现代石油井场电气安全实践

第一篇　石油井场安全基础

第一章　电气安全防护

第一节　电气安全防护标准体系

电气设备是否安全有两种方法来衡量，一是安全事故，二是标准。消除一种事故不等于不发生另一些事故，而执行安全技术标准是保证电气设备安全的最好办法。

我国电工电子技术领域主要采用国际标准，特别是IEC标准，如电气装置类标准包括有：IEC/TC44（机械安全—电工方面）、IEC/TC64（电气装置和电击防护）、IEC/TC71（户外严酷条件下电气装置），涉及基础安全标准方面包括：IEC/TC28（绝缘配合）、IEC/TC64（电气装置和电击防护）、IEC/TC70（外壳防护等级）、IEC/TC73（短路电流）、IEC/TC77（电磁兼容）、IEC/TC81（雷电防护）。

我国对IEC/TC类标准大部分得到了采用，其中IEC/TC64（电气装置和电击防护）以对电气装置的设计、安全防护、设备选择、安装、检验要求具有典型性和权威性。其他的基础安全标准分散在各个IEC/TC中，分别从不同的方面规定安全要求，如外壳防护、绝缘配合等，这些基础安全标准适用于所有的电气装置和电气设备。

本篇的目的，是介绍石油井场电气装置和电气设备的典型设计、设备选择、安全防护、安装和检验的要求，将这些基础安全要求加以整理集中，以利于石油电气设计人员、现场维护人员以及电气设备管理人员使用。

第二节　IEC和电气装置、电气设备的概念

一、国际电工委员会（IEC）

IEC是国际电工委员会的英文缩写，是世界上成立最早的电工技术领域的非政府性国际标准化机构，成立于1906年6月，1947年曾并入国际标准化组织（英文缩写为ISO），1976年又从ISO中分立出来。

IEC通过出版包括国际标准在内的出版物实现在电工电子学领域的标准化及有关事物方面的国际合作。IEC还是联合国社会经济理事会的甲级咨询机构。目前IEC有63个成员国，中国于1957年8月加入IEC，并于1980年进入IEC执行委员会。

IEC有三个认证体系，电子元器件质量评定体系（IECQ）、电气设备检测与认证体系（IECEE）和防爆电气安全认证体系（IECEx）。

二、电气装置、电气设备的概念

在电工电子技术领域中，电气装置和电气设备项目是两个不同层次的术语和概念。IEC有关标准定义如下：

电气装置（electrical installation）：是指用以实现特定的一个或多个目的，且特性相互匹配的相关电气设备的组合。

电气设备（electric equipment）：是指用于发电、变电、输电、配电或利用电能的诸如电机、变压器、开关和控制设备、测量仪器、保护器件、布线系统和用电设备的设备。

从电气设备定义可以看出，石油井场电气设备是指与发电、变电、输电、配电和用电相关的具有某些功能的产品，如柴油发电机组、变压器、井电、电动机、磁力启动器、钻井参数仪、电力布线以及用电的设备等。

电气装置又称为电气设施、成套电气设备。根据IEC标准的定义，电气装置具有三层含义：它是相关电气设备的组合；它们为实现一个或多个特定目的而组合；这些设备的特性相互匹配。石油井场的井电是MCC房、总开关柜、降压启动柜、馈电柜、电缆布线、照明设备、电缆槽等相关电气设备的组合，因此井电的全称为石油及天然气钻机配供电装置，这个定义是准确的。我国习惯把发电机及控制系统、电动机直流或交流驱动系统等合称为电传动系统，采用“系统”这个名词，与“装置”相当。

三、IEC/TC64

IEC/TC64即国际电工委员会第64技术委员会，其专业名称为“电气装置和电击防护（Electrical Installations And Protection Against Electric Shock）”。

IEC/TC64负责组织制定和修订的标准分为两类，第1类是IEC60364《建筑物电气装置》系列标准，它规定的安全防护原则、设备的选择和安装原则、检查和测试原则，对所有电气装置都具有参考或指导作用。第2类是电击防护基本安全要求标准。IEC/TC64承担了有关电气设备、装置和系统的电击防护基础安全标准的主导作用，由它负责制定和修订的标准如下：

IEC 60364-4-41《建筑物电气装置 4-41：安全防护—电击防护》；

IEC 60364-5-54《建筑物电气装置 5-54：电气设备的选择和安装—接地配置、保护导体和保护联结导体》

IEC 60449：2001《电击防护　装置和设备的通用部分》。

第三节　IEC 60364系列标准和IEC有关电气装置和安全防护标准的采用

一、IEC 60364系列标准简介

IEC 60364系列标准见表1-1。

表1-1　IEC 60364系列标准在我国等同采用对应表

（续表）

二、IEC有关电气安全标准的采用

IEC/ACOS是IEC的安全咨询机构，其主要职责是协调IEC有关安全标准和其他标准中的安全条款的制定和修订。

IEC/ACOS在IEC导则104中列出的一个由IEC/ACOS确认的安全基础标准，基本被我国等同采用。见表1-2。

表1-2　IEC电气安全基础标准在我国采用的情况

电击防护直接与人身安全相关，因此我们特别关注有关电击防护的基础标准的研究和使用。

第四节　电气装置设计安装基本原则

本节参考国家标准GB 16895.1—1997（IEC 60364-1：1992）《建筑物电气装置 第1部分：范围、目的和基本原则》，结合石油井场特点，介绍为保证石油井场电气装置在预定条件下安全运行和提供应有功能而制定的设计和安装准则。

一、安全防护原则

石油井场电气装置在使用中甚至合理使用中，仍可能发生危险和损害。电击电流和因温度过高可能引起的灼伤、着火和其他有害的效应。本节内容是针对电气装置在石油井场使用中可能发生的危险和损害而提出的防护原则，其目的是保障人和设备的安全。具体防护原则如下：

