物流配送中心自動化設備漏電保護技術研究及應用

文/彭榜盈

一、概述

電商與物流業的蓬勃發展帶動了物流自動化領域的技術不斷升級進步，規模也越來越大。煙草商業物流作為引領全國物流自動化、智能化與信息化技術發展的領頭羊，其及先進程度及投資規模遠高于其他行業。近幾年，一些煙草商業物流及電商自動化項目明確要求安裝剩余電流保護裝置（RCD，俗稱“漏電保護開關”），不僅要求設備端裝，設備群首端也要求安裝。由于自動化系統變頻器、伺服驅動器及開關電源的大量使用，設備正常工作時的泄漏電流較大，造成安裝RCD后自動化系統設備頻繁跳閘，系統無法正常工作，安裝的RCD多數棄之不用，造成了資源嚴重浪費，推高了項目建設成本，影響項目正常驗收。業主、監理、集成商和設備制造商因沒有這方面的技術標準，無法達成共識。

本文針對以上問題，重點從自動化系統設備構成、控制原理、漏電形成機理及用電安全保障等方面入手，展開系統分析研究，結合普天物流技術有限公司數十年的物流自動化工程項目實施經驗，通過對普通物流設備和自動化物流設備的漏電機理對比分析，總結出實用有效的系統安全解決方案供物流自動化同行參考應用。同時建議物流技術標委會盡快開展物流倉儲配送中心剩余電流保護裝置的應用技術研究和標準起草工作，為物流倉儲配送中心建設的供需方及監理方提供標準依據和技術咨詢。

二、普通物流設備剩余電流動作保護裝置的應用

1.一般物流設備供電與工作特點

一般物流系統是以皮帶輸送機、輥柱輸送機等簡單物流輸送設備為主，配上叉車、電動搬運車及其他輔助工具等構成的人工機械處理的物流中心。其中的輸送設備由交流電直接驅動，運行速度固定不變。

2.物流中心機電設備的配電系統及接地形式

物流中心一般采用三相五線制供電方式（TN-S），即三相（L1、L2、L3）380V +工作零線（N）+保護零線（PE），電源端接地電阻Rg≤4Ω，整個系統的中性線與保護線是分開的。物流設備的電機外殼、機架（與電機固連）、電氣控制機柜等金屬外殼全部通過保護線（PE）與電源接地點相連,設備供電與接地連接，如圖1。

3.剩余電流保護裝置的作用

TN-S供電系統的物流設備和線路安裝剩余電流動作保護裝置（RCD）的工作原理如圖2。正常情況下，通過剩余電流保護裝置內零序電流互感器一次側電路的電流矢量和等于零，即IL1+IL2+IL3+IN=0。當設備發生接地絕緣故障或人身電擊時，產生了對地故障電流，這就使得通過零序電流互感器一次側各導線電流的相量和不再為零，這個不為零的電流被稱作“剩余”電流，表達式IL1+IL2+IL3+IN≠0。當剩余電流值達到額定動作值時，RCD動作使主開關斷開。

剩余電流動作保護裝置（RCD）的安全保護作用如下：

（1）間接接觸電擊事故的防護。當設備發生相線碰殼短路時，開關的短路保護（或過流保護）及RCD都會動作保護。當設備發生絕緣故障漏電，且漏電流值小于過流保護裝置的動作電流值時，過流保護裝置（熔斷器不熔斷）不斷開，但達到RCD的動作整定值時，RCD會迅速動作，防止故障電流長期存在。目前，物流設備的間接接觸防護分兩種方式：一種是上面介紹的“過流保護+RCD+外殼接PE線”的多重完善的增強保護方式；另一種是“過流+外殼接PE線”的基本保護方式。兩種方式都要求PE線不能斷線，所以需要PE線重復接地。

圖1：普通物流設備供電方式及接地形式

圖2：剩余電流保護裝置工作原理圖

表1：物流自動化設備及驅動方式

（2）直接接觸電擊事故的防護如上圖所示，當發生人身觸電時，RCD迅速切斷電源，防止人身傷亡事故發生。該防護功能只作為基本防護的附加保護措施，不能替代應有的基本防護措施（如絕緣防護、屏護、安全距離、安全電壓等）。

