起重机械接地检验探讨

2016-04-22仇佳捷张志坚石琪晟虞伟杰

中国特种设备安全 2016年3期

关键词：接地保护起重机械

仇佳捷张志坚柯韬石琪晟虞伟杰俞朝

（宁波市特种设备检验研究院宁波 315048）

起重机械接地检验探讨

仇佳捷张志坚柯韬石琪晟虞伟杰俞朝

（宁波市特种设备检验研究院宁波 315048）

摘要：针对起重机械安全技术规范中对接地检验要求和对有关条文解读存在偏差，深入分析了起重机械接地检验要求的必要性与合理性；探讨了引入故障回路阻抗以及高压供电接地相关要求的必要性。

关键词：起重机械接地保护故障回路阻抗高压接地系统

Discussion on Earthing Inspection of the Crane

Qiu Jiajie Zhang Zhijian Ke Tao Shi Qisheng Yu Weijie Yu Chao
( Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute Ningbo 315048)

Abstract There are lots of irrationalities about the requirements of earthing inspection in the existing safety technology specifi cations, and there is some misunderstanding about those clauses. The necessity and rationality of those earthing inspection requirements is analyzed, and the necessity of import relevant standards about the fault loop impedance and earthing system of high-voltage is discussed.

Keywords Crane Earthing protection Fault loop impedance Earthing system of high voltage

起重机械的接地检验是以TSG Q7015—2008《起重机械定期检验规则》及其第1号修改单（以下简称“定检规”）附录B7.3的相关要求来实施的，但对于定检规接地项目检验要求的合理性也有业内人士提出了质疑[1]。

接地保护作为起重机械一种主要的间接接触防护形式，其目的是保护起重机械作业人员以及其他人员免受电击伤害。接地保护配合合适的保护电器可以形成一套较好的间接接触防护措施[2]，以达到保护相关人员人身健康和生命安全的目的。本文从接地保护设立的目的出发，结合我国通用低压配电标准以及电击防护标准对现行定检规中值得商榷的地方进行探讨。同时本文还对1kV以上10kV以下高压供电的起重机械接地保护的相关要求进行了分析，随着港口国际标准电压的推行改造，将高压供电起重机械接地保护相关要求编入定检规也有其一定的合理性和必要性。

1 现行起重机接地检验标准分析

1.1定检规接地检验标准要求

定检规B7.3项对于起重机械电气设备接地的要求描述为[3]：

B7.3.1 电气设备接地

检查用整体金属结构做接地干线时，金属结构的连接有非焊处，是否采用另设接地干线或者跨接线的处理；

检查起重机械上所有电气设备正常不带电的金属外壳、变压器铁芯及金属隔离层、穿线金属管槽等是否与金属结构间有可靠的接地连接。

B7.3.2 金属结构接地

采用整体金属结构做接地干线时，整体金属结构与供电电源保护接地线应当可靠连接。不采用整体金属结构做接地干线时，电气设备正常情况下不带电的外露可导电部分应当直接与供电电源保护接地线连接。

检查接地型式，用接地电阻测量仪测量起重机械接地电阻。测量重复接地电阻时，应当把零线从接地装置上断开。检查是否符合以下要求：

1）采用TN接地系统时，零线重复接地每一处的接地电阻不大于10Ω（测量时把接地线从重复接地体上断开）；

2）采用TT接地系统时，起重机电气设备的外露可导电部分（电源保护接地线）的接地电阻不大于4Ω或者起重机械金属结构的接地电阻与漏电保护器动作电流的乘积不大于50V；

3）采用IT接地系统时，起重机电气设备的外露可导电部分（电源保护接地线）的接地电阻不大于4Ω。

1.2 定检规检验标准合理性分析

本条标准在文字表达上前后重复、混乱。

起重机械接地方式可以分为采用整体金属结构作为接地干线和采用专门接地干线两种方式。采用整体金属结构作为接地干线时其接地要求就是B7.3.1两条要求以及B7.3.2中“采用金属结构做接地干线时，整体金属结构与供电电源保护接地线应可靠连接。”而不采用金属结构作为接地干线时，起重机械需要另外从供电电源接地线处直接引一条接地干线。这种接地方式的要求可以表述为：起重机械上所有电器设备正常不带电的金属外壳、变压器铁芯及其金属隔离层、穿线金属管槽、电缆金属护层等应直接与接地干线相连，不允许出现串联形式；起重机械整体金属结构也应与接地干线可靠连接，且金属结构上非焊接处也应与接地干线相连或采用跨接线处理。

