油田地面设计（油田地面工程电气设计要点的国内外标准分析）
油田地面设计（油田地面工程电气设计要点的国内外标准分析）API540—2013《Electrical Installations in Petroleum Processing Plants》根据工艺生产规模和负荷的重要性给出了几种典型接线：10MW以下负荷可采用单母线接线、孤网电站常采用的分段母线接线（construction bus arrangement）、高可靠性和易于扩建的同期母线接线（synchronizing bus arrangement）。SY/T 0033—2009《油气田变配电设计规范》依据负荷水平、负荷性质、出线回路、设备特点等条件确定油田变电所电气主接线方式，主要有线路变压器组单元接线、桥形接线和单母线分段接线几种。油田电气设计是依据工艺及公用系统用电负荷需求、站场及单体布置，进行相应的供配电、防雷接地、照明等设计，负荷是进行电气设计的基础。国标（GB）里对负荷等级及相应等级的供电方式都有明确的要求，但是主要的国际标准
海外油田地面工程电气设计除了依据招标文件技术要求外，比较通用的技术规定还可参考IEC、IEEE、API、NFPA这些规范和一些国际知名油气公司的内部技术文件。
中石油工程建设有限公司北京设计分公司的研究人员梅业伟、刘学敏、冯涛、凡曼，在2020年第10期《电气技术》杂志上撰文，结合公司在中东、非洲的一些油田地面工程项目，对常用的油田地面工程电气设计涉及的国际标准和中国的国家及行业标准进行总结，对电气设计要点所依据的国内外标准规范条文进行归纳，对国内外规范有显著差异的技术规定进行说明，供海外油田地面工程电气设计参考。
随着海外业务的不断扩展，公司承揽了越来越多国家和地区的油田地面工程设计工作。在激烈的国际市场角逐中，公司与国际油气公司的合作越来越多，与油气领域国外知名咨询设计公司的竞争也越来越激烈，这就要求在具体的工程设计中充分理解招标文件要求及油田地面工程设计常用的国际规范，掌握国标与国际标准的显著差异，避免因国内做法与国际规范不一致而导致的技术争议，保证项目的顺利执行。
本文基于中东地区及非洲的一些油田地面工程项目，对相关电气设计主要技术问题所依据的国内规范和国际常用规范技术规定进行汇总、分析，供海外工程电气设计同行参考。
1 负荷分级与主接线设计油田电气设计是依据工艺及公用系统用电负荷需求、站场及单体布置，进行相应的供配电、防雷接地、照明等设计，负荷是进行电气设计的基础。国标（GB）里对负荷等级及相应等级的供电方式都有明确的要求，但是主要的国际标准（IEC、IEEE）没有负荷分级的规定。
GB 50052—2009《供配电系统设计规范》根据电力负荷对供电可靠性的要求及中断供电对人身安全、经济损失所造成的影响程度进行分级，将负荷分为一级负荷（包含一级负荷中特别重要的负荷）、二级负荷与三级负荷。根据负荷分级，该规范规定了不同等级负荷的供电方式，如一级负荷应由双重电源供电，二级负荷的供电系统宜由两回线路供电。
GB 50350—2015《油田油气集输设计规范》将油田站场的电力负荷等级参考GB 50052及SY/T 0033，并应结合油田油气集输工程在生产过程中的特点及中断供电所造成的损失和影响程度，根据站场和设施的种类、生产规模，将负荷分为一、二、三级，不同等级负荷的供电方式与GB 50052一致。
SY/T 0033—2009《油气田变配电设计规范》依据负荷水平、负荷性质、出线回路、设备特点等条件确定油田变电所电气主接线方式，主要有线路变压器组单元接线、桥形接线和单母线分段接线几种。
API540—2013《Electrical Installations in Petroleum Processing Plants》根据工艺生产规模和负荷的重要性给出了几种典型接线：10MW以下负荷可采用单母线接线、孤网电站常采用的分段母线接线（construction bus arrangement）、高可靠性和易于扩建的同期母线接线（synchronizing bus arrangement）。
SHELL DEP 33.64.10.10—2014《Electrical Engin- eering Design》给出了单母分段与单母三分段的典型接线方式。
海外工程实际应用中，集中处理站内变电站中压系统主要是单母分段接线，低压系统根据有无应急电源需求采用单母分段或者单母线分段带应急母线段，站外单井根据产量及负荷的重要程度可选用环网、单母线、单母分段或者线路-变压器组等接线方式。
