關于起重機械檢驗中接地問題的探討

張劍敏 劉慶福 王秀民

（東營市特種設備檢驗研究院 東營 257000）

起重機械接地保護的目的是在設備發生接地故障時能夠及時快速地將故障電路切除或降低接地故障時的人身傷害。但是,由于從業人員的水平差異以及對標準的理解存在分歧,造成了設備檢驗時很難對檢驗結果做出一個合理的判定,從而會影響設備的安全使用。在此,筆者結合多年起重機檢驗經驗對適用標準以及起重機械檢驗中的接地問題進行探討。

1 相關標準對起重機接地的規定

GB/T 3811—2008《起重機設計規范》中7.4.10.2條要求起重機所有電氣設備的金屬外殼、金屬導線管、金屬支架及金屬線槽等均應可靠接地。宜采用專門設置的接地線,保證電氣設備的可靠接地。7.4.10.4條要求嚴禁用接地線作為載流零線。

GB/T 6067.1—2010《起重機械安全規程 第1部分：總則》中8.8.1條要求交流供電起重機電源應采用三相（3Φ+PE）供電方式。設計者應根據不同電網采用不同型式的接地故障保護,并由用戶負責實施。8.8.3條要求起重機械所有電氣設備外殼、金屬導管、金屬支架及金屬線槽均應根據配電網情況進行可靠接地（保護接地或保護接零）。

GB/T 5031—2019《塔式起重機》中5.5.2.3 條要求應采用TN-S接零保護系統供電。工作零線應與塔機的接地線（保護零線）嚴格分開。

GB 10055—2007《施工升降機安全規程》中13.4條要求施工升降機金屬結構和電氣設備的金屬外殼均應接地,接地電阻不超過4 Ω。

1.1 標準中關于接地的術語過時，未能對接國際標準術語

起重機各標準中關于接地的要求仍然停留在過時的術語表述中。我國標準化法已明確要求采用國際標準,我國現行國家和電力行業電氣工程設計規范和標準已等效或等同采用國際電工委員會（IEC）標準[1]。不再使用“零線”“接地線”等概念不清的術語,改為含義更為清晰的“N線”“PE線”的國際術語,尤其GB/T 6067.1—2010中8.8.3條提到了保護接地或保護接零的說法,“保護接地”在標準中其本意是指TT系統的單獨接地型式,“保護接零”則是指TN系統的接地線保護型式,但是“保護接零”的說法卻無法準確地區別出TN系統中TN-S、TN-C、TN-C-S三種型式,名詞術語及概念不夠嚴謹,導致檢驗人員對標準實質含義的理解出現偏差,不利于檢驗工作中接地問題的結論判定。

1.2 標準中各類型起重機關于接地的要求不統一，內容差異較大

同樣是起重機械用電設備的接地要求,內容卻不統一,各類型起重機在系統接地型式選擇方面有的是根據不同電網采用不同型式的接地故障保護；有的起重機只能選擇一種類型的接地故障保護,例如：塔式起重機按照標準GB/T 5031—2019中5.5.2.3 條要求應采用TN-S接零保護系統供電；在施工升降機的GB 10055—2007要求中只是簡單地提到“施工升降機金屬結構和電氣設備的金屬外殼均應接地,接地電阻不超過4 Ω。”至于其選擇的型式未做詳細的闡釋；而GB/T 6067.1—2010規定“設計者應根據不同電網采用不同型式的接地故障保護”。相關標準對起重機接地要求的不統一,表述含糊,及其要求內容的較大差異,都對檢驗結論的精準判斷產生影響。

1.3 標準對接地的要求只側重了接地型式而忽視了故障保護方式的選擇

采用接地保護的初衷是用電設備在發生接地故障時,供電系統能快速自動地將故障電路切除或降低接地故障對人身的傷害,確保設備及人身安全。然而僅靠采用什么型式的接地系統本身不能達到這一保護要求,迅速自動切除故障電路還需要接地故障保護裝置的配合,接地型式只是能夠在發生設備接地故障時創造一個條件使接地故障保護裝置迅速做出動作,共同完成保護設備及人身安全的任務。標準中只是側重性地強調了接地保護應選用的接地類型而未談及對接地故障保護裝置的配合使用。

