摘要：針對現(xiàn)場難以準確判別起重機械供電系統(tǒng)保護接地形式的問題，提出了用測量法判別供電系統(tǒng)保護接地形式的方法，為準確測量接地電阻和判斷接地電阻的符合性提供了前提條件；針對線路保護形式不合理的情況，分析了控制回路采用隔離變壓器供電時，部分電氣安全開關可能失靈的風險，并提出了降低風險的措施，為起重機械接地保護和線路保護的設計和檢驗提供了參考。
關鍵詞：起重機械；接地保護形式；接地保護；線路保護
中國圖書館分類號：TU201.2文獻識別碼：A文號：1001-0785(2020)19-0090-06
0 引言
起重機械是典型的機電一體化產(chǎn)品，通過控制系統(tǒng)對起升和行走機構的電機或電動機的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)重物的提升和運輸。低壓供電系統(tǒng)是起重機械正常運行的電源，在起重機械的日常使用、維護和檢查中，確保用電安全是設計、使用、檢查和測試的重要課題。檢查起重機電氣設備的接地和線路絕緣是否提出了明確的要求。但測量其接地電阻的首要任務是確定供電系統(tǒng)的接地保護形式。在實際檢查測試過程中，發(fā)現(xiàn)很多起重機的接線不符合國家標準，僅看現(xiàn)場接線情況很難識別接地保護形式。此外，線路保護不合理也可能導致安全保護裝置的電氣開關失靈，人員觸電。
1 檢規(guī)對電氣設備接地和線路絕緣的要求
1.1接地電阻的要求
TSG Q7015-2016 《起重機械定期檢驗規(guī)則》 [1](以下簡稱檢規(guī))，為防止人員間接觸電事故[2]，C8.9.2.2對接地電阻有具體規(guī)定：
1)對于TN接地系統(tǒng)，PE線重復接地的接地電阻不大于10；
2)對于TT接地系統(tǒng)，電氣設備外露可導電部分(電源保護接地線)的接地電阻不大于4；
3)對于IT接地系統(tǒng)，電氣設備的金屬外殼(電源保護接地線)的接地電阻不應大于4。
因此，準確測量和判斷接地電阻是否符合要求，是確定被測系統(tǒng)接地保護形式的關鍵。
1.2電氣線路對地絕緣和線路保護的要求為防止起重機漏電造成觸電事故，檢驗規(guī)程C8.10規(guī)定電氣線路對地絕緣電阻應符合下列要求：
1)當額定電壓不大于500 V時，不小于1.0m不低于1.5m的防爆起重機；
2)用1 000 V兆歐表測量電氣線路對地、吊鉤和滑輪、起升機構和小車、小車架和小車的絕緣值，均不低于1.0m。
此外，檢驗規(guī)范第C8.3項要求所有外部電路具有短路或接地引起的過電流保護功能。良好的線路對地絕緣和合理的線路保護對起重機的電氣安全保護非常重要。
2 起重機接地保護形式的分類及判別
2.1接地保護形式的分類
低壓配電系統(tǒng)的接地保護形式，根據(jù)供電端中性點和電氣設備外露導電部分是否接地，可分為TN、TT、IT三種系統(tǒng)[3，4]。
1)TN系統(tǒng)
電源中性點接地(工作接地)，引出一條中性線(N線)。電器的金屬外殼通過公共保護線(PE線或PEN線)與電源的中性點電連接，即保護接零。根據(jù)保護接地線的結構形式，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，形成保護中性線(PEN線)。雖然省了一根導線，但可能導致三相負載不平衡，甚至斷筆線。電器工作過程中金屬外殼接觸相線，會導致所有電器產(chǎn)生危險的接觸電壓。
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，常用于工作環(huán)境惡劣或對電磁干擾要求高的場所。
圖3總氮-C-S系統(tǒng)
2)TT系統(tǒng)
如圖4，電源中性點接地，有N根導線引出，用電氣金屬外殼保護接地。TT系統(tǒng)遇到相線故障，觸及電器金屬外殼時，電流通過大地返回電源側，故障相保護電流比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作，所以需要安裝漏電保護器(如剩余電流保護器)[5]。
圖4 TT系統(tǒng)
3)信息技術系統(tǒng)
