控制屏PQR6402電氣線路的改進(jìn)及其電氣保護(hù)

史 海 張慶豐 呂林鋒 丁高耀 陸 凱

1寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048 2浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院 杭州 310013

0 引言

某鋼廠發(fā)生鋼水包傾覆的特別重大事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該起重機(jī)控制屏PQR6402的電氣控制系統(tǒng)故障及設(shè)計(jì)缺陷是導(dǎo)致鋼水包失控下墜的直接原因[1]。2007年7月，總局發(fā)出《關(guān)于開展特種設(shè)備隱患排查和起重機(jī)械專項(xiàng)整治行動(dòng)的通知》，對在用吊運(yùn)熔融金屬的非冶金起重機(jī)械在電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、起重量限制器、上限位、超速保護(hù)和正反向接觸器故障保護(hù)等電氣系統(tǒng)和防護(hù)級別等各個(gè)方面提出了整治要求。

該事故的慘痛教訓(xùn)影響到隨后更新的GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB6067.1—2010《起重機(jī)械安全規(guī)程第1部分：總則》等標(biāo)準(zhǔn)的頒布?，F(xiàn)行起重機(jī)械檢驗(yàn)規(guī)則Q7016—2016《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》和TSG Q7015—2016《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》中對電氣系統(tǒng)的檢驗(yàn)要求主要引至GB6067.1—2010《起重機(jī)械安全規(guī)程第1部分：總則》。鑒于控制屏PQR6402的電氣控制線路存在不足，本文通過現(xiàn)行檢驗(yàn)規(guī)則的要求，對該控制屏的電氣線路進(jìn)行了改進(jìn)，并通過列舉缺相保護(hù)、定子異常失電保護(hù)與超速保護(hù)的異同點(diǎn)及聯(lián)系點(diǎn)和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)、線路保護(hù)與接地保護(hù)的異同點(diǎn)及聯(lián)系點(diǎn)，表明了在現(xiàn)行檢驗(yàn)規(guī)則要求下的起重機(jī)械電氣保護(hù)的全面性及可靠性。

1 控制屏PQR6402的電氣線路的改進(jìn)

1.1 電動(dòng)機(jī)的保護(hù)

如圖1所示，該事故起重機(jī)起升控制保護(hù)主要通過過流繼電器GLJ實(shí)現(xiàn)，繼電器的通電線圈串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)的定子回路中，一旦電動(dòng)機(jī)定子繞組中的電流達(dá)到過流繼電器的整定電流（一般為電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流的1.25倍），串接在控制回路中的過流繼電器GLJ的常閉觸點(diǎn)GLJ(97，98)即斷開，使總電源接觸器LYJ斷電，從而使電動(dòng)機(jī)失電，起到瞬時(shí)過流保護(hù)的作用。

圖1 起升控制屏PQR6402電氣控制原理圖

1.2 線路保護(hù)

動(dòng)力回路的線路保護(hù)通過1DK實(shí)現(xiàn)，控制回路通過2DK實(shí)現(xiàn)。以動(dòng)力回路為例，當(dāng)三相動(dòng)力回路發(fā)生短路或接地現(xiàn)象時(shí)，動(dòng)力回路電流增大，空氣開關(guān)1DK的瞬時(shí)電磁脫扣裝置能切斷動(dòng)力回路。同理，控制回路線路保護(hù)由空氣開關(guān)2DK實(shí)現(xiàn)。若控制回路的接地電流無法達(dá)到空氣開關(guān)2DK的瞬時(shí)電磁脫扣電流，則需要空氣開關(guān)2DK具備熱脫扣功能，即熱過載功能，以保證控制回路的導(dǎo)線不會(huì)因接地而引起絕緣燒損，并防止人員間接觸電。因此，從線路保護(hù)的全面性出發(fā)，要求空氣開關(guān)2DK同時(shí)具備瞬時(shí)電磁脫扣和熱脫扣功能。值得注意的是，過流繼電器GLJ雖然也可起到一定的線路保護(hù)功能，但過流繼電器GLJ的通電線圈只串入于兩相動(dòng)力回路中，只對這兩相回路起到線路保護(hù)作用，并未對第3相動(dòng)力回路起線路保護(hù)作用。