2 檢驗中接地問題處理方案的探討

檢驗中,尤其老舊車間內新裝及移裝起重機的監檢或首檢中,由于老舊車間供電系統及設備本身老舊等因素的影響,起重機接地的檢驗過程中會出現較多問題,而對這些問題的整改方案每個人都有各自的理解,現就常遇到的接地問題的處理方案做如下探討：

2.1 老舊車間新裝起重機遇到的TN-C供電系統三相不平衡問題

由于TN-C系統存在一個防護缺陷,即線路中出現僅有單項用電設備以及三相負載不平衡時[2],會造成所有采取保護的設備金屬外殼帶電,給人員觸電帶來較大的風險。

由于老舊車間內的供電系統較多地使用TN-C供電系統,且車間內三相用電設備及單項用電設備繁多,這就造成了車間供電系統經常出現三相負載不平衡的情況,當三相負載不平衡時,TN-C供電系統的PEN線上就會出現不平衡電流,從而造成起重機使用過程中會經常出現吊鉤帶電問題。然而,重新鋪設電纜采用防護性能更好的TN-S系統的做法耗時耗力,耽誤生產,增加較大資金投入,能否采取其他措施整改值得探討。

●2.1.1 對PEN線進行拆分處理的方案分析

從起重機配電柜起對供電系統中的PEN線進行拆分,分出獨立的PE線和N線,N線承擔載流功能,PE線進入起重機接地保護。實際上這種整改方案就是把原來的TN-C供電系統變成了TN系統中較為特殊的TN-C-S系統。從針對接地故障防護相對靈敏的剩余電流動作保護裝置（RCD）的工作原理可知,保護接地導體不能穿過保護裝置,否則其將無法檢測出故障電流而不動作,因此TN-C系統中作為中性線(N線)與接地線（PE線）二合一的PEN線將無法與RCD搭配使用。但是,將PEN線拆分使用使得TN-C系統變為TN-C-S系統后,N線與PE線就相互獨立不再電氣連接,從而為采用RCD裝置創造了條件,當供電系統再次出現三相負載不平衡而造成設備外殼帶電傷人時,RCD就能起到很好的防護作用。

●2.1.2 對起重機進行單獨接地保護的可行性探討

從車間外部單獨做接地樁引入PE線接到起重機配電柜內,對起重機進行單獨接地保護的方案比較易于執行。這時起重機的金屬結構及用電設備都與引入的PE線有效連接進行接地保護,此時的PE線是獨立于電源中性點的,其本質也就是從起重機開始供電系統由TN系統變為TT系統。

同一供電系統中能否將TN系統與TT系統混用？有人認為TN、TT、IT各系統不兼容、不能混用,其實從系統接地型式的概念和防護意義就能明白實際并不存在這樣的問題。以TN系統與TT系統為例,有人認為不能混用,其原因是TN系統中在發生相線與地的短路故障時,可以形成一個阻抗足夠小的回路,以保證能在回路中產生足夠大的短路電流（能達100～1 000 A）,從而能在規定的時間內使回路中的過電流保護裝置動作,切斷回路故障狀態下的供電,TN系統常與過電流保護裝置搭配完成保護,圖1多種供電系統兼容使用示意圖中起重機僅僅采取與PE線連接保護措施的話,假如起重機發生接地故障,則在相線—起重機—PE線及接地點—電源中性點接地點—PEN線就形成一回路。單獨接地的接地電阻要求為R1不大于4 Ω,電源中性點接地的接地電阻要求R0也不大于4 Ω,取最大值演算時起重機單根相線發生接地故障時的故障電流[3]Ie=220 V/(4+4) Ω=27.5 A,故障電流遠小于電源系統過電流保護裝置的動作電流,就存在過電流保護裝置不動作的可能,從而造成PEN線帶有近似110 V的對地電壓,進而對人身安全產生較大安全隱患,顯然在TN系統中部分設備僅僅采用直接單獨接地而未更新故障保護方式的做法不可取。