（3）防止因電氣線路和物流設備接地故障引起的電氣火災和設備損壞事故發生。

（4）分級保護應以末端保護為基礎，才能防止發生人身電擊事故。

（5）RCD不適用于相線與相線、相線與N線間形成的直接接觸電擊事故的防護，這類短路事故的防護應靠保護電器的過流、缺相保護切斷電源。

4. 剩余電流保護裝置的類型

剩余電流保護裝置按照功能劃分為剩余電流開關、剩余電流繼電器、剩余電流保護插頭等類型，外觀如圖3。剩余電流開關主要用于接通、承載和分斷正常工作條件下的電流，當剩余電流達到規定值時，能使觸頭自動斷開的機械開關電器。剩余電流繼電器具有對漏電流檢測、判斷和發出動作指令的功能，但不具有直接切斷和接通主回路功能，它可與大電流的自動開關配合，作為低壓電網的總保護或主干路的剩余電流、接地或絕緣監視保護。剩余電流保護插頭具有對剩余電流檢測和判斷并能切斷回路的電源插頭（或插座形式），其額定電流一般為20A以下，剩余動作電流不超過30mA，靈敏度較高，常用于移動式電氣機械設備的保護。

5.單臺物流設備剩余電流保護裝置動作參數選用

單臺物流設備根據功率大小選用額定動作電流值在30mA～100mA范圍、一般型（無延時）的剩余電流保護裝置。具體值應與被保護的線路和物流設備相匹配。必要時可通過實際測量取得被保護線路和物流設備的對地泄露電流。額定剩余不動作電流（IΔno）的優先值為額定剩余動作電流（IΔn）的1/2。額定剩余不動作電流不小于物流設備正常運行時對地泄漏電流（Ig）最大值的2倍。

6.低壓配電線路的分級保護

物流中心的低壓配電線路和設備根據物流系統的規模及功能區，采用二級或三級保護。圖4是三級剩余電流保護方式參考模式圖。在總電源端的干線、分支線路首端（負荷群首）和線路末端設備，分別安裝具有不同剩余電流動作特性的保護裝置，形成分級剩余電流保護網。其目的是在保證安全的同時，減小發生人身電擊事故和接地故障時切斷電源引起的停電范圍。干線保護不具備防止人身直接接觸觸電的功能，其主要作用是保證低壓主干線的安全運行，防止接地故障引起電氣火災和設備損壞。安裝在末級的RCD保護裝置的主要作用是實現間接和直接接觸電擊防護，保證人身安全。

多臺設備負荷群首端的額定剩余電流是各單臺設備額定剩余電流的累加值。

7.剩余電流保護裝置的運維管理

按照GB13955-2017標準規定，安裝使用剩余電流保護裝置的物流中心應加強運維管理，具體要求如下：

（1）應配備專業維護管理人員，培訓合格后方允許上崗。

（2）必須定期進行試驗按鈕操作，檢查RCD是否正常，一般一月一次。

（3）單位要配置專門的測試儀器，定期進行動作特性試驗。

（4）電子式剩余電流保護裝置使用壽命一般為6年。超過規定年限應全面檢測，依據檢測結果決定更換或繼續使用。

三、自動化物流設備構成與漏電特點

1.自動化物流配送中心物流設備的構成與工作特點

自動化和智能化物流設備絕大多數是在PLC、工控機及其他專用控制器的控制下，通過變頻器、伺服驅動器等驅動方式實現自動化協同作業。自動化設備按作業類別分為搬運、輸送、分揀、拆碼垛、包裝、開箱機、AGV、機器人等。表1列出物流配送中心常用的物流自動化設備和智能設備的驅動方式。

從表1中可看出，90%以上設備主驅動都采用變頻驅動方式，因變頻驅動的速度和方向可控、起停平穩、具有過載保護等優異控制特性以及技術成熟和成本適中的優勢，在物流自動化領域得到廣泛應用。

