關于數控機床電氣安全的測試與改進方法

肖真詩

（通用技術集團 沈陽機床有限責任公司，沈陽 110142）

0 引言

數控機床是一種大型復雜的機、電、液相結合的現代化設備，廣泛應用于工業企業。由于其結構復雜，電氣元件較多，運行過程中發生的故障也會隨之而來，其結果會影響生產效率，嚴重可能導致人身安全問題。因此，其安全性就顯得尤為重要。數控機床電氣安全測試，可以檢測出問題發生的原因，也可以將這些安全隱患提前預知，規避由于各類原因帶來的安全問題。由于其重要性，對于檢測人員的要求也較高。檢測人員須嚴格依據國家標準進行安全測試，測試結束后將結果告知設計員、工藝員及相關生產人員，加以改進，符合標準的產品才能投放到市場使用。對于一些特殊情況，可以給終端使用的客戶一些使用的意見和建議。

1 電氣安全測試實驗項目

本文就平時測試中經常測試的4項內容做詳細的介紹，分別是絕緣電阻測試、耐電壓強度測試、保護接地電路連續性測試和剩余電流測試。

1.1 絕緣電阻測試

絕緣電阻測試是通過對機床動力線路和控制線路中外露可導電部分絕緣性能的測定，也就是絕緣電阻值的測定，來判斷機床電氣部分的絕緣性能是否符合國家標準GB 5226.1—2008規定值。測試范圍包括整機線路、動力線路和控制線路，結果以整機為準。依標準規定在主電源電路和保護接地之間產生500 V的直流電壓，測試其絕緣電阻，且要求阻值不得小于1 MΩ[1]，并且測試過程中沒有發生過絕緣擊穿、飛弧、閃絡等現象才算合格。

測試范圍也包括供電電壓不大于DC50 V或不大于DC71 V的數控系統；測試期間需要將浪涌保護器件拆除，如果不能拆除則要將試驗電壓降低至浪涌保護器件的電壓保護水平，但不低于電源電壓（即相線對中線電壓）的上限峰值[2]；整個測試過程是在整機電源斷電的情況下進行；由于斷電情況下一些電磁元件無法接通，需要用線短接所有動力回路中的電器設備的控制線路，包括控制電動機、帶有鐵芯的電器元件和帶有磁性開關的電器（例如變壓器、接觸器等），需要將它們兩端不導通的部分接通，保證整機線路處于接通狀態；確定機床電源配電系統的類型，TN-S、TN-C系統之間有區別，很多三相四線制的機床中會將N與PE相連，由于測試是在相線與PE之間進行，所以要將線路中的N與PE徹底斷開，否則會形成回路，如圖1所示，若相連會影響測試結果，導致實驗結果達不到國家標準。

圖1 相線與N和PE之間的關系

1.2 耐電壓強度測試

耐電壓強度測試也是判斷機床電氣絕緣性能的一項重要指標，當外界發生高壓電流滲入的狀況，正在運行的設備可能會被擊穿，導致正在操作的人員會觸電或者由于絕緣失效發生火災，為了避免這類情況發生，就需要對設備進行耐電壓強度的測試。在進行這項測試之前，首先要通過絕緣電阻測試，合格的機床電氣設備才能進行這項測試。測試線路的連接方式與絕緣電阻測試相同，都是在相線與PE之間進行，用于測試耐電壓強度的實驗設備，國標有明確規定，測試電壓頻率一般為50 Hz，大小為交流1000 V，測試過程中，電壓需在2～10 s內均勻地從0 V升至1000 V，并在到達1000 V時保持1～5 s，一般采用5 s，結束后應迅速降至0 V，但不可以突然斷電，否則可能發生故障或錯誤的測試結果。依據GB/T 26676—2011標準規定動力電路部分漏電流不得超過30 mA[3]，測試期間不得發生絕緣擊穿、飛弧、閃絡等現象才算合格。

不宜經受耐電壓強度測試的控制電路，應斷開連接；對于數控系統供電電壓不低于DC50 V或不低于DC71 V需要單獨測試，依據GB/T 26220—2010 試驗電壓為DC500 V，漏電流不得超過10 mA[4]。

當測試環境相對濕度大于75%時，需要對測試電壓進行修正處理，最終修正電壓為U=1000k，修正系數公式為

式中：k為測試環境的空氣密度修正系數，一般相對濕度不大于75%時，k=1；p0為標準大氣壓強，p0=101.3 kPa；p為試驗環境大氣壓強，kPa；t0為標準溫度，t0=20 ℃；t為測試環境溫度，℃。

