起重机相序保护器的检验及其失效分析

摘要：主要对起重机相序保护器的一种特殊失效模式进行了探讨，该缺陷存在于起重機的设计环节，会导致控制电路中的相序保护器输出端发生短接失效，且现行检验规则采用的通电试验方法无法检出该缺陷。鉴于此，提出了优化的起重机相序保护器合格判定检验方法，并针对使用环节相序保护器被人为短接导致的断错相保护功能失效进行了分析。

关键词：起重机;相序保护器;断错相保护;短接;电路

0 引言

对于起重机的断错相保护功能，《起重机械安全规程 第1部分：总则》（GB 6067.1—2010）第8.3条要求：“当错相和缺相会引起危险时，应设错相和缺相保护。”缺相会导致电动机内部电流剧增，长时间运转会造成电动机异常发热甚至烧损;错相则会使电动机反转，不按规定方向的意外运行有导致事故发生的危险。

起重机主要用于吊运重量大且提升高度高的物件，一旦电动机烧损失去起升动力或者电动机意外反转，导致的事故后果将不堪设想。所以，起重机一般都设置有相序保护器。相序保护器是一种多功能三相电源系统或者三相用电设备的监测和保护仪器，可在电源发生断错相、过欠压等故障时，通过继电器输出形式提供报警输出和保护电路动作输出的触点控制信号，起到报警和保护的作用。然而，由于相序保护器的本体质量（如器件精度）或者供电网络的电压不稳等现实因素，相序保护器会频繁（误）动作而影响起重机的运行使用。因此，在起重机的设计和使用等环节，短接相序保护器使其失效的情形时有发生。

1 设计环节的断错相保护失效分析

《起重机械定期检验规则》（TSG Q7015—2016，以下简称“《检规》”）C8.4“错相和缺相保护”有如下要求：“检查当错相和缺相会引起危险时，是否装设错相和缺相保护。采用通电试验方法，断开供电电源任意一根相线或者将任意两根相线换接，检查有断错相保护的起重机械供电电源的断错相保护是否有效，总电源接触器是否断开。”《检规》提出的通电试验方法，往往被认为是检验起重机断错相保护的“金标准”。然而，在设计环节存在着一种特殊的断错相保护失效模式，仅采用通电试验方法是检验不出来的，需要进一步审查控制电路设计图纸才能发现这一缺陷。下面结合图1的某起重机制造单位出具的控制电路图纸，分析这种失效模式。

1.1    通电试验下，断错相保护功能有效

采用通电试验方法（假设处于地控控制，下同），首先断开起重机的总开关，继而断开供电电源任意一根相线或者将任意两根相线换接，再接通电源，相序保护器APR将动作触发保护使其输出端断开，此时按下启动按钮（停止开关S0处于复位状态），由于控制回路总停的端子1-2断开，总接触器KM的线圈不能得电，总接触器处于断开状态，起重机无法运行。即在通电试验下，该起重机的断错相保护功能是有效的。

1.2    控制回路的总停接通后，断错相保护功能失效

（1）如果相序保护器APR状态正常（无断错相或过欠压等故障发生），则其输出端闭合，当按下启动按钮（停止开关S0处于复位状态），KM线圈得电，KM的一个常开辅助触点（端子3-5）闭合并自锁，KM的另一个常开辅助触点（端子9-2）闭合并短接相序保护器APR的输出端，此时总停接通。

（2）总停接通后，如果三相电路中未接入变压器供电的一相（B1）发生熔断器开路或者该相供电线路断开问题，又或者供电电源电压波动过大，此时虽然相序保护器APR检测出故障并触发保护断开其输出端，但由于其输出端已被KM的一个辅助触点短接，总停的端子9-2处于一直接通的状态，即使相序保护器APR动作保护也已无法使得KM线圈失电。即在控制回路的总停接通后，相序保护器APR的断错相保护功能是失效的。

