油氣場所電動機接地常見問題與標準化做法研究

孔令超，李振清，劉 軍，李 江，張鐵君，李 影

1.中國石油華北油田公司質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督中心，河北任丘 062552

2.石油天然氣華北工程質(zhì)量監(jiān)督站，河北任丘 062552

3.中國石油華北油田分公司，河北任丘 062552

在油氣田場站，電動機是生產(chǎn)運行中最常見的核心設備之一，其工作接地和保護接地的可靠性關(guān)系到設備設施完整性及人身安全，國家標準強制性條文中也有規(guī)定（GB 50170—2018[1]中要求電動機必須有明顯可靠的接地，GB 50303—2015[2]中要求電動機的外露可導電部分必須與保護導體可靠連接，且要求電氣設備的金屬底座、框架及外殼必須接地），但在施工現(xiàn)場及生產(chǎn)過程檢查中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場的接地做法規(guī)則不一、五花八門，觀感質(zhì)量較差，且存在接地不規(guī)范而造成防護功能失效的問題，給生產(chǎn)運行帶來較大風險與隱患。為此，探討電動機接地的可靠與標準化做法，并提出合理的改進和控制措施，以提高油氣場所設備運行的可靠性和觀感質(zhì)量，從根源上控制住因電動機接地問題引起觸電事故發(fā)生，還可減少甚至杜絕在檢查中同類問題、低老壞問題屢查屢有現(xiàn)象，最大限度保證人民生命和財產(chǎn)安全，保障油氣田企業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

本文涉及的電動機是指油氣田場所常用到的低壓（380V/220V）、交流、中小型電動機（包括防爆型Ⅱ類電動機），分析探討的電動機接地系統(tǒng)是指常用到的保護接地、保護接零和重復接地。

1 電動機接地的作用及工作原理

電氣設備接地是為保證電氣設備正常工作和人身安全而采取的一種用電安全措施[3]。對于油氣田場站來說，不論是新建項目的配電設備設施，還是作業(yè)現(xiàn)場的臨時用電，當前供配電系統(tǒng)均為TN-S 系統(tǒng)，作為有接地或接零保護裝置的電氣設備，當其絕緣損壞、外殼帶電時，接地電流將同時沿著接地極和人體兩條通路流過，由于人體的電阻遠遠大于接地裝置的電阻，且流過每條通路的電流值與其電阻的大小成反比，因此流經(jīng)人體的電流也就較小（趨近于零），不足以對人體構(gòu)成傷害[4]。油氣田TN-S 供電系統(tǒng)中常見的幾種接地方式包括工作接地、保護接地、保護接零、重復接地等（見圖1）。

圖1 TN-S系統(tǒng)中接地方式示意

保護接地就是將正常情況下不帶電，而在絕緣材料損壞后或其他情況下可能帶電的電器金屬部分用導線與接地體可靠連接起來的一種保護方式[5]。此方式可將產(chǎn)生的漏電流，以及其他情況下產(chǎn)生的靜電荷、雷電電流等引入大地，使之對地電壓不超過安全范圍，從而避免人身觸電和可能發(fā)生的火災、爆炸等事故。

保護接零是將電氣設備正常情況下不帶電的金屬部分用金屬導體與系統(tǒng)中的中性線（零線N）連接起來，當設備絕緣損壞與殼體接觸時，電流就會從相線流向零線，形成單相回路，從而產(chǎn)生較大的短路電流，促使線路上的過流保護裝置迅速動作，以切斷漏電設備的前級電源，從而保證人身安全的一種保護方式。此外，由中性點引出的零線與地間的電位接近于零，保護接零還可限制設備漏電時的對地電壓，保障人體觸電時不會遭受過大的電流傷害。電動機不論是保護接地還是保護接零，其作用主要都是為了防止人身遭受傷害、設備造成損壞，預防由于電氣設備故障而引起電氣火災，當然在部分區(qū)域還有防雷擊、平衡電位等作用。

對TN-S 供配電系統(tǒng)來說，重復接地就是在工作接地以外的專用保護線路（PE）上，在一處或多處再次與接地裝置相連接。通過系統(tǒng)保護接地線路連接的電氣設備，為有效降低因系統(tǒng)保護線路損壞或失效而造成人身觸電風險的幾率，在不考慮經(jīng)濟的條件下，也可將電氣設備金屬外殼與附近的接地裝置進行再次連接，或在電氣設備處就近做一組接地裝置進行連接，此處的接地類型也稱做重復接地。在中性點直接接地的TN-C 系統(tǒng)中，重復接地是在零干線的一處或多處用金屬導線將接地裝置與大地再次連接。這種做法的目的是當系統(tǒng)中發(fā)生碰殼或接地短路時，可以降低保護線的對地電壓；當保護線發(fā)生斷裂時，能夠縮短故障持續(xù)時間，降低零線上的壓降損耗，減輕故障時的危險性程度。

