何江濤

(北京北一機(jī)床股份有限公司研發(fā)中心，北京101300)

一臺(tái)機(jī)床的電氣設(shè)計(jì)、安裝和使用過(guò)程中，必然會(huì)遇到諸如電氣回路選擇什么規(guī)格電纜、什么規(guī)格斷路器(或熔斷器)，電氣元器件適用何種技術(shù)條件等一般問(wèn)題;也會(huì)遇到機(jī)床功能異常、電氣裝置失效等偶發(fā)問(wèn)題。分析問(wèn)題的原因，都會(huì)涉及到相關(guān)機(jī)床電路保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容，合理處理這個(gè)問(wèn)題，需要工程技術(shù)人員較細(xì)致的技術(shù)確認(rèn)。機(jī)床作為商品，這種技術(shù)確認(rèn)的依據(jù)除必要的基礎(chǔ)知識(shí)外，必須遵循相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)作為科學(xué)、技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的集大成者，是引導(dǎo)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)和依據(jù)。ISO、IEC以及各個(gè)國(guó)家地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域狀況制訂了完備的標(biāo)準(zhǔn)體系和各類標(biāo)準(zhǔn)，不僅在協(xié)調(diào)全球經(jīng)濟(jì)貿(mào)易方面起到關(guān)鍵性作用，同時(shí)也對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的成果進(jìn)行了總結(jié)。如何利用標(biāo)準(zhǔn)，并形成一套科學(xué)、便于操作的處理方法，對(duì)解決工程技術(shù)問(wèn)題(如:機(jī)床電氣研發(fā)、生產(chǎn)和使用等)具有普遍的現(xiàn)實(shí)意義。并且實(shí)踐證明，只有依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，才是形成便捷工作方法的途徑。

對(duì)于裝備制造業(yè)，機(jī)床電氣設(shè)備的技術(shù)要求必須遵守標(biāo)準(zhǔn) GB5226.1–2008(機(jī)械電氣安全－機(jī)械電氣設(shè)備－通用技術(shù)條件(IEC 60204.1－2005 IDT))，該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了機(jī)床電氣設(shè)備所涉及各項(xiàng)技術(shù)和安全規(guī)范，一些定性定量技術(shù)要求可在其規(guī)范性引用文件中得到具體體現(xiàn)。其中，機(jī)床電氣設(shè)備相關(guān)電氣回路保護(hù)問(wèn)題，在實(shí)際機(jī)床電氣設(shè)備中最為常見，也最容易被忽視。嚴(yán)重的機(jī)床電氣回路故障會(huì)導(dǎo)致電擊、火災(zāi)以及設(shè)備失效等事故，會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，在實(shí)際機(jī)床電氣設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和機(jī)床使用過(guò)程中，必須明確機(jī)床電氣回路相關(guān)的技術(shù)條件和實(shí)施的正確方法，以此保證機(jī)床安全可靠地運(yùn)行。

1 機(jī)床電氣回路相關(guān)的技術(shù)條件

對(duì)于數(shù)控機(jī)床，一般情況下，機(jī)床電氣設(shè)備由數(shù)控單元、人機(jī)操作單元、伺服系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、可編程邏輯控制系統(tǒng)、必備的機(jī)床電氣回路和電柜等部分組成。其中，機(jī)床電氣回路可分為動(dòng)力電路、控制電路、保護(hù)聯(lián)結(jié)電路等。

動(dòng)力電路和控制電路主要按實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)床電氣設(shè)備的配電、加電/斷電和急停控制等功能。其構(gòu)成要素有保護(hù)器件、控制器件、線纜、連接器(端子排或匯流排)和耗能器件。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)力電路和控制電路需滿足的功能可簡(jiǎn)述為:當(dāng)電路發(fā)生過(guò)載或短路故障時(shí)，電氣回路能安全可靠地自動(dòng)切斷電力輸出，避免發(fā)生電擊、火災(zāi)以及設(shè)備失效所造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失事件的發(fā)生。

