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摘 要: 接地系统的选用不当，将影响到人身安全及设备的正常运行等各种情况。本文就石油钻井井场接地系统的选择进行了探讨，结论如下：1.摒弃选用TN-C系统；2.合理使用TN-C-S系统，井场外围可采用TT系统；3.建议逐步推广IT系统。
关键词: 石油钻井井场；接地系统；TN系统；TT系统；IT系统；等电位联接
Abstract:The inappropriate selection of earthing system will engender various accidents like personal injury and malfunction of machine and equipment. This paper talks about the selection of earthing system for well sites of petroleum drilling, with the conclusion that goes as follow: 1. abandon TN-C system; 2. properly use TN-C-S system, and TT system for the periphery of well sites; advocate the promotion of IT system.
Key words:well site of petroleum drilling, earthing system, TN system, TT system, IT system, equipotential connection
中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：
引言
石油钻机一般采用自发电独立供电系统。机械钻机电源侧输出单一，常规都是交流380V、50HZ，直接供给MCC房电源。随着这几年电动钻机的逐步适用，电源侧电气输出特性也相应复杂。除机械式钻机外，机电复合钻机变频器的电源是通过升压变压器，升至690V实现供给的；全电动钻机则是主要电源输出交流690V、50HZ直接供给5台大功率变频器，剩下的电能，再通过降压变压器，降至交流380V后与辅助发电机输出电源，互锁切换，一用一备提供给MCC房。这几种类型的钻机，在供电制式上都存在差异，对系统接地的要求，需要分别对待。而实际情况是不太区分的，有认知模糊的因素。另外，对于使用最广泛的交流380V、50HZ电气装置，有采用TN-S系统的，也有采用TT系统的，各自有什么优缺点？为何还在使用？说法不一，只有经过研究分析，得出完整的结论，才能科学合理应用。
一、摒弃选用TN-C系统
TN-C特点是：电源变压器中性点接地，保护线（PE）与中性线（N）共用。
（一）它是利用中性点接地系统的中性线（零线）作为故障电流的回流导线，当电气设备相线碰壳，故障电流经零线回到中点，由于短路电流大，因此可采用过电流保护器切断电源。TN-C系统一般采用零序电流保护；
（二）TN-C系统适用于三相负荷基本平衡场合，如果三相负荷不平衡，则ＰＥＮ线中有不平衡电流，再加上一些负荷设备引起的谐波电流也会注入ＰＥＮ，从而中性线Ｎ带电，且极有可能高于50V，它不但使设备机壳带电，对人身造成不安全，而且还无法取得稳定的基准电位；
（三）TN-C系统应将PEN线重复接地，其作用是当接零的设备发生相与外壳接触时，可以有效地降低零线对地电压。
由上可知，TN-C系统存在以下缺陷：
1、当三相负载不平衡时，在零线上出现不平衡电流，零线对地呈现电压。当三相负载严重不平衡时，触及零线可能导致触电事故。
2、通过漏电保护开关的零线，只能作为工作零线，不能作为电气设备的保护零线，这是由于漏电开关的工作原理所决定的。
3、对接有二极漏电保护开关的单相用电设备，如用于TN-C系统中其金属外壳的保护零线，严禁与该电路的工作零线相连接，也不允许接在漏电保护开关前面的PEN线上，但在使用中极易发生误接。
4、重复接地装置的连接线，严禁与通过漏电开关的工作零线相连接。
5、单相回路中可使用电设备外壳带220V接触电压，电击致死的危险尤大，如图1所示。所以需特别注意TN-C系统中加大PEN线的截面，防止其中断。
图1TN-C系统PEN中断后单相设备金属外壳对地带220V危险接触电压
Fig. 1: 220V Dangerous Contact Voltage of Ground Earthing of Single-phase Equipment Metal Enclosure after PEN Disconnection of TN-C System