需要注意的是，雖然保護接零可以實現(xiàn)分流限壓的保護作用，但在實際運行中，配電系統(tǒng)偶爾會出現(xiàn)三相負荷平衡或單相接地故障的情況，這時中性線（零線N）會帶電，當前級保護裝置失效且電流過大時，同樣會造成身體傷害，因此應盡可能選擇保護接地方式。另外要注意的是，保護接零只適用于中性點直接接地的低壓電網(wǎng)。

2 電動機接地常見問題與規(guī)范要求

結(jié)合國家現(xiàn)行標準規(guī)范要求和現(xiàn)場施工的實際情況，對電動機安裝現(xiàn)狀進行分析，常見問題有以下幾方面。

2.1 原材料、設備質(zhì)量問題及相關(guān)要求

原材料、設備存在的主要問題是選用的接地線不符合規(guī)范要求、設備本體未設置專用接地連接點。具體有以下幾種情況：一是所用的連接導線材質(zhì)多為鍍鋅扁鋼或其他硬質(zhì)導體，直接與電動機的本體進行連接；二是接地線的截面積與電動機電源電纜線徑不匹配；三是導線兩端未使用專用連接端子，或所用的端子規(guī)格與其連接體材質(zhì)不匹配；四是所采購安裝的電動機本體上無接地連接點及標識，這也是造成接地連接五花八門、接地不可靠的因素之一。

規(guī)范要求，當電動機相線截面積小于25 mm2時，接地線截面積應等同相線的截面積；當電動機相線截面積為25～50 mm2時，接地線截面積應為25 mm2；當電動機相線截面積大于50 mm2時，接地線截面積為相線截面積的50%[6-7]。在GB 50257—2014 中還要求了爆炸危險環(huán)境內(nèi)的電氣設備與接地線的連接宜采用多股軟絞線[8]。另外，現(xiàn)場電動機電源電纜所用的芯線（相線）材質(zhì)多為多股銅絞線，因此電動機的接地連接線，應采用同材質(zhì)的多股銅絞線做連接導體。在GB/T 12350—2022 中要求，對于接地軟線，應為綠、黃雙色絕緣線，其他導線不得采用此色標[9]。在GB 50168—2018 中要求，電纜線芯連接金具應采用符合標準的接線端子，其內(nèi)徑應與電纜線芯匹配，間隙不應過大，截面宜為線芯截面的1.2～1.5 倍[10]。在多個標準中都要求電動機應具有保護接地裝置及接地標志，并要求電動機機座與保護接地裝置之間應有永久、可靠和良好的電氣連接，即電動機本體應具有接地端子（接地點），且與防護導線連接緊密，并應有符號、圖形標志[6,9,11]。

2.2 施工質(zhì)量問題及相關(guān)要求

現(xiàn)場常出現(xiàn)的施工質(zhì)量問題有以下幾個方面。

1）導線兩端頭直接纏繞在螺桿上后用螺母鎖緊，這種繞接緊固方式是一種不可靠的連接方法。螺母往往會因自身發(fā)熱、老化等因素產(chǎn)生形變或受外力的作用而松動，造成連接處接觸不良，使接觸電阻增大、保護失效。

2）采用的裸銅端子未進行搪錫而直接與接地引出線（扁鋼）及電動機的接地點連接，也就是所用的端子規(guī)格與其連接體材質(zhì)不匹配，在大電流、潮濕、腐蝕等特殊條件下接觸面可能會發(fā)熱、氧化，長期在這種條件下運行會逐漸增大接觸電阻，降低導通性能。

