能因断N或断PE线造成带电事故，为了提高自动供电切断措施的可靠性和有效性，根据系统接地型式和安全技术要求规定，可采取总等电位联结和辅助总等电位联结两种措施。总等电位联结措施见下图。如果出现电动机D2出现断零故障，相碰壳后，断路器Q2通过总等电位联结线MEB形成短路回路，断路器断开，起到安全保护作用。,,,,总等电位联结,,,,,,,,等电位联接可在一定程度上降低金属构件之间和金属构件内间接接触电击的电压和不同金属部件间的电位差，并消除构件外经电气线路和金属管道引入的危险故障电压。并可防止过电压、直击雷、感应雷和雷电波的入侵，避免火灾、爆炸和生命危险。等电位联结可避免雷电电磁脉冲通过电子信息设备的交流供电线路及线路入侵并破坏电子信息设备，可以将静电电荷收集并传送到接地网，从而消除和防止静电危害。以MCC房为例，其总等电位联结见下图。,,,,,,,,,,,,,,MCC房总等电位分析,,,,ZT变压器绕组阻抗ZL相线阻抗ZPE1、ZPE2保护接地阻抗Zh人体阻抗RF鞋及地板电阻UR人体接触电压,不装总等电位联结时，因ZhRFZPE2,所以忽略其分流，故障电流为,（3）,接触电压UR为,,（4）,安装MEL后，人体接触电压为,,（5）,由式（5）可见，总等电位联结后，金属构件之间电位相等，人体接触电压仅为MCC房内PE电缆上的压降，不会有电击危险。,,有了总电位联结，当在负载侧发生接地故障后，如果故障回路阻抗过大，保护装置动作时间较长，仍存在危险，解决办法是在房内增加局部等电位联结LEB，见下图。,,MCC房局部等电位联结,有了LEB，减小了接地故障回路阻抗，故障电流Id大到足以缩短故障回路保护装置过电流动作时间，减小了电击事故。,（6）同时采用两种保护方式存在的问题当D2发生一相碰壳故障时，漏电电流经接地极至中性点。在两个接地极及周围大地上就会产生图中所示的对地电位分布，零线对地电压升高，可能使用电设备对地忽然放电，形成电火花，还可能导致防爆区内的爆炸事故。因此，TN系统不能同时采用两种保护方式。,,接地与接零保护混用,,（7）TN-C系统三相负载不平衡时存在的问题三相负载不平衡时，不平衡电流在零线上产生压降，其电流的大小与负载不对称程度及负载的大小有关。一般情况下，大量非线性电气设备产生的高次谐波电流可能叠加到零线上，造成人体接触零线或设备外壳，也会产生麻电的感觉。当三相负载严重不对称时，零线中的电流可能大于相线电流，接零设备外壳会呈现危险电压。因此TN-C系统应改造为TN-S或TN-C-S系统后，PE线无电流存在，消除用电设备外壳带电的安全隐患。,,,1.4井场总等电位联结的理论简介,,1、概况,2、电位差与稳恒电场,式中，E总等电位联结母线MEL内总电场，B磁感应强度，H磁场强度，D电位移，j传导电流密度，自由电荷密度，位移电流密度。,由可知稳恒电流的磁场为稳恒场，磁场不随时间改变。这个稳恒场结论是井场总等电位的理论基础。,稳恒电场自由电荷密度不随时间改变，此为稳恒电流条件。,经以下推导,得到以下结果,,,,3、静电场与等电位联结母排MEB的理论基础,等电位母排达到静电平衡时，根据电位差定义，MEB内任意两点x1、x2的电位差为,由此得出MEB内各点电位相等，MEB表面是等位面，因此在静电场下,MEB是等电位体。,MEB,4、雷击电场与井场总等电位联结母线的理论基础,取MEL线路电路，导线在始端与终端的两个截面，设面积为ΔS，它与导线侧面组成封闭曲面S。由于电流密度沿导线轴向，所以上式积分为,经推导，得出电流连续方程,电路理论成立。,使上述积分为0，就要求或,将等电位母排延伸为井场总等电位联结母线的条件。,（1）工频波长C299792458m/s，取l100m。工频交流电压的1/4波长为,0.02C/40.02299792458/41498962.29（m）l,810-6C/4810-6299792458/4≈600（m）l,10-4C/410-4299792458/4≈7495（m）l,5、波长与MEL长度,所以工频电压把等电位端子作延伸为等电位母线是可行的。,按雷电流的等效频率10kHz计算，其1/4波长为,所以，雷电脉冲下，MEL仍满足似稳条件，MEL中可近似视为等电位母线。