海外油田地面工程设计的电气计算中，差别较大的是负荷计算，另外电动机起动压降的标准也是在设计过程中经常需要澄清的问题。本节针对国内外的常用负荷计算方法和国内外规范关于电动机起动压降限值进行比较。
2.1 负荷计算
SY/T 0033规定站、场内生产装置、机泵等用电设备，应采用轴功率法计算；机械采油、辅助设施等单元的用电设备，宜按需要系数法，具体的计算公式与系数取值见本规范的第四节。
DEP 33.64.10.10的负荷计算方法如式（1）与式（2）所示。
式（1）和式（2）中：PN为正常运行最大负荷；PM为峰值负荷；PC为连续运行负荷；PI为间断运行负荷；PS为备用负荷。
上式中连续运行负荷的系数，是按工艺负荷取得100%，对于办公、维修非工艺负荷，该系数可取90%。
《Handbook of Electrical Engineering For Practitioners in the Oil Gas and Petrochemical Industry》里的负荷计算方法与DEP的计算方法一致，计算系数有所不同，具体见表1。
表1 负荷计算同时系数
2.2 电动机起动压降
GB 50055—2011《通用用电设备配电设计规范》对电动机的起动压降规定如下：
- 1）配电母线上接有照明或其他对电压波动较敏感的负荷，电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的90%；电动机不频繁起动时，不宜低于额定电压的85%。
- 2）配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷，不应低于额定电压的80%。
- 3）配电母线上未接其他用电设备时，可按保证电动机起动转矩的条件决定；对于低压电动机，尚应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。
对于起动时的机端电压，GB 50055无具体要求，但DL/T 5153有相关技术规定：
- 1）容易起动的电动机起动时，电动机的端电压不应低于额定电压的70%。
- 2）对于起动特别困难的电动机，当制造厂有明确合理的起动电压要求时，应满足制造厂的要求。
IEEE Std 399—1997《IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis》Table 9-1规定电动机起动时被起动的电动机机端电压最低为80%，但该表说明里也提到了该值是NEMA B电动机的典型值，机端电压可根据实际的电动机和负荷特性进行调整。
NFPA 70—2017《National Electrical Code》695.7节规定消防泵起动时，电动机机端压降不大于额定电压的15%。
IEEE Std399与NFPA70对起动压降的考核点为电动机机端，国标为配电母线，国际标准压降典型值考虑了起动时的线路压降，而国标未考虑；DL/T 5153要求的最低机端电压70%额定电压，比国际标准低，因此国际项目中该压降需要特别注意项目的具体技术要求及标准取用规定。
3 设备布置设备布置主要探讨国内外规范对室内开关柜布置间距要求、户外变电站安全距离、变压器防火间距的不同技术规定，国内外规范对这些距离的技术规定有较多差异，下面列出常用规范和相关内容。
3.1 户内设备布置国内标准技术规定
国内的中低压开关柜的设备布置主要依据GB 50060，GB 50053和GB 50054，国外标准可参考NFPA70。
GB 50060—2008《3～110kV高压配电装置设计规范》规定屋内配电装置采用金属封闭开关设备时，屋内各种通道的最小宽度宜符合表2的规定。
表2 配电装置屋内各种通道的最小宽度（净距）
表2中的通道宽度在建筑物的墙柱个别突出处，可缩小200mm。
GB 50053—2013《20kV及以下变电所设计规范》规定高压配电室内高压配电装置单排布置净距与表2完全一致；双排面对面布置时的柜后维护通道比表2的双列布置小，为800mm，其余净距要求与标的双列布置一致；双排背对背布置时，除了柜后维护通道为1000mm外，操作通道净距与表2的单列布置一致。
GB 50054—2011《低压配电设计规范》的技术规定见该规范表4.2.5，该表中固定式配电屏空间受限时的工况，单排布置时屏前最小净距要求为1.3m，双排面对面布置时1.8m，而同样工况下抽屉柜相应的净距要求分别为1.6m和2.1m。
3.2 户内设备布置国际标准技术规定
