剩余電流動作保護裝置的運用

王 波

四川川油工程技術勘察設計有限公司，四川 成都 610051

0 前言

隨著低壓用電設備特別是家用電器的廣泛使用，由觸電和漏電引起的火災等事故呈上升趨勢，客觀上對保證人身安全防護和設備安全運行提出了更高要求。低壓配電系統(tǒng)中裝設剩余電流動作保護裝置，是防止直接和間接接觸電擊事故，以及防止電氣線路或電氣設備接地故障引起電氣火災和電氣設備損壞的有效技術措施，本文側重分析了剩余電流動作保護裝置的使用范圍、選用注意事項和主要參數(shù)的確定方法。

1 工作原理

剩余電流動作保護裝置主要由檢測元件—電流互感器、中間環(huán)節(jié)—比較器和放大器、執(zhí)行元件—脫扣器、主開關及試驗元件等部分組成。剩余電流動作保護裝置工作原理是依據基爾霍夫電流定律，采用電流互感器測量相線和中性線回路中流過的瞬時電流矢量和。正常運行時檢測元件中流過的瞬時電流矢量和為0，保護裝置不動作；當配電線路發(fā)生接地故障或線路老化漏電電流增大時，部分電流通過PE 線或大地流回電源中性點，檢測元件中流過的瞬時電流矢量和不為0，當檢測值超過整定值時，脫扣器動作斷開斷路器，切斷配電回路電源。工作原理見圖1。

圖1 剩余電流動作保護裝置工作原理

2 規(guī)范條文分析

2.1 規(guī)范條文的具體要求

剩余電流動作保護裝置主要用于配電線路和Ⅰ類電氣設備的電擊防護，推薦用于直接接觸觸電附加防護、間接接觸觸電、電氣火災防護等方面。當用于間接接觸觸電時，其使用范圍在GB 13955-2005《剩余電流動作保護裝置安裝與運行》［1］和GB 50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》［2］上有不同的規(guī)定。

a）GB 13955-2005《剩余電流動作保護裝置安裝與運行》中第4.5 節(jié)規(guī)定：必須安裝剩余電流保護裝置的設備和場所：

第4.5.1 條 末端保護

●屬于Ⅰ類的移動式電氣設備及手持式電動工具;●生產用的電氣設備;

●施工工地的電氣機械設備;

●安裝在戶外的電氣裝置;

●臨時用電的電氣設備;

●機關、學校、賓館、飯店、企事業(yè)單位和住宅等除壁掛式空調電源插座外的其他電源插座或插座回路;

●游泳池、噴水池、浴池的電氣設備;

●安裝在水中的供電線路和設備;

●醫(yī)院中可能直接接觸人體的電氣醫(yī)用設備;●其他需要安裝剩余電流保護裝置的場所。

第4.5.2 條 線路保護

低壓配電線路根據具體情況采用二級或三級保護時，在總電源端、分支線首端或線路末端(農村集中安裝電能表箱、農業(yè)生產設備的電源配電箱)安裝剩余電流保護裝置。

b）GB 50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》中其使用情況因配電系統(tǒng)的接地型式有所不同，具體規(guī)定：

第5.2.13 TN 系統(tǒng)中，配電線路采用過電流脫扣器兼作間接接觸防護電器時，其動作特性應符合本規(guī)范第5.2.8 條的規(guī)定，當不符合規(guī)定時，應采用剩余電流動作保護電器。

第5.2.18 TT 系統(tǒng)中，配電線路的間接接觸防護的保護電器應采用剩余電流動作保護電器或過電流保護電器。

第5.2.24 IT 系統(tǒng)的配電線路符合本規(guī)范第5.2.21條第1 款規(guī)定時，應由過電流保護電器或剩余電流保護器切斷故障回路，并應符合下列規(guī)定：

●IT 系統(tǒng)不配出中性導體時，保護電器動作特性應符合式（1）要求：

●當IT 系統(tǒng)配出中性導體時，保護電器動作特性應符合式(2)要求：

式中：Zc為包括相導體和保護導體的故障回路的阻抗，Ω；Zd為包括相導體、中性導體、保護導體故障回路的阻抗，Ω；Ic為保證保護電器在GB 50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》表5.2.23 規(guī)定的時間或其他回路允許的5 s 內切斷故障回路的電流，A。

2.2 規(guī)范條文的差異與影響

GB 13955-2005《剩余電流動作保護裝置安裝與運行》和GB 50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》的差異主要體現(xiàn)在剩余電流動作保護裝置是否必須裝設，GB 13955-2005《剩余電流動作保護裝置安裝與運行》要求必須裝設，而GB 50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》根據情況確定是否裝設。

