电梯电气接地装置设计与失效分析研究

田海丰 丁存良

（青海省特种设备检验检测院 西宁 810000）

为了进一步增强对电梯电气接地装置性能及作用的认识，避免因接地装置设计不当及失效引起的危险，文章首先对电梯接地装置进行分类，并按照分类来介绍其作用和工作原理，然后采取故障失效分析方法，对各类接地装置失效的可能后果进行探讨，最后提出了从设计、制造到日常维修各过程的预防和应对措施。

1.1 概念

电梯接地装置是为了保证人身免受伤害和电梯的安全正常工作而采取的一种重要技术措施，通过电气系统设计，接地装置将电梯设备上的正常或非正常工作状态下的电气回路中的接地电流、短路电流、干扰电流引入大地，从而达到预定的目的［1］。

1.2 接地的分类及作用

电梯是集成机械、电气电子技术等一体化的产品，接地就是导体与大地零电位相连。电梯上的接地装置按照其基本功能一般可以分为安全保护接地、工作接地及防雷接地。

安全保护接地主要表现在当电梯的带电金属导体部分搭壳或绝缘损坏造成漏电，人体如接触其外露可导电部分，就有可能发生触电事故，此时利用接地装置实现人体触电安全保护［2］。

为了实现电梯控制系统正常工作，电梯电气系统设置许多工作接地，当电气回路发生绝缘受损时，通过工作接地设计能有效保护电气系统处于安全工作状态或实现检测报警。如：将电梯的直流控制安全回路一端设计成工作接地，在电气绝缘良好的情况下控制回路功能不受任何影响，当控制回路中某点发生绝缘损坏故障情况，相当于一点接地，此时故障点通过大地便会与接地端构成回路，产生较大的短路电流足以使控制回路电源熔断丝断开，控制电源失去电压电梯停止运行，实现了安全回路故障接地保护功能［3－4］。

电梯设置防雷接地能有效保证雷击对建筑物及其内部电梯等设备的安全和正常工作。如：雷电产生瞬时的极高电压传递到电梯电气装置内部，对电梯电气系统产生破坏。通过可靠的接地装置，将有害的电压引入大地，对电梯设备进行有效保护［5－6］。

2.1 保护接地形式

为了能更好地探讨保护接地的作用和失效分析的问题，在此对保护接地形式作简单介绍。根据国家相关标准的规定，保护接地是将电源系统中性点或设备外壳的一点或多点接地。这里“地”一般是指大地，为“零电位”。按照接地形式分为IT、TT、TN 3种［7－8］，其中第1个字母为电源侧与地的关系，第2个字母为负载侧电气设备外壳与地的关系，各类型分述如下：

1）IT接地系统（如图1所示）。I表示电源中性点不接地，T表示设备外壳接地。

图1 IT接地系统图

2）TT接地系统。第1个T表示电源中性点接地，第2个T表示设备外壳接地，2个接地点不在同一个位置。

3）TN接地系统。T表示电源中性点接地，N表示设备外壳与电源中性点接地。

TN接地系统又分为 TN-C、TN-S、TN-C-S 3种。TN-C系统为三相车线制连线，工作零线N与保护线PE为一根线，即PEN线。TN-S系统（如图2所示）为三相五线制接线，工作零线N和保护线PE从电源侧中性点分开相互独立。TN-C-S系统具有TN-C系统和TN-S系统的特点，从电源出来的这一段为车线，到负荷侧某一点分为五线。

图2 TN-S接地系统图

由于IT系统不设零线难以运用到电梯上；
TT系统需要再设接地装置，需要的接地钢材多，而且必须和漏电保护配合使用，容易误动影响电梯运行的可靠性。实际应用中，电梯上已经很少采用IT、TT系统。按照国家相关标准要求，电梯电源从机房起保护线PE与工作零线N必须分开，所以电梯通常为TN-S或TN-C-S形式，电源开关一般为不带漏电保护的空气开关。

2.2 保护接地工作原理

当电气设备电路出现搭壳、绝缘损坏等情况时，通过保护线PE形成一个阻抗较小（电流较大）的故障回路，利用电路的短路保护装置，即熔断器或空气开关在故障接地电流的作用下当故障电流达到一定值时切断故障电源。为防止人体触电或避免触电发生严重的伤害，国家电气相关标准要求电气设备发生故障应在允许的时间内切断故障电流。因此必须使空气开关（熔断器）的瞬时动作电流不大于故障电流，若不能达到这一点要求就要采取其他措施，如加装漏电保护装置以保证人身安全（电梯电源开关一般也不装漏电保护装置）。

