起重機械接觸器失效事故案例分析及改進措施探討

石琪晟 仇佳捷 郭 聰 虞偉杰

（寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048）

接觸器是起重機械電氣控制系統(tǒng)中重要的控制元件，主要承擔著起重機主電路的控制功能。雖然隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC、單片機以及變頻器得到了廣泛的應用，但是在電動單梁起重機、電動葫蘆橋門式起重機、中小噸位的通用橋門式起重機以及傳統(tǒng)塔式起重機中仍然主要采用繼電器—接觸器控制形式，即使是在大型起重機中接觸器在其電氣控制回路中依然是不可缺少的。因此，接觸器的可靠性往往影響了起重機械的正常運行。接觸器的故障往往有可能導致起重機制動器不動作、起升運行控制失效等故障出現(xiàn)，進而導致事故的發(fā)生。本文以一起電動單梁起重機接觸器失效的事故案例為例，分析事故發(fā)生的原因，并提出相應的電氣線路改進措施以供相關(guān)人員參考。

1 事故案例分析

1.1 近期發(fā)生的一起起升接觸器觸點粘連事故分析

圖1 事故現(xiàn)場示意圖

2016年7月13日寧波某公司裝配車間發(fā)生一起吊物墜落致人死亡事故。當時，一名起重作業(yè)人員和一名裝配工配合裝配一重約300kg的套筒螺母，起重機吊鉤通過吊繩與下方一個滑輪相連，滑輪下又掛一吊繩與套筒螺母相連，如圖1所示。起重作業(yè)人員將螺母吊運至裝配位置，裝配工將螺母初步擰入設備，此時需要起重作業(yè)人員操作起重機對螺母進行微調(diào)，點動操作起重機起升，當釋放起升按鈕后起重機并未停止，仍然處于起升狀態(tài)，導致吊鉤與中間滑輪間的吊繩拉斷，滑輪墜落，撞擊裝配工頭部，致使裝配工死亡。

現(xiàn)場對起重機各部分功能進行檢查發(fā)現(xiàn)的確存在釋放起升按鈕后，起重機無法停止向上起升動作的情況。遂將起重機相關(guān)接觸器拆下進行進一步檢查。拆下后的起升接觸器處于吸合狀態(tài)。基本可以確定該起重機的起升接觸器存在觸點無法分離的現(xiàn)象。將接觸器完全拆解進行進一步檢查后發(fā)現(xiàn)起升接觸器和下降接觸器的主觸點均有燒灼痕跡，起升接觸器動觸點完全熔斷，如圖2所示。因此這起事故的設備原因就是起升接觸器觸點粘連導致控制失效。

圖2 拆解后的上升接觸器

1.2 其他接觸器觸點粘連事故舉例

2007年4月18日，遼寧鐵嶺清河特殊鋼有限公司發(fā)生的鋼水包傾覆事件就是一起因為接觸器失效導致的惡性事故[1]。雖然PQR6402型控制屏自身有設計缺陷，然后導致事故發(fā)生的直接設備原因仍然是控制回路中一對聯(lián)鎖常閉輔助觸點銹蝕斷開導致電動機失電，同時，由于設計缺陷，制動器無法斷電抱閘導致了這次事故的發(fā)生。

2006年4月江蘇某鋼結(jié)構(gòu)公司一臺5噸電動單梁起重機在吊運貨物大車行走時失控，操作人員在按下急停按鈕之后仍無法使起重機停下來致使事故發(fā)生造成經(jīng)濟損失[2]。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，起重機的主接觸器觸點粘連，復位彈簧回彈力不足是導致這起事故發(fā)生的設備原因。

2015年蘇州市一家企業(yè)剪板車間內(nèi)發(fā)生一起事故，鋼板在起升過程中起重機失控，松開按鈕后，起重機無法停止起升動作，操作人員按下急停按鈕后，重物失速下落，造成經(jīng)濟損失[3]。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)一方面起升接觸器觸點燒灼粘連導致控制失效，另一方面控制線路接線存在隱患，按下急停按鈕后無法切斷制動器回路導致重物失速下落。

