起重機械的接地方式和接地故障保護分析

莊炳春，歐林銘，高灼均

（廣州起重機械有限公司，廣州 510405）

0 引言

起重機械是用電設備，更是一種特種設備，國家修訂了GB6067.1—2010《起重機械安全規程第1部分：總則》強制性標準，規定了起重機械的設計、制造、安裝、使用、檢查等方面的基本安全要求；修訂了GB／T3811-2008《起重機設計規范》，確立了起重機械電氣與安全等部分設計應遵守的準則。起重機械的接地和接地故障保護是一項系統工程，它不僅是起重機械本體的接地，還涉及到起重機械的上下游，如電網（電力系統）、饋電系統、軌道、承軌梁、電源保護開關等幾個環節的接地問題，任一個環節接地做不到位都會影響系統安全。以上兩個國家標準對于起重機械的饋電系統型式、起重機械本體接地有所描述，但對于如何根據現場電力系統型式正確匹配起重機械的接地方式，軌道和承軌梁接地方法，以及如何進行接地故障保護和選擇故障保護開關等方面提及較少，因此，起重機械設計單位和各地檢測部門對此理解和掌握的尺度不一致。很多電氣設計者、現場施工者、檢測者通常認為，只要做到起重機械電源為三相四線，地線與供電配電箱的接地端子連接；總開關采用帶有瞬時和熱過流脫扣的電磁式斷路器；起重機軌道接到地下接地體這幾點就可以了。但實際情況是，這樣的設計和施工存在著嚴重的安全隱患。

因此，為了消除安全隱患，保護人身和起重機械設備安全，本文參照電力系統的相關規范和起重機相關標準要求，分析并求證了起重機械外部的饋電系統、軌道、承軌梁的接地和起重機械內部的鋼結構、電氣設備等的接地，以及接地故障保護開關選型等幾方面，與電力系統的型式密切相關；對以上各環節的規范接地和實施要點提出了建議。

1 起重機械饋電系統與電力系統的連接

GB6067.1—2010的8.8.1規定，“交流供電起重機電源應采用三相（3Ф+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。接地故障保護應符合GB50054的有關規定。”［1］該條文對起重機械供電電源規格提出了明確要求，強調了接地故障保護應隨著電力系統的型式不同而不同。起重機械的交流饋電系統（如滑觸線、電纜卷筒、懸掛電纜等）至少有4線，其中一條線（芯）為接地保護專線，起重機械就是通過這條專線引到配電箱接地的，而不是如以前利用起重機械車輪與軌道接觸構成接地保護通道。但是，我國的電力系統有數種型式，變壓器低壓側中性點有的接地有的不接地，需要解決饋電系統的接地保護專線到配電箱后接到何處，如何與電力系統構成聯系，才能保證一旦發生單相接地故障，人體安全及電氣設備得到有效保護這一問題。

根據GB14050-2008《系統接地的型式及安全技術要求》，我國電力系統細分為IT、TT、TN-C、TN-S、TNC-S五種接地型式，其中TN-C、TN-S、TN-C-S三種型式統稱為TN系統［2］。除了IT系統電源端中性點不接地（或經高阻抗消弧線圈接地）外，其他4種系統中性點均通過導體直接接地。從IT、TT系統變壓器中性點引出的中性線為“中性導體”（即N線），不能與用電設備的金屬外殼連接；從TN系統中性點引出的中性線為“保護接地中性導體”（即TN-C和TN-C-S前段的PEN線）或“保護導體”（即TN-S和TN-C-S后段的PE線），具有接地保護功能，要與用電設備外殼連接。

因此，接到IT、TT系統的用電設備外露可導電部分需要單獨接地，與電力系統變壓器中性點通過接地極、大地構成故障電流保護回路。鑒于此，起重機械饋電系統接地專線不能接入“中性導體”N線上，而應該單獨接入接地極上。以圖1所示的TT系統為例，由QF21分配電箱引出三相四線到起重機械饋電系統，其中一條線從分配電箱內接地端子引出，接地端子應確保與“接地極”可靠連接，滿足接地電阻不大于4 Ω的要求［2］。“接地極”可以是在配電箱附近單獨埋設的接地體，也可以是與大地可靠連接的金屬結構、管道、混凝土結構的鋼筋等自然接地極，或者人為架設的等電位接地網等。

