施工現場電焊機防觸電保護分析

文/馬杰

（本文作者單位系中國天辰工程有限公司施工管理部）

實習編輯 李楠楠

電焊作業是各施工現場最常見的作業，做好焊機的管理是臨時用電安全管理工作的重點，但在實際管理中發現，許多施工現場工程管理人員、專職電工或電焊工對于電焊機的防觸電保護措施并不是很了解，尤其是對選擇接地保護或接零保護認識不清，甚至不了解TT系統和TN-S 系統的區別，這就容易造成在現場焊機管理過程中指導混亂，實際操作過程中出現錯誤接法。本文就以施工現場焊機防觸電保護為對象，討論施工現場如何對電焊機采取正確的防觸電保護。

施工現場常見供電系統

TT 系統

TT 方式供電系統是指將電氣設備的金屬外殼直接接地的保護系統，常稱為保護接地系統，也稱TT 系統。當電氣設備采用保護接地措施后，一旦發生單相觸殼，漏電電流會通過保護接地經大地（地網）和中性點接地電阻回流至中性點，如果此時電氣設備前端的保護裝置只安裝了斷路器或熔斷器，由于保護接地漏電電流較小，若斷路器或熔斷器額定電流較大，往往會造成斷路器無法脫扣或熔斷器無法熔斷的情況出現。此時，漏電電流將在發生漏電的相線與電氣設備中形成回路，使電氣設備帶電運行。例如，某施工作業現場，如圖1 所示，三相交流電焊機采取TT 系統，假設相線L由于絕緣不良導致電焊機觸殼漏電，電流將通過接地保護R流經大地（地網）回到中心點接地電阻R，再通過中心點接地線流入L，形成回路，按規范要求，R和R二者均不得大于4 Ω，當電焊機電源發生單相觸殼漏電，漏電電流I=220 V/(R+R)-220 V/4+4=27.5 A，該電流對于施工現場大多數斷路器或熔斷器額定電流（一般在32～630 A）而言，都無法觸發脫扣，漏電電流長期存在。此時，電焊機所帶對地電壓U=I×R=27.5 A×4 Ω=110 V，遠高于人體所能承受的36 V 安全電壓，不僅對可能觸碰到該設備的人員造成危險，而且長時間還會對電氣設備造成損壞。解決該問題的重要手段就是在電焊機和斷路器（或熔斷器）之間加裝漏電保護器，或直接將斷路器更換為具有漏電保護功能的漏電斷路器，如圖2 所示，漏電斷路器的動作電流為毫安級別，一旦發生單相觸殼漏電，足以通過其予以切斷。

圖1 電焊機未使用漏電保護裝置時采用保護接地觸電后果

圖2 正確使用漏電保護器情況下采取保護接地措施的電焊機線路圖

對于施工現場而言，如果對所有電氣設備采用保護接地的方式，就必須確保每臺電氣設備的控制回路都加裝了性能良好的漏電保護裝置，同時，為了在漏電保護裝置失效的情況下，也能最大程度地降低電氣設備單相觸殼漏電后的危險，還要采取良好接地保護，這需要耗費大量的接地鋼材，費工、費料、難回收重復利用，這在施工現場是不經濟的，在用電設備較多的情況下，日常對漏電保護器的巡檢管理難度也較大，所以在施工現場不建議采取接地保護的方式。

TN-S 系統

TN-S 方式供電系統是指將電氣設備的金屬外殼與一根專屬保護線（PE 線，又稱保護零線）連接，該線與工作零線（N 線）嚴格分開，并在敷設過程中不允許斷開，在變壓器處做接地并在敷設過程中按要求做重復接地，成為保護接零系統，也稱TN-S 系統。

TN-S 保護接零系統的優點就是由于其設置特點，如圖1 所示，假設相線L觸殼電焊機漏電，如圖3 所示，電流將通過保護零線PE線回到中心點，相當于造成單相短路，保護零線（PE 線）電阻很小，根據規范要求，PE 線截面積不得小于5 mm，截面積越大，電阻越小，以100 m 長，截面積為5 mm作為PE 線的銅線為例，其電阻R=(ρ×L)/S=(0.017×100 m)/(5 mm)=0.34 Ω，則漏電電流（即短路電流）I=220 V/R=220 V/0.34 Ω=647A，可見電流非常大，足以瞬間使施工現場常見的所有斷路器跳閘或熔斷器瞬間熔斷，從而使設備與電源脫離，避免人身觸電造成觸電事故的可能性。相比保護接地的措施，保護接零的保護零線（PE 線）為三相四線制（國際電工委員會IEC 規定：對于三相幾線中的“線”，指的是在正常運行狀態下有電流流過的“線”，由于PE 線在正常狀態下沒有電流流過，因此它不能稱為“線”。所以，不存在所謂的三相五線制。三相五線制是國內的錯誤稱呼，國際與IEC 都不承認三相五線制的定義）中五芯線中的一芯，可以周轉使用，降低了保護接地系統中每臺電氣設備都需處處接地的人工和費用，是目前施工現場推薦的電氣設備保護方式。同時，根據規范要求，三級配電兩級保護，在總配電箱（一級配電箱）和開關箱（三級配電箱）處還設置漏電保護裝置，進一步增加了防觸電的安全性，使得電氣設備一旦出現單相觸殼漏電，將處于斷路器和漏電保護裝置的雙重保護之下。

