摘要：针对现场难以准确判别起重机械供电系统保护接地形式的问题，提出了用测量法判别供电系统保护接地形式的方法，为准确测量接地电阻和判断接地电阻的符合性提供了前提条件；针对线路保护形式不合理的情况，分析了控制回路采用隔离变压器供电时，部分电气安全开关可能失灵的风险，并提出了降低风险的措施，为起重机械接地保护和线路保护的设计和检验提供了参考。
关键词：起重机械；接地保护形式；接地保护；线路保护
中国图书馆分类号：TU201.2文献识别码：A文号：1001-0785(2020)19-0090-06
0 引言
起重机械是典型的机电一体化产品，通过控制系统对起升和行走机构的电机或电动机的协调控制，实现重物的提升和运输。低压供电系统是起重机械正常运行的电源，在起重机械的日常使用、维护和检查中，确保用电安全是设计、使用、检查和测试的重要课题。检查起重机电气设备的接地和线路绝缘是否提出了明确的要求。但测量其接地电阻的首要任务是确定供电系统的接地保护形式。在实际检查测试过程中，发现很多起重机的接线不符合国家标准，仅看现场接线情况很难识别接地保护形式。此外，线路保护不合理也可能导致安全保护装置的电气开关失灵，人员触电。
1 检规对电气设备接地和线路绝缘的要求
1.1接地电阻的要求
TSG Q7015-2016 《起重机械定期检验规则》 [1](以下简称检规)，为防止人员间接触电事故[2]，C8.9.2.2对接地电阻有具体规定：
1)对于TN接地系统，PE线重复接地的接地电阻不大于10；
2)对于TT接地系统，电气设备外露可导电部分(电源保护接地线)的接地电阻不大于4；
3)对于IT接地系统，电气设备的金属外壳(电源保护接地线)的接地电阻不应大于4。
因此，准确测量和判断接地电阻是否符合要求，是确定被测系统接地保护形式的关键。
1.2电气线路对地绝缘和线路保护的要求为防止起重机漏电造成触电事故，检验规程C8.10规定电气线路对地绝缘电阻应符合下列要求：
1)当额定电压不大于500 V时，不小于1.0m不低于1.5m的防爆起重机；
2)用1 000 V兆欧表测量电气线路对地、吊钩和滑轮、起升机构和小车、小车架和小车的绝缘值，均不低于1.0m。
此外，检验规范第C8.3项要求所有外部电路具有短路或接地引起的过电流保护功能。良好的线路对地绝缘和合理的线路保护对起重机的电气安全保护非常重要。
2 起重机接地保护形式的分类及判别
2.1接地保护形式的分类
低压配电系统的接地保护形式，根据供电端中性点和电气设备外露导电部分是否接地，可分为TN、TT、IT三种系统[3，4]。
1)TN系统
电源中性点接地(工作接地)，引出一条中性线(N线)。电器的金属外壳通过公共保护线(PE线或PEN线)与电源的中性点电连接，即保护接零。根据保护接地线的结构形式，TN系统分为TN-S系统、TN-C系统和TN-C-S系统。
TN-S系统如图1所示，N线和PE线与电源分开，形成五线电源。
TN-C系统如图2所示。n线和PE线连成一体，形成保护中性线(PEN线)。虽然省了一根导线，但可能导致三相负载不平衡，甚至断笔线。电器工作过程中金属外壳接触相线，会导致所有电器产生危险的接触电压。
图2 TN-C系统
TN-C-S系统如图3所示，从供电端至用户配电箱，前一部分的N线和PE线合并成PEN线，形成三相四线TN-C系统；N线和PE线后半部分分开，形成三相五线制TN-S系统。因此，这种系统兼有两种系统的特点，常用于工作环境恶劣或对电磁干扰要求高的场所。
图3总氮-C-S系统
2)TT系统
如图4，电源中性点接地，有N根导线引出，用电气金属外壳保护接地。TT系统遇到相线故障，触及电器金属外壳时，电流通过大地返回电源侧，故障相保护电流比TN系统小得多。即使有熔断器或热继电器，也可能不熔断或不动作，所以需要安装漏电保护器(如剩余电流保护器)[5]。
图4 TT系统
3)信息技术系统
