淺談剩余電流測量在排查路燈漏電隱患中的應用
【摘要】單相接地故障是造成城市路燈設施漏電隱患的主要原因通過研究剩余電流保護器ＲＣＤ的工作原理找到了利用鉗表快速地測量回路中剩余電流的方法從現場作業的角度出發提高人工排查漏電隱患的效率
【關鍵詞】路燈剩余電流漏電隱患維護作業
0引言
路燈是指給道路提供照明功能的一種用電設備其特點是分布廣燈桿基本使用鋼鐵材料燈桿頂部的燈具燈桿內的電纜線都帶電由于路燈桿較多分布于人行道或綠化帶燈桿與人很容易接觸到因此當漏電發生時很容易引起人體觸電的事故近年來隨著城市規模的不斷擴大城市人口與日俱增城市照明范圍也隨著日益擴大市民也對城市照明提出了更高的要求在這個背景下路燈設施的數量和密度在不斷增加這也給城市照明設施的管理增加了難度而時有發生的路燈漏電傷人事件也給城市照明設施的管理者提出了一個難題:如何做到既能保證照明的效果又能把安全隱患消除本文將主要探討漏電現象的原理如何快速排查隱患并分享實際工作中的一些經驗
１漏電原因分析
路燈設施漏電分為燈桿帶電和電纜漏電這兩類現象產生的場景有以下幾種:
1）路燈桿內電纜絕緣損壞導致電線與燈桿接觸使燈桿帶電
2）燈頭漏電照明燈頭雖然設計有防水功能但絕緣發生變化或者線路被雷擊后燈頭存在漏電的可能
3）路面積水侵入燈桿內部導致漏電城市內澇時路燈桿若淹沒于水中水位超過燈門高度接線頭防水措施不足會導致漏電
4）電纜絕緣變化路燈供電線路比較長有的線路可能長達數公里并且都埋于地下時間久了會受侵蝕發生絕緣變化或受外力影響導致電纜皮破損電纜絕緣降低就可能導致漏電在電路分析中以上漏電現象多為單相接地故障?低壓配電設計規范?ＧＢ/Ｔ５００５４２０１１第５.２.９條規定ＴＮ系統中配電線路的間接接觸防護電器切斷故障回路的時間應符合下列規定:配電線路或僅供給固定式電氣設備用電的末端線路不宜大于５ｓ假設某一段路燈線路長１ｋｍ采用ＶＶ－１ｋＶ４×２５ｍｍ２＋１×１６ｍｍ２電纜當線路末端發生單相金屬性接地故障時?故障電流Ｉｄ＝1２２.３Ａ對于常用的額定電流為６３Ａ的斷路器很難在５ｓ內切斷電路如果發生單相非金屬性接地故障現有的斷路器更可能是根本無法切斷故障回路[１]單相接地故障中故障點電壓會下降另外兩相電壓會升高但是由于ＬＥＤ路燈電源大多數是寬范圍設計電壓低至９０Ｖ也可以正常工作因此無法通過肉眼觀察亮燈情況來發現故障路燈線路由于電纜與大地接觸且距離很長電纜的對地分布電容所產生的漏電容易超過一般漏電保護器的整定范圍導致無法合閘常規的漏電保護器也無法加裝因此在實際的維護管理中我們需要增加人工排查故障的方式提高線路的安全性單相接地故障發生時保護導體ＰＥ線內會流過漏電電流我們可以通過測量出漏電電流來排查出故障回路[２]一段路燈線路長１ｋｍ采用ＶＶ－１ｋＶ４×２５ｍｍ２＋１×１６ｍｍ２電纜當線路末端發生單相金屬性接地故障時故障電流Ｉｄ＝１２２３Ａ對于常用的額定電流為６３Ａ的斷路器很難在,５ｓ內切斷電路如果發生單相非金屬性接地故障
現有的斷路器更可能是根本無法切斷故障回路[１]單相接地故障中故障點電壓會下降另外兩相電壓會升高但是由于ＬＥＤ路燈電源大多數是寬范圍設計電壓低至９０Ｖ也可以正常工作因此無法通過肉眼觀察亮燈情況來發現故障路燈線路由于電纜與大地接觸且距離很長電纜的對地分布電容所產生的漏電容易超過一般漏電保護器的整定范圍導致無法合閘常規的漏電保護器也無法加裝因此在實際的維護管理中我們需要增加人工排查故障的方式提高線路的安全性單相接地故障發生時保護導體ＰＥ線內會流過漏電電流我們可以通過測量出漏電電流來排查出故障回路[２]
2不同類型電流產生的原理
2.1不平衡電流產生的原理
