剩余電流保護器的應用與分析

徐歐珺，呂 欽，陳 靚，王 晟

（浙江省麗水市蓮都供電公司，浙江 麗水 323000）

1 剩余電流保護器的種類和工作原理

1.1 剩余電流保護器的分類及使用范圍

目前，市場上剩余電流保護器的型號和種類繁多，但工作原理基本一致。根據其動作特性與電源電壓是否有關，分為電磁式剩余電流保護器和電子式剩余電流保護器兩種。

一般動作特性與電源電壓無關的剩余電流保護裝置，通常被稱作電磁式剩余電流保護器。該剩余電流保護器通常被使用在農村、城鄉結合部、動力和照明混用的線路。該類型的剩余電流保護器理論使用的是電流的平均值算法。

動作特性與電源電壓有關的剩余電流保護裝置，通常被稱作電子式剩余電流保護器。該類型的剩余電流保護裝置是在原有剩余電流保護裝置的基礎上改進算法、改進制造工藝而來。以前農村、城鄉結合部、動力和照明混用的線路中的負載性為線性負載，電阻性負載、感性負載、容性負載，諧波源極少。隨著科學技術的發展，電子設備的更新疊代，冶金工業、化工產業的發展，電氣化鐵路的建設，為了工業化生產的穩定，大量使用UPS、整流器、逆變器、IGPT以及硅整流等非線性元件，使負載性質從線性負載轉變為非線性負載，使得電磁型剩余電流保護器在新的環境下無法正確動作，于是設計了新型的電子式剩余電流保護器。

1.2 剩余電流保護器工作原理

1.2.1 電磁型剩余電流保護器工作原理

電磁型剩余電流保護器的接線原理如圖1所示。在接線正常的情況下，電路中沒有發生人身觸電、設備裝置漏電、線路單相接地故障時，剩余電流保護器的電流互感器一次側中通過的一次電流矢量和等于0（三相極度平衡狀態），計算為IL1+IL2+IL3+IN=0。L1、L2、L3和N在電流互感器中產生的磁通矢量和等于0（實際中三相不平衡其值不為0，零序電流小于瞬時脫扣電流值），此時電流互感器二次側輸出為零或較小值，二次電流值小于瞬時脫扣值，不足以脫扣，此時剩余電流保護器處于正常供電狀態[1]。

當發生人身觸電、設備裝置漏電、保護線路單相接地故障時，L1、L2、L3和N在電流互感器中產生的磁通的矢量和不等于0，即IL1+IL2+IL3+IN≠0，此時在電流互感器二次側電流輸出值達到瞬時脫扣值，剩余電流保護器動作，斷開所保護線路。

1.2.2 智能型電子式剩余電流保護器工作原理

智能型剩余電流保護器的算法采用有效值計算，核心計算公式為：

IRMS為電流的有效值，為電流的平均值，i(t)為時刻電流的瞬時值，Kf為正弦波波形因數，T為周期。

式（1）經過離散化和傅里葉變換，得到：

從式（2）中可以明顯發現，電流的有效值不單單與線性負載有直接關系，也與非線性負載有著密不可分的關系，與各次諧波的有效值有著直接聯系。該算法與傳統的計算方法對比，更加精確，提高了保護的可靠性。

智能型電子式剩余電流保護器通過電子采樣設備進行電壓、電流、零序電流的采樣，然后使用整流電路、濾波電路、信號放大電路以及AD轉換來實現電流有效值的判斷，最后做出反饋。

當采樣信號計算I小于電流脫扣值時，剩余電流保護器不動作，設備處于運行狀態；反之，保護器動作，被保護線路斷電。

圖1 電磁型剩余電流保護器接線原理圖

2 實例應用于分析

2019年8月13日漏電保護監察系統預警，蓮都區供電公司管轄下陳寮村配變發生漏電保護跳閘，要求分析跳閘原因。

配變型號S9-100 kVA，接線組別Yyn0，In額定電流144.3 A，漏電保護GRM1L-250。

系統記錄參數（以平均值為代表）：IA為51.9A，IB為137.1 A，IC為59.1 A；漏電流376 mA；線路空載時，漏電流72 mA。

線路負載：單相居民用戶，單相1.5 kW電動機4臺，三相15 kW電動機2臺，帶星三角啟動的20 kW電動機1臺。

通過以上已知參數，對陳寮村配變發生漏電保護器跳閘事件從漏電保護的選型、脫扣電流的整定、三相不平衡電流的計算、星三角啟動電流4個方面，對漏電保護器的影響進行詳細分析。

