依據標準探討機床電氣回路保護應用

何江濤

(北京北一機床股份有限公司研發中心，北京101300)

一臺機床的電氣設計、安裝和使用過程中，必然會遇到諸如電氣回路選擇什么規格電纜、什么規格斷路器(或熔斷器)，電氣元器件適用何種技術條件等一般問題;也會遇到機床功能異常、電氣裝置失效等偶發問題。分析問題的原因，都會涉及到相關機床電路保護的技術內容，合理處理這個問題，需要工程技術人員較細致的技術確認。機床作為商品，這種技術確認的依據除必要的基礎知識外，必須遵循相關的國家標準、行業標準和企業標準。

標準作為科學、技術和實踐經驗的集大成者，是引導各個領域發展的技術基礎和依據。ISO、IEC以及各個國家地區的標準化組織對應各個領域狀況制訂了完備的標準體系和各類標準，不僅在協調全球經濟貿易方面起到關鍵性作用，同時也對各個領域的人類科學技術發展的成果進行了總結。如何利用標準，并形成一套科學、便于操作的處理方法，對解決工程技術問題(如:機床電氣研發、生產和使用等)具有普遍的現實意義。并且實踐證明，只有依據相關標準，才是形成便捷工作方法的途徑。

對于裝備制造業，機床電氣設備的技術要求必須遵守標準 GB5226.1–2008(機械電氣安全－機械電氣設備－通用技術條件(IEC 60204.1－2005 IDT))，該標準涵蓋了機床電氣設備所涉及各項技術和安全規范，一些定性定量技術要求可在其規范性引用文件中得到具體體現。其中，機床電氣設備相關電氣回路保護問題，在實際機床電氣設備中最為常見，也最容易被忽視。嚴重的機床電氣回路故障會導致電擊、火災以及設備失效等事故，會造成人員傷亡和財產損失。因此，在實際機床電氣設計、生產和機床使用過程中，必須明確機床電氣回路相關的技術條件和實施的正確方法，以此保證機床安全可靠地運行。

1 機床電氣回路相關的技術條件

對于數控機床，一般情況下，機床電氣設備由數控單元、人機操作單元、伺服系統、測量系統、可編程邏輯控制系統、必備的機床電氣回路和電柜等部分組成。其中，機床電氣回路可分為動力電路、控制電路、保護聯結電路等。

動力電路和控制電路主要按實際需求，實現機床電氣設備的配電、加電/斷電和急停控制等功能。其構成要素有保護器件、控制器件、線纜、連接器(端子排或匯流排)和耗能器件。依據標準，動力電路和控制電路需滿足的功能可簡述為:當電路發生過載或短路故障時，電氣回路能安全可靠地自動切斷電力輸出，避免發生電擊、火災以及設備失效所造成的人員傷亡和財產損失事件的發生。

保護聯結電路是為防止間接接觸的電擊而連接在一起的保護導線;另外，功能聯結電路是為避免因電磁騷擾引起的系統非正常運行而連接在一起的保護導線，兩者的保護導線可獨立排布，在電源引入端的保護接地排位置，可連接或不連接(有外部功能接地導體)在一起。其構成要素有電氣裝置外殼、安裝底板、保護接地匯流排和保護地線等。依據標準，保護聯結電路需滿足的技術條件可簡述為:“樹形(Y型)”排布連接，保持接地連續性。

對于一臺機床電氣設備來說，動力電路和保護聯結電路不僅包括機床電氣設備本身，還應綜合考慮機床電氣設備安裝所在的建筑物配給的電網容量、電壓和接地裝置實際情況。數控機床應用的普及，應重視電網供電電源的接地裝置技術條件，可參照GB 50169–2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》的3.11節和相關部分進行接地裝置的功能確認或優化的要求，以及電力行業標準DL/T621《交流電氣裝置的接地》相關接地裝置敷設等問題的應對要求，尤其對接地電阻規定值、跨步電位差和接觸電位差等參數評定值的綜合考慮，以滿足機床電氣設備的保護接地和EMC要求。

