起重機械接地保護與檢驗檢測方法研究

劉 龍

（陜西省特種設備檢驗檢測研究院 西安 710000）

起重機械屬于大型機電類設備,主要用于運輸重物,功率要求較高,常常需要依靠高電壓輔助作業。實際使用起重機械,由于多數運動部件屬于金屬結構,同時長期暴露于環境中,一旦出現帶電問題將引發人員觸電風險,需要安裝接地保護系統保護人員生命安全,避免漏電流給設備帶來破壞。因此在完成起重機械接地保護現場安裝后,需要及時開展檢驗檢測工作,保證機械設備的安全性。

1 起重機械的接地保護組成

在對起重機械實施接地保護時,通常可以將整個保護系統劃分為電氣設備接地、金屬結構接地、接地電阻3個部分,需要結合實際情況進行配置。

首先,在電氣設備接地方面,起重機械體積大,使用時需要移動用電設備和采取接地保護線路,如采用滑觸線、電纜、集電導線等。未能合理應用接地保護,將引發斷路、接觸不良等問題,應重點檢查PE線、接地線、PEN線與等電位聯結系統的關聯情況,通過連續檢測及時發現問題[1]。交叉使用保護導線和中性線將影響電流裝置狀態,引發導線斷連情況,因此應重點保護,檢驗測量時提前斷開電源,切斷進線的N線,用萬用表檢測確認是否連接,以免系統喪失保護功能。日常使用機械,在大容量空開或用鐵絲替換熔斷絲的情況下,容易出現安全隱患,需要做好電流裝置的接地保護配置。針對車載電源等,需要與車上保護端子連接,引入外部電源連接提供獨立保護導線,確保用電安全。應用外部接地保護,應采用與等電位連接相同方式,及時發現電阻電流不良情況,充分發揮連接保護作用。

其次,針對起重機的金屬結構,需要單獨配置保護導線,牽引至饋電位置,需根據接地方式考慮內部YF等線路管控問題,確認是否連通接地保護體。針對連接的非焊接位置,需要另外設置接地干線或跨接線處理,禁用金屬結構和接地作為載流零線。

此外,在接地電阻設計上,采用的防護系統主要包含TT、TN、IT三類,可以根據電源端中性點和用電設備外露導電部分接地情況劃分。TT系統的電源端中性點接地,引出中性線,金屬外殼接地。發生相線故障,電流由大地返回電源側,故障相保護電流較小,需加裝漏電保護,以免熔斷器或繼電器無法正常發揮保護作用[2]。TN系統同樣進行中性點接地,引出中性線,將金屬外殼公共保護線與中性點連接,實施保護接零。IT系統的中性點不接地或高阻抗接地,用金屬外殼接地保護,不引出中性導體。系統一次故障電流較小,不會造成設備產生觸電電壓,可以不采用漏電保護。二次故障通常位于中性線或另一相線,應迅速切斷以免燒毀電源、線路等。

2 起重機械的接地保護檢驗要求

在起重機械間接觸電防護方面,接地檢驗為重要內容,需要滿足TSG Q7015—2016《起重機械定期檢驗規則》等相關規范要求。作為現場的安裝和檢驗人員,都應理解規范對設備接地保護提出的要求,以免遺留安全隱患。

2.1 共性要求

針對起重機械的不同接地系統,首先都要求外露可導電部分直接連接電源接地保護線。如電動機、變壓器等本身外殼能導電的設備,屬于TT或IT接地系統需要連接獨立于電源端的接地引出PE線,屬于TN系統應連接合一PEN線或電源端接地體引出線[3]。塔式起重機械等帶有標準節,通常將導電部分與“接地端子排”連接,然后利用滑觸線等連接接地線,禁止導電部分相互串接,如圖1所示。而通用門式起重機械等設備難以采取該種連接方式,通常先將導電部分就近連接至金屬結構,將其當成接地干線,之后與接地線連接。

圖1 外露導電部分接地示意圖

針對機械上設備外殼和金屬的支架、導線管和線槽,需要實施可靠接地。所謂的設備外殼,指的是用于保護設備的柜體、箱體等結構,如控制柜、接線盒等。根據配電網條件,采用跨接或螺栓等形式可靠連接接地體。無論采用哪種接地連接方式,除整個系統電壓在安全電壓范圍內,都不能將金屬結構和接地線當成載流零線。如采用380 V供電的起重機,即便通過變壓器為局部電路提供36 V電壓,但整體電壓超50 V,因此不能將接地當成載流零線[4]。