1.3 錯(cuò)相與缺相保護(hù)

圖1所示電氣原理圖并未設(shè)置錯(cuò)相與缺相保護(hù)裝置，為了滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和檢規(guī)的要求，還需增設(shè)斷錯(cuò)相保護(hù)裝置。如圖2所示，可將斷錯(cuò)相保護(hù)XJ的一次端接入三相動(dòng)力電源，將二次端的常閉觸點(diǎn)串接入總電源接觸器的控制回路中。若三相電源未發(fā)生斷相或錯(cuò)相現(xiàn)象，常閉觸點(diǎn)XJ閉合，否則常閉觸點(diǎn)XJ打開，斷錯(cuò)相裝置動(dòng)作，使總電源接觸器打開，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力回路斷開，不能正常啟動(dòng)。

圖2 斷錯(cuò)相改進(jìn)圖

1.4 零位保護(hù)

PQR6402起升控制屏線路顯然具備零位保護(hù)功能，通過主令控制器的零位觸頭(1，2)串入總電源接觸器LYJ的控制回路中，當(dāng)總電源失電后，只有當(dāng)主令控制器回零后，總電源接觸器常開觸點(diǎn)LYJ才能閉合，總電源才能被重新接通，以此實(shí)現(xiàn)零位保護(hù)。

1.5 失壓保護(hù)

失壓保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方式有啟動(dòng)按鈕和接觸器的組合和有帶零電壓 (失壓) 脫扣器的斷路器2種，但在該電路圖中并未體現(xiàn)這2種形式的失壓保護(hù)。因此，可以裝設(shè)帶零電壓 (失壓) 脫扣器的斷路器，或采用啟動(dòng)按鈕和接觸器組合形式的失壓保護(hù)。只需在總電源接觸器LYJ回路中接入1個(gè)啟動(dòng)按鈕SB1，且總電源接觸器LYJ的常開觸點(diǎn)LYJ對啟動(dòng)按鈕SB1形成自保，如圖3所示。

圖3 失壓保護(hù)改進(jìn)圖

1.6 定子異常失電保護(hù)

為了防止當(dāng)起升電動(dòng)機(jī)換向時(shí)發(fā)生瞬間搶閘現(xiàn)象，原PQR6402起升控制屏線路采取了制動(dòng)器接觸器自鎖的方式。然而這種控制線路一旦正反向接觸器發(fā)生故障，如某鋼廠事故發(fā)生時(shí)正向接觸器的常閉觸點(diǎn)在起升下降回路接通時(shí)本應(yīng)閉合，但卻發(fā)生斷開，導(dǎo)致起升電動(dòng)機(jī)失電，失去電磁力矩；而制動(dòng)器接觸器由于自保，仍處于打開狀態(tài)，故導(dǎo)致鋼水包自由墜落。

如圖4所示，改進(jìn)后的電氣圖刪除了制動(dòng)器接觸器自鎖，增加了斷電延時(shí)接觸器-K91線路，并將-K91延時(shí)斷開觸點(diǎn)-K91（57，58）串入到制動(dòng)器接觸器回路。這樣的改進(jìn)既杜絕了下降3擋轉(zhuǎn)換成下降4擋時(shí)的瞬間搶閘情況，又起到了正反向接觸器故障保護(hù)作用。當(dāng)擋位不在下降1擋或零位時(shí)，電動(dòng)機(jī)失電時(shí)間達(dá)到斷電延時(shí)接觸器的整定時(shí)間后，制動(dòng)器接觸器自動(dòng)失電，制動(dòng)器自動(dòng)抱閘。

圖4 正反向接觸器保護(hù)改進(jìn)圖

1.7 超速保護(hù)

