起重機(jī)械接地檢驗(yàn)探討
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仇佳捷 張志堅(jiān) 柯韜 石琪晟 虞偉杰 俞朝
（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院寧波 31 5048）
摘要：針對(duì)起重機(jī)械安全技術(shù)規(guī)范中對(duì)接地檢驗(yàn)要求和對(duì)有關(guān)條文解讀存在偏差，深入分析了起重機(jī)械接地檢驗(yàn)要求的必要性與合理性；探討了引入故障回路阻抗以及高壓供電接地相關(guān)要求的必要性。
關(guān)鍵詞：起重機(jī)械接地保護(hù)故障回路阻抗高壓接地系統(tǒng)中圖分類號(hào)：X941
文章編號(hào)：1673-257X(2016)03-0040-04 DOI:10. 3969/j .issn．1673 -25 7X. 2016. 03. 009
起重機(jī)械的接地檢驗(yàn)是以TSG Q7015-2008《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》及其第1號(hào)修改單（以下簡稱“定檢規(guī)”）附錄B7.3的相關(guān)要求來實(shí)施的，但對(duì)于定檢規(guī)接地項(xiàng)目檢驗(yàn)要求的合理性也有業(yè)內(nèi)人士提出了質(zhì)疑。
接地保護(hù)作為起重機(jī)械一種主要的間接接觸防護(hù)形式，其目的是保護(hù)起重機(jī)械作業(yè)人員以及其他人員免受電擊傷害。接地保護(hù)配合合適的保護(hù)電器可以形成一套較好的間接接觸防護(hù)措施，以達(dá)到保護(hù)相關(guān)人員人身健康和生命安全的目的。本文從接地保護(hù)設(shè)立的目的出發(fā)，結(jié)合我國通用低壓配電標(biāo)準(zhǔn)以及電擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)行定檢規(guī)中值得商榷的地方進(jìn)行探討。同時(shí)本文還對(duì)1kV以上10kV以下高壓供電的起重機(jī)械接地保護(hù)的相關(guān)要求進(jìn)行了分析，隨著港口國際標(biāo)準(zhǔn)電壓的推行改造，將高壓供電起重機(jī)械接地保護(hù)相關(guān)要求編入定檢規(guī)也有其一定的合理性和必要性。
1現(xiàn)行起重機(jī)接地檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分析
1.1定檢規(guī)接地檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求
定檢規(guī)B7.3項(xiàng)對(duì)于起重機(jī)械電氣設(shè)備接地的要求描述為：
B7.3.1電氣設(shè)備接地
檢查用整體金屬結(jié)構(gòu)做接地干線時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)的連接有非焊處，是否采用另設(shè)接地干線或者跨接線的處理；
檢查起重機(jī)械上所有電氣設(shè)備正常不帶電的金屬外殼、變壓器鐵芯及金屬隔離層、穿線金屬管槽等是否與金屬結(jié)構(gòu)間有可靠的接地連接。
B7.3.2金屬結(jié)構(gòu)接地
采用整體金屬結(jié)構(gòu)做接地干線時(shí)，整體金屬結(jié)構(gòu)與供電電源保護(hù)接地線應(yīng)當(dāng)可靠連接。不采用整體金屬結(jié)構(gòu)做接地干線時(shí)，電氣設(shè)備正常情況下不帶電的外露可導(dǎo)電部分應(yīng)當(dāng)直接與供電電源保護(hù)接地線連接。
檢查接地型式，用接地電阻測量儀測量起重機(jī)械接地電阻。測量重復(fù)接地電阻時(shí)，應(yīng)當(dāng)把零線從接地裝置上斷開。檢查是否符合以下要求：
1)采用TN接地系統(tǒng)時(shí)，零線重復(fù)接地每一處的接地電阻不大于10Ω（測量時(shí)把接地線從重復(fù)接地體上斷開）；
2)采用TT接地系統(tǒng)時(shí)，起重機(jī)電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分（電源保護(hù)接地線）的接地電阻不大于4Ω或者起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的接地電阻與漏電保護(hù)器動(dòng)作電流的乘積不大于50V;
