電梯電氣接地裝置設(shè)計與失效分析研究

田海豐 丁存良

（青海省特種設(shè)備檢驗檢測院 西寧 810000）

為了進一步增強對電梯電氣接地裝置性能及作用的認識，避免因接地裝置設(shè)計不當及失效引起的危險，文章首先對電梯接地裝置進行分類，并按照分類來介紹其作用和工作原理，然后采取故障失效分析方法，對各類接地裝置失效的可能后果進行探討，最后提出了從設(shè)計、制造到日常維修各過程的預防和應對措施。

1 接地裝置的作用及分類

1.1 概念

電梯接地裝置是為了保證人身免受傷害和電梯的安全正常工作而采取的一種重要技術(shù)措施，通過電氣系統(tǒng)設(shè)計，接地裝置將電梯設(shè)備上的正?；蚍钦９ぷ鳡顟B(tài)下的電氣回路中的接地電流、短路電流、干擾電流引入大地，從而達到預定的目的［1］。

1.2 接地的分類及作用

電梯是集成機械、電氣電子技術(shù)等一體化的產(chǎn)品，接地就是導體與大地零電位相連。電梯上的接地裝置按照其基本功能一般可以分為安全保護接地、工作接地及防雷接地。

安全保護接地主要表現(xiàn)在當電梯的帶電金屬導體部分搭殼或絕緣損壞造成漏電，人體如接觸其外露可導電部分，就有可能發(fā)生觸電事故，此時利用接地裝置實現(xiàn)人體觸電安全保護［2］。

為了實現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)正常工作，電梯電氣系統(tǒng)設(shè)置許多工作接地，當電氣回路發(fā)生絕緣受損時，通過工作接地設(shè)計能有效保護電氣系統(tǒng)處于安全工作狀態(tài)或?qū)崿F(xiàn)檢測報警。如：將電梯的直流控制安全回路一端設(shè)計成工作接地，在電氣絕緣良好的情況下控制回路功能不受任何影響，當控制回路中某點發(fā)生絕緣損壞故障情況，相當于一點接地，此時故障點通過大地便會與接地端構(gòu)成回路，產(chǎn)生較大的短路電流足以使控制回路電源熔斷絲斷開，控制電源失去電壓電梯停止運行，實現(xiàn)了安全回路故障接地保護功能［3－4］。

電梯設(shè)置防雷接地能有效保證雷擊對建筑物及其內(nèi)部電梯等設(shè)備的安全和正常工作。如：雷電產(chǎn)生瞬時的極高電壓傳遞到電梯電氣裝置內(nèi)部，對電梯電氣系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。通過可靠的接地裝置，將有害的電壓引入大地，對電梯設(shè)備進行有效保護［5－6］。

2 保護接地失效

2.1 保護接地形式

為了能更好地探討保護接地的作用和失效分析的問題，在此對保護接地形式作簡單介紹。根據(jù)國家相關(guān)標準的規(guī)定，保護接地是將電源系統(tǒng)中性點或設(shè)備外殼的一點或多點接地。這里“地”一般是指大地，為“零電位”。按照接地形式分為IT、TT、TN 3種［7－8］，其中第1個字母為電源側(cè)與地的關(guān)系，第2個字母為負載側(cè)電氣設(shè)備外殼與地的關(guān)系，各類型分述如下：

1）IT接地系統(tǒng)（如圖1所示）。I表示電源中性點不接地，T表示設(shè)備外殼接地。

圖1 IT接地系統(tǒng)圖

2）TT接地系統(tǒng)。第1個T表示電源中性點接地，第2個T表示設(shè)備外殼接地，2個接地點不在同一個位置。

3）TN接地系統(tǒng)。T表示電源中性點接地，N表示設(shè)備外殼與電源中性點接地。

TN接地系統(tǒng)又分為 TN-C、TN-S、TN-C-S 3種。TN-C系統(tǒng)為三相車線制連線，工作零線N與保護線PE為一根線，即PEN線。TN-S系統(tǒng)（如圖2所示）為三相五線制接線，工作零線N和保護線PE從電源側(cè)中性點分開相互獨立。TN-C-S系統(tǒng)具有TN-C系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)的特點，從電源出來的這一段為車線，到負荷側(cè)某一點分為五線。