如圖5所示，電源的中性點不接地或通過高阻抗接地，而是用電器的金屬外殼來保護接地，所以中性線不應引出本系統(tǒng)。為了使重要負載即使短時間接地也能工作，出現(xiàn)小故障時也不允許隨意停機(一般不采用漏電保護)，因為系統(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)生危險的接觸電壓。因此，不需要切斷電源，電器可以繼續(xù)運行，通過絕緣監(jiān)測和檢查就可以排除故障。當系統(tǒng)發(fā)生第二次故障時(在另一相線或中性線)，為避免電源、線路和電器燒壞，應迅速自動切斷電源。
圖5信息技術系統(tǒng)
2.2接地保護形式的判別
在測量起重機的接地電阻時，有必要定義接地保護形式。但在實地檢查時發(fā)現(xiàn)，很多用戶并沒有按照國標進行接線。比如根據(jù)一臺起重機控制柜的三相五線接線，可以判斷為TN-S接地保護形式。但檢查接線后發(fā)現(xiàn)其PE線并非從電源中性點引出，而是接至現(xiàn)場接地樁，與TN系統(tǒng)的要求相矛盾。因此，僅通過現(xiàn)場電氣控制柜的接線很難準確判斷其接地保護形式。
現(xiàn)場驗線法是判別接地保護形式的傳統(tǒng)方法。從電氣設備的PE線開始，經(jīng)過配電柜的接線端子到變壓器的接線柱，進行反線檢查。這種方法最直接，但在復雜的配電網(wǎng)中可操作性差。
與現(xiàn)場驗線法相比，該測量方法更具可操作性。測量時，需要使用如交流電壓表、接地電阻表、萬用表等測量儀器。這種測量方法區(qū)分接地保護形式的步驟如下：
1)判斷電源中性點是否接地，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地絕緣電阻的交流電壓表，測量相線與設備接地裝置之間的電壓(或在電壓表兩端并聯(lián)一個不大于相線對地絕緣電阻的電阻，然后測量相線與設備接地裝置之間的電壓)，如圖6所示。
圖6測量電壓確定電源中性點是否接地。
如果電壓表的讀數(shù)不超過相電壓的四分之三，則可以判斷為IT系統(tǒng)。因為IT系統(tǒng)的中性點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(同一個數(shù)量級)，電壓表的靈敏度會嚴重降低，其準確度也會明顯降低。存在較大的測量誤差，但只要選擇的交流電壓表內(nèi)阻接近高阻抗，半誤差不會超過25%。因此，如果檢測到電壓表的讀數(shù)不超過相電壓的四分之三，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)中性線直接接地。此時中性導體接地線的內(nèi)阻相對于串聯(lián)電壓表的內(nèi)阻可以忽略不計，所以電壓表示接近相電壓。
2)確定電氣設備的金屬外殼是否獨立于電源接地，即是TN系統(tǒng)還是TT系統(tǒng)。如圖8，用接地電阻表和萬用表測量電源N線(或PE線)與設備接地裝置之間的接地電阻，測量值分別為R and R。
如果R and R的數(shù)值基本相同，且電阻值與被測回路導體電阻的估算值基本相同，則可判定為接零保護，即TN系統(tǒng)。由于TN系統(tǒng)的電源中性點直接接地，PE線從中性線引出，測得的中性線與設備接地線之間的電阻為回路導體的電阻值。
如果它們的電阻值不相等，且電阻值與被測回路導體的電阻值相差很大，則可以判斷為接地保護，即TT系統(tǒng)。由于TT系統(tǒng)是通過帶有電氣金屬外殼的工作接地來保護的，所以中性線與設備保護接地線之間的測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接地體之間的大地電阻之和[6]。
圖8測量電阻判斷設備的保護接地形式
3 線路對地絕緣和線路保護
3.1線路保護的必要性
《規(guī)程》和GB 6067.1-2010《起重機械安全規(guī)程 第1部分：總則》 [7](以下簡稱《規(guī)程》)對起重機電氣線路的接地絕緣和線路保護提出了明確的要求。線路對地絕緣良好，可防止人員間接觸電和電子元器件電氣損壞；合理的線路保護不僅可以防止人們間接觸電，還可以避免電氣安全開關失效。
規(guī)定要求所有電路應具有短路或接地引起的過流保護功能。保險絲和熱繼電器通常用于防止電源短路。
