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      起重機械的接地保護形式判別及線路保護

      起重機滑觸線的規定 滑觸線 2021-10-28 09:27

      劉 濤 井德強 王 剛 王偉國 安 俊

      陜西省特種設備檢驗檢測研究院 西安 710048

      摘 要:針對現場難以準確判別起重機械供電系統保護接地形式的問題,提出了測量法判別供電系統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符合性提供前提保障;針對不合理的線路保護形式,分析了控制回路采用隔離變壓器供電可能導致某些電氣安全開關失效的風險,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借鑒。

      關鍵詞:起重機械;接地保護形式;接地保護;線路保護

      中圖分類號:TU201.2 文獻標識碼:A 文章編號:1001-0785(2020)19-0090-06

      0 引言

      起重機械是典型的機電一體化產品,通過控制系統對起升和行走等機構電機或馬達的協同控制,從而實現重物的升降和運輸。低壓供電系統是起重機械正常運行的動力源,而保證起重機械日常使用、維護和檢查過程的用電安全,是設計、使用、檢驗和檢測研究的重要課題。檢規對起重機電氣設備接地和線路絕緣做出了明確要求。然而,測量其接地電阻的首要任務是明確供電系統的接地保護形式,在實際檢驗和檢測過程中發現,許多起重機的接線不符合國家規范,僅查看現場布線情況很難判別接地保護形式。此外,不合理的線路保護還可能導致安全防護裝置電氣開關失效和人員觸電。

      1 檢規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則》[1](以下簡稱為檢規),為防止發生人員的間接觸電事故[2],C8.9.2.2 項對接地電阻有具體的規定:

      1)對于TN 接地系統,PE 線每一處重復接地的接地電阻不大于10 Ω;

      2)對于TT 接地系統,電氣設備的外露可導電部分(電源保護接地線)的接地電阻不大于4 Ω;

      3)對于IT 接地系統,用電設備金屬外殼(電源保護接地線)的接地電阻不大于4 Ω。

      由此可見,要準確測量和判斷接地電阻是否符合要求,明確被測系統的接地保護形式是關鍵。

      1.2 電氣線路對地絕緣和線路保護的要求為防止起重機的線路漏電造成人員觸電事故,檢規C8.10 規定電氣線路對地絕緣電阻應符合以下要求:

      1)額定電壓不大于500 V 時,不小于1.0 MΩ;防爆起重機不低于1.5 MΩ;

      2)絕緣起重機用1 000 V 兆歐表測量電氣線路對地、吊鉤與滑輪、起升機構與小車、小車架與大車的絕緣值,其均不低于1.0 MΩ。

      此外,檢規C8.3 項要求所有外部線路均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電氣安全防護至關重要。

      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

      低壓配電系統的接地保護形式按電源端中性點與用電設備外露可導電部分是否接地分為TN、TT 和IT 等三大系統[3,4]。

      1)TN 系統

      電源端中性點接地(工作接地),并有中性線(N線)引出,將用電器金屬外殼經公共的保護線(PE 線或PEN 線)與電源的中性點電氣連接,即保護接零。按保護接零線的構造形式,TN 系統又分為TN-S 系統、TN-C 系統和TN-C-S 系統。

      ① TN-S 系統 如圖1 所示,N 線與PE 線從電源起就分開,形成五線供電,即使N 線故障斷開也不會影響PE 線的保護作用。只有相線故障觸碰用電設備金屬外殼時,PE 線才會有電流短時通過并迅速動作線路過流保護裝置,對接在PE 線上的其他設備不會產生電磁干擾。

      圖1 TN-S 系統

      ② TN-C 系統 如圖2 所示,N 線與PE 線合為一體,構成保護中性線(PEN 線)。雖然節省了一根導線,卻可能造成三相負載不平衡,甚至PEN 線故障斷開,而用電器工作過程中金屬外殼觸碰相線時,會導致所有用電器金屬外殼產生危險性的接觸電壓。

      圖2 TN-C 系統

      ③ TN-C-S 系統 如圖3 所示,從電源端到用戶配電箱,前一部分N 線和PE 線合為PEN 線,構成三相四線制的TN-C 系統;后一部分N 線和PE 線又分開形成三相五線制的TN-S 系統。因此,該系統兼有兩個系統的特點,常用于工作環境較差或對電磁干擾要求較高的場所。

      圖3 TN-C-S 系統

      2)TT 系統

      如圖4 所示,電源中性點接地,有N 線引出,并用電器金屬外殼保護接地。TT 系統發生相線故障觸碰用電器金屬外殼時,電流通過大地返回電源側,故障相保電流較TN 系統小得多,即使有熔斷器或熱繼電器也不一定能熔斷或動作,故必須加裝漏電保護器(如剩余電流保護器)[5]。