保護(hù)聯(lián)結(jié)電路是為防止間接接觸的電擊而連接在一起的保護(hù)導(dǎo)線;另外，功能聯(lián)結(jié)電路是為避免因電磁騷擾引起的系統(tǒng)非正常運(yùn)行而連接在一起的保護(hù)導(dǎo)線，兩者的保護(hù)導(dǎo)線可獨(dú)立排布，在電源引入端的保護(hù)接地排位置，可連接或不連接(有外部功能接地導(dǎo)體)在一起。其構(gòu)成要素有電氣裝置外殼、安裝底板、保護(hù)接地匯流排和保護(hù)地線等。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)聯(lián)結(jié)電路需滿足的技術(shù)條件可簡(jiǎn)述為:“樹形(Y型)”排布連接，保持接地連續(xù)性。

對(duì)于一臺(tái)機(jī)床電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電路和保護(hù)聯(lián)結(jié)電路不僅包括機(jī)床電氣設(shè)備本身，還應(yīng)綜合考慮機(jī)床電氣設(shè)備安裝所在的建筑物配給的電網(wǎng)容量、電壓和接地裝置實(shí)際情況。數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的普及，應(yīng)重視電網(wǎng)供電電源的接地裝置技術(shù)條件，可參照GB 50169–2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》的3.11節(jié)和相關(guān)部分進(jìn)行接地裝置的功能確認(rèn)或優(yōu)化的要求，以及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T621《交流電氣裝置的接地》相關(guān)接地裝置敷設(shè)等問(wèn)題的應(yīng)對(duì)要求，尤其對(duì)接地電阻規(guī)定值、跨步電位差和接觸電位差等參數(shù)評(píng)定值的綜合考慮，以滿足機(jī)床電氣設(shè)備的保護(hù)接地和EMC要求。

2 機(jī)床電氣電路保護(hù)的說(shuō)明和理解

2.1 保護(hù)聯(lián)結(jié)電路

保護(hù)聯(lián)結(jié)電路的設(shè)置是確保人和設(shè)備安全以及設(shè)備電磁兼容性的一項(xiàng)基本技術(shù)條件，只要確保機(jī)床電氣設(shè)備的保護(hù)導(dǎo)體的截面積要求和保護(hù)連接的連續(xù)性，以及標(biāo)準(zhǔn)提及的相關(guān)事項(xiàng)，便可滿足要求。

一般情況，根據(jù)供電相線規(guī)格，選擇保護(hù)導(dǎo)線。銅保護(hù)導(dǎo)線的選擇可參照表1規(guī)定，鋁保護(hù)導(dǎo)線載面積不得小于16 mm2。對(duì)于電氣裝置對(duì)地泄漏電流大于10 mA a.c.(或 d.c.)的電氣裝置，例如一些調(diào)速變頻裝置等，可要求保護(hù)導(dǎo)線截面積的和大于10 mm2(銅)或16 mm2(鋁)，或附加保護(hù)導(dǎo)線，或采取限制較大對(duì)地泄漏電流的措施。

表1 保護(hù)導(dǎo)體(銅)的最小截面積

2.2 動(dòng)力電路和控制電路

根據(jù)動(dòng)力電路或控制電路構(gòu)成要素組成的各種機(jī)床電氣回路，按功能主要分為配電傳輸電能的電氣回路和實(shí)現(xiàn)功能通斷/急?？刂频碾姎饣芈?，動(dòng)力電路或控制電路保護(hù)就是對(duì)這些電氣回路的保護(hù)和能耗器件的保護(hù)，即在能耗器件過(guò)載或和回路發(fā)生故障的過(guò)流狀態(tài)下，防止電擊、損傷器件以及防止發(fā)生火災(zāi)。為達(dá)到電氣回路保護(hù)，就是在電氣回路出現(xiàn)過(guò)載和過(guò)流狀態(tài)下，保護(hù)器件(熔斷器/斷路器)可靠切斷電路，回路導(dǎo)線和能耗器件不損傷，便捷的操作方法也就是恰當(dāng)?shù)剡x擇保護(hù)器件和線纜。

參照GB 5226.1－2008的附錄D，相關(guān)保護(hù)器件和導(dǎo)線選擇協(xié)調(diào)的內(nèi)容和理解在以下詳述，以便得出電路保護(hù)和實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)依據(jù)。

