摘要：針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)難以準(zhǔn)確判別起重機(jī)械供電系統(tǒng)保護(hù)接地形式的問(wèn)題，提出了用測(cè)量法判別供電系統(tǒng)保護(hù)接地形式的方法，為準(zhǔn)確測(cè)量接地電阻和判斷接地電阻的符合性提供了前提條件；針對(duì)線路保護(hù)形式不合理的情況，分析了控制回路采用隔離變壓器供電時(shí)，部分電氣安全開關(guān)可能失靈的風(fēng)險(xiǎn)，并提出了降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，為起重機(jī)械接地保護(hù)和線路保護(hù)的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)提供了參考。
關(guān)鍵詞：起重機(jī)械；接地保護(hù)形式；接地保護(hù)；線路保護(hù)
中國(guó)圖書館分類號(hào)：TU201.2文獻(xiàn)識(shí)別碼：A文號(hào)：1001-0785(2020)19-0090-06
0 引言
起重機(jī)械是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)起升和行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)重物的提升和運(yùn)輸。低壓供電系統(tǒng)是起重機(jī)械正常運(yùn)行的電源，在起重機(jī)械的日常使用、維護(hù)和檢查中，確保用電安全是設(shè)計(jì)、使用、檢查和測(cè)試的重要課題。檢查起重機(jī)電氣設(shè)備的接地和線路絕緣是否提出了明確的要求。但測(cè)量其接地電阻的首要任務(wù)是確定供電系統(tǒng)的接地保護(hù)形式。在實(shí)際檢查測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)很多起重機(jī)的接線不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，僅看現(xiàn)場(chǎng)接線情況很難識(shí)別接地保護(hù)形式。此外，線路保護(hù)不合理也可能導(dǎo)致安全保護(hù)裝置的電氣開關(guān)失靈，人員觸電。
1 檢規(guī)對(duì)電氣設(shè)備接地和線路絕緣的要求
1.1接地電阻的要求
TSG Q7015-2016 《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》 [1](以下簡(jiǎn)稱檢規(guī))，為防止人員間接觸電事故[2]，C8.9.2.2對(duì)接地電阻有具體規(guī)定：
1)對(duì)于TN接地系統(tǒng)，PE線重復(fù)接地的接地電阻不大于10；
2)對(duì)于TT接地系統(tǒng)，電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分(電源保護(hù)接地線)的接地電阻不大于4；
3)對(duì)于IT接地系統(tǒng)，電氣設(shè)備的金屬外殼(電源保護(hù)接地線)的接地電阻不應(yīng)大于4。
因此，準(zhǔn)確測(cè)量和判斷接地電阻是否符合要求，是確定被測(cè)系統(tǒng)接地保護(hù)形式的關(guān)鍵。
1.2電氣線路對(duì)地絕緣和線路保護(hù)的要求為防止起重機(jī)漏電造成觸電事故，檢驗(yàn)規(guī)程C8.10規(guī)定電氣線路對(duì)地絕緣電阻應(yīng)符合下列要求：
1)當(dāng)額定電壓不大于500 V時(shí)，不小于1.0m不低于1.5m的防爆起重機(jī)；
2)用1 000 V兆歐表測(cè)量電氣線路對(duì)地、吊鉤和滑輪、起升機(jī)構(gòu)和小車、小車架和小車的絕緣值，均不低于1.0m。
此外，檢驗(yàn)規(guī)范第C8.3項(xiàng)要求所有外部電路具有短路或接地引起的過(guò)電流保護(hù)功能。良好的線路對(duì)地絕緣和合理的線路保護(hù)對(duì)起重機(jī)的電氣安全保護(hù)非常重要。
2 起重機(jī)接地保護(hù)形式的分類及判別
2.1接地保護(hù)形式的分類
低壓配電系統(tǒng)的接地保護(hù)形式，根據(jù)供電端中性點(diǎn)和電氣設(shè)備外露導(dǎo)電部分是否接地，可分為TN、TT、IT三種系統(tǒng)[3，4]。
1)TN系統(tǒng)