以上内容可以合并归类为“电气设备接地”，而B7.3.2中后半部分主要是接地电阻的检验项目，是否采用金属结构作为接地干线均适用，与其标题“金属结构接地”是矛盾的，所以应当分立出来。这样分类和表述更加合理。

对于本条标准中是否要去掉起重机械整体金属结构作为接地干线相关部分要求，一律推行采用专用接地干线方式的讨论是一个业内讨论的重点。其依据主要来源于GB 16895.3—2004/IEC 60364-5-54:2002 中543.2.3，该条明确规定[4]“正常使用中承受机械应力的结构部分”“不允许用作保护导体或保护连接导体”。而起重机械整体金属结构中的主要受力结构件显然属于承受机械应力的结构部分，而在《起重机械安全监察规定》第十条明确将主要受力结构件规定为“主梁、主副吊臂、主副支腿、标准节”，而其他金属部分的受力情况就很难确认。而在GB 16895.3—2004/IEC 60364-5-54:2002中543.2.1规定“固定安装的裸露的或者绝缘的导体”可以作为保护导体的组成部分，因此将起重机械整体金属结构作为接地干线的相关要求去掉是不合理的。而事实上在实际检验过程中采用起重机械整体结构作为接地干线的情况是十分常见的，由于金属结构本身均相互连接，形成了类似网状的结构，无法区分是受力构件作为接地干线还是线槽、金属外护管、护栏等其他金属部分作为接地干线。因此保留相关要求是符合相关标准及实际检验情况的，而实际检验实施中还应参照GB 3811—2008和GB 6067.1—2010中的相关标准。

对于本条标准的另一个讨论重点就是关于各接地形式下接地电阻测量以及标准值的合理性与必要性。实际上主张取消接地电阻标准值的解读，主要是对于1）中TN系统中重复接地电阻标准值10Ω设置的理解是存在误解的。该标准值来源实际为GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41:2005的411.4.1注解中公式[5]，其中，为所有并联接地极的接地电阻，为当线导体通过不连接到保护导体的外界可导电部分可能发生接地故障时的对地最小接触电阻，为对地标称交流电压方均根值。因此该条防护要求是针对线导体通过不连接到保护导体的外界可导电部分可能发生的接地故障，也就是说起重机带电导体（如供电电源线）直接接地故障，而非通过外壳或者保护导体接地。如图1所示，此时线导体W发生了直接接地故障，电流从线导体W通过接地故障点，以及所有接地保护导体流回中性点。此时在中性点与地直接产生电压差，因为TN系统中PE线与所有电气设备外壳相连，因此这个电压将会表现在所有电气设备的外壳上，形成可能造成电击事故的接触电压。而本公式就是要保证该接触电压小于等于50V。因此，文献[1]对于该条的论述以及所举的例子的合理性值得商榷。但是本条文中对于这个10Ω的取值的确缺乏严谨性。该条文源于IEC标准，而IEC标准则借鉴了德国的相关经验[6]，在德国计算时大约为10Ω实用中不考虑更低的值，因此以计算约为3Ω，因此假设中性点接地电阻为4Ω，用电设备两处重复接地，满足10Ω要求，则小于3Ω。但是，从公式看的取值是要完全取决于的，而的取值则取决于线导体接地故障点的状况，比如线导体跌落至干燥地面还是潮湿土壤，的取值就显然差别很大，因此确定的值也更加困难。因此固定10Ω标准值时有失严谨性的，但此条文确有其存在意义的。

图1　TN系统线导体直接接地故障示意图

从B7.3.2的（2）中的表述中不难发现，“或者”前后的两个保护选项实际上是为了起到同一个目的，也就是当对地短路时保证金属外壳电压小于50V。如果采用漏电保护器时，由于动作电流整定一般为几十mA，则对接地电阻要求是容易满足的，若采用过电流保护器或者不采用保护装置，故障回路上阻抗即为电源阻抗、线路阻抗、及供电侧和用电侧两处接地阻抗，则即使满足了4Ω的要求，金属外壳上的电压也远远超出了50V的安全电压。因此接地电阻4Ω的设置要求是不合理的。

