起重机械的接地方式和接地故障保护分析论文

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　　摘要：起重机械是一种特种设备，其安全受到极大重视，国家针对起重机械的设计、安装、使用等安全方面制订了相关标准。在起重机械接地方式和接地故障保护方面，标准缺少详细规定，行业内各单位对标准理解和掌握的尺度不一致，设计和施工不规范，导致现场使用的起重机械存在着人身触电和用电设备烧毁等安全隐患。参照相关标准和理论，通过分析比较不同电力系统的工作原理和接地短路计算，提出了起重机械的接地和接地故障保护是一项系统工程的观点，认为与起重机械关联的馈电系统、轨道、承轨梁、起重机械上的钢结构及其电气设备等的接地方式，以及接地故障保护开关型式等环节，唯一取决于电力系统的型式，并提供了各环节接地的规范做法和实施细则。有效解决了单相接地故障隐患，丰富补充了标准的内涵，对起重机械电气设计、安装施工、产品检验等工作，具有一定的指导价值。

　　关键词：起重机械,电力系统,中性导体,接地导体


　　Abstract：Crane is a kind of special equipment，and its safety has been paid great attention. Relevant standards have been formulated for thesafety of crane design，installation and use. In terms of crane grounding method and grounding fault protection，the standard lacks detailedprovisions. The enterprises' understanding and mastery of the standards are inconsistent，and the design and construction are not standardized， resulting in potential safety hazards such as personal electric shock and burning of crane electrical equipment. Referring to relevant standardsand theories，by analyzing and comparing the working principles of different power grids and grounding short-circuit calculation，it was proposedthat the grounding and grounding fault protection of crane was a systematic project. It was concluded that the grounding method of feed system， guide rail，track beam，steel structure and electrical equipment on crane，as well as the type of grounding fault protection switch only dependedon the type of power grid，and the standard practice and implementation rules of each link grounding were provided. The achievement effectivelysolves the hidden danger of single- phase grounding fault，enriches and supplements the connotation of the standard，and has certain guidingvalue for crane electrical design，installation and construction，product inspection and so on.

　　Key words：cranes;power system;neutral conductor;earthing conductor

　　0 引言

　　起重机械是用电设备，更是一种特种设备，国家修订了GB6067. 1—2010 《起重机械安全规程第1 部分： 总则》强制性标准，规定了起重机械的设计、制造安装、使用、检查等方面的基本安全要求;修订了GB/T3811-2008 《起重机设计规范》，确立了起重机械电气与安全等部分设计应遵守的准则。起重机械的接地和接地故障保护是一项系统工程，它不仅是起重机械本体的接地，还涉及到起重机械的上下游，如电网(电力系统)、馈电系统、轨道、承轨梁、电源保护开关等几个环节的接地问题，任一个环节接地做不到位都会影响系统安全。以上两个国家标准对于起重机械的馈电系统型式、起重机械本体接地有所描述，但对于如何根据现场电力系统型式正确匹配起重机械的接地方式，轨道和承轨梁接地方法，以及如何进行接地故障保护和选择故障保护开关等方面提及较少，因此，起重机械设计单位和各地检测部门对此理解和掌握的尺度不一致。很多电气设计者、现场施工者、检测者通常认为，只要做到起重机械电源为三相四线，地线与供电配电箱的接地端子连接;总开关采用带有瞬时和热过流脱扣的电磁式断路器;起重机轨道接到地下接地体这几点就可以了。但实际情况是，这样的设计和施工存在着严重的安全隐患。


　　因此，为了消除安全隐患，保护人身和起重机械设备安全，本文参照电力系统的相关规范和起重机相关标准要求，分析并求证了起重机械外部的馈电系统、轨道、 承轨梁的接地和起重机械内部的钢结构、电气设备等的接地，以及接地故障保护开关选型等几方面，与电力系统的型式密切相关;对以上各环节的规范接地和实施点提出了建议。

　　1 起重机械馈电系统与电力系统的连接

　　GB6067. 1—2010的8. 8. 1 规定， “交流供电起重电源应采用三相(3Ф + PE)供电方式。设计者应根据不同电网采用不同型式的接地故障保护，并由用户负责实施。接地故障保护应符合GB50054的有关规定。”[1]该条文对起重机械供电电源规格提出了明确要求，强调了接地故障保护应随着电力系统的型式不同而不同。起重机械的交流馈电系统(如滑触线、电缆卷筒、悬挂电缆等)至少有4 线，其中一条线(芯)为接地保护专线， 起重机械就是通过这条专线引到配电箱接地的，而不是如以前利用起重机械车轮与轨道接触构成接地保护通道。 但是，我国的电力系统有数种型式，变压器低压侧中性点有的接地有的不接地，需要解决馈电系统的接地保护专线到配电箱后接到何处，  如何与电力系统构成联系， 才能保证一旦发生单相接地故障，人体安全及电气设备得到有效保护这一问题。