圖2 TN-S接地系統(tǒng)圖

由于IT系統(tǒng)不設(shè)零線難以運用到電梯上；TT系統(tǒng)需要再設(shè)接地裝置，需要的接地鋼材多，而且必須和漏電保護配合使用，容易誤動影響電梯運行的可靠性。實際應用中，電梯上已經(jīng)很少采用IT、TT系統(tǒng)。按照國家相關(guān)標準要求，電梯電源從機房起保護線PE與工作零線N必須分開，所以電梯通常為TN-S或TN-C-S形式，電源開關(guān)一般為不帶漏電保護的空氣開關(guān)。

2.2 保護接地工作原理

當電氣設(shè)備電路出現(xiàn)搭殼、絕緣損壞等情況時，通過保護線PE形成一個阻抗較?。娏鬏^大）的故障回路，利用電路的短路保護裝置，即熔斷器或空氣開關(guān)在故障接地電流的作用下當故障電流達到一定值時切斷故障電源。為防止人體觸電或避免觸電發(fā)生嚴重的傷害，國家電氣相關(guān)標準要求電氣設(shè)備發(fā)生故障應在允許的時間內(nèi)切斷故障電流。因此必須使空氣開關(guān)（熔斷器）的瞬時動作電流不大于故障電流，若不能達到這一點要求就要采取其他措施，如加裝漏電保護裝置以保證人身安全（電梯電源開關(guān)一般也不裝漏電保護裝置）。

2.3 保護接地失效危險分析及對策

以TN-S系統(tǒng)為例（如圖3所示），當保護線PE斷開從1點斷開，PE線重復接地RA有效（此時TN系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成了TT系統(tǒng)）或者PE線從1點、2點均斷開，如發(fā)生絕緣損壞和導體搭殼等故障時，都存在電源空斷開關(guān)和熔斷器的瞬時動作電流不大于故障電流的情況，不能切斷電源，此時設(shè)備金屬外殼帶電，人體如接觸易發(fā)生觸電事故［9］。

圖3 TN-S系統(tǒng)保護接地失效圖

為了有效防止發(fā)生觸電危險，將電梯電氣絕緣損壞時可能帶電的所有設(shè)備外殼與電梯保護線PE在電氣上進行可靠連接。這些部件包括：電梯配電箱、控制柜、電源箱、曳引機、限速器開關(guān)、盤車手輪開關(guān)、轎門鎖電氣裝置、廳門鎖電氣裝置、轎頂檢修箱、門機、光幕、轎廂照明、2P＋PE型電源插座、上下極限開關(guān)、限位開關(guān)等部件以及攜帶式和移動式用電設(shè)備。為了保證PE線的接線可靠，這些部件的PE線通常是匯總到電梯機房接地端子箱，連接的導線要牢固，不得有斷開的地方。按照一般要求PE線應使用黃綠雙色的專用線，其截面應符合相關(guān)標準要求，PE線穿過墻、樓板孔洞等處時，應有足夠的保護絕緣損壞的措施。

電梯設(shè)計制造中應考慮接地PE線的設(shè)置符合國家相關(guān)標準要求。安裝中按照圖紙做好PE線裝設(shè)，做好電氣絕緣保護措施。在日常維修檢查中，應注意觀察PE線接地端的連接情況，可以用萬用表測量PE線的連通性，用接地電阻測試儀測量接地電阻的數(shù)值是否符合要求，必要時在采取有效的安全措施前提下模擬故障，驗證保護接地裝置的可靠有效性［10］。

3 工作接地失效

3.1 工作接地保護原理

以一種電梯安全回路為例，如圖4所示。該電梯電氣安全回路分2部分。一部分將S1-Sn安全觸點（開關(guān)）與YJ安全繼電器串聯(lián)，當S1-Sn安全裝置中任何一個安全開關(guān)、安全觸點動作，YJ安全繼電器失去電壓，電梯不能運行。另一部分將門鎖回路電氣聯(lián)鎖觸點（用SM簡單表示各層門和轎門觸點）與MSJ門鎖繼電器串聯(lián)，當其中任何一個觸點斷開（門未關(guān)好），MSJ繼電器失去電壓，電梯不能運行。