2 機床電氣電路保護的說明和理解

2.1 保護聯結電路

保護聯結電路的設置是確保人和設備安全以及設備電磁兼容性的一項基本技術條件，只要確保機床電氣設備的保護導體的截面積要求和保護連接的連續性，以及標準提及的相關事項，便可滿足要求。

一般情況，根據供電相線規格，選擇保護導線。銅保護導線的選擇可參照表1規定，鋁保護導線載面積不得小于16 mm2。對于電氣裝置對地泄漏電流大于10 mA a.c.(或 d.c.)的電氣裝置，例如一些調速變頻裝置等，可要求保護導線截面積的和大于10 mm2(銅)或16 mm2(鋁)，或附加保護導線，或采取限制較大對地泄漏電流的措施。

表1 保護導體(銅)的最小截面積

2.2 動力電路和控制電路

根據動力電路或控制電路構成要素組成的各種機床電氣回路，按功能主要分為配電傳輸電能的電氣回路和實現功能通斷/急停控制的電氣回路，動力電路或控制電路保護就是對這些電氣回路的保護和能耗器件的保護，即在能耗器件過載或和回路發生故障的過流狀態下，防止電擊、損傷器件以及防止發生火災。為達到電氣回路保護，就是在電氣回路出現過載和過流狀態下，保護器件(熔斷器/斷路器)可靠切斷電路，回路導線和能耗器件不損傷，便捷的操作方法也就是恰當地選擇保護器件和線纜。

參照GB 5226.1－2008的附錄D，相關保護器件和導線選擇協調的內容和理解在以下詳述，以便得出電路保護和實際應用的技術依據。

(1)線路過載保護

表2 銅導線允許的最高溫度和K系數

表3 相關標準中保護器件過載邊界值的規定

可參照下列公式(1)和(2)

其中:Ib為線路負載的計算電流，A;In為保護器件(熔斷器熔體或斷路器)額定電流或整定電流，A;Iz為線纜導體連續工作時的有效載流容量，A，需考慮溫度、集聚安裝和多芯電纜等因素的減額系數;I2為在規定的時間范圍內，保證保護器件有效動作的最小電流，A。

(2)線路的過流保護可參照公式(3):

其中:t為切斷負載電路時間;K為絕緣銅導線系數(表2);S為導線截面積，mm2;I為交流均方根值表示的短路電流，A。

(3)線路過載/過流公式的理解

線路過載保護需同時滿足公式(1)和公式(2)的條件，線路過流(短路)保護還需滿足公式(3)條件，即理想的電氣回路保護需同時滿足這3個條件。

公式(1):說明線路過載保護首先要確定線路負載的計算電流，再確定保護器件額定電流范圍，然后根據保護器件額定電流確定線纜導體的截面積，在電路設計和生產時，此條件較容易達到。應對實際保護器件和線纜規格的選擇，可參照3節的步驟操作。

公式(2):保護器件實際的特征曲線是離散的，曲線由邊界值定義，按相關標準規定(見表3):I1(或Inf)表示保護器件約定不動作的電流值;I2(或If)表示保護器件約定動作(斷開或脫口)的電流值，I2的取值應小于1.45Iz。構成電氣電路的線纜在其有效載流容量1.45倍以下工作時，可能存在一定風險，在標準中出現這樣的結果，電線電纜的標準的制定、制造及檢驗可理解為是經過協調處理的。這樣，當電線電纜過載/過流時，在標準規定的約定時間內應能保證其性能。

