油田地面工程電氣設計要點的國內外標準分析

海外油田地面工程電氣設計除了依據招標文件技術要求外，比較通用的技術規定還可參考IEC、IEEE、API、NFPA這些規範和一些國際知名油氣公司的內部技術文件。

中石油工程建設有限公司北京設計分公司的研究人員梅業偉、劉學敏、馮濤、凡曼，在2020年第10期《電氣技術》雜誌上撰文，結合公司在中東、非洲的一些油田地面工程項目，對常用的油田地面工程電氣設計涉及的國際標準和中國的國家及行業標準進行總結，對電氣設計要點所依據的國內外標準規範條文進行歸納，對國內外規範有顯著差異的技術規定進行說明，供海外油田地面工程電氣設計參考。

隨著海外業務的不斷擴展，公司承攬了越來越多國家和地區的油田地面工程設計工作。在激烈的國際市場角逐中，公司與國際油氣公司的合作越來越多，與油氣領域國外知名諮詢設計公司的競爭也越來越激烈，這就要求在具體的工程設計中充分理解招標文件要求及油田地面工程設計常用的國際規範，掌握國標與國際標準的顯著差異，避免因國內做法與國際規範不一致而導致的技術爭議，保證項目的順利執行。

本文基於中東地區及非洲的一些油田地面工程項目，對相關電氣設計主要技術問題所依據的國內規範和國際常用規範技術規定進行匯總、分析，供海外工程電氣設計同行參考。

1 負荷分級與主接線設計

油田電氣設計是依據工藝及公用系統用電負荷需求、站場及單體布置，進行相應的供配電、防雷接地、照明等設計，負荷是進行電氣設計的基礎。國標（GB）裡對負荷等級及相應等級的供電方式都有明確的要求，但是主要的國際標準（IEC、IEEE）沒有負荷分級的規定。

GB 50052—2009《供配電系統設計規範》根據電力負荷對供電可靠性的要求及中斷供電對人身安全、經濟損失所造成的影響程度進行分級，將負荷分為一級負荷（包含一級負荷中特別重要的負荷）、二級負荷與三級負荷。根據負荷分級，該規範規定了不同等級負荷的供電方式，如一級負荷應由雙重電源供電，二級負荷的供電系統宜由兩回線路供電。

GB 50350—2015《油田油氣集輸設計規範》將油田站場的電力負荷等級參考GB 50052及SY/T 0033，並應結合油田油氣集輸工程在生產過程中的特點及中斷供電所造成的損失和影響程度，根據站場和設施的種類、生產規模，將負荷分為一、二、三級，不同等級負荷的供電方式與GB 50052一致。

SY/T 0033—2009《油氣田變配電設計規範》依據負荷水平、負荷性質、出線迴路、設備特點等條件確定油田變電所電氣主接線方式，主要有線路變壓器組單元接線、橋形接線和單母線分段接線幾種。

API540—2013《Electrical Installations in Petroleum Processing Plants》根據工藝生產規模和負荷的重要性給出了幾種典型接線：10MW以下負荷可採用單母線接線、孤網電站常採用的分段母線接線（construction bus arrangement）、高可靠性和易於擴建的同期母線接線（synchronizing bus arrangement）。

SHELL DEP 33.64.10.10—2014《Electrical Engin- eering Design》給出了單母分段與單母三分段的典型接線方式。

海外工程實際應用中，集中處理站內變電站中壓系統主要是單母分段接線，低壓系統根據有無應急電源需求採用單母分段或者單母線分段帶應急母線段，站外單井根據產量及負荷的重要程度可選用環網、單母線、單母分段或者線路-變壓器組等接線方式。

2 電氣計算

海外油田地面工程設計的電氣計算中，差別較大的是負荷計算，另外電動機起動壓降的標準也是在設計過程中經常需要澄清的問題。本節針對國內外的常用負荷計算方法和國內外規範關於電動機起動壓降限值進行比較。

2.1 負荷計算

SY/T 0033規定站、場內生產裝置、機泵等用電設備，應採用軸功率法計算；機械採油、輔助設施等單元的用電設備，宜按需要係數法，具體的計算公式與係數取值見本規範的第四節。