1.3 保護接地電路連續性測試

該測試是為了保證機床電氣的所有保護連接電路都能與保護接地電路接通，且導通性能良好，漏電流能夠通過保護接地電路流入大地，防止由于漏電故障發生時，人的身體部位接觸到電氣設備的外殼處所發生的間接觸電事故。

從外觀上判斷，保護接地銅導線的長度一般不超過28 m[5]，導線截面積要求如表1所示。

表1 外部保護銅導線的截面積

測試時使用的接地電阻測試儀，試驗電流按標準規定是在0.2 ～10 A之間，并且每個測試點測試時間一般為10 s，試驗結果需滿足表2要求[5]。測試點位包括電柜門、變壓器、驅動器、穩壓器電源、操作面板和外部設備外殼等。

表2 電壓降閾值與保護接地導線截面積的關系

1.4 剩余電流測試

該測試是指在機床處于工作狀態下的漏電流值測試，將漏電流鉗表套在機床或電氣元件的保護接地導線上，讀取結果，該測試能直接反映出目前機床的漏電流值大小。在筆者實際工作中，經常會接到一些問題反饋跳閘現象，一些客戶采用的是30 mA的漏電保護開關，由于機床電氣區別于家用電器，某一些品牌的伺服驅動器其本身的漏電流值會偏高，這是由于伺服驅動器工作原理決定的。驅動器在運行中，其輸出的電壓類型是具有高頻的脈寬調制型，因此期間會產生大量的諧波干擾，它們會在電動機繞組與對地之間、電動機的電纜線與對地之間產生電容，繼而對地產生了漏電流，并且這些漏電流值會非常高，高出30 mA很多。這種測試能夠提前預知機床的漏電流值，在安裝前可以與客戶溝通，更換漏電保護開關，或更改其接地線路來保證安全。

2 測量的不確定度計算

任何測試都存在著一定的誤差，只是影響結果的程度不同。因此測量結果的置信程度，就成為判斷測量結果好壞的一個重要的依據。不確定度值越小，結果的置信程度也就越高。下面以絕緣電阻測試舉例說明不確定度的計算方法。

2.1 測試條件

環境條件為24 ℃；設備采用HIOKI 3153自動絕緣耐壓測試儀；精度為±（2%rdg.+5dgt）；量程為0.01～9999；測量值為電阻；試件為絕緣電阻檢測不確定度檢測樣品。

2.2 數學模型

式中：R為被測電阻實際值；R0為絕緣耐壓測儀示值。

2.3 輸入量的標準不確定度評定

引發輸入量R0的不確定度有兩個分支：一是自動絕緣耐壓測試儀本身由于最大允差所帶來的測量不確定度，設定為u1；二是被測電阻由于測量的重復性所導致的不確定度，設定為u2。

2.3.1 標準不確定度u1的評定（B類）

按遼寧省計量院檢定證書書中給出的自動絕緣耐壓測試儀最大允許誤差為±5%，可得

2.3.2 標準不確定度u2的評定（A類）

對一個樣本作絕緣電阻測試重復10次，得到結果如表3所示。

表3 絕緣電阻測試結果mA

則平均值

隨機過程的不確定度

標準不確定度

2.4 合成不確定度

2.5 擴展不確定度

取包含因子k=2，則擴展不確定度為

2.6 測量不確定度報告

絕緣電阻測試10次平均值Rˉ＝13.08 ΜΩ；U=4.6%；k=2。

3 電氣安全測試數據分析

3.1 絕緣電阻過低

絕緣電阻測試中可能發生不合格的情況分析：一般當整機測試時，如果測試的數據不合格，可以通過開通關閉每一路電氣設備來進行判斷，直到找出哪一路出現問題，基本可以判定為該設備的問題，但是在筆者實際測試中有一些現象，例如，某品牌驅動器單獨測量每一個驅動器時都合格，但由于其絕緣電阻值過小，只有1 MΩ，在并聯的情況下，總電阻會變小。

3.2 耐電壓強度泄漏電流過高

耐電壓強度測試中可能發生不合格的情況分析：與絕緣電阻判斷方法相類似，也通過開通關閉每一路電氣設備來進行判斷，直到找出哪一路出現問題，但有些情況是，單獨測每個元件都合格，但由于漏電流會疊加，整體可能呈現不合格的狀態，漏電流過高。

3.3 保護接地電路連續性接地導線壓降偏高

保護接地電路連續性測試中可能發生不合格的情況分析：單一元器件電壓降偏高時，檢查其接地導線截面積是否符合標準要求，接地螺栓是否牢固；整體電壓鉗偏高時，檢查總電源電路的保護接地電路是否符合標準要求，接地螺栓是否牢固。例如，筆者在某次測試中發現，整體的電壓降值比其他同類型機床偏高，經檢查發現，其總電源的PE線端子（電箱內部電源線接線端子處）未擰緊，導致整體結果偏高。