圖3： 剩余電流動作保護裝置

表2：載頻頻率對漏電流的影響

表3：輸出頻率對漏電流的影響

表4：變頻驅動功率及連接電纜長度對漏電流的影響

現代物流配送中心物流設備數量巨大，例如鄭州跨境電商的自動化查驗分揀項目，交流變頻驅動設備630臺，直流驅動電動輥筒594臺，電氣控制機柜70個。這些設備不僅數量龐大，工作漏電流差異也大，表現出啟停頻繁、正轉反轉、速度快慢常變、滿載空載交替等特點，運行情況相當復雜。即使同一臺設備啟動時的漏電流比持續運行時的也大得多，物流中心某個區域在某個時間點工作設備的數量是隨機的，電源端漏電流的總和動態寬泛。

2.變頻器驅動的漏電現象

圖5是變頻器驅動（控制）電機運行的原理圖，三相電源經過變頻器整流橋整流，然后通過電容濾波送到逆變橋（IGBT），再經過逆變橋輸出脈寬調制（PWM）電壓波形控制電機的運行。變頻器正常工作時，輸出的PWM電壓波形含有大量諧波，這些諧波通過電機繞組的對地電容和電機電纜線的對地寄生電容產生對地泄漏電流。變頻器內部的感應浪涌濾波器在變頻器送電時，主回路要對濾波器吸收保護電容充電，瞬間會產生相當大的對地泄漏電流。

圖4： 物流中心三級保護方式參考模式

圖5： 變頻驅動原理圖

圖6： 三相橋式整流電路故障接地電流

變頻器的對地泄漏電流是指變頻器正常工作時，通過變頻器的感應電浪涌濾波器、與電機間的連接電纜和電機外殼流入地的電流，都屬于正常泄漏電流。這與接地故障電流的概念完全不同。接地故障電流是指因絕緣故障而產生的流入地的電流。而剩余電流是指由于接地故障電流和泄漏電流造成流過RCD主回路電流矢量和不為零的有效值。從以上變頻器控制電機工作原理可看出，變頻器正常工作時，對地產生較大的泄漏電流不可避免。

同樣的三相異步電動機，變頻器驅動時產生的漏電流是交流市電直接供電產生的漏電流的幾倍甚至幾十倍。這是由于正常電網供電的電源線上只有50Hz的工頻正弦波電壓，由于頻率很低，通過分布電容的漏電流就很小。

3.變頻器泄漏電流大小的影響因素

（1）變頻器的載頻頻率越高，泄漏電流越大，表2是匯川MD320T15型變頻器的漏電流測試結果。但降低載波頻率，變頻器控制特性變差，電磁噪聲也會增加。

（2）變頻器輸出頻率越低，泄漏電流越大，表3是匯川MD320T15型變頻器泄漏電流與輸出頻率的對比實驗。

變頻器的調速功能是利用輸出頻率改變來實現的，再考慮變頻控制頻繁起停、正反向切換等因素，所以變頻器的泄漏電流大小是動態變化的。

（3）變頻器功率與電纜長度對泄漏電流的影響。

表4是變頻驅動三菱SF-JR電機的泄漏電流試驗結果，變頻器功率與電機功率相匹配。試驗條件是變頻器載頻與輸出頻率不變，變頻器與電機連接電纜為4芯橡皮絕緣電纜。在不同的功率和連接電纜長度情況下，測得對地泄漏電流如表4。

由表4看出，變頻器（或電機）功率越大，漏電流越大。連接電纜越長，漏電電流就越大。

（4）不同品牌的變頻器漏電流大小也不相同。

不同品牌或同一品牌不同型號的變頻器因設計原理和性能要求差異，造成漏電流大小不同。如丹佛斯（Danfoss）變頻器內置幾組RFI濾波器，可以承受較大的來自電網的電壓突波，提升了EMC的電磁兼容性能，但這些措施使漏電流大大增大。

（5）變頻器在送電瞬間的漏電流。

變頻器送電時，主回路要對變頻器的RFI濾波器（吸收保護電容）充電，所以變頻器啟動瞬間漏電流遠比正常運行的大得多。

4.交流伺服驅動器泄漏電流的產生

伺服驅動器的功率器件采用智能功率模塊（IPM）為核心的驅動電路，功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電進行整流，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電動機，交流伺服控制器驅動電機原理與變頻器類似，輸出側為PWM波，電機電纜與地之間有電容效應，伺服控制器工作時，泄漏電流通過電容充放電流入大地，并從進線側再流回伺服驅動器，形成電流回路。電機電纜使用帶屏蔽層的電纜時，電容效應更明顯，泄露電流更大。