電源中性點(diǎn)接地(工作接地)，引出一條中性線(N線)。電器的金屬外殼通過(guò)公共保護(hù)線(PE線或PEN線)與電源的中性點(diǎn)電連接，即保護(hù)接零。根據(jù)保護(hù)接地線的結(jié)構(gòu)形式，TN系統(tǒng)分為TN-S系統(tǒng)、TN-C系統(tǒng)和TN-C-S系統(tǒng)。
TN-S系統(tǒng)如圖1所示，N線和PE線與電源分開，形成五線電源。
TN-C系統(tǒng)如圖2所示。n線和PE線連成一體，形成保護(hù)中性線(PEN線)。雖然省了一根導(dǎo)線，但可能導(dǎo)致三相負(fù)載不平衡，甚至斷筆線。電器工作過(guò)程中金屬外殼接觸相線，會(huì)導(dǎo)致所有電器產(chǎn)生危險(xiǎn)的接觸電壓。
圖2 TN-C系統(tǒng)
TN-C-S系統(tǒng)如圖3所示，從供電端至用戶配電箱，前一部分的N線和PE線合并成PEN線，形成三相四線TN-C系統(tǒng)；N線和PE線后半部分分開，形成三相五線制TN-S系統(tǒng)。因此，這種系統(tǒng)兼有兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)，常用于工作環(huán)境惡劣或?qū)﹄姶鸥蓴_要求高的場(chǎng)所。
圖3總氮-C-S系統(tǒng)
2)TT系統(tǒng)
如圖4，電源中性點(diǎn)接地，有N根導(dǎo)線引出，用電氣金屬外殼保護(hù)接地。TT系統(tǒng)遇到相線故障，觸及電器金屬外殼時(shí)，電流通過(guò)大地返回電源側(cè)，故障相保護(hù)電流比TN系統(tǒng)小得多。即使有熔斷器或熱繼電器，也可能不熔斷或不動(dòng)作，所以需要安裝漏電保護(hù)器(如剩余電流保護(hù)器)[5]。
圖4 TT系統(tǒng)
3)信息技術(shù)系統(tǒng)
如圖5所示，電源的中性點(diǎn)不接地或通過(guò)高阻抗接地，而是用電器的金屬外殼來(lái)保護(hù)接地，所以中性線不應(yīng)引出本系統(tǒng)。為了使重要負(fù)載即使短時(shí)間接地也能工作，出現(xiàn)小故障時(shí)也不允許隨意停機(jī)(一般不采用漏電保護(hù))，因?yàn)橄到y(tǒng)第一次故障的故障電流較小，不足以與電器的金屬外殼產(chǎn)生危險(xiǎn)的接觸電壓。因此，不需要切斷電源，電器可以繼續(xù)運(yùn)行，通過(guò)絕緣監(jiān)測(cè)和檢查就可以排除故障。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生第二次故障時(shí)(在另一相線或中性線)，為避免電源、線路和電器燒壞，應(yīng)迅速自動(dòng)切斷電源。
圖5信息技術(shù)系統(tǒng)
2.2接地保護(hù)形式的判別
在測(cè)量起重機(jī)的接地電阻時(shí)，有必要定義接地保護(hù)形式。但在實(shí)地檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，很多用戶并沒(méi)有按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行接線。比如根據(jù)一臺(tái)起重機(jī)控制柜的三相五線接線，可以判斷為TN-S接地保護(hù)形式。但檢查接線后發(fā)現(xiàn)其PE線并非從電源中性點(diǎn)引出，而是接至現(xiàn)場(chǎng)接地樁，與TN系統(tǒng)的要求相矛盾。因此，僅通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電氣控制柜的接線很難準(zhǔn)確判斷其接地保護(hù)形式。
現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)線法是判別接地保護(hù)形式的傳統(tǒng)方法。從電氣設(shè)備的PE線開始，經(jīng)過(guò)配電柜的接線端子到變壓器的接線柱，進(jìn)行反線檢查。這種方法最直接，但在復(fù)雜的配電網(wǎng)中可操作性差。
與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)線法相比，該測(cè)量方法更具可操作性。測(cè)量時(shí)，需要使用如交流電壓表、接地電阻表、萬(wàn)用表等測(cè)量?jī)x器。這種測(cè)量方法區(qū)分接地保護(hù)形式的步驟如下：
1)判斷電源中性點(diǎn)是否接地，即區(qū)分電源是IT系統(tǒng)還是TN或TT系統(tǒng)。
選擇阻抗不大于相線對(duì)地絕緣電阻的交流電壓表，測(cè)量相線與設(shè)備接地裝置之間的電壓(或在電壓表兩端并聯(lián)一個(gè)不大于相線對(duì)地絕緣電阻的電阻，然后測(cè)量相線與設(shè)備接地裝置之間的電壓)，如圖6所示。
圖6測(cè)量電壓確定電源中性點(diǎn)是否接地。
