清河井场用电改造方案.doc

清河油田作业施工现场低压照明完善配套和高压电系统技术改造方案（井下作业处郑成华）2005-10-20内容摘要：本文分析了清河井下作业部施工现场用电的实物现状和技术现状，提出了低压照明的完善配套方案和现场值班房高压用电的技术改造方案。清河井下作业部工作区域在清河油田勘探开发工区内，服务的油水井共有近1000口。年油水井作业1500井次左右。所辖井下作业前线队种有：作业队8个，试油队2个，大修队1个，井架队1个。今年以来，实行甲乙方管理体制，甲方加强对乙方HSE工作的监督管理，要求井场今后不能使用高压电。现在，井口照明基本上已经使用了24V直流电源照明，但由于光源对施工井口的照明度不够和低压照明灯系统配备不足，夜间施工还存在安全隐患。井下作业施工井场值班房现使用的是1140/220V高压交流用电系统，确实存在一定的安全隐患。本文根据对清河井下作业施工现场用电的调查研究，提出低压照明完善配套和高压电系统技术改造方案，旨在消除井下作业施工现场安全隐患，提请各位专家和领导指正，起到抛砖引玉的作用。一、 清河井下作业部试油、作业、大修队井场用电现状和主要矛盾1、施工现场数量。清河井下作业部11个前线队的日常施工，一般每个试油队、作业队为二个施工现场，大修队为四个施工现场，每天全作业部作业施工现场至少为26个；由于清河油区出砂、油稠、井斜、井下套管变形状况差、井内管杆泵腐蚀严重等，造成作业工作量较大，据有关资料，2004年油井开井数约750口，作业工作量达到1537个自然井次（水井作业只占10%左右），所以经常出现二口井以上的交叉作业，施工现场往往达到30个左右。现在，各前线队共有26幢井场值班房。2、现场用电分两大系统。即井口低压照明系统和值班房高压用电系统。A）目前井口低压照明系统现状井口低压照明系统是近年来发展起来的，经过实践的考验，基本上能够满足作业井施工的需要，有效寿命周期2年左右。技术问题上存在本车电瓶放电的问题，需要对本车电瓶放电加一个二级管保护电路。清河井下作业部在此方面目前存在的主要问题有四个：一是作业队、试油队低压照明配备的数量不够。二是配置的级别低，除今年作业部配备的6套三灯头和一套五灯头外，其它均为单灯头，照明度不够。三是大修队井口照明因定额原因，作业部存在极大经营亏损，还有四台设备用的是高压电，现无资金改造（仅改造一台投用）。四是试油抽汲井口照明和钢丝绳照明尚未纳入解决的议事日程。各队低压照明数量统计单位/设备台数轮式通井机照明通井机手提应急灯数量完好状况数量完好状况数量完好状况作业1队/4一套三灯头好（9月启用）二套各一灯头一般4个二新二旧作业2队/4一套一灯头正常一套一灯头正常4个1个充电母端坏作业3队/5一套三灯头一套一灯头好（9月启用）一套一灯头轮通替下未用6个三新三旧作业4队/5一套三灯头正常二套二灯头正常4个旧的，时间短作业5队/4一套三灯头正常无-3个一新二旧作业6队/4一套一灯头灯头无一套一灯头灯头无4个二新二旧作业7队/4二套二灯头不太正常无-4个二新二旧作业8队/4一套一灯头正常一套一灯头正常4个四旧试224队/5一套三灯头不太亮2套3、1灯正常4个三新一旧试228队/4一套一灯头正常一套一灯头正常4个一新三旧大修队/5一套五灯头正常（7636车）无合计/4813套11套44套由此可见，在48部井下作业设备中，车载低压照明配备率只有50%；配备三灯头以上的设备只有7套，其它因照明度不够（光通量850流明）而不符合安全要求的占85.4%。由于交叉作业和夜间施工，照明度不够，存在着极大的安全隐患。B）目前值班房高压用电系统及风险。目前使用的供电系统（如下图所示）存在如下安全风险： 1140V220V变压器安装在值班房内，变压器内部线路因值班房频繁拉动行驶，发现内部电线与外壳有磨擦损伤现象，防漏电级别低； 真空开关上端接线柱普遍有一厘米的电缆裸露段，无防护措施，1140V高压电直接通到了板房内的高压变压器上，电缆与金属材质板房紧靠在一起，如果高压电缆破皮后触及板房，就更是危险。