对于IT系统而言，为了保证连续供电的要求，第一次故障时往往不切断电源，因此，其接地电阻的设置应当要保证在第一次故障发生时，故障电流与接地电阻的乘积小于50V，因此单纯的设置接地电阻小于4Ω也是不合理的。

2 故障回路阻抗引入的合理性

从前文的分析发现，定检规对于TT，IT系统接地电阻的要求是基于线导体通过保护导体（如，接地金属外壳）发生接地故障状态的，唯独对于TN系统的接地电阻要求是基于线导体直接发生接地故障的，而实际上如果TN系统线导体通过保护导体发生接地故障时金属外壳上的电压依然是可以造成电击伤害的非安全电压，因此引入相关的接地保护要求是有必要的。

我国通用低压配电和电击防护标准，如GB 50054—2011《低压配电设计规范》、GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41:2005《低压电气设备第4-41部分：安全防护电击防护》和GB 14050—2008《系统接地型式及安全技术要求》中对于TN系统的接地要求中都有涉及线导体通过保护导体发生对地故障的保护要求。以GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41:2005中411.4.3表述为例：

保护电器（见411.4.5）的特性以及回路的阻抗应满足下列要求[5]：

式中：

采用剩余电流保护器时，其动作电流是按照411.3.2.2或411.3.2.3规定的时间内切断电源的剩余动作电流；

故障阻抗的引入应当作为接地保护标准的增加项，而不能代替现有标准中对于TN系统接地电阻的要求。现有标准规定的TN系统接地电阻要求是针对线导体不通过保护导体直接接地发生的接地故障，此时整个故障回路的电流取决于整个故障回路的阻抗，包含电源内阻、电源至故障点线导体阻抗、电源及所有保护导体的接地电阻以及故障点的接地电阻，此时决定保护电器能否动作的关键就在于故障点的接地电阻，如果故障点的接地电阻较大，则故障回路的电流就不足以使保护电器动作，此时PE线上就会有电压存在，因此就需要现行标准中的接地电阻来限制这个电压以保护相关人员的安全。综上，故障回路阻抗引入是必要的，而现行标准中对接地电阻的要求也是不可缺少的。

3 高压检验标准引入的合理性

现行标准中对起重机械的接地要求都是基于低压配电的相关标准来制定的，但起重机械中大量的港口设备则是通过大于1kV的高电压电源来供电的[7]，而随着接轨国际化的岸基供电系统的建设和改造，岸基供电电压也将逐步与国际化接轨采用6.6kV/60Hz供电接口。虽然如GB/T 15361—2009《岸边集装箱起重机》这样的专门标准[8]对接地也提出了相关要求，但是是对高低压接地形式上没有任何要求。实际上，高压供电的起重机械内部往往既有高压部分也有低压部分，两者均需要进行接地，而两者是否独立接地对于接地系统的要求是不同的，如果设计上存在隐患就有可能在发生接地故障时损坏设备甚至带来人身伤害的事故。

GB 5266.3—2005/IEC 60204-11:2000《机械安全机械电气设备第11部分：电压高于1000Va.c.或1500Vd.c但不超过36kV的高压设备的技术条件》中对相关项目进行了详细的规范。首先在供电系统接地方式的选择上建议采用[9]“与地隔离，或设计成中性点对地有高阻抗的电源系统”，也就是IT系统，因此要求其“应提供接地故障检测设备，以便在检测到接地故障时发出警报”。而对于用电侧接地形式的规范上则引用了德国标准HD 637:1999的相关内容。其中对高低电压是否共用接地系统的不同要求在国内标准中是少见的，但实际上这往往会影响到系统的正常运行。因为采用IT系统的供电系统在一次故障时往往可以继续带电运行，如果发生接地故障部分是高压部分，由于设计不当，高压部分的故障很有可能会使低压部分的相关器件损坏甚至击穿，导致设备破坏，因此理解相关标准并适当借鉴可以有效规范高压供电起重机械设计。

HD 637:1999中对高低压共用接地系统的要求[10]是1）低压系统上不能出现危险的接触电压；2）低压设备的相应元器件应力电压不能超过其设计值。当不能同时满足以上两条时，必须采用高低压设备分开接地的方式，此时对两者接地极之间的距离也有特殊的要求，同时还应设置相应的保护措施以避免因为接地极与接地极间出现放电电弧致使两接地极相连的可能性。而在HD 637:1999的相关条文中是建议采用高低电压共用接地系统的接地方式的。