关于起重机械检验中接地问题的探讨

张剑敏 刘庆福 王秀民

（东营市特种设备检验研究院 东营 257000）

起重机械接地保护的目的是在设备发生接地故障时能够及时快速地将故障电路切除或降低接地故障时的人身伤害。但是,由于从业人员的水平差异以及对标准的理解存在分歧,造成了设备检验时很难对检验结果做出一个合理的判定,从而会影响设备的安全使用。在此,笔者结合多年起重机检验经验对适用标准以及起重机械检验中的接地问题进行探讨。

1 相关标准对起重机接地的规定

GB/T 3811—2008《起重机设计规范》中7.4.10.2条要求起重机所有电气设备的金属外壳、金属导线管、金属支架及金属线槽等均应可靠接地。宜采用专门设置的接地线,保证电气设备的可靠接地。7.4.10.4条要求严禁用接地线作为载流零线。

GB/T 6067.1—2010《起重机械安全规程 第1部分：总则》中8.8.1条要求交流供电起重机电源应采用三相（3Φ+PE）供电方式。设计者应根据不同电网采用不同型式的接地故障保护,并由用户负责实施。8.8.3条要求起重机械所有电气设备外壳、金属导管、金属支架及金属线槽均应根据配电网情况进行可靠接地（保护接地或保护接零）。

GB/T 5031—2019《塔式起重机》中5.5.2.3 条要求应采用TN-S接零保护系统供电。工作零线应与塔机的接地线（保护零线）严格分开。

GB 10055—2007《施工升降机安全规程》中13.4条要求施工升降机金属结构和电气设备的金属外壳均应接地,接地电阻不超过4 Ω。

1.1 标准中关于接地的术语过时，未能对接国际标准术语

起重机各标准中关于接地的要求仍然停留在过时的术语表述中。我国标准化法已明确要求采用国际标准,我国现行国家和电力行业电气工程设计规范和标准已等效或等同采用国际电工委员会（IEC）标准[1]。不再使用“零线”“接地线”等概念不清的术语,改为含义更为清晰的“N线”“PE线”的国际术语,尤其GB/T 6067.1—2010中8.8.3条提到了保护接地或保护接零的说法,“保护接地”在标准中其本意是指TT系统的单独接地型式,“保护接零”则是指TN系统的接地线保护型式,但是“保护接零”的说法却无法准确地区别出TN系统中TN-S、TN-C、TN-C-S三种型式,名词术语及概念不够严谨,导致检验人员对标准实质含义的理解出现偏差,不利于检验工作中接地问题的结论判定。

1.2 标准中各类型起重机关于接地的要求不统一，内容差异较大

同样是起重机械用电设备的接地要求,内容却不统一,各类型起重机在系统接地型式选择方面有的是根据不同电网采用不同型式的接地故障保护；有的起重机只能选择一种类型的接地故障保护,例如：塔式起重机按照标准GB/T 5031—2019中5.5.2.3 条要求应采用TN-S接零保护系统供电；在施工升降机的GB 10055—2007要求中只是简单地提到“施工升降机金属结构和电气设备的金属外壳均应接地,接地电阻不超过4 Ω。”至于其选择的型式未做详细的阐释；而GB/T 6067.1—2010规定“设计者应根据不同电网采用不同型式的接地故障保护”。相关标准对起重机接地要求的不统一,表述含糊,及其要求内容的较大差异,都对检验结论的精准判断产生影响。

1.3 标准对接地的要求只侧重了接地型式而忽视了故障保护方式的选择

采用接地保护的初衷是用电设备在发生接地故障时,供电系统能快速自动地将故障电路切除或降低接地故障对人身的伤害,确保设备及人身安全。然而仅靠采用什么型式的接地系统本身不能达到这一保护要求,迅速自动切除故障电路还需要接地故障保护装置的配合,接地型式只是能够在发生设备接地故障时创造一个条件使接地故障保护装置迅速做出动作,共同完成保护设备及人身安全的任务。标准中只是侧重性地强调了接地保护应选用的接地类型而未谈及对接地故障保护装置的配合使用。