（一）电击防护原则

电击防护包括直流接触防护和间接接触防护。

直接接触防护即对于人可能触及电气装置带电部分所发生的危险应予以防护。

防护方法如下：

防止电流从人体上通过；

将通过人体的电流值限制到低于电击电流值。

间接接触防护即对于在故障情况下人触及外露可导电部分可能发生的危险应给予防护。可采取以下方法：

防止故障电流从人体通过；

将能够通过人体的故障电流值限制到低于电击电流值；

在故障情况下，当人体触及外露可导电部分，致使人体通过一个其值等于或大于电击电流值时，在一个规定的时间内自动切断供电。

在间接接触防护中，采用总等电位联结措施可以显著降低预期接触电压，因此是有关电击防护的重要原则之一。

（二）热效应原则

石油井场电气装置的布置应满足以下条件：

不会发生易燃物由于高温或电弧而被引燃的危险；

在设备正常运行期间，人不会有被灼伤的危险。

例如在油罐区附近布置动力或照明电缆时，应考虑到如果油罐区燃油被高温引燃时，是否会因燃料的高温导致危险。在井场水电安装时，水电安装人员在油水罐区附近敷设电缆时，往往从防爆角度考虑电缆与油罐区的距离，如果按照API标准，距离油罐外表面3m以外就是不分类防爆区域，但如果在这个区域敷设电缆，就不符合热效应原则。如果油罐区内易燃物由于高温引爆或引燃，动力电缆就会受到损害。

（三）过电流保护原则

当带电导体中一旦出现由于过电流而引起的高温或机电应力时，应当保护人不受到伤害以及设备不受到损失。保护方法如下：

在过电流达到危险值（计及过电流的持续时间）之前，自动切断它；

在电流持续时间内，将最大过电流限制在安全值内。

（四）故障电流防护原则

有可能承受故障电流的导体，应能承受故障电流而不会达到过高温度。对于石油井场电气设备，包括营房配电，都应特别注意对接地故障电流和漏电流的防护。

对于带电导体而言，满足过电流保护的要求即可保证它们对故障引起的过电流防护。

（五）过电压保护原则

当供电电压在不同的电路的带电部分之间发生故障时，应保护人不会因此受到伤害，设备不会受到损失。

过电压保护也包括由于其他原因（如雷击或操作过电压）出现过高的电压。

二、电气装置设计原则

设计石油井场电气装置时，要求考虑以下因素：

（1）导线截面积

确定导线截面积时，应考虑导体允许的最高温度、允许的电压降、因短路可能出现的机电应力、可能遭受的其他机械应力、与短路保护功能有关的最大阻抗。

（2）布线方式和安装方法

需要考虑场所的性质、人对布线的接近程度、线路电压、短路时可能出现的机电应力。

（3）防护用设备

需要考虑过电流（过负荷、短路）、接地故障电流、过电压、低电压和失压等。

保护用电器应在与回路特性和发生危险的可能性之间出现具有适当关系的电流值、电压值和时间条件下动作。

（4）应急控制

在发生危险时需要立即切断供电的地方，应当装设断电器件。这种器件应易于识别，并能有效快速地动作。

（5）隔离器件

出于维护、测试、检查故障或修理的需要，应设置隔离器件，以实现对电气装置、回路或设备的隔离。

（6）相互影响的防止

电气装置的布置应避免该装置与其他装置之间的相互不利的影响。

（7）电气设备的易接近性

电气设备的安置应根据需要留有足够的空间，以便于电气设备的初装和以后更换个别项目，同时其操作、测试、检查、维护和修理时易于接近。

三、电气设备的选择原则

电气装置中选择的每项电气设备都应符合相应的国家标准或IEC标准。

（一）特性的选择

所选择的电气装置，除应具备与电气装置设计所依据的数据和条件相适应的适当的特性，更要满足电压、电流、频率和功率的要求。

电压的要求即电气设备应适用可能施加的最高稳定电压（交流电压即有效值）以及可能出现的过电压。

电流的要求即电气设备应按正常运行时承载的最大稳定电流（交流电压即有效值）来选择，同时还要按在规定的时间内，在异常情况下承载的电流（如果装有防护用器件，达到此电流的时间就是该器件的动作时间）来选择。

选择的设备额定频率应与回路中可能出现的频率相适应。

所有按照功率特性选择的电气设备，都应适应其工作方式的要求，考虑负荷系数和正常工作条件。

（二）安装条件的选择

所选择的电气设备应可靠地经受住石油井场各种外力和可能遇到的特有的环境条件的影响。如果某项电气设备的设计性能未能与石油井场相适应，则应在配置了合适的补充保护后方可使用。

（三）防止有害影响

功率因数、电涌电流、负荷的不平衡以及谐波等有害因素不应对所选择的电气设备产生有害影响，也不应在正常运行期间（包括开关操作）对电源特性有所伤害。

四、电气装置的安装和验收原则

（一）安装

电气装置的安装应确保做到以下几点：

1．为电气装置的安装提供合格的、熟练的人员和适用的材料；

2．电气设备的特性在安装过程中不受到损害；

3．应按国家标准对导体进行标识；

4．导体之间及导体与其他电气设备之间保证安全和可靠的连接；

5．确保设计所要求的冷却条件；

6．妥善安置或遮护所有可能产生高温或电弧的电气设备，以消除易燃材料被引燃的危险。如果电气设备裸露部分的温度可能伤害到人体，这些部分应妥善安装或加以遮护，防止人员触及。

（二）验收

电气装置在投入使用前和进行任何重要改装之后，应进行检查和验收，以验证所完成的工程符合标准。

第五节　电气装置的特性评价

在对电气装置进行设计，特别是在选择安全防护措施时以及选择设备和安装设备时，应当对装置的下列特性加以评价：

装置的效用、电源和结构；

装置外露时所受的外部影响；

装置内设备的兼容性；

装置的可维护性等。

一、效用、电源及其结构

石油井场电气装置的设计应当考虑经济性和实用性，实际上是在发热和电压降允许的范围内确定装置或其一部分的最大需求。在确定装置的最大需求时，可以考虑多样性。

（一）钻机配供电装置的类型

1．带电导体系统的类型

石油井场电气装置的带电导体类型一般为三相四线制或三相五线制的交流系统。除了系统中的相导体外，中性（N）导体、保护中性（PEN）应视作带电导体，保护导体（PE）不应视作带电导体。

