关于数控机床电气安全的测试与改进方法

肖真诗

（通用技术集团 沈阳机床有限责任公司，沈阳 110142）

0 引言

数控机床是一种大型复杂的机、电、液相结合的现代化设备，广泛应用于工业企业。由于其结构复杂，电气元件较多，运行过程中发生的故障也会随之而来，其结果会影响生产效率，严重可能导致人身安全问题。因此，其安全性就显得尤为重要。数控机床电气安全测试，可以检测出问题发生的原因，也可以将这些安全隐患提前预知，规避由于各类原因带来的安全问题。由于其重要性，对于检测人员的要求也较高。检测人员须严格依据国家标准进行安全测试，测试结束后将结果告知设计员、工艺员及相关生产人员，加以改进，符合标准的产品才能投放到市场使用。对于一些特殊情况，可以给终端使用的客户一些使用的意见和建议。

1 电气安全测试实验项目

本文就平时测试中经常测试的4项内容做详细的介绍，分别是绝缘电阻测试、耐电压强度测试、保护接地电路连续性测试和剩余电流测试。

1.1 绝缘电阻测试

绝缘电阻测试是通过对机床动力线路和控制线路中外露可导电部分绝缘性能的测定，也就是绝缘电阻值的测定，来判断机床电气部分的绝缘性能是否符合国家标准GB 5226.1—2008规定值。测试范围包括整机线路、动力线路和控制线路，结果以整机为准。依标准规定在主电源电路和保护接地之间产生500 V的直流电压，测试其绝缘电阻，且要求阻值不得小于1 MΩ[1]，并且测试过程中没有发生过绝缘击穿、飞弧、闪络等现象才算合格。

测试范围也包括供电电压不大于DC50 V或不大于DC71 V的数控系统；测试期间需要将浪涌保护器件拆除，如果不能拆除则要将试验电压降低至浪涌保护器件的电压保护水平，但不低于电源电压（即相线对中线电压）的上限峰值[2]；整个测试过程是在整机电源断电的情况下进行；由于断电情况下一些电磁元件无法接通，需要用线短接所有动力回路中的电器设备的控制线路，包括控制电动机、带有铁芯的电器元件和带有磁性开关的电器（例如变压器、接触器等），需要将它们两端不导通的部分接通，保证整机线路处于接通状态；确定机床电源配电系统的类型，TN-S、TN-C系统之间有区别，很多三相四线制的机床中会将N与PE相连，由于测试是在相线与PE之间进行，所以要将线路中的N与PE彻底断开，否则会形成回路，如图1所示，若相连会影响测试结果，导致实验结果达不到国家标准。

图1 相线与N和PE之间的关系

1.2 耐电压强度测试

耐电压强度测试也是判断机床电气绝缘性能的一项重要指标，当外界发生高压电流渗入的状况，正在运行的设备可能会被击穿，导致正在操作的人员会触电或者由于绝缘失效发生火灾，为了避免这类情况发生，就需要对设备进行耐电压强度的测试。在进行这项测试之前，首先要通过绝缘电阻测试，合格的机床电气设备才能进行这项测试。测试线路的连接方式与绝缘电阻测试相同，都是在相线与PE之间进行，用于测试耐电压强度的实验设备，国标有明确规定，测试电压频率一般为50 Hz，大小为交流1000 V，测试过程中，电压需在2～10 s内均匀地从0 V升至1000 V，并在到达1000 V时保持1～5 s，一般采用5 s，结束后应迅速降至0 V，但不可以突然断电，否则可能发生故障或错误的测试结果。依据GB/T 26676—2011标准规定动力电路部分漏电流不得超过30 mA[3]，测试期间不得发生绝缘击穿、飞弧、闪络等现象才算合格。

不宜经受耐电压强度测试的控制电路，应断开连接；对于数控系统供电电压不低于DC50 V或不低于DC71 V需要单独测试，依据GB/T 26220—2010 试验电压为DC500 V，漏电流不得超过10 mA[4]。

当测试环境相对湿度大于75%时，需要对测试电压进行修正处理，最终修正电压为U=1000k，修正系数公式为

式中：k为测试环境的空气密度修正系数，一般相对湿度不大于75%时，k=1；p0为标准大气压强，p0=101.3 kPa；p为试验环境大气压强，kPa；t0为标准温度，t0=20 ℃；t为测试环境温度，℃。