三相五線制中時任何一相總的單相負荷都有兩個回路一是和零線組成２２０Ｖ回路二是和另一相串聯構成３８０Ｖ回路當三相平衡的時候電源相間的線電壓與每一相回路的相電壓之間會形成一個和諧的回路而此時零線上是沒有電流的當負荷不平衡的時候串聯在線電壓之間的兩相負荷就不一樣大了而由于串聯電路中電流相等于是負荷大的一相多余的電流就從零線流走了這個電流就是不平衡電流[３]
如圖１所示假設Ｌ１相接了一個燈Ｌ２相接了兩個燈Ｌ３相接了三個燈Ｌ１相的一個燈通過零線和Ｌ２相兩個燈串聯接于Ｌ１Ｌ２線電壓Ｌ１相的一個燈也通過零線和Ｌ３相三個燈串聯接于Ｌ１Ｌ３線電壓此時系統處于不對稱狀態三相不平衡在線電壓與Ｌ１相Ｌ２相共三個燈的回路中電流處處相等而Ｌ１相和Ｌ２相各自回路的負載電流卻不等而系統之所以還可以運行是因為Ｌ１Ｌ２相多余負荷的電流從零線走了因此此時的Ｎ線是帶電的
2.2零序電流產生的原理
三相系統的電壓電流都可以分解為正序負序和零序分量在三相平衡且無故障發生時系統處于對稱運行狀態沒有負序零序分量只有正序分量若出現了負序或零序分量則說明系統存在問題[４]單相接地故障會產生零序電流假設三相平衡當電路中發生觸電或漏電故障時回路中有漏電電流流過這時三相電流相量和不等于零其相量和為Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＝ＩＩ即零序電流[５]雖說單相接地故障會產生零序電壓和零序電流但是在實際工作中我們發現由于路燈低壓設施數量龐大線路長接線不規范等諸多問題導致在實際運行中三相不平衡的情況較為常見線路中經常有不平衡電流因此我們難以通過直接測量零序電流的方式去排查單相接地故障
2.3漏電電流產生的原理
法快速檢測線路中的剩余電流既然如此我們就可以通過測量剩余電流的方式快速方便地排查出單相接地故障剩余電流保護的原理是讓三相線路及中性線共同穿過一個ＣＴ電流互感器如下圖三相線路與中性線的電流矢量和為ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ當線路正常沒有發生單相接地故障時此電流矢量和為０忽略正常泄露電流當發生單相接地故障時ＰＥ線會流過接地故障電流ＩＤ則電流矢量和為ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩＤ[６]
3漏電電流的檢測
在實際操作時我們在路燈箱變的低壓出線端任選一個回路用鉗形表把Ａ相Ｂ相Ｃ相和零線用鉗形表同時鉗住此時測得的電流數值就是ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ而這個數也等于ＩＤ也就是故障電流漏電電流在這個過程中不對稱分量被抵消因此測得的剩余電流由單相接地故障所產生的漏電電流圖３是現場操作的圖片
4實際應用
我們用這個方法對１３３臺箱變進行了剩余電流的檢測表１和表２是部分測量數據其中Ｎ１~Ｎ１０代表回路編號表１中有一臺箱變ＮＳ３￣１００的Ｎ５回路的數值達到了２０.２Ａ明顯超出正常范圍經過排查后我們在一處燈桿內找到了故障原因如圖４所示該燈桿燈門內的接線端被外力拉入至底下的燈盤位置我們猜測可能是臺風山竹襲來時倒伏樹木牽扯了路燈電纜導致接線端被拉到低位而該燈桿內低位非常潮濕導致接線頭絕緣老化加速潮濕的環境使線頭產生放電現象使燈桿帶上漏電壓其電壓達到了１０３Ｖ由于只是其中一相的絕緣老化擊穿空氣通過燈桿與大地連接產生的漏電流只有十幾安培空氣開關無法跳閘導致此燈桿可以帶病工作且能正常亮