5.其它用電設備電氣特點

開關電源在物流中心也是必不可少的。LED大屏、電動輥筒、控制器、檢測開關等都需要開關電源供電。開關電源的開關頻率在50kHz～300kHz之間，一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成，通過控制開關管通斷時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。在雜散電容等作用下產生漏電流，功率越大，漏電流也越大。

四、變頻器類負載的自動化設備漏電保護解決方案

1.物流自動化設備加裝剩余電流保護裝置標準缺失

目前國家或行業還沒有出臺物流自動化設備剩余電流保護的標準。又因物流自動化系統復雜，漏電保護涉及低壓配電強制國家標準、自動控制設備漏電特點、漏電保護裝置類型等諸多技術領域，致使物流配送中心的業主、集成方、設備制造方及監理方很難達成共識。建議全國物流倉儲設備標準化技術委員會牽頭組織開展物流自動化設備剩余電流保護的標準研究及標準制訂，使物流倉儲配送自動化領域有統一的標準可依。

圖7： 分設備安裝RCD接線圖

2.剩余電流保護裝置類型與額定動作值

剩余電流保護裝置按動作電流不同分為AC型、A型和B型三種。AC型對突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流能可靠脫扣。A型在AC型的基礎上，增加了對剩余脈動直流電流能確保脫扣。B型是全電流剩余電流保護型。

變頻器的三相橋式整流電路在發生故障時，出現的是平滑直流型或略帶紋波的平滑直流剩余電流If，如圖6。因此，故障時產生這類剩余電流的用電設備只能使用B型全電流型剩余電流保護器。

按IEC 60755及德國電氣協會DIN VD E06664-100標準，B型剩余電流保護器應具備以下特點：

完全適合剩余電流含直流分量的場合；

送電瞬間不動作；

設備長時間運行時RCD動作值選為300mA。必要時通過現場測試泄漏電流確定額定動作電流值。

3.物流系統安裝剩余電流保護裝置帶來的問題

盡管B型剩余電流保護裝置適應變頻器類負載的漏電保護，但也不宜全部設備都使用RCD。建議確需加強安全保護的部分設備安裝RCD，如圖7。這是由于現代自動化的物流配送中心設備數量巨大，控制復雜，又集成了眾多廠家的用電設備，如普遍安裝RCD,控制系統更加復雜，物流系統故障率升高，RCD經常出現誤動作等，影響物流系統正常運行。這正是現代物流配送中心較少安裝剩余電流保護裝置的主要原因。有的裝了但動作值設得很大起不到保護作用，有的安裝了又棄之不用。

4.自動化物流配送中心的安全解決方案探討

綜上分析，絕大多數物流配送中心都不裝剩余電流保護裝置，那如何保證用電安全？下面結合普天物流技術有限公司數十年的物流自動化項目用電安全與運行經驗，提出具體解決方案。

（1）配電設計、控制電路設計、接地系統等電氣設計嚴格按照國標GB50054-2011《低壓配電設計規范》執行。

（2）物流中心的配電與接地系統。

配電及接地系統采用三相五線制（TN-S）。電機通過變頻器接地端與PE連接，電機都直接安裝在金屬機架上，這樣變頻器、電機、設備機架三個地線是連在一起的，都接保護地，符合IEC50178的安全標準。另外，多數物流中心設備通過吊裝焊接、預埋地腳螺栓等與聯合工房建筑的金屬構件相連形成新的建筑接地（Re），與電源端接地(Rg)構成可靠的PE重復接地。實際等效接地系統如圖8，系統保護接地電阻是Rg和Re的并聯值，其總電阻值＜4Ω。