圖1 TT系統接地方式

圖2所示為TN-C-S系統，它的前段區間是TN-C系統，PE線和N線合并為PEN線；后段區間是TN-S系統，即在QF21配電箱后，分出單獨的PE線。純粹的TN-S系統，應該是在變壓器低壓側中性點直接分出N和PE兩條線。TN系統下的用電設備外露可導電部分與電力系統變壓器中性點之間，通過導體形成物理上的直接連接。如位于圖2前段區間的三相電機和單相設備，金屬外殼接入PEN線上；位于圖2后段區間的起重機械設備或其他用電設備，其金屬外殼則接入PE線上。起重機械饋電系統應根據電力系統型式，在電源供電點（QF21分配電箱）接入電力系統的PEN接線柱或PE接線柱上。為了進一步提高接地保護可靠性，根據供電線路長短可以在電源供電點再埋設接地極形成重復接地，重復接地電阻不大于10 Ω［2］。

圖2 TN-C-S系統接地方式

值得強調的3點：（1）盡管GB6067.1—2010標準中只提到保護導線是PE線，而現場TN-C-S系統的前段區間和TN-C系統提供的是PEN線，但由于起重機械通常是末端用電設備，即使接入PEN接線柱上，也可看成是分出的PE線，相當于末端起重機械形成了局部的TN-S系統；（2）在TN電力系統中，饋電系統接地專線不能只接入獨立接地極，而不接到TN系統的PEN或PE導線上，使末端起重機械構成局部TT形式，因為一旦起重機出現單相接地漏電，PEN上呈現110 V電壓，導致前端用電設備外殼全部出現危險電壓；（3）在確保IT、TT系統下承軌梁（軌道）接入單獨接地體或接入接地網上，或者TN系統下承軌梁（軌道）接入PEN或PE線的情況下，饋電系統的接地專線可以就近接入承軌梁（軌道）中，不需要引到分配電箱中，可以節省接地導線。

2 起重機械軌道和承軌梁接地要求

GB6067.1—2010的8.8.2規定：“起重機械本體的金屬結構應與供電線路的保護導線可靠連接。起重機械的鋼軌可連接到保護接地電路上。但是，它們不能取代從電源到起重機械的保護導線（如電纜、集電導線或滑觸線）……”［1］起重機械的鋼軌接地不能取代起重機械接地保護線，那么，起重機械饋電系統有了專用保護導線后，是否軌道可以不用接地？答案是否定的。因為起重機械漏電將通過車輪軌道接觸使軌道和承軌梁帶電。為此，應如圖3所示，做好承軌梁之間、軌道和承軌梁之間、軌道之間的接地線跨接，通過跨接使所有剛體成為等電位體，最后通過軌道接地。這樣，即使起重機械饋電系統接地線接觸不良或斷線時，接地故障電流仍可以通過車輪、軌道通道構成回路，對人體起到后備安全保護作用。軌道的接地方式應確保與起重機械饋電系統的接地方式一致。

圖3 軌道等接地線跨接

3 起重機械金屬結構和用電設備接地要求

GB／T3811-2008《起重機設計規范》7.4.10.1規定“起重機本體的金屬結構應與供電線路的地線可靠連接。大車與小車的車輪、任何其他的滾輪或端梁連接采用的鉸鏈均不能替代必需的導電連接，而應另外用專門的接地線將各部分結構件上的接地點連接……”［3］。該條文說明，饋電系統引入起重機械上后，需要做好起重機械內部接地措施，防止在起重機械上的電氣設備絕緣破壞時，危害司機和維修人員的人身安全和進一步擴大電氣設備的事故。