2．系统的接地类型

电气装置的系统接地类型可用下述字母代号形式表示：

XX-X-X

其中，第1个X表示电源系统对地之间的关系，分别使用以下字母：

T：表示一个点直接接地；

I：表示所有带电部分与地隔离，或一个点通过阻抗接地；

第2个X表示装置的外露可导电部分对地之间的关系，分别使用以下字母：

T：表示装置的外露可导电部分直接接地；

N：表示外露可导电部分与电源系统的接地点直接电气连接（在交流系统中，电源系统的接地点通常是中性点，如果中性点无法有效接地，则可将一个相导体接地）。

第3个和第4个X（如果存在）用于表示中性导体（或中间导体）和保护导体的配置，分别使用以下字母：

S：表示保护功能用一根独立于中性导体（或中间导体）或接地的单独导体提供；

C：表示中性导体（或间导体）和保护功能组合在一根导体（PEN或PE导体）之中。

TN系统的电源有一点直接接地，装置的外露可导电部分通过保护导体与该点连接。根据中性导体（或中间导体）和保护导体的配置方式，TN系统可分为如下三类：

TN-S系统：在整个系统中使用一根独立的保护导体；

TN-C-S系统：在系统的某些部分，中性导体（或中间导体）和保护功能结合在一根导体中。

TN-C系统：在整个系统中，中性导体（或中间导体）和保护功能组合在一根导体中。

有部分专家将TN-S系统称为三相五线系统，将TN-C系统称为三相四线系统（如图1-1所示），将TN-C-S系统称为三相四线和五线混合系统，另外一些专家按照带电导体系统分类，认为TN-S 和TN-C系统中的相线和N线都是带电导体，PE线不算是带电导体，因此认为TN-S和TN-C都是四根带电导体，因此都算是三相四线系统。另外一些专家则认为三相五线这个提法极不科学，因此准确的提法还是称为TN-S和TN-C系统。

图1-1　TN-S和TN-C系统

由于石油井场一般都采用TN系统，因此我们不再解释TT、IT和直流系统。

（二）电源

石油井场的电源主要是柴油发电机组，需要评价的特性如下：

电流和频率特性；

标称电压；

受电点的预短路电流；

包括最大需求在内，装置所要求的适用性。

由于自带发电机组，所以不考虑应急电源的评价。

（三）装置的组成

井场电气系统应划分为几个必要的回路，以实现以下目的：

在故障时避免危险并将麻烦最小化；

便于安全检查、测试和维护；

考虑由单相回路（如井场照明回路）故障可能产生的危险。

井场电气系统中需要独立控制的部分应当提供单独的配电回路，以保证这些回路不会受到其他故障回路的影响。

二、外部影响分类

电气装置的安全防护设计及其电气设备的选择和安装，需要对装置所在处的外部影响进行评价。以下根据IEC 60721《环境条件分类》，对井场外部环境条件进行分类。

A环境分为AA（温度/℃）、AB（温度和湿度）、AC（海拔）、AD（水）、AE（外来固体物）、AF（腐蚀性污染物）、AG（撞击）、AH（振动）、AJ（其他机械应力）、AK（植物）、AM（辐射）、AN（日光辐射）、AQ（雷击）、AR（气流）和AS（风）。

AA组将温度划分为AA1～AA6六个等级，即是−60℃～+5℃、−40℃～+5℃、−25℃～+5℃、−5℃～+40℃、+5℃～+40℃、+5℃～+60℃。

AC将海拔划分为≤2000m和＞2000m。

AD将水划分为AD1～AD8八个等级，即可忽略、水滴、水花、溅水、喷水、水浪、浸水和潜水。

AF将腐蚀性污染物划分为AF1～AF4四个等级，即可忽略的、空气的、间歇的和连续的。

AH将振动划分为AH1、AH2和AH3，即振动轻微、中等和强烈。

AM将辐射划分为AM1～AM6六个等级，即可忽略的、杂散电流的、电磁的、电离的、静电的和感应的。

AQ将雷击划分为AQ1、AQ2和AQ3，即可忽略的、间接暴露的和直接的。

B应用分为BA（人的能力）、BB（人体的电阻）、BD（撤离场所）和BE（材料）。

BC将人与地电位接触划分为BC1～BC4四个等级，即不接触、不频繁接触、频繁接触和长期接触。

BE将材料划分为BE1～BE4四个等级，即无危险、火灾危险、爆炸危险和污染危险。

三、其他评价

（一）兼容性评价

对于可能对其他设备、装置造成有害影响或损坏的设备的任何特性都应进行评价。这些特性包括：

暂态过电压；

快速变化负载；

启动电流；

谐波电流；

直流反馈；

高频振荡；

接地漏电流；

必要的附加接地。

（二）可维护性评价

应对装置在预期寿命内合理获得的维护次数和质量进行评估，并咨询装备运行管理部门。

涉及预期维护次数和质量时，应当考虑：

（1）在预期寿命内需要有准备地、安全地进行周期性检验、测试、维护和修理。

（2）在预期寿命内应确保安全防护措施的有效性。

（3）使装置内正确运行的设备可靠性与其预寿命相适应。

（三）供电电源的评价

主要是指对石油井场柴油发电机组的评价。

第六节　电流通过人体的效应

“电击”是电流通过人体而引起的生理效应。IEC 60479《电流对人和家畜的效应》（对应国家标准GB/T 13870.1～13870.3）提供了电流通过人体所出现的生理学和病理生理学效应的定性和定量描述以及电击致伤、致死的原因，是研究和制定电击防护措施的理论和技术基础。

生理学效应是指诸如各种各样的肌肉、主动脉和血管的平滑肌、骨骼肌肉、心脏肌肉、神经以及所有的大脑构造等易兴奋的细胞，在遭受外电刺激后的瞬时效应。而病理生理学效应则是指机体组织受伤导致的可逆的或不可逆的机能障碍或抑制的长期效应。

IEC 60479所提供的数据对于包括儿童（不论年龄和体重）在内的所有生理条件正常的人都是适用的。

IEC 60479对电击防护技术的一大贡献，就是它所提供的电流通过人体导致心室纤维性颤动阈值方面的研究成果，使得有可能更好地评价主要物理参数的影响，特别是电流持续流通时间的影响。

在研究和制定电击防护措施时，还应当考虑其他方面：发生故障的概率；触及带电部分或故障部分的概率；已有的运行经验；技术上的可行性和经济性等。

人体阻抗是随接触电压变化而变化的，即人体接触电压与人体电流之间呈非线性关系，因此它们之间的关系数据，即人体阻抗特性非常重要。

本节只关注50Hz或60Hz频率的电流效应。

电流对人体造成伤害的机理在于它的刺激作用，如刺激神经和肌肉、诱发心房或心室纤维性颤动。因此无论是科学研究还是运行经验都表明，直流电流对人体造成的伤害事故，都比交流要少得多。

