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    淺談剩余電流動作保護器在接地系統中的應用

    2023-12-22 [45]

    安科瑞 鮑靜君 劉邁

      【摘要】剩余電流動作保護器在不同的接地系統中有其適用性和嚴格的接線方式,錯誤地選用剩余電流動作保護器或不規范地接線,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事故。從剩余電流動作保護器工作原理出發,著重于用電設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中的應用特性,定量地分析接地系統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用提供理論依據。

      【關鍵詞】剩余電流動作保護器;剩余電流互感器;電流矢量;接地系統

      0引言

      GB/T 6829—2017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)在低壓供電系統中對人身觸電和漏電火災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系統中得到廣泛應用。

      近年來,隨著經濟的迅猛發展,各種電氣設備在生產和生活各個領域中的應用越來越廣泛,人們與電接觸的機會越來越多,觸電的可能性越來越大,用電設備導致人員觸電傷亡的事件時有發生。為了人身和設備安全,對RCD的使用要求越來越嚴格。GB/T 16895.1—2008規定了各類接地制式的低壓電網系統[2],各類接地系統的特點和RCD的工作原理限制了RCD在一些接地系統中的應用,且要求其接線方式有嚴格的規范性。

      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、承載和分斷電路的作用,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、脫扣執行元件組成。負載線路接入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

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      式中,Iu、Iv、Iw、In、為各相電流矢量。因此,在剩余電流互感器鐵心中產生的磁通矢量和同樣為零,故不會在二次繞組中感應出電流,信號判別元件判斷線路中沒有剩余電流,RCD不會動作;當發生故障使線路中產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生的磁通矢量和不為零,此時會在二次繞組感應出電流。當剩余電流在檢測范圍內時,磁心工作在線性區,二次側感應電流與剩余電流大小成正比,該電流信號經過信號放大器后,在判別元件中與設定的剩余電流動作標準值對比,當檢測到的剩余電流值超過設定值時,判別元件向執行元件發出信號,執行元件驅動斷路器動作,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,取決于流經其進、出線端的電流矢量和,故用電負載的電流矢量分析對于RCD的應用至關重要[10]。低壓供電網可提供單相和三相兩種供電方式,其中三相供電時根據負載的分布和接線方式可分為星形聯結和三角形聯結。

      2.1單相供電時負載的電流矢量

      圖1為單相供電負載接線示意圖,無論Z為純阻性負載還是復阻抗負載,流經負載Z的電流矢量如圖1所示,根據KCL定律可得

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      式中,Il、In分別為負載的相線與中性線電流矢量。式(2)表明,無論負載Z的大小如何,在無電流泄漏的情況下,流經負載的電流矢量和始終為零。

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    2.2三相供電時負載的電流矢量

      1)負載星形聯結時的電流矢量

      三相供電負載星形聯結示意圖如圖2所示。負載星形聯結時,如果三相負載對稱平衡,可不需要中性線,如圖2(a)所示。但是在圖2(a)的情形下,存在負載異常導致三相負載不平衡的情況,此時會產生中性點漂移。圖2(a)中,設Z2 1=λZ,Z3 1=μZ,分別取a、b、c節點為參考對象,根據KCL定律和歐姆定律可得

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      式中:Iu、Iv、Iw為三相負載各相線電流矢量;λ為阻值Z2與Z1之比;μ為阻值Z3與Z1之比。解析式(3)得

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      特別地,當λ=μ=1時,三相負載對稱平衡;當λ≠μ時,三相負載不平衡,中性點發生漂移。結合式(3)、式(4)可知,無論三相負載平衡與否,式(4)總是成立,表明三相負載星形聯結不帶中性線時,在無電流泄漏的情況下,各相的線電流矢量和始終為零。

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      2(b)中,中性點連接零線,構成中性線,此時相電壓Up與線電壓Ul有固定的關系,即Ul=3Up。線電壓Ul取決于電源系統,電源系統穩定則線電壓不會改變,故Up不因各相負載的阻值大小而改變。線電流與相電流大小相等,即Il p=I,若認為三相負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KCL定律可得

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      式中:Iu、Iv、Iw為三相負載各相線電流矢量;In為中性線電流矢量。由式(5)可知,三相負載星形聯結帶中性線時,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)負載三角形聯結時的電流矢量

      三相供電負載三角形聯結示意圖如圖3所示。圖3中負載為三角形聯結,分別取三根相線與負載的連接點e、f、g作為參考對象,根據KCL定律可得

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    式中:

      Iu、Iv、Iw為三相負載的線電流矢量;Iuv、Ivw、Iwu為流經三相負載Z1、Z2、Z3的相電流矢量。

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      結合式(6)、式(7)可知,無論三相負載Z1、Z2、Z3的阻值大小如何,式(7)總是成立,表明負載三角形聯結時,在無電流泄漏的情況下,各相線電流矢量和始終為零,與各相負載的阻值大小無關,也與三相負載是否平衡無關。

      3 RCD在接地系統中的應用

      低壓配電網的接地系統分為TT、TN、IT三種,其中TN系統又分為TN-C、TN-S、TN-C-S三種。每種接地系統有各自的特點,因RCD的工作原理,其工作狀態與接地系統的類型和接線方式有關,若應用和接線方式有誤,RCD會拒動或誤動,從而引發安全事故[11-12]。