起重機械上的金屬結構和用電設備的接地，具體實施方法有以下幾點。

（1）起重機械饋電系統進入起重機械后，首先與起重機械橋架金屬結構連接。

（2）與起重機械橋架通過螺絲、鉸鏈連接的其他金屬結構部件，如端梁、走臺、支腿、下橫梁、小車軌道、電柜支架、電柜門等等，均用專用導線跨接兩側的金屬結構，使之形成等電位體，保證接地的連續性［4］。

（3）移動小車車架與起重機械橋架之間，采用移動專用接地導線連接。

（4）移動司機室，與起重機械本體螺絲連接的司機室用雙重的接地線進行電氣連接［5］。

（5）起重機械上的所有用電設備，如電氣房、控制屏、電柜、接線箱、控制臺、操作器、變壓器、電阻器、限位器、電動機、制動器、照明設施、訊響設備等，其外露的可導電金屬外殼，應獨自用導線連接于就近的起重機橋架、小車架或司機室骨架的等電位體上［6］，如圖4所示。

圖4 電氣設備外殼接地

（6）電纜橋架之間，電纜橋架或電線管與起重機橋架之間采用焊接或用接地線連接。如圖5所示。

圖5 電纜橋架的接地線跨接

（7）照明變壓器的低壓側應一端接地。

（8）屏蔽電纜鋼絲包皮兩頭金屬絲網接地。

4 起重機械接地故障保護開關的選擇

針對接地故障保護和保護開關選型，起重機械相關標準條款描述較少。GB6067.1—2010的6.2.2和GB／T3811-2008的7.3.2規定，起重機械的“總電源回路應設總斷路器，總斷路器的控制應具有電磁脫扣功能，其額定電流應大于起重機額定工作電流，電磁脫扣電流整定值應大于起重機最大工作電流。總斷路器的斷弧能力應能斷開在起重機上發生的短路電流。”［1］另外GB6067.1—2010的8.2和GB／T3811-2008的7.4.2規定，“所有線路都應具有短路或接地引起的過電流保護功能，在線路發生短路或接地時，瞬時保護裝置應能分斷線路……當預計接地電流達不到瞬時脫扣電流值時，應增設熱脫扣功能……。”［3］

由于電力系統變壓器低壓側中性點和用電設備的接地聯系方式不同、故障電流通道不同、線路長短不同，使線路阻抗不同，導致產生的接地短路電流大小差別很大，有的短路電流高達幾千安培，有的僅僅幾毫安，帶電磁線圈的電磁脫扣斷路器僅對較大接地電流有效，對小漏電電流無效，因此在分配電箱內和起重機械總電源回路，不能簡單設置帶有瞬時脫扣和熱脫扣功能的斷路器一種型式，而仍然要依據不同型式的電力系統配置相應不同型式的保護開關，才能對單相接地故障起到有效保護。具體分析如下。

4.1 TT系統的接地故障保護開關

為討論QF21總斷路器型式，參考圖1，假設電力系統中性點接地電阻為ro，起重機械接地電阻為rD，單相對地短路電流為（IR，起重機械對地電壓為UD。假如起重機械發生相線L2碰電柜殼體的對地短路故障，故障電流（IR從L2相線，通過電柜外殼——起重機械橋架——接地體rD——大地——接地體ro通道，回到變壓器低壓側中性點。因TT系統接地電阻ro和用電設備接地電阻rD為4 Ω［7］，故：

假如QF21為脫扣曲線C型的小型電磁式斷路器，27.5 A的短路電流不能使額定電流大于5 A的斷路器瞬時脫扣，此時，起重機械橋架或用電設備對地電壓UD一直保持110 V分壓，相當危險。因此，TT系統的起重機械，用電磁脫扣的斷路器作為接地故障保護是無效的，必須采用帶有漏電保護功能的斷路器進行保護。

4.2 IT系統的接地故障保護開關

參考圖1，IT系統與TT系統的區別是變壓器低壓側中性點不接地或經高阻抗接地（ro（100 Ω），若發生單相對地短路故障，故障電流（IR從L2相線，通過電柜外殼——起重機械橋架——接地體rD——大地——高阻抗接地體ro或相地電容（中性點不接地時）回到變壓器低壓側中性點。