(1)線路過(guò)載保護(hù)

表2 銅導(dǎo)線允許的最高溫度和K系數(shù)

表3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中保護(hù)器件過(guò)載邊界值的規(guī)定

可參照下列公式(1)和(2)

其中:Ib為線路負(fù)載的計(jì)算電流，A;In為保護(hù)器件(熔斷器熔體或斷路器)額定電流或整定電流，A;Iz為線纜導(dǎo)體連續(xù)工作時(shí)的有效載流容量，A，需考慮溫度、集聚安裝和多芯電纜等因素的減額系數(shù);I2為在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)，保證保護(hù)器件有效動(dòng)作的最小電流，A。

(2)線路的過(guò)流保護(hù)可參照公式(3):

其中:t為切斷負(fù)載電路時(shí)間;K為絕緣銅導(dǎo)線系數(shù)(表2);S為導(dǎo)線截面積，mm2;I為交流均方根值表示的短路電流，A。

(3)線路過(guò)載/過(guò)流公式的理解

線路過(guò)載保護(hù)需同時(shí)滿足公式(1)和公式(2)的條件，線路過(guò)流(短路)保護(hù)還需滿足公式(3)條件，即理想的電氣回路保護(hù)需同時(shí)滿足這3個(gè)條件。

公式(1):說(shuō)明線路過(guò)載保護(hù)首先要確定線路負(fù)載的計(jì)算電流，再確定保護(hù)器件額定電流范圍，然后根據(jù)保護(hù)器件額定電流確定線纜導(dǎo)體的截面積，在電路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，此條件較容易達(dá)到。應(yīng)對(duì)實(shí)際保護(hù)器件和線纜規(guī)格的選擇，可參照3節(jié)的步驟操作。

公式(2):保護(hù)器件實(shí)際的特征曲線是離散的，曲線由邊界值定義，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(見表3):I1(或Inf)表示保護(hù)器件約定不動(dòng)作的電流值;I2(或If)表示保護(hù)器件約定動(dòng)作(斷開或脫口)的電流值，I2的取值應(yīng)小于1.45Iz。構(gòu)成電氣電路的線纜在其有效載流容量1.45倍以下工作時(shí)，可能存在一定風(fēng)險(xiǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)這樣的結(jié)果，電線電纜的標(biāo)準(zhǔn)的制定、制造及檢驗(yàn)可理解為是經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)處理的。這樣，當(dāng)電線電纜過(guò)載/過(guò)流時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的約定時(shí)間內(nèi)應(yīng)能保證其性能。

公式(3):①一般機(jī)床電氣回路的過(guò)流狀態(tài)(短路電流)的界定，可根據(jù)2.5～12倍的In計(jì)算值(或5 kA)來(lái)判定，結(jié)合保護(hù)器件的短路分?jǐn)嗄芰图?jí)間短路保護(hù)等要求選擇其具體類型;②為滿足GB 5226.1－2008中7.2節(jié)相關(guān)防護(hù)過(guò)電流的要求，即使導(dǎo)線在達(dá)到表2中T1max.所示最高溫度之前，切斷負(fù)載電路，即短路電流的持續(xù)時(shí)間。通常，依據(jù)GB 5226.1－2008附錄 A.1節(jié)要求:t≤5 s;③對(duì)于機(jī)床電氣設(shè)備對(duì)低壓配電網(wǎng)的短路電流及分?jǐn)嗦?lián)結(jié)要求，可參照標(biāo)準(zhǔn)IEC60364－4－43/IEC60364－5－52《建筑物電氣裝置》相關(guān)內(nèi)容。

3 機(jī)床電氣電路保護(hù)便于操作的具體方法

(1)相關(guān)數(shù)據(jù)表

為便于電氣設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用，綜合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，制定表4(保護(hù)器件額定電流和相線導(dǎo)體載流量一覽表)。表中列出了保護(hù)器件額定電流值對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線截面積在不同敷設(shè)情況連續(xù)工作時(shí)載流量，可起到線路保護(hù)作用。

(2)相關(guān)線路保護(hù)的實(shí)際操作步驟

步驟1:線路負(fù)載狀態(tài)，計(jì)算線路負(fù)載電流Ib;