3)采用IT接地系統(tǒng)時(shí)，起重機(jī)電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分（電源保護(hù)接地線）的接地電阻不大于4Ω。
1.2定檢規(guī)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)合理性分析
本條標(biāo)準(zhǔn)在文字表達(dá)上前后重復(fù)、混亂。
起重機(jī)械接地方式可以分為采用整體金屬結(jié)構(gòu)作為接地干線和采用專門接地干線兩種方式。采用整體金屬結(jié)構(gòu)作為接地干線時(shí)其接地要求就是B7.3.1兩條要求以及B7.3.2中“采用金屬結(jié)構(gòu)做接地干線時(shí)，整體金屬結(jié)構(gòu)與供電電源保護(hù)接地線應(yīng)可靠連接。”而不采用金屬結(jié)構(gòu)作為接地干線時(shí)，起重機(jī)械需要另外從供電電源接地線處直接引一條接地干線。這種接地方式的要求可以表述為：起重機(jī)械上所有電器設(shè)備正常不帶電的金屬外殼、變壓器鐵芯及其金屬隔離層、穿線金屬管槽、電纜金屬護(hù)層等應(yīng)直接與接地干線相連，不允許出現(xiàn)串聯(lián)形式；起重機(jī)械整體金屬結(jié)構(gòu)也應(yīng)與接地干線可靠連接，且金屬結(jié)構(gòu)上非焊接處也應(yīng)與接地干線相連或采用跨接線處理。
以上內(nèi)容可以合并歸類為“電氣設(shè)備接地”，而B7.3.2中后半部分主要是接地電阻的檢驗(yàn)項(xiàng)目，是否采用金屬結(jié)構(gòu)作為接地干線均適用，與其標(biāo)題“金屬結(jié)構(gòu)接地”是矛盾的，所以應(yīng)當(dāng)分立出來。這樣分類和表述更加合理。
對(duì)于本條標(biāo)準(zhǔn)中是否要去掉起重機(jī)械整體金屬結(jié)構(gòu)作為接地干線相關(guān)部分要求，一律推行采用專用接地干線方式的討論是一個(gè)業(yè)內(nèi)討論的重點(diǎn)。其依據(jù)主要來源于GB 16895.3-2004/IEC 60364-5-54:2002中543.2.3，該條明確規(guī)定“正常使用中承受機(jī)械應(yīng)力的結(jié)構(gòu)部分” “不允許用作保護(hù)導(dǎo)體或保護(hù)連接導(dǎo)體”。而起重機(jī)械整體金屬結(jié)構(gòu)中的主要受力結(jié)構(gòu)件顯然屬于承受機(jī)械應(yīng)力的結(jié)構(gòu)部分，而在《起重機(jī)械安全監(jiān)察規(guī)定》第十條明確將主要受力結(jié)構(gòu)件規(guī)定為“主梁、主副吊臂、主副支腿、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)”，而其他金屬部分的受力情況就很難確認(rèn)。而在GB 16895.3-2004/IEC 60364-5-54:2002中543.2.1規(guī)定“固定安裝的裸露的或者絕緣的導(dǎo)體”可以作為保護(hù)導(dǎo)體的組成部分，因此將起重機(jī)械整體金屬結(jié)構(gòu)作為接地干線的相關(guān)要求去掉是不合理的。而事實(shí)上在實(shí)際檢驗(yàn)過程中采用起重機(jī)械整體結(jié)構(gòu)作為接地干線的情況是十分常見的，由于金屬結(jié)構(gòu)本身均相互連接，形成了類似網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，無法區(qū)分是受力構(gòu)件作為接地干線還是線槽、金屬外護(hù)管、一護(hù)欄等其他金屬部分作為接地干線。因此保留相關(guān)要求是符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際檢驗(yàn)情況的，而實(shí)際檢驗(yàn)實(shí)施中還應(yīng)參照GB 3811-