圖3 電焊機采取保護接零方式漏電后單相漏電電流走向示意

在規范中要求，保護零線（PE線）在敷設過程中，除必須在配電室或總配電箱處做重復接地外，還必須在配電系統的中間處和末端處做重復接地，這是考慮到一旦保護零線（PE 線）在某處斷線（非人為造成），而其后的電氣設備出現單相觸殼漏電，如圖4 所示，該電氣設備與重復接地處事實上變成了保護接地系統（TT 系統），雖然施工現場不建議采取該漏電保護方式，但采取該措施的目的是在出現PE 線斷線的最壞情況后，最大程度降低漏電電氣設備所帶的漏電電壓，這也是規范中要求即便TN-S 系統正常情況下漏電電流足以使斷路器脫扣或熔斷器熔斷，仍然要求必須設置漏電保護器的原因。

圖4 電焊機保護零線斷開后，單相漏電電流走向示意

在TN-S供電系統中的習慣性違章

施工現場電焊機在TN-S 供電系統中，具有可靠性強，漏電保護靈敏，節省鋼材等特點，但在實際使用過程中，常會因一些設置錯誤或缺陷，導致出現安全隱患，以下列出施工現場實際使用過程中的常見問題。

1.保護接地與保護接零混用

電焊機在施工現場實際使用過程中最為常見的錯誤，是施工現場配電為TN-S 系統，電焊機已通過PE 線進行了保護接零，但依然有個別對接零保護與接地保護的區別和特點不清楚的管理人員要求電工對電焊機外殼進行保護接地，此種做法，不僅費工、費料，有時還會對其他正常工作的電氣設備造成威脅，并非一接了之，需要慎重考量。

當電焊機同時做保護接零和保護接地時，一旦出現單相觸殼漏電，漏電電流并不會流經保護接地，依然是單相短路電流引發斷路器脫扣，保護接地是無效的，造成材料和人工的浪費。如果是考慮保護零線在連接電焊機時出現了斷線，電焊機的漏電保護變成保護接地的方式，若此時電焊機出現單相觸殼漏電，且恰好該電焊機未裝漏電保護裝置或漏電保護裝置損壞，漏電電流無法使斷路器或熔斷器切斷，這樣一來，不僅電焊機出現漏電并產生對地電壓，其他與PE 線連接的電氣設備和電焊機等電位而帶有同樣的對地電壓，漏電故障不僅沒有消除，反而進一步擴大了漏電故障范圍。在這種條件下，做了保護接地，不僅漏電故障未能完全消除，同時擴大漏電故障范圍；若不做保護接地，只有故障電焊機帶有相電壓220 V，是前者能夠接受還是后者能夠接受，這是對電焊機是否要做保護接地的根本考量。在這里仍要強調的是：保護零線與漏電保護裝置同時出現問題的情況概率非常小，如果能夠確保漏電保護器和保護零線二者之一是正常的，就沒必要再做重復接地，這是因為漏電保護器故障，保護零線正常的情況下，單相觸殼漏電的電流足以使斷路器脫扣或熔斷器熔斷從而切斷電源；而保護零線斷開，漏電保護器正常的情況下，單相觸殼漏電使得漏電保護器檢測到三相電源中出現不平衡，有漏電的情況發生，將立即脫扣斷電。

2.TN-S 系統下工作零線重復接地

TN-S 系統下，重復接地僅是指保護零線（PE），而工作零線（N線）在從中性點引出后，就不允許再做重復接地，有個別管理人員對TN-S 配電系統不了解，也要求對工作零線進行重復接地，造成做了重復接地的工作零線前端配電箱中的漏電保護器經常誤動作，干擾了施工現場正常供電。

漏電保護器動作的原理就是進出電流的矢量和為零，在TN-S 系統中，如果工作零線接地，就會有部分零線電流在回流至中性點時，一部分通過工作零線流回中性點，由于工作零線進行了重復接地，將導致另一部分零線電流通過大地（地網）流回中性點，從而造成接有工作零線的前端漏電保護器中進出電流的矢量和不為零，其誤判有漏電產生，差值達到額定漏電動作電流后，立即脫扣斷電，該動作屬于誤動作，事實上并未發生漏電，只是該部分電流差值是由于工作零線接地造成部分零線電流經由大地（地網）流回中性點造成的。

3.電焊機搭鐵線隨意代替或連接

電焊機的二次線（搭鐵線）應使用導電率高的專用線（銅線），且需要有足夠的截面，不宜過長。二次線（搭鐵線）應使用專用鉗夾直接接在焊件上，從而減少接觸點，降低接觸電阻，保證焊接電流及最短的焊接電流回路路徑。