步驟2:根據(jù)計(jì)算獲得的負(fù)載電流，依據(jù)公式(1)和表4，確定保護(hù)器件的額定值In范圍;

步驟3:根據(jù)保護(hù)器件的額定值范圍，選擇導(dǎo)體在敷設(shè)狀態(tài)下的承載值Iz，使其滿足公式(1)的條件;

步驟4:根據(jù)表3，選擇保護(hù)器件的種類，按給定條件，計(jì)算I2或If，并判斷公式(2)條件是否成立，如果不成立，一是根據(jù)具體的保護(hù)器類型調(diào)低細(xì)分額定值，二是增大一檔導(dǎo)體規(guī)格，并確認(rèn)所選保護(hù)器件和導(dǎo)線同時(shí)滿足公式(1)和公式(2)。例如控制電路，線纜一般使用0.75 mm2和1 mm2，線路保護(hù)器的額定值都在10 A以下，除考慮負(fù)載器件的保護(hù)外，同時(shí)可滿足線路保護(hù);

步驟5:按公式(3)計(jì)算t時(shí)間，使其滿足t≤5 s，如果不滿足，根據(jù)具體的保護(hù)器類型，選擇其短路判定閾值較小等級(jí)或選擇其為瞬動(dòng)型(具體考慮級(jí)間保護(hù)等要求，必要時(shí)和保護(hù)器件供應(yīng)廠家協(xié)商解決);

(3)舉例:

例1:某一機(jī)床液壓裝置電氣主回路，泵組電動(dòng)機(jī)額定功率為7.5 kW。計(jì)算:電流Ib=15.5 A;參照表4，保護(hù)器件用斷路器，預(yù)選額定電流20 A檔，細(xì)分選擇In=16 A，對(duì)應(yīng)選擇PVC電纜導(dǎo)線截面積為2.5 mm2，在B2的敷設(shè)方式，Iz=21 A，滿足公式(1);參照表3，計(jì)算斷路器I1=1.05×16=16.8 A，I2=1.30×16=20.8 A;1.45×Iz=1.45×21=30.45 A，可判斷滿足公式(2);若短路電流按10In，t=(115 ×2.5/160)2≈3 s，滿足 t≤5 s。

結(jié)論:此電動(dòng)機(jī)主回路選擇斷路器(額定電流20 A檔)和電纜PVC 3根2.5 mm2的規(guī)格基本合理。

例2:某一機(jī)床配電回路計(jì)算負(fù)載電流Ib=48 A;參照表4，保護(hù)器件用熔斷器，預(yù)選額定電流50/63 A檔，In=50 A，對(duì)應(yīng)選擇PVC電纜導(dǎo)線截面積為10 mm2，在 B2 的敷設(shè)方式，Iz=50 A，滿足公式(1);參照表3，計(jì)算斷路器 Inf=1.25×50=62.5 A，If=1.60×50=80 A;1.45×Iz=1.45×50=72.5 A，不滿足公式(2)，增大一檔PVC電纜導(dǎo)線截面積為16 mm2，在B2的敷設(shè)方式，Iz=68 A，核算1.45×Iz=1.45×68=98.6 A，滿足公式(1)和(2);配電回路短路電流按5 kA，t=(115 ×16/5 000)2≈0.1 s，滿足 t≤5 s。

結(jié)論:此配電回路選擇熔斷器(額定電流50 A)和電纜(PVC 3根16 mm2)的規(guī)格基本合理。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)床電氣設(shè)備中電氣回路保護(hù)的技術(shù)條件和以上實(shí)施方法的實(shí)際應(yīng)用，基本能較方便地指導(dǎo)和確認(rèn)機(jī)床電氣回路保護(hù)的技術(shù)問(wèn)題。對(duì)此類最常見、最容易被忽視的技術(shù)問(wèn)題，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以找到一個(gè)合理的、定量的操作方法，從而提高工作質(zhì)量和效率。同樣，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的研究和應(yīng)用，也是機(jī)床研發(fā)制造和技術(shù)創(chuàng)新的必經(jīng)之路。