如图5所示，电源的中性点不接地或通过高阻抗接地，而是用电器的金属外壳来保护接地，所以中性线不应引出本系统。为了使重要负载即使短时间接地也能工作，出现小故障时也不允许随意停机(一般不采用漏电保护)，因为系统第一次故障的故障电流较小，不足以与电器的金属外壳产生危险的接触电压。因此，不需要切断电源，电器可以继续运行，通过绝缘监测和检查就可以排除故障。当系统发生第二次故障时(在另一相线或中性线)，为避免电源、线路和电器烧坏，应迅速自动切断电源。
图5信息技术系统
2.2接地保护形式的判别
在测量起重机的接地电阻时，有必要定义接地保护形式。但在实地检查时发现，很多用户并没有按照国标进行接线。比如根据一台起重机控制柜的三相五线接线，可以判断为TN-S接地保护形式。但检查接线后发现其PE线并非从电源中性点引出，而是接至现场接地桩，与TN系统的要求相矛盾。因此，仅通过现场电气控制柜的接线很难准确判断其接地保护形式。
现场验线法是判别接地保护形式的传统方法。从电气设备的PE线开始，经过配电柜的接线端子到变压器的接线柱，进行反线检查。这种方法最直接，但在复杂的配电网中可操作性差。
与现场验线法相比，该测量方法更具可操作性。测量时，需要使用如交流电压表、接地电阻表、万用表等测量仪器。这种测量方法区分接地保护形式的步骤如下：
1)判断电源中性点是否接地，即区分电源是IT系统还是TN或TT系统。
选择阻抗不大于相线对地绝缘电阻的交流电压表，测量相线与设备接地装置之间的电压(或在电压表两端并联一个不大于相线对地绝缘电阻的电阻，然后测量相线与设备接地装置之间的电压)，如图6所示。
图6测量电压确定电源中性点是否接地。
如果电压表的读数不超过相电压的四分之三，则可以判断为IT系统。因为IT系统的中性点和地之间存在高阻抗，t
可以看出，理论上电压表的读数应该小于相电压的一半，但由于高阻抗RL接近交流电压表的内阻RV(同一个数量级)，电压表的灵敏度会严重降低，其准确度也会明显降低。存在较大的测量误差，但只要选择的交流电压表内阻接近高阻抗，半误差不会超过25%。因此，如果检测到电压表的读数不超过相电压的四分之三，则可以判断该系统为IT系统。
图7检测电路原理图
如果电压表的读数接近相电压，可以确定电源中性点直接接地(即TT或TN系统)。TN系统和TT系统的电源端(或变压器二次侧)中性线直接接地。此时中性导体接地线的内阻相对于串联电压表的内阻可以忽略不计，所以电压表示接近相电压。
2)确定电气设备的金属外壳是否独立于电源接地，即是TN系统还是TT系统。如图8，用接地电阻表和万用表测量电源N线(或PE线)与设备接地装置之间的接地电阻，测量值分别为R and R。
如果R and R的数值基本相同，且电阻值与被测回路导体电阻的估算值基本相同，则可判定为接零保护，即TN系统。由于TN系统的电源中性点直接接地，PE线从中性线引出，测得的中性线与设备接地线之间的电阻为回路导体的电阻值。
如果它们的电阻值不相等，且电阻值与被测回路导体的电阻值相差很大，则可以判断为接地保护，即TT系统。由于TT系统是通过带有电气金属外壳的工作接地来保护的，所以中性线与设备保护接地线之间的测量电阻是接地线与接地体本身的电阻、接地体与大地之间的接触电阻以及两个接地体之间的大地电阻之和[6]。
图8测量电阻判断设备的保护接地形式
3 线路对地绝缘和线路保护
3.1线路保护的必要性
《规程》和GB 6067.1-2010《起重机械安全规程 第1部分：总则》 [7](以下简称《规程》)对起重机电气线路的接地绝缘和线路保护提出了明确的要求。线路对地绝缘良好，可防止人员间接触电和电子元器件电气损坏；合理的线路保护不仅可以防止人们间接触电，还可以避免电气安全开关失效。
规定要求所有电路应具有短路或接地引起的过流保护功能。保险丝和热继电器通常用于防止电源短路。
现场检查表明，许多起重机使用隔离变压器将380V交流电转换成安全电压，为其控制电路供电。然而，隔离变压器的次级侧不得接地。一旦与控制电路串联的线路不接地，就会造成高度限位开关、尺寸限位开关、联锁电气开关等电气安全开关失效，严重威胁起重机的安全运行。
3.2案例分析