      3.1 RCD在TT系統中的應用

      RCD在TT系統中的應用示意圖如圖4所示。TT接地系統中,供電側電源系統有一點直接接地,用電側負載的外露可導電部分通過接地極接地。

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      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識的中性極,如圖4(a)中A所示,結合式(5),此時有

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      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載的外露可導電部分因絕緣故障發生漏電,負載的外露可導電部分與大地之間就存在電壓,進而負載的外露可導電部分通過接地線PE或人體(當負載的外露可導電部分接地不良而人體觸摸到時)產生接地故障電流,也稱泄漏電流或剩余電流。結合式(5),此時該電流為

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      剩余電流的大小視絕緣故障的程度而定,當I_x0005_Δ達到或超過RCD額定值時,RCD會動作切斷電源,保護設備和人身安全。還有一種情況如圖4(a)中B所示,負載中性線未接入RCD,接地線PE無電流通過或無人體觸碰負載的外露可導電部分而觸電,此時有

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      式(10)表明,僅當三相負載對稱平衡時,有IΔ_x0005_=-In=0,RCD不會動作;一旦負載不平衡,則有IΔ=-In≠0。若|IΔ|比較大,則RCD立即動作?,F實中,當采用三相四線制供電時,眾多因素會導致負載無法對稱平衡,進而無法保證不平衡電流的大小,RCD會經常誤動作而斷電,影響負載正常工作。4(b)中,負載無中性線,接地線PE無電流通過或無人體觸碰負載的外露可導電部分而觸電,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載的外露可導電部分而觸電,則有

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     ?。麵Δ|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系統中的應用

      TN接地系統有TN-C、TN-S、TN-C-S三種,這三種接地系統的本質是一樣的,即供電側電源系統中性點接地,用電側負載的外露可導電部分接中性線,接地線PE與中性線N在電氣上相連。RCD在所有TN接地系統中的應用原理是一樣的,為減少篇幅,此處以TN-C接地系統為例進行分析說明。RCD在TN系統中的應用示意圖如圖5所示。

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      圖5中負載帶中性線時,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載的外露可導電部分而觸電,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有電流通過或負載的外露可導電部分通過人體產生接地故障電流,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與負載中性線一起接入RCD,如圖5中D所示,則有

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      式中,IPE為接地線PE中的電流矢量。由式(12)可知,當接地線PE有電流通過時,RCD不會動作;僅當人體觸碰到負載的外露可導電部分而產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,這將給用電負載造成極大的安全隱患。圖5中負載不帶中性線時,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接地系統中,用電負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

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      式(13)表明,無論接地線PE中有無電流通過,始終有I_x0005_Δ=0,RCD不會動作;僅當人體觸碰到負載的外露可導電部分而產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載造成極大的安全隱患。

      3.3 RCD在IT系統中的應用

      RCD在IT系統中的應用示意圖如圖6所示。

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      IT接地系統中,供電側電源系統所有帶電部分不接地或有一點通過高阻抗接地,用電側負載的外露可導電部分接地。IT接地系統是三相三線制供電,假如選用不帶中性極的RCD,結合式(4)、式(7),此時有

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      因供電側電源系統與大地隔離,負載的外露可導電部分對地電壓很低,接地線PE對大地、負載的外露可導電部分經人體對大地很難有電流產生,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接地系統中不適用。

    4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


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    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

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      ASJ60系列剩余電流監測儀技術指標

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      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

     

      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,

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    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

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    ASJ60剩余電流監測儀典型應用

      4.4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)。

      5結論

      RCD是一種非常重要的用電保護電器,廣泛應用于電網、工控箱、電氣設備控制系統等場所,保護人身安全和設備安全。本文基于用電設備的電流矢量計算,闡述了RCD在交流低壓配電系統中的應用特性,定性定量地分析了供電方式(單相、三相三線、三相四線)、負載接線方式(三角形聯結、星形聯結帶中性線、星形聯結不帶中性線)、接地系統類型(TT系統、TN系統、IT系統)對RCD工作的影響。結合上述內容可知,RCD適用于TT接地系統和TN接地系統,不適用于IT接地系統;但在TT系統和TN系統中,還需要根據供電方式和負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載的外露可導電部分觸電(禁止非相關人員靠近),根據預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,根據電流矢量的分析方法,還可以排查因RCD導致的電氣故障,以快速恢復正常用電。

      隨著電網的發展及用電設備的更新換代,只具備剩余電流保護功能的保護器已經不能滿足需求,現通常將過電流保護、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

      [1]剩余電流動作保護電器(RCD)的一般要求:GB/T6829—2017[S].北京:中國標準出版社,2018.

      [2]低壓電氣裝置第1部分:基本原則、一般特性評估和定義:GB/T 16895.1—2008[S].北京:中國標準出版社,2009.

      [3]楊勇.漏電斷路器誤動作故障分析及解決措施[J].電氣開關,2018,56(4):94-96.

      [4]魏 波,鄧誼爽,普朝鴻,王凌峰,文小川.剩余電流動作保護器在接地系統中的應用分析.

      [5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.06版


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