      根据GB14050-2008 《系统接地的型式及安全技术要求》，我国电力系统细分为IT、TT、TN-C、TN-S、TN-C-S五种接地型式，其中TN- C、TN- S、TN- C- S三种型式统称为TN系统[2]。除了IT系统电源端中性点不接地(或经高阻抗消弧线圈接地)外，其他4 种系统中性点均通过导体直接接地。从IT、TT系统变压器中性点引出的中性线为“中性导体”(即N线)，不能与用电设备的金属外壳连接;从TN系统中性点引出的中性线为“保护接地中性导体”(即TN-C和TN-C- S前段的PEN线)或“保护导体”(即TN-S和TN-C- S后段的PE 线)，具有接地保护功能，要与用电设备外壳连接。

　　因此，接到IT、TT系统的用电设备外露可导电部分需要单独接地，与电力系统变压器中性点通过接地极、大地构成故障电流保护回路。鉴于此，起重机械馈电系统接地专线不能接入“中性导体”N 线上，而应该单独接入接地极上。以图1 所示的TT系统为例， 由QF21分配电箱引出三相四线到起重机械馈电系统，其中一条线从分配电箱内接地端子引出，接地端子应确保与“接地极”可靠连接，满足接地电阻不大于4 Ω的要求[2]。“接地极”可以是在配电箱附近单独埋设的接地体，也可以是与大地可靠连接的金属结构、管道、混凝土结构的钢筋等自然接地极，或者人为架设的等电位接地网等。


　　图2所示为TN- C- S系统，它的前段区间是TN- C系统，PE线和N线合并为PEN线;后段区间是TN-S系统，即在QF21 配电箱后，分出单独的PE 线。纯粹的TN-S系统，应该是在变压器低压侧中性点直接分出N和PE两条线。TN系统下的用电设备外露可导电部分与电力系统变压器中性点之间，通过导体形成物理上的直接连接。如位于图2 前段区间的三相电机和单相设备， 金属外壳接入PEN线上;位于图2 后段区间的起重机械设备或其他用电设备，其金属外壳则接入PE 线上。起重机械馈电系统应根据电力系统型式，在电源供电点(QF21分配电箱)接入电力系统的PEN接线柱或PE接线柱上。为了进一步提高接地保护可靠性，根据供电线路长短可以在电源供电点再埋设接地极形成重复接地， 重复接地电阻不大于10 Ω[2]。


　　值得强调的3 点： (1)尽管GB6067. 1—2010 标准中只提到保护导线是PE线，而现场TN- C- S系统的前段区间和TN-C系统提供的是PEN线，但由于起重机械通常是末端用电设备，即使接入PEN接线柱上，也可看成是分出的PE线，相当于末端起重机械形成了局部的TN-S系统;(2)在TN电力系统中，馈电系统接地专线不能只接入独立接地极，而不接到TN系统的PEN或PE导线上，使末端起重机械构成局部TT形式，因为一旦起重机出现单相接地漏电，PEN上呈现110 V电压，导致前端用电设备外壳全部出现危险电压; (3)在确保IT、TT系统下承轨梁(轨道)接入单独接地体或接入接地网上，或者TN系统下承轨梁(轨道)接入PEN或PE 线的情况下，馈电系统的接地专线可以就近接入承轨梁(轨道)中，不需要引到分配电箱中，可以节省接地导线。

　　2 起重机械轨道和承轨梁接地要求

　　GB6067. 1—2010的8. 8. 2 规定： “起重机械本体的金属结构应与供电线路的保护导线可靠连接。起重机械的钢轨可连接到保护接地电路上。但是，它们不能取代从电源到起重机械的保护导线(如电缆、集电导线或滑触线)……”[1]起重机械的钢轨接地不能取代起重机械接地保护线，那么，起重机械馈电系统有了专用保护导线后，是否轨道可以不用接地?答案是否定的。因为起重机械漏电将通过车轮轨道接触使轨道和承轨梁带电。 为此，应如图3 所示，做好承轨梁之间、轨道和承轨梁之间、轨道之间的接地线跨接，通过跨接使所有刚体成为等电位体，最后通过轨道接地。这样，即使起重机械馈电系统接地线接触不良或断线时， 接地故障电流仍可以通过车轮、轨道通道构成回路，对人体起到后备安全保护作用。轨道的接地方式应确保与起重机械馈电系统的接地方式一致。