TN-S供电系统，如图2所示，将工作零线与保护零线完全分开， 从而克服了TN-C供电系统的缺陷，所以现在的石油井场已经不再使用TN-C系统。早期的石油井场接地系统也由TN-C逐渐向TN-S或TN-C-S接地系统（图3所示）转化。
图2 TN-S系统
Fig. 2: TN-S System
图3 TN-C-S系统
Fig. 3: TN-C-S System
二、合理使用TN-C-S系統, 井场外围可采用TT系统
有不少同行认为，TN-S系统的PE线与N线始终是分开的，所接设备对地电压几乎为零，而在TN-C-S系统中始终存在一段PEN线，所接设备对地带有一定电压，因此，无论在任何情况下，TN-S系统总比TN-C-S系统安全，这种观点不完全正确。
现在的石油钻井井场都需实施总等电位联接(MEB)，在都具备MEB的条件下无论是TN-S系统或者TN-C-S系统，当电气设备发生碰壳接地故障时，如图2和图3所示，人体接触电压Ut是相同的，所以就防电击之类事故而言，TN-S系统并不优越于TN-C-S系统。因此不少石油井场，采用了TN-C-S系统，即发电房至MCC房之间，采用一根PEN线，MCC房插接柜输出后，PE线与N线完全分开，不再有任何电气贯通，同时还可以节省电源线路中的一根专用PE线。
无论采用TN-S系统或者TN-C-S系统都需注重总等电位联接，下面解释一下总等电位联接在石油钻井井场的重要性。
图4所示的TN-C-S系统的电源线路发生接地故障，其故障电流为Id=Uo/(Rb+Re),这里Uo,Rb,Re各为相电压，系统接地和故障点的接地电阻。因受Rb和Re的限制Id不足以使电源端的过电流防护电器切断电源，Id在Rb上产生的电压降Uf=IdRb将沿PE线传导至一些用电设备外壳上成为引发电击事故的接触电压Ut,如果Ut大于50V，可导致电击致死的危险。但如果井场内实施了总等电位联接MEB,如图3点划线所示，则所有可导电部分将升高至同一电位而不出现电位差，Ut=0V,电击事故将无由发生，这正是TN系统最需要总等电位联接的主要原因。
图4 TN-C-S系统无等电位作用电击危害大
图4 TN-C-S系统
Fig. 4: Grate Hazard from Electric Shock by Non-equipotential TN-C-S System
當户外不具备等电位条件，地面以及其他可导电部分为大地的零电位时，可能造成电击事故。为此国际电工标准（TEC60364-5-53,2002，电气设备的选用 隔离 开关和控制电器）规定在此情况下应将户外电气装置改为TT系统，图5所示，考虑到井场作业区外围井场生活区及生产辅房，如布设PE主干线需穿越行车通道，路线又较长，因此，外围可选择TT系统，并在各个户外电缆分支箱内将主开关设置为漏电保护型RCD，确保这一区域的安全。
图5 井场外围采用TT系统
Fig. 5: TT System for Periphery of Well Sites
如上所述，就防电击而言，TT系统较TN系统更适用于无等电位联接的户外电气装置，但这并非绝对，如果图3所示的TN系统中的故障电压Uf小于50V,没有电击危险，则在户外采用TN系统未尝不可，为此需要计算Uf是否小于50V。
要求故障电压为
Uf=IdRb≤50V (1)
忽略回路导线和变压器阻抗，故障电流为
Id=Uo/(Rb+Re)(2)
带入式（1），得
UoRb/(Rb+Re)≤50V(3)
推导得
Rb/Re≤50/(Uo-50)(4)
式（4）为国际电工标准（IEC60364-4-41,2001，电击防护）检验TN系统在上述情况下是否存在电击危险的一个公式，式中应计于Rb并联的其他接地电阻，例如重复接地电阻等。有一点可以肯定，Rb越小，电击危险越小，与发达国家相比，我国国家标准接地规范“工业与民用电力装置的接地设计规范”（GBJ 65-83）将Rb规定为4Ω-10Ω是欠安全的。由于Rb等难以定量，发达国家以策安全，对无总等电位联接的户外电气都采用TT系统。
三、建议逐步推广IT系统
图6所示，IT系统的电源中性点不接地或经高阻抗接地，当发生一个接地故障时，其故障电流仅为另两非故障相的对地电容电流的向量和，其值甚小，不足以引发电击事故，也不必切断电源。采用IT系统非但用电很安全，而且事故停机率很低，可以大大减少事故停机损失。IT系统需装绝缘监测器，在发生第一次故障或系统绝缘水平下降时报警，以避免发生第二次故障切断电源而招致停电损失。它的最大缺点是不宜输出中线供给单相220V用电，否则在发生第一次相接地故障时就可能跳闸停电，招致停电损失，因此，IT系统需根据负荷配置380/220降压变压器以提供220V电源，这自然增加了系统结构的复杂性和建设费用。