      圖4 TT 系統

      3)IT 系統

      如圖5 所示,電源中性點不接地或通過高阻抗接地,而用電器金屬外殼保護接地,該系統不宜引出中性導體。為了使重要負載即使短時接地也能工作,出現小故障也不能隨意停機(一般不采用漏電保護),因為該系統第一次出現故障的故障電流較小,不足于使用電器金屬外殼產生危險性的接觸電壓。因此,可以不切斷電源,用電器仍可繼續運行,并可通過絕緣監測及檢查消除故障。系統內發生第二次故障(發生在另一相線或中性線上)時,為避免電源、線路和用電器燒壞,應迅速自動切斷電源。

      圖5 IT 系統

      2.2 接地保護形式的判別

      在測量起重機接地電阻時,需要明確接地保護形式。然而在現場檢驗時發現,許多用戶未按照國家標準接線。例如,根據某起重機控制柜的三相五線制布線情況,可判斷其為TN-S 接地保護形式,而經查線發現,其PE 線并非引自電源中性點,而是接入現場接地樁,又與TN 系統要求矛盾。因此,僅通過現場電氣控制柜的接線情況很難準確判斷其接地保護形式。

      現場查線法是判別接地保護形式的傳統方法,從用電設備的PE 線開始,經過配電柜接線端子到變壓器接線柱進行反向查線。這種方法最直接,但在復雜的配電網絡中,其可操作性較差。

      相對于現場查線法,測量法可操作性更好。測量法,需要用到諸如交流電壓表,接地電阻儀,萬用表等測量儀器。該測量法判別接地保護形式的步驟如下:

      1)判斷電源端中性點是否接地,即區分電源是IT系統還是TN 或TT 系統。

      選用阻抗不大于相線對地絕緣電阻值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一個不大于相線對地絕緣電阻的電阻,而后測量相線與設備接地裝置之間的電壓),如圖6 所示。

      圖6 測電壓判斷電源中性點是否接地

      ①如果電壓表讀數不大于相電壓的四分之三,可判定為IT 系統。因為IT 系統中性點與地之間具有高阻抗,該阻抗與電壓表串聯形成回路(見圖7),該阻抗具有分壓作用,設交流電壓表讀數為UV,其內阻為RV,高阻抗為RL,且滿足RV < RL,相電壓為U,根據歐姆定律可得

      可見,理論上電壓表讀數應小于相電壓的一半,但由于高阻抗RL 與交流電壓表內阻RV 接近(同數量級),會嚴重降低該電壓表的靈敏度,使其精度顯著降低,存在較大測量誤差,但只要選用的交流電壓表內阻與該高阻抗接近,其誤差一半不會超過25%。所以,若檢測出電壓表讀數不大于相電壓的四分之三,即可判斷該系統為IT 系統。

      圖7 檢測回路原理圖

      ②如果電壓表讀數與相電壓相近,可判定電源中性點直接接地(即TT 或TN 系統)。TN 系統和TT 系統電源端(或變壓器副邊)中性導體直接接地,此時中性導體接地線內阻相對于串聯其中的電壓表內阻可忽略不計,故電壓表示數接近相電壓。

      2)判斷用電設備金屬外殼是否獨立于電源端接地,即區分是TN 系統還是TT 系統。如圖8 所示,分別使用接地電阻儀和萬用表測量電源的N 線(或PE 線)與設備接地裝置之間的接地電阻,其測得值分別為r 和R。

      ①若r 與R 值基本相同,且電阻值與所測回路導體電阻估算值也基本相同,則可判定為接零保護,即TN系統。由于TN 系統的電源中性點直接接地,且PE 線由中性線引出,所測得中性線與設備接地線之間的電阻即該回路導體阻值。

      ②如果它們的阻值不相等,且電阻值與所測回路導體電阻值相差較大,可判定為接地保護,即TT 系統。由于TT 系統用電器金屬外殼工作接地保護,所測得中性線與設備保護接地線之間的電阻為接地線和接地體本身的電阻、接地體與大地之間的接觸電阻以及兩接地體之間大地的電阻的總和[6]。

      圖8 測電阻判斷設備保護接地形式

      3 線路對地絕緣和線路保護

      3.1 線路保護的必要性

      檢規和GB6067.1 - 2010《起重機械安全規程 第1部分:總則》[7](以下簡稱規程)對起重機的電氣線路對地絕緣和線路保護做了明確要求。線路對地絕緣良好,可以防止人員間接觸電和電氣損壞電子元器件;而合理的線路保護既可防止人員間接觸電,又能避免電氣安全開關的失效。

      規程要求所有的線路都應具有短路或接地引起的過電流保護功能。通常采用熔斷器和熱繼電器等元器件實現對電源的短路保護。

      現場檢驗發現,許多起重機采用隔離變壓器將380V 的交流動力電轉變為安全電壓,為其控制回路供電。而隔離變壓器的副邊要求不能接地,一旦串聯于該控制回路的線路發生故障觸地,將造成諸如高度限位開關、大小車限位開關、聯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

      某起重機部分動力回路如圖9 所示,總接觸器KM1 控制動力回路供電,接觸器KM4 控制大車M4 和M5 電機向北正向運行;接觸器KM5 控制大車電機M4和M5 向南反向運行。而接觸器的通斷由其控制回路(見圖10)相應的線圈得電、失電來控制。