； 变压器与值班房绝缘不好，一旦变压器击穿而且真空保险管失灵，如只要有一个1140V220V 变压器1140V（供电方式一）真空开关二相或三相输出开关二个380V（供电方式二）井场值班房空调照明等用电器未断开时，值班房将会带电；有时前线队变压器接地不规范； 进入1140V变压器的电缆未架空，因施工井场条件差，多水潮湿，一旦漏电将使井场人员受到电击危险； 如果施工人员对输出开关分合状态不明确，因缺乏互锁装置，极其容易在使用一种供电方式时，使另一暂时空闲的输入端带电而伤人，目前开关附近无详细的说明书或警示标语； 房顶上的BFC8100*400瓦海洋泛光灯电线无穿墙孔，而是从窗子走电线； 值班房内电线敷设及用电电器不能防火防爆； 现场缺乏漏电检测仪器和漏电保护器； 大部份干部和员工对电的知识学习不够； 还有如下管理上的不安全现象：如有的单位电器线路布线凌乱，房内的照明灯具没有灯罩，里面的灯具处于悬吊状态；作业队的总电源开关没有起到作用，而是通过一个插到插座的插头来完成开关的作用；相关的电源线很长，接头很多，并且随意的摊放着在板房的地板上。在380V的输入上，电缆线就直接搭放在板房的顶部，长时间的刮风摇动、人工拖动等难免会导致电线外皮受损，如果不常检查，一旦带电部分触及板房，都是十分危险的。3、改善现场用电的办法和要解决的主要矛盾。改善低压照明系统安全风险，主要是要提高井口光通量，实质上是资金投入的问题，办法是：一方面可通过争取安全专项基金解决，另一方面可根据作业部经营情况一步一步解决，但是应尽可能尽快解决。作业施工现场低压照明完善配套方案：全部作业施工现场照明升级为三灯头，大修队井口和井架照明由交流220V改为直流24V。制做一套试油野营房（住人房二间、值班化验室一间、伙房一间）。预算费用如下：A） 试油、作业队井下作业全部设备整改为三灯头费用预计为：低档（43-6）*1.5=55.5万元，高档为76万元；大修队其它四台设备改为低压照明费用预计为：4*3.6=14.4万元。合计费用为69.9至90万元。B） 试油队一套野营房30万，变压器及防爆电路安装费和井场安全照明费用5万元。C）值班房的用电器主要有4种：房顶泛光灯、空调、饮水机、室内照明灯两盏，总功率2.3kW。加上其它电器偶尔使用和考虑保险，设计系统最大负荷为5 kW。前线队的井场值班房对于规范管理、方便生产、防盗、改善员工生产条件是十分必要的，在清河井下作业部其使用率达到100%，值班房和其用电必不可少。我们认为，目前最危险的是值班房高压用电系统的安全问题，这是主要矛盾。二、值班房直流配电方案的可行性分析值班房有那么多用电风险，能否采用24V直流电？1、技术方案：出于安全的考虑，我们还是将整个变压器电源放在油井电源处，经它变送出一个低压直流24V，然后经电缆送至板房的各个用电器上。变压电源的组成原理图如下：2、相关计算：我们首先从电缆开始计算，由于电源放在井口，且变压器初级侧的电压较高，高压侧的电缆只要电压达到了就不存在其他问题。然后计算输出电缆：a、电缆上的电流：整个电源的功率是5000瓦，电压为24伏时，相应的电流就是：5000/24=200（A）。b、电缆的选型：考虑到大电流会在线路上有压降损耗，电流密度就不能取得很大，按电工规范，我们取2A/mm2，所以就需要选用2×95 mm2的铝芯橡皮绝缘双芯电力电缆（铝线可以降低重量），这种电缆的外径是35.2mm，这种电缆是很粗的，而且很沉重。这种粗重的电缆，一般用于固定不动的线路系统中，对于作业队这样经常移动的场合就不太合适。c、计算线路压降：铝的电阻率是0.027，假设从井口到板房的距离是50米，那么50米电缆的单根电阻就是：0.027*50/95=14.2毫欧，200安培的电流在其上面的压降就是2.84伏，考虑到接线端子上的接触压降，这个电压将达到3伏是没问题的，两条线就是6伏。电源输出24伏，到了板房，满载时就变了18伏，如果我们将电源的输出电压提高到30伏，那么在轻负载时，板房上的电压就是30伏。18伏和30伏，对于24伏的负载显示都是不行的。d、电暖器、饮水机的功率计算：由于功率是与电压的平方成正比的，电压降为24伏以后，功率将下降为220伏的（24/220）*（24/220）=1.2%，这对电暖器和饮水机来讲，可能分辨不出是否送电。e、空调：我们对空调生产厂家进行了咨询，所谓直流空调，是指它的压缩机为直流供电，而且还是200伏左右的高压直流，整个空调的供电还是交流市电220伏，据了解，目前直流低压空调尚不多见。