淺談剩余電流動作保護器在接地系統(tǒng)中的應(yīng)用
【摘要】剩余電流動作保護器在不同的接地系統(tǒng)中有其適用性和嚴(yán)格的接線方式錯誤地選用剩余電流動作保護器或不規(guī)范地接線會使剩余電流動作保護器誤動或拒動甚至引起人身觸電和電氣火災(zāi)事故從剩余電流動作保護器工作原理出發(fā)著重于用電設(shè)備的電流矢量分析與計算闡述剩余電流動作保護器在低壓配電接地系統(tǒng)中的應(yīng)用特性定量地分析接地系統(tǒng)類型對剩余電流動作保護器工作的影響電流矢量的分析方法為剩余電流動作保護器的應(yīng)用提供理論依據(jù)
【關(guān)鍵詞】剩余電流動作保護器剩余電流互感器電流矢量接地系統(tǒng)
0引言
GB/T 68292017定義剩余電流為流過剩余電流保護電器主回路的電流瞬時值的矢量和（用有效值表示）[1]剩余電流動作保護器（residual currentoperated protective devices,RCD）在低壓供電系統(tǒng)中對人身觸電和漏電火災(zāi)等事故起到了有效的防護作用在各類不同接地制式的低壓電網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用
近年來隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展各種電氣設(shè)備在生產(chǎn)和生活各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛人們與電接觸的機會越來越多觸電的可能性越來越大用電設(shè)備導(dǎo)致人員觸電傷亡的事件時有發(fā)生為了人身和設(shè)備安全對RCD的使用要求越來越嚴(yán)格GB/T 16895.12008規(guī)定了各類接地制式的低壓電網(wǎng)系統(tǒng)[2]各類接地系統(tǒng)的特點和RCD的工作原理限制了RCD在一些接地系統(tǒng)中的應(yīng)用且要求其接線方式有嚴(yán)格的規(guī)范性
1 RCD的基本工作原理
RCD一般由剩余電流檢測模塊和斷路器組成斷路器起接通承載和分?jǐn)嚯娐返淖饔?span id="hi6oud1" class="myIcon">剩余電流檢測模塊一般由剩余電流互感器信號放大器信號判別元件脫扣執(zhí)行元件組成負(fù)載線路接入RCD后即穿過了剩余電流互感器形成一次繞組剩余電流互感器自帶的線圈形成二次繞組正常工作時線路中剩余電流為零即穿過剩余電流互感器的所有線路電流矢量和為零[3-7]有
式中IuIvIwIn為各相電流矢量因此在剩余電流互感器鐵心中產(chǎn)生的磁通矢量和同樣為零故不會在二次繞組中感應(yīng)出電流信號判別元件判斷線路中沒有剩余電流RCD不會動作當(dāng)發(fā)生故障使線路中產(chǎn)生正弦或脈動直流剩余電流時即I_x0005_Δ≠0在剩余電流互感器鐵心中產(chǎn)生的磁通矢量和不為零此時會在二次繞組感應(yīng)出電流當(dāng)剩余電流在檢測范圍內(nèi)時磁心工作在線性區(qū)二次側(cè)感應(yīng)電流與剩余電流大小成正比該電流信號經(jīng)過信號放大器后在判別元件中與設(shè)定的剩余電流動作標(biāo)準(zhǔn)值對比當(dāng)檢測到的剩余電流值超過設(shè)定值時判別元件向執(zhí)行元件發(fā)出信號執(zhí)行元件驅(qū)動斷路器動作切斷電源從而起到漏電保護的作用
由此可見剩余電流互感器是整個RCD的核心部件RCD能否起到漏電保護作用取決于剩余電流互感器是否正常工作[8-9]當(dāng)線路中電流為正弦型或脈動直流型剩余電流互感器磁心未飽和且工作在線性區(qū)時RCD動作與否取決于穿過剩余電流互感器的所有線路電流矢量和的大小
2用電負(fù)載的電流矢量分析與計算
在RCD性能良好且不考慮電源類型及頻率的情況下RCD能否正常工作取決于流經(jīng)其進出線端的電流矢量和故用電負(fù)載的電流矢量分析對于RCD的應(yīng)用至關(guān)重要[10]低壓供電網(wǎng)可提供單相和三相兩種供電方式其中三相供電時根據(jù)負(fù)載的分布和接線方式可分為星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)
2.1單相供電時負(fù)載的電流矢量
圖1為單相供電負(fù)載接線示意圖無論Z為純阻性負(fù)載還是復(fù)阻抗負(fù)載流經(jīng)負(fù)載Z的電流矢量如圖1所示根據(jù)KCL定律可得
式中IlIn分別為負(fù)載的相線與中性線電流矢量式（2）表明無論負(fù)載Z的大小如何在無電流泄漏的情況下流經(jīng)負(fù)載的電流矢量和始終為零
2.2三相供電時負(fù)載的電流矢量
1）負(fù)載星形聯(lián)結(jié)時的電流矢量
三相供電負(fù)載星形聯(lián)結(jié)示意圖如圖2所示負(fù)載星形聯(lián)結(jié)時如果三相負(fù)載對稱平衡可不需要中性線如圖2（a）所示但是在圖2（a）的情形下存在負(fù)載異常導(dǎo)致三相負(fù)載不平衡的情況此時會產(chǎn)生中性點漂移圖2（a）中設(shè)Z2 1=λZZ3 1=μZ分別取abc節(jié)點為參考對象根據(jù)KCL定律和歐姆定律可得
式中IuIvIw為三相負(fù)載各相線電流矢量λ為阻值Z2與Z1之比μ為阻值Z3與Z1之比解析式（3）得