2 检验中接地问题处理方案的探讨

检验中,尤其老旧车间内新装及移装起重机的监检或首检中,由于老旧车间供电系统及设备本身老旧等因素的影响,起重机接地的检验过程中会出现较多问题,而对这些问题的整改方案每个人都有各自的理解,现就常遇到的接地问题的处理方案做如下探讨：

2.1 老旧车间新装起重机遇到的TN-C供电系统三相不平衡问题

由于TN-C系统存在一个防护缺陷,即线路中出现仅有单项用电设备以及三相负载不平衡时[2],会造成所有采取保护的设备金属外壳带电,给人员触电带来较大的风险。

由于老旧车间内的供电系统较多地使用TN-C供电系统,且车间内三相用电设备及单项用电设备繁多,这就造成了车间供电系统经常出现三相负载不平衡的情况,当三相负载不平衡时,TN-C供电系统的PEN线上就会出现不平衡电流,从而造成起重机使用过程中会经常出现吊钩带电问题。然而,重新铺设电缆采用防护性能更好的TN-S系统的做法耗时耗力,耽误生产,增加较大资金投入,能否采取其他措施整改值得探讨。

●2.1.1 对PEN线进行拆分处理的方案分析

从起重机配电柜起对供电系统中的PEN线进行拆分,分出独立的PE线和N线,N线承担载流功能,PE线进入起重机接地保护。实际上这种整改方案就是把原来的TN-C供电系统变成了TN系统中较为特殊的TN-C-S系统。从针对接地故障防护相对灵敏的剩余电流动作保护装置（RCD）的工作原理可知,保护接地导体不能穿过保护装置,否则其将无法检测出故障电流而不动作,因此TN-C系统中作为中性线(N线)与接地线（PE线）二合一的PEN线将无法与RCD搭配使用。但是,将PEN线拆分使用使得TN-C系统变为TN-C-S系统后,N线与PE线就相互独立不再电气连接,从而为采用RCD装置创造了条件,当供电系统再次出现三相负载不平衡而造成设备外壳带电伤人时,RCD就能起到很好的防护作用。

●2.1.2 对起重机进行单独接地保护的可行性探讨

从车间外部单独做接地桩引入PE线接到起重机配电柜内,对起重机进行单独接地保护的方案比较易于执行。这时起重机的金属结构及用电设备都与引入的PE线有效连接进行接地保护,此时的PE线是独立于电源中性点的,其本质也就是从起重机开始供电系统由TN系统变为TT系统。

同一供电系统中能否将TN系统与TT系统混用？有人认为TN、TT、IT各系统不兼容、不能混用,其实从系统接地型式的概念和防护意义就能明白实际并不存在这样的问题。以TN系统与TT系统为例,有人认为不能混用,其原因是TN系统中在发生相线与地的短路故障时,可以形成一个阻抗足够小的回路,以保证能在回路中产生足够大的短路电流（能达100～1 000 A）,从而能在规定的时间内使回路中的过电流保护装置动作,切断回路故障状态下的供电,TN系统常与过电流保护装置搭配完成保护,图1多种供电系统兼容使用示意图中起重机仅仅采取与PE线连接保护措施的话,假如起重机发生接地故障,则在相线—起重机—PE线及接地点—电源中性点接地点—PEN线就形成一回路。单独接地的接地电阻要求为R1不大于4 Ω,电源中性点接地的接地电阻要求R0也不大于4 Ω,取最大值演算时起重机单根相线发生接地故障时的故障电流[3]Ie=220 V/(4+4) Ω=27.5 A,故障电流远小于电源系统过电流保护装置的动作电流,就存在过电流保护装置不动作的可能,从而造成PEN线带有近似110 V的对地电压,进而对人身安全产生较大安全隐患,显然在TN系统中部分设备仅仅采用直接单独接地而未更新故障保护方式的做法不可取。

