莊炳春，歐林銘，高灼均

（廣州起重機(jī)械有限公司，廣州 510405）

0 引言

起重機(jī)械是用電設(shè)備，更是一種特種設(shè)備，國家修訂了GB6067.1—2010《起重機(jī)械安全規(guī)程第1部分：總則》強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了起重機(jī)械的設(shè)計(jì)、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(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，確立了起重機(jī)械電氣與安全等部分設(shè)計(jì)應(yīng)遵守的準(zhǔn)則。起重機(jī)械的接地和接地故障保護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它不僅是起重機(jī)械本體的接地，還涉及到起重機(jī)械的上下游，如電網(wǎng)（電力系統(tǒng)）、饋電系統(tǒng)、軌道、承軌梁、電源保護(hù)開關(guān)等幾個(gè)環(huán)節(jié)的接地問題，任一個(gè)環(huán)節(jié)接地做不到位都會(huì)影響系統(tǒng)安全。以上兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)對于起重機(jī)械的饋電系統(tǒng)型式、起重機(jī)械本體接地有所描述，但對于如何根據(jù)現(xiàn)場電力系統(tǒng)型式正確匹配起重機(jī)械的接地方式，軌道和承軌梁接地方法，以及如何進(jìn)行接地故障保護(hù)和選擇故障保護(hù)開關(guān)等方面提及較少，因此，起重機(jī)械設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者、現(xiàn)場施工者、檢測者通常認(rèn)為，只要做到起重機(jī)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(guān)采用帶有瞬時(shí)和熱過流脫扣的電磁式斷路器；起重機(jī)軌道接到地下接地體這幾點(diǎn)就可以了。但實(shí)際情況是，這樣的設(shè)計(jì)和施工存在著嚴(yán)重的安全隱患。

因此，為了消除安全隱患，保護(hù)人身和起重機(jī)械設(shè)備安全，本文參照電力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范和起重機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，分析并求證了起重機(jī)械外部的饋電系統(tǒng)、軌道、承軌梁的接地和起重機(jī)械內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備等的接地，以及接地故障保護(hù)開關(guān)選型等幾方面，與電力系統(tǒng)的型式密切相關(guān)；對以上各環(huán)節(jié)的規(guī)范接地和實(shí)施要點(diǎn)提出了建議。

1 起重機(jī)械饋電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的連接

GB6067.1—2010的8.8.1規(guī)定，“交流供電起重機(jī)電源應(yīng)采用三相（3Ф+PE）供電方式。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)不同電網(wǎng)采用不同型式的接地故障保護(hù)，并由用戶負(fù)責(zé)實(shí)施。接地故障保護(hù)應(yīng)符合GB50054的有關(guān)規(guī)定。”［1］該條文對起重機(jī)械供電電源規(guī)格提出了明確要求，強(qiáng)調(diào)了接地故障保護(hù)應(yīng)隨著電力系統(tǒng)的型式不同而不同。起重機(jī)械的交流饋電系統(tǒng)（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(hù)專線，起重機(jī)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(jī)械車輪與軌道接觸構(gòu)成接地保護(hù)通道。但是，我國的電力系統(tǒng)有數(shù)種型式，變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)有的接地有的不接地，需要解決饋電系統(tǒng)的接地保護(hù)專線到配電箱后接到何處，如何與電力系統(tǒng)構(gòu)成聯(lián)系，才能保證一旦發(fā)生單相接地故障，人體安全及電氣設(shè)備得到有效保護(hù)這一問題。

根據(jù)GB14050-2008《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》，我國電力系統(tǒng)細(xì)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(tǒng)稱為TN系統(tǒng)［2］。除了IT系統(tǒng)電源端中性點(diǎn)不接地（或經(jīng)高阻抗消弧線圈接地）外，其他4種系統(tǒng)中性點(diǎn)均通過導(dǎo)體直接接地。從IT、TT系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)引出的中性線為“中性導(dǎo)體”（即N線），不能與用電設(shè)備的金屬外殼連接；從TN系統(tǒng)中性點(diǎn)引出的中性線為“保護(hù)接地中性導(dǎo)體”（即TN-C和TN-C-S前段的PEN線）或“保護(hù)導(dǎo)體”（即TN-S和TN-C-S后段的PE線），具有接地保護(hù)功能，要與用電設(shè)備外殼連接。