图6 IT系统第一次接地故障时故障电流仅为电容电流
Fig. 6: Only Capacitance Current as Fault Current at Fault of Initial Earth of IT System
虽然IT系统的应用比较麻烦，但为了减少停电造成的巨大损失和保证电气安全，在发达国家不少电气装置中仍得到广泛的应用，例如医疗场所、重要场所的安全照明 、矿井、玻璃厂、冶金厂、化工厂、计算机中心、应急发电机（蓄电池）电源系统（EPS）等，当然也包括石油钻井井场。在我国IT系统的应用还只局限于矿井、医疗场所和不多的冶金厂等少数电气装置内，石油钻井井场只是局部在使用。如图7所示，ZJ50DB钻机变频驱动的几台动力设备，就是处于独立的IT系统，也装用了绝缘监测器。根据上述分析，接地保护线仅需考虑能够满足承受较小的对地电容电流即可，而不必按照相线截面的一半选用。
图7 IT系统在ZJ50DB钻机中的应用
Fig. 7: Application of IT System in ZJ50DB Drill
在严寒地冻的环境下，钻井井场接地系统，打接地棒非常困难，而IT系统不要求作中性点低阻值的系统接地，又由于其故障电流Ia很小，对电气设备外壳保护接地的阻值要求也不高，这样很容易满足井场的电气安全接地要求。
国外采用IT系统来解决电气装置运行的可靠性，以及免除打接地极的麻烦，同样保障人身安全。这种做法给了我们很大的启发，相信随着经济的发展，必将逐步得到应用。
结束语
石油钻井井场电气装置接地系统的规范性取决于独立系统对供电制式的选择。在现阶段，考虑工矿特点，变频驱动用电设备宜采用IT系统；井场作业区域其它用电设备宜采用TN-C-S系统；作业区外围及生活区宜采用TT系统。
参考文献
[1]《接地系统的选用》 建筑电气2007.1 王厚余
[2]《系统接地型式及安全技术要求》 GB14050-93
[3]《交流电气装置的接地》DL/T621-1997
[4]《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》国家建筑标准设计图集03D501-3
[5]《等电位联接安装》国家建筑标准设计图集02D501-2
[6]《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-2006
关键词: 石油钻井井场；接地系统；TN系统；TT系统；IT系统；等电位联接
Abstract:The inappropriate selection of earthing system will engender various accidents like personal injury and malfunction of machine and equipment. This paper talks about the selection of earthing system for well sites of petroleum drilling, with the conclusion that goes as follow: 1. abandon TN-C system; 2. properly use TN-C-S system, and TT system for the periphery of well sites; advocate the promotion of IT system.
Key words:well site of petroleum drilling, earthing system, TN system, TT system, IT system, equipotential connection
中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：
引言
石油钻机一般采用自发电独立供电系统。机械钻机电源侧输出单一，常规都是交流380V、50HZ，直接供给MCC房电源。随着这几年电动钻机的逐步适用，电源侧电气输出特性也相应复杂。除机械式钻机外，机电复合钻机变频器的电源是通过升压变压器，升至690V实现供给的；全电动钻机则是主要电源输出交流690V、50HZ直接供给5台大功率变频器，剩下的电能，再通过降压变压器，降至交流380V后与辅助发电机输出电源，互锁切换，一用一备提供给MCC房。这几种类型的钻机，在供电制式上都存在差异，对系统接地的要求，需要分别对待。而实际情况是不太区分的，有认知模糊的因素。另外，对于使用最广泛的交流380V、50HZ电气装置，有采用TN-S系统的，也有采用TT系统的，各自有什么优缺点？为何还在使用？说法不一，只有经过研究分析，得出完整的结论，才能科学合理应用。