这种设计很讨巧，因为在控制柜里的相序保护器不会出现明显的短接情形，同时采用通电试验方法也可验证相序保护器的保护功能有效，现场检验时一般也就不会再有所怀疑;但一旦控制回路的总停接通后，相序保护器的输出端会被总接触器的一个常开辅助触点短接，其保护功能将失效。这种设计可保证安装修理作业时，在“断电→拆、装相线→送电”后能有效检测出三相电源的接入错误并触发保护;而在通电运行后，又可屏蔽相序保护器检测精度或者供电网络电压不稳等原因导致的相序保护器（误）动作保护。但是，在控制回路的总停接通后对相序保护器这一电气保护装置的短接是存在安全风险的。例如，当三相电路中未接入变压器供电的一相（B1）而熔断器开路或者该相供电线路断开时，总接触器KM仍然闭合，电动机将缺相运行且有过热烧损的风险。

综上可见，按照《检规》明确的要求和试验方法，该起重机的“错相与缺相保护”检验项目应判为合格。但如果结合控制电路设计图纸一并分析，则这样一个符合《检规》要求的检验结果，却因电气设计缺陷而在某些情况下存在保护失效的安全风险。这既反映了《检规》明确的断错相保护检验方法有其局限性，又凸显了对起重机电气设计图纸的审查有其必要性。

2 使用环节的断错相保护失效分析

在图2中，相序保护器的过欠压故障指示灯常亮，提示电源电压不稳定，存在欠压或者过压问题。经用钳形电流表的交流电压档测量，测得电源输入端三相线之间的电压最小值为301 V，与额定电压值偏差达到-20.7%，供电电源欠压;查阅该型号规格相序保护器的使用说明书，其带有过欠压保护功能，允许的电压波动范围为-20%～15%。可见测得的线电压最小值已超过了相序保护器的欠压保护动作阈值，故相序保护器动作并报故障。采用通电试验方法，断相或逆相下故障提示灯亮，相序保护器动作，但总电源接触器仍然闭合，起重机可如常运行，即断错相保护功能失效。检查相序保护器，发现其输出端接线被短接，两根接线接在同一端子上（NO常开输出端）。据使用单位起重机安全管理人员反映，该区域电网供电电压不稳定，经常导致相序保护器动作而切断起重机的动力回路电源，于是他们采取短接相序保护器的方法屏蔽了过欠压保护功能，但同时也屏蔽了断错相保护功能。

该起重机装设的相序保护器，三相电源依次接入其R、S、T三个接线端;其输出有一常开一常闭两组触点，通过这两组触点的通断变化输出控制信号，实现报警和保护作用。其中NO为常开触点接线端，NC为常闭触点接线端，COM为公共接线端。其失效的原因是：相序保护器接入控制电路的两根接线均被接至NO端，相序保护器输出端被短接，控制电路电流不经相序保护器。此时无论是断错相还是过欠压，相序保护器动作触发的常开常闭触点状态变化输出对控制电路的通断均不产生影响，相序保护器作用失效。该型号相序保护器接入控制电路的正确方法，应该是将其NC端和COM端接入控制电路，即接入常闭触点。当相序保护器动作时，常闭触点断开，切断控制电路供电，则总电源接触器断开，从而实现断错相和过欠压保护功能。

3 结语

从安全角度考虑，起重机的制造、使用等单位不应对相序保护器进行任何形式的短接，以免因断错相保护或者过欠压保护失效而导致意外事故的发生。此外，现行起重机械定期检验规则采用的通电试验方法并非是检验起重机断错相保护功能的“金标准”，建议对该检验项目采用“通电功能试验+电气图纸审查”的方法进行合格判定，从而最大限度地通过检验消除起重机运行使用中的潜在风险。

[参考文献]

[1] 起重机械安全规程 第1部分：总则：GB 6067.1—2010[S].

[2] 起重机械定期检验规则：TSG Q7015—2016[S].

[3] 起重机设计规范：GB/T 3811—2008[S].

[4] 起重机械安全技术监察规程——桥式起重机：TSG Q0002—2008[S].

收稿日期：2021-02-22

作者简介：陈禄辉（1983—），男，广东高州人，工程师，研究方向：特种设备检验检测。