依据标准探讨机床电气回路保护应用

何江涛

(北京北一机床股份有限公司研发中心，北京101300)

一台机床的电气设计、安装和使用过程中，必然会遇到诸如电气回路选择什么规格电缆、什么规格断路器(或熔断器)，电气元器件适用何种技术条件等一般问题;也会遇到机床功能异常、电气装置失效等偶发问题。分析问题的原因，都会涉及到相关机床电路保护的技术内容，合理处理这个问题，需要工程技术人员较细致的技术确认。机床作为商品，这种技术确认的依据除必要的基础知识外，必须遵循相关的国家标准、行业标准和企业标准。

标准作为科学、技术和实践经验的集大成者，是引导各个领域发展的技术基础和依据。ISO、IEC以及各个国家地区的标准化组织对应各个领域状况制订了完备的标准体系和各类标准，不仅在协调全球经济贸易方面起到关键性作用，同时也对各个领域的人类科学技术发展的成果进行了总结。如何利用标准，并形成一套科学、便于操作的处理方法，对解决工程技术问题(如:机床电气研发、生产和使用等)具有普遍的现实意义。并且实践证明，只有依据相关标准，才是形成便捷工作方法的途径。

对于装备制造业，机床电气设备的技术要求必须遵守标准 GB5226.1–2008(机械电气安全－机械电气设备－通用技术条件(IEC 60204.1－2005 IDT))，该标准涵盖了机床电气设备所涉及各项技术和安全规范，一些定性定量技术要求可在其规范性引用文件中得到具体体现。其中，机床电气设备相关电气回路保护问题，在实际机床电气设备中最为常见，也最容易被忽视。严重的机床电气回路故障会导致电击、火灾以及设备失效等事故，会造成人员伤亡和财产损失。因此，在实际机床电气设计、生产和机床使用过程中，必须明确机床电气回路相关的技术条件和实施的正确方法，以此保证机床安全可靠地运行。

1 机床电气回路相关的技术条件

对于数控机床，一般情况下，机床电气设备由数控单元、人机操作单元、伺服系统、测量系统、可编程逻辑控制系统、必备的机床电气回路和电柜等部分组成。其中，机床电气回路可分为动力电路、控制电路、保护联结电路等。

动力电路和控制电路主要按实际需求，实现机床电气设备的配电、加电/断电和急停控制等功能。其构成要素有保护器件、控制器件、线缆、连接器(端子排或汇流排)和耗能器件。依据标准，动力电路和控制电路需满足的功能可简述为:当电路发生过载或短路故障时，电气回路能安全可靠地自动切断电力输出，避免发生电击、火灾以及设备失效所造成的人员伤亡和财产损失事件的发生。

保护联结电路是为防止间接接触的电击而连接在一起的保护导线;另外，功能联结电路是为避免因电磁骚扰引起的系统非正常运行而连接在一起的保护导线，两者的保护导线可独立排布，在电源引入端的保护接地排位置，可连接或不连接(有外部功能接地导体)在一起。其构成要素有电气装置外壳、安装底板、保护接地汇流排和保护地线等。依据标准，保护联结电路需满足的技术条件可简述为:“树形(Y型)”排布连接，保持接地连续性。

对于一台机床电气设备来说，动力电路和保护联结电路不仅包括机床电气设备本身，还应综合考虑机床电气设备安装所在的建筑物配给的电网容量、电压和接地装置实际情况。数控机床应用的普及，应重视电网供电电源的接地装置技术条件，可参照GB 50169–2006《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》的3.11节和相关部分进行接地装置的功能确认或优化的要求，以及电力行业标准DL/T621《交流电气装置的接地》相关接地装置敷设等问题的应对要求，尤其对接地电阻规定值、跨步电位差和接触电位差等参数评定值的综合考虑，以满足机床电气设备的保护接地和EMC要求。

2 机床电气电路保护的说明和理解

2.1 保护联结电路

保护联结电路的设置是确保人和设备安全以及设备电磁兼容性的一项基本技术条件，只要确保机床电气设备的保护导体的截面积要求和保护连接的连续性，以及标准提及的相关事项，便可满足要求。

一般情况，根据供电相线规格，选择保护导线。铜保护导线的选择可参照表1规定，铝保护导线载面积不得小于16 mm2。对于电气装置对地泄漏电流大于10 mA a.c.(或 d.c.)的电气装置，例如一些调速变频装置等，可要求保护导线截面积的和大于10 mm2(铜)或16 mm2(铝)，或附加保护导线，或采取限制较大对地泄漏电流的措施。

表1 保护导体(铜)的最小截面积

2.2 动力电路和控制电路

根据动力电路或控制电路构成要素组成的各种机床电气回路，按功能主要分为配电传输电能的电气回路和实现功能通断/急停控制的电气回路，动力电路或控制电路保护就是对这些电气回路的保护和能耗器件的保护，即在能耗器件过载或和回路发生故障的过流状态下，防止电击、损伤器件以及防止发生火灾。为达到电气回路保护，就是在电气回路出现过载和过流状态下，保护器件(熔断器/断路器)可靠切断电路，回路导线和能耗器件不损伤，便捷的操作方法也就是恰当地选择保护器件和线缆。

参照GB 5226.1－2008的附录D，相关保护器件和导线选择协调的内容和理解在以下详述，以便得出电路保护和实际应用的技术依据。

(1)线路过载保护

表2 铜导线允许的最高温度和K系数

表3 相关标准中保护器件过载边界值的规定

可参照下列公式(1)和(2)