DEP 33.64.10.10的負荷計算方法如式（1）與式（2）所示。

式（1）和式（2）中：PN為正常運行最大負荷；PM為峰值負荷；PC為連續運行負荷；PI為間斷運行負荷；PS為備用負荷。

上式中連續運行負荷的係數，是按工藝負荷取得100%，對於辦公、維修非工藝負荷，該係數可取90%。

《Handbook of Electrical Engineering For Practitioners in the Oil, Gas and Petrochemical Industry》裡的負荷計算方法與DEP的計算方法一致，計算係數有所不同，具體見表1。

表1 負荷計算同時係數

2.2 電動機起動壓降

GB 50055—2011《通用用電設備配電設計規範》對電動機的起動壓降規定如下：

1）配電母線上接有照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，電動機頻繁起動時，不宜低於額定電壓的90%；電動機不頻繁起動時，不宜低於額定電壓的85%。2）配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，不應低於額定電壓的80%。3）配電母線上未接其他用電設備時，可按保證電動機起動轉矩的條件決定；對於低壓電動機，尚應保證接觸器線圈的電壓不低於釋放電壓。對於起動時的機端電壓，GB 50055無具體要求，但DL/T 5153有相關技術規定：

1）容易起動的電動機起動時，電動機的端電壓不應低於額定電壓的70%。2）對於起動特別困難的電動機，當製造廠有明確合理的起動電壓要求時，應滿足製造廠的要求。IEEE Std 399—1997《IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis》Table 9-1規定電動機起動時被起動的電動機機端電壓最低為80%，但該表說明裡也提到了該值是NEMA B電動機的典型值，機端電壓可根據實際的電動機和負荷特性進行調整。

NFPA 70—2017《National Electrical Code》695.7節規定消防泵起動時，電動機機端壓降不大於額定電壓的15%。

IEEE Std399與NFPA70對起動壓降的考核點為電動機機端，國標為配電母線，國際標準壓降典型值考慮了起動時的線路壓降，而國標未考慮；DL/T 5153要求的最低機端電壓70%額定電壓，比國際標準低，因此國際項目中該壓降需要特別注意項目的具體技術要求及標準取用規定。

3 設備布置

設備布置主要探討國內外規範對室內開關櫃布置間距要求、戶外變電站安全距離、變壓器防火間距的不同技術規定，國內外規範對這些距離的技術規定有較多差異，下面列出常用規範和相關內容。

3.1 戶內設備布置國內標準技術規定

國內的中低壓開關櫃的設備布置主要依據GB 50060，GB 50053和GB 50054，國外標準可參考NFPA70。

GB 50060—2008《3～110kV高壓配電裝置設計規範》規定屋內配電裝置採用金屬封閉開關設備時，屋內各種通道的最小寬度宜符合表2的規定。

表2 配電裝置屋內各種通道的最小寬度

表2中的通道寬度在建築物的牆柱個別突出處，可縮小200mm。

GB 50053—2013《20kV及以下變電所設計規範》規定高壓配電室內高壓配電裝置單排布置淨距與表2完全一致；雙排面對面布置時的櫃後維護通道比表2的雙列布置小，為800mm，其餘淨距要求與標的雙列布置一致；雙排背對背布置時，除了櫃後維護通道為1000mm外，操作通道淨距與表2的單列布置一致。

GB 50054—2011《低壓配電設計規範》的技術規定見該規範表4.2.5，該表中固定式配電屏空間受限時的工況，單排布置時屏前最小淨距要求為1.3m，雙排面對面布置時1.8m，而同樣工況下抽屜櫃相應的淨距要求分別為1.6m和2.1m。

3.2 戶內設備布置國際標準技術規定

NFPA70—2017《National Electrical Code》規定的電氣設備工作時的安全淨距見表3，表3的淨距可以是與帶電裸導體的距離，也可以是與設備外殼的距離；當帶電裸導體封閉於外殼內時，表3的淨距是與設備外殼開孔處的距離。NFPA70規定的工作空間不但適用於裸導體的間距要求，也適用於開關櫃的布置。

表3 電氣設備工作空間

工況1：一側有裸露的帶電部分，另外一側無帶電或接地的部分，或者工作空間兩側均有裸露帶電部分，但具備有效的絕緣防護。工況2：工作空間的一側有裸露的帶電部分，另外一側有接地部分，混凝土牆、磚牆、瓷磚牆壁均可視為接地條件。工況3：工作空間的兩側均有裸露的帶電部分。對於海外油田地面工程常用的中壓配電室布置（表3中的工況2與工況3），開關櫃布置間距NPFA的要求高於國標，400V配電屏布置間距NPFA的要求低於國標。3.3 戶外開關站安全距離