燈常規巡查難以發現故障表２中也有一臺箱變ＮＳ３￣１２５的Ｎ２回路數值明顯較大達到了２３Ａ我們對該回路進行排查后找到了故障點故障點也在一處燈桿內該燈桿的燈門內電纜接線頭絕緣膠布燒斷導致電纜頭散開電纜頭與燈桿金屬表面直接接觸造成了單相接地故障表１和表２中除兩個故障回路外其余大部分回路測得的數值相對較低由于路燈線路長且每個回路的總長度差異較大電纜對地的分布電容也會產生些許的漏電流因此并不是說測出了剩余電流數值就說明回路存在故障正常的線路也可能被檢測出輕微的剩余電流在這個基礎上我們暫時無法給出一個精確的安全數值只能在維護作業時從數值*大的回路開始逐個排查
5安科瑞ASJ系列產品介紹
安科瑞ASJ系列剩余電流動作繼電器和多回路剩余電流監測儀可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式剩余電流保護裝置主要適用于交流50Hz額定電壓400V及以下的TT和TN系統配電線路用來對電氣線路進行接地故障保護防止接地故障電流引起的設備損壞和電氣火災事故也可用來對人身觸電危險提供間接接觸保護
ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器
ASJ60系列剩余電流監測儀
5.1功能介紹
ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器具有以下功能A型或者AC型剩余電流測量剩余電流越限報警指示額定剩余動作電流可設定極限不驅動時間可設定兩組繼電器輸出具有就地遠程測試復位功能
ASJ60系列剩余電流監測儀具有以下功能16路剩余電流監測1路預警繼電器輸出16路報警繼電器輸出2路DI輸入自動重合閘功能遠程通訊功能遠程分合閘功能
5.2技術指標
ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器技術指標
項目 | 指標 | ||
AC型 | A型 | ||
輔助電源 | 電壓 | AC110/220V（±10%） | AC/DC85~270V |
功耗 | <5W | <5W | |
輸入 | 額定剩余動作 電流I△n | 0.030.10.30.5A | 0.030.050.10.30.51351030A |
極限不驅動時間△t | 0.10.5s | 00.060.10.20.30.50.81410s | |
額定剩余不動作 電流I△no | 50%I△n | 50%I△n | |
動作特性 | AC正弦交流電流 | AC正弦交流電流 脈動直流電流 | |
頻率 | 50Hz±5Hz | 50Hz±5Hz | |
動作誤差 | -20%~-10%I△n | -20%~-10%I△n | |
輸出 | 輸出方式 | 一組常開一組轉換 | 一組常閉或常開一組轉換 |
觸點容量 | 5A250VAC 5A30VDC | AL1:8A250VAC;5A30VDC AL2:6A250VAC;5A30VDC | |
復位方式 | 就地遠程 | 就地遠程自動 | |
環境 | 工作溫度 | 運行溫度-20℃~+55℃存儲溫度-30℃~+70℃ | |
工作濕度 | ≤95%RH不結露無腐蝕性氣體場所 | ||
海拔高度 | ≤2000m | ||
污染等級 | 3級 | ||
安裝類別 | Ⅲ類 |
ASJ60系列剩余電流監測儀技術指標
項目 | 指標 | |
電源 | 電壓范圍 | AC/DC85V~265V |
*大功耗 | ≤10VA | |
輸入 | *大測量支路數 | 16路 |
剩余電流測量范圍 | 1mA~30A | |
額定剩余動作電流I△n | 1mA~30A連續可調 | |
動作特性 | AC正弦交流電流及脈動直流電流 | |
頻率 | 50Hz±5Hz | |
動作延時 | 0~10s可設 | |
開關量 | 2路無源干接點輸入 | |