NFPA70—2017《National Electrical Code》规定的电气设备工作时的安全净距见表3，表3的净距可以是与带电裸导体的距离，也可以是与设备外壳的距离；当带电裸导体封闭于外壳内时，表3的净距是与设备外壳开孔处的距离。NFPA70规定的工作空间不但适用于裸导体的间距要求，也适用于开关柜的布置。
表3 电气设备工作空间
- 工况1：一侧有裸露的带电部分，另外一侧无带电或接地的部分，或者工作空间两侧均有裸露带电部分，但具备有效的绝缘防护。
- 工况2：工作空间的一侧有裸露的带电部分，另外一侧有接地部分，混凝土墙、砖墙、瓷砖墙壁均可视为接地条件。
- 工况3：工作空间的两侧均有裸露的带电部分。对于海外油田地面工程常用的中压配电室布置（表3中的工况2与工况3），开关柜布置间距NPFA的要求高于国标，400V配电屏布置间距NPFA的要求低于国标。
3.3 户外开关站安全距离
海外油田常用电压等级为132kV及以下，国内相应的电压等级为110kV，户外开关站安全距离国标参考GB 50060表5.1.1，国际规范可参考IEC 61936—1 Table 1。
两个标准在132kV（110kV）及以下电压等级的最小安全距离规定如下：
- 1）额定电压66kV，户外最小相-地与相间间距IEC规定为630mm，国标规定为650mm，国标要求的间距大于IEC的规定。
- 2）额定电压110kV，直接接地和不接地的户外相-地间距国标规定分别为900mm和1000mm，对应的相间间距分别为1000mm和1100mm。
- 3）额定电压132kV，IEC规定的户外最小相-地和相间间距与设备的额定雷电冲击耐受电压相关，450kV、550kV和650kV雷电冲击耐受下的最小相-地与相间间距分别为900mm、1100mm与1300mm。
3.4 变压器防火间距
国标规定的油浸变压器防火间距以电压等级划分，IEC与IEEE均以变压器油的性质及总量划分。
GB 50229—2019《火力发电厂与变电站设计防火标准》规定的变压器最小净距为35kV及以下5m，66kV为6m，110kV为8m，220kV及330kV为10m，500kV及以上为15m。油量为2500kg及以上的屋外油浸变压器之间的防火间距不能满足最小间距要求时，应设置防火墙。
IEC 61936—1对普通绝缘油按照总油量划分了4个等级，具体见表4。IEEE 979按照总油量定量划分了两个等级，变压器外廓间距小于这些间距要求时，则应设置防火墙。
表4 IEC 61936—1的变压器防火间距
GB 50229给出的变压器最大的防火间距为15m，IEC 61936—1规定油量大于等于45000L时，变压器间最大为15m，IEEE 979规定变压器矿物油量在1890L到18930L之间时，间距最小为7.6m，油量大于18930L时，间距最小为15.2m。对于油田常用的132kV（110kV）及以下电压等级的大容量变压器，IEC和IEEE规定的防火间距一般会大于国标的8m，在国际项目中应特别注意。
4 绝缘配合海外油田中压接地系统与国网常用典型设计有所不同，因此国内的一些常用避雷器不一定能直接用于海外项目，需要校核。绝缘配合方面本节整理了油田地面工程常用的无间隙避雷器的电压选择及避雷器选择时国内外的配合系数相关的技术规定。
4.1 避雷器电压参数选择
GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中的金属氧化物避雷器（metal oxide arrester MOA）参数选择见该规范的表4.4.3。
DL/T 804—2014《交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》规定中性点采用低电阻接地，单相接地故障在10s及以内切除时，无间隙避雷器的持续运行电压的选择应不低于电力系统的最高工作相电压。
10s及以内切除故障，避雷器持续运行电压应满足式（3）；10s及以上切除故障时应满足式（4）与式（5）的要求，其中式（4）适用于3～20kV系统，式（5）适用于35～66kV系统。
式中：Uc为避雷器持续运行电压；Um为系统最高运行电压。
对于无间隙避雷器，持续运行电压一般相当于额定电压的75%～85%。
IEC 60099—5—2018《Surge Arresters—Part 5: Selection and Application Recommendations》给出避雷器额定电压Ur≥UTOV/Tr，UTOV为系统的暂态过电压，Tr为避雷器的暂态过电压系数。
4.2 绝缘配合系数
