淺談剩余電流保護(hù)裝置的工作原理及應(yīng)用

龔志華

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650231)

0 引 言

低壓配電線路中各相(包含中性線N在內(nèi))電流矢量和不為零而產(chǎn)生的電流被稱之為剩余電流，其中接地故障電流即漏電電流是較為常見的一種。

如設(shè)備受潮、絕緣老化等造成的漏電故障，由于其漏電電流值相對(duì)較小，非常具有“隱蔽性”、達(dá)不到過流保護(hù)電器動(dòng)作值，使得故障不會(huì)消除而長(zhǎng)時(shí)間存在。

生產(chǎn)、生活中常見的電擊事件告訴我們，這種漏電電流對(duì)人身安全已構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，為此加裝靈敏度更高的剩余電流保護(hù)裝置進(jìn)行補(bǔ)充保護(hù)，是防止間接觸電常用的技術(shù)措施，并已得到廣泛應(yīng)用。

1 RCD的工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

RCD主要由檢測(cè)元件、中間環(huán)節(jié)(含放大元件及比較元件)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3個(gè)基本部分構(gòu)成。

(1)檢測(cè)元件：檢測(cè)元件通常采用中間空心(纜線從中穿過)的環(huán)形互感器。它能把檢測(cè)到的剩余電流I1轉(zhuǎn)為輸出電壓E2，用來施加到RCD的脫扣線圈上，從而推動(dòng)脫扣器動(dòng)作，或者先經(jīng)過裝置將信號(hào)放大后再施加到脫扣線圈上，再使脫扣器動(dòng)作，因?yàn)殡娏骰ジ衅鰿T二次側(cè)的輸出功率是很小的，一般僅以mVA計(jì)。在CT與脫扣器中間配一個(gè)能放大這個(gè)低級(jí)數(shù)信號(hào)的裝置，就能解決這一問題。這不僅為互感器減輕了負(fù)擔(dān)，使其重量和體積明顯縮小，還可以降低我們對(duì)脫扣器的靈敏度要求。

(2)脫扣器：又稱比較元件，用來判別剩余電流是否達(dá)到預(yù)定值，確定RCD是否動(dòng)作。

(3)執(zhí)行元件：指的是一個(gè)可開斷主電路的機(jī)械開關(guān)電器。

1.2 RCD的分類及工作原理

RCD按中間環(huán)節(jié)所采用的元件不同可分為電子式與電磁式2種，我國(guó)市場(chǎng)上90 %的RCD為電子式，電磁式RCD生產(chǎn)成本高、價(jià)格偏貴。其工作原理見圖1。

圖1 電子式剩余電流保護(hù)裝置原理圖

1.2.1 電子式剩余電流保護(hù)裝置

在零序電流互感器的二次側(cè)出口和脫扣器之間配置1個(gè)電子放大線路E。在正常使用情況下，經(jīng)過RCD的電流互感器一次側(cè)回路的電流矢量和理想值應(yīng)為零(即IL1+IL2+IL3+IN=0)，產(chǎn)生磁通理論上其矢量和也應(yīng)為零(即φL1+φL2+φL3+φN=0)，結(jié)論就是電流互感器CT二次線圈中不會(huì)感應(yīng)出電壓，脫扣器不會(huì)動(dòng)作，RCD將能保持正常供電。

而當(dāng)發(fā)生漏電、故障接地時(shí)，與用電設(shè)備聯(lián)接的接地電阻RA將流過接地電流IN，此時(shí)，電流互感器一次側(cè)的電流矢量和不再為零，使得產(chǎn)生一個(gè)矢量和不為零的磁通，互感器二次回路中感應(yīng)出的電壓經(jīng)過電子信號(hào)放大裝置放大后再施加于脫扣器的線圈上，產(chǎn)生了1個(gè)可能使RCD脫扣器動(dòng)作的工作電流；互感器二次側(cè)輸出的感應(yīng)電壓與接地故障電流IN大小成正比關(guān)系，當(dāng)接地故障電流IN超過預(yù)定值時(shí)，脫扣器線圈中產(chǎn)生的電流能讓脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使主開關(guān)斷開電路。

從以上原理看出，電子式RCD是通過配置1個(gè)電子放大線路，將互感器二次側(cè)的輸出電壓放大后再去激勵(lì)RCD的脫扣器，因此脫扣器動(dòng)作在功能上直接與線路電壓相關(guān)。

1.2.2 電磁式剩余電流動(dòng)作保護(hù)器

電磁式RCD與電子式RCD的監(jiān)測(cè)元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理基本相同，見圖2。其重要區(qū)別在于中間環(huán)節(jié)，電磁式剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的中間環(huán)節(jié)是由電磁鐵(放大器)、銜鐵、彈簧(比較器)、脫扣機(jī)構(gòu)組成。

圖2 電磁式剩余電流保護(hù)裝置原理圖

正常工作時(shí)，零序電流互感器的二次繞組中沒有感應(yīng)電壓輸出，極化電磁鐵T線圈沒有電流流過，T的吸力克服彈簧反作用力，使銜鐵X保持在閉合位置，脫扣機(jī)構(gòu)TK不動(dòng)作，漏電保護(hù)斷路器QF不動(dòng)作，保持電路正常供電。

當(dāng)因某種原因產(chǎn)生剩余電流時(shí)，環(huán)形鐵芯將有交變磁通產(chǎn)生，在互感器二次繞組中有感應(yīng)電壓輸出，電磁鐵T線圈中將有交流電流通過，并產(chǎn)生交變磁通與永久磁鐵的磁通疊加使電磁鐵去磁，從而使其對(duì)銜鐵X的吸力減小，于是銜鐵被彈簧的反作用力拉開，脫扣機(jī)構(gòu)TK動(dòng)作，斷路器QF斷開電源。