因此，接到IT、TT系統(tǒng)的用電設(shè)備外露可導(dǎo)電部分需要單獨(dú)接地，與電力系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)通過接地極、大地構(gòu)成故障電流保護(hù)回路。鑒于此，起重機(jī)械饋電系統(tǒng)接地專線不能接入“中性導(dǎo)體”N線上，而應(yīng)該單獨(dú)接入接地極上。以圖1所示的TT系統(tǒng)為例，由QF21分配電箱引出三相四線到起重機(jī)械饋電系統(tǒng)，其中一條線從分配電箱內(nèi)接地端子引出，接地端子應(yīng)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］?！敖拥貥O”可以是在配電箱附近單獨(dú)埋設(shè)的接地體，也可以是與大地可靠連接的金屬結(jié)構(gòu)、管道、混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋等自然接地極，或者人為架設(shè)的等電位接地網(wǎng)等。

圖1 TT系統(tǒng)接地方式

圖2所示為TN-C-S系統(tǒng)，它的前段區(qū)間是TN-C系統(tǒng)，PE線和N線合并為PEN線；后段區(qū)間是TN-S系統(tǒng)，即在QF21配電箱后，分出單獨(dú)的PE線。純粹的TN-S系統(tǒng)，應(yīng)該是在變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)直接分出N和PE兩條線。TN系統(tǒng)下的用電設(shè)備外露可導(dǎo)電部分與電力系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)之間，通過導(dǎo)體形成物理上的直接連接。如位于圖2前段區(qū)間的三相電機(jī)和單相設(shè)備，金屬外殼接入PEN線上；位于圖2后段區(qū)間的起重機(jī)械設(shè)備或其他用電設(shè)備，其金屬外殼則接入PE線上。起重機(jī)械饋電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)型式，在電源供電點(diǎn)（QF21分配電箱）接入電力系統(tǒng)的PEN接線柱或PE接線柱上。為了進(jìn)一步提高接地保護(hù)可靠性，根據(jù)供電線路長短可以在電源供電點(diǎn)再埋設(shè)接地極形成重復(fù)接地，重復(fù)接地電阻不大于10 Ω［2］。

圖2 TN-C-S系統(tǒng)接地方式

值得強(qiáng)調(diào)的3點(diǎn)：（1）盡管GB6067.1—2010標(biāo)準(zhǔn)中只提到保護(hù)導(dǎo)線是PE線，而現(xiàn)場TN-C-S系統(tǒng)的前段區(qū)間和TN-C系統(tǒng)提供的是PEN線，但由于起重機(jī)械通常是末端用電設(shè)備，即使接入PEN接線柱上，也可看成是分出的PE線，相當(dāng)于末端起重機(jī)械形成了局部的TN-S系統(tǒng)；（2）在TN電力系統(tǒng)中，饋電系統(tǒng)接地專線不能只接入獨(dú)立接地極，而不接到TN系統(tǒng)的PEN或PE導(dǎo)線上，使末端起重機(jī)械構(gòu)成局部TT形式，因?yàn)橐坏┢鹬貦C(jī)出現(xiàn)單相接地漏電，PEN上呈現(xiàn)110 V電壓，導(dǎo)致前端用電設(shè)備外殼全部出現(xiàn)危險(xiǎn)電壓；（3）在確保IT、TT系統(tǒng)下承軌梁（軌道）接入單獨(dú)接地體或接入接地網(wǎng)上，或者TN系統(tǒng)下承軌梁（軌道）接入PEN或PE線的情況下，饋電系統(tǒng)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(jié)省接地導(dǎo)線。

2 起重機(jī)械軌道和承軌梁接地要求

GB6067.1—2010的8.8.2規(guī)定：“起重機(jī)械本體的金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)與供電線路的保護(hù)導(dǎo)線可靠連接。起重機(jī)械的鋼軌可連接到保護(hù)接地電路上。但是，它們不能取代從電源到起重機(jī)械的保護(hù)導(dǎo)線（如電纜、集電導(dǎo)線或滑觸線）……”［1］起重機(jī)械的鋼軌接地不能取代起重機(jī)械接地保護(hù)線，那么，起重機(jī)械饋電系統(tǒng)有了專用保護(hù)導(dǎo)線后，是否軌道可以不用接地？答案是否定的。因?yàn)槠鹬貦C(jī)械漏電將通過車輪軌道接觸使軌道和承軌梁帶電。為此，應(yīng)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(jī)械饋電系統(tǒng)接地線接觸不良或斷線時(shí)，接地故障電流仍可以通過車輪、軌道通道構(gòu)成回路，對人體起到后備安全保護(hù)作用。軌道的接地方式應(yīng)確保與起重機(jī)械饋電系統(tǒng)的接地方式一致。