,（2）雷击电流波长8/20us雷电流陡波的1/4波长为,,,,5、井场总等电位母排长度根据以上推导，我们在川庆的标准中规定，井场总等位联结母线最大长度L为150m。,1.5石油井场防雷接地理论简介,双曲线函数,跨步电压差,接触电压差,钻机对地电位分布曲线,土壤散流电流时的散流电阻,接地装置散流电阻,由上两式得钻机对地电压和电阻,,2石油钻机安全隐患整改实践,石油钻机电气安装工程规范化研究技术报告,川庆钻探工程有限公司装备处版权所有所有权利全部保留2009,2.1TN-C系统改造为TN-S或TN-C-S,新制钻机直接采用TN-S系统，见图14（1）。将在用钻机TN-C系统整改为TN-C-S系统，见图14（2），具体整改方法如下。VFD/MCC房内的改造。将PEN母排改造为N母排和PE母排，然后将用电设备外壳从原PEN母排上拆下，与PE母排相连。在VFD/MCC房出线柜处输出N线和PE线。动力输出及电机启动器的改造。一是将VFD/MCC房输出的三相PEN线改为三相PE，二是将电机交流接触器及控制回路改为380V。井场电缆及防爆接插件的改造。VFD/MCC房向井场输出动力供电后，因动力输出无需N线，因此仍可利用原有的四芯电缆和插头进行供电。照明电缆为三芯电缆，仅需在VFD/MCC房出线柜处将未用的黄绿线连接上PE输出。,,,,,,,TN-S,TN-C-S,,2.2中性点接地,,,,,,400V发电机组，如采取TN－C系统，两台发电机馈电柜零母排互连，将其与房外接地极连接构成系统中性点接地；如采取TN-C-S系统，发电房至VFD/MCC之间是三相加PEN线，VFD/MCC房内将PEN分开为N和PE母排，因此其中性点接地在VFD/MCC房内；600/690V发电机组，通过三相三线制输出到MCC房600/400V主变压器，通过变压器零母排与接地极连接，形成中性点接地。,2.3接地保护改造为接零保护,,,采取接地保护（TT）系统的机械钻机配电系统,,采取接零保护（TN）系统的机械钻机配电系统,,E1、E2柴油发电机组A0、A3发电机控制柜A1、A4发电机馈电柜A2、A5发电机联络柜B1MCC房总开关柜B2、B3软启动柜B4、B5动力配电柜B6照明配电柜Q1生活区开关r0系统中性点接地极rDPEN线重复接地极,,,接地保护改造为接零保护的方法如下将VFD/MCC房内用电设备金属外壳接地螺栓与原PEN母排的连接拆掉，与PE母排连接；将VFD/MCC房出线柜输出的三相四芯动力线的黄绿线从原PEN线上拆掉，改为与PE线输出连接；将井场照明用具的接地螺栓或金属外壳与原PEN线的连接拆掉，重新与PE线连接。检查井场电机接线盒中的电缆黄绿线是否与电机接线盒内接地螺栓连接。,2.4总等电位联结整改,,,对采用400V发电机供电的钻机而言，总等电位联结母线分为井场总等电位联结母线、值班房总等电位联结母线和生活区总等电位联结母线。,,井场总等电位联结,,,,值班房等电位联结及防雷接地,,,,,生活区等电位联结及防雷接地,,,,,,电动钻机的总等电位联结,,,,2.5防雷接地整改方案,,在队长室和会议室安装单相电源防雷箱，将防雷保护设备电源插在防雷插座上，将防雷插座的插头插在防雷箱插座上，将防雷箱的插头插在房内电源插座上。在队长室和会议室外单独埋设防雷接地极，将其与房内的防雷箱连接，在生活区总开关处，安装三相电源防雷箱，在生活区安装单独的防雷接地极，将其与生活区防雷箱连接。,3.实践效果,石油钻机电气安装工程规范化研究技术报告,川庆钻探工程有限公司装备处版权所有所有权利全部保留2009,,经在川西钻探、川东钻探使用2年，在70台TN-C系统钻机上采用总等电位联结后，有效地避免相碰壳时因零线断线造成用电设备外壳带电隐患，在30余台70LDB钻机使用TN-C-S系统和井场总等电位联结后，有效地避免了因三相不平衡时零线带电造成的用电设备外壳带电隐患和因相碰壳时因PE断线造成用电设备外壳带电事故。在10台钻机上采用TN-S系统和井场总等电位联结母线后，有效地避免了因三相不平衡零线带电造成用电设备外壳带电和因相碰壳时因PE断线造成用电设备外壳带电事故。