3）螺栓連接處未采用彈簧墊圈、鎖緊螺母等防松措施，長期振動可能會出現(xiàn)松動或脫落。

4）連接孔為熱加工開孔，從而破壞鍍鋅層，易出現(xiàn)局部銹蝕。

5）連接面不平整、變形、銹蝕、有污物等，使連接面接觸不緊密。

6）連接處螺栓規(guī)格與接線端子不匹配，螺栓偏大或偏小。

7）接地線接在了電動機的風罩或地腳固定螺栓上，影響導通性能和可靠性。

8）連接線預留太長或太短，太長會影響故障電流的快速釋放，太短會使連接的設備、端子等受力變形或因長期處于疲勞狀態(tài)而導致斷裂等。

9）未涂刷相色標識或觀感質(zhì)量較差。

標準中要求：電纜線芯連接金具應采用符合標準的接線端子，壓接鉗和模具應相符[10]；接地端子或接地觸點與接地金屬部件之間的連接應具有低電阻[9]；母線與母線、母線與電器接線端子搭接，其搭接面應做處理，在與接地引線扁鋼及電動機本體連接處一般為鋼材質(zhì)，鋼與鋼的搭接面應搪錫或鍍鋅后連接，銅絞線的銅端子與鋼材質(zhì)的導體搭接時銅端應搪錫[12]；接地接線端子的夾緊裝置應可靠鎖緊，以防意外松動，不用工具不能將其松開，防松措施可使用菊花墊片、彈簧墊圈等類似結(jié)構(gòu)[9]；母線表面應光潔平整，不應有裂紋、折皺、夾雜物及變形和扭曲現(xiàn)象，各種金屬構(gòu)件的安裝螺孔不得采用氣焊或電焊割孔[12]。標準給出了常用導線規(guī)格及適用的銅接線端子（DT型）及螺栓的尺寸[13]；電動機機座與保護接地裝置之間應有永久、可靠和良好的電氣連接，當電動機在設備底座上移動時，保護接地導體應仍能可靠連接[11]；母線與設備接線端子連接時，不應使接線端子承受過大的側(cè)向應力[12]。在一些規(guī)范中明確了就近接地的要求。鋼母線應鍍鋅，可見面應涂相色，在母線的螺栓連接處及支撐點處、母線與電器的連接處，以及距所有連接處10 mm以內(nèi)的地方不應涂刷相色[12]。

需要注意的是，對于中型電動機的聯(lián)合機座，當額定功率超過100 kW、額定電壓超過交流1 000 V或直流1 500 V，應在機座上另外安裝一個接地端子，即電動機本體和機座都應單獨與接地線連接。

2.3 需明確的幾點問題

1）不是所有電動機都必須接地，如具有雙重絕緣或加強絕緣的電動機、安裝在具有附加絕緣或加強絕緣的成套裝置中的電動機、額定電壓交流50V 及以下或直流120 V 及以下的電動機、采用獨立電源供電的電動機和打算用于SELV 電路的電動機，均不需要接地連接[6，9]。

2）三相低壓交流電動機的接線類型有多種，常用的有星接和角接方式，在星形接法中又有中性線連接和不連接之分，還有的電動機在其接地盒內(nèi)設有接地端子。設計上有時也根據(jù)實際需要給出相應規(guī)格的電纜（三芯、四芯、五芯電纜），但在多數(shù)工程中，設計上多為中性線不連接的情況，施工圖中常會給出四芯電纜（即3 × *+1 ×*），除三相線外，額外一芯線要連接在電動機接線盒內(nèi)的接地端子上，因此，在一般情況下是滿足實際并符合規(guī)范中對電動機的保護要求的，但質(zhì)量、安全系統(tǒng)人員在現(xiàn)場檢查時，常在未落實內(nèi)部是否有接地的情況下，把外殼未單獨做接地作為問題來提出，顯然是不夠科學的。標準中要求“接地接線端子應置于接線端子附近，如有接線盒時，則應置于接線盒內(nèi)，但要求在使用過程中不會被卸除”[9]，從中也可以得知，電動機接地線是允許接在電動機接線盒內(nèi)接地端子上的，且電動機在安裝接線質(zhì)量較好、正常運行的情況下，接線盒內(nèi)接地線是不會被斷開的，是能夠保障電動機需要的。當然，在電動機接線盒內(nèi)已做接地的情況下，再將電動機金屬外殼與就近的接地線或接地裝置連接，會更可靠，這也是單體設備重復接地的一種形式（見圖1 中2#電動機），特別是在電動機距離控制室或配電室比較遠的情況下，PE 線電阻相對較大，如果就近做重復接地，當發(fā)生接地故障時，可以更好地分流、降低接觸電壓，從而減小觸電事故的概率，但在實際運行中還要考慮到可靠性與經(jīng)濟性的平衡問題。