      圖9 起重機部分動力回路

      如圖10 所示,當動力回路的斷路器QF 合上,按下啟動按鈕SB2 時,總接觸器KM1 線圈得電,動力回路總接觸器KM1 吸合,同時總接觸器KM1 觸點閉合自保。此時,如果按下大車向北運行按鈕SB4,則接觸器KM4 線圈得電,動力回路接觸器KM4 吸合,大車驅動電機M4 和M5 向北正向啟動運行,運行臨近行程末端時,限位開關SQ1 動作,常閉觸點斷開,此時大車向北運行接觸器KM4 線圈失電,致使動力回路大車向北運行接觸器KM4 失電而斷開,從而切斷大車M4 和M5電機的動力電源,停止向北運行。大車向南運行的控制與其向北運行控制類似。

      為了使原副邊電氣絕緣,抑制高頻雜波傳入控制回路[8],控制回路往往采用隔離變壓器供電,則其變壓器副邊不接地(如圖10a 所示),此時若控制回路中任意單點觸地,不會引起線路的異常變化;若控制回路中A(B)點與CD(FE)段之間任意一處及以上發生觸地,則會引起KM4(KM5)線圈短路使線路過電流,熔斷器F02 熔斷而切斷控制回路,防止動力裝置的一切動作,顯然滿足規程要求;若控制回路中D(E)點與C(F)點同時觸地,因為電流流經線圈,只要A(B)點不觸地,就不會引起回路的過電流,熔斷器F02 不會熔斷,然而KM5(KM4)常閉觸點和限位開關SQ1(SQ2)因處于旁路狀態而失去功效。因此,大車將失去向北(南)運行的限位控制,可能造成嚴重事故,同時KM5(KM4)常閉觸點不受線圈控制,可能燒壞電機和線路。

      (a) 隔離變壓器供電

      (b) 普通變壓器供電

      圖10 起重機部分控制回路

      由于控制回路為安全電壓,隔離變壓器有效防止人員觸碰單根帶電導線而觸電的隱患可不考慮。GB5226.1 - 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],“通過變壓器供電的控制電路,副邊線圈一側接保護接地電路,過電流保護器件僅要求設在另一側電路導線上”。如果控制回路采用普通變壓器(副邊工作接地),并對其電路進行調整(如圖10b 所示),此時線路AD(BE)段中無論哪一處或多處觸地,都將引起回路過電流,使熔斷器F02 熔斷而切斷控制回路,從而防止動力裝置的一切動作。

      由以上分析可知,控制回路采用普通變壓器,并按GB5226.1 - 2002 要求保證變壓器副邊的良好接地和過電流保護,采用合理的布線方式,在一定程度上能防止動力裝置的失控和保護線路,降低了安全事故風險。

      4 結束語

      起重機械接地保護、線路絕緣和保護對其安全運行以及人員保護意義重大。而要準確測量其接地電阻和判斷阻值的符合性,首要任務就是正確判定供電系統的保護接地形式;為了確保較高的電氣安全防護,良好的線路對地絕緣和合理的線路保護十分必要。

      本文針對某些起重機械現場難以準確判別其供電系統保護接地形式問題,提出了測量法判別供電系統保護接地形式的方法,結合現場布線情況和測量法綜合判別供電系統的保護接地形式,是準確測量接地電阻和判斷接地電阻符合性的必要前提。

      針對不合理的線路保護形式,分析了控制回路采用隔離變壓器供電可能導致某些電氣安全開關失效的風險,可采取如下措施以降低風險:

      1)在對地電壓為安全電壓且線路較長的情況下,控制回路宜采用普通變壓器供電,保證變壓器副邊的良好接地,并采用合理的布線方式;

      2)當控制回路線路較短,并對地電壓高于安全電壓時,為了防止人員觸碰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良好的絕緣防護,采取有效措施防止線路多點故障觸地和竄連其他回路。

      本文對起重機供電系統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借鑒。

      參考文獻

      [1] TSG Q7015 - 2016 起重機械定期檢驗規則[S].

      [2] 先強,柳光利,郭曉鋒,等. 起重機械接地檢驗項目合理性探討[J]. 中國特種設備安全,2015,31(2):13-19.

      [3] GB 50054—2011 低壓配電設計規范[S].

      [4] 朱鵬. 起重機接地檢驗常見問題的探討[J]. 中國特種設備安全,2018,34(5):31-37.

      [5] 陳永光. 起重機漏電保護裝置的檢驗[J]. 機電技術,2007(4):77-80.

      [6] 毛銷鳴. 起重機械接地保護分析——接地系統的區分和檢驗[J]. 電子技術與軟件工程,2014(9):160.

      [7] GB 6067.1 - 2010 起重機械安全規程 第1 部分: 總則[S].

      [8] 朱正會. 隔離變壓器在電網中的應用分析[J]. 電氣技術,2013(8):80,81.

      [9] GB 5226.1 - 2002 機械安全機械電氣設備第1 部分: 通用技術條件[S].

       

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