特別地當(dāng)λ=μ=1時三相負(fù)載對稱平衡當(dāng)λ≠μ時三相負(fù)載不平衡中性點發(fā)生漂移結(jié)合式（3）式（4）可知無論三相負(fù)載平衡與否式（4）總是成立表明三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié)不帶中性線時在無電流泄漏的情況下各相的線電流矢量和始終為零
2（b）中中性點連接零線構(gòu)成中性線此時相電壓Up與線電壓Ul有固定的關(guān)系即Ul=3Up線電壓Ul取決于電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)穩(wěn)定則線電壓不會改變故Up不因各相負(fù)載的阻值大小而改變線電流與相電流大小相等即Il p=I若認(rèn)為三相負(fù)載電流由各相線流入由中性線流出取中性點為參考對象根據(jù)KCL定律可得
式中IuIvIw為三相負(fù)載各相線電流矢量In為中性線電流矢量由式（5）可知三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié)帶中性線時在無電流泄漏的情況下所有相線加中性線的電流矢量和始終為零
2）負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)時的電流矢量
三相供電負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)示意圖如圖3所示圖3中負(fù)載為三角形聯(lián)結(jié)分別取三根相線與負(fù)載的連接點efg作為參考對象根據(jù)KCL定律可得
式中
IuIvIw為三相負(fù)載的線電流矢量IuvIvwIwu為流經(jīng)三相負(fù)載Z1Z2Z3的相電流矢量
結(jié)合式（6）式（7）可知無論三相負(fù)載Z1Z2Z3的阻值大小如何式（7）總是成立表明負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)時在無電流泄漏的情況下各相線電流矢量和始終為零與各相負(fù)載的阻值大小無關(guān)也與三相負(fù)載是否平衡無關(guān)
3 RCD在接地系統(tǒng)中的應(yīng)用
低壓配電網(wǎng)的接地系統(tǒng)分為TTTNIT三種其中TN系統(tǒng)又分為TN-CTN-STN-C-S三種每種接地系統(tǒng)有各自的特點因RCD的工作原理其工作狀態(tài)與接地系統(tǒng)的類型和接線方式有關(guān)若應(yīng)用和接線方式有誤RCD會拒動或誤動從而引發(fā)安全事故[11-12]
3.1 RCD在TT系統(tǒng)中的應(yīng)用
RCD在TT系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖4所示TT接地系統(tǒng)中供電側(cè)電源系統(tǒng)有一點直接接地用電側(cè)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分通過接地極接地
安裝RCD時相線與中性線全部接入RCD且中性線連接在有明確標(biāo)識的中性極如圖4（a）中A所示結(jié)合式（5）此時有
式中I_x0005_Δ為穿過RCD的所有線路電流矢量和也可稱作剩余電流若相線或中性線與負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分因絕緣故障發(fā)生漏電負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分與大地之間就存在電壓進而負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分通過接地線PE或人體（當(dāng)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分接地不良而人體觸摸到時）產(chǎn)生接地故障電流也稱泄漏電流或剩余電流結(jié)合式（5）此時該電流為
剩余電流的大小視絕緣故障的程度而定當(dāng)I_x0005_Δ達到或超過RCD額定值時RCD會動作切斷電源保護設(shè)備和人身安全還有一種情況如圖4（a）中B所示負(fù)載中性線未接入RCD接地線PE無電流通過或無人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電此時有
式（10）表明僅當(dāng)三相負(fù)載對稱平衡時有IΔ_x0005_=-In=0RCD不會動作一旦負(fù)載不平衡則有IΔ=-In≠0若｜IΔ｜比較大則RCD立即動作現(xiàn)實中當(dāng)采用三相四線制供電時眾多因素會導(dǎo)致負(fù)載無法完全對稱平衡進而無法保證不平衡電流的大小RCD會經(jīng)常誤動作而斷電影響負(fù)載正常工作4（b）中負(fù)載無中性線接地線PE無電流通過或無人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電參考式（4）式（7）所有相線電流矢量和恒等于零RCD正常工作若接地線PE有電流通過或人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電則有
｜IΔ｜達到或超過RCD的額定值時RCD動作切斷電源式（11）表明TT接地系統(tǒng)中采用三相三線制供電時可選用不帶中性極的RCD
3.2 RCD在TN系統(tǒng)中的應(yīng)用