一、人体阻抗人体电阻抗值为接触电压、频率、皮肤潮湿程度和接触面积的函数。有关人体阻抗简图如图1-2所示。

图1-2　人体阻抗

人体阻抗包括人体内阻抗、皮肤阻抗、人体总阻抗。人体初始电阻、50Hz/60Hz交流时人体总阻抗与接触面积有关系。

（一）人体内阻抗（Zi）

人体内阻抗可视为阻性，其数值取决于电流通路，与接触面积关系较小。如图1-3和图1-4所示为人体不同部位的内阻抗，它是以人的一手到一脚为通路的阻抗的百分数来表示的。图中的数字为人体各有关部分的人体内阻抗，以通路为一手至一脚的阻抗的百分数表示。需要注意的是，计算某一通路人体的总阻抗时，该电流通路中身体所有部分的内阻抗以及接触面积下的皮肤阻抗需一齐相加。

图1-3　人体不同部位的内阻抗

当电流通路为手到手，或一手到一脚时，则内阻抗主要在四肢上。当略去人体躯干部分的阻抗时，可得出如图1-4所示的人体内阻抗简化电路图。

图1-4　人体内阻抗简化电路

一手至双脚的内阻抗相当于手至手或一手至一脚阻抗的75%。双手至双脚的阻抗相应为50%。双手至躯干的阻抗则相应为25%。

（二）皮肤阻抗（Zp）

皮肤阻抗可视为由半绝缘层和许多小的导电体（毛孔）组成的电阻和电容网络。皮肤阻抗值取决于电压、频率、通电时间、接触表面积、接触压力、皮肤的潮湿程度、皮肤的温度种类。

接触电压在交流50V及以下时，皮肤阻抗值随接触面积、皮肤的温度、汗分泌程度、呼吸急促程序等而改变。

接触电压超过交流50V时，皮肤阻抗值将随着皮肤阻抗的逐步被击穿而显著降低，当全部击穿时则可忽略不计。

由于容性阻抗的原因，皮肤的阻抗将随频率的增大而减小。

（三）人体总阻抗（ZT）

人体总阻抗通常是指电流通路为手到手或一手到一脚的阻抗，它们由电阻性和电容性分量组成。

接触电压在交流50V及以下时，由于受皮肤阻抗变化的影响，因此人体总阻抗的变化很大。

随着接触电压的增大，由于皮肤阻抗逐步被击穿，人体总阻抗将接近内阻抗。

人体总阻抗与频率的关系直接受皮肤阻抗的影响。人体总阻抗在直流时最高。

1．50Hz/60Hz正弦交流条件下的人体总阻抗值

当电压在50V以下、接触面用淡水润湿时，测得的数值比干燥时低10%至25%；而用导电溶液润湿接触面时，人体总阻值为干燥时的一半。当电压高于150V时，人体总阻抗值与湿度和接触面积的关系则越来越小。当接触电压在5000V及以下时，其电压值越高，人体总阻抗值下降越快。

2．20kHz及以下正弦交流条件下的人体总阻抗值

由于受皮肤电容的影响，当频率高于50Hz/60Hz时人体总阻抗值将呈下降趋势，高于50Hz时将接近人体的内阻抗Zi。不同的接触电压下，20kHz及以下的频率时，电压越高，人体总阻抗与频率的曲线越平，电压为10V时，50Hz时人体总阻抗ZT/Ω约为5000～6000。电压为1000V时，50Hz时人体总阻抗ZT/Ω为最低值，即接近人体内阻抗值Zi。可以这么说，50Hz时，对人体而言电压越高越危险。其详细数据图表参见参考文献[1]。

3．直流条件下的人体总阻抗值

试验表明，直流电流条件下，接触电压越高，人体总阻抗或人体总电阻越低，即越危险。测量还表明，当电流通路为一手至一脚时的人体总阻抗比电流通路为手至手时稍低（10%至30%）。其详细数据图表参见参考文献[1]。(www.xing528.com)

4．电流对皮肤的效应

皮肤的变化取决于电流密度IS/（mA/mm2）和通电时间。电流对皮肤的效应的划分界限如下：

电流密度低于10mA/mm2时，皮肤上通常看不出变化。当通电时间较长（几秒）时，电极下的皮肤可能变成灰白色，且表面粗糙。

电流密度在10mA/mm2与20mA/mm2之间时，电极下的皮肤渐呈棕红色，沿电极边缘呈白色起伏的隆起。

电流密度在20mA/mm2与50mA/mm2之间时，电极下的皮肤渐呈棕色并深入皮下，当通电时间很长（几十秒）时，围绕电极周围的皮肤可能充满电流痕迹（水泡）。

在大的接触面积下，即使有足以引起受伤？的电流密度，也不会引起皮肤的任何变化。

二、交流电电流效应

频率范围在15～100Hz之间的正弦交流电通过人体的效应可以用时间-电流区域图（见参考文献[1]）来表示。人体电流的时间-电流曲线可以定性表示如下：

AC-1区域，人可以感知电流的存在，但通常没有生理反应。这个区域的反应阈通常为0.5mA，与时间无关。

AC-2区域，通常无有害生理效应。

AC-3区域，通常预计无器质性损伤，通电时间超过2s以上时，很可能发生痉挛状肌肉收缩呼吸困难。随着电流量值和时间的增加，心脏内心电冲动的形成和传导有可逆性障碍以及出现无心室纤维性颤动的心脏短暂停搏。

AC-4区域，除区域AC-3的效应外，随着电流量值和通电时间的增加，还可能出现一些危险病理生理效应，如心跳停止、呼吸停止及严重烧伤。

AC-4.1，心室纤维性颤动的概率增到大约5%。

AC-4.2，心室纤维性颤动的概率增到大约50%。

AC-4.3，心室纤维性颤动的概率超过50%。

注：随着人体电流的增加，AC区域从AC-1向AC-2、AC-3、AC-4区域过渡。

三、雷击对人的效应

（一）雷电的物理过程

雷电的发生及其动态基本物理过程极其复杂，有的专家认为，雷电是微观的电荷在软的冰雹粒子（也称为软雹）和冰的晶粒之间转移，从而产生了三极性的云层。

雷电是瞬间以强大的电流进行放电的过程，其放电路径的长度是以千米度量的。大多数的闪电都出现在云层内部，称之为云内放电。少数是云层对地的放电。云层对地放电可以引起人的伤害和死亡、对石油井场电源、通信系统和自动控制系统等弱电系统的干扰以及引燃油罐等。