2.3 保护接地失效危险分析及对策

以TN-S系统为例（如图3所示），当保护线PE断开从1点断开，PE线重复接地RA有效（此时TN系统转变成了TT系统）或者PE线从1点、2点均断开，如发生绝缘损坏和导体搭壳等故障时，都存在电源空断开关和熔断器的瞬时动作电流不大于故障电流的情况，不能切断电源，此时设备金属外壳带电，人体如接触易发生触电事故［9］。

图3 TN-S系统保护接地失效图

为了有效防止发生触电危险，将电梯电气绝缘损坏时可能带电的所有设备外壳与电梯保护线PE在电气上进行可靠连接。这些部件包括：电梯配电箱、控制柜、电源箱、曳引机、限速器开关、盘车手轮开关、轿门锁电气装置、厅门锁电气装置、轿顶检修箱、门机、光幕、轿厢照明、2P＋PE型电源插座、上下极限开关、限位开关等部件以及携带式和移动式用电设备。为了保证PE线的接线可靠，这些部件的PE线通常是汇总到电梯机房接地端子箱，连接的导线要牢固，不得有断开的地方。按照一般要求PE线应使用黄绿双色的专用线，其截面应符合相关标准要求，PE线穿过墙、楼板孔洞等处时，应有足够的保护绝缘损坏的措施。

电梯设计制造中应考虑接地PE线的设置符合国家相关标准要求。安装中按照图纸做好PE线装设，做好电气绝缘保护措施。在日常维修检查中，应注意观察PE线接地端的连接情况，可以用万用表测量PE线的连通性，用接地电阻测试仪测量接地电阻的数值是否符合要求，必要时在采取有效的安全措施前提下模拟故障，验证保护接地装置的可靠有效性［10］。

3.1 工作接地保护原理

以一种电梯安全回路为例，如图4所示。该电梯电气安全回路分2部分。一部分将S1-Sn安全触点（开关）与YJ安全继电器串联，当S1-Sn安全装置中任何一个安全开关、安全触点动作，YJ安全继电器失去电压，电梯不能运行。另一部分将门锁回路电气联锁触点（用SM简单表示各层门和轿门触点）与MSJ门锁继电器串联，当其中任何一个触点断开（门未关好），MSJ继电器失去电压，电梯不能运行。

图4 一种电梯安全回路失效图

为了起到保护作用，电路在设计时将零位端A25接地，当安全回路上A30、A15、A14、A16任何一点发生接地故障情况，此时A30－A25电源回路中产生较大的短路电流，自动断路开关（熔断器）切除电源回路，安全继电器YJ及门锁继电器MSJ失电，电梯不能运行。

3.2 工作接地失效危险分析及对策

因某种原因零位端A25未设计工作接地或未能可靠接地，即工作接地失效，此时如果安全回路A30到A15之间因绝缘损坏等原因造成有两点接地，接地的两点之间跨过安全开关（安全触点）通过大地构成回路，使电气安全装置失去其保护作用，电梯其实是在“无保护”情况下继续运行，存在极大的安全隐患［11］。

如果A25端子未能可靠接地，当A16、A14端子回路任何一点发生接地故障情况，110 V电源不能产生大电流，电源保护装置（熔断器）不能切除带病回路电源。如果电源回路中也没有设置其他绝缘损坏检测电路，便无法得知电梯处于“带病”状态。此时，如果A16端子到A30端子这个回路中再出现一个故障点接地，这时两点之间的各个门锁触点SM等同于被短接，门锁继电器MSJ吸合，电梯失去了门锁保护功能，可能发生开门走梯的严重后果。

当电梯抱闸回路未采取接地故障保护措施，发生搭壳、绝缘损坏将会导致制动器失效，电梯有可能发生失控，产生严重的后果。

为了防止工作接地装置失效，设计制造过程中应仔细考虑电气控制回路绝缘损坏时是否有必要采取工作接地保护措施，分析图纸上的电气安全回路、抱闸回路、门锁回路等控制电源工作接地保护装置设置是否合理有效。安装及维修过程中认真核对电梯的接地点位置是否正确，可以通过目测或仪表测量，验证现场实际接线与电气原理图是否相符，并检查接地端连接情况［12－14］。

为了验证接地功能的可靠性，通过人为模拟接地故障的方法，验证其保护功能是否有效。例如：断开主电源后，人为使门锁电气触点一点接地，然后送上电源，观察电源保护装置（熔断器）的状态，若电源保护装置有效（熔断器熔断），则认为保护接地功能正常有效。