但在施工現場，一些焊工為了圖省事或是地線不夠長，常將二次線（搭鐵線）使用鋁線或是通過金屬結構進行引流，這樣不僅會引起代替線或結構由于導電不良而造成的本體發熱和電流損耗，還會引起較大的壓降，無法保證正常的焊接電流，影響焊接質量。在鋼結構安裝過程中，如果通過鋼結構代替二次線（搭鐵線）引流進行焊接，容易造成沒有絕緣保護捆綁在鋼結構上的生命線打火燒斷，對使用生命線的高空作業人員埋下嚴重的安全隱患。同時，如果焊接電流流經路徑中有儀表接地電纜、儀表風管道等，則容易燒毀儀表。

4.焊件本體與保護零線相連

使用交流電焊機時，若焊機二次線圈一端接地或接零，焊件本身不應接地或接零；若此時焊件再接地或接零，部分較大的電焊回流電流將會流過接地或接零線，很容易將保護地線或零線熔斷。假如此時搭鐵線回路接觸不良，將使該部分的電焊回流電流進一步升高，不但易引發火災，同時造成保護零線或地線的熔斷，一旦電焊機發生單相觸殼漏電，失去保護零線或地線的焊機將對附近作業的人員產生安全威脅。

5.焊件直接放在金屬平臺上焊接

在一些施工現場，需要在一些花紋鋼板或鋼格柵板的金屬平臺上進行焊接作業，有些焊工為圖省事或節省二次線長度，就近將二次線線夾直接夾在金屬平臺或與金屬平臺連接的欄桿、鋼結構上，焊件放在金屬平臺上，通過金屬平臺引流，焊件與金屬平臺之間易出現間隔，在焊件挪動時，容易出現打火現象，會對焊件造成損傷。當焊工觸及焊鉗金屬裸露部分時，由于焊工站立在金屬平臺上，如果焊接電流回流不暢，會有回流電流通過人體的可能性，尤其是在高溫、潮濕和多雨地區，焊工身體出汗時，人體電阻大大降低，更增加了觸電的可能性。

6.電焊機二次側未配裝防二次側觸電保護裝置

雖然交流電焊機在焊接過程中是高電流（50～600 A）、低電壓（工作電壓是30 V 左右），但未進行焊接作業即空載時，電壓在50～90 V 之間，高于36 V 安全電壓。如果焊工在未焊接時，未戴絕緣手套而直接接觸焊把的導體裸露部分，就會有觸電風險。此時，需要在電焊機二次側加裝觸電保護裝置，其工作原理是：當電焊機未施焊空載時，保護裝置會通過降低一次側電源電壓的方式使二次側電壓降低，通常會降低至24 V以下。當開始焊接作業時，保護裝置會將一次側電源電壓恢復，此時二次側的電壓也會相應升高并達到引弧電壓，引弧完成后，二次側電壓迅速降低。當停止焊接作業時，電焊機恢復空載狀態，二次側電壓再次升高，“激發”保護裝置再一次降低一次側、二次側電壓，從而大大降低電焊機二次側超出“安全電壓”的機會，所以，裝配防二次側觸電保護裝置是很有必要的。

7.施工現場電焊機常見習慣性違章圖例（見圖5）

圖5 施工現場電焊機常見習慣性違章

總結

綜上所述，電焊機在TN-S 系統與TT 系統中使用基本原則和要求有以下幾點：

一是電焊機防觸電保護方式必須和供電系統保持一致，即供電系統若是TN-S 系統，外殼則需采取接零保護方式，不應做接地保護，也沒必要同時做接零保護和接地保護。

二是在TT 系統中，電焊機前端必須裝有漏電保護裝置，并經常檢查其功能是否正常；在TN-S 系統中，電焊機前端應裝有斷路器或熔斷器。

三是電焊機保護零線任何時候不能斷開，所以既不能獨立敷設，也不允許通過任何可以斷開的開關或控制器，要使用四芯（三根相線+PE 線）對電焊機供電側進行接線。

四是在配電箱處保護零線（PE線）做重復接地，工作零線（N 線）不允許做重復接地。

五是電焊機二次線（搭鐵線）隨意代替或連接，禁止通過金屬平臺引流。

六是交流電焊機前端要加裝防二次側觸電保護裝置，并要注意加強對焊工的教育和監督，讓其理解保護裝置使用的必要性。

電焊作業是施工現場最常見的施工作業，在工程建設領域發揮著不可替代的作用，做好電焊機防觸電保護工作，是施工現場安全管理中極其重要的工作之一。在管理過程中，作為工程管理人員，對電焊機和焊接作業的管理要秉持科學、有效的原則，抓住電焊機防觸電保護管理的關鍵點，切不可不懂裝懂、瞎指揮、亂管理，否則不僅不會降低或消除安全隱患，甚至還有可能擴大和提升風險，造成更為嚴重的后果。