TN接地系統(tǒng)有TN-CTN-STN-C-S三種這三種接地系統(tǒng)的本質(zhì)是一樣的即供電側(cè)電源系統(tǒng)中性點接地用電側(cè)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分接中性線接地線PE與中性線N在電氣上相連RCD在所有TN接地系統(tǒng)中的應(yīng)用原理是一樣的為減少篇幅此處以TN-C接地系統(tǒng)為例進行分析說明RCD在TN系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖5所示
圖5中負(fù)載帶中性線時相線與中性線要全部接入RCD且中性線連接在有明確標(biāo)識的中性極正常情況下如圖5中C所示接地線PE無電流通過或無人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電穿過RCD的所有線路電流矢量和為零參考式（5）式（8）RCD正常工作異常情況下接地線PE有電流通過或負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分通過人體產(chǎn)生接地故障電流參考式（9）｜IΔ｜達到或超過RCD的額定值時RCD動作切斷電源但是若錯誤地將接地線PE與負(fù)載中性線一起接入RCD如圖5中D所示則有
式中IPE為接地線PE中的電流矢量由式（12）可知當(dāng)接地線PE有電流通過時RCD不會動作僅當(dāng)人體觸碰到負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而產(chǎn)生接地故障電流且該電流大小達到或超過RCD的額定值時RCD才會動作這將給用電負(fù)載造成極大的安全隱患圖5中負(fù)載不帶中性線時正常情況下如圖5中E所示參考式（4）式（7）所有相線電流矢量和恒等于零RCD正常工作異常情況下參考式（11）I_x0005_Δ達到或超過RCD的額定值時RCD動作切斷電源TN接地系統(tǒng)中用電負(fù)載不帶中性線時可選用不帶中性極的RCD但是如果選用了帶中性極的RCD并且將接地線PE接入了RCD的中性極如圖5中F所示則有
式（13）表明無論接地線PE中有無電流通過始終有I_x0005_Δ=0RCD不會動作僅當(dāng)人體觸碰到負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而產(chǎn)生接地故障電流且該電流大小達到或超過RCD額定值時RCD才會動作這種情況也會對用電負(fù)載造成極大的安全隱患
3.3 RCD在IT系統(tǒng)中的應(yīng)用
RCD在IT系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖6所示
IT接地系統(tǒng)中供電側(cè)電源系統(tǒng)所有帶電部分不接地或有一點通過高阻抗接地用電側(cè)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分接地IT接地系統(tǒng)是三相三線制供電假如選用不帶中性極的RCD結(jié)合式（4）式（7）此時有
因供電側(cè)電源系統(tǒng)與大地隔離負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分對地電壓很低接地線PE對大地負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分經(jīng)人體對大地很難有電流產(chǎn)生由式（14）可知流過RCD的電流矢量和恒為零RCD不會動作不能起到漏電保護的作用故RCD在IT接地系統(tǒng)中不適用
4安科瑞ASJ系列產(chǎn)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(jiān)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(tǒng)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(shè)備損壞和電氣火災(zāi)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(jiān)測儀
4.1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(shè)定極限不驅(qū)動時間可設(shè)定兩組繼電器輸出具有就地遠程測試復(fù)位功能
ASJ60系列剩余電流監(jiān)測儀具有以下功能16路剩余電流監(jiān)測1路預(yù)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
4.2技術(shù)指標(biāo)
ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器技術(shù)指標(biāo)
項目 | 指標(biāo) | ||
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(qū)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(zhuǎn)換 | 一組常閉或常開一組轉(zhuǎn)換 |
觸點容量 | 5A 250VAC 5A 30VDC | AL1:8A 250VAC; 5A 30VDC AL2:6A 250VAC; 5A 30VDC | |
復(fù)位方式 | 就地遠程 | 就地遠程自動 | |
環(huán)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(jié)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(jiān)測儀技術(shù)指標(biāo)
