数控机床电气安全检测技术应用分析

　数控机床作为大型、复杂的机、电、液设备，其安全是否合格将直接影响设备、人员的安全，对其安全合格评定的重要性不言而喻。标准GB 5226. 1－2008《机械电气安全机械电气设备第1 部分: 通用技术条件》( 以下简称GB 5226. 1) 作为合格评定体系中的重要一环，满足该标准的相关要求将是设备设计、生产的基本工作。然而，由于该标准是机械类通用标准，规范内容繁多，需要设计者和机床检测人员从中取舍出适合数控机床的安全内容，导致该标准的执行结果各不相同，使机床留下了不安全隐患。同时，由于目前对机床安全检测技术研究较少，相关标准的规定又不能完全处理检测中的实际问题。因此，有必要对电气安全检测内容以及方法进行分析、研究，为今后机床制造商和设计人员提供参考，促进机床安全水平的提高。
机床电气安全检测主要包括电气系统检查和型式试验两部分。根据国家标准的规定，机床检测时必须要进行电气三项试验，即: 保护联结电路连续性试验、绝缘电阻试验和耐压试验。
1、电气系统检查
GB 5226. 1 中用很大篇幅对电气系统检查进行了详细规定，如何从该机械通用标准中选出适合数控机床的检查内容，是一个很棘手的问题。本文根据安全影响程度的大小、优先考虑保护人员安全的原则，并结合数控机床的结构特点，总结出了以下符合数控机床的安全检测内容，并划分出了重要等级，如表1 所示。

表1 电气系统检查项目及等级
在表中，非常重要列为A 等级，一般重要列为B等级; 对于可操作性差、不易发生且对人体伤害不明显的项目列入C 等级或作为不检项目( 但常规检测时任然需要执行) 。
2、电气三项试验
2. 1 保护联结电路的连续性试验
保护联结电路连续性试验的目的是验证机床中各部件的保护联结点是否连入保护联结电路中，保护导线截面积和联结点是否选用准确，为人员在漏电情况下提供安全保障。该试验的主要参考标准为GB /T 26679 － 2011，其保护原理为: 当人员误触漏电设备外壳时，保护联结导线会分流外壳上电流，降低人员对地电压(小于50V)，起到保护人体的作用。
保护联结电路的连续性试验主要在外部保护接地端子PE 和保护联结电路部件的有关点之间进行。每一个保护联结电路的电阻应用取自最大空载电压为24V(a．c或d．c)的独立电源，电流在0. 2A－10A 之间进行测量。由于要对所有保护联结点进行测量，工作量将很大，可操作性差。因此，为了便于操作同时又最大程度的降低不安全隐患，试验过程中应按照易接近且危险程度大来选取测量点，如: 电柜门、变压器外壳、驱动器、24V电源外壳、操作台、外部设备外壳等部位。
在保护联结电路回路不超过28m 时，测得的电阻Ｒ 应不大于表2 值。当超过28m 时，最大测出电阻值应不大于该表中对应值乘上相应的倍数，即L/28。值得注意的是，机床结构的外部可导电部分(如电柜门)不依据导线界面积，测试结果以不大于0. 1Ω 为依据。

表2 保护联结电路连续性试验
2. 2 绝缘电阻试验
绝缘电阻试验的主要目的是验证机床动力电路、控制电路中相线/部件相对于外露可导电部分的绝缘能力，评判机床防漏电水平。该试验的主要依据标准为GB /T 26675－2011。机床电气系统绝缘电阻试验主要包括整机测试、动力电路测试和控制电路测试，在机床验收中主要以整机测试为主。整机测试主要在外部保护接地端子PE和相线之间进行，测试电压为DC500V。
整机的绝缘电阻测试的难点在对测试机床电气结构的调整。一般情况下，需对电气结构做如下调整: 用短接线短接动力回路所有执行部件(如电动机、电磁铁、电磁离合器等)的控制电路器(如电源切断开关、接触器、继电器等)，使动力电路处于接通状态; 将控制电路开关接通或短接，并连接控制回路和动力回路。测试时，需将电源切断开关连入测量电路中，即测试电压应施加在电压切断开关输入端; 将电路中高阻抗滤波器断开; 断开的外部保护接地端PE，测量设备接地端与机床自身的保护接地点连接; 电源切断开关输入端三相并联测; 需短接/断开的开关器件应将输入、输出端全部短接/断开。
另外，在测试前需首先了解该机床的配电系统，区分TN－C、TN－S、TT等系统。绝缘电阻和耐压试验均是针对相线与PE之间测量其绝缘和耐压性能，如果N 与PE 相连，如图1 虚线所示，而另一端N 与某一相线通过变压器相连，其间接导致相线和PE 线相连，让本来绝缘和耐压性能良好的设备在测试中不能通过，得出错误的检测结果。因此，在试验前需明确配电系统类型，确定N 线与PE 线的关系。

图1 相线－ N － PE 连接关系
2. 3 耐压试验
耐压性能是考核机床绝缘的一个重要指标，当外界电流出现高压渗入时仍能确保电路对设备的良好绝缘，防止设备在运行中被击穿，造成触电或其他事故。耐压试验必须在绝缘电阻试验通过的基础上才能进行，主要在外部保护接地端子PE 和相线之间进行。试验电压在10s 内从0V 上升到1000V，并保持5s，如果没有发生击穿现象，则符合要求。
由于控制电路的耐压试验不作为评定依据，因此，耐压试验实际上是只针对动力电路部分。耐压实验时的电路调整除了断开整个控制电路部分外，其他基本与绝缘电阻试验一样，试验中的注意事项应参考绝缘电阻试验。
另外，耐压试验电压与试验时的大气条件有关，放电电压随空气密度的增加而升高。当相对湿度大于75%时，耐压试验电压的空气密度修正系数由下式确定，最终试验电压U=1000×k。

式中，k 为试验环境空气密度修正系数，当相对湿度≦ 75% 时，k = 1; p0为标准大气，p0 =101. 3KPa; p 为试验环境大气压，KPa; t0为标准温度，t0 = 20℃; t 为试验环境温度，℃。
由于耐压试验存在高压危险因素，同时试验电压对环境有严格要求，因此，该试验需要规范试验步骤，如图2 所示。

图2 耐压试验试验步骤
3、测量不确定度
电气三项试验作为电气安全中重要的组成部分，其准确的检测结果对人和设备的安全显得尤为重要。因此，需要对保护联结电路连续性试验、绝缘电阻试验和耐压试验进行测量不确定度评定，提高测试结果的准确性和可靠性。测量不确定评定步骤如图3 所示。

图3 测量不确定度评定步骤
不确定度评定关键是要正确建立数学模型和分析不确定来源。电气三项试验中的数据由于是直接由仪器读出，因此其数学模型一定程度上可以简化为:
ＲE = ＲD
式中，ＲE为测量结果; ＲD为仪器测量值。
在对不确定度来源的分析中，由于测量重复性、测量设备自身误差和周围环境变化( 主要是温度和湿度的影响) 对测量结果影响显著，因此，需要重点分析这三个分量所引起的标准不确定度。另外，在最后求扩展不确定度时，包含因子一般在2 ～ 3 之间选取。
4、结束语
本文通过对机械电气安全通用标准GB 5226. 1的详细解读，分析总结出了电气安全检测内容和方法( 如常易出错的引入电源线端接法、保护联结电路、导线和配线等) ，重点提出了电气三项试验时的细节、难点和解决方法。在对数控机床检测的实践中，采用此方法可有效执行标准GB 5226. 1，同时也能根据试验结果真实评价机床电气安全性能。