2008和GB 6067.1-2010中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于本條標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)討論重點(diǎn)就是關(guān)于各接地形式下接地電阻測量以及標(biāo)準(zhǔn)值的合理性與必要性。實(shí)際上主張取消接地電阻標(biāo)準(zhǔn)值的解讀，主要是對(duì)于1）中TN系統(tǒng)中重復(fù)接地電阻標(biāo)準(zhǔn)值10Ω設(shè)置的理解是存在誤解的。該標(biāo)準(zhǔn)值來源實(shí)際為GB16895 .21-2011／IEC 60364-4-41:2005的411.4.1注解中公式RR／RE≤50／(U0 -50)，其中，RB為所有并聯(lián)接地極的接地電阻，RE為當(dāng)線導(dǎo)體通過不連接到保護(hù)導(dǎo)體的外界可導(dǎo)電部分可能發(fā)生接地故障時(shí)的對(duì)地最小接觸電阻，U0對(duì)地標(biāo)稱交流電壓方均根值。因此該條防護(hù)要求是針對(duì)線導(dǎo)體通過不連接到保護(hù)導(dǎo)體的外界可導(dǎo)電部分可能發(fā)生的接地故障，也就是說起重機(jī)帶電導(dǎo)體（如供電電源線）直接接地故障，而非通過外殼或者保護(hù)導(dǎo)體接地。如圖1所示，此時(shí)線
導(dǎo)體W發(fā)生了直接接地故障，電流從線導(dǎo)體W通過接地故障點(diǎn)，以及所有接地保護(hù)導(dǎo)體流回中性點(diǎn)。此時(shí)在中性點(diǎn)與地直接產(chǎn)生電壓差，因?yàn)門N系統(tǒng)中PE線與所有電氣設(shè)備外殼相連，因此這個(gè)電壓將會(huì)表現(xiàn)在所有電氣設(shè)備的外殼上，形成可能造成電擊事故的接觸電壓。而本公式就是要保證該接觸電壓小于等于50V。因此，文獻(xiàn)…對(duì)于該條的論述以及所舉的例子的合理性值得商榷。但是本條文中對(duì)于這個(gè)10Ω的取值的確缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性。該條文源于IEC標(biāo)準(zhǔn)，而IEC標(biāo)準(zhǔn)則借鑒了德國的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在德國計(jì)算RE時(shí)大約為10Ω實(shí)用中不考慮更低的值，因此以U0= 220V計(jì)算RB約為3Ω，因此假設(shè)中性點(diǎn)接地電阻為4Ω，用電設(shè)備兩處重復(fù)接地，滿足10Ω要求，則RB= 2.2Ω小于3Ω。但是，從公式看RB的取值是要完全取決于RE的，而RE的取值則取決于線導(dǎo)體接地故障點(diǎn)的狀況，比如線導(dǎo)體跌落至干燥地面還是潮濕土壤，RE的取值就顯然差別很大，因此確定RB的值也更加困難。因此固定10Ω標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)有失嚴(yán)謹(jǐn)性的，但此條文確有其存在意義的。
從B7.3.2的(2)中的表述中不難發(fā)現(xiàn)， “或者”前后的兩個(gè)保護(hù)選項(xiàng)實(shí)際上是為了起到同一個(gè)目的，也就是當(dāng)對(duì)地短路時(shí)保證金屬外殼電壓小于50V。如果采用漏電保護(hù)器時(shí)，由于動(dòng)作電流整定一般為幾十m A，則對(duì)接地電阻要求是容易滿足的，若采用過電流保護(hù)器或者不采用保護(hù)裝置，故障回路上阻抗即為電源阻抗、線路阻抗、及供電側(cè)和用電側(cè)兩處接地阻抗，則即使?jié)M足了4Ω的要求，金屬外殼上的電壓也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了50V的安全電壓。因此接地電阻4Ω的設(shè)置要求是不合理的。
對(duì)于IT系統(tǒng)而言，為了保證連續(xù)供電的要求，第一次故障時(shí)往往不切斷電源，因此，其接地電阻的設(shè)置應(yīng)當(dāng)要保證在第一次故障發(fā)生時(shí)，故障電流與接地電阻的乘積小于50V，因此單純的設(shè)置接地電阻小于4Ω也是不合理的。
2故障回路阻抗引入的合理性