圖8： 物流中心的等效接地系統圖

當出現絕緣故障外殼帶電時，人體觸碰設備外殼，剩余電流在保護地PE（Rg和Re的并聯值）和人體電阻Rp（含鞋）之間按并聯分配關系分配。由于人體（含接觸）電阻Rp＞1000Ω，遠大于保護地實際電阻Rg和Re的并聯值，絕大部分電流經Rg和Re流入保護地，流過人體的電流很小，對人是安全的，也不會有麻電感覺。

由于變頻器負載的RCD額定動作電流值選用的比較大，從提高人身安全考慮，外殼接地必須可靠，接地電阻盡可能小些，一些重點設備可考慮增加接地自測功能。

（3）等電位聯結。

物流設備的機架、控制機柜等與系統外的聯合工房建筑的混凝土主筋、金屬管道、鋼梁等通過保護零線PE形成實質上的電氣連接，這不僅降低了總的保護接地電阻，還因物流設備外露可導電部分與建筑可導電部分的電位接近相等，形成等電位聯結，進一步提高了TN-S接零保護系統的安全性。等電位聯結正常時無電流通過，只傳遞電位，故障發生時才有電流通過。

實施等電位聯結與裝設剩余電流保護都是為了增加物流設備使用的安全性，但作用不同。等電位聯結的作用是降低故障情況下的預期接觸電壓，消除設備外殼沿PE線傳導故障電壓帶來的電擊危險。但等電位聯結不能自動切斷故障回路，一旦跨越等電位區域就會發生危險。所以，實施了等電位聯結的系統不能替代其它防護措施。

（4）自動化的物流中心是否要安裝剩余電流保護裝置（RCD）。

以上綜合安全保護措施（不裝RCD）已充分解決了間接接觸電擊事故的發生及火災預防。與剩余電流保護裝置相比，差異點在對直接接觸電擊防護上，不裝RCD的物流系統是依靠屏護、絕緣（如穿絕緣防護鞋等）、安全警示等措施來實現直接接觸防護功能的，而剩余電流保護裝置是在發生此類事故時可直接脫口斷電保護。普天物流技術有限公司已承建了數百個物流自動化項目，絕大多數都沒有安裝剩余電流保護裝置，幾十年的運行從也未發生過用電安全和由此造成的設備損壞事故。長期大批量的項目建設和運行經驗表明，自動化物流系統按照目前的供電方式、接地形式及綜合防護措施（無RCD），不僅實現了物流自動化系統穩定運行，也充分保證了人身安全和設備安全。

（5）其它保護措施。

從用電安全考慮，應該采取多重保護措施。剩余電流保護只是一種附加安全技術措施。任何一種形式都做不到萬無一失的絕對安全。絕緣防護、屏護、短路保護、過載保護、過熱保護等基本保護措施是用電安全的基礎，等電位連接、重復接地等措施的實現都可有效提高物流系統的用電安全性能。

五、結束語

通過對普通物流設備和自動化物流設備漏電特點對比分析研究，結合普天物流技術有限公司數十年物流項目的實施經驗，提出物流設備安裝剩余電流保護裝置解決方案如下：

1.市電直接向普通物流設備供電的情況下，完全按照國標GB/T13955-2017執行，在物流設備前端安裝RCD。

2.自動化的物流設備系統復雜，變頻器類負載應用普遍，這類負載工作泄露漏電流大，不同設備間漏電流值差異大，若要在每臺變頻器前端合理確定RCD參數值，實施的技術難度較大。從故障防護考慮，變頻器前端不裝剩余電流保護裝置，只要嚴格執行用電基礎防護技術規范，采取多點重復接地和等電位聯接等補充防護措施，對接地故障引起電擊事故和電氣設備損壞一樣能起到安全防護作用。變頻器前端加裝剩余電流保護裝置，多了一項故障防護措施，但要求每個RCD的額定動作電流值按經驗值確定或現場實際測定，否則額定動作值選定太小造成頻繁跳閘，太大起不到保護作用。從保證物流自動化系統穩定運行和功能實現這一主要目的考慮，建議不裝或部分關鍵部位安裝剩余電流保護裝置。

3.要使客戶、物流集成商和設備制造商等在物流設備安裝剩余電流保護裝置這一問題達成共識，就迫切需要制定權威性的物流自動化設備安裝剩余電流保護裝置的技術標準。