現(xiàn)行的檢規(guī)規(guī)定吊運(yùn)熔融金屬和其他危險(xiǎn)物品的起重機(jī)（除額定起重量不大于5 t的電動(dòng)葫蘆外）等負(fù)載超速會(huì)引起危險(xiǎn)的起升機(jī)構(gòu)必須設(shè)置超速保護(hù)，而PQR6402起升控制屏線路并不具備超速保護(hù)功能，顯然不符合現(xiàn)行檢驗(yàn)規(guī)則的要求。超速保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方式最常見的是采用超速開關(guān)和制動(dòng)器，超速開關(guān)裝在電動(dòng)機(jī)軸上，超速后切斷電動(dòng)機(jī)的控制電源，使電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器斷電，制動(dòng)器制動(dòng)下閘，如圖5所示。

圖5 超速保護(hù)改進(jìn)圖

2 缺相保護(hù)、定子異常失電保護(hù)與超速保護(hù)

2.1 保護(hù)對象不同

缺相保護(hù)、定子異常失電保護(hù)、超速保護(hù)的保護(hù)對象是不一樣的，缺相保護(hù)的保護(hù)對象是供電電源，定子異常失電保護(hù)的保護(hù)對象是起升電動(dòng)機(jī)，超速保護(hù)的保護(hù)對象是起升電動(dòng)機(jī)或起升卷筒。

2.2 保護(hù)起因不同

這3種保護(hù)作用的起因亦不同，缺相是由于三相電由一相電或兩相電缺失造成的，定子異常失電是由于正反相接觸器或調(diào)速裝置故障導(dǎo)致起升電動(dòng)機(jī)定子失電而制動(dòng)器依然開閘，從而造成重物自由墜落；超速保護(hù)是由于可控電源出現(xiàn)供電不足、電壓失效、控制信號(hào)故障導(dǎo)致起升電動(dòng)機(jī)電磁驅(qū)動(dòng)力或電氣制動(dòng)力不足，從而造成起升電動(dòng)機(jī)超速。

雖然這3種保護(hù)在保護(hù)對象和作用起因都不同，但其保護(hù)也存在一定聯(lián)系。若控制電源缺相（如缺相保護(hù)失效），會(huì)造成起升電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩不足，將導(dǎo)致超速使超速保護(hù)動(dòng)作。若正反向接觸器故障導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失電，致使起升重物失速墜落，此時(shí)起升電動(dòng)機(jī)上的超速保護(hù)開關(guān)仍能動(dòng)作，制動(dòng)器自動(dòng)上閘。當(dāng)然，超速保護(hù)生效的前提是超速開關(guān)的電源必須單獨(dú)供電，而非來源于定子電源。由此可見，超速保護(hù)在符合一定條件下可以彌補(bǔ)定子異常失電保護(hù)上的失效。若PQR6402起升控制屏配備有超速保護(hù)功能，即使起升電動(dòng)機(jī)失電制動(dòng)器也依然開閘，重物就會(huì)發(fā)生自由墜落。當(dāng)墜落速度達(dá)到額定速度的1.25～1.4 倍時(shí)，超速保護(hù)起作用，切斷控制電源總電源，制動(dòng)器就能立即抱閘。雖然當(dāng)時(shí)的起升制動(dòng)閘瓦有磨損老化現(xiàn)象，起升制動(dòng)力矩減小，但考慮到當(dāng)時(shí)的作業(yè)情況，制動(dòng)器在起升額定速度下還有足夠的制動(dòng)力矩將鋼水包制停。倘若在超速保護(hù)的整定速度下和當(dāng)時(shí)起升高度下進(jìn)行抱閘，應(yīng)能制動(dòng)住鋼水包，只是制動(dòng)距離較大，鋼水包不至于快速自由墜落。