此外,需要做好接地體和接地線檢查。將電氣設備外露導電部分直接連接地線,要求采用專用接地線,現場檢驗發現存在其他用途說明不合格。如采用三線式供電電纜或滑觸線,應確認接地專用線不上車,也不能接在軌道上。將鋼軌連接至接地保護電路,也不能取代機械保護導線。將金屬結構當成接地干線,則要求檢查是否存在非焊接等缺陷,確保導電可靠。如果結構連接位置未能實現金屬熔合,而是采取螺栓、銷軸等連接方式,受環境腐蝕等因素影響可能出現接觸面無法可靠導電問題,需另設接地干線或實施跨接線。

為避免因起重機械的線路漏電引發安全威脅,要求在額定電壓不超500 V時,線路對地絕緣電阻至少達到1 MΩ,如果為防爆型機械則要求達到1.5 MΩ。針對絕緣起重機械,利用千兆歐表對滑輪與吊鉤、車架與大車間等線路絕緣值進行測量,至少應達到1 MΩ[5]。針對全部外部線路,要求在發生短路或接地故障時提供過電流保護。

2.2 專項要求

采用TT、TN、IT三種接地系統,需要達到各自的接地保護要求,確保系統能夠穩定地將起重機械上殘余電流導入大地,避免給設備帶來傷害。

采用TT系統,需要實施漏電保護,確認外露導電部分連接的接地電阻不超4 Ω。從原理上來看,如圖2所示,設備外殼一旦漏電,系統將降低外殼對地電壓。如果接地電阻過大,將引起電壓升高問題,給人員帶來威脅。配置漏電保護裝置,能夠提供雙重保護,避免因接地電阻變化造成人員因接觸設備外殼觸電。

圖2 TT接地系統工作原理圖

在TN系統中,需要利用PE線重復接地。針對各接地部分,應確認電阻不超10 Ω。因為TN系統需要利用相線對地回路獲得大電流,迫使斷路器斷開或熔絲熔斷,確保電源回路安全。只有通過重復接地,才能提供有效保護。

最后針對IT系統,應確認外露導電部分接地電阻不超4 Ω。在系統工作過程中,變壓器中性點不接地,正常情況下單相漏電電流較小,使系統更加安全。但在起重機械使用環境復雜,如果需要長距離供電,需要考慮電線對大地的分布電容,因此應實施接地保護,降低設備外殼電壓。

3 起重機械接地保護的檢驗檢測方法

針對起重機械不同的接地保護部分,由于采取的接地方式并不相同,需要采取不同的檢驗檢測方法,確保各部分保護方案合格,能夠從整體上保障機械的安全性。

3.1 防護系統判別與檢驗

開展起重機械接地保護的現場檢驗工作,時常遇到用戶未按國家規定標準接線的情形,需要先確定采取的接地保護形式,然后根據對應要求實施檢驗檢測,及時發現系統存在的隱患。在以往實踐工作中,多采用現場查線法,先檢查設備PE線,然后從配電接線端向變壓器進行反向檢查,確認各接線是否符合要求。為簡化現場操作,加快檢驗檢測進度,近年來多采用測量法,利用交流電壓表、接地電阻儀等儀器測量固定位置的電壓或電阻,用于判別系統接地保護形式。

采用電壓法測量,可以確定電源端中性點是否接地,從而進行接地系統區分。如圖3所示,對相線和起重機械接地裝置間的電壓進行測量,需要選用交流電壓表,確認其阻抗不超相線對地絕緣電阻。此外,也可以在電壓表兩端并聯小于相線對地絕緣電阻的電阻,然后利用電壓表測量。在測得結果不超相電壓3/4,確定為IT接地。因為系統中性點對地存在高阻抗,發揮分壓作用,與電壓表串聯成回路。從理論上來看,測得數值應不超相電壓1/2,但實際高阻抗與儀表內阻接近,因此將影響測量精度,產生一定誤差。如果結果接近相電壓,說明電源端中性導體接地,接地線內阻遠小于儀表內阻,因此系統為TT或TN接地。

圖3 測電壓判別接地形式的示意圖

想要進一步對TN和TT接地形式進行區分,可以使用接地電阻儀對電源N線與接地裝置間的電阻進行測量,記錄為r,并對PE線與裝置間的電阻進行測量,記錄為R,根據二者大小確認設備金屬外殼是否與電源端接地相互分離。如果測得的2個結果相等,同時阻值和所測回路導體電阻估算結果大致相同,說明從中性線引出了PE線,為接零保護,即為TN接地。如果阻值相差較大,說明為接地保護,在金屬外殼接地的情況下,中性線和接地線間電阻為接地體本體及之間的電阻、接地線電阻、接地體與大地接觸電阻之和,即為TT接地。