圖1 多種供電系統兼容使用示意圖

那么,舉例中的TN系統與TT系統就真的不能混用嗎？[4]JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規范》中12.2.7條要求“應根據系統安全保護所具備的條件,并結合工程實際情況,確定系統接地型式。在同一低壓配電系統中,當全部采用TN系統有困難時,也可部分采用TT系統接地型式。采用TT系統供電部分均應裝設自動切除接地故障的裝置（包括剩余電流動作保護裝置）或經由隔離變壓器供電。自動切除故障的時間,應符合有關規定。”雖然JGJ 16—2008被后來的GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》所代替,但是GB 51348—2019中12.4.2條規定“低壓配電系統的接地型式應根據系統電氣安全防護的具體要求確定”,標準規定接地型式的選用原則是確保電氣的安全防護,當原有的供電系統在特定的條件或環境中局部不能起到有效的安全防護時,就應在不影響原有供電系統防護作用的前提下在這一局部選擇其他有效的供電系統進行電氣安全的防護。

TT接地系統中短路電流Ie較小,不能搭配過電流裝置實現保護,因此應采用與之更加匹配的剩余電流動作保護裝置（RCD）,可以在規定的時間內切斷故障回路的供電實現接地故障保護,既能對TT部分有效保護又不影響TN系統的防護功能。又如醫院手術室的用電,就是一個局部需要采用IT系統的。以圖1多種供電系統兼容使用示意圖為例,就如圖中用電設備B在原有的TN供電系統中通過隔離變壓器A隔離變壓,并且隔離變壓器的二次端不做接地獲得IT供電系統,此IT系統的起點是變比為1:1的隔離變壓器A的二次繞組。因此,同一供電電路中根據電氣安全防護的需要,在不影響其他系統安全防護的前提下,同一供電電路中多種供電系統是可以兼容使用的。

因此,上述的整改方案中起重機單獨接地保護應采用與之適應的剩余電流動作保護裝置（RCD）,在起重機發生接地故障時能迅速地將故障電路切除的整改方案可以滿足電氣安全防護的需要,同時也避免了原TN-C系統中三相不平衡時引起的起重機吊鉤帶電問題。對比重新鋪設電纜既耗時耗力,耽誤生產,增加較大資金投入的做法,這種措施也不失為一種整改方案。

2.2 起重機本體金屬結構與保護導線可靠連接問題

受老標準、規范的影響,部分施工人員對起重機本體金屬結構與保護導線可靠連接的認知仍停留在過時的要求狀態。在GB/T 3811—1983以及GB/T 6067—1985等老舊標準中,車輪與軌道之間、鉸鏈（螺栓）連接的端梁之間都被認為是可靠連接,但現行的GB/T 3811—2008、GB/T 6067.1—2010等新標準中不再把上述連接認為是可靠連接。新標準要求起重機械本體的金屬結構應與供電線路的保護導體可靠連接。起重機主梁與端梁、端梁之間、起重機本體與司機室等采用非焊接連接的金屬結構間應采取跨接線的方式確保可靠連接（其中司機室與起重機本體接地點之間應采用雙保護導線連接）。金屬結構可靠連接的檢驗經驗探討：

1）對于塔式起重機、施工升降機等特殊類型的起重機械設備,可以使用萬用表的電阻檔來檢驗確認,首先從地面上設備的配電箱開始,把去往設備的PE線從PE接線排上拆下[5],然后用萬用表的200 Ω電阻檔測量拆下的PE線與設備基礎節或基礎節接地樁之間的電阻,金屬結構連接可靠情況下,萬用表顯示的電阻值一般會在幾歐姆之間（標準節的數量對其會略有影響）,一般不會太大。

2）對于不容易采用上述方法的橋門式起重機,則需要對每個非焊接連接的金屬結構間用萬用表的200 Ω電阻檔逐一進行測量[6],金屬結構連接可靠情況下,萬用表顯示數值一般不會大于0.5 Ω。

3）金屬結構可靠連接的檢測只是接地連接的一部分,起重機械上的電氣設備的接地連接可靠性同樣要采用類似的方式進行檢驗,而不應是僅僅查看是否與PE線有連接,更不應被忽視。

3 結束語

隨著檢驗技術及認知的不斷更新及提升,需要廣大從業者對起重機械接地相關標準規范提出寶貴意見,以推動標準的進一步完善。作為一名檢驗人員更需要不斷地探索接地保護的新型式,在接地型式與故障保護方式的選擇與搭配中找到更適合實際情況的合理方案,解決接地問題,保障設備運行安全。