雖然超速保護(hù)能彌補(bǔ)缺相和定子異常失電的不足，但三者之間的保護(hù)作用前后時(shí)間并不相同，對起重機(jī)械的保護(hù)優(yōu)先級亦不同。缺相保護(hù)優(yōu)先級最高，缺相保護(hù)有效，能防止起升電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；而缺相保護(hù)失效，若電動(dòng)機(jī)發(fā)生失速，超速保護(hù)作用時(shí)起升電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速已達(dá)到額定速度的1.25～1.4 倍[2]，出現(xiàn)了安全風(fēng)險(xiǎn)。顯然，從保護(hù)優(yōu)先級看，定子異常失電保護(hù)的保護(hù)優(yōu)先級高于超速保護(hù)，定子異常失電保護(hù)的作用時(shí)間超前于超速保護(hù)的作用時(shí)間，可見超速保護(hù)為缺相保護(hù)失效和定子異常失電保護(hù)失效起到了兜底保護(hù)作用。

3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)與接地保護(hù)

3.1 保護(hù)對象不同

電動(dòng)機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)、接地保護(hù)的保護(hù)對象不一樣。顯然，電動(dòng)機(jī)保護(hù)的保護(hù)對象是電動(dòng)機(jī)；線路保護(hù)的保護(hù)對象是起重機(jī)械的所有外部線路（如起重機(jī)械下的外部和內(nèi)部總動(dòng)力電源線路、分支電源線路、每個(gè)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力電源回路、制動(dòng)器的動(dòng)力電源回路、照明電源電路、插座電源等）；接地保護(hù)的保護(hù)對象是起重機(jī)械作業(yè)人員及其他接觸起重機(jī)械的人員。

3.2 動(dòng)作電流整定值不同

1）電動(dòng)機(jī)的保護(hù) 瞬時(shí)動(dòng)作電流整定值約為電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流的1.25倍。繞線電動(dòng)機(jī)的最大啟動(dòng)電流一般取2.2～2.5倍的額定工作電流；變頻控制的鼠籠電動(dòng)機(jī)一般取1.5～1.8倍的額定工作電流；直接啟動(dòng)的鼠籠電動(dòng)機(jī)可參照電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品樣本。

2）線路保護(hù) 過電流保護(hù)裝置的整定電流應(yīng)大于線路上電氣裝置額定電流的總和或?qū)Ь€的最大允許電流。

3）接地保護(hù) 起重機(jī)械電氣系統(tǒng)的接地方式以TN和TT為主。TN系統(tǒng)接地保護(hù)的故障回路短路電流必須大于相線上過電流保護(hù)裝置瞬時(shí)動(dòng)作電流的1.3倍。TT系統(tǒng)接地保護(hù)的故障回路短路電流必須大于漏電斷路器額定動(dòng)作電流的I△n。

由此可見，接地保護(hù)作用時(shí)接地故障回路中的短路電流已達(dá)且超過了相線中過電流保護(hù)裝置的額定動(dòng)作電流，而電動(dòng)機(jī)保護(hù)作用時(shí)額定動(dòng)作電流與線路保護(hù)作用時(shí)額定動(dòng)作電流之間的大小難以明確。雖然三者保護(hù)在保護(hù)對象和作用起因方面都不同，但三者保護(hù)均有過流保護(hù)的功能。

電動(dòng)機(jī)保護(hù)有瞬反時(shí)限動(dòng)作過電流保護(hù)、熱傳感元器件和熱過載保護(hù)3種實(shí)現(xiàn)形式[3]，熱傳感元件通常指設(shè)置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的熱敏電阻，而熱過載保護(hù)指通過由雙金屬片熱檢測元器件構(gòu)成熱繼電器或熱脫扣器的斷路器實(shí)現(xiàn)，這3種電動(dòng)機(jī)保護(hù)由過流保護(hù)或過載保護(hù)實(shí)現(xiàn)。

線路保護(hù)是指所有外部線路應(yīng)具有短路或接地引起的過電流保護(hù)功能。對于導(dǎo)線面積較小、外部線路較長的控制線路或輔助線路，當(dāng)預(yù)計(jì)電流達(dá)不到瞬時(shí)脫扣電流值時(shí)，應(yīng)增設(shè)熱脫扣功能[4]，即過載保護(hù)。