起重机的部分电源电路如图9所示。主接触器KM1控制电源电路的供电，接触器KM4控制小车M4和M5的电机向北和向前运行。接触器KM5控制小车电机M4和M5向南和反向运行。接触器的通断由其控制电路相应线圈的通断控制(见图10)。
图9起重机部分电源电路
如图10所示，当电源回路的断路器QF闭合，按下启动按钮SB2时，主接触器KM1的线圈通电，电源回路的主接触器KM1接合，主接触器KM1的触点闭合，进行自我保护。此时，如果按下按钮SB4，接触器KM4线圈将通电，电源电路接触器KM4将
为了使原边和副边电绝缘，抑制高频杂波引入控制回路[8]，控制回路通常由隔离变压器供电，其变压器副边不接地(如图10a所示)。此时，如果控制回路中的任何一个单点接触地面，都不会引起线路的异常变化；如果控制回路中的A(B)点和CD(FE)点任意一处或多处触地，会造成KM4(KM5)线圈短路，线路过流，熔断保险丝F02，切断控制回路，阻止功率单元的一切动作，显然符合规程要求；如果控制回路中的D(E)点和C(F)点同时接地，由于电流流过线圈，只要A(B)点不接地，就不会造成回路过流，保险丝F02也不会熔断。但是，KM5(KM4)的常闭触点和限位开关SQ1(SQ2)因处于旁路状态而失效。因此大车会失去北(南)向运行的极限控制，可能造成严重事故。同时，KM5(KM4)常闭触点不受线圈控制，可能会烧坏电机和电路。
(a)电源隔离变压器
(b)由普通变压器供电
图10起重机控制回路部分
由于控制电路是安全电压，隔离变压器有效地防止人们接触单根带电导线所带来的触电隐患可以忽略不计。GB 5226.1-2002 《机械安全机械电气设备第1 部分：通用技术条件》 7.2.4要求[9]，“由变压器供电的控制回路，二次线圈的一侧接保护接地回路，只要求在回路导线的另一侧装设过流保护装置”。如果在控制回路中使用普通变压器(二次工作接地)并对其回路进行调整(如图10b)，则无论线路AD(BE)在什么地方、什么地方接触到地，都会引起回路过流，保险丝F02熔断，切断控制回路，从而阻止发电厂的一切动作。
从以上分析可以看出，控制电路采用普通变压器，变压器二次侧的良好接地和过流保护是按照GB 5226.1-2002的要求来保证的。合理的接线方式可以防止电厂失控，在一定程度上保护电路，从而降低安全事故的风险。
4 结束语
起重机械的接地保护、线路绝缘和保护对其安全运行和人员保护具有重要意义。为了准确测量接地电阻，判断电阻值的符合性，首要任务是正确判断供电系统的保护接地形式；为了确保高电气安全保护，良好的线路绝缘和合理的线路保护是必要的。
针对现场某些起重机械供电系统保护接地形式难以准确判别的问题，提出了一种用测量方法判别供电系统保护接地形式的方法，这是结合现场接线情况和测量方法，准确测量接地电阻，判断接地电阻符合性的必要前提。
针对线路保护形式不合理，分析了控制回路采用隔离变压器供电时，部分电气安全开关可能失灵的风险，可采取以下措施降低风险：
1)当对地电压为安全电压且线路较长时，控制回路应采用普通变压器供电，以保证变压器二次侧接地良好，并采用合理的接线方式；
2)当控制回路短路，对地电压高于安全电压时，为防止人触及单根带电导线而触电，抑制高频杂波对控制回路的干扰，可考虑采用隔离变压器供电，但必须保证线路对地的良好绝缘保护，并采取有效措施防止线路因多点故障而触地和窜通其他回路。
本文为起重机供电系统保护接地形式的判别和某些控制回路线路保护的改进提供了参考。
参考
[1]TSG q 7015-2016 Lif定期检验规则
[6]毛晓茗。起重机械接地保护分析3354接地系统的判别与检查[J].电子技术与软件工程，2014 (9): 160。
[7] GB 6067.1-2010起重机械安全规程第1部分：总则[S]。
[8]朱著。隔离变压器在电网中的应用分析[J].电气技术，2013 (8): 80，81。
[9] GB 5226.1-2002机械安全-机电设备-第1部分：通用技术要求[S]。
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