其中，SB為試驗(yàn)按鈕?？梢钥闯觯捎陔姶攀絉CD零序電流互感器的二次回路輸出電壓是直接去激勵(lì)RCD脫扣器的，因此其動(dòng)作在功能上與線路電壓是沒有關(guān)系的，不會(huì)因線路電壓降低而影響動(dòng)作可靠性。

2 RCD的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用的原則性

(1)RCD只能作為包括絕緣防護(hù)、屏護(hù)、安全距離、特低電壓等直接觸電基本防護(hù)措施的附加保護(hù)措施，不能替代。

相間、相與N線間短路形成的直接觸電，應(yīng)由斷路器等保護(hù)電器切斷電源。

(2)間接觸電防護(hù)的主要措施應(yīng)是過電流保護(hù)，當(dāng)電路由于受潮、絕緣損壞等原因而接地故障，其故障電流值相對(duì)很小，達(dá)不到過電流保護(hù)裝置的動(dòng)作電流值時(shí)，過電流保護(hù)裝置保護(hù)將失效，此時(shí)應(yīng)采用RCD保護(hù)。

(3)RCD的分級(jí)保護(hù)應(yīng)以末端保護(hù)為基礎(chǔ)，為防止發(fā)生人身電擊事故，無(wú)論兩級(jí)或三級(jí)保護(hù)，都應(yīng)有末端保護(hù)。

2.2 應(yīng)用的場(chǎng)所

下列情況的用電設(shè)備的配電線路應(yīng)設(shè)RCD保護(hù)：①手持式用電設(shè)備、移動(dòng)式用電設(shè)備；②安裝在戶外的電氣裝置；③安裝在水中的供電線路和設(shè)備；④家用電器及插座配電回路；⑤通過TT系統(tǒng)來供電的用電設(shè)備；⑥醫(yī)院中可能直接接觸人體的電氣醫(yī)用設(shè)備。

2.3 額定剩余動(dòng)作電流( IΔn)的確定

2.3.1 為避免RCD誤動(dòng)作，RCD的IΔn不應(yīng)選擇太小。

IΔn必須大于被保護(hù)線路和設(shè)備正常泄漏電流最大值的2倍，對(duì)于末端回路宜大于2.5～3.0倍，由于季節(jié)原因會(huì)引起對(duì)地泄漏電流值變化時(shí)，應(yīng)選用動(dòng)作電流可調(diào)的RCD。

2.3.2 為安全考慮，RCD的IΔn不應(yīng)選擇太大。

(1)額定電流20 A及以下的插座回路、32 A及以下的戶外移動(dòng)式設(shè)備采用RCD作為直接接觸的附加防護(hù)，其IΔn不應(yīng)大于30 mA；

(2)醫(yī)療場(chǎng)所裝設(shè)的防間接接觸的RCD，其IΔn不應(yīng)大于30 mA；

(3)游泳池、噴水池、浴室等場(chǎng)所裝設(shè)的RCD，其IΔn不應(yīng)大于30 mA；

(4)TT系統(tǒng)配電回路裝設(shè)的RCD，其IΔn值應(yīng)保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷電源，故障電流最小值不應(yīng)小于IΔn的5倍；

(5)TN系統(tǒng)配電回路裝設(shè)RCD時(shí)，其IΔn值應(yīng)保證在TN系統(tǒng)的規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷電源，故障電流最小值不應(yīng)小于IΔn的5倍；

(6)住宅、旅館及其他有火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境的配電線路進(jìn)線處設(shè)防電氣火災(zāi)的RCD，其IΔn不應(yīng)大于300 mA，作用于切斷電源或發(fā)出報(bào)警；

電氣布線系統(tǒng)中接地故障電流的IΔn不應(yīng)大于500 mA。

2.4 多級(jí)RCD的選擇性

(1)上級(jí)RCD的IΔn值至少應(yīng)為下級(jí)RCD的IΔn值的3倍。如末端回路的RCD的IΔn=30 mA，則上級(jí)的RCD的IΔn可選100 mA，再上級(jí)的RCD的IΔn可選300 mA。

(2)上級(jí)RCD在不同故障電流作用下，其不動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于下級(jí)RCD的動(dòng)作時(shí)間。如末端RCD為瞬時(shí)動(dòng)作，其固有動(dòng)作時(shí)間為0.04 s，則上級(jí)RCD選用延時(shí)型，動(dòng)作時(shí)間宜為0.15 s。

3 結(jié) 語(yǔ)

在以往項(xiàng)目中，造成RCD誤動(dòng)和拒動(dòng)的問題較多，總結(jié)后主要應(yīng)注意如下幾方面：①被保護(hù)回路的中性線不得重復(fù)接地，以防產(chǎn)生雜散電流，也不得與其他回路共用中性線；②當(dāng)被保護(hù)回路的直流成份較大時(shí)，RCD應(yīng)選用A型或B型；③應(yīng)采取措施，使被保護(hù)回路的正常泄漏電流(含諧波電流影響)小于RCD的IΔn值的40 %；④雷暴日多的地區(qū)應(yīng)該用防雷電沖擊專用的RCD(延時(shí)動(dòng)作)；⑤中性線N和PE線不應(yīng)接錯(cuò)，并且PE線不可穿過RCD的互感器。

總之，RCD的設(shè)置應(yīng)力求簡(jiǎn)單可靠，既節(jié)省投資，又便于維護(hù)管理。