1.3 保护接地电路连续性测试

该测试是为了保证机床电气的所有保护连接电路都能与保护接地电路接通，且导通性能良好，漏电流能够通过保护接地电路流入大地，防止由于漏电故障发生时，人的身体部位接触到电气设备的外壳处所发生的间接触电事故。

从外观上判断，保护接地铜导线的长度一般不超过28 m[5]，导线截面积要求如表1所示。

表1 外部保护铜导线的截面积

测试时使用的接地电阻测试仪，试验电流按标准规定是在0.2 ～10 A之间，并且每个测试点测试时间一般为10 s，试验结果需满足表2要求[5]。测试点位包括电柜门、变压器、驱动器、稳压器电源、操作面板和外部设备外壳等。

表2 电压降阈值与保护接地导线截面积的关系

1.4 剩余电流测试

该测试是指在机床处于工作状态下的漏电流值测试，将漏电流钳表套在机床或电气元件的保护接地导线上，读取结果，该测试能直接反映出目前机床的漏电流值大小。在笔者实际工作中，经常会接到一些问题反馈跳闸现象，一些客户采用的是30 mA的漏电保护开关，由于机床电气区别于家用电器，某一些品牌的伺服驱动器其本身的漏电流值会偏高，这是由于伺服驱动器工作原理决定的。驱动器在运行中，其输出的电压类型是具有高频的脉宽调制型，因此期间会产生大量的谐波干扰，它们会在电动机绕组与对地之间、电动机的电缆线与对地之间产生电容，继而对地产生了漏电流，并且这些漏电流值会非常高，高出30 mA很多。这种测试能够提前预知机床的漏电流值，在安装前可以与客户沟通，更换漏电保护开关，或更改其接地线路来保证安全。

2 测量的不确定度计算

任何测试都存在着一定的误差，只是影响结果的程度不同。因此测量结果的置信程度，就成为判断测量结果好坏的一个重要的依据。不确定度值越小，结果的置信程度也就越高。下面以绝缘电阻测试举例说明不确定度的计算方法。

2.1 测试条件

环境条件为24 ℃；设备采用HIOKI 3153自动绝缘耐压测试仪；精度为±（2%rdg.+5dgt）；量程为0.01～9999；测量值为电阻；试件为绝缘电阻检测不确定度检测样品。

2.2 数学模型

式中：R为被测电阻实际值；R0为绝缘耐压测仪示值。

2.3 输入量的标准不确定度评定

引发输入量R0的不确定度有两个分支：一是自动绝缘耐压测试仪本身由于最大允差所带来的测量不确定度，设定为u1；二是被测电阻由于测量的重复性所导致的不确定度，设定为u2。

2.3.1 标准不确定度u1的评定（B类）

按辽宁省计量院检定证书书中给出的自动绝缘耐压测试仪最大允许误差为±5%，可得

2.3.2 标准不确定度u2的评定（A类）

对一个样本作绝缘电阻测试重复10次，得到结果如表3所示。

表3 绝缘电阻测试结果mA

则平均值

随机过程的不确定度

标准不确定度

2.4 合成不确定度

2.5 扩展不确定度

取包含因子k=2，则扩展不确定度为

2.6 测量不确定度报告

绝缘电阻测试10次平均值R¯＝13.08 ΜΩ；U=4.6%；k=2。

3 电气安全测试数据分析

3.1 绝缘电阻过低

绝缘电阻测试中可能发生不合格的情况分析：一般当整机测试时，如果测试的数据不合格，可以通过开通关闭每一路电气设备来进行判断，直到找出哪一路出现问题，基本可以判定为该设备的问题，但是在笔者实际测试中有一些现象，例如，某品牌驱动器单独测量每一个驱动器时都合格，但由于其绝缘电阻值过小，只有1 MΩ，在并联的情况下，总电阻会变小。

3.2 耐电压强度泄漏电流过高

耐电压强度测试中可能发生不合格的情况分析：与绝缘电阻判断方法相类似，也通过开通关闭每一路电气设备来进行判断，直到找出哪一路出现问题，但有些情况是，单独测每个元件都合格，但由于漏电流会叠加，整体可能呈现不合格的状态，漏电流过高。

3.3 保护接地电路连续性接地导线压降偏高

保护接地电路连续性测试中可能发生不合格的情况分析：单一元器件电压降偏高时，检查其接地导线截面积是否符合标准要求，接地螺栓是否牢固；整体电压钳偏高时，检查总电源电路的保护接地电路是否符合标准要求，接地螺栓是否牢固。例如，笔者在某次测试中发现，整体的电压降值比其他同类型机床偏高，经检查发现，其总电源的PE线端子（电箱内部电源线接线端子处）未拧紧，导致整体结果偏高。