項目 | 指標(biāo) | |
電源 | 電壓范圍 | AC/DC85V~265V |
*大功耗 | ≤10VA | |
輸入 | *大測量支路數(shù) | 16路 |
剩余電流測量范圍 | 1mA~30A | |
額定剩余動作電流I△n | 1 mA ~30A連續(xù)可調(diào) | |
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(shè) | |
開關(guān)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 | AC 250V/3A DC 30V/3A | |
重合閘 | 次數(shù) | 0~99連續(xù)可設(shè) |
間隔時間 | 0~999秒連續(xù)可設(shè) | |
通訊 | 方式1 | RS485通訊Modbus-RTU協(xié)議 |
方式2（可選） | 4G無線通訊 | |
環(huán)境要求 | 溫度 | 工作溫度-10℃~55℃存儲溫度-30℃~70℃ |
濕度 | ≤95%不結(jié)露 | |
海拔 | ≤2500m | |
平均無故障工作時間 | ≥50000小時 |
4.3選用說明
剩余電流動作繼電器在應(yīng)用時應(yīng)注意低壓系統(tǒng)的接線型式
系統(tǒng)形式 | 系統(tǒng)接線 | 說明 |
TT系統(tǒng) | 采用ASJ因為當(dāng)發(fā)生單相接地故障時故障電流很小且較難估計達不到開關(guān)的動作電流外殼上將出現(xiàn)危險電壓 | |
TN-S系統(tǒng) | 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(fù)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(yīng)根據(jù)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(yīng)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(qū)動斷路器動作
ASJ10/20剩余電流繼電器典型應(yīng)用
ASJ60剩余電流監(jiān)測儀典型應(yīng)用
4.4注意事項
當(dāng)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(yīng)符合下列規(guī)定
- 額定剩余電流動作值不應(yīng)大于30mA
- 額定電流不超過32A的下列回路應(yīng)裝設(shè)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(nèi)移動電氣設(shè)備
- 人員可觸及的室外電氣設(shè)備
- 剩余電流動作保護器（RCD）不應(yīng)作為保護措施
- 采用剩余電流動作保護器（RCD）時應(yīng)裝設(shè)保護接地導(dǎo)體（PE）
5結(jié)論
RCD是一種非常重要的用電保護電器廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)工控箱電氣設(shè)備控制系統(tǒng)等場所保護人身安全和設(shè)備安全本文基于用電設(shè)備的電流矢量計算闡述了RCD在交流低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用特性定性定量地分析了供電方式（單相三相三線三相四線）負(fù)載接線方式（三角形聯(lián)結(jié)星形聯(lián)結(jié)帶中性線星形聯(lián)結(jié)不帶中性線）接地系統(tǒng)類型（TT系統(tǒng)TN系統(tǒng)IT系統(tǒng)）對RCD工作的影響結(jié)合上述內(nèi)容可知RCD適用于TT接地系統(tǒng)和TN接地系統(tǒng)不適用于IT接地系統(tǒng)但在TT系統(tǒng)和TN系統(tǒng)中還需要根據(jù)供電方式和負(fù)載接線方式選擇合適的RCD（帶中性極不帶中性極）并進行正確接線以起到漏電保護的作用特別地若圖4（a）中B所示的情景忽略人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分觸電（禁止非相關(guān)人員靠近）根據(jù)預(yù)期的不平衡電流選擇合適額定值的RCD參考式（10）可以用RCD作三相不平衡保護另外根據(jù)電流矢量的分析方法還可以排查因RCD導(dǎo)致的電氣故障以快速恢復(fù)正常用電
隨著電網(wǎng)的發(fā)展及用電設(shè)備的更新?lián)Q代只具備剩余電流保護功能的保護器已經(jīng)不能滿足需求現(xiàn)通常將過電流保護剩余電流保護隔離等功能融為一體如帶剩余電流動作保護的塑殼斷路器（molded case circuit breaker,MCCB）帶過電流保護的剩余電流動作斷路器（residual current operatedcircuit-breakers with integral overcurrent protection,RCBO）和不帶過電流保護的剩余電流動作斷路器（residual current operated circuit-breakers withoutintegral overcurrent protection,RCCB）等這些用電保護電器在剩余電流動作保護模塊上與文中的RCD原理是一致的
參考文獻
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