公式(3):①一般機床電氣回路的過流狀態(短路電流)的界定，可根據2.5～12倍的In計算值(或5 kA)來判定，結合保護器件的短路分斷能力和級間短路保護等要求選擇其具體類型;②為滿足GB 5226.1－2008中7.2節相關防護過電流的要求，即使導線在達到表2中T1max.所示最高溫度之前，切斷負載電路，即短路電流的持續時間。通常，依據GB 5226.1－2008附錄 A.1節要求:t≤5 s;③對于機床電氣設備對低壓配電網的短路電流及分斷聯結要求，可參照標準IEC60364－4－43/IEC60364－5－52《建筑物電氣裝置》相關內容。

3 機床電氣電路保護便于操作的具體方法

(1)相關數據表

為便于電氣設計、生產和使用，綜合相關標準的內容，制定表4(保護器件額定電流和相線導體載流量一覽表)。表中列出了保護器件額定電流值對應的導線截面積在不同敷設情況連續工作時載流量，可起到線路保護作用。

(2)相關線路保護的實際操作步驟

步驟1:線路負載狀態，計算線路負載電流Ib;

步驟2:根據計算獲得的負載電流，依據公式(1)和表4，確定保護器件的額定值In范圍;

步驟3:根據保護器件的額定值范圍，選擇導體在敷設狀態下的承載值Iz，使其滿足公式(1)的條件;

步驟4:根據表3，選擇保護器件的種類，按給定條件，計算I2或If，并判斷公式(2)條件是否成立，如果不成立，一是根據具體的保護器類型調低細分額定值，二是增大一檔導體規格，并確認所選保護器件和導線同時滿足公式(1)和公式(2)。例如控制電路，線纜一般使用0.75 mm2和1 mm2，線路保護器的額定值都在10 A以下，除考慮負載器件的保護外，同時可滿足線路保護;

步驟5:按公式(3)計算t時間，使其滿足t≤5 s，如果不滿足，根據具體的保護器類型，選擇其短路判定閾值較小等級或選擇其為瞬動型(具體考慮級間保護等要求，必要時和保護器件供應廠家協商解決);

(3)舉例:

例1:某一機床液壓裝置電氣主回路，泵組電動機額定功率為7.5 kW。計算:電流Ib=15.5 A;參照表4，保護器件用斷路器，預選額定電流20 A檔，細分選擇In=16 A，對應選擇PVC電纜導線截面積為2.5 mm2，在B2的敷設方式，Iz=21 A，滿足公式(1);參照表3，計算斷路器I1=1.05×16=16.8 A，I2=1.30×16=20.8 A;1.45×Iz=1.45×21=30.45 A，可判斷滿足公式(2);若短路電流按10In，t=(115 ×2.5/160)2≈3 s，滿足 t≤5 s。

結論:此電動機主回路選擇斷路器(額定電流20 A檔)和電纜PVC 3根2.5 mm2的規格基本合理。

例2:某一機床配電回路計算負載電流Ib=48 A;參照表4，保護器件用熔斷器，預選額定電流50/63 A檔，In=50 A，對應選擇PVC電纜導線截面積為10 mm2，在 B2 的敷設方式，Iz=50 A，滿足公式(1);參照表3，計算斷路器 Inf=1.25×50=62.5 A，If=1.60×50=80 A;1.45×Iz=1.45×50=72.5 A，不滿足公式(2)，增大一檔PVC電纜導線截面積為16 mm2，在B2的敷設方式，Iz=68 A，核算1.45×Iz=1.45×68=98.6 A，滿足公式(1)和(2);配電回路短路電流按5 kA，t=(115 ×16/5 000)2≈0.1 s，滿足 t≤5 s。

結論:此配電回路選擇熔斷器(額定電流50 A)和電纜(PVC 3根16 mm2)的規格基本合理。

4 結語

通過對機床電氣設備中電氣回路保護的技術條件和以上實施方法的實際應用，基本能較方便地指導和確認機床電氣回路保護的技術問題。對此類最常見、最容易被忽視的技術問題，依據相關標準，可以找到一個合理的、定量的操作方法，從而提高工作質量和效率。同樣，加強標準的研究和應用，也是機床研發制造和技術創新的必經之路。