3.4 剩余电流偏高

剩余电流测试中可能发生偏高的情况分析：可以通过测量每个电气元件的PE线上的漏电流值来判断，一般来说，驱动器的漏电流值会偏高。而实际漏电流偏高与以下几个因素有关：一是与电动机功率的大小对于漏电流的影响成正比，功率越大则漏电流也大；二是与电动机电缆线的长度成正比，电缆越长则漏电流越大；三是与驱动器的调制频率成正比，调制频率越大则漏电流越大；四是与驱动器Y电容成正比，电容越大则漏电流越大。

4 改进建议

4.1 绝缘电阻改进方案

如果有单一电气元件的绝缘电阻不合格的，建议直接更换成合格的电气元件，对于绝缘电阻值合格但较小的元件，建议更换大一些的元件，可以通过阻值计算大小或者直接更换为能达到测试设备上限的元件，笔者在测试过程中发现很多产品都能够达到仪器上限。

4.2 耐电压强度改进方案

耐电压强度与绝缘电阻方法相类似，对于不合格的电气元件建议直接更换成合格的，且漏电流值尽量选择小一些的元件，如果整体不合格，单一元件都合格，建议更换其中占较大比例的元件。

4.3 保护接地电路连续性改进方案

保护接地电路连续性，可以通过更改其接地导线截面积，达到符合标准要求的大小，拧紧接地螺栓。

4.4 剩余电流改进方案

在客户的剩余电流超过30 mA的情况下，有几种方案可供选择。

1）建议其更换剩余电流动作保护器，采用B型剩余电流动作保护器（RCD），由于这种保护器能够完美贴合驱动器的一些特性，特别是针对一些具有三相整流装置的设备能够很好地解决其漏电保护的问题，但是必须要符合国际IEC 60755标准或者DIN VDE 0664-100标准的产品才可以。

2）对于一些客户现有的条件，可能不具备上述的情况，那也可以采用普通的漏电保护开关，在驱动器前加装一个大于0.2 s动作延时且额定剩余动作电流值大于300 mA的漏电保护开关。

3）对于装机容量超过22 kW以上的机床，建议在一般漏电保护开关与驱动器之间加装隔离变压器能有效避免一般漏电保护开关误动作。

4）如果客户实在无条件安装剩余电流动作保护器，则不必安装。但是一定要按EN 50178标准要求，将驱动器外壳接地做到可靠牢固，并保证驱动器与其它设备共地、等电位，且接地导线的截面积应为普通接地线的2倍，或至少截面积要在10 mm2以上，接地电阻小于4 Ω。

5 测试能力的提升

5.1 人员能力提升

通过加强现有人员培养与深造，努力提高实验人员检测和分析能力；横向协同高校科研院所高水平人员，带动学科能力建设。积极和高水平院校及检测仪器供应商交流，通过内外部人员的整合和协同，推进实验测试能力、实验数据分析能力、机床问题挖掘及整改优化能力提升。

5.2 优化设备

由于检测设备经过长期使用，很可能出现设备老化、部件磨损等不同程度的问题，影响测试效率和准确性。同时，伴随技术进步，检测设备的功能和性能也在不断升级。为了适应日益增长的测试需求，应对检测设备进行补充和提升。

5.3 优化检测环境

为保障检测数据的准确性和产品装配的精度，在条件允许的情况下应对测试车间进行恒温改造升级，对已经损坏的公共设施等进行维修，尝试配套智能化车间管控系统对车间进行管理。

5.4 引入管理软件

引入实验室管理软件，全面管理实验数据、实验仪器等，提升信息化管理水平。

6 结语

电气安全无小事，聚焦主营整机产品及核心功能部件，从产品基础性能、单项技术研究、供应商准入和质量管控、解决现场实际问题等方面，开展新品及量产产品的测试、优化、分析工作。同时在测试过程中逐步建立标准化的产品测试方案和流程，梳理流程化的问题分析方法，通过测试快速发现问题，与设计、生产和工艺部门协同研究，快速找到解决方案，逐步建立的“测试-分析-反馈-改进-再测试”工作闭环，服务机床产品品质提升。为此，本文对数控机床电气安全测试做了详细的阐述，对测试方法、实际案例原因分析、结果研究做出改进建议，对实际测试、结果评价、电气设计和机床电气的使用都具有指导意义。