起重机械电气系统失效模式及失效原因分析

陈 序，李向东

（江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 210036）

起重机械电气系统一般由电气控制系统、电气拖动系统、电气保护及安全监控系统等部分组成，涉及起重机械的动力、控制等诸多方面。电气系统一旦失效导致故障或事故，轻则影响生产效率、损坏设备，重则会引起人员伤亡、财产损失或环境损害，特别是人身安全是电气系统安全的首要问题。因此，通过对电气系统失效模式的研究，找到失效机理，进一步查找原因，可以指导日常的维护保养，预防和减少电气故障或事故发生。起重机械电气系统一级失效模式包括电气连接失效、绝缘失效和电器元件（装置）失效。

1 电气连接失效

起重机械内部的电气设备/元件需要通过有效的电气连接才能实现功能，一旦连接失效（例如接线端松动、脱落等）会导致部分功能中断，影响起重机械的正常运行。电气连接失效模式主要有断路和接触不良两种［1］。

1.1 断路

断路除了由于自然灾害、人为破坏等外部因素导致的线路损坏之外。不规范的电气线路敷设也是导致断路的重要原因之一。例如穿管管线口不设置橡胶圈导致电线与钢管口摩擦，小车移动电缆未正确悬挂或采用拖链等措施导致折断，电控柜门上的接地电线因安装位置导致被门压断等。断路的发生会导致电气系统全部或部分功能中断，影响起重机械正常工作。如电动机三相主回路中单相回路的断开会导致电动机缺相运行，长时间运行烧坏电机。特别是接地线断开有可能引发人员触电事故。

1.2 接触不良

电气线路连接后，电气连接接头处存在一定的接触电阻，接触电阻的大小与直接接触的载流面积、接触面受到的压力以及接触面的腐蚀程度有关。当电气接头接触不良时，接触电阻增大会导致局部发热增加和温度升高，促使接触面氧化。这种恶性循环最终会引起接头处机械强度降低，尤其是当线路出现瞬时大电流通过时（如短路），更容易造成接头处出现烧断现象。同时由于接头处接触不良也容易导致火灾。其原因有两种，一是接头处接触电阻增加导致发热增加，引燃周边可燃物；二是会产生电弧或电火花，由电弧或电火花引发火灾。

2 绝缘失效

绝缘是直接接触电击防护的重要措施。良好的绝缘也是保证电气系统正常运行的基本条件。绝缘失效模式包括绝缘结构失效和绝缘材料失效两种。绝缘失效会导致绝缘电阻阻值下降，影响安全性能。因此通过测量绝缘电阻可以判断电气系统绝缘性能的好坏。目前《起重机械定期检验规则》［2］中对绝缘电阻的要求是额定电压不大于500V时，绝缘电阻不小于1.0MΩ，防爆起重机不小于1.5MΩ。

2.1 绝缘结构失效

绝缘结构是一种或几种绝缘材料的组合，根据电气设备的特点和尺寸要求，将它与导体部件设计成为一个整体，用以支撑、隔绝有电位差的导电部分。但是在外界作用下达到或超过规定指标时，有可能会发生漏电、发热、电晕、击穿等现象。另外，动物、植物和微生物等也可能破坏电气设备和电气线路的绝缘结构。绝缘结构失效会导致爬电距离和电气间隙减少，影响电气设备的正常运行，也容易导致电击事故。

2.2 绝缘材料失效

绝缘材料电阻率很高，是绝缘体，又称为电介质，但并非绝对不导电。工程上应用的绝缘材料的电阻率一般都不低于1×107Ω·m［3］。绝缘材料失效会导致电动机等金属外壳直接带电，产生电击危险。同时可能引发短路等电气故障，也存在着火的危险。结缘材料失效模式又可分为绝缘击穿、绝缘老化和绝缘损坏。

（1）绝缘击穿。绝缘击穿是当施加于电介质上的电场强度高于临界值时，会使通过电介质的电流突然猛增，这时绝缘材料被破坏，完全失去了绝缘性能。

（2）绝缘老化。电气设备/线路在运行过程中，其绝缘材料由于受热、电、光、氧、机械力、辐射、微生物等因素的长期作用，产生一系列不可逆的物理变化和化学变化，导致绝缘材料的电气和机械性能的劣化。绝缘老化又大致可分为电气老化、机械老化和热老化3类［4］。