3 標準化做法與要求

綜合各相關(guān)標準規(guī)范要求，并結(jié)合油氣田現(xiàn)狀，標準化與推薦性做法如下。

3.1 接地引出線的選擇與施工工法

1）對于電動機就近由接地體引出地面部分的接地線，應采用截面不少于48 mm2的熱鍍鋅扁鋼，且厚度不小于4 m，鍍鋅層厚度不小于86 μm。可根據(jù)電氣設備的功率來選擇具體規(guī)格，對于大中型電動機選擇-40×4，小型電動機選擇-25×4。扁鋼出地面或相對基準面高度應為30～50 mm，但不宜超過機座中心（軸承中心基準面），距混凝土基礎或底座水平間距不宜超過200 mm；對應機座上的接地端子或螺栓的位置左右偏差不宜超過±300 mm。

2）對于從電動機周邊干線引出的明敷接地線，可采用與上述相同的規(guī)格，其連接方式可采用焊接或螺栓連接。焊接時搭接面應為扁鋼寬度的2倍，不同尺寸的扁鋼連接時，以較小的尺寸為準（做法見圖2），且不少于3個棱邊焊接，焊接應均勻平整，焊接處表面不應有裂紋、氣孔、夾渣、未熔合等缺陷；螺栓連接時應符合矩形母線的搭接要求（見表1），特殊情況應執(zhí)行GB 50149—2010 中的相關(guān)要求；所用的連接螺栓，在室外應使用熱鍍鋅螺栓，在室內(nèi)干燥無腐蝕場所可選用不銹鋼或鍍鋅螺栓；母線連接處螺孔尺寸應與螺栓相匹配，開孔孔徑不應大于螺栓直徑1 mm。

表1 不同規(guī)格鍍鋅扁鋼螺栓連接時的搭接要求及螺栓規(guī)格和緊固力矩

圖2 不同規(guī)格鍍鋅扁鋼焊接搭接尺寸

3）鍍鋅扁鋼除連接螺栓孔10 mm 范圍內(nèi)，其他可見面應涂刷黃綠相間的條紋標識（相色漆），其間距宜控制在30～100 mm，且條紋寬度應相同，涂刷應均勻。要注意中性線不得與保護線涂刷相同顏色的標識。

3.2 接地引出線與設備的連接方法

1）接地扁鋼與電動機接地端子連接時，應采用黃綠雙色絕緣多股銅絞線做柔性連接，截面積應與電動機的電纜相匹配（詳見本文第2.1 節(jié)）；銅導線兩端的專用端子應符合相關(guān)規(guī)范要求。

需要指出的是，當在采用3+1型規(guī)格電纜，且1 芯線做接地線，實際芯線絕緣層不為黃綠雙色的情況下，應在兩端頭做黃綠雙色標識，可以使用絕緣膠帶、熱縮或冷縮相色套等。

2）接地扁鋼與電動機設備接線端子連接時，接地線應預留適當?shù)挠嗔浚惭b時不應使其相互間承受過大外力，可將接地線備用長度加工成弧形狀，但不可將預留的接地線加工成螺旋線圈形。

3）螺栓連接處應加裝平墊圈、彈簧墊圈或鎖緊螺母，并應用力矩扳手緊固，緊固力矩見表2，螺栓長度宜露出螺母2～3扣[12]。

3.3 電動機接地裝置觀感質(zhì)量及接地電阻要求

1）成排的同類型電動機及其配套裝置，其接地線安裝位置及尺寸應保持一致，確保整齊美觀、連接可靠。

2）在采購電動機時，業(yè)務部門應在合同或技術(shù)要求中明確對電動機本體接地點的要求。如電動機應該有明顯的接地標識，在電動機保護接地端子處應設置“、”等明顯的接地標識[6,9,11]。

3）電動機接地的保護接地電阻不應大于4 Ω，接地電阻包含設備和接地線的接觸電阻、接地線本身的電阻、接地體本身的電阻、接地體和大地的接觸電阻、大地的電阻。在測試時測試點位置應選擇在與電動機連接的端子處[14]。

4 結(jié)束語

電動機是油氣田生產(chǎn)工藝中應用較多也是較為重要的用電設備，其接地保護設施施工質(zhì)量的好壞直接影響著其使用功能，關(guān)系到人身安全和生產(chǎn)平穩(wěn)。因此，在施工過程中參建各方應加強對工程質(zhì)量問題的控制，特別是要規(guī)范建設各方質(zhì)量行為，提高施工人員的技術(shù)能力及責任心。相關(guān)單位在項目實施過程中可參考前述分析成果和標準化推薦做法，以保障現(xiàn)場實體既符合標準規(guī)范的要求，又滿足使用功能和整體觀感質(zhì)量的需求，同時還可以樹立建設單位管理形象和施工企業(yè)品牌形象。