圖3 軌道等接地線跨接

3 起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)和用電設(shè)備接地要求

GB／T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.4.10.1規(guī)定“起重機(jī)本體的金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)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(dǎo)電連接，而應(yīng)另外用專門的接地線將各部分結(jié)構(gòu)件上的接地點(diǎn)連接……”［3］。該條文說明，饋電系統(tǒng)引入起重機(jī)械上后，需要做好起重機(jī)械內(nèi)部接地措施，防止在起重機(jī)械上的電氣設(shè)備絕緣破壞時(shí)，危害司機(jī)和維修人員的人身安全和進(jìn)一步擴(kuò)大電氣設(shè)備的事故。

起重機(jī)械上的金屬結(jié)構(gòu)和用電設(shè)備的接地，具體實(shí)施方法有以下幾點(diǎn)。

（1）起重機(jī)械饋電系統(tǒng)進(jìn)入起重機(jī)械后，首先與起重機(jī)械橋架金屬結(jié)構(gòu)連接。

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

（3）移動(dòng)小車車架與起重機(jī)械橋架之間，采用移動(dòng)專用接地導(dǎo)線連接。

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

（5）起重機(jī)械上的所有用電設(shè)備，如電氣房、控制屏、電柜、接線箱、控制臺(tái)、操作器、變壓器、電阻器、限位器、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、照明設(shè)施、訊響設(shè)備等，其外露的可導(dǎo)電金屬外殼，應(yīng)獨(dú)自用導(dǎo)線連接于就近的起重機(jī)橋架、小車架或司機(jī)室骨架的等電位體上［6］，如圖4所示。

圖4 電氣設(shè)備外殼接地

（6）電纜橋架之間，電纜橋架或電線管與起重機(jī)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(cè)應(yīng)一端接地。

（8）屏蔽電纜鋼絲包皮兩頭金屬絲網(wǎng)接地。

4 起重機(jī)械接地故障保護(hù)開關(guān)的選擇

針對接地故障保護(hù)和保護(hù)開關(guān)選型，起重機(jī)械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條款描述較少。GB6067.1—2010的6.2.2和GB／T3811-2008的7.3.2規(guī)定，起重機(jī)械的“總電源回路應(yīng)設(shè)總斷路器，總斷路器的控制應(yīng)具有電磁脫扣功能，其額定電流應(yīng)大于起重機(jī)額定工作電流，電磁脫扣電流整定值應(yīng)大于起重機(jī)最大工作電流。總斷路器的斷弧能力應(yīng)能斷開在起重機(jī)上發(fā)生的短路電流?！保?］另外GB6067.1—2010的8.2和GB／T3811-2008的7.4.2規(guī)定，“所有線路都應(yīng)具有短路或接地引起的過電流保護(hù)功能，在線路發(fā)生短路或接地時(shí)，瞬時(shí)保護(hù)裝置應(yīng)能分?jǐn)嗑€路……當(dāng)預(yù)計(jì)接地電流達(dá)不到瞬時(shí)脫扣電流值時(shí)，應(yīng)增設(shè)熱脫扣功能……?！保?］

由于電力系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)和用電設(shè)備的接地聯(lián)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(dǎo)致產(chǎn)生的接地短路電流大小差別很大，有的短路電流高達(dá)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(nèi)和起重機(jī)械總電源回路，不能簡單設(shè)置帶有瞬時(shí)脫扣和熱脫扣功能的斷路器一種型式，而仍然要依據(jù)不同型式的電力系統(tǒng)配置相應(yīng)不同型式的保護(hù)開關(guān)，才能對單相接地故障起到有效保護(hù)。具體分析如下。

4.1 TT系統(tǒng)的接地故障保護(hù)開關(guān)

為討論QF21總斷路器型式，參考圖1，假設(shè)電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地電阻為ro，起重機(jī)械接地電阻為rD，單相對地短路電流為（IR，起重機(jī)械對地電壓為UD。假如起重機(jī)械發(fā)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(jī)械橋架——接地體rD——大地——接地體ro通道，回到變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)。因TT系統(tǒng)接地電阻ro和用電設(shè)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(shí)脫扣，此時(shí)，起重機(jī)械橋架或用電設(shè)備對地電壓UD一直保持110 V分壓，相當(dāng)危險(xiǎn)。因此，TT系統(tǒng)的起重機(jī)械，用電磁脫扣的斷路器作為接地故障保護(hù)是無效的，必須采用帶有漏電保護(hù)功能的斷路器進(jìn)行保護(hù)。

4.2 IT系統(tǒng)的接地故障保護(hù)開關(guān)

參考圖1，IT系統(tǒng)與TT系統(tǒng)的區(qū)別是變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高阻抗接地（ro（100 Ω），若發(fā)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(jī)械橋架——接地體rD——大地——高阻抗接地體ro或相地電容（中性點(diǎn)不接地時(shí)）回到變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)。