　　3 起重机械金属结构和用电设备接地要

　　GB/ T3811-2008 《起重机设计规范》7. 4. 10. 1 规定 “起重机本体的金属结构应与供电线路的地线可靠连接。 大车与小车的车轮、任何其他的滚轮或端梁连接采用的铰链均不能替代必需的导电连接，而应另外用专门的接地线将各部分结构件上的接地点连接……”[3]。该条文说明，馈电系统引入起重机械上后，需要做好起重机械内部接地措施，防止在起重机械上的电气设备绝缘破坏时，危害司机和维修人员的人身安全和进一步扩大电气设备的事故。

　　起重机械上的金属结构和用电设备的接地，具体实施方法有以下几点。

　　(1)起重机械馈电系统进入起重机械后，首先与起重机械桥架金属结构连接。

　　(2)与起重机械桥架通过螺丝、铰链连接的其他金属结构部件，如端梁、走台、支腿、下横梁、小车轨道、 电柜支架、电柜门等等，均用专用导线跨接两侧的金属结构，使之形成等电位体，保证接地的连续性[4]。

　　(3)移动小车车架与起重机械桥架之间，采用移动专用接地导线连接。

　　(4)移动司机室，与起重机械本体螺丝连接的司机室用双重的接地线进行电气连接[5]。

　　(5)起重机械上的所有用电设备，如电气房、控制屏、电柜、接线箱、控制台、操作器、变压器、电阻器限位器、电动机、制动器、照明设施、讯响设备等，其外露的可导电金属外壳，应独自用导线连接于就近的起重机桥架、小车架或司机室骨架的等电位体上[6]，如4所示。


　　(6)电缆桥架之间，电缆桥架或电线管与起重机桥架之间采用焊接或用接地线连接。如图5所示。


　　(7)照明变压器的低压侧应一端接地。

　　(8)屏蔽电缆钢丝包皮两头金属丝网接地。

　　4 起重机械接地故障保护开关的选择

　　针对接地故障保护和保护开关选型起重机械相标准条款描述较少。GB6067. 1—2010的6. 2. 2 和GB/T3811-2008的7. 3. 2规定，起重机械的“总电源回路应设总断路器，总断路器的控制应具有电磁脱扣功能，其额定电流应大于起重机额定工作电流，电磁脱扣电流整定值应大于起重机最大工作电流。总断路器的断弧能力应能断开在起重机上发生的短路电流。”[1]另外GB6067.1—2010的8. 2和GB/ T3811-2008的7. 4. 2规定，“所有线路都应具有短路或接地引起的过电流保护功能，在线路发生短路或接地时，瞬时保护装置应能分断线路…… 当预计接地电流达不到瞬时脱扣电流值时，应增设热脱扣功能……。”[3]

　　由于电力系统变压器低压侧中性点和用电设备的接地联系方式不同、故障电流通道不同、线路长短不同， 使线路阻抗不同，导致产生的接地短路电流大小差别很大，有的短路电流高达几千安培，有的仅仅几毫安，带电磁线圈的电磁脱扣断路器仅对较大接地电流有效，对小漏电电流无效，因此在分配电箱内和起重机械总电源回路，不能简单设置带有瞬时脱扣和热脱扣功能的断路器一种型式，而仍然要依据不同型式的电力系统配置相应不同型式的保护开关，才能对单相接地故障起到有效保护。具体分析如下。

　　4. 1 TT系统的接地故障保护开关

　　为讨论QF21总断路器型式，参考图1.假设电力系统中性点接地电阻为ro，起重机械接地电阻为rD ，单相对地短路电流为(IR ，起重机械对地电压为UD 。假如起重机械发生相线L2碰电柜壳体的对地短路故障，故障流(IR 从L2 相线，通过电柜外壳———起重机械桥架 ———接地体rD———大地———接地体ro 通道，回到变压器低压侧中性点。因TT系统接地电阻ro 和用电设备接地电阻rD为4 Ω[7]，故：


　　假如QF21 为脱扣曲线C 型的小型电磁式断路器， 27. 5 A的短路电流不能使额定电流大于5 A的断路器瞬时脱扣，此时，起重机械桥架或用电设备对地电压UD一直保持110 V分压，相当危险。因此，TT系统的起重机械，用电磁脱扣的断路器作为接地故障保护是无效的， 必须采用带有漏电保护功能的断路器进行保护。

　　4. 2 IT系统的接地故障保护开关

　　参考图1.IT系统与TT系统的区别是变压器低压侧中性点不接地或经高阻抗接地(ro (100 Ω)，若发生单相对地短路故障，故障电流(IR 从L2 相线，通过电柜外壳———起重机械桥架———接地体rD———大地———高阻抗接地体ro 或相地电容(中性点不接地时)回到变压器低压侧中性点.



