起重机械接地保护与检验检测方法研究

刘 龙

（陕西省特种设备检验检测研究院 西安 710000）

起重机械属于大型机电类设备,主要用于运输重物,功率要求较高,常常需要依靠高电压辅助作业。实际使用起重机械,由于多数运动部件属于金属结构,同时长期暴露于环境中,一旦出现带电问题将引发人员触电风险,需要安装接地保护系统保护人员生命安全,避免漏电流给设备带来破坏。因此在完成起重机械接地保护现场安装后,需要及时开展检验检测工作,保证机械设备的安全性。

1 起重机械的接地保护组成

在对起重机械实施接地保护时,通常可以将整个保护系统划分为电气设备接地、金属结构接地、接地电阻3个部分,需要结合实际情况进行配置。

首先,在电气设备接地方面,起重机械体积大,使用时需要移动用电设备和采取接地保护线路,如采用滑触线、电缆、集电导线等。未能合理应用接地保护,将引发断路、接触不良等问题,应重点检查PE线、接地线、PEN线与等电位联结系统的关联情况,通过连续检测及时发现问题[1]。交叉使用保护导线和中性线将影响电流装置状态,引发导线断连情况,因此应重点保护,检验测量时提前断开电源,切断进线的N线,用万用表检测确认是否连接,以免系统丧失保护功能。日常使用机械,在大容量空开或用铁丝替换熔断丝的情况下,容易出现安全隐患,需要做好电流装置的接地保护配置。针对车载电源等,需要与车上保护端子连接,引入外部电源连接提供独立保护导线,确保用电安全。应用外部接地保护,应采用与等电位连接相同方式,及时发现电阻电流不良情况,充分发挥连接保护作用。

其次,针对起重机的金属结构,需要单独配置保护导线,牵引至馈电位置,需根据接地方式考虑内部YF等线路管控问题,确认是否连通接地保护体。针对连接的非焊接位置,需要另外设置接地干线或跨接线处理,禁用金属结构和接地作为载流零线。

此外,在接地电阻设计上,采用的防护系统主要包含TT、TN、IT三类,可以根据电源端中性点和用电设备外露导电部分接地情况划分。TT系统的电源端中性点接地,引出中性线,金属外壳接地。发生相线故障,电流由大地返回电源侧,故障相保护电流较小,需加装漏电保护,以免熔断器或继电器无法正常发挥保护作用[2]。TN系统同样进行中性点接地,引出中性线,将金属外壳公共保护线与中性点连接,实施保护接零。IT系统的中性点不接地或高阻抗接地,用金属外壳接地保护,不引出中性导体。系统一次故障电流较小,不会造成设备产生触电电压,可以不采用漏电保护。二次故障通常位于中性线或另一相线,应迅速切断以免烧毁电源、线路等。

2 起重机械的接地保护检验要求

在起重机械间接触电防护方面,接地检验为重要内容,需要满足TSG Q7015—2016《起重机械定期检验规则》等相关规范要求。作为现场的安装和检验人员,都应理解规范对设备接地保护提出的要求,以免遗留安全隐患。

2.1 共性要求

针对起重机械的不同接地系统,首先都要求外露可导电部分直接连接电源接地保护线。如电动机、变压器等本身外壳能导电的设备,属于TT或IT接地系统需要连接独立于电源端的接地引出PE线,属于TN系统应连接合一PEN线或电源端接地体引出线[3]。塔式起重机械等带有标准节,通常将导电部分与“接地端子排”连接,然后利用滑触线等连接接地线,禁止导电部分相互串接,如图1所示。而通用门式起重机械等设备难以采取该种连接方式,通常先将导电部分就近连接至金属结构,将其当成接地干线,之后与接地线连接。

图1 外露导电部分接地示意图

针对机械上设备外壳和金属的支架、导线管和线槽,需要实施可靠接地。所谓的设备外壳,指的是用于保护设备的柜体、箱体等结构,如控制柜、接线盒等。根据配电网条件,采用跨接或螺栓等形式可靠连接接地体。无论采用哪种接地连接方式,除整个系统电压在安全电压范围内,都不能将金属结构和接地线当成载流零线。如采用380 V供电的起重机,即便通过变压器为局部电路提供36 V电压,但整体电压超50 V,因此不能将接地当成载流零线[4]。