（二）雷电的分类

云层和大地之间的雷电分为四种类型，其示意图如图1-5所示。

图1-5　雷电的分类

第1类（如图1-5（a）所示）：雷电开始从一带负电的先导体向下移动。统计表明，这种云层对地放电约占整个云层对地放电的90%。

第2类（如图1-5（b）所示）：雷电有一带正电的先导体，因此这种类型能有效地将负电荷下放到大地上。

第3类（如图1-5（c）所示）：放电是由向下移动的带正电的先导体激发的。统计表明，这种云层对地放电占整个云层对地放电的百分比不到10%。

第4类（如图1-5（d）所示）：先导体带负电，并能有效地下放正电荷。

第2类和第4类这种向上引发的闪电相对稀少，但有可能在井架上出现。

（三）雷电作用于人的方式

1．直接雷击

雷电流形成的初期，开始以小电流和低的光辐射进行预放电，随着放电作用的增强逐渐形成雷电流通道，称为梯形连续或先导体。直接雷击是一种由梯形连续或先导体的顶端直接达到活着的人体上。

当梯形的先导体向上的顶端到达离地平面几十米高度时，由于场强达到临界值，因而从垂直导体或被引发出一短的向上的光束。全部的放电电流都直接地流经受害者的躯体（如图1-6所示）。

直接雷击作用于人体的雷电流包括直接流过人体的躯体电流和经过人体表面的飞弧电流。

飞弧电流沿人体表面形成，对人体内部起到短路作用。此时跨越人体的接触点的电位差足够高，以致对空气形成连续的电击穿。通过人体的电流被减少到仅有几个安培。这就是令人惊奇的有70%甚至更多的涉及人的雷击事故中人并未死亡的原因。

2．接触电压

当物体（不一定是金属）遭受雷击时，其表面上各点的电位被提高。当人体不同部位同时接触这些点中的两个点，而通常其中一点是在大地上的一点时，这两点之间的电位差称为接触电压。雷电流在人体形成了完整的回路（如图1-7所示）。

图1-6　直接雷击

图1-7　接触电压

3．侧面闪电

当两个靠近而又不触及的垂直物体中至少有一个遭受雷击时，在两个物体之间产生的电弧称为侧面闪电（如图1-8所示）。

人体通过侧面闪电的方式遭受雷击会使人体产生电位，这与接触电压的方式遭受雷击的原理是相同的。

4．跨步电压

人在具有雷电流的大地表面上行走时遭受的雷击实质上是跨步电压的作用结果，跨步电压的路径通常不包括心脏，而是从腰部向下（如图1-9所示）到地被麻痹（闪电性麻痹）。

由于地面上电阻分布不均匀，因此雷电流的分布可能是极不规则的。

图1-8　侧面闪电

图1-9　跨步电压

（四）雷击对人的效应

1．生理学效应

雷电刺激对人体神经肌肉组织的诱发作用包括：引起血管的痉挛，主要的是心搏停止，极少的是造成纤维性心颤；还会发生呼吸作用的停滞，且持续的时间要比心搏停止时间长得多。虽然心脏可能重新跳动，但因缺氧，还会出现继发性心搏停止，而且血泵功能再次丧失，及时通风者除外。偶尔可能出现无意的骨骼肌肉反应，它能导致强烈的收缩和癫痫发作，其结果能产生继发效应。

2．病理生理学效应

病理生理学效应包括非热性致使易兴奋的非易兴奋型细胞的损坏。膜可能破裂，甚至穿孔。不可能立即发生复原，或永远也不能复原。继发效应可能具有严重的后果。表1-3总结了雷电伤害造成的病理生理学效应及其临床表现。

3．热效应

雷击可以导致人体细胞和细胞器官在失去原有功能的地方，由于瞬间电流加热使其温度升高而造成的热效应伤害。

（五）电击和雷击效应对比

雷击明显不同于低压或高压电击造成的伤害。

低压电击一般发生在家庭或工业工作场所，产生伤害的主要原因是对电气仪器设备的干扰和故障时与带电部分的接触。电流类型为交流50Hz，其电源为家庭和工作场所的插座、布线和电器用具。其接触时间可能是长期的，致死方式为心室纤颤。其烧伤通常是严重的，深度的。其肌肉伤害是常见的。对肾脏的伤害后果是产生肌红蛋白尿。常见的伤害还有直接外部组织损伤、继发性外部组织损伤（人被抛出）。其预防方法是通过防护装置和编制操作人员作业规范。急救方法是将受害者与电源隔离，断开开关，切断电流。

高压电击一般发生在工业场所。产生伤害的主要原因是缺乏适当安全措施和作业程序。电流类型为交流50Hz。其电源为电网、装置、供电和操作机械。接触的持续时间短，更可能的是被抛出去。致死方式同心脏停止相比，更可能的还是心室纤颤。烧伤多半较少而且严重。可能存在肌肉伤害。对肾脏的伤害后果是产生肌红蛋白尿。常见直接外部组织损伤和继发性外部组织损伤。预防方式是通过防护装置和编制安全规程。急救方式与低压电击相同。

雷击电压有各种复合脉冲，可能有飞弧。一般多发生在户外场所，较多的常常是在游览期间。户内通常是通过电话线或其他传媒线路产生。产生方式通常有直接雷击、侧面闪电或接触电压、跨步电压和光束激发等。电流的类型是脉冲放电（常常是多次的）以及可能的连续分量。电源是自然的大气放电。接触的持续时间是冲击式的和超短的，但是连续电流也可能出现。致死方式是心搏停止可能多于心室纤颤（呼吸系统也瘫痪）。一般较少有烧伤，也很少有对肌肉的伤害和对肾脏的影响。部分有直接外部组织的损伤。很少有继发性外部组织损伤（人被抛出）。预防方式是通过了解人员行为准则和对建筑物进行防护。急救方式是立即进行心-肺复苏，并召集医疗帮助。

表1-3　雷电伤害造成的生理学和病理生理学效应及其临床表现

（续表）

第七节　低电压区段和特低电压限值

一、石油井场电气装置的电压区段

电气装置的一些规则，特别是有关电击防护措施的制定，其重要依据之一是它们的使用电压值，不过没有必要也不可能按实际使用的每个电压值制定规则，只需要规定一些特定的电压区段。石油井场电气装置的一些通用规则只需针对每一个特定的电压区段来制定。