GB/T 50064规定了避雷器残压与设备耐受值之间的配合系数。电气设备内绝缘的雷电冲击耐压配合系数，MOA紧靠设备时可取1.25，其他情况可取1.40，电气设备内绝缘的操作冲击耐压配合系数为1.15。
《Substation Design Application Guide》给出的雷电冲击与操作冲击配合系数分别为1.4和1.25。雷电冲击配合系数与国标基本一致，操作冲击配合系数国标较小。
5 电缆色标与敷设电缆色标与敷设间距是海外项目中需要重点关注的问题，本节对主要的国内外标准关于电缆色标的规定、敷设间距的规定进行汇总，供海外项目参考。
5.1 电缆色标
GB/T 6995.5—2008《电线电缆识别标志方法 第5部分：电力电缆绝缘线芯识别标志》规定两芯电缆色标为红、蓝，三芯为黄、绿、红，四芯为黄、绿、红、蓝。红、蓝、绿适用于主线芯，蓝色用于中性线芯，推荐使用淡蓝色。
BS7671—2018《Requirements for Electrical Installations》规定L1、L2、L3和N对应的色标为棕、黑、灰和蓝色；直流正负极L 与L对应的色标为棕色与灰色，如果有中性线M，其色标为蓝色，不同型式的直流系统对色标更为详细的规定可参见该标准的TABLE 7E。
IEC 60445对L1、L2、L3和N的推荐颜色标识为黑、棕、灰、蓝，与BS 7671颜色一致，但相序不同。直流的正负极与中性线（L ，L，M）色标分别为红色、白色、蓝色，与英标不同。
5.2 电缆安装间距
1）直埋敷设
GB 50217—2018 《电力工程电缆设计标准》表5.1.7与表5.3.5中电缆之间、电缆与地下管沟、电缆与建筑物基础、电缆与到路边的距离。电力电缆与热力管道平行时，最小净距为1000mm，与其他管道最小平行间距为150mm；控制电缆及信号电缆与热力管道和其他管道的最小平行间距要求分别为500mm和100mm。
IEEE C2—2017《National Electrical Safety Code》Rule 353规定电缆之间的平行间距和电缆与其他地下设施，如污水管道、供水管道、燃气管道及输送其他易燃物质的管道、建筑物基础、蒸汽管道等的平行间距均应不小于300mm，其中与蒸汽管道和低温管道的间距需避免管道对电缆的损伤，如果不能提供足够的间距，应安装隔热层。
直埋敷设电缆与热力管道间距国标规定的最小净距大于IEEE C2的规定，而与其他管线的最小净距小于IEEE C2的规定。
2）桥架敷设
GB 50217表5.5.2规定电缆支架、梯架或托盘的层间距离最小值。采用支架或吊架时，表内电力电缆最小层间距6kV以下为150mm，6～10kV交联聚乙烯为200mm，35kV单芯为250mm，35kV三芯为300mm；采用梯架或托盘时，表5.5.2规定电力电缆最小层间距6kV以下为250mm，6～10kV交联聚乙烯及35kV单芯均为300mm，35kV三芯为350mm。
IEEE 422—2012《Guide for the Design of Cable Raceway Systems for Electric Generating Facilities》[25]规定桥架垂直距离最少300mm，中压电缆与低压、控制和仪表电缆的间距最少300mm，或者安装金属隔板。推荐不同电压等级的电缆安装在不同的桥架内，如果低压电力和控制电缆具有匹配的工作温度和额定电压（600V及以下)，则低压电力和控制电缆可以不考虑敷设间距。
采用支架或吊架时，35kV以下电力电缆及35kV单芯电力电缆层间距国标规定均小于IEEE 422规定的300mm；采用梯架或托盘时，6kV以下电力电缆层间距小于IEEE 422规定的300mm。
6 照明设计海外油田地面工程的照度标准值一般可参考API540、IEEE C2，国标可参考SH/T3192与GB 50582。SH/T3192与API540的照度标准值很多都一致，表5列出了油田地面工程中常见设施的照度标准值差异。
表5 SH/T 3192与API 540照度标准值对比
路灯照明的照度标准值，API540规定常操作的区域为4lx，不常操作的区域为2lx；GB 50582规定石油化工工厂室外场地主要道路照明标准值为10lx，次要道路为5lx；SH/T 3192对罐区道路照明标准值规定主要道路为10lx，次要道路为5lx。道路照明标准值的国标要求比API 540高。
7 结论
本文对海外油田地面工程电气设计常用的国内外规范进行了汇总，对电气设计要点相关的国内外技术规定进行了说明，对一些技术规定的国内外规范的差别进行了总结，可作为海外油田地面工程电气设计参考。