圖4 一種電梯安全回路失效圖

為了起到保護作用，電路在設(shè)計時將零位端A25接地，當安全回路上A30、A15、A14、A16任何一點發(fā)生接地故障情況，此時A30－A25電源回路中產(chǎn)生較大的短路電流，自動斷路開關(guān)（熔斷器）切除電源回路，安全繼電器YJ及門鎖繼電器MSJ失電，電梯不能運行。

3.2 工作接地失效危險分析及對策

因某種原因零位端A25未設(shè)計工作接地或未能可靠接地，即工作接地失效，此時如果安全回路A30到A15之間因絕緣損壞等原因造成有兩點接地，接地的兩點之間跨過安全開關(guān)（安全觸點）通過大地構(gòu)成回路，使電氣安全裝置失去其保護作用，電梯其實是在“無保護”情況下繼續(xù)運行，存在極大的安全隱患［11］。

如果A25端子未能可靠接地，當A16、A14端子回路任何一點發(fā)生接地故障情況，110 V電源不能產(chǎn)生大電流，電源保護裝置（熔斷器）不能切除帶病回路電源。如果電源回路中也沒有設(shè)置其他絕緣損壞檢測電路，便無法得知電梯處于“帶病”狀態(tài)。此時，如果A16端子到A30端子這個回路中再出現(xiàn)一個故障點接地，這時兩點之間的各個門鎖觸點SM等同于被短接，門鎖繼電器MSJ吸合，電梯失去了門鎖保護功能，可能發(fā)生開門走梯的嚴重后果。

當電梯抱閘回路未采取接地故障保護措施，發(fā)生搭殼、絕緣損壞將會導致制動器失效，電梯有可能發(fā)生失控，產(chǎn)生嚴重的后果。

為了防止工作接地裝置失效，設(shè)計制造過程中應仔細考慮電氣控制回路絕緣損壞時是否有必要采取工作接地保護措施，分析圖紙上的電氣安全回路、抱閘回路、門鎖回路等控制電源工作接地保護裝置設(shè)置是否合理有效。安裝及維修過程中認真核對電梯的接地點位置是否正確，可以通過目測或儀表測量，驗證現(xiàn)場實際接線與電氣原理圖是否相符，并檢查接地端連接情況［12－14］。

為了驗證接地功能的可靠性，通過人為模擬接地故障的方法，驗證其保護功能是否有效。例如：斷開主電源后，人為使門鎖電氣觸點一點接地，然后送上電源，觀察電源保護裝置（熔斷器）的狀態(tài)，若電源保護裝置有效（熔斷器熔斷），則認為保護接地功能正常有效。

4 防雷接地失效

4.1 防雷接地保護原理

整個建筑物（包括電梯機房）的防雷保護可以分為外部防雷和內(nèi)部防雷2部分。按照相關(guān)標準要求，對建筑物各部位采取分區(qū)保護，由低到高可以分為LPZ0A區(qū)、LPZ0B區(qū)、LPZ1區(qū)、LPZ2區(qū)、LPZn區(qū)［15］。如：該電梯機房在直擊雷防護、建筑物鋼筋結(jié)構(gòu)屏蔽防護及進一步設(shè)防為LPZ2區(qū)（如圖5所示）。

圖5 建筑物防雷接地保護分區(qū)圖

外部防雷包括建筑物及可保護范圍內(nèi)的直擊雷防護，外部防雷裝置包括接閃裝置（見圖6）、引下線、接地單元。外部防雷裝置如同一把傘，將整個建筑物及可保護范圍區(qū)域保護在傘內(nèi)，當受到雷電襲擊時，將其保護范圍內(nèi)的接閃裝置接收到的雷電流引入大地，從而避免建筑物及其內(nèi)部電梯等設(shè)備各部分因雷擊而受到損壞。