　　2. 1 A接地故障电流不会使电磁断路器跳闸，起重机械可以持续工作，接地故障一直保持。起重机械桥架对地为安全电位，人体接触起重机没有危险。但是，一 旦起重机械接地保护通道不良，而人体从外部接触起重机械，接地故障电流(IR 将从L2 相线，通过电柜外壳(起重机械桥架—人体—大地—高阻抗接地体ro 通道， 回到变压器低压侧中性点。由于人体电阻约为1 700 Ω， 流过人体的电流IR为：


　　此时人体有被电击危险。因此，尽管IT系统的目的是为了保证供电连续性，若该起重机械无连续工作的必要，应该选择漏电保护断路器，才能及时切断故障，避免事故扩大。

　　4. 3 TN系统的接地故障保护开关

　　TN系统的起重机械桥架与电力系统之间的保护导体有导线直接连接。接地故障电流IR 从L2相线，通过电柜外壳—起重机械桥架—接地导体—保护导体通道，回到变压器低压侧中性点。线路阻抗值与线路距离、线径有关， 线路越远，线径越小，计算的线路电阻越大，短路电流越小。为说明问题和方便计算，忽略线路电抗和变压器内电阻和电抗，假设电力系统变压器低压侧到起重机械故障点距离L = 100 m，相线和地线线径S = 6 mm2.计算单相接地故障电流过程如下。

　　线路电阻： 


　　计算结果表明，TN系统下6 mm2 导线即使在100 m线路距离下，接地故障产生了328 A的短路电流，能够瞬时切断6 mm2 导线截面下对应的电磁式断路器。随着变压器二次侧到故障点线路距离缩短和导线截面加大， 单相接地故障电流会更大，因此，起重机械采用电磁式断路器保护是有效的。

　　4. 4 漏电保护开关的选型

　　漏电保护开关又叫零序电流保护开关，它是检测交流回路电流矢量和电压矢量的装置，有电磁式和电子式两种.


　　绝大多数起重机械为三相(3 Ф + PE)供电方式， 接地线不作为载流零线，因此起重机械总开关，通常选用三相三线的漏电保护开关型式;个别起重机引入三相五线电源，因为N线有电流分量，总开关可选用三相四线的漏电保护开关。TN系统的PEN和PE线上，都不能被漏电保护开关切断[8]。电磁式漏电开关靠电流驱动， 与电压无关，抗干扰能力较强;电子式漏电保护开关, 不仅与电流有关还与电压有关，抗干扰能力较弱。鉴于起重机械作业环境较差，起制动过程电压波动较大，受电磁、谐波等干扰较大，特别是在变频器使用场合，其高频泄漏电流和谐波电流容易误触发漏电保护开关动作， 因此，应优先选择电磁式漏电保护开关。

　　简言之，起重机械的接地方法与电力系统型式相对应，而接地故障保护开关要根据使用场合的不同进行适当选择。如表1所示。


　　5 结束语

　　综上所述，起重机械电气设计前，应该首先了解起重机械使用现场供电的电力系统型，以采取正确的地方法和选配合适的接地故障保护开关，才能对人体财产起有效保护。当使用场合的电力系统型式IT 和TT系统时，起重机械馈电系统的接地专线接到独立的接地极上，IT通常用电磁式保护开关保护，TT系统采用电式断路器保护;当电力系统型式为TN系统时，起重机械馈电系统的接地专线接到电力系统的保护导体上， 用带电磁脱扣的断路器保护;为提高安全防护等级，提高设备和人身安全，IT和TN系统都可以采用漏电式断路器保护。此外，起重机械桥架及其附属金属结构、移动部件等应构成一个等电位体，作为起重机械公共地， 起重机械上所有用电设备外露金属外壳应可靠连接于该等电位体上。

　　参考文献

　　[1]GB6067. 1-2010.起重机械安全规程第1部分：总则[S]

　　[2]GB14050-2008.系统接地的形式及安全技术要求[S].

　　[3]GB/ T3811-2008.起重机设计规范[S].

　　[4]JB/ T 4315-2020.起重机电控设备[S]. [5]GB50256-2014.电气装置安装工程起重机电气装置施工及验收规范[S].[6]GB50169-2016.电气装置安装工程接地装置施工及验收规范[S]。

　　[7]GB50054-2011.低压配电设计规范[S]。

　　[8]夏翔. 起重电控设计参考手册[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

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