1.3 事故啟示

在起重機械電氣控制系統(tǒng)故障導致的事故中，接觸器故障往往是事故發(fā)生的主要原因。由于接觸器故障導致的起重機事故往往后果較為嚴重，性質(zhì)較為惡劣，而在起重機械相關(guān)標準和檢驗規(guī)則中涉及接觸器故障的內(nèi)容很少，僅有“正反向接觸器保護”是針對接觸器故障的保護。TSG Q7015—2008《起重機械定期檢驗規(guī)則》提出“正反向接觸器保護”，隨著標準和檢驗規(guī)則的更新，最后演變?yōu)門SG Q7015—2016中的“電動機定子異常失電保護”。雖然TSG Q7015—2016中的“電動機定子異常失電”的適用范圍限定在“吊運熔融金屬或發(fā)生事故后可能造成重大危險或損失的起重機械”，但GB 6067.1—2010中已經(jīng)把電動機定子異常失電保護推廣到了所有起重機械。這也代表了標準對起重機械接觸器故障的重視。由于起重機械接觸器故障的嚴重性，將“正反向接觸故障保護”推廣到“重要接觸器故障保護”，以標準形式進行規(guī)范也是避免發(fā)生相關(guān)事故的有效措施。“重要接觸器故障保護”可以借鑒JB/T 7688.5—2012《冶金起重機技術(shù)條件 第5部分：鑄造起重機》中4.5.11條的描述，建議表述為起重機械應有防止主要接觸器損壞、粘連造成控制失效的措施。其中主要接觸器的范圍可以包含主接觸器、制動器控制接觸器等。

2 改進措施

在接觸器故障中，觸點無法斷開（即觸點粘連）和觸點無法閉合（或異常斷開）這兩種故障會使起重機控制失效，導致事故的發(fā)生。而在參考了大量事故案例后，在電氣線路設計合理的前提下，大部分觸點無法閉合（或異常斷開）產(chǎn)生的主要后果是起重機械無法運轉(zhuǎn)，而觸點粘連往往是導致嚴重事故發(fā)生的原因。本節(jié)就觸點粘連提出相應的改進措施。

2.1 無觸點控制電路

無觸點控制電路實際上是采用固態(tài)接觸器（Solid State Contactor，簡稱SSC）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸器作為主要控制元件的電路形式[4]。固態(tài)接觸器是由固態(tài)繼電器（Solid State Relay，簡稱SSR）發(fā)展而來。固態(tài)繼電器的研制可以追溯至20世紀70年代，其原理是利用電力電子器件來代替金屬觸頭，用光電耦合代替電磁鐵進行控制側(cè)與驅(qū)動側(cè)的隔離，整體采用類似繼電器的封裝。固態(tài)接觸器是在固態(tài)繼電器的基礎上應用了大功率元件，整合了散熱裝置和防護裝置以滿足接觸器的使用環(huán)境，其封裝形式也類似傳統(tǒng)接觸器。早期的固態(tài)接觸器大多使用0～24V的直流信號作為控制端輸入，隨著技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以直接用220V甚至更高的交流信號作為控制端輸入了，如施耐德電氣的TSR的交流系列控制電壓為90～250V，同時該系列將三個通道直接集中在一個元件中，方便了線路的布置。

因此，使用這種固態(tài)接觸器就可以從器件上避免觸點失效及其引發(fā)的相關(guān)問題。但是，使用固態(tài)接觸器的缺點也是十分的明顯：

1）成本高。固態(tài)接觸器技術(shù)要求高，內(nèi)部電力電子器件的質(zhì)量決定了固態(tài)接觸器的通斷能力、反向耐壓、使用壽命等多項重要指標。因此一般固態(tài)接觸器的價格是普通接觸器十倍甚至幾十倍。

2）改造工作復雜。固態(tài)接觸器雖然封裝類似于接觸器但是與接觸器還是有區(qū)別，比如大多數(shù)固態(tài)接觸器沒有輔助觸點，因此很多功能，如自鎖、互鎖都需要重新設計。另外大功率的固態(tài)接觸器需要配備散熱裝置，甚至需要水冷裝置等，往往在起重機控制系統(tǒng)的位置和空間上難以實現(xiàn)。

由此可見，使用無觸點控制回路代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸器控制回路適合于已經(jīng)有一定集成化智能化程度起重機上進行，即較為適合以單片機、變頻器等為控制元件的起重機上的去觸點改造。不適合用于電動單梁起重機這樣的小型設備。

2.2 保護電路設計

通過在原電路的基礎上添加相應的安全回路來檢測相關(guān)的故障，以保證設備在故障發(fā)生時切斷動力回路以避免出現(xiàn)更嚴重的后果。圖3所示為一種添加了輔助觸點監(jiān)控方式安全回路的電動單梁起重機起升控制電氣原理圖（此處省略了部分保護元件）。

圖3 輔助觸點監(jiān)控式防觸點粘連電路

該電路將起升接觸器的常開輔助觸點和對應的控制按鈕關(guān)聯(lián)觸點構(gòu)成一個安全回路，驅(qū)動一個延時繼電器KT，并將延時繼電器的延時斷開觸點接入到主接觸器的控制回路中。以上升控制為例，當上升控制按鈕QA1斷開，其關(guān)聯(lián)觸點閉合，上升接觸器KM1正常失電斷開，其輔助觸點也處于斷開狀態(tài)，延時繼電器KT失電，其觸點常閉。如果此時KM1觸點粘連，則KM1的輔助觸點也處于通電狀態(tài)，延時繼電器KT得電，經(jīng)過延時后，延時斷開觸點KT斷開，主接觸器線圈KM失電，觸點斷開，電動機失電。由于接觸器的開閉需要一定的時間，而且隨著接觸器的持續(xù)使用，這個開閉時間會延長，考慮到設備的起升速度，一般延時可以設置在0.5s左右。