根據防護系統類型,需要做好防護電氣設置檢驗。針對IT系統進行檢驗,應確認完成電流防護器和剩余電流裝置設置,有效降低二次接地故障發生概率。而剩余電流裝置應進行科學整定,確認參數設置達到相關技術標準。針對絕緣監測器,需要配置預警裝置。通過逐次審查,能夠及時發現防護不符合規范的部位。對TN系統進行檢驗,應確認做好電流防護期設置,確保在電流過大時能夠將線路自動切斷,有效限制故障發生范圍,避免給人員帶來傷害。結合實際需求,還應做到電流裝置設置。對TT系統進行檢驗,應確認電流防護電器設置是否符合要求,實際可以利用絕緣監測器代替,并完成電流裝置布置,確保在絕緣水平低于整定值時及時發出報警,為機械提供漏電保護。

3.2 保護電路的檢驗檢測

對接地保護電路進行檢驗檢測,應重點關注3方面內容。首先,應確認連接點和導線暢通。保護導線應為黃色或綠色,利用序號、標準等標記,方便人員查找和檢測。按照國家標準,應確認線路最小截面滿足要求。使用非銅導線,應確認單位長度電阻比銅導線低,截面至少達到17 mm2。結合相關資料核對,應利用工具做好導線測量,確認接地線路連接的正確性。其次,對機械金屬結構和供電線路的保護電路進行檢驗,應確認能夠與底線滑觸器精準連接,可以將漏電流順利導入大地。針對駕駛室和金屬結構,應采用雙導線,保證可靠連接。針對各金屬構件和電氣設備,同樣需要做好接地檢查,確認使用專門滑觸線作為中性線,并使用集中導線作為保護導線。而配置的集電器能夠順利收集相關數據,確保機械始終處于監控狀態。按照現有規定,可以通過目測方式檢測,保證接線良好。最后,應確保接地導線獨立設置,禁止與其他線路混淆。分開布設中性線和保護導線,應確認未接入其他電器或開關,確保能夠發揮完整保護作用。在有必要的情況下,可以利用萬用表等儀表對PE線、零線等進行檢測,確保線路暢通。

3.3 外部接地的檢驗檢測

針對外部接地部分實施檢測,需要對接地體接地電阻進行測量,并做好保護連接導線和等電位連接檢驗。首先,可以根據各防護系統規定對接地電阻進行測量。可以采用的測量儀器主要有鉗形類和輔助電極類,需要結合實際需求選擇。目前,輔助電極類設備較為成熟,不再過多敘述,而鉗形類儀器使用容易產生誤差,應掌握正確測量方法。如在測量TN系統的接地電阻時,重復測量阻值應利用兩點法,先選取2個接地點,以免因無法構成閉合回路而失敗。具體來講,需選擇待測接地體和附近接地良好的接地體,如建筑物接地扁鐵等,使用導線連接后,從供電電源PE線斷開。測量結果為待測接地體、附近接地體和導線電阻之和,在確定附近接地體大小后,可以確定待測阻值大小。想要精確測量,也可以采用三點法,與附近2個獨立接地體構成回路測量,建立兩兩接地體間的方程。針對TT系統的接地體進行測量,應確認電流裝置需要電流,其與接地電阻相乘所得結果應在50 V以下。測量IT系統的接地電阻,應確認一次接地故障電流和接地電阻相乘后結果不超50 V。為做到精確測量,應采用精密檢測設備,保證結果準確性。其次,對保護連接導線進行檢驗,只需目測連線是否正確。如在TN系統中,應確認PEN端子和PE端子連接接地導線。最后,檢驗等電位連接情況也主要采用目測方法,需要將PEN干線和機械金屬附件、軌道、電位端子板等連接,確認各部分導線連接正常,不存在錯接、漏接問題。在檢驗檢測實踐中,考慮主要通過目測和簡單測量接地電阻等方式檢查接地結構,為保證及時發現結構隱患,應加強相關資料收集,并對以往檢測經驗進行總結,編制科學的檢驗檢測方案,通過科學、有序地開展工作保證接地系統穩定運行。

4 結論

全面掌握起重機械接地保護系統組成,明確系統各部分檢驗要求,能夠為接地保護現場檢驗檢測工作提供科學指導。通過分析可以發現,針對接地線路、外部接地等部分,存在共性檢驗要求,同時對TT、TN、IT三種接地系統提出了專項要求。運用科學方法進行防護系統類型判別的基礎上,可以進行合理檢驗,同時做好保護電路、外部接地的檢驗檢測,確保整個接地系統能夠為起重機械提供有效保護。