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

此時(shí)人體有被電擊危險(xiǎn)。因此，盡管IT系統(tǒng)的目的是為了保證供電連續(xù)性，若該起重機(jī)械無連續(xù)工作的必要，應(yīng)該選擇漏電保護(hù)斷路器，才能及時(shí)切斷故障，避免事故擴(kuò)大。

4.3 TN系統(tǒng)的接地故障保護(hù)開關(guān)

TN系統(tǒng)的起重機(jī)械橋架與電力系統(tǒng)之間的保護(hù)導(dǎo)體有導(dǎo)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(jī)械橋架—接地導(dǎo)體—保護(hù)導(dǎo)體通道，回到變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)。線路阻抗值與線路距離、線徑有關(guān)，線路越遠(yuǎn)，線徑越小，計(jì)算的線路電阻越大，短路電流越小。為說明問題和方便計(jì)算，忽略線路電抗和變壓器內(nèi)電阻和電抗，假設(shè)電力系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)到起重機(jī)械故障點(diǎn)距離L＝100 m，相線和地線線徑S＝6 mm2，計(jì)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(jì)算結(jié)果表明，TN系統(tǒng)下6 mm2導(dǎo)線即使在100 m線路距離下，接地故障產(chǎn)生了328 A的短路電流，能夠瞬時(shí)切斷6 mm2導(dǎo)線截面下對應(yīng)的電磁式斷路器。隨著變壓器二次側(cè)到故障點(diǎn)線路距離縮短和導(dǎo)線截面加大，單相接地故障電流會(huì)更大，因此，起重機(jī)械采用電磁式斷路器保護(hù)是有效的。

4.4 漏電保護(hù)開關(guān)的選型

漏電保護(hù)開關(guān)又叫零序電流保護(hù)開關(guān)，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(shù)起重機(jī)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(jī)械總開關(guān)，通常選用三相三線的漏電保護(hù)開關(guān)型式；個(gè)別起重機(jī)引入三相五線電源，因?yàn)镹線有電流分量，總開關(guān)可選用三相四線的漏電保護(hù)開關(guān)。TN系統(tǒng)的PEN和PE線上，都不能被漏電保護(hù)開關(guān)切斷［8］。電磁式漏電開關(guān)靠電流驅(qū)動(dòng)，與電壓無關(guān)，抗干擾能力較強(qiáng)；電子式漏電保護(hù)開關(guān)，不僅與電流有關(guān)還與電壓有關(guān)，抗干擾能力較弱。鑒于起重機(jī)械作業(yè)環(huán)境較差，起制動(dòng)過程電壓波動(dòng)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(fā)漏電保護(hù)開關(guān)動(dòng)作，因此，應(yīng)優(yōu)先選擇電磁式漏電保護(hù)開關(guān)。

簡言之，起重機(jī)械的接地方法與電力系統(tǒng)型式相對應(yīng)，而接地故障保護(hù)開關(guān)要根據(jù)使用場合的不同進(jìn)行適當(dāng)選擇。如表1所示。

表1 不同電力系統(tǒng)的接地和保護(hù)

5 結(jié)束語

綜上所述，起重機(jī)械電氣設(shè)計(jì)前，應(yīng)該首先了解起重機(jī)械使用現(xiàn)場供電的電力系統(tǒng)型式，以采取正確的接地方法和選配合適的接地故障保護(hù)開關(guān)，才能對人體和財(cái)產(chǎn)起有效保護(hù)。當(dāng)使用場合的電力系統(tǒng)型式為IT和TT系統(tǒng)時(shí)，起重機(jī)械饋電系統(tǒng)的接地專線接到獨(dú)立的接地極上，IT通常用電磁式保護(hù)開關(guān)保護(hù)，TT系統(tǒng)采用漏電式斷路器保護(hù)；當(dāng)電力系統(tǒng)型式為TN系統(tǒng)時(shí)，起重機(jī)械饋電系統(tǒng)的接地專線接到電力系統(tǒng)的保護(hù)導(dǎo)體上，用帶電磁脫扣的斷路器保護(hù)；為提高安全防護(hù)等級，提高設(shè)備和人身安全，IT和TN系統(tǒng)都可以采用漏電式斷路器保護(hù)。此外，起重機(jī)械橋架及其附屬金屬結(jié)構(gòu)、移動(dòng)部件等應(yīng)構(gòu)成一個(gè)等電位體，作為起重機(jī)械公共地，起重機(jī)械上所有用電設(shè)備外露金屬外殼應(yīng)可靠連接于該等電位體上。