海外油田常用電壓等級為132kV及以下，國內相應的電壓等級為110kV，戶外開關站安全距離國標參考GB 50060表5.1.1，國際規範可參考IEC 61936—1 Table 1。

兩個標準在132kV（110kV）及以下電壓等級的最小安全距離規定如下：

1）額定電壓66kV，戶外最小相-地與相間間距IEC規定為630mm，國標規定為650mm，國標要求的間距大於IEC的規定。2）額定電壓110kV，直接接地和不接地的戶外相-地間距國標規定分別為900mm和1000mm，對應的相間間距分別為1000mm和1100mm。3）額定電壓132kV，IEC規定的戶外最小相-地和相間間距與設備的額定雷電衝擊耐受電壓相關，450kV、550kV和650kV雷電衝擊耐受下的最小相-地與相間間距分別為900mm、1100mm與1300mm。3.4 變壓器防火間距

國標規定的油浸變壓器防火間距以電壓等級劃分，IEC與IEEE均以變壓器油的性質及總量劃分。

GB 50229—2019《火力發電廠與變電站設計防火標準》規定的變壓器最小淨距為35kV及以下5m，66kV為6m，110kV為8m，220kV及330kV為10m，500kV及以上為15m。油量為2500kg及以上的屋外油浸變壓器之間的防火間距不能滿足最小間距要求時，應設置防火牆。

IEC 61936—1對普通絕緣油按照總油量劃分了4個等級，具體見表4。IEEE 979按照總油量定量劃分了兩個等級，變壓器外廓間距小於這些間距要求時，則應設置防火牆。

表4 IEC 61936—1的變壓器防火間距

GB 50229給出的變壓器最大的防火間距為15m，IEC 61936—1規定油量大於等於45000L時，變壓器間最大為15m，IEEE 979規定變壓器礦物油量在1890L到18930L之間時，間距最小為7.6m，油量大於18930L時，間距最小為15.2m。對於油田常用的132kV（110kV）及以下電壓等級的大容量變壓器，IEC和IEEE規定的防火間距一般會大於國標的8m，在國際項目中應特別注意。

4 絕緣配合

海外油田中壓接地系統與國網常用典型設計有所不同，因此國內的一些常用避雷器不一定能直接用於海外項目，需要校核。絕緣配合方面本節整理了油田地面工程常用的無間隙避雷器的電壓選擇及避雷器選擇時國內外的配合係數相關的技術規定。

4.1 避雷器電壓參數選擇

GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規範》中的金屬氧化物避雷器（metal oxide arrester, MOA）參數選擇見該規範的表4.4.3。

DL/T 804—2014《交流電力系統金屬氧化物避雷器使用導則》規定中性點採用低電阻接地，單相接地故障在10s及以內切除時，無間隙避雷器的持續運行電壓的選擇應不低於電力系統的最高工作相電壓。

10s及以內切除故障，避雷器持續運行電壓應滿足式（3）；10s及以上切除故障時應滿足式（4）與式（5）的要求，其中式（4）適用於3～20kV系統，式（5）適用於35～66kV系統。

式中：Uc為避雷器持續運行電壓；Um為系統最高運行電壓。

對於無間隙避雷器，持續運行電壓一般相當於額定電壓的75%～85%。

IEC 60099—5—2018《Surge Arresters—Part 5: Selection and Application Recommendations》給出避雷器額定電壓Ur≥UTOV/Tr，UTOV為系統的暫態過電壓，Tr為避雷器的暫態過電壓係數。

4.2 絕緣配合係數

GB/T 50064規定了避雷器殘壓與設備耐受值之間的配合係數。電氣設備內絕緣的雷電衝擊耐壓配合係數，MOA緊靠設備時可取1.25，其他情況可取1.40，電氣設備內絕緣的操作衝擊耐壓配合係數為1.15。

《Substation Design Application Guide》給出的雷電衝擊與操作衝擊配合係數分別為1.4和1.25。雷電衝擊配合係數與國標基本一致，操作衝擊配合係數國標較小。