电力系统中，人们通常把电压分成低压、中压、高压和超高压等。本书的电压区段仅适用于石油井场供电频率为60Hz及以下、标称电压为1500V及以下的直流低压范围的电气装置。

石油井场电气装置的电压，不论是交流还是直流均可划分为两个区段。

区段I：使用这个电压区段的有依赖于电压值提供电击防护的装置。有由于运行方面的原因，电压受到限制的一些设备或装置（例如电控系统、电磁刹车或报警装置等）。

区段II：使用这个电压区段的包括石油井场MCC房、司钻房、录井房和生活区等。

划分电压区段的电压值是标称电压值。

（一）交流电压区段

石油井场属于接零保护系统，不属接地系统，即系统配置有中性（N）或保护接地导体（PE），所以交流电压区段只规定相间电压，具体划分如下：

区段I内，相间电压U≤50V。

区段II内，相间电压50V＜U≤1000V。

（二）直流电压区段

直流电压常用于直流电动钻机主电机驱动或交流变频电动钻机VFD房直流母线用电，应属不接地或非有效接地系统，其直流电压划分区段如下：

区段I内，相间电压U≤120V。

区段II内，相间电压120V＜U≤1500V。

二、特低电压限值

石油井场内常常在两个可同时触及的可导电部分之间存在电压，因此要考虑这个电压的最大允许值，使操作者触及这个电压限值内的电压时不会发生危险。我们把这个电压值称为特低电压限值，用以指导涉及特低电压的装置和设备，如生活区、仪器、司钻左右操作台等，在考虑与电击防护有关电压限值时，进行正确的选择和应用。

（一）影响电压限值的因素及环境状况分类

石油井场规定电气专业电压限值时应考虑如下因素：

人体阻抗因素，包括：接触电压、皮肤潮湿程度、电流通路、接触面积、接触压力、流过人体的电流的波形和频率；

可触及部分，包括：接触面积（指尖、手指、手掌）、被紧握住而不能摆脱的可能性、可能触及的部位、有意或无意被触及；

电气系统因素，包括：交流/直流、波形频率及单脉冲、接地情况、与其他系统的隔离情况、电源阻抗、断路装置、标称值/最大值及容差；

外部影响因素，包括：温度、湿度、灰尘、导电率、直接接触/间接接触、衣着；

人的能力因素，包括：专业人员、经过培训的人员等；

界限因素，包括：生理效应界限、感知阈、反应阈、疼痛阈、灼伤、摆脱阈、麻痹、心脏纤维性颤动阈；

电气参数界限（在研究与电气参数有关的界限时，应当考虑到影响选取这些参数的测量方法）、电压（交流/直流、方均根值、峰值、波形）、电流（交流/直流、方均根值）、电能、电荷、频率。

本书规定的电压限值考虑了如下四类环境状况：

环境状况1：皮肤阻抗和对地电阻均可忽略不计（例如人体浸没在水中）；

环境状况2：皮肤阻抗和对地电阻降低（例如潮湿的环境）；

环境状况3：皮肤阻抗和对地电阻均不降低（例如干燥的环境）；

环境状况4：特殊状况（例如电焊）。

（二）电压限值

本节规定的电压限值对接触面积不大于80cm2来说是留有余量的；对于接触面积较小的情况，本节规定了在60Hz以下交流条件下的较高的值。

交流正弦电压限值按方均根值给出，直流电压限值则是针对无纹波直流而言。

1．稳态电压限值

环境状况1：正常状态下（无故障），交直流限压值均为0V；故障状态下，单故障的交直流电压限值均为0V，两个故障时，交流限压值为16V，直流限压值为35V。

环境状况2：正常状态下（无故障），交流限压值为16V，直流限压值为35V；故障状态下，单故障的交流电压限值为33V，直流限压值为70V。两个故障时，不规定限压值。

环境状况3：正常状态下（无故障），交流限压值为33V，直流限压值为70V；故障状态下，单故障的交流电压限值为55V，直流限压值为140V。两个故障时，不规定限压值。

环境状况4：为特殊应用，即限值由有关专业标准化技术委员会规定。

2．单故障发生后的交流和直流电压限值

单故障发生后的直流和频率范围为15～100Hz的交流电压限值与故障的持续时间有关。

持续时间在10ms以下的数据还没有。持续时间在10ms～10s之间的电压限值可简单归纳如下：

环境状况1～4的电压限值在10ms时为300～500V，在1s时为40～200V，在10s时为30～200V。

500ms前，环境状况3和环境状况2的交流限压值均相同。500ms后环境状况2的交流电压限值最低，环境状况3的直流限压值最高。

持续时间在10s及以上时，采用稳态电压限值。

3．单脉冲电压限值

当持续时间为10ms及以上时，单向脉冲电压限值在10ms时为300～400V，在1s时为200V，在10s时为150V。

第八节　绝缘配合及其应用

绝缘配合是指根据石油井场设备的使用和周围环境条件来选择设备的电气绝缘特性。

石油井场电气设备的设计、制造、安装和运行必须考虑绝缘配合问题。绝缘配合涉及了电压、频率、承受电压作用的时间、污染等诸多环境条件的认定；涉及了电气间隙和爬电距离的确定；还涉及了相应的试验和测量。只有当电气设备能够承受预期使用寿命中各种条件下的作用强度的检验时，它的设计才可以认为实现了绝缘的配合要求。

依据标准为国家标准GB/T 16935.1—1997《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分：原理、要求和试验》（idt IEC 60664-1：2000）。

该标准规定了海拔2000m以内，交流额定电压1000V以内，额定频率30kHz以内或直流1500V系统的绝缘配合准则，对确定设备在空气中的电气间隙、爬电距离和固体绝缘时，提供了必要的指导。

该标准规定的最小电气间隙不适用于具有游离气体之处，也不涉及确定通过液体的绝缘、通过除空气以外的气体、通过压缩空气等距离。

一、绝缘配合的基本原理

（一）绝缘配合应当考虑的两个关系

选择石油井场电气设备绝缘配合时应当考虑绝缘配合与电压和与环境条件的关系。

选择石油井场电气设备绝缘配合时，应当考虑到系统中可能的电压、设备运行中产生的电压、设备本身的持续工作电压、由于电压强度导致的事故不应对人身和财产的安全造成损失。具体考虑内容如下：