4.1 防雷接地保护原理

整个建筑物（包括电梯机房）的防雷保护可以分为外部防雷和内部防雷2部分。按照相关标准要求，对建筑物各部位采取分区保护，由低到高可以分为LPZ0A区、LPZ0B区、LPZ1区、LPZ2区、LPZn区［15］。如：该电梯机房在直击雷防护、建筑物钢筋结构屏蔽防护及进一步设防为LPZ2区（如图5所示）。

图5 建筑物防雷接地保护分区图

外部防雷包括建筑物及可保护范围内的直击雷防护，外部防雷装置包括接闪装置（见图6）、引下线、接地单元。外部防雷装置如同一把伞，将整个建筑物及可保护范围区域保护在伞内，当受到雷电袭击时，将其保护范围内的接闪装置接收到的雷电流引入大地，从而避免建筑物及其内部电梯等设备各部分因雷击而受到损坏。

图6 外部防雷一种接闪装置局部图

内部防雷包括建筑物及电梯机房感应雷防护、反击雷防护等，内部防雷装置一般采取等电位接地保护、屏蔽接地、电源及信号系统防雷接地保护。

4.2 防雷接地失效危险分析及对策

●4.2.1 防雷接地失效

直击雷如击在建筑物、电梯机房设备上，如防雷保护失效将产生电效应、热效应和机械力的破坏。电效应表现在瞬时产生的极高电位，将被击物绝缘击穿直接造成设备的损坏。热效应对被击物的破坏力表现在雷电流产生的高温可以引起燃烧以及使设备熔化。机械力对被击物的破坏力表现在雷电流流过的地方会产生高温，被击物内部水分等物质受热气化而急剧膨胀产生强大的冲击力，会导致被击建筑物包括电梯设备的损坏。

雷电感应或接地装置上雷电入地时的高电位传递有可能对电梯内部造成过电压和电磁干扰。由于电梯电气控制系统的微电子程度高，其耐压及抗干扰能力弱，如失去保护，雷击产生的过电压和干扰电压轻易就能造成设备损坏或故障。

●4.2.2 防止防雷接地失效的措施

对于电梯而言，如果机房在建筑物顶楼，其机房门窗等一定要与防雷接地连接可靠，防雷接地的接闪装置、引下线、接地单元各部件应符合规范要求。如果是建筑物外部另外加装电梯，则还要求电梯轿厢、轨道、层门等要与建筑物防雷接地可靠连接。

利用等电位接地技术消除感应雷及电源的电磁干扰，等电位连接要将设备金属外壳、电缆的屏蔽层、大尺寸的金属导体等与接地装置之间做可靠的电气连接。具体措施有在电梯配电箱内敷设接地干线，并将电梯机房内所有设备接地，如金属线槽、电梯主机等与等电位接地干线连接。另外，应重点在雷电保护分区交界点处做等电位接地。

屏蔽是用来衰减加在设备上的由某些电源引起的电磁场强的措施。电梯机房和电梯井道可以利用建筑本身的钢筋和金属结构等形成初级屏蔽。电梯控制柜位置应尽可能地设置在一个远离墙壁的位置，机房内其他设备也要相应接地并且设在远离接地引下线的位置上，以更好地降低雷电感应影响。电梯的各类电缆电路如动力线缆、控制线缆、信号线缆避免交叉，应分开敷设，并要隔开一定的距离，以便减少电磁干扰影响。

为防止雷电感应所产生的高压电涌对电梯电源的侵害，可以采用电涌保护器，电涌保护器应可靠接地［16］。

做好防雷接地，可以有效地避免直击雷和感应雷电对电梯的影响，保证电梯的安全可靠使用。为了有效防止雷电危害，接地的安装必须可靠，接闪装置与防雷引下线之间以及防雷导体的引下线和接地单元按照规范的要求可靠连接。所有与建筑物相互组合在一起的电梯金属导轨、金属外壳都应做好等电位连接。电梯采用的屏蔽电缆、敷设电缆线路的金属管槽、电涌保护器等应按照规范做接地连接，接地电阻值应符合规范要求。

电梯接地装置的工作直接影响人身安全及电梯设备安全和正常运行，本文采取失效模式的分析方法，分别叙述了各种情况下接地装置失效的安全风险和危害，总结了通过进一步提高设计制造、安装、维修人员对接地装置功能及其重要作用的认识及在各个环节中具体防止接地装置失效的有效措施，对减少人身安全事故和保障电梯安全可靠运行有一定的指导作用，由于所收集的资料有限，提出的措施仍不十分完善，需要各位同仁在工作中不断总结和更加深入的研究，从而不断提高电梯接地装置的安全性、可靠性。

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