经在川西钻探、川东钻探全部钻机上采取接零保护和总等电位联结后，完全消除了相碰壳时断路器不脱扣的安全隐患。,4.问题分析实例,石油钻机电气安装工程规范化研究技术报告,川庆钻探工程有限公司装备处版权所有所有权利全部保留2009,问题一材料房搭铁漏电故障,,长庆钻总15144队，员工反映材料房带电，经检查发现房下一根电缆磨损搭在房体上造成搭铁漏电，对电缆进行绝缘处理后恢复正常。（长庆钻总15144队刘卓提供）。分析系统接地型为TN-C，接地保护，无等电位联结，无漏电保护开关，见图3-1。电缆磨破后相线与材料碰壳，房体带电。由于采取接地保护，接地电阻不是很小，因此接地电流较小，不足以让材料房配电开关跳，材料房内总开关更不会跳闸，因此材料房外壳一直带电存在安全隐患。对电缆进行绝缘处理后，外壳不再带电。,,,整改措施一是采取TN-C-S系统接地型式；二是采取接零保护，在材料房内将N与房体内部接地螺栓连接；三是进行等电位联结，将房体与其他房体通过等电位母线联结，见下图。采取整改措施后，当再次出现电缆搭铁时，房体通过PE线、断路器Q1形成回路，故障电流使断路器Q1跳闸。如果PE线断线，可通过等电位线MEL与断路器Q1形成回路，断路器Q1仍可跳闸。材料房搭铁会使材料房开关Q1跳，上一级开关Q0不会跳闸，不会影响其他用电。,,,问题二水罐带电故障,,长庆钻总15144队，员工反映水罐漏电。检查水罐线路、电机和电器开关后未发现问题，将水罐电源开关断开后，仍漏电，最后发现驻地电缆破损与水管搭铁，将电缆进行绝缘处理后一切正常。（长庆钻总15144队刘卓提供）。,,,,分析系统接地型为TN-C，驻地配电柜为接地保护，无等电位联结，无漏电保护开关，见图。电缆磨破后一相与水管搭铁，导致水罐带电。由于采取接地保护，接地电流较小，不足以让驻地配电开关断开，因此水罐一直带电。对电缆进行绝缘处理后，搭铁故障消除，水罐带电。整改措施一是采取TN-C-S系统接地型式；二是采取接零保护，在驻地总开关柜内将N与房体接地螺栓连接；三是进行等电位联结，将房体与其他房体通过等电位母线联结，见图。采取整改措施后，当再次出现电缆一相碰水管时，驻地开关Q0通过PE线形成回路，故障电流使断路器Q0断开。如果PE线断线，可通过等电位线MEL与断路器Q0形成回路，断路器Q0仍可自动断开。,,,,,,,问题三井架照明电缆搭铁故障,,安装完毕后，送电后井架带电，经检查发现井架照明单相接地。（长庆钻总30660钻井队李小春，30672队李卓提供）。,,,,,分析系统接地型为TN-C，钻台配电柜为接地保护，无等电位联结，无漏电保护开关，见图。井架照明电缆磨破后与井架搭铁漏电，由于采取接地保护，接地电流较小，不足以让钻台配电开关断开，因此井架一直带电。整改措施一是采取TN-C-S系统接地型式；二是采取接零保护，在钻台配电柜内将接地螺栓与PEN线连接，将照明灯具接地螺栓与PE电缆连接；三是进行等电位联结，将钻台配电柜与钻台、井架进行辅助等电位联结，见图。,,,,,,,,,问题四配电房输出接线柱冒烟故障,,时间2006年7月13日1300，地点塞27-21井。发电工在岗位巡查时发现配电房输出接线柱冒烟，经大班检查后判断，该相线已烧断。处理经过如下停电后检查发现接线柱螺母松动，接线端子因接触不良导致发热冒烟。主要原因是日常维护不够。（40-3钻井队刘伟提供）。,,,,,,分析电缆接线端通过螺母固定在接线柱上，如果未将螺母旋紧，接线端与接线柱接触不良，导致接线柱和电缆接线端局部电流过多发热，相线因温度过高而烧断。整改措施除安装时拧紧接线柱压紧螺母外，使用过程中加强检查，通过观察发现接线柱是否正常，如发现电缆接线端子处温度过高，应及时停电检查接线柱压紧螺母是否拧紧。,,,,,问题五接插件内相线螺母脱落故障,,时间2009年9月27日15；20，地点坊97-101。副司钻启动排污泵时，连续两次操作未能正常启动。经检查，发现排污泵快速接插件插头内一相线旋紧螺母脱落，幸好相线未与插头金属壳体接触，避免了一起电击事故的发生。（40-3钻井队刘伟提供）。,,,,,,,分析插头内相线压紧螺母松动，相线可能脱落与外壳接触，造成插头外壳带电。