此外,需要做好接地体和接地线检查。将电气设备外露导电部分直接连接地线,要求采用专用接地线,现场检验发现存在其他用途说明不合格。如采用三线式供电电缆或滑触线,应确认接地专用线不上车,也不能接在轨道上。将钢轨连接至接地保护电路,也不能取代机械保护导线。将金属结构当成接地干线,则要求检查是否存在非焊接等缺陷,确保导电可靠。如果结构连接位置未能实现金属熔合,而是采取螺栓、销轴等连接方式,受环境腐蚀等因素影响可能出现接触面无法可靠导电问题,需另设接地干线或实施跨接线。

为避免因起重机械的线路漏电引发安全威胁,要求在额定电压不超500 V时,线路对地绝缘电阻至少达到1 MΩ,如果为防爆型机械则要求达到1.5 MΩ。针对绝缘起重机械,利用千兆欧表对滑轮与吊钩、车架与大车间等线路绝缘值进行测量,至少应达到1 MΩ[5]。针对全部外部线路,要求在发生短路或接地故障时提供过电流保护。

2.2 专项要求

采用TT、TN、IT三种接地系统,需要达到各自的接地保护要求,确保系统能够稳定地将起重机械上残余电流导入大地,避免给设备带来伤害。

采用TT系统,需要实施漏电保护,确认外露导电部分连接的接地电阻不超4 Ω。从原理上来看,如图2所示,设备外壳一旦漏电,系统将降低外壳对地电压。如果接地电阻过大,将引起电压升高问题,给人员带来威胁。配置漏电保护装置,能够提供双重保护,避免因接地电阻变化造成人员因接触设备外壳触电。

图2 TT接地系统工作原理图

在TN系统中,需要利用PE线重复接地。针对各接地部分,应确认电阻不超10 Ω。因为TN系统需要利用相线对地回路获得大电流,迫使断路器断开或熔丝熔断,确保电源回路安全。只有通过重复接地,才能提供有效保护。

最后针对IT系统,应确认外露导电部分接地电阻不超4 Ω。在系统工作过程中,变压器中性点不接地,正常情况下单相漏电电流较小,使系统更加安全。但在起重机械使用环境复杂,如果需要长距离供电,需要考虑电线对大地的分布电容,因此应实施接地保护,降低设备外壳电压。

3 起重机械接地保护的检验检测方法

针对起重机械不同的接地保护部分,由于采取的接地方式并不相同,需要采取不同的检验检测方法,确保各部分保护方案合格,能够从整体上保障机械的安全性。

3.1 防护系统判别与检验

开展起重机械接地保护的现场检验工作,时常遇到用户未按国家规定标准接线的情形,需要先确定采取的接地保护形式,然后根据对应要求实施检验检测,及时发现系统存在的隐患。在以往实践工作中,多采用现场查线法,先检查设备PE线,然后从配电接线端向变压器进行反向检查,确认各接线是否符合要求。为简化现场操作,加快检验检测进度,近年来多采用测量法,利用交流电压表、接地电阻仪等仪器测量固定位置的电压或电阻,用于判别系统接地保护形式。

采用电压法测量,可以确定电源端中性点是否接地,从而进行接地系统区分。如图3所示,对相线和起重机械接地装置间的电压进行测量,需要选用交流电压表,确认其阻抗不超相线对地绝缘电阻。此外,也可以在电压表两端并联小于相线对地绝缘电阻的电阻,然后利用电压表测量。在测得结果不超相电压3/4,确定为IT接地。因为系统中性点对地存在高阻抗,发挥分压作用,与电压表串联成回路。从理论上来看,测得数值应不超相电压1/2,但实际高阻抗与仪表内阻接近,因此将影响测量精度,产生一定误差。如果结果接近相电压,说明电源端中性导体接地,接地线内阻远小于仪表内阻,因此系统为TT或TN接地。

图3 测电压判别接地形式的示意图

想要进一步对TN和TT接地形式进行区分,可以使用接地电阻仪对电源N线与接地装置间的电阻进行测量,记录为r,并对PE线与装置间的电阻进行测量,记录为R,根据二者大小确认设备金属外壳是否与电源端接地相互分离。如果测得的2个结果相等,同时阻值和所测回路导体电阻估算结果大致相同,说明从中性线引出了PE线,为接零保护,即为TN接地。如果阻值相差较大,说明为接地保护,在金属外壳接地的情况下,中性线和接地线间电阻为接地体本体及之间的电阻、接地线电阻、接地体与大地接触电阻之和,即为TT接地。

