起重機相序保護器的檢驗及其失效分析

摘要：主要對起重機相序保護器的一種特殊失效模式進行了探討，該缺陷存在于起重機的設計環節，會導致控制電路中的相序保護器輸出端發生短接失效，且現行檢驗規則采用的通電試驗方法無法檢出該缺陷。鑒于此，提出了優化的起重機相序保護器合格判定檢驗方法，并針對使用環節相序保護器被人為短接導致的斷錯相保護功能失效進行了分析。

關鍵詞：起重機;相序保護器;斷錯相保護;短接;電路

0 引言

對于起重機的斷錯相保護功能，《起重機械安全規程 第1部分：總則》（GB 6067.1—2010）第8.3條要求：“當錯相和缺相會引起危險時，應設錯相和缺相保護。”缺相會導致電動機內部電流劇增，長時間運轉會造成電動機異常發熱甚至燒損;錯相則會使電動機反轉，不按規定方向的意外運行有導致事故發生的危險。

起重機主要用于吊運重量大且提升高度高的物件，一旦電動機燒損失去起升動力或者電動機意外反轉，導致的事故后果將不堪設想。所以，起重機一般都設置有相序保護器。相序保護器是一種多功能三相電源系統或者三相用電設備的監測和保護儀器，可在電源發生斷錯相、過欠壓等故障時，通過繼電器輸出形式提供報警輸出和保護電路動作輸出的觸點控制信號，起到報警和保護的作用。然而，由于相序保護器的本體質量（如器件精度）或者供電網絡的電壓不穩等現實因素，相序保護器會頻繁（誤）動作而影響起重機的運行使用。因此，在起重機的設計和使用等環節，短接相序保護器使其失效的情形時有發生。

1 設計環節的斷錯相保護失效分析

《起重機械定期檢驗規則》（TSG Q7015—2016，以下簡稱“《檢規》”）C8.4“錯相和缺相保護”有如下要求：“檢查當錯相和缺相會引起危險時，是否裝設錯相和缺相保護。采用通電試驗方法，斷開供電電源任意一根相線或者將任意兩根相線換接，檢查有斷錯相保護的起重機械供電電源的斷錯相保護是否有效，總電源接觸器是否斷開。”《檢規》提出的通電試驗方法，往往被認為是檢驗起重機斷錯相保護的“金標準”。然而，在設計環節存在著一種特殊的斷錯相保護失效模式，僅采用通電試驗方法是檢驗不出來的，需要進一步審查控制電路設計圖紙才能發現這一缺陷。下面結合圖1的某起重機制造單位出具的控制電路圖紙，分析這種失效模式。

1.1? ? 通電試驗下，斷錯相保護功能有效

采用通電試驗方法（假設處于地控控制，下同），首先斷開起重機的總開關，繼而斷開供電電源任意一根相線或者將任意兩根相線換接，再接通電源，相序保護器APR將動作觸發保護使其輸出端斷開，此時按下啟動按鈕（停止開關S0處于復位狀態），由于控制回路總停的端子1-2斷開，總接觸器KM的線圈不能得電，總接觸器處于斷開狀態，起重機無法運行。即在通電試驗下，該起重機的斷錯相保護功能是有效的。

1.2? ? 控制回路的總停接通后，斷錯相保護功能失效

（1）如果相序保護器APR狀態正常（無斷錯相或過欠壓等故障發生），則其輸出端閉合，當按下啟動按鈕（停止開關S0處于復位狀態），KM線圈得電，KM的一個常開輔助觸點（端子3-5）閉合并自鎖，KM的另一個常開輔助觸點（端子9-2）閉合并短接相序保護器APR的輸出端，此時總停接通。

（2）總停接通后，如果三相電路中未接入變壓器供電的一相（B1）發生熔斷器開路或者該相供電線路斷開問題，又或者供電電源電壓波動過大，此時雖然相序保護器APR檢測出故障并觸發保護斷開其輸出端，但由于其輸出端已被KM的一個輔助觸點短接，總停的端子9-2處于一直接通的狀態，即使相序保護器APR動作保護也已無法使得KM線圈失電。即在控制回路的總停接通后，相序保護器APR的斷錯相保護功能是失效的。