3.4 剩余電流偏高

剩余電流測試中可能發生偏高的情況分析：可以通過測量每個電氣元件的PE線上的漏電流值來判斷，一般來說，驅動器的漏電流值會偏高。而實際漏電流偏高與以下幾個因素有關：一是與電動機功率的大小對于漏電流的影響成正比，功率越大則漏電流也大；二是與電動機電纜線的長度成正比，電纜越長則漏電流越大；三是與驅動器的調制頻率成正比，調制頻率越大則漏電流越大；四是與驅動器Y電容成正比，電容越大則漏電流越大。

4 改進建議

4.1 絕緣電阻改進方案

如果有單一電氣元件的絕緣電阻不合格的，建議直接更換成合格的電氣元件，對于絕緣電阻值合格但較小的元件，建議更換大一些的元件，可以通過阻值計算大小或者直接更換為能達到測試設備上限的元件，筆者在測試過程中發現很多產品都能夠達到儀器上限。

4.2 耐電壓強度改進方案

耐電壓強度與絕緣電阻方法相類似，對于不合格的電氣元件建議直接更換成合格的，且漏電流值盡量選擇小一些的元件，如果整體不合格，單一元件都合格，建議更換其中占較大比例的元件。

4.3 保護接地電路連續性改進方案

保護接地電路連續性，可以通過更改其接地導線截面積，達到符合標準要求的大小，擰緊接地螺栓。

4.4 剩余電流改進方案

在客戶的剩余電流超過30 mA的情況下，有幾種方案可供選擇。

1）建議其更換剩余電流動作保護器，采用B型剩余電流動作保護器（RCD），由于這種保護器能夠完美貼合驅動器的一些特性，特別是針對一些具有三相整流裝置的設備能夠很好地解決其漏電保護的問題，但是必須要符合國際IEC 60755標準或者DIN VDE 0664-100標準的產品才可以。

2）對于一些客戶現有的條件，可能不具備上述的情況，那也可以采用普通的漏電保護開關，在驅動器前加裝一個大于0.2 s動作延時且額定剩余動作電流值大于300 mA的漏電保護開關。

3）對于裝機容量超過22 kW以上的機床，建議在一般漏電保護開關與驅動器之間加裝隔離變壓器能有效避免一般漏電保護開關誤動作。

4）如果客戶實在無條件安裝剩余電流動作保護器，則不必安裝。但是一定要按EN 50178標準要求，將驅動器外殼接地做到可靠牢固，并保證驅動器與其它設備共地、等電位，且接地導線的截面積應為普通接地線的2倍，或至少截面積要在10 mm2以上，接地電阻小于4 Ω。

5 測試能力的提升

5.1 人員能力提升

通過加強現有人員培養與深造，努力提高實驗人員檢測和分析能力；橫向協同高校科研院所高水平人員，帶動學科能力建設。積極和高水平院校及檢測儀器供應商交流，通過內外部人員的整合和協同，推進實驗測試能力、實驗數據分析能力、機床問題挖掘及整改優化能力提升。

5.2 優化設備

由于檢測設備經過長期使用，很可能出現設備老化、部件磨損等不同程度的問題，影響測試效率和準確性。同時，伴隨技術進步，檢測設備的功能和性能也在不斷升級。為了適應日益增長的測試需求，應對檢測設備進行補充和提升。

5.3 優化檢測環境

為保障檢測數據的準確性和產品裝配的精度，在條件允許的情況下應對測試車間進行恒溫改造升級，對已經損壞的公共設施等進行維修，嘗試配套智能化車間管控系統對車間進行管理。

5.4 引入管理軟件

引入實驗室管理軟件，全面管理實驗數據、實驗儀器等，提升信息化管理水平。

6 結語

電氣安全無小事，聚焦主營整機產品及核心功能部件，從產品基礎性能、單項技術研究、供應商準入和質量管控、解決現場實際問題等方面，開展新品及量產產品的測試、優化、分析工作。同時在測試過程中逐步建立標準化的產品測試方案和流程，梳理流程化的問題分析方法，通過測試快速發現問題，與設計、生產和工藝部門協同研究，快速找到解決方案，逐步建立的“測試-分析-反饋-改進-再測試”工作閉環，服務機床產品品質提升。為此，本文對數控機床電氣安全測試做了詳細的闡述，對測試方法、實際案例原因分析、結果研究做出改進建議，對實際測試、結果評價、電氣設計和機床電氣的使用都具有指導意義。