根据防护系统类型,需要做好防护电气设置检验。针对IT系统进行检验,应确认完成电流防护器和剩余电流装置设置,有效降低二次接地故障发生概率。而剩余电流装置应进行科学整定,确认参数设置达到相关技术标准。针对绝缘监测器,需要配置预警装置。通过逐次审查,能够及时发现防护不符合规范的部位。对TN系统进行检验,应确认做好电流防护期设置,确保在电流过大时能够将线路自动切断,有效限制故障发生范围,避免给人员带来伤害。结合实际需求,还应做到电流装置设置。对TT系统进行检验,应确认电流防护电器设置是否符合要求,实际可以利用绝缘监测器代替,并完成电流装置布置,确保在绝缘水平低于整定值时及时发出报警,为机械提供漏电保护。

3.2 保护电路的检验检测

对接地保护电路进行检验检测,应重点关注3方面内容。首先,应确认连接点和导线畅通。保护导线应为黄色或绿色,利用序号、标准等标记,方便人员查找和检测。按照国家标准,应确认线路最小截面满足要求。使用非铜导线,应确认单位长度电阻比铜导线低,截面至少达到17 mm2。结合相关资料核对,应利用工具做好导线测量,确认接地线路连接的正确性。其次,对机械金属结构和供电线路的保护电路进行检验,应确认能够与底线滑触器精准连接,可以将漏电流顺利导入大地。针对驾驶室和金属结构,应采用双导线,保证可靠连接。针对各金属构件和电气设备,同样需要做好接地检查,确认使用专门滑触线作为中性线,并使用集中导线作为保护导线。而配置的集电器能够顺利收集相关数据,确保机械始终处于监控状态。按照现有规定,可以通过目测方式检测,保证接线良好。最后,应确保接地导线独立设置,禁止与其他线路混淆。分开布设中性线和保护导线,应确认未接入其他电器或开关,确保能够发挥完整保护作用。在有必要的情况下,可以利用万用表等仪表对PE线、零线等进行检测,确保线路畅通。

3.3 外部接地的检验检测

针对外部接地部分实施检测,需要对接地体接地电阻进行测量,并做好保护连接导线和等电位连接检验。首先,可以根据各防护系统规定对接地电阻进行测量。可以采用的测量仪器主要有钳形类和辅助电极类,需要结合实际需求选择。目前,辅助电极类设备较为成熟,不再过多叙述,而钳形类仪器使用容易产生误差,应掌握正确测量方法。如在测量TN系统的接地电阻时,重复测量阻值应利用两点法,先选取2个接地点,以免因无法构成闭合回路而失败。具体来讲,需选择待测接地体和附近接地良好的接地体,如建筑物接地扁铁等,使用导线连接后,从供电电源PE线断开。测量结果为待测接地体、附近接地体和导线电阻之和,在确定附近接地体大小后,可以确定待测阻值大小。想要精确测量,也可以采用三点法,与附近2个独立接地体构成回路测量,建立两两接地体间的方程。针对TT系统的接地体进行测量,应确认电流装置需要电流,其与接地电阻相乘所得结果应在50 V以下。测量IT系统的接地电阻,应确认一次接地故障电流和接地电阻相乘后结果不超50 V。为做到精确测量,应采用精密检测设备,保证结果准确性。其次,对保护连接导线进行检验,只需目测连线是否正确。如在TN系统中,应确认PEN端子和PE端子连接接地导线。最后,检验等电位连接情况也主要采用目测方法,需要将PEN干线和机械金属附件、轨道、电位端子板等连接,确认各部分导线连接正常,不存在错接、漏接问题。在检验检测实践中,考虑主要通过目测和简单测量接地电阻等方式检查接地结构,为保证及时发现结构隐患,应加强相关资料收集,并对以往检测经验进行总结,编制科学的检验检测方案,通过科学、有序地开展工作保证接地系统稳定运行。

4 结论

全面掌握起重机械接地保护系统组成,明确系统各部分检验要求,能够为接地保护现场检验检测工作提供科学指导。通过分析可以发现,针对接地线路、外部接地等部分,存在共性检验要求,同时对TT、TN、IT三种接地系统提出了专项要求。运用科学方法进行防护系统类型判别的基础上,可以进行合理检验,同时做好保护电路、外部接地的检验检测,确保整个接地系统能够为起重机械提供有效保护。