如果電壓表的讀數(shù)不超過(guò)相電壓的四分之三，則可以判斷為IT系統(tǒng)。因?yàn)镮T系統(tǒng)的中性點(diǎn)和地之間存在高阻抗，t
可以看出，理論上電壓表的讀數(shù)應(yīng)該小于相電壓的一半，但由于高阻抗RL接近交流電壓表的內(nèi)阻RV(同一個(gè)數(shù)量級(jí))，電壓表的靈敏度會(huì)嚴(yán)重降低，其準(zhǔn)確度也會(huì)明顯降低。存在較大的測(cè)量誤差，但只要選擇的交流電壓表內(nèi)阻接近高阻抗，半誤差不會(huì)超過(guò)25%。因此，如果檢測(cè)到電壓表的讀數(shù)不超過(guò)相電壓的四分之三，則可以判斷該系統(tǒng)為IT系統(tǒng)。
圖7檢測(cè)電路原理圖
如果電壓表的讀數(shù)接近相電壓，可以確定電源中性點(diǎn)直接接地(即TT或TN系統(tǒng))。TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)的電源端(或變壓器二次側(cè))中性線直接接地。此時(shí)中性導(dǎo)體接地線的內(nèi)阻相對(duì)于串聯(lián)電壓表的內(nèi)阻可以忽略不計(jì)，所以電壓表示接近相電壓。
2)確定電氣設(shè)備的金屬外殼是否獨(dú)立于電源接地，即是TN系統(tǒng)還是TT系統(tǒng)。如圖8，用接地電阻表和萬(wàn)用表測(cè)量電源N線(或PE線)與設(shè)備接地裝置之間的接地電阻，測(cè)量值分別為R and R。
如果R and R的數(shù)值基本相同，且電阻值與被測(cè)回路導(dǎo)體電阻的估算值基本相同，則可判定為接零保護(hù)，即TN系統(tǒng)。由于TN系統(tǒng)的電源中性點(diǎn)直接接地，PE線從中性線引出，測(cè)得的中性線與設(shè)備接地線之間的電阻為回路導(dǎo)體的電阻值。
如果它們的電阻值不相等，且電阻值與被測(cè)回路導(dǎo)體的電阻值相差很大，則可以判斷為接地保護(hù)，即TT系統(tǒng)。由于TT系統(tǒng)是通過(guò)帶有電氣金屬外殼的工作接地來(lái)保護(hù)的，所以中性線與設(shè)備保護(hù)接地線之間的測(cè)量電阻是接地線與接地體本身的電阻、接地體與大地之間的接觸電阻以及兩個(gè)接地體之間的大地電阻之和[6]。
圖8測(cè)量電阻判斷設(shè)備的保護(hù)接地形式
3 線路對(duì)地絕緣和線路保護(hù)
3.1線路保護(hù)的必要性
《規(guī)程》和GB 6067.1-2010《起重機(jī)械安全規(guī)程 第1部分：總則》 [7](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)對(duì)起重機(jī)電氣線路的接地絕緣和線路保護(hù)提出了明確的要求。線路對(duì)地絕緣良好，可防止人員間接觸電和電子元器件電氣損壞；合理的線路保護(hù)不僅可以防止人們間接觸電，還可以避免電氣安全開關(guān)失效。
規(guī)定要求所有電路應(yīng)具有短路或接地引起的過(guò)流保護(hù)功能。保險(xiǎn)絲和熱繼電器通常用于防止電源短路。
現(xiàn)場(chǎng)檢查表明，許多起重機(jī)使用隔離變壓器將380V交流電轉(zhuǎn)換成安全電壓，為其控制電路供電。然而，隔離變壓器的次級(jí)側(cè)不得接地。一旦與控制電路串聯(lián)的線路不接地，就會(huì)造成高度限位開關(guān)、尺寸限位開關(guān)、聯(lián)鎖電氣開關(guān)等電氣安全開關(guān)失效，嚴(yán)重威脅起重機(jī)的安全運(yùn)行。
3.2案例分析
起重機(jī)的部分電源電路如圖9所示。主接觸器KM1控制電源電路的供電，接觸器KM4控制小車M4和M5的電機(jī)向北和向前運(yùn)行。接觸器KM5控制小車電機(jī)M4和M5向南和反向運(yùn)行。接觸器的通斷由其控制電路相應(yīng)線圈的通斷控制(見圖10)。
圖9起重機(jī)部分電源電路
如圖10所示，當(dāng)電源回路的斷路器QF閉合，按下啟動(dòng)按鈕SB2時(shí)，主接觸器KM1的線圈通電，電源回路的主接觸器KM1接合，主接觸器KM1的觸點(diǎn)閉合，進(jìn)行自我保護(hù)。此時(shí)，如果按下按鈕SB4，接觸器KM4線圈將通電，電源電路接觸器KM4將