第一，考虑绝缘配合与包括长期作用的交流和直流额定电压、额定绝缘电压、实际工作电压的关系。

第二，考虑绝缘配合与瞬态过电压的关系。即低压系统内由系统本身特性所决定的内部控制预期瞬态过电压水平和低压系统内通过采取特定的过电压衰减措施给出的保护控制预期瞬态过电压水平。

为应用绝缘配合必须区分来自系统瞬态过电压和设备自身产生的瞬态过电压。如VFD房逆变柜产生的瞬态过电压和PLC柜内来自系统的瞬态过电压。

绝缘配合采用的额定冲击电压优先值为：330V、500V、800V、1500V、2500V、4000V、6000V、8000V、12000V。

第三，考虑绝缘配合与（周期性）再现峰值电压的关系。

第四，考虑绝缘配合与暂态过电压的关系。

选择石油电气设备时，还要考虑绝缘配合与环境条件的关系。为选择绝缘配合要确定微观环境条件的污秽等级。微观环境条件主要取决于设备所处的宏观环境条件。多数条件下微观环境条件和宏观环境条件是相同的。由于外壳、加热、通风或灰尘微观环境的影响，有时微观环境条件好于或劣于宏观环境条件。

（二）电压及其额定值的确定

为按绝缘配合确定设备的绝缘结构尺寸，应提供设备的额定电压值、设备的预期过电压类别、设备所在系统的特性等。

电压及其额定值的确定包括长期作用电压的确定、额定冲击电压的确定和其他电压的确定。

1．长期作用电压的确定

长期电压是指用于确定设备基本绝缘的电压和为实现设备特定功能而在导体之间需要的功能绝缘电压。对基本绝缘而言，这个长期作用的电压可能是：

第一，作用在设备上的低压电网上的电压，这个电压决定了设备的基本绝缘。

石油井场低压电网上的标称电压，主要有220～440V，线对线绝缘的所有系统的交流绝缘电压为500V，线对地绝缘的三线中性点接地系统为250V。

第二，非低压电网的系统、设备及其内部的长期作用电压。考虑这些电压时应包括它们各自可能出现的最高有效值电压。这些电压决定了系统、设备及其内部的基本绝缘。

对功能绝缘而言，这个长期作用的电压就是为实现设备特定功能而在导体之间存在的实际工作电压。功能绝缘所要求尺寸由这个实际工作电压决定。

2．额定冲击电压的确定

绝缘配合中，额定冲击电压中起主要作用的是瞬态过电压。在确定额定冲击电压时主要涉及了过电压类别、设备额定冲击电压的选定、设备内部冲击电压的绝缘配合、设备产生的通断过电压和交接面等问题。

第一，关于过电压类别。过电压类别即安装类别，是当设备由低压电网供电时用数字表示的瞬态过电压条件。石油井场辅助设备属于直接由低压电网供电，可分为四个类别，它们所承受的瞬态过电压条件随着数字的增大而更加严酷。

过电压类别Ⅳ：设备直接连接在MCC内的电源端，处于这一类别的有井场生活区架空线、电缆系统等。

过电压类别Ⅲ：设备安装在MCC房配电输出动力线上，自带启动装置的电动机、防爆插件箱、防爆控制箱及移动工具等。

过电压类别Ⅱ：由启动单元供电的耗能设备，处于这一类别的有除砂泵、除泥泵、加重泵、灌注泵、剪切泵、搅拌器、油水罐电动机等。

过电压类别Ⅰ：安装在井电系统具有过电压保护最末端，处于这一类别的有电子设备包括生活房、司钻房、录井房等。

第二，关于设备额定冲击电压的选定。设备额定冲击电压依据设备的额定电压（或电源系统的标称电压）和其过电压类别，对230/400电源系统而言，设备的额定冲击电压，过电压类别Ⅰ为1500V，类别Ⅱ为2500V，类别Ⅲ为4000V，类别Ⅳ为6000V。

第三，关于设备内部冲击电压的绝缘配合。对设备内部的部件或电路而言，当它的绝缘配合受外部瞬态过电压条件影响显著时，应按设备的额定电压（或电源系统的标称电压）和其过电压类别选取其额定冲击电压；而设备的操作运行可能产生的瞬态过电压对外部电路状态的影响不应超过下述第四条规定的条件。

对于具有特定抗瞬态过电压保护的设备，由于其内部部件或电路受外来瞬态过电压的影响不大，其基本绝缘所要求的冲击耐受电压与设备的额定冲击电压无关，但与这些部件或电路的实际工作条件有关。

第四，关于设备产生的通断过电压。对于诸如开关电器等设备，在其接线端可能产生过电压，经SIMEMNS实测表明，其开关过电压可达到4000V以上。当这类设备已按有关标准采用了额定冲击电压时，则该设备产生的过电压不应大于这个额定冲击电压。但是当过电压超过这个额定冲击电压则会发生漏电（剩余电流）危险，这种情况与线路条件有关。

如果开关电器具有指定的两个额定冲击电压或两个过电压类别，则开关电器产生的过电压不应高于较低过电压类别对应的值。

第五，关于交接面的要求。设备可以在较高过电压类别条件下使用，但应采取措施将该处的过电压适当降低。措施包括采用过电压保护器件、采用具有隔离绕组的变压器、采用具有能分散和转移浪涌过电压能量的分支电路配电系统、采用具有能吸收浪涌过电压能量的电容、采用具有能消耗浪涌过电压能量的电阻或类似阻尼器件等。

3．其他电压的确定

绝缘配合设计需要考虑包括（周期性）再现峰值电压和暂态过电压等因素。

（三）频率

频率是绝缘配合中应当考虑的因素。

（四）承受电压作用的时间

干燥事故发生的次数与电压作用时间有关系。干燥事故能在绝缘材料表面发生闪烁，其能量大时足以引起漏电痕迹。因此就爬电距离的选择而言，应当考虑设备和绝缘材料承受电压作用的时间。

对于长时间承受持续电压作用的绝缘，爬电距离选择时，按石油井场电压有效值500V考虑，印制板的爬电距离为2.4～4mm，其余为1.3～16mm，根据现场经验，本书规定为16mm及其以上。