图1 多种供电系统兼容使用示意图

那么,举例中的TN系统与TT系统就真的不能混用吗？[4]JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》中12.2.7条要求“应根据系统安全保护所具备的条件,并结合工程实际情况,确定系统接地型式。在同一低压配电系统中,当全部采用TN系统有困难时,也可部分采用TT系统接地型式。采用TT系统供电部分均应装设自动切除接地故障的装置（包括剩余电流动作保护装置）或经由隔离变压器供电。自动切除故障的时间,应符合有关规定。”虽然JGJ 16—2008被后来的GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》所代替,但是GB 51348—2019中12.4.2条规定“低压配电系统的接地型式应根据系统电气安全防护的具体要求确定”,标准规定接地型式的选用原则是确保电气的安全防护,当原有的供电系统在特定的条件或环境中局部不能起到有效的安全防护时,就应在不影响原有供电系统防护作用的前提下在这一局部选择其他有效的供电系统进行电气安全的防护。

TT接地系统中短路电流Ie较小,不能搭配过电流装置实现保护,因此应采用与之更加匹配的剩余电流动作保护装置（RCD）,可以在规定的时间内切断故障回路的供电实现接地故障保护,既能对TT部分有效保护又不影响TN系统的防护功能。又如医院手术室的用电,就是一个局部需要采用IT系统的。以图1多种供电系统兼容使用示意图为例,就如图中用电设备B在原有的TN供电系统中通过隔离变压器A隔离变压,并且隔离变压器的二次端不做接地获得IT供电系统,此IT系统的起点是变比为1:1的隔离变压器A的二次绕组。因此,同一供电电路中根据电气安全防护的需要,在不影响其他系统安全防护的前提下,同一供电电路中多种供电系统是可以兼容使用的。

因此,上述的整改方案中起重机单独接地保护应采用与之适应的剩余电流动作保护装置（RCD）,在起重机发生接地故障时能迅速地将故障电路切除的整改方案可以满足电气安全防护的需要,同时也避免了原TN-C系统中三相不平衡时引起的起重机吊钩带电问题。对比重新铺设电缆既耗时耗力,耽误生产,增加较大资金投入的做法,这种措施也不失为一种整改方案。

2.2 起重机本体金属结构与保护导线可靠连接问题

受老标准、规范的影响,部分施工人员对起重机本体金属结构与保护导线可靠连接的认知仍停留在过时的要求状态。在GB/T 3811—1983以及GB/T 6067—1985等老旧标准中,车轮与轨道之间、铰链（螺栓）连接的端梁之间都被认为是可靠连接,但现行的GB/T 3811—2008、GB/T 6067.1—2010等新标准中不再把上述连接认为是可靠连接。新标准要求起重机械本体的金属结构应与供电线路的保护导体可靠连接。起重机主梁与端梁、端梁之间、起重机本体与司机室等采用非焊接连接的金属结构间应采取跨接线的方式确保可靠连接（其中司机室与起重机本体接地点之间应采用双保护导线连接）。金属结构可靠连接的检验经验探讨：

1）对于塔式起重机、施工升降机等特殊类型的起重机械设备,可以使用万用表的电阻档来检验确认,首先从地面上设备的配电箱开始,把去往设备的PE线从PE接线排上拆下[5],然后用万用表的200 Ω电阻档测量拆下的PE线与设备基础节或基础节接地桩之间的电阻,金属结构连接可靠情况下,万用表显示的电阻值一般会在几欧姆之间（标准节的数量对其会略有影响）,一般不会太大。

2）对于不容易采用上述方法的桥门式起重机,则需要对每个非焊接连接的金属结构间用万用表的200 Ω电阻档逐一进行测量[6],金属结构连接可靠情况下,万用表显示数值一般不会大于0.5 Ω。

3）金属结构可靠连接的检测只是接地连接的一部分,起重机械上的电气设备的接地连接可靠性同样要采用类似的方式进行检验,而不应是仅仅查看是否与PE线有连接,更不应被忽视。

3 结束语

随着检验技术及认知的不断更新及提升,需要广大从业者对起重机械接地相关标准规范提出宝贵意见,以推动标准的进一步完善。作为一名检验人员更需要不断地探索接地保护的新型式,在接地型式与故障保护方式的选择与搭配中找到更适合实际情况的合理方案,解决接地问题,保障设备运行安全。