海洋石油平台电伴热漏电保护设计研究

于林

摘 要：海洋石油平台低压配电多采用IT不接地系统，如果配置不当，漏电断路器无法对电伴热回路起到相应保护作用，从而发生漏电风险，给海洋石油平台的安全生产带来一定的隐患，因而可靠的供电和保护电路设计是确保电伴热安全运行的前提之一。文章通过工程实例和对标准规范的分析，对电伴热漏电保护电路设计进行了探讨，对不同的设计方案进行了分析比较，并对电伴热漏电保护设计提出改进建议。

关键词：海洋石油平台;电伴热;漏电保护;IT系统

1 问题的提出

根据CCS《浅海固定平台建造与检验规范》要求，需要对电伴热回路假装漏电保护单元，具体条文要求如下：

目前海上低压接地系统采用的IT中性点不接地的方式，即便在电伴热回路加了漏电保护，由于中性点不接地的原因，无法形成有效的漏电流通路，漏电保护无法启动断路器跳闸，也就无法发挥作用。实际设计过程中为此与CCS船检审图部门进行过多次沟通探讨，最终为了满足规范及审图要求，每个回路还是象征性的加了漏电保护单元，但实际并没有起作用。

为此针对海上IT系统电伴热回路到底是否需要加装漏电，加了漏电如何发挥作用的问题进行了进一步研究。

2 电伴热回路是否需要加漏电

由于电伴热与热水伴热和蒸汽伴热相比具有节能、放热均匀、换热效率高、无泄漏隐患、温度控制准确快捷、占用空间小等优点，目前在海洋石油平台上一般采用电伴热的方法对管道和设备进行保温。尽管电伴热具有其他伴热不可比拟的优点，但实践证明这种伴热方法也存在一定的漏电风险：

①电伴热电缆敷设完毕后，需用保温岩棉对管道、设备和容器进行包敷保温，在保温岩棉的施工过程中，有可能损伤电伴热电缆护套和绝缘，留下漏电或接地隐患;②电伴热电缆本身为发热源，即使自调控型电伴热电缆具有正温度系数电阻（PTC）特性，从理论上讲不会因为过热而达到防爆场所的温度极限或烧毁电缆，但在温度反复变化过程中，电缆绝缘层相对来说会老化得快些，当电伴热电缆的允许使用期限小于平台的服役期限而未对电伴热电缆及时更换时，就可能发生漏电或接地故障;③伴热管道的法兰、阀门等设备连接处在长期工作中可能出现少许液体渗漏现象，如未及时发现或维护不当，渗漏的液体将降低电伴热电缆的绝缘性能，如侵入其绝缘薄弱处或各接头处，也可能导致漏电或接地故障。

综上所述，电伴热回路加装漏电保护是有必要的。

3 国内外主要标准对电伴热配电和漏电保护的要求

正因为电伴热漏电或接地故障会给海洋石油平台带来安全隐患，所以IEEE Std 515、API RP 14F、NFPA 70、《浅海固定平台建造与检验规范》和《海上固定平台安全规则》等国内外标准均对电伴热线路提出了漏電保护的要求。IEEE Std 515标准为国际上应用最广泛的针对电伴热试验、设计、安装和维护的专用标准，美国石油协会（API）标准对电伴热的要求也引用IEEE Std 515 作为标准依据。《浅海固定平台建造与检验规范》是中国船级社（CCS）编制的标准，为国内海洋石油平台的设计和检验依据之一。这两个标准均提出：电伴热负荷采用专用变压器供电，变压器二次侧应采用接地系统;每个电伴热电路应具有高阻接地（即漏电）和短路故障保护能力。在其漏电电流超过30 mA时，应能自动断开该电伴热线路电源。《海上固定平台安全规则》也是国内海洋石油平台的设计和检验依据之一，其中也提出“电伴热带及配套使用的控制电气设备应设有过载、短路及漏电流的检测、控制和保护装置”的要求。上述三个标准均提出了对电伴热负荷采用漏电保护装置的要求。其中IEEE Std 515和《浅海固定平台建造与检验规范》对漏电保护方案提出了较明确的要求，即采用专用变压器供电的中性点接地（TN-S）供电系统，并配备漏电保护装置但《海上固定平台安全规则》未对设计方案进行具体描述。