接地保護(hù)最常見的有TN和TT接地系統(tǒng)。TN系統(tǒng)是將電氣設(shè)備的保護(hù)導(dǎo)線與供電電源的保護(hù)導(dǎo)線（PE線）或保護(hù)中性線（PEN線）端子連接，有接地故障時(shí)較大的接地故障電流（短路電流）通過PE線或PEN線返回電源，依靠設(shè)置的過電流防護(hù)電器（斷路器或熔斷器）在規(guī)定動(dòng)作的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷電源。TT系統(tǒng)是將電氣設(shè)備的保護(hù)導(dǎo)線與現(xiàn)場的接地系統(tǒng)直接連接，有接地故障時(shí)接地故障電流通過PE線、保護(hù)接地極、大地、系統(tǒng)接地極返回電源。由于接地故障電流較小，故障部分電源通過設(shè)置的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器（RCD）切斷[5]。由此可見，未發(fā)生接地故障時(shí)，PE線無接地故障電流。一旦發(fā)生接地故障，PE線中的故障電流使不同的接地電流保護(hù)器動(dòng)作，從而切斷電流，起到接地保護(hù)作用。因此，接地保護(hù)本質(zhì)也是過電流保護(hù)，只不過TN、TT系統(tǒng)中的接地故障電流不一致，過電流保護(hù)裝置和保護(hù)動(dòng)作電流值不同。

綜上所述，電動(dòng)機(jī)的保護(hù)其實(shí)就是過流保護(hù)或過載保護(hù)，或是2種保護(hù)的復(fù)合。線路保護(hù)其實(shí)就是過流保護(hù)或是控制、輔助線路的過載保護(hù)，而接地保護(hù)的本質(zhì)就是一種過流保護(hù)。雖然線路保護(hù)中也有接地保護(hù)的含義，但線路保護(hù)的接地保護(hù)只針對線路，而接地保護(hù)主要針對于電氣設(shè)備。

這3種保護(hù)的過電流保護(hù)器通常是瞬時(shí)動(dòng)作過電流繼電器、熱繼電器、帶瞬時(shí)動(dòng)作過電流脫扣器的斷路器、帶熱脫扣器的斷路器、漏電斷路器、自動(dòng)切斷故障電源的絕緣監(jiān)視系統(tǒng)等。由于現(xiàn)行安全技術(shù)規(guī)范未規(guī)定3種保護(hù)的過電流保護(hù)裝置必須獨(dú)立設(shè)置，在同一個(gè)分支線路中的電動(dòng)機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)、接地保護(hù)可由相同的電流保護(hù)器實(shí)現(xiàn)，只是這3種保護(hù)的實(shí)現(xiàn)對過電流保護(hù)器的整定值要求不同。

如圖6所示，過流繼電器GLJ只監(jiān)測了兩相電流，未對第2相電流進(jìn)行過電流監(jiān)測，雖然電動(dòng)機(jī)三相電流的有效值基本相同，但仍存在三相電流不平衡、三相負(fù)載不一致的情況。因此，從嚴(yán)格意義上講，該起升電動(dòng)機(jī)分支電路的電動(dòng)機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)和接地保護(hù)需要過流繼電器GLJ和空氣開關(guān)1DK的配合實(shí)現(xiàn)。