另一種借助輔助觸點來監(jiān)控接觸器觸點粘連情況的電路是適用于使用如單片機等控制元件的起重機。該類電路是將接觸器的輔助觸點直接作為輸入信號接入到控制元件中，通過元件中的軟件來判斷，并輸出到相應的控制回路來進行保護。這種電路在簡易升降機的控制電路設計中已經(jīng)成為較常見的配置。

但是，采用輔助觸點作為檢測接觸器觸點粘連情況存在一個比較明顯的缺點，就是粘連狀態(tài)識別的不準確性。由于輔助觸點和主觸點開斷的電流強度有所不同，會造成輔助觸點無法準確反映主觸點是否粘連。較為常見的就是主觸點在高溫作用下，觸點燒灼，導致主觸點動靜觸點間間隙減小，在主回路電流作用下造成滅弧不可靠，主觸點無法切斷電路，此時由于輔助觸點電流小，觸點間隙變化不大，往往能夠順利切斷回路電流。為避免這種情況的出現(xiàn)，可以將主回路電流狀態(tài)作為監(jiān)控主觸點是否粘連的信號，這樣就能夠保證檢測的準確性。圖4所示為主回路電流監(jiān)控式防觸點粘連的電路圖。

圖4 電流監(jiān)控式防觸點粘連電路

電流監(jiān)控式防觸點粘連電路是將一個中間繼電器KA接入到被監(jiān)控接觸器主觸點之后的電路中，用以檢測該電路的電流狀態(tài)，通過該電流狀態(tài)可以準確反映接觸器主觸點的開合情況，從而配合按鈕關(guān)聯(lián)開關(guān)就可以準確檢測接觸器信號和按鈕信號的同步情況，從而判斷接觸器主觸點是否發(fā)生粘連，并可以在發(fā)生粘連時通過安全回路切斷上一級回路以避免事故的發(fā)生。

改造的便捷性是采用保護電路來避免觸點粘連進一步造成危害的突出優(yōu)點。其更改的線路較少，增加的元件也往往只有幾個繼電器。這種方法也存在一定的缺點，由于增加的繼電器本身也是電磁式的控制裝置，也有觸點粘連風險和失效風險，可能存在保護電路誤動作的情況出現(xiàn)，這是元器件增加和電路復雜性增加必然帶來的風險。

3 結(jié)束語

接觸器觸點粘連帶來的危害必須引起高度重視。而對標準相關(guān)條目的補充是從監(jiān)管層面避免接觸器失效的有效措施。當前環(huán)境下對現(xiàn)有起重機械進行電氣線路改造也是值得推廣的。

無觸點電路的改進方式，從根源上避免了接觸器觸點粘連失效形式，但是實用性及便捷性存在一定的局限。

增加保護電路的改進方式，在一定程度上提高了控制電路的安全可靠性且可操作性強，但并不能根除接觸器失效，電路器件和復雜性的增加本身也會帶來一定的風險；采用添加保護電路的方式仍不失為一種簡便可行的附加安全措施。

為避免接觸器失效，在日常使用中還應該做好三點：

1）設計階段中的合理選型。考慮電氣設備容量，使用環(huán)境，使用頻率與負荷，合理選型，避免接觸器超范圍工作。

2）日常使用中的經(jīng)常檢查。嚴重的接觸器失效前都會出現(xiàn)噪聲變大，吸合或斷開遲滯，吸合或斷開不可靠等情況出現(xiàn)，應及時發(fā)現(xiàn)及時處理。

3）維修保養(yǎng)中的及時更換。做好更換記錄，依照工作使用情況和接觸器使用壽命，做好更換計劃，更換來源可靠的正規(guī)廠商產(chǎn)品。

[1]仇佳捷，柯韜，虞偉杰，等. 新標準下冶金起重機制動器控制回路檢驗[J]. 起重運輸機械，2017(04)：89-92.

[2]蔣元棟. 對一起起重機吊運事故的分析[J]. 起重運輸機械，2008(01)：83-85.

[3]李威，蔣元棟，程哲. 一起電動葫蘆橋式起重機起升機構(gòu)失速事故分析[J]. 起重運輸機械，2016(09)：95-97.

[4]全仲余. 固態(tài)接觸器[J]. 機床電器，2003(01)：55-57.