GB 13955-2005《剩余電流動作保護裝置安裝與運行》第4.5.1 條部分條款特別是第二、四款明顯不太合理，作為易燃易爆的石油天然氣行業(yè)中要求長期連續(xù)運行的機泵（一、二級負荷）配電回路并不適宜裝設剩余電流動作保護裝置。例如某工程中天然氣增壓站的電驅壓縮機，作為天然氣氣田集輸系統(tǒng)的動力源，屬生產用的電氣設備，其供電連續(xù)性要求較高，若配電回路裝設剩余電流動作保護裝置，在潮濕環(huán)境工況下正常泄漏電流過大，超過整定值引起開關跳閘，切斷電機配電回路，引起大面積停產，將造成巨大的經濟損失；又如某LNG液化廠的消防泵，用電負荷等級高，因長期未使用，其絕緣輕微受潮而正常泄漏電流稍大，泄漏電流超過整定值時引起開關跳閘，切斷配電回路，則不能正常使用，影響火災搶險。

2.3 實際運用情況分析

GB 50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》的規(guī)定間接接觸防護可選擇過電流保護電器或剩余電流保護電器，其可操作性較大，也較合理，在這里根據系統(tǒng)的不同接地型式進行分析。

TN 系統(tǒng)中單相接地故障多為金屬性短路［3］，故障回路短路電流大，常采用過電流脫扣器兼作接地故障保護，當其動作特性不滿足靈敏度和切斷故障回路的時間要求時，應采用剩余電流動作保護裝置作專門接地故障保護。

斷路器動作靈敏度的判定可在具體工程中計算確定。例如圖2 是某工程水泵回路單線圖，表1 是水泵回路單相接地故障電流計算成果表，水泵回路末端發(fā)生單相接地故障時，接地故障電流Id=190 A，根據圖2 水泵回路斷路器參數(shù)為D10 A/3 P，可計算瞬時過電流脫扣器整定值為140 A(10～14 In，取14 In)，靈敏度ksen=Id/14In=190/140=1.357，滿足GB 50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》第6.2.4 條短路電流為過電流脫扣器整定電流1.3 倍的要求，因此該處過電流保護電器可兼作間接接觸防護電器。同時該工程水泵回路還可采取放大末端配電線路導體截面的方法提高靈敏度。

圖2 某工程水泵回路單線圖

表1 水泵回路單相接地故障電流計算成果表

TT 系統(tǒng)中單相接地故障多為電弧性短路，回路阻抗大，故障電流小，過電流脫扣器難以滿足靈敏度要求，推薦剩余電流動作保護裝置作專門接地故障保護。經計算接地故障電流滿足靈敏度要求時，仍可采用過電流保護電器兼作間接接觸防護電器。

IT 系統(tǒng)發(fā)生第一次單相接地故障時，故障電流為非故障相對地電容電流矢量和，故障電流小，故障電壓低于安全電壓，可不要求動作。IT 系統(tǒng)發(fā)生第二次單相接地故障時，將發(fā)展成為兩相接地短路故障，短路電流較大，用電設備外露可導電部分若采用共用接地裝置方式［4］，其短路電流特性與TN 系統(tǒng)相同，可采用過電流保護電器或剩余電流動作保護裝置作接地故障保護；用電設備外露可導電部分若采用單獨接地或成組地采用各自接地，其短路電流特性與TT 系統(tǒng)相同，推薦采用剩余電流動作保護裝置作接地故障保護。

根據GB 50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》第6.4節(jié)要求，為防止因配電線路的破損或老化，發(fā)生電弧性短路，引起電氣火災，建筑物配電系統(tǒng)宜裝設剩余電流動作保護裝置。對于住宅或中小型建筑，其配電系統(tǒng)結構簡單，正常對地泄露電流較小，可在配電設備總電源進線端設置剩余電流動作保護裝置。大型建筑配電系統(tǒng)結構復雜，正常對地泄露電流不易確定，影響剩余動作電流整定值的確定，因此推薦在各樓層配電箱進線端設置剩余電流動作保護裝置；大型建筑配電干線因截面大，單相接地故障回路阻抗較小，接地故障電流容易滿足靈敏度要求，宜采用過電流保護電器兼作間接接觸防護電器。

3 局限性

剩余電流動作保護裝置所檢測的是單相或三相相線和中性線的電流矢量和，在實際運用中有一定局限性。 a）不適用于低壓配電系統(tǒng)接地型式為TN-C 的接地系統(tǒng)，若需使用，須單獨設置PE 線。

b）對直接、間接電擊防護和電氣火災防護都有較高的靈敏度，靈敏度高會有一定負面影響，當N 線受干擾或中線流過反向雜散電流時，可能誤動或拒動，設計中宜關注。

c）不能防范由它處沿PE 線傳導來的故障電壓導致的電擊事故，這種事故只能靠等電位聯(lián)結等措施來消除。

4 裝置選用

剩余電流動作保護裝置按組成元件的不同可分為電磁式和電子式，電磁式剩余電流動作保護裝置的零序電流互感器的二次回路輸出電壓不經任何放大，直接激勵剩余電流脫扣器，其動作功能與線路電壓無關； 電子式剩余電流動作保護裝置零序電流互感器的二次回路和脫扣器之間接入一個電子放大線路，互感器二次回路的輸出電壓經過電子線路放大后再激勵剩余電流脫扣器，其動作功能與線路電壓有關。