2.1 A接地故障電流不會使電磁斷路器跳閘，起重機械可以持續工作，接地故障一直保持。起重機械橋架對地為安全電位，人體接觸起重機沒有危險。但是，一旦起重機械接地保護通道不良，而人體從外部接觸起重機械，接地故障電流（IR將從L2相線，通過電柜外殼（起重機械橋架—人體—大地—高阻抗接地體ro通道，回到變壓器低壓側中性點。由于人體電阻約為1 700 Ω，流過人體的電流IR為：

此時人體有被電擊危險。因此，盡管IT系統的目的是為了保證供電連續性，若該起重機械無連續工作的必要，應該選擇漏電保護斷路器，才能及時切斷故障，避免事故擴大。

4.3 TN系統的接地故障保護開關

TN系統的起重機械橋架與電力系統之間的保護導體有導線直接連接。接地故障電流IR從L2相線，通過電柜外殼—起重機械橋架—接地導體—保護導體通道，回到變壓器低壓側中性點。線路阻抗值與線路距離、線徑有關，線路越遠，線徑越小，計算的線路電阻越大，短路電流越小。為說明問題和方便計算，忽略線路電抗和變壓器內電阻和電抗，假設電力系統變壓器低壓側到起重機械故障點距離L＝100 m，相線和地線線徑S＝6 mm2，計算單相接地故障電流過程如下。

線路電阻：

單相接地故障電流：

計算結果表明，TN系統下6 mm2導線即使在100 m線路距離下，接地故障產生了328 A的短路電流，能夠瞬時切斷6 mm2導線截面下對應的電磁式斷路器。隨著變壓器二次側到故障點線路距離縮短和導線截面加大，單相接地故障電流會更大，因此，起重機械采用電磁式斷路器保護是有效的。

4.4 漏電保護開關的選型

漏電保護開關又叫零序電流保護開關，它是檢測交流回路電流矢量和電壓矢量的裝置，有電磁式和電子式兩種。

絕大多數起重機械為三相（3Ф+PE）供電方式，接地線不作為載流零線，因此起重機械總開關，通常選用三相三線的漏電保護開關型式；個別起重機引入三相五線電源，因為N線有電流分量，總開關可選用三相四線的漏電保護開關。TN系統的PEN和PE線上，都不能被漏電保護開關切斷［8］。電磁式漏電開關靠電流驅動，與電壓無關，抗干擾能力較強；電子式漏電保護開關，不僅與電流有關還與電壓有關，抗干擾能力較弱。鑒于起重機械作業環境較差，起制動過程電壓波動較大，受電磁、諧波等干擾較大，特別是在變頻器使用場合，其高頻泄漏電流和諧波電流容易誤觸發漏電保護開關動作，因此，應優先選擇電磁式漏電保護開關。

簡言之，起重機械的接地方法與電力系統型式相對應，而接地故障保護開關要根據使用場合的不同進行適當選擇。如表1所示。

表1 不同電力系統的接地和保護

5 結束語

綜上所述，起重機械電氣設計前，應該首先了解起重機械使用現場供電的電力系統型式，以采取正確的接地方法和選配合適的接地故障保護開關，才能對人體和財產起有效保護。當使用場合的電力系統型式為IT和TT系統時，起重機械饋電系統的接地專線接到獨立的接地極上，IT通常用電磁式保護開關保護，TT系統采用漏電式斷路器保護；當電力系統型式為TN系統時，起重機械饋電系統的接地專線接到電力系統的保護導體上，用帶電磁脫扣的斷路器保護；為提高安全防護等級，提高設備和人身安全，IT和TN系統都可以采用漏電式斷路器保護。此外，起重機械橋架及其附屬金屬結構、移動部件等應構成一個等電位體，作為起重機械公共地，起重機械上所有用電設備外露金屬外殼應可靠連接于該等電位體上。