圖6 外部防雷一種接閃裝置局部圖

內(nèi)部防雷包括建筑物及電梯機房感應雷防護、反擊雷防護等，內(nèi)部防雷裝置一般采取等電位接地保護、屏蔽接地、電源及信號系統(tǒng)防雷接地保護。

4.2 防雷接地失效危險分析及對策

●4.2.1 防雷接地失效

直擊雷如擊在建筑物、電梯機房設(shè)備上，如防雷保護失效將產(chǎn)生電效應、熱效應和機械力的破壞。電效應表現(xiàn)在瞬時產(chǎn)生的極高電位，將被擊物絕緣擊穿直接造成設(shè)備的損壞。熱效應對被擊物的破壞力表現(xiàn)在雷電流產(chǎn)生的高溫可以引起燃燒以及使設(shè)備熔化。機械力對被擊物的破壞力表現(xiàn)在雷電流流過的地方會產(chǎn)生高溫，被擊物內(nèi)部水分等物質(zhì)受熱氣化而急劇膨脹產(chǎn)生強大的沖擊力，會導致被擊建筑物包括電梯設(shè)備的損壞。

雷電感應或接地裝置上雷電入地時的高電位傳遞有可能對電梯內(nèi)部造成過電壓和電磁干擾。由于電梯電氣控制系統(tǒng)的微電子程度高，其耐壓及抗干擾能力弱，如失去保護，雷擊產(chǎn)生的過電壓和干擾電壓輕易就能造成設(shè)備損壞或故障。

●4.2.2 防止防雷接地失效的措施

對于電梯而言，如果機房在建筑物頂樓，其機房門窗等一定要與防雷接地連接可靠，防雷接地的接閃裝置、引下線、接地單元各部件應符合規(guī)范要求。如果是建筑物外部另外加裝電梯，則還要求電梯轎廂、軌道、層門等要與建筑物防雷接地可靠連接。

利用等電位接地技術(shù)消除感應雷及電源的電磁干擾，等電位連接要將設(shè)備金屬外殼、電纜的屏蔽層、大尺寸的金屬導體等與接地裝置之間做可靠的電氣連接。具體措施有在電梯配電箱內(nèi)敷設(shè)接地干線，并將電梯機房內(nèi)所有設(shè)備接地，如金屬線槽、電梯主機等與等電位接地干線連接。另外，應重點在雷電保護分區(qū)交界點處做等電位接地。

屏蔽是用來衰減加在設(shè)備上的由某些電源引起的電磁場強的措施。電梯機房和電梯井道可以利用建筑本身的鋼筋和金屬結(jié)構(gòu)等形成初級屏蔽。電梯控制柜位置應盡可能地設(shè)置在一個遠離墻壁的位置，機房內(nèi)其他設(shè)備也要相應接地并且設(shè)在遠離接地引下線的位置上，以更好地降低雷電感應影響。電梯的各類電纜電路如動力線纜、控制線纜、信號線纜避免交叉，應分開敷設(shè)，并要隔開一定的距離，以便減少電磁干擾影響。

為防止雷電感應所產(chǎn)生的高壓電涌對電梯電源的侵害，可以采用電涌保護器，電涌保護器應可靠接地［16］。

做好防雷接地，可以有效地避免直擊雷和感應雷電對電梯的影響，保證電梯的安全可靠使用。為了有效防止雷電危害，接地的安裝必須可靠，接閃裝置與防雷引下線之間以及防雷導體的引下線和接地單元按照規(guī)范的要求可靠連接。所有與建筑物相互組合在一起的電梯金屬導軌、金屬外殼都應做好等電位連接。電梯采用的屏蔽電纜、敷設(shè)電纜線路的金屬管槽、電涌保護器等應按照規(guī)范做接地連接，接地電阻值應符合規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

電梯接地裝置的工作直接影響人身安全及電梯設(shè)備安全和正常運行，本文采取失效模式的分析方法，分別敘述了各種情況下接地裝置失效的安全風險和危害，總結(jié)了通過進一步提高設(shè)計制造、安裝、維修人員對接地裝置功能及其重要作用的認識及在各個環(huán)節(jié)中具體防止接地裝置失效的有效措施，對減少人身安全事故和保障電梯安全可靠運行有一定的指導作用，由于所收集的資料有限，提出的措施仍不十分完善，需要各位同仁在工作中不斷總結(jié)和更加深入的研究，從而不斷提高電梯接地裝置的安全性、可靠性。