5 電纜色標與敷設

電纜色標與敷設間距是海外項目中需要重點關注的問題，本節對主要的國內外標準關於電纜色標的規定、敷設間距的規定進行匯總，供海外項目參考。

5.1 電纜色標

GB/T 6995.5—2008《電線電纜識別標誌方法 第5部分：電力電纜絕緣線芯識別標誌》規定兩芯電纜色標為紅、藍，三芯為黃、綠、紅，四芯為黃、綠、紅、藍。紅、藍、綠適用於主線芯，藍色用於中性線芯，推薦使用淡藍色。

BS7671—2018《Requirements for Electrical Installations》規定L1、L2、L3和N對應的色標為棕、黑、灰和藍色；直流正負極L+與L對應的色標為棕色與灰色，如果有中性線M，其色標為藍色，不同型式的直流系統對色標更為詳細的規定可參見該標準的TABLE 7E。

IEC 60445對L1、L2、L3和N的推薦顏色標識為黑、棕、灰、藍，與BS 7671顏色一致，但相序不同。直流的正負極與中性線（L+，L，M）色標分別為紅色、白色、藍色，與英標不同。

5.2 電纜安裝間距

1）直埋敷設

GB 50217—2018 《電力工程電纜設計標準》表5.1.7與表5.3.5中電纜之間、電纜與地下管溝、電纜與建築物基礎、電纜與到路邊的距離。電力電纜與熱力管道平行時，最小淨距為1000mm，與其他管道最小平行間距為150mm；控制電纜及信號電纜與熱力管道和其他管道的最小平行間距要求分別為500mm和100mm。

IEEE C2—2017《National Electrical Safety Code》Rule 353規定電纜之間的平行間距和電纜與其他地下設施，如汙水管道、供水管道、燃氣管道及輸送其他易燃物質的管道、建築物基礎、蒸汽管道等的平行間距均應不小於300mm，其中與蒸汽管道和低溫管道的間距需避免管道對電纜的損傷，如果不能提供足夠的間距，應安裝隔熱層。

直埋敷設電纜與熱力管道間距國標規定的最小淨距大於IEEE C2的規定，而與其他管線的最小淨距小於IEEE C2的規定。

2）橋架敷設

GB 50217表5.5.2規定電纜支架、梯架或託盤的層間距離最小值。採用支架或吊架時，表內電力電纜最小層間距6kV以下為150mm，6～10kV交聯聚乙烯為200mm，35kV單芯為250mm，35kV三芯為300mm；採用梯架或託盤時，表5.5.2規定電力電纜最小層間距6kV以下為250mm，6～10kV交聯聚乙烯及35kV單芯均為300mm，35kV三芯為350mm。

IEEE 422—2012《Guide for the Design of Cable Raceway Systems for Electric Generating Facilities》[25]規定橋架垂直距離最少300mm，中壓電纜與低壓、控制和儀表電纜的間距最少300mm，或者安裝金屬隔板。推薦不同電壓等級的電纜安裝在不同的橋架內，如果低壓電力和控制電纜具有匹配的工作溫度和額定電壓（600V及以下)，則低壓電力和控制電纜可以不考慮敷設間距。

採用支架或吊架時，35kV以下電力電纜及35kV單芯電力電纜層間距國標規定均小於IEEE 422規定的300mm；採用梯架或託盤時，6kV以下電力電纜層間距小於IEEE 422規定的300mm。

6 照明設計

海外油田地面工程的照度標準值一般可參考API540、IEEE C2，國標可參考SH/T3192與GB 50582。SH/T3192與API540的照度標準值很多都一致，表5列出了油田地面工程中常見設施的照度標準值差異。

表5 SH/T3192與API 540照度標準值對比

路燈照明的照度標準值，API540規定常操作的區域為4lx，不常操作的區域為2lx；GB 50582規定石油化工工廠室外場地主要道路照明標準值為10lx，次要道路為5lx；SH/T 3192對罐區道路照明標準值規定主要道路為10lx，次要道路為5lx。道路照明標準值的國標要求比API 540高。

7 結論

本文對海外油田地面工程電氣設計常用的國內外規範進行了匯總，對電氣設計要點相關的國內外技術規定進行了說明，對一些技術規定的國內外規範的差別進行了總結，可作為海外油田地面工程電氣設計參考。