如果插头内有绝缘子，应该没有问题。但如果插头内没有绝缘子，就有可能因脱落与外壳接触，但只要插头与磁力启动箱固定良好，磁力启动箱内接地螺栓与PE端连接，实现接零保护，一旦出现相碰壳，开关Q1可自动断开。整改措施检查插头内绝缘子是否安装良好，确保螺栓脱落时不会出现相碰壳故障。,,,,,,问题六床下检修电线触电身亡事故,,2005年5月24日，长庆钻总15531队旧活动房内。某师傅在活动房内洗澡时，水流到床下。床下突然漏电冒起火花。该师傅叫学徒拉掉房内开关后，让学徒到床下检查电线。学徒爬到床下检查电线时，突然触电身亡。经调查，该旧活动房断路器控制的是零线而不是火线。断路器虽然断开，但火线仍处于接通状态。在以后检修电路时，没有电工证和非专业人员严禁从事检修作业。作业时要开始临时用电作业许可票，停电、验电、架警示牌和派专人监督。（长庆钻总李安提供）。,,,,,,,分析系统接地型为TN-C，活动房为接地保护，无等电位联结，无漏电保护开关，见图。房内相线未接开关，PEN接有开关。检修时，PEN断开，因此相线通过接地极形成漏电回路，相线带电110V。问题是触电时上一级开关为什么不跳其原因是，一是房内未安装漏电保护开关，二是接地保护漏电时接地电流过小，虽然足以让人死亡，但却仍不能让上一级开关自动切断。技术整改措施1、正确将相线接入断路器Q1，确保断闸时切断相线。作为定期自检，应将检查内容填入设备运行记录中。2、房内安装漏电保护开关。3、其余措施为采取TN-S系统、接零保护、等电位联结等。管理措施没有电工证和非专业人员严禁从事检修作业。作业时要开始临时用电作业许可票，停电、验电、架警示牌和派专人监督。,,,,,,5.结语,石油钻机电气安装工程规范化研究技术报告,川庆钻探工程有限公司装备处版权所有所有权利全部保留2009,,（1）TN-C系统是中性点接地系统，在石油钻机上不正确地采用接地保护时，用电设备相碰壳时因接地电阻过大造成接地电流不够大，自动切断装置无法有效和可靠地切断，造成设备外壳带电的安全隐患。（2）采取接零保护的石油钻机TN-C、TN-C-S和TN-S系统，采取总等电位联结，可提高自动供电切断措施的有效性和可靠性，防止相碰壳时因PEN或PE断线时用电设备外壳带电的安全隐患。具体方法是安装井场、值班房和生活区等三种总等电位联结母线。（3）井场总等电位联结母线总长不应超过150m，在井场内侧将固控罐、空压房、VFD/MCC房、泵房、钻台底座和发电房连接起来，在发电房外侧统一接地，同时在钻台底座通过套管接地，其余金属结构可采用辅助等电位联结导线连接。,,（4）值班房总等电位联结母线和生活区总等电位联结母线采取树干式方法进行连接，并在两端统一接地。队长室、会议室和生活区防雷箱应安装交流电源防雷箱。每个防雷箱应单独安装防雷接地极。生活区总开关后应安装防雷箱，并将其与单独的防雷接地极连接。（5）TN-C系统采取接零保护后，当三相不平衡时零线带电，造成用电设备外壳带电，因此应将TN-C系统改造为TN-S或TN-C-S系统。将石油钻机从TN-C系统改造为TN-S或TN-C-S时，应将VFD/MCC房内的PEN母排改造为PE母排和N母排或零线连接箱，同时应将井场电机统一为三角形接法电机，将井场电机启动器控制电压统一为380V，可将VFD/MCC房井场动力输出统一为三相PE四芯输出，将照明输出统一为单相NPE三芯输出。（6）采用漏电保护器和接地保护对于固定场所是很好的保护方式，但对于频繁搬家的钻井队而言，由于接地电阻难以达到接地保护要求，因此适合采取保护接零、TN-C-S或TN-S系统以及总等电位联结等综合措施，同时加强对PEN线、N线、PE线和总等电位联结母线和辅助等电位联结线的检查和维护。（7）转盘电机、绞车电机和600V发电机等，应具有较好绝缘能力，防止相碰壳较高电压进入其他设备外壳。,参考文献,,[1]GBJ65-83工业与民用电力装置的接地设计规范[2]GB14050-2008系统接地的型式及安全技术要求[3]JGJ46-2005施工现场临时用电安全技术规范,,,,欢迎批评指正谢谢,石油钻机电气安装工程规范化研究技术报告,川庆钻探工程有限公司装备处版权所有所有权利全部保留2009,