現(xiàn)場檢查表明，許多起重機使用隔離變壓器將380V交流電轉換成安全電壓，為其控制電路供電。然而，隔離變壓器的次級側不得接地。一旦與控制電路串聯(lián)的線路不接地，就會造成高度限位開關、尺寸限位開關、聯(lián)鎖電氣開關等電氣安全開關失效，嚴重威脅起重機的安全運行。
3.2案例分析
起重機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的電機向北和向前運行。接觸器KM5控制小車電機M4和M5向南和反向運行。接觸器的通斷由其控制電路相應線圈的通斷控制(見圖10)。
圖9起重機部分電源電路
如圖10所示，當電源回路的斷路器QF閉合，按下啟動按鈕SB2時，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的觸點閉合，進行自我保護。此時，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，如果控制回路中的任何一個單點接觸地面，都不會引起線路的異常變化；如果控制回路中的A(B)點和CD(FE)點任意一處或多處觸地，會造成KM4(KM5)線圈短路，線路過流，熔斷保險絲F02，切斷控制回路，阻止功率單元的一切動作，顯然符合規(guī)程要求；如果控制回路中的D(E)點和C(F)點同時接地，由于電流流過線圈，只要A(B)點不接地，就不會造成回路過流，保險絲F02也不會熔斷。但是，KM5(KM4)的常閉觸點和限位開關SQ1(SQ2)因處于旁路狀態(tài)而失效。因此大車會失去北(南)向運行的極限控制，可能造成嚴重事故。同時，KM5(KM4)常閉觸點不受線圈控制，可能會燒壞電機和電路。
(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線所帶來的觸電隱患可以忽略不計。GB 5226.1-2002 《機械安全機械電氣設備第1 部分：通用技術條件》 7.2.4要求[9]，“由變壓器供電的控制回路，二次線圈的一側接保護接地回路，只要求在回路導線的另一側裝設過流保護裝置”。如果在控制回路中使用普通變壓器(二次工作接地)并對其回路進行調(diào)整(如圖10b)，則無論線路AD(BE)在什么地方、什么地方接觸到地，都會引起回路過流，保險絲F02熔斷，切斷控制回路，從而阻止發(fā)電廠的一切動作。
從以上分析可以看出，控制電路采用普通變壓器，變壓器二次側的良好接地和過流保護是按照GB 5226.1-2002的要求來保證的。合理的接線方式可以防止電廠失控，在一定程度上保護電路，從而降低安全事故的風險。
4 結束語
起重機械的接地保護、線路絕緣和保護對其安全運行和人員保護具有重要意義。為了準確測量接地電阻，判斷電阻值的符合性，首要任務是正確判斷供電系統(tǒng)的保護接地形式；為了確保高電氣安全保護，良好的線路絕緣和合理的線路保護是必要的。
針對現(xiàn)場某些起重機械供電系統(tǒng)保護接地形式難以準確判別的問題，提出了一種用測量方法判別供電系統(tǒng)保護接地形式的方法，這是結合現(xiàn)場接線情況和測量方法，準確測量接地電阻，判斷接地電阻符合性的必要前提。
針對線路保護形式不合理，分析了控制回路采用隔離變壓器供電時，部分電氣安全開關可能失靈的風險，可采取以下措施降低風險：
1)當對地電壓為安全電壓且線路較長時，控制回路應采用普通變壓器供電，以保證變壓器二次側接地良好，并采用合理的接線方式；
2)當控制回路短路，對地電壓高于安全電壓時，為防止人觸及單根帶電導線而觸電，抑制高頻雜波對控制回路的干擾，可考慮采用隔離變壓器供電，但必須保證線路對地的良好絕緣保護，并采取有效措施防止線路因多點故障而觸地和竄通其他回路。
本文為起重機供電系統(tǒng)保護接地形式的判別和某些控制回路線路保護的改進提供了參考。
參考
[1]TSG q 7015-2016 Lif定期檢驗規(guī)則
[6]毛曉茗。起重機械接地保護分析3354接地系統(tǒng)的判別與檢查[J].電子技術與軟件工程，2014 (9): 160。
[7] GB 6067.1-2010起重機械安全規(guī)程第1部分：總則[S]。
[8]朱著。隔離變壓器在電網(wǎng)中的應用分析[J].電氣技術，2013 (8): 80，81。
[9] GB 5226.1-2002機械安全-機電設備-第1部分：通用技術要求[S]。
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