為了使原邊和副邊電絕緣，抑制高頻雜波引入控制回路[8]，控制回路通常由隔離變壓器供電，其變壓器副邊不接地(如圖10a所示)。此時(shí)，如果控制回路中的任何一個(gè)單點(diǎn)接觸地面，都不會(huì)引起線路的異常變化；如果控制回路中的A(B)點(diǎn)和CD(FE)點(diǎn)任意一處或多處觸地，會(huì)造成KM4(KM5)線圈短路，線路過(guò)流，熔斷保險(xiǎn)絲F02，切斷控制回路，阻止功率單元的一切動(dòng)作，顯然符合規(guī)程要求；如果控制回路中的D(E)點(diǎn)和C(F)點(diǎn)同時(shí)接地，由于電流流過(guò)線圈，只要A(B)點(diǎn)不接地，就不會(huì)造成回路過(guò)流，保險(xiǎn)絲F02也不會(huì)熔斷。但是，KM5(KM4)的常閉觸點(diǎn)和限位開關(guān)SQ1(SQ2)因處于旁路狀態(tài)而失效。因此大車會(huì)失去北(南)向運(yùn)行的極限控制，可能造成嚴(yán)重事故。同時(shí)，KM5(KM4)常閉觸點(diǎn)不受線圈控制，可能會(huì)燒壞電機(jī)和電路。
(a)電源隔離變壓器
(b)由普通變壓器供電
圖10起重機(jī)控制回路部分
由于控制電路是安全電壓，隔離變壓器有效地防止人們接觸單根帶電導(dǎo)線所帶來(lái)的觸電隱患可以忽略不計(jì)。GB 5226.1-2002 《機(jī)械安全機(jī)械電氣設(shè)備第1 部分：通用技術(shù)條件》 7.2.4要求[9]，“由變壓器供電的控制回路，二次線圈的一側(cè)接保護(hù)接地回路，只要求在回路導(dǎo)線的另一側(cè)裝設(shè)過(guò)流保護(hù)裝置”。如果在控制回路中使用普通變壓器(二次工作接地)并對(duì)其回路進(jìn)行調(diào)整(如圖10b)，則無(wú)論線路AD(BE)在什么地方、什么地方接觸到地，都會(huì)引起回路過(guò)流，保險(xiǎn)絲F02熔斷，切斷控制回路，從而阻止發(fā)電廠的一切動(dòng)作。
從以上分析可以看出，控制電路采用普通變壓器，變壓器二次側(cè)的良好接地和過(guò)流保護(hù)是按照GB 5226.1-2002的要求來(lái)保證的。合理的接線方式可以防止電廠失控，在一定程度上保護(hù)電路，從而降低安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。
4 結(jié)束語(yǔ)
起重機(jī)械的接地保護(hù)、線路絕緣和保護(hù)對(duì)其安全運(yùn)行和人員保護(hù)具有重要意義。為了準(zhǔn)確測(cè)量接地電阻，判斷電阻值的符合性，首要任務(wù)是正確判斷供電系統(tǒng)的保護(hù)接地形式；為了確保高電氣安全保護(hù)，良好的線路絕緣和合理的線路保護(hù)是必要的。
針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某些起重機(jī)械供電系統(tǒng)保護(hù)接地形式難以準(zhǔn)確判別的問(wèn)題，提出了一種用測(cè)量方法判別供電系統(tǒng)保護(hù)接地形式的方法，這是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)接線情況和測(cè)量方法，準(zhǔn)確測(cè)量接地電阻，判斷接地電阻符合性的必要前提。
針對(duì)線路保護(hù)形式不合理，分析了控制回路采用隔離變壓器供電時(shí)，部分電氣安全開關(guān)可能失靈的風(fēng)險(xiǎn)，可采取以下措施降低風(fēng)險(xiǎn)：
1)當(dāng)對(duì)地電壓為安全電壓且線路較長(zhǎng)時(shí)，控制回路應(yīng)采用普通變壓器供電，以保證變壓器二次側(cè)接地良好，并采用合理的接線方式；
2)當(dāng)控制回路短路，對(duì)地電壓高于安全電壓時(shí)，為防止人觸及單根帶電導(dǎo)線而觸電，抑制高頻雜波對(duì)控制回路的干擾，可考慮采用隔離變壓器供電，但必須保證線路對(duì)地的良好絕緣保護(hù)，并采取有效措施防止線路因多點(diǎn)故障而觸地和竄通其他回路。
本文為起重機(jī)供電系統(tǒng)保護(hù)接地形式的判別和某些控制回路線路保護(hù)的改進(jìn)提供了參考。
參考
[1]TSG q 7015-2016 Lif定期檢驗(yàn)規(guī)則
[6]毛曉茗。起重機(jī)械接地保護(hù)分析3354接地系統(tǒng)的判別與檢查[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014 (9): 160。
[7] GB 6067.1-2010起重機(jī)械安全規(guī)程第1部分：總則[S]。
[8]朱著。隔離變壓器在電網(wǎng)中的應(yīng)用分析[J].電氣技術(shù)，2013 (8): 80，81。
[9] GB 5226.1-2002機(jī)械安全-機(jī)電設(shè)備-第1部分：通用技術(shù)要求[S]。
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