一、摒弃选用TN-C系统
TN-C特点是：电源变压器中性点接地，保护线（PE）与中性线（N）共用。
（一）它是利用中性点接地系统的中性线（零线）作为故障电流的回流导线，当电气设备相线碰壳，故障电流经零线回到中点，由于短路电流大，因此可采用过电流保护器切断电源。TN-C系统一般采用零序电流保护；
（二）TN-C系统适用于三相负荷基本平衡场合，如果三相负荷不平衡，则ＰＥＮ线中有不平衡电流，再加上一些负荷设备引起的谐波电流也会注入ＰＥＮ，从而中性线Ｎ带电，且极有可能高于50V，它不但使设备机壳带电，对人身造成不安全，而且还无法取得稳定的基准电位；
（三）TN-C系统应将PEN线重复接地，其作用是当接零的设备发生相与外壳接触时，可以有效地降低零线对地电压。
由上可知，TN-C系统存在以下缺陷：
1、当三相负载不平衡时，在零线上出现不平衡电流，零线对地呈现电压。当三相负载严重不平衡时，触及零线可能导致触电事故。
2、通过漏电保护开关的零线，只能作为工作零线，不能作为电气设备的保护零线，这是由于漏电开关的工作原理所决定的。
3、对接有二极漏电保护开关的单相用电设备，如用于TN-C系统中其金属外壳的保护零线，严禁与该电路的工作零线相连接，也不允许接在漏电保护开关前面的PEN线上，但在使用中极易发生误接。
4、重复接地装置的连接线，严禁与通过漏电开关的工作零线相连接。
5、单相回路中可使用电设备外壳带220V接触电压，电击致死的危险尤大，如图1所示。所以需特别注意TN-C系统中加大PEN线的截面，防止其中断。
图1TN-C系统PEN中断后单相设备金属外壳对地带220V危险接触电压
Fig. 1: 220V Dangerous Contact Voltage of Ground Earthing of Single-phase Equipment Metal Enclosure after PEN Disconnection of TN-C System
TN-S供电系统，如图2所示，将工作零线与保护零线完全分开， 从而克服了TN-C供电系统的缺陷，所以现在的石油井场已经不再使用TN-C系统。早期的石油井场接地系统也由TN-C逐渐向TN-S或TN-C-S接地系统（图3所示）转化。
图2 TN-S系统
Fig. 2: TN-S System
图3 TN-C-S系统
Fig. 3: TN-C-S System
二、合理使用TN-C-S系統, 井场外围可采用TT系统
有不少同行认为，TN-S系统的PE线与N线始终是分开的，所接设备对地电压几乎为零，而在TN-C-S系统中始终存在一段PEN线，所接设备对地带有一定电压，因此，无论在任何情况下，TN-S系统总比TN-C-S系统安全，这种观点不完全正确。
现在的石油钻井井场都需实施总等电位联接(MEB)，在都具备MEB的条件下无论是TN-S系统或者TN-C-S系统，当电气设备发生碰壳接地故障时，如图2和图3所示，人体接触电压Ut是相同的，所以就防电击之类事故而言，TN-S系统并不优越于TN-C-S系统。因此不少石油井场，采用了TN-C-S系统，即发电房至MCC房之间，采用一根PEN线，MCC房插接柜输出后，PE线与N线完全分开，不再有任何电气贯通，同时还可以节省电源线路中的一根专用PE线。
无论采用TN-S系统或者TN-C-S系统都需注重总等电位联接，下面解释一下总等电位联接在石油钻井井场的重要性。
图4所示的TN-C-S系统的电源线路发生接地故障，其故障电流为Id=Uo/(Rb+Re),这里Uo,Rb,Re各为相电压，系统接地和故障点的接地电阻。因受Rb和Re的限制Id不足以使电源端的过电流防护电器切断电源，Id在Rb上产生的电压降Uf=IdRb将沿PE线传导至一些用电设备外壳上成为引发电击事故的接触电压Ut,如果Ut大于50V，可导致电击致死的危险。但如果井场内实施了总等电位联接MEB,如图3点划线所示，则所有可导电部分将升高至同一电位而不出现电位差，Ut=0V,电击事故将无由发生，这正是TN系统最需要总等电位联接的主要原因。
图4 TN-C-S系统无等电位作用电击危害大
图4 TN-C-S系统
Fig. 4: Grate Hazard from Electric Shock by Non-equipotential TN-C-S System
