钻井井场的TNS系统

摘要 石油钻井井场的电气系统有各自的特点，它涉及到防爆、防雷、防电磁干扰、人身安全以及设备的正常运行等各种情况。在统一钻井井场防爆区域划分标准的基础上，建立防爆区域等级与电气设备防爆形式的对应关系，可确保防爆性能。系统接地形式的正确选择，是设备正常运行和人身安全的保障。
建立系统接地形式安全技术要求的目的是保障人和设备的安全。
      系统接地的形式 主要有TN系统、TT系统和IT系统。TN系统是指电源端有1点接地，电气装置的外露可导电部分通过保护中性导体(PEN)或保护导体(PE)连接到此接地点。根据中性导体(N)与PE的组合情况，TN系统的形式有TN-S系统、TN—C系统和TN—C—S系统。TN—S系统中的N和PE是分开的，TN—C系统中的N和PE是合一的，TN—C—S系统中一部分线路的N和PE是合一的。TT系统电源端有1点直接接地，电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点。IT系统电源端的带电部分不接地或有一点通过阻抗接地，电气装置的外露可导电部分直接接地。
       系统接地的安全技术要求包括基本要求和TN、TT、IT系统的要求。其中，基本要求主要包括系统接地为采用自动切断供电这一问接接触防护措施提供必要的条件、系统中尽量实施等电位联结，PE回路连接点断开的限制、要求、串连过渡接点的要求及截面的要求，连接PEN的要求、保护电器的特性及回路阻抗的要求，TN系统电击防护的要求，TN—C和TN—C—S系统中PEN的要求。
     根据石油钻井井场及电控系统的特点，规定600 V／690 V发电机组采用中性点不接地系统，380 V发电机组及380 V低压电网全面采取TN—S供电系统。
        目前部分南阳油田钻井队采用TN—C—S供电系统，因三相四线和三相五线混用会带来一些问题，笔者在井场全面推广三相五线系统即TN—S系统，见下图

     采用上图所示的TN—S供电系统后，发电房并车柜上输出的PE电缆，，井场、宿舍、联络、供水、排污、电台、井控、发电房用电、充电机用、充电机用电及备用等回路都要采取TN—S供电系统，即要过相线、N线和PE线供电，虽然与三相四线系统相比，电气安装工程要增加一些工作量，但其优点是可以避免断N或N线阻抗过大造成单相设备大面积烧坏事故。
     采用TN—S系统后，当电气装置中发生带电部分与外露可导电部分(或保护导体)之间的故障时，如“相碰壳” 时，相线通过PE返回电源形成回路，所配置的保护电器能自动切断发生故障部分的供电确保人身安全。同时电气装置的外露可导电部分，当发生断N或断PE时，通过N或PE返回电源，形成故障回路，确保系统可以自动切断供电。
       图1中发电房PEN导线不得装设保护装置和开关，但允许设置只有用工具才能断开的连接点。
PE导体截面可用计算法或查表法确定。PE导体截面积计算计算公式为

式中S—— 截面积，mm2
I－－发生了阻抗可忽略故障时的故障电流值(交流有效值)，A；
t－－-保护电器切断供电的时间，s，应考虑电路阻抗的限流效应和保护电器的极容量；
K—-取决于保护导体、绝缘和其它部分的材质以及初始温度和最终温度的一个系数。
      在同材质情况下，也可按电气装置中相导体的截面积S进行PE的选择，即当S≤16 mm 时，PE与相导体截面积一样；当15<S≤35时，PE截面积为16 mm ；当S>35时，PE截面积为S的一半。不论采用什么方法，单相PE的截面积在有机械保护时都不小于2．5 mm2 ，在无机械保护时不能小于4 mm2 。
       钻机低压供电系统中装设的保护电器的特性和回路的阻抗应满足公式(2)表达的条件，以保证在电气装置内的任何地方发生相导体与PE导体(或外露可导电部分)之间的阻抗可以忽略不计的故障时，保护电器能在规定的时间内切断其供电。
           Zs .Ia≤U0 
Zs—故障回路的阻抗，Q
Ia—保证保护电器在规定的时间内自动切
U0—对地标称电压，V。
      公式(2)中与 有关的切断供电时间是指，对于通过插座供电的末端回路或不用插座直接向清洗机等需用手移动的设备供电的末端回路不超过0．4 s，对于配电回路或只给固定设备供电的末端回路，不超过5 s

结论
       TN—S系统在石油钻井井场的应用，避免了因断N或其接触不良因中性点漂移造成大面积烧坏单相用电设备的事故，避免了TN—C—S或TN一C—S系统断N时井场电气设备外壳带电而造成的接触电压过高的安全隐患。