圖6 起升電動(dòng)機(jī)分支線路

若要求過流繼電器GLJ對該支路中的3種保護(hù)起全面自動(dòng)切斷電源的作用，即3種保護(hù)的過電流保護(hù)裝置均為過流繼電器GLJ，則建議增加對第2相電源的過電流監(jiān)測，如圖7所示。過電流繼電器的動(dòng)作整定電流取決于3種保護(hù)的動(dòng)作電流的最小電流。該起升電動(dòng)機(jī)為繞線式電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)的動(dòng)作電流約為該起升電動(dòng)機(jī)最大額定電流的2.5倍，而線路保護(hù)的動(dòng)作電流略大于制動(dòng)器和起升電動(dòng)機(jī)的額定電流的總和。若電動(dòng)機(jī)繞組相線漏電，接地故障回路的短路電流應(yīng)大于過流繼電器GLJ的動(dòng)作電流，接地保護(hù)最先迫使過流繼電器GLJ動(dòng)作，切斷電源，接地保護(hù)處于3種保護(hù)中的最高級，這與接地保護(hù)設(shè)置為防止人員觸電不謀而合，即人員安全第一；而電動(dòng)機(jī)保護(hù)和線路保護(hù)的設(shè)置為保護(hù)設(shè)備，是防止過電流保護(hù)的誤動(dòng)作，保護(hù)級別相對較低。

圖7 起升電動(dòng)機(jī)分支改進(jìn)線路

本文所述電動(dòng)機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)和接地保護(hù)雖可共用1套過電流保護(hù)裝置，但其所保護(hù)對象和保護(hù)機(jī)理并不相同。當(dāng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)起作用時(shí)，線路保護(hù)和接地保護(hù)不一定起作用，如電動(dòng)機(jī)負(fù)載過重、繞組電流增大，達(dá)到電動(dòng)機(jī)保護(hù)的整定動(dòng)作電流，但未達(dá)到線路保護(hù)的整定電流，而電動(dòng)機(jī)負(fù)載過重不在接地保護(hù)的保護(hù)范疇。同理，當(dāng)線路保護(hù)作用時(shí)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)與接地保護(hù)不一定起作用，如制動(dòng)器線圈的兩相繞組短路。若電動(dòng)機(jī)的接地保護(hù)作用時(shí)，可理解為電動(dòng)機(jī)保護(hù)和線路保護(hù)同時(shí)也起作用。由于一旦電動(dòng)機(jī)繞組絕緣破壞，電動(dòng)機(jī)外殼就會(huì)帶電，從而形成接地故障回路，相線電流增大，達(dá)到過流繼電器的整定動(dòng)作電流，此時(shí)接地動(dòng)作電流已達(dá)到電動(dòng)機(jī)保護(hù)和線路保護(hù)作用時(shí)的動(dòng)作電流，相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)保護(hù)和線路保護(hù)也已作用。

由此可見，3種保護(hù)對象分別面向電動(dòng)機(jī)、線路和人員，保護(hù)更全面，而各種保護(hù)間又有相互作用，相互聯(lián)系，形成多層次、有冗余度的保護(hù)，保護(hù)更可靠。

4 結(jié)論

1）本文所述起升控制屏PQR6402的電氣線路在線路保護(hù)、錯(cuò)相與缺相保護(hù)、失壓保護(hù)、定子異常失電保護(hù)、超速保護(hù)有缺陷，完善后的電氣線路符合現(xiàn)行安全技術(shù)規(guī)范的要求；

2）缺相保護(hù)、正反向接觸器故障保護(hù)與超速保護(hù)在保護(hù)對象、作用成因和保護(hù)原理上不同，但3種保護(hù)又有相互聯(lián)系、相互彌補(bǔ)的關(guān)系，若缺相保護(hù)和正反向接觸器故障保護(hù)失效導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失速，超速保護(hù)可起到最后的安全兜底作用；

3）電動(dòng)機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)和接地保護(hù)在保護(hù)對象、過電流保護(hù)裝置的電流整定值上不同，但3種保護(hù)均有過流保護(hù)功能。現(xiàn)行安全技術(shù)規(guī)范未規(guī)定電動(dòng)機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)和接地保護(hù)必須獨(dú)立設(shè)置，故3種保護(hù)可共用1套過電流保護(hù)裝置；

4）現(xiàn)行起重機(jī)械安全技術(shù)規(guī)范下的各種電氣保護(hù)涉及多種保護(hù)對象，保護(hù)更全面，而各種保護(hù)又存在一定的保護(hù)冗余度，起到了多層次保護(hù)，保護(hù)更可靠。