低压24伏，对于负载存在如上的问题。200安培的电流，对于线路和负载来讲存在重量、压降等问题。对于电源本身，同样存在技术上和工艺上的一系列问题。如果我们将电源放在板房内，减少线损，虽然解决照明是没有问题，但低压直流空调和饮水机的选型也存在问题，目前市场上还找不到这样的产品。另一方面，如不采取技术措施，高压电缆直接送电送入板房内变压器，从安全的角度讲，这也是不允许的。看来直流方案的可行性，还需要进一步的研究，目前还无法解决。海洋王公司成功之处主要是通过发明高效光源，减少了电源负荷而成功的，如果我们不能减少用电负荷，使用直流供电，完成目前值班房的功能，还存在很大的困难。井下作业现场值班房从技术上讲，目前还只能采用交流电。使用交流电源的另一方面的原因是它的通用性和经济性。中国的电网标准是220V/380V交流电，几乎所有的交流用电负载都是按照此标准设计的，所以国内任何一个厂家的产品可以在国内的任何一个地区使用。通用的电器产品，由于销量很大，它的价格相对较低，一旦这些电器设备出现问题，不管是更换整机，还是更换配件，都很方便。如果采用非标电源，比如直流电，绝大多数的常规电器产品就不能使用了。如果定制这样的产品，数量不大的情况下，价格昂贵，而且一旦出现问题，那带来的麻烦会更大。在成本方面，直流电源的造价要比交流电源高一些，因为它不仅有一台隔离变压器，还有必不可少的整流和滤波电路部分。如何克服目前高压配电的不安全问题呢？三、井下作业现场值班房交流配电改造可行性分析1、隔离电源改造方案：针对目前发现的问题，我们提出了一套新的配电方案，这套电源，输出一个380/220V交流电源，不仅它的输出是隔离的，而且带有完善的破皮漏电、触电、接地保护功能，或者说它输出的是一个220V安全电源。2、一般触电的过程，如下图：只要没有第一次接地，也就是不具备触电的前提条件，即便是人体触及带电体，由于形不成回路，也不会有电流通过人体，也就不会发生触电事件。3、井下作业施工现场用电安全技术措施现状。目前，一般井下作业施工现场，其生产用电的来源一般是从抽油机或潜油泵的供电电源上取电，然后经隔离变压器变压得到380/220V的三相交流电源，提供整个作业现场的用电需求。这样的供电系统，在安全技术方面的现状是：a、变压器的输出线路较为简单，加上企业各方面管理人员对用电安全专业不精通等方面的原因，多数情况下没有采取漏电措施；即使有安全措施，也存在安全死角。b、传统检测方式的不足：现有的防护措施有一个安全死角，如上图所述，就是如果其中的一条线在不知情的情况下已经接地，那么这个系统就不再是隔离的，此时如果再出现有人接触电网的情况，电流将直接通过人体到大地，然后通过另一条接电线返回电网，形成回路，触电事故发生。有些单位的产品，也考虑到了这种情况，所以他们在电源的输出端加装了一个漏电保护器，漏电保护器的工作原理是当通过保护器零序互感器中各相电流的合成电流不为零的时候，就会在互感器的两端感应出一个电压来，当这个电压增大到一定程度，保护器就会切断电源。如果上述第一个接地点出现在漏电保护器之前，这样的保护措施是有效的，但如果出现在保护器之后，由于流过保护器的电流总是平衡的，其合成电流也总是为零，保护器将起不到保护的作用。由于变压器的输出与漏电开关的距离很近，这种无意中的接地，发生在它们之间的可能性很小，所以接在次级的漏电保护器基本是不起作用的。今年春天发生在孤岛的触电事故就是这么形成的，是深层次的技术问题。另一方面，国家对漏电保护器的判定电流规定为30毫安，在实际中我们发现，这个电流对于人体尽管是安全的，但是，它对人体的刺激还是很大的。提高现有电路的灵敏度，可以使判定电流很小，但这样做又会带来另一个问题，就是误动作。线路对地存在很大的分布电容，这是不可避免的，即使线路确实不存在接地现象，通过分布电容的漏电流也不可忽略，如果保护电路的灵敏度过高，就会使电路出现误动作。这与人体安全是一个矛盾。4、井下作业现场值班房新电源方案工作原理：本电源的工作原理就是检测第一个触电条件的成立。当第一个条件成立时，如果漏电情况轻微，系统将会报警，如果漏电情况严重，比如直接接地，系统会无条件立即切断输出。当然，如果是人体首先触及带电体，虽然形不成回路，不会对人体带来危害，但系统会将其视为第一个条件成立而予以保护。