當户外不具备等电位条件，地面以及其他可导电部分为大地的零电位时，可能造成电击事故。为此国际电工标准（TEC60364-5-53,2002，电气设备的选用 隔离 开关和控制电器）规定在此情况下应将户外电气装置改为TT系统，图5所示，考虑到井场作业区外围井场生活区及生产辅房，如布设PE主干线需穿越行车通道，路线又较长，因此，外围可选择TT系统，并在各个户外电缆分支箱内将主开关设置为漏电保护型RCD，确保这一区域的安全。
图5 井场外围采用TT系统
Fig. 5: TT System for Periphery of Well Sites
如上所述，就防电击而言，TT系统较TN系统更适用于无等电位联接的户外电气装置，但这并非绝对，如果图3所示的TN系统中的故障电压Uf小于50V,没有电击危险，则在户外采用TN系统未尝不可，为此需要计算Uf是否小于50V。
要求故障电压为
Uf=IdRb≤50V (1)
忽略回路导线和变压器阻抗，故障电流为
Id=Uo/(Rb+Re)(2)
带入式（1），得
UoRb/(Rb+Re)≤50V(3)
推导得
Rb/Re≤50/(Uo-50)(4)
式（4）为国际电工标准（IEC60364-4-41,2001，电击防护）检验TN系统在上述情况下是否存在电击危险的一个公式，式中应计于Rb并联的其他接地电阻，例如重复接地电阻等。有一点可以肯定，Rb越小，电击危险越小，与发达国家相比，我国国家标准接地规范“工业与民用电力装置的接地设计规范”（GBJ 65-83）将Rb规定为4Ω-10Ω是欠安全的。由于Rb等难以定量，发达国家以策安全，对无总等电位联接的户外电气都采用TT系统。
三、建议逐步推广IT系统
图6所示，IT系统的电源中性点不接地或经高阻抗接地，当发生一个接地故障时，其故障电流仅为另两非故障相的对地电容电流的向量和，其值甚小，不足以引发电击事故，也不必切断电源。采用IT系统非但用电很安全，而且事故停机率很低，可以大大减少事故停机损失。IT系统需装绝缘监测器，在发生第一次故障或系统绝缘水平下降时报警，以避免发生第二次故障切断电源而招致停电损失。它的最大缺点是不宜输出中线供给单相220V用电，否则在发生第一次相接地故障时就可能跳闸停电，招致停电损失，因此，IT系统需根据负荷配置380/220降压变压器以提供220V电源，这自然增加了系统结构的复杂性和建设费用。
图6 IT系统第一次接地故障时故障电流仅为电容电流
Fig. 6: Only Capacitance Current as Fault Current at Fault of Initial Earth of IT System
虽然IT系统的应用比较麻烦，但为了减少停电造成的巨大损失和保证电气安全，在发达国家不少电气装置中仍得到广泛的应用，例如医疗场所、重要场所的安全照明 、矿井、玻璃厂、冶金厂、化工厂、计算机中心、应急发电机（蓄电池）电源系统（EPS）等，当然也包括石油钻井井场。在我国IT系统的应用还只局限于矿井、医疗场所和不多的冶金厂等少数电气装置内，石油钻井井场只是局部在使用。如图7所示，ZJ50DB钻机变频驱动的几台动力设备，就是处于独立的IT系统，也装用了绝缘监测器。根据上述分析，接地保护线仅需考虑能够满足承受较小的对地电容电流即可，而不必按照相线截面的一半选用。
图7 IT系统在ZJ50DB钻机中的应用
Fig. 7: Application of IT System in ZJ50DB Drill
在严寒地冻的环境下，钻井井场接地系统，打接地棒非常困难，而IT系统不要求作中性点低阻值的系统接地，又由于其故障电流Ia很小，对电气设备外壳保护接地的阻值要求也不高，这样很容易满足井场的电气安全接地要求。
国外采用IT系统来解决电气装置运行的可靠性，以及免除打接地极的麻烦，同样保障人身安全。这种做法给了我们很大的启发，相信随着经济的发展，必将逐步得到应用。
结束语
石油钻井井场电气装置接地系统的规范性取决于独立系统对供电制式的选择。在现阶段，考虑工矿特点，变频驱动用电设备宜采用IT系统；井场作业区域其它用电设备宜采用TN-C-S系统；作业区外围及生活区宜采用TT系统。
参考文献
[1]《接地系统的选用》 建筑电气2007.1 王厚余
[2]《系统接地型式及安全技术要求》 GB14050-93
[3]《交流电气装置的接地》DL/T621-1997
[4]《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》国家建筑标准设计图集03D501-3
[5]《等电位联接安装》国家建筑标准设计图集02D501-2
[6]《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-2006