配變低壓側額定電流為144.3 A，而配置的GRMIL-250的智能漏電保護器的額定電流為250 A，其配比系數為1.73倍（國網配網低壓規程配比要求1.5～2.5，根據負荷性質選擇配比），以此判斷該型號GRMIL-250漏電保護器選型正確[2]。

GRMIL-250漏電保護器其瞬動脫扣器用于保護時，首先應躲過線路的尖峰電流，計算如下：

Ir3為斷路器瞬動脫扣整定電流；Krel3為斷路器瞬動脫扣器的可靠系數，取1.2；IrtM1為線路中最大一臺電動機的全啟動電流，包括電流周期分量和非周期分量，考慮到諧波設備引起的電流變化，該值通常取最大一臺電動機的全啟動電流的2倍；Ijs(n-1)為除了最大電動機的全部負載電流。

電動機三角啟動電流為電機額定電流的4～7倍，這里Kf取5。

通過計算，該環境下斷路器脫扣電流只要大于153.6 A即可。反向檢查GRMIL-250瞬動脫扣器的整定檔位，判斷該GRMIL-250漏電保護器其脫扣整定值設置合理（瞬動脫扣為2 500 A檔）。

漏電保護器當發生三相極度不平衡時，其電流超過脫扣電流時，有概率引起漏電保護器動作。在此通過實際參數進行校驗，以判斷該技術參數下保護器是否會發生跳閘。計算如下：

通過三相不平衡獲得的參數進行計算發現，理論情況下零序電流可以達到81 A，與瞬時脫扣電流153.6 A有一定的差距，不會引起漏電保護器的脫扣動作。計算此時的負載率可以發現，A相為36%，B相最高為95%，C相為41%。通過系統監控發現，該配變的不平衡度大于20%的時候占35%的時間，說明該情況下有大量零序電流流過。

在星三角啟動電動機時，電機的啟動電流對電網的沖擊與電機直接啟動的電流有所區別。雖然星三角啟動電動機時電流為三角啟動電流的1/3，但是其時間繼電器動作間隙對電網的沖擊比電動機本身要大得多。

為了分析該情況和對應參數是否真的對漏電保護有較大沖擊，班組作業人員在100 kVA變臺下直接接帶星三角啟動器的75 kW的電動機，額定電流142.44 A，功率因數按0.8計算，配置GRMIL-250型號智能漏電保護器。它的脫扣器整定電流在8In檔位，2 000 A星三角啟動器的時間繼電器有0.05 s、0.1 s、0.25 s和0.5 s四擋配置[3]。

經過15次的試驗發現，其中有4次跳閘情況。表1為在漏電保護下樁頭上測得的電流參數與繼電器切換時間的對應關系。

表1 繼電器時間切換與其產生的浪涌關系表

通過實驗發現，星三角啟動器切換時間越大，產生的浪涌值越高，對線路沖擊越大。檔位在0.25 s時，頻繁發生跳閘，繼電器工作在0.05 s檔時形成浪涌與額定電流比為5.96，在0.1 s檔為9.15，在0.25 s檔為16.5。以此換算至額定電流為7.99 A的電動機上，其浪涌沖擊值47 A（0.05 s）、73 A（0.1 s）、131 A（0.25 s），因此應將其設置在0.05或0.1檔。

通過計算可知，目前參數在0.1 s檔時，線路漏電保護器過流脫扣。因此，應將時間繼電器設置在0.05 s檔。

檢查漏電保護器其漏電指示檔位，其設置在500 mA檔，實際系統監控最高值為376 mA，該保護跳閘不是漏電引起的。

3 結 論

班組人員通過從漏電保護的選型、脫扣電流的整定、三相不平衡電流的計算、星三角啟動電流4個方面，對漏電保護器的跳閘可能進行系統分析，發現了星三角啟動中的切換器的時間選擇檔對漏電保護器的影響，并進行了相應的試驗進行驗證，同時分析出該配變也是由該原因引起的跳閘。