工作原理图如下所示。5、新的漏电检测方式：我们认识到了原有的检测电路的不足，所以在新的改造方案设计上，没有在隔离变压器的次级加装漏电保护器，而是在次级加入了一个特殊的检测电路。对于次级对地隔离的情况，如果没有事先的接地，人体触及线路是不会有危险的，只有线路已经存在接地的情况时，人体触及线路才有可能发生触电。所以，问题就归结为如何在线路第一次接地的时候就采取措施。实现的方法是电路中制造了一个虚地并将其事先接地，如果外电路发生接地或者触电现象，将会与电路上的虚地形成回路，并产生回路电流，这个很小的回路电流将会驱动保护电路切断电源，达到保护的目的。由于电路中采取了独特的补偿措施，完全避免了误动作问题。由于电路虚地的内阻很大，允许通过的电流很小，远小于人体触电时的安全电流值，所以这种检测电路本身是安全的，这样，我们就实现了第一点接地的检测。6、新的检测控制的实现。检测电路负责检测变压器次级隔离电路与大地之间的漏电情况，将检测到的情况，经信号放大、相位补偿等处理后，与一个设定值相比较，一旦超过设定值，就会送给断路器的脱扣线圈一个电压信号，实现断电保护。同时，电路还会对每一相的输出电压、负载电流进行测量，并将它们一并显示在汉字液晶屏上，便于作业队工人对配电系统的工作状况随时进行了解。四、井下作业现场值班房新电源方案的优点。1、控制成本。这样一套电源使用系统，对现有系统进行改造时，现正在使用中的变压器经过略为改造后可以利用，能适合原来的1140V或380V外部供电、现有的保护功能不受影响，降低了总成本。2、安全可靠。在次级线圈后的任何一个地方，如果出现线路接地、破皮漏电、人体触电（其实也是一种漏电、但人体不会有任何感觉）等各种安全隐患时，系统都会报警，严重时会采取保护措施。井场用电即使有不规范行为而造成意外，也不会带来安全上的问题。这是本系统最大的优点。3、系统可人工检测。试验按钮的作用是测试检测电路是否正常，生产工人在怀疑线路的工作状况是否良好时可以按下此按钮进行检查测试。 4、系统可自检。为了防止保护电路本身出现问题（因为检测电路都是不承受功率的弱信号电路，所以这种概率几乎为零），在人工试验按钮以外，还要增设自动试验功能，每隔一段固定的时间，系统会自动的接通试验按钮，如果检测电路能够输出一个报警信号，说明系统工作正常，相反，如果收不到相应的报警信号，说明系统出现了问题，将会出现另一种报警自检报警。自我监测过程不会切断输出电源，不会影响作业队的供电。五、作业队现场值班房配电系统改造方案。根据上述漏电保护原理，我们拟采用上述电路作为值班房配电改造方案。对于1140/220（V）隔离变压器的次级线路，除采用带有上述保护系统的配电线路，变压器的输出首先接一个断路器（对于电网是380V的情况，要考虑两种电源输出的自锁问题）。然后，就通过各个开关分接至多路负载。由于清洁生产的需要，要考虑负荷为2千瓦三相电机使用问题，合理分配负荷。另外，作业队还应制定相应的安全制度，必须在规定的时间内，按下试验按钮以检查本系统的完好，一旦发现问题立即报修。六、尚需考虑和解决的问题。施工时变压器的放置位置。问题一：当变压器放在值班房内时，尽管次级线圈以后有安全技术措施，但电缆及两头的安全和变压器的初级线圈的安全存在在问题。问题二：当变压器放在1140电源旁边时，由于在野外露天，日晒雨淋，来回搬动，也存在很大的安全风险，由于条件的不可控制性，风险比放在值班房内可能更大。此外，目前在有老乡的地方都采用1140V电压作为生产用电，老乡无法用电，因此还有很大的被盗窃风险。因此，我们认为在清河地区，变压器应选择放在值班房内。消除风险的办法是：1、制作专用绝缘电缆架（板）；2、定期测量电缆外观和对地电阻；3、保证变压器接地有效；4、限制变压器负荷等。七、结论1、目前井口照明系统可通过增加安全资金投入消除安全风险。2、值班房用直流电暂时还不可行。本文所述的交流隔离电源在安全方面采取的措施是时刻监视接地这个“第一个条件”是否成立，所以它能起到防患于未然的作用。另外，系统还有接地试验按钮，可以随时检查安全保护电路的功能是否正常。分析认为，本文所述的这种改造后的交流系统是比较安全的，应尽快投入试验，确定需要的费用，早日投入现场使用，消除安全风险。