電子式剩余電流動作保護裝置的放大元件屬電子器件，抗外界電磁環(huán)境干擾能力較差，易損壞、誤動和拒動。某工程戶外路燈配電回路使用了電子式剩余電流動作保護裝置，雷雨季節(jié)開關頻繁跳閘，造成路燈停電，影響正常使用，檢測發(fā)現(xiàn)造成開關誤動的原因：一是放大元件質量較差，雷雨天時精度不能保證；二是配電回路電壓波形因配電回路存在高次諧波而發(fā)生畸變。另外電子式剩余電流動作保護裝置是靠所在回路的故障殘壓提供能量來驅動剩余電流動作保護裝置動作，如果殘壓過低能量不足，剩余電流動作保護裝置就可能拒動。因此電子式剩余電流動作保護裝置建議在高可靠供電要求的配電回路中慎用。

5 參數(shù)確定

額定剩余動作電流主要由電擊對人體的危害程度確定，電流強度越大，危險越大。根據《工業(yè)與民用配電設計手冊》(第三版)［5］和《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》(下冊)［6］所提供數(shù)據，一般把能引起人感覺到的最小電流值稱為感知閾值（約0.5 mA）；人觸電后能自己擺脫的最大電流稱為擺脫閾值（約10 mA）；在較短的時間內危及生命的最小電流稱為心室纖維性顫動閾值。100 mA的電流通過人體1s，足以使人致命。因此確定剩余動作電流、動作時間等主要參數(shù)的整定值非常重要。

a）額定剩余動作電流除游泳池、水景噴水池、水上游樂園、浴室等特定區(qū)域的電氣設備應選用額定剩余動作電流為10 mA 外，其余末端回路或插座回路中的額定剩余動作電流不宜大于30 mA，動作特性宜為瞬時動作型。

b）室外局部TT 系統(tǒng)可根據配電回路實際泄漏電流綜合確定，但不應超過100 mA，動作特性宜為瞬時動作型。

c）用于配電線路保護而設置的剩余電流動作保護裝置，應考慮級間配合，其額定剩余動作電流整定值宜為100 ～500 mA，動作特性應具備選擇性，宜為延時動作型，延時時間為0.2～0.4 s。

d）額定剩余不動作電流的優(yōu)先值為額定剩余動作電流的0.5 倍，如采用其他值時應大于額定剩余動作電流的0.5 倍，并應躲過配電回路正常泄漏電流的影響。

6 結論

綜上所述，結合工程中用電設備的實際運行工況，GB 50054-2011《低壓配電設計規(guī)范》中關于剩余電流動作保護裝置使用規(guī)定相對合理，推薦優(yōu)先執(zhí)行。關于剩余電流動作裝置類型推薦優(yōu)先選用電磁式。剩余電流動作保護裝置額定剩余動作電流除游泳池、浴室等環(huán)境因考慮到人體承受安全電壓極限較低而采用10 mA 外，其余情況可結合各自行業(yè)特點和使用功能而定。例如目前市政行業(yè)路燈為固定安裝，人在接觸燈桿受電擊易于擺脫，其額定剩余動作電流可參考選用100 mA，若選用30 mA，因燈具防護性能不高則易漏電跳閘。

［1］GB 13955-2005 ，剩余電流動作保護裝置安裝與運行 ［S］.GB 13955-2005，Installation and Operation of Residual Current Operated Protective Devices ［S］.

［2］GB 50054-2011，低壓配電設計規(guī)范［S］.GB 50054-2011，Code for Design of Low Voltage Electrical Installations［S］.

［3］鄭世同,李興明. 供配電設計和實踐［J］. 天然氣與石油，2005, 23(4): 30-36.Zheng Shitong, Li Xingming, Design and Practice of Power Supply and Distribution［J］. Natural Gas and Oil, 2005, 23(4): 30-36.

［4］王 強,接地裝置結構特點及探討［J］.天然氣與石油, 2005, 23(4): 37-40.Wang Qiang. Structural Characteristics and Discussion of Grounding Device［J］. Natural Gas and Oil, 2005, 23 (4): 37-40.

［5］中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院. 工業(yè)與民用配電設計手冊 (第三版)［M］.北京:中國電力出版社, 2005.China Aviation Industry Planning and Design Institute, Handbook of Industrial and Civil Power Distribution Design (Third Edition)［M］. Beijing: Chinese Electric Power Press, 2005.

［6］《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》編委會, 鋼鐵企業(yè)電力設計手冊(下冊)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社, 2011.Iron and Steel Enterprise Electric Design Handbook Editorial Board, Iron and Steel Enterprise Electric Power Design Handbook (The Second Volume)［M］. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2011.