根据我们的理解， IEEE Std 515和《浅海固定平台建造与检验规范》中要求加专用变压器的作用有两个：

①无论平台整体供电系统如何，通过变压器将电伴热的供电转换为中点接地（TN-S）供电系统，保证了漏电保护器在电伴热发生漏电或单相接地故障时动作;②使电伴热负荷与其他负荷隔离，限制故障范围，不同类负荷的故障彼此不受影响，如当需要对电伴热二级或三级供电保护进行脱扣时，不会对照明等其他电路产生影响。

根据对相关规范条文的理解，最有效的方式是对电伴热回路采用单独的电伴热变压器，与其他照明负荷分开。变压器低压侧采用中性点接地的TN系统，相关配出回路加装漏电一定可以正常发挥作用，这也是漏电保护基本功能，具体原理不再赘述。

4 改进措施

根据以上论述，结合相关规范要求，采用TN接地系统的专用电伴热配电变压器是可以解决漏电保护正常发挥作用的问题，但在目前海洋平台的低压配电系统中，规范也明确要求不得以平台钢结构作为导通回路，为了安全起见，埕岛油田和中海油的平台设计中，均完全采用IT中性点不接地系统，如果为了电伴热的配电使得局部接地变为TN系统，则会出现IT系统和TN系统混用的情况，给运行维护带来不便。通过进一步研究，认为采用以下方式会更加优化：

①维持规范要求中的电伴热专用变压器，但二次侧依然不接地，与平台整体接地系统保持一致;②220V母线侧加装绝缘监测装置，整个系统出现漏电情况，可以发报警信号至中控;③每个电伴热回路设置漏电保护，这主要是为了发生多回路二次接地故障时可以有效动作;同时为每路配出加装零序互感器，这样单独回路发生漏电故障，虽然无法切除故障，但可以显示故障回路，简而言之就是增加了接地选线功能，这样运行过程中可以指示维修人员快速对故障进行及时处理，避免事故进一步扩大，提高了供电可靠性。具体选线的原理在此也不再展开论述。

改进后的电伴热配电系统接线图如下图所示：

图中EFM为母线绝缘监测装置，ZCT为分回路零序电流互感器。

5 结论

①IEEE Std 515和《浅海固定平台建造与检验规范》目前只认可电伴热中性点接地系统（TNS）的设计方案，而中性点不接地系统（IT）更具优点，建议以后修订时予以考虑采纳;②建议IEEE Std 515、《浅海固定平台建造与检验规范》和《海上固定平台安全规则》在以后的修订版中能按TN-S和IT供电系统分别对电伴热的漏电/绝缘保护提出明确要求，如增加在IT 供电系统时采用电伴热专用绝缘监测装置的要求，明确规定IT系统下每路电伴热负荷是否还应装设漏电断路器的条款等。但我们从生产和安全的角度考虑认为，海上石油平台的电伴热在IT 供电情况下仍应保留漏电断路器;③建议电伴热负荷的供电和漏电保护方案应按照整个平台的供电方式、伴热管道的工艺要求、平台的维修保养能力和管理水平等多种因素综合考虑;④IT供电系统虽然具有安全可靠的特点，但对于海洋石油平台电伴热工作的实际情况，如果设计考虑不周，仍然存在一定的安全隐患。IT供电系统下，一个完善的电伴热供电系统应该包括如下部分：a.独立的电伴热专用变压器供电;b.每个电伴热变压器负荷端应装设一套绝缘监测报警装置以实现对各负荷线路的整体绝缘水平的监测;c.每个独立电伴热回路宜装设零序电流互感器对漏电流进行实时监控，以帮助判断该回路一次漏电或接地故障。