如果设备内绝缘仅承受短时间的电压作用，则可降低爬电距离值。设备本身长时间承受电压的作用，而其内部仅间断地承受电压作用的绝缘，也可以按上述方法考虑。

（五）微观环境的污染等级

微观环境会对绝缘造成污染。一般分为以下4级：

污染等级1：无污染或仅有干燥的、非导电性的污染；

污染等级2：一般仅有非导电性的污染，然而凝露会偶然导致短暂的导电性的污染；

污染等级3：有导电性的污染，或由于预期的凝露会使干燥的非导电性的污染变为导电性的污染；

污染等级4：有持久的导电性的污染。

注意，宏观环境有时会减少绝缘的污染，如有效地使用封闭式或气密封闭式外壳，可以减少固体微粒、尘埃进入外壳内，从而减少绝缘的污染。

（六）绝缘材料的相对漏电起痕指数

绝缘材料的特性可以用相对漏电起痕指数（CTI）来表示。

漏电起痕是固体绝缘材料表面在电场和电解液的综合作用下逐渐形成导电通路的过程。CTI是用V表示的材料表面能经受住50滴电解液而没有形成漏电起痕的最高电压值。

干燥时使污染表面泄露电流分断时，其闪烁过程集中释放的能量可能使绝缘材料的性能受到伤害。经验和试验表明，CTI的高低可以大致说明绝缘材料特性的高低。标准将绝缘材料按其CTI值划分为如下四组：

绝缘材料组别Ⅰ：600≤CTI；

绝缘材料组别Ⅱ：400≤CTI＜600；

绝缘材料组别Ⅲa：175≤CTI＜400；

绝缘材料组别Ⅲb：100≤CTI＜175。

国家标准GB/T 4207《固体绝缘材料在潮湿条件下相对电痕化指数和耐电痕化指数的测定方法》（idt IEC 60112）规定了有关CTI的测定方法，这种定量的测量可就绝缘材料形成漏电起痕的趋势给出定量的比较。

二、电气间隙的确定

确定电气间隙的基本原则是应能承受所要求的冲击耐受电压。选择最小电气间隙时，应考虑电场条件、海拔高度、功能绝缘的冲击耐受条件和额定冲击电压。

电场条件即导电部件（电极）的形状和布置，会影响电场的均匀性，因此必然会影响电气间隙的确定。

对于海拔高度2000m以上的电气间隙应乘以海拔修正系数，见参考文献[1]。

功能绝缘的电气间隙的确定，取决于设备在额定条件下，特别是额定电压和额定冲击电压下，跨接电气间隙两端预期可能发生的最大冲击电压值。

基本绝缘、附加绝缘和加强绝缘的电气间隙，应根据相应的额定冲击电压、冲击耐受电压进行确定。加强绝缘的电气间隙应根据比基本绝缘确定的额定冲击耐压高一级的值进行确定。如果按基本绝缘要求的冲击耐受电压不是优先值，则按加强绝缘应能承受基本绝缘要求的冲击耐受电压的160%来确定。

对具有双重绝缘的设备，在基本绝缘和附加绝缘不能分开进行试验之处，该绝缘系统可考虑如同加强绝缘。

包括非均匀电场在内的所有电场条件下的电气间隙，可简单选择如下：

石油井场要求的冲击耐受电压一般为4000V，海拔2000m的最小电气间隙值为1.6～3mm。如果耐受电压按6000V考虑，则海拔2000m的最小电气间隙为2～5.5mm。

三、爬电距离的确定

石油井场电气设备的爬电距离的选择如下：

电压有效值为250V时，印制线路材料的爬电距离为0.56～1mm。其余为1～8mm；电压有效值为400V时，印制线路材料的爬电距离为1～2mm。其余为1～12.5mm。

爬电距离的确定要考虑以下因素：

（一）电压

爬电距离的确定以作用在跨接爬电距离两端的长期电压有效值为基础。此电压为额定电压、额定绝缘电压或实际工作电压。

瞬态过电压通常不会影响漏电起痕现象，可忽略不计。然而对暂态过电压和功能过电压，如果持续时间和出现的频度对起痕有影响时，则必须要考虑。

（二）微观环境污染

微观环境污染等级的影响在前面已作介绍。除印制线路材料外的爬电距离的确定范围，就是按污染等级进行选择的。

（三）爬电距离的方向和位置

有必要时，制造厂应说明设备或元件预期设置方向和位置，以便在设计时考虑污染的积累对爬电距离的不利影响。同时必须考虑长期存放的情况。

（四）绝缘表面的形状

固体绝缘表面应尽可能设置横向的筋和槽，用来阻断污染引起连续性的漏电途径。同时筋和槽也可在受电压作用的绝缘上用来引水。尽量避免导电部件间插入槽和接缝，因为有可能使污染累积或积水。

（五）绝缘材料、电压作用的时间

见前面内容。

（六）爬电距离与电气间隙的关系

空气中的最小电气间隙与容许的最小爬电距离之间并无物理联系。爬电距离通常不能小于相关的电气间隙。

功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘的爬电距离确定见上面内容。因双重绝缘是由基本绝缘和附加绝缘组成的，所以双重绝缘的爬电距离是基本绝缘之值和附加绝缘之值的总和。加强绝缘的爬电距离按上面确定数值对应于基本绝缘所确定的电压之两倍值进行确定。

第九节　外壳防护等级

国家标准GB 4208—1993《外壳防护等级（IP代码）》（eqv IEC 60529：1989）规定了外壳防护等级。

石油井场电气设备的“外壳”是用以防止设备受到某些外部影响并能在各个方向防止直接接触的设备部件。“外壳防护等级”是指按标准规定的检验方法所确定的外壳对防止接近危险部件和固体异物或水进入所提供的保护程度。

“IP代码”是表明外壳防护等级标志的代码系统，用于外壳防护等级的标示。

IP—International Protection（国际防护）的缩写。

典型的IP代码是由字母IP和其后的两位特征数字、附加字母、补充字母依次排列构成：

第1位数字——外壳对接近危险部件和防止固体异物（包括灰尘）进入的防护等级。

第2位数字——外壳对防止由于进水而对设备造成有害影响的防护等级。

附加字母紧接第2位数字，表示对人接近危险部件的防护等级。补充字母紧接附加字母之后，若没有附加字母应加在第2位数字之后，补充字母用以补充对有关产品外壳的防护要求。

IP代码中，对于不需要规定的数字应由字母“X”代替；附加字母和补充字母可省略。IP代码的组成及其含义见表1-4。

表1-4　IP代码的组成及其含义

（续表）