（3）绝缘损坏。绝缘损坏是指由于不正确选用绝缘材料，不正确地进行电气设备及线路的安装，不合理地使用电气设备等，导致绝缘材料受到外界腐蚀性液体（气体）、潮气、粉尘的污染和侵蚀，或受到外界热源、机械因素的作用，在较短或很短的时间内失去其电气性能或机械性能的现象。其中环境对电气绝缘造成劣化的主要因素是受潮，受潮会导致绝缘电阻降低。

3 电器元件（装置）失效

起重机械中常见的电器元件（装置）包括接触器、断路器、熔断器、按钮、凸轮控制器、主令控制器、变频器、定子调压装置等。电器元件（装置）的失效后果主要是运行危险，例如导致起重机意外运动或停止，或者无法起动、正常工作等。特别是用于起重机上的安全装置或是信号装置的电气元件失效，还可能给人员带来伤害甚至是死亡。受篇幅限制，下面以断路器为例进行介绍。

断路器俗称自动开关或空气开关，用于低压配电电路中不频繁的通断控制。在起重机电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断故障电路，是一种控制兼保护电器。图1是对断路器失效原因进行分析的鱼刺图，主要情况如下。

图1 断路器常见失效原因

3.1 触点

（1）触点熔焊。触点熔焊是由于通过断路器触点的电流超过触点本身的额定电流，或由于老化触点之间电阻增大致使触点发热直至熔合粘连［5］。此外，触点闭合过程中的机械振动也会导致熔焊甚至烧损现象的发生。

（2）触点磨损。断路器因长期使用，多次分段后，无论是否有电，触点都会产生磨损。触点磨损主要是由机械磨损、电磨损和化学磨损导致。由于断路器分断大电流时会产生电弧损伤触点，因此电磨损是触点磨损的主要失效模式之一。

3.2 脱扣器

脱扣器是断路器实现各种保护功能的基础，脱扣器的失效模式是拒动作和误动作［6］。

（1）热脱扣器。热脱扣器是利用电流热效应原理工作，用于线路中的过载保护。因此，当密封不良导致热量损失或是双金属片位置设置不当等原因都会引起热脱扣器失效。

（2）电磁脱扣器。电磁脱扣器是利用电磁感应原理工作，一般用于线路中的短路保护或失压保护等。因此当电磁吸力产生变化（过大或过小）或者无法产生电磁吸力是其失效的主要原因。具体来说大多和线圈失效有关，常见的线圈失效有线圈烧毁、绝缘失效、铁芯变形或断线等。其失效原因有如电压过高/过低、铁芯氧化、机械卡阻、吸合磁隙过大，以及环境方面的因素如潮湿、环境温度过高等。另外，与线圈系统配合的牵引杆固定不牢、组装精度不高、断裂或者变形也会导致脱扣器无法正常动作。

3.3 操纵机构

操纵机构是断路器动作的执行部件，其可靠性直接决定断路器的寿命。

（1）弹簧。弹簧操纵机构中的重要元件，其具有一定的储能作用，外力通过弹簧驱动连杆来分断触点。弹簧力衰减是其主要失效模式，这与弹簧的材质、表面缺陷、裂纹、热处理不当等因素有关。

（2）连杆机构。连杆机构是操纵机构的执行部分，主要失效模式有连杆变形和转轴位置变化。连杆变形与连杆的材质有关，有可能是设计选用错误，也可能是材料本身强度不够。当然，不排除采用劣质材料或是偷工减料（例如空心设计）的可能；转轴位置变化则可能因为转轴脱槽、转轴生锈或是本身加工精度不高导致的［7］。

（3）手柄。手柄是用来执行外部的操纵指令，断裂和脱钩是其主要的失效模式。手柄断裂原因和连杆变形类似，与材料和设计有关；脱钩则主要和设计不合理有关，例如和连杆连接不匹配、有摩擦等。

4 结束语

目前，国内对起重机械电气系统失效方面的研究还不够深入。随着起重机械未来向大型化、智能化、绿色化和轻量化方向发展，对起重机械电气系统的控制精度、拖动效能、电气保护及故障监测诊断等方面的要求越来越高，系统日趋复杂，对可靠性的要求却不减反增。电气系统失效可能会发生故障，严重时导致事故发生。特别是起升机构属位能性负载，一旦发生电气系统失效可能会坠落导致事故，所带来的后果极为严重。因此，为了降低电气故障及事故的发生，提升起重机械安全管理水平，提高行业安全可靠性，应当加强对电气系统失效机理及事故案例的研究。相信随着行业的发展，对起重机械电气系统重视程度的提高，对电气系统失效的研究也会不断加深。