其中:Ib为线路负载的计算电流，A;In为保护器件(熔断器熔体或断路器)额定电流或整定电流，A;Iz为线缆导体连续工作时的有效载流容量，A，需考虑温度、集聚安装和多芯电缆等因素的减额系数;I2为在规定的时间范围内，保证保护器件有效动作的最小电流，A。

(2)线路的过流保护可参照公式(3):

其中:t为切断负载电路时间;K为绝缘铜导线系数(表2);S为导线截面积，mm2;I为交流均方根值表示的短路电流，A。

(3)线路过载/过流公式的理解

线路过载保护需同时满足公式(1)和公式(2)的条件，线路过流(短路)保护还需满足公式(3)条件，即理想的电气回路保护需同时满足这3个条件。

公式(1):说明线路过载保护首先要确定线路负载的计算电流，再确定保护器件额定电流范围，然后根据保护器件额定电流确定线缆导体的截面积，在电路设计和生产时，此条件较容易达到。应对实际保护器件和线缆规格的选择，可参照3节的步骤操作。

公式(2):保护器件实际的特征曲线是离散的，曲线由边界值定义，按相关标准规定(见表3):I1(或Inf)表示保护器件约定不动作的电流值;I2(或If)表示保护器件约定动作(断开或脱口)的电流值，I2的取值应小于1.45Iz。构成电气电路的线缆在其有效载流容量1.45倍以下工作时，可能存在一定风险，在标准中出现这样的结果，电线电缆的标准的制定、制造及检验可理解为是经过协调处理的。这样，当电线电缆过载/过流时，在标准规定的约定时间内应能保证其性能。

公式(3):①一般机床电气回路的过流状态(短路电流)的界定，可根据2.5～12倍的In计算值(或5 kA)来判定，结合保护器件的短路分断能力和级间短路保护等要求选择其具体类型;②为满足GB 5226.1－2008中7.2节相关防护过电流的要求，即使导线在达到表2中T1max.所示最高温度之前，切断负载电路，即短路电流的持续时间。通常，依据GB 5226.1－2008附录 A.1节要求:t≤5 s;③对于机床电气设备对低压配电网的短路电流及分断联结要求，可参照标准IEC60364－4－43/IEC60364－5－52《建筑物电气装置》相关内容。

3 机床电气电路保护便于操作的具体方法

(1)相关数据表

为便于电气设计、生产和使用，综合相关标准的内容，制定表4(保护器件额定电流和相线导体载流量一览表)。表中列出了保护器件额定电流值对应的导线截面积在不同敷设情况连续工作时载流量，可起到线路保护作用。

(2)相关线路保护的实际操作步骤

步骤1:线路负载状态，计算线路负载电流Ib;

步骤2:根据计算获得的负载电流，依据公式(1)和表4，确定保护器件的额定值In范围;

步骤3:根据保护器件的额定值范围，选择导体在敷设状态下的承载值Iz，使其满足公式(1)的条件;

步骤4:根据表3，选择保护器件的种类，按给定条件，计算I2或If，并判断公式(2)条件是否成立，如果不成立，一是根据具体的保护器类型调低细分额定值，二是增大一档导体规格，并确认所选保护器件和导线同时满足公式(1)和公式(2)。例如控制电路，线缆一般使用0.75 mm2和1 mm2，线路保护器的额定值都在10 A以下，除考虑负载器件的保护外，同时可满足线路保护;

步骤5:按公式(3)计算t时间，使其满足t≤5 s，如果不满足，根据具体的保护器类型，选择其短路判定阈值较小等级或选择其为瞬动型(具体考虑级间保护等要求，必要时和保护器件供应厂家协商解决);

(3)举例:

例1:某一机床液压装置电气主回路，泵组电动机额定功率为7.5 kW。计算:电流Ib=15.5 A;参照表4，保护器件用断路器，预选额定电流20 A档，细分选择In=16 A，对应选择PVC电缆导线截面积为2.5 mm2，在B2的敷设方式，Iz=21 A，满足公式(1);参照表3，计算断路器I1=1.05×16=16.8 A，I2=1.30×16=20.8 A;1.45×Iz=1.45×21=30.45 A，可判断满足公式(2);若短路电流按10In，t=(115 ×2.5/160)2≈3 s，满足 t≤5 s。

结论:此电动机主回路选择断路器(额定电流20 A档)和电缆PVC 3根2.5 mm2的规格基本合理。

例2:某一机床配电回路计算负载电流Ib=48 A;参照表4，保护器件用熔断器，预选额定电流50/63 A档，In=50 A，对应选择PVC电缆导线截面积为10 mm2，在 B2 的敷设方式，Iz=50 A，满足公式(1);参照表3，计算断路器 Inf=1.25×50=62.5 A，If=1.60×50=80 A;1.45×Iz=1.45×50=72.5 A，不满足公式(2)，增大一档PVC电缆导线截面积为16 mm2，在B2的敷设方式，Iz=68 A，核算1.45×Iz=1.45×68=98.6 A，满足公式(1)和(2);配电回路短路电流按5 kA，t=(115 ×16/5 000)2≈0.1 s，满足 t≤5 s。

结论:此配电回路选择熔断器(额定电流50 A)和电缆(PVC 3根16 mm2)的规格基本合理。

4 结语

通过对机床电气设备中电气回路保护的技术条件和以上实施方法的实际应用，基本能较方便地指导和确认机床电气回路保护的技术问题。对此类最常见、最容易被忽视的技术问题，依据相关标准，可以找到一个合理的、定量的操作方法，从而提高工作质量和效率。同样，加强标准的研究和应用，也是机床研发制造和技术创新的必经之路。