輸出 | 輸出方式 | 1路水浸報警繼電器（常開） 16路剩余電流報警繼電器（常開） |
觸點容量 | AC250V/3ADC30V/3A | |
重合閘 | 次數 | 0~99連續可設 |
間隔時間 | 0~999秒連續可設 | |
通訊 | 方式1 | RS485通訊Modbus-RTU協議 |
方式2（可選） | 4G無線通訊 | |
環境要求 | 溫度 | 工作溫度-10℃~55℃存儲溫度-30℃~70℃ |
濕度 | ≤95%不結露 | |
海拔 | ≤2500m | |
平均無故障工作時間 | ≥50000小時 |
5.3選用說明
剩余電流動作繼電器在應用時應注意低壓系統的接線型式
系統形式 | 系統接線 | 說明 |
TT系統 | 采用ASJ因為當發生單相接地故障時故障電流很小且較難估計達不到開關的動作電流外殼上將出現危險電壓 | |
TN-S系統 | 可采用ASJ更快速靈敏切斷故障以提高安全可靠性此時PE線不得穿過互感器N線穿互感器且不得重復接地 |
其余接線型式需要改造成以上兩種型式使用防止出線誤動作或者不動作的情況剩余電流互感器的選擇應根據主回路的額定電流為參考選擇
型號 | 孔徑 | 主回路額定電流 | 變比 |
AKH-0.66L45 | 45mm | 80A | 1A:1mA |
AKH-0.66L80 | 80mm | 250A | 1A:1mA |
AKH-0.66L100 | 100mm | 400A | 1A:1mA |
AKH-0.66L150 | 150mm | 630A | 1A:1mA |
AKH-0.66L200 | 200mm | 1000A | 1A:1mA |
AKH-0.66L-260*100II | 265*104mm | 1000A | 1A:1mA |
實際應如圖所示互感器安裝在主回路或者支路上通過測量剩余電流判斷是否驅動斷路器動作
ASJ10/20剩余電流繼電器典型應用
ASJ60剩余電流監測儀典型應用
5.4注意事項
當采用剩余電流動作保護器（RCD）作為電擊防護附加防護措施時應符合下列規定
- 額定剩余電流動作值不應大于30mA
- 額定電流不超過32A的下列回路應裝設剩余電流動作保護器（RCD）
- 供一般人員使用的電源插座回路
- 室內移動電氣設備
- 人員可觸及的室外電氣設備
- 剩余電流動作保護器（RCD）不應作為保護措施
- 采用剩余電流動作保護器（RCD）時應裝設保護接地導體（PE）
6結束語
我們使用的這種快速檢測剩余電流的方法可以在路燈維護作業過程中提高人工排查故障回路的效率快速發現漏電安全隱患通過一段時間的現場檢驗確定了該方法的可操作性但是我們還無法整定出安全數值使得檢測的過程還存在瑕疵未來我們還將對回路長度與電纜對地分布電容造成的泄漏電流之間的關系進行研究完善通過檢測剩余電流排查路燈漏電隱患的方法
參考文獻
[1]萬承廷,王令老,王志軍,等.實用電工手冊[Ｍ].南昌:江西省科學技術出版社?１９８２.
[2]陳遠周.淺談１０ｋＶ配電線路接地故障的查找和處理方法[Ｊ].科技創新與應用２０１３９:１￣２.
[3]張正五.淺談三相電流不平衡功率損耗及改進辦法[Ｊ].黑龍江科技信息２０１４６:１￣３.
[4]余建群.電路分析[Ｍ].北京:科學出版社２００６.
[5]費華林.剩余電流保護器動作特性解析[Ｊ].黑龍江科技信息２０１５２２:１￣３.
[6]何玉彬.鉗形電流表在漏電故障診斷中的應用[Ｊ].電工技術１９９４１:２￣３.
[7]歐陽永忠.剩余電流測量在排查路燈漏電隱患中的應用.
[8]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.06版