從前文的分析發(fā)現(xiàn)，定檢規(guī)對(duì)于TT，IT系統(tǒng)接地電阻的要求是基于線導(dǎo)體通過保護(hù)導(dǎo)體（如，接地金屬外殼）發(fā)生接地故障狀態(tài)的，唯獨(dú)對(duì)于TN系統(tǒng)的接地電阻要求是基于線導(dǎo)體直接發(fā)生接地故障的，而實(shí)際上如果TN系統(tǒng)線導(dǎo)體通過保護(hù)導(dǎo)體發(fā)生接地故障時(shí)金屬外殼上的電壓依然是可以造成電擊傷害的非安全電壓，因此引入相關(guān)的接地保護(hù)要求是有必要的。
我國通用低壓配電和電擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，如GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 16895.21-2011／IEC 60364-4-41:2005《低壓電氣設(shè)備第4-41部分：安全防護(hù)電擊防護(hù)》和GB 14050-2008《系統(tǒng)接地型式及安全技術(shù)要求》中對(duì)于TN系統(tǒng)的接地要求中都有涉及線導(dǎo)體通過保護(hù)導(dǎo)體發(fā)生對(duì)地故障的保護(hù)要求。以GB 16895.21-2011／IEC 60364-4-
41:2005中411.4.3表述為例：
保護(hù)電器（見411.4.5）的特性以及回路的阻抗應(yīng)滿足下列要求：
式中：
Zs——故障回路的阻抗，單位為歐(Ω)，它包括下列部分的阻抗：電源；電源至故障點(diǎn)的線導(dǎo)體；故障點(diǎn)和電源之間的保護(hù)導(dǎo)體。
I a ------在411.3 .2.2或411.3 .2.3規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能使切斷電器自動(dòng)動(dòng)作的電流，單位為安(A)。
采用剩余電流保護(hù)器時(shí)，其動(dòng)作電流是按照411.3.2.2或411.3.2.3規(guī)定的時(shí)間內(nèi)切斷電源的剩余動(dòng)作電流；
U0——標(biāo)稱交流或直流線對(duì)地電壓，單位為伏(V)。
將上述公式變換為la≤U0／Zs，其所表達(dá)的含義是保護(hù)電器的動(dòng)作電流應(yīng)當(dāng)小于等于發(fā)生接地故障時(shí)流過故障回路的故障電流，也就是保證一旦發(fā)生接地故障時(shí)保護(hù)電器能夠在標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)間內(nèi)可靠斷開故障回路，避免相關(guān)部件帶電引發(fā)電擊事故。
故障阻抗的引入應(yīng)當(dāng)作為接地保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的增加項(xiàng)，而不能代替現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于TN系統(tǒng)接地電阻的要求�，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的TN系統(tǒng)接地電阻要求是針對(duì)線導(dǎo)體不通過保護(hù)導(dǎo)體直接接地發(fā)生的接地故障，此時(shí)整個(gè)故障回路的電流取決于整個(gè)故障回路的阻抗，包含電源內(nèi)阻、電源至故障點(diǎn)線導(dǎo)體阻抗、電源及所有保護(hù)導(dǎo)體的接地電阻以及故障點(diǎn)的接地電阻，此時(shí)決定保護(hù)電器能否動(dòng)作的關(guān)鍵就在于故障點(diǎn)的接地電阻，如果故障點(diǎn)的接地電阻較大，則故障回路的電流就不足以使保護(hù)電器動(dòng)作，此時(shí)PE線上就會(huì)有電壓存在，因此就需要現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的接地電阻來限制這個(gè)電壓以保護(hù)相關(guān)人員的安全。綜上，故障回路阻抗引入是必要的，而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)接地電阻的要求也是不可缺少的。
3高壓檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)引入的合理性