這種設計很討巧，因為在控制柜里的相序保護器不會出現明顯的短接情形，同時采用通電試驗方法也可驗證相序保護器的保護功能有效，現場檢驗時一般也就不會再有所懷疑;但一旦控制回路的總停接通后，相序保護器的輸出端會被總接觸器的一個常開輔助觸點短接，其保護功能將失效。這種設計可保證安裝修理作業時，在“斷電→拆、裝相線→送電”后能有效檢測出三相電源的接入錯誤并觸發保護;而在通電運行后，又可屏蔽相序保護器檢測精度或者供電網絡電壓不穩等原因導致的相序保護器（誤）動作保護。但是，在控制回路的總停接通后對相序保護器這一電氣保護裝置的短接是存在安全風險的。例如，當三相電路中未接入變壓器供電的一相（B1）而熔斷器開路或者該相供電線路斷開時，總接觸器KM仍然閉合，電動機將缺相運行且有過熱燒損的風險。

綜上可見，按照《檢規》明確的要求和試驗方法，該起重機的“錯相與缺相保護”檢驗項目應判為合格。但如果結合控制電路設計圖紙一并分析，則這樣一個符合《檢規》要求的檢驗結果，卻因電氣設計缺陷而在某些情況下存在保護失效的安全風險。這既反映了《檢規》明確的斷錯相保護檢驗方法有其局限性，又凸顯了對起重機電氣設計圖紙的審查有其必要性。

2 使用環節的斷錯相保護失效分析

在圖2中，相序保護器的過欠壓故障指示燈常亮，提示電源電壓不穩定，存在欠壓或者過壓問題。經用鉗形電流表的交流電壓檔測量，測得電源輸入端三相線之間的電壓最小值為301 V，與額定電壓值偏差達到-20.7%，供電電源欠壓;查閱該型號規格相序保護器的使用說明書，其帶有過欠壓保護功能，允許的電壓波動范圍為-20%～15%。可見測得的線電壓最小值已超過了相序保護器的欠壓保護動作閾值，故相序保護器動作并報故障。采用通電試驗方法，斷相或逆相下故障提示燈亮，相序保護器動作，但總電源接觸器仍然閉合，起重機可如常運行，即斷錯相保護功能失效。檢查相序保護器，發現其輸出端接線被短接，兩根接線接在同一端子上（NO常開輸出端）。據使用單位起重機安全管理人員反映，該區域電網供電電壓不穩定，經常導致相序保護器動作而切斷起重機的動力回路電源，于是他們采取短接相序保護器的方法屏蔽了過欠壓保護功能，但同時也屏蔽了斷錯相保護功能。

該起重機裝設的相序保護器，三相電源依次接入其R、S、T三個接線端;其輸出有一常開一常閉兩組觸點，通過這兩組觸點的通斷變化輸出控制信號，實現報警和保護作用。其中NO為常開觸點接線端，NC為常閉觸點接線端，COM為公共接線端。其失效的原因是：相序保護器接入控制電路的兩根接線均被接至NO端，相序保護器輸出端被短接，控制電路電流不經相序保護器。此時無論是斷錯相還是過欠壓，相序保護器動作觸發的常開常閉觸點狀態變化輸出對控制電路的通斷均不產生影響，相序保護器作用失效。該型號相序保護器接入控制電路的正確方法，應該是將其NC端和COM端接入控制電路，即接入常閉觸點。當相序保護器動作時，常閉觸點斷開，切斷控制電路供電，則總電源接觸器斷開，從而實現斷錯相和過欠壓保護功能。

3 結語

從安全角度考慮，起重機的制造、使用等單位不應對相序保護器進行任何形式的短接，以免因斷錯相保護或者過欠壓保護失效而導致意外事故的發生。此外，現行起重機械定期檢驗規則采用的通電試驗方法并非是檢驗起重機斷錯相保護功能的“金標準”，建議對該檢驗項目采用“通電功能試驗+電氣圖紙審查”的方法進行合格判定，從而最大限度地通過檢驗消除起重機運行使用中的潛在風險。

[參考文獻]

[1] 起重機械安全規程 第1部分：總則：GB 6067.1—2010[S].

[2] 起重機械定期檢驗規則：TSG Q7015—2016[S].

[3] 起重機設計規范：GB/T 3811—2008[S].

[4] 起重機械安全技術監察規程——橋式起重機：TSG Q0002—2008[S].

收稿日期：2021-02-22

作者簡介：陳祿輝（1983—），男，廣東高州人，工程師，研究方向：特種設備檢驗檢測。