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)起重機(jī)械的接地要求都是基于低壓配電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來制定的，但起重機(jī)械中大量的港口設(shè)備則是通過大于1kV的高電壓電源來供電的，而隨著接軌國際化的岸基供電系統(tǒng)的建設(shè)和改造，岸基供電電壓也將逐步與國際化接軌采用6.6kV/60Hz供電接口。雖然如GB／T 15361-2009《岸邊集裝箱起重機(jī)》這樣的專門標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接地也提出了相關(guān)要求，但是是對(duì)高低壓接地形式上沒有任何要求。實(shí)際上，高壓供電的起重機(jī)械內(nèi)部往往既有高壓部分也有低壓部分，兩者均需要進(jìn)行接地，而兩者是否獨(dú)立接地對(duì)于接地系統(tǒng)的要求是不同的，如果設(shè)計(jì)上存在隱患就有可能在發(fā)生接地故障時(shí)損壞設(shè)備甚至帶來人身傷害的事故。
GB 5266.3-2005／IEC 60204-11:2000《機(jī)械安全機(jī)械電氣設(shè)備第11部分：電壓高于1000Va.c.或1500Vd.c但不超過36kV的高壓設(shè)備的技術(shù)條件》中對(duì)相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)范。首先在供電系統(tǒng)接地方式的選擇上建議采用“與地隔離，或設(shè)計(jì)成中性點(diǎn)對(duì)地有高阻抗的電源系統(tǒng)”，也就是IT系統(tǒng)，因此要求其“應(yīng)提供接地故障檢測設(shè)備，以便在檢測到接地故障時(shí)發(fā)出警報(bào)”。而對(duì)于用電側(cè)接地形式的規(guī)范上則引用了德國標(biāo)準(zhǔn)HD 637:1999的相關(guān)內(nèi)容。其中對(duì)高低電壓是否共用接地系統(tǒng)的不同要求在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中是少見的，但實(shí)際上這往往會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因?yàn)椴捎肐T系統(tǒng)的供電系統(tǒng)在一次故障時(shí)往往可以繼續(xù)帶電運(yùn)行，如果發(fā)生接地故障部分是高壓部分，由于設(shè)計(jì)不當(dāng)，高壓部分的故障很有可能會(huì)使低壓部分的相關(guān)器件損壞甚至擊穿，導(dǎo)致設(shè)備破壞，因此理解相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并適當(dāng)借鑒可以有效規(guī)范高壓供電起重機(jī)械設(shè)計(jì)。
HD 637：1999中對(duì)高低壓共用接地系統(tǒng)的要求是1）低壓系統(tǒng)上不能出現(xiàn)危險(xiǎn)的接觸電壓；2）低壓設(shè)備的相應(yīng)元器件應(yīng)力電壓不能超過其設(shè)計(jì)值。當(dāng)不能同時(shí)滿足以上兩條時(shí)，必須采用高低壓設(shè)備分開接地的方式，此時(shí)對(duì)兩者接地極之間的距離也有特殊的要求，同時(shí)還應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)措施以避免因?yàn)榻拥貥O與接地極間出現(xiàn)放電電弧致使兩接地極相連的可能性。而在HD 637:1999的相關(guān)條文中是建議采用高低電壓共用接地系統(tǒng)的接地方式的。
4結(jié)束語
我國的起重機(jī)械安全技術(shù)規(guī)范中提出的接地及其檢驗(yàn)要求是必要的，但目前的內(nèi)容設(shè)置及條文表述存在一定的不合理不科學(xué)的問題。同時(shí)，業(yè)內(nèi)對(duì)于相關(guān)內(nèi)容的解讀上也存在一定的誤解。
有必要對(duì)參照國內(nèi)外相關(guān)高低壓供配電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行修改和必要的解讀，以便起重機(jī)械設(shè)計(jì)人員及檢驗(yàn)人員更好的把握安全技術(shù)規(guī)范要求。
