王 波

四川川油工程技術(shù)勘察設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610051

0 前言

隨著低壓用電設(shè)備特別是家用電器的廣泛使用，由觸電和漏電引起的火災(zāi)等事故呈上升趨勢(shì)，客觀上對(duì)保證人身安全防護(hù)和設(shè)備安全運(yùn)行提出了更高要求。低壓配電系統(tǒng)中裝設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)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(shè)備接地故障引起電氣火災(zāi)和電氣設(shè)備損壞的有效技術(shù)措施，本文側(cè)重分析了剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置的使用范圍、選用注意事項(xiàng)和主要參數(shù)的確定方法。

1 工作原理

剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置主要由檢測(cè)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(guān)及試驗(yàn)元件等部分組成。剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置工作原理是依據(jù)基爾霍夫電流定律，采用電流互感器測(cè)量相線和中性線回路中流過的瞬時(shí)電流矢量和。正常運(yùn)行時(shí)檢測(cè)元件中流過的瞬時(shí)電流矢量和為0，保護(hù)裝置不動(dòng)作；當(dāng)配電線路發(fā)生接地故障或線路老化漏電電流增大時(shí)，部分電流通過PE 線或大地流回電源中性點(diǎn)，檢測(cè)元件中流過的瞬時(shí)電流矢量和不為0，當(dāng)檢測(cè)值超過整定值時(shí)，脫扣器動(dòng)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(dòng)作保護(hù)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(dòng)作保護(hù)裝置主要用于配電線路和Ⅰ類電氣設(shè)備的電擊防護(hù)，推薦用于直接接觸觸電附加防護(hù)、間接接觸觸電、電氣火災(zāi)防護(hù)等方面。當(dāng)用于間接接觸觸電時(shí)，其使用范圍在GB 13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝與運(yùn)行》［1］和GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］上有不同的規(guī)定。

a）GB 13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝與運(yùn)行》中第4.5 節(jié)規(guī)定：必須安裝剩余電流保護(hù)裝置的設(shè)備和場(chǎng)所：

第4.5.1 條 末端保護(hù)

●屬于Ⅰ類的移動(dòng)式電氣設(shè)備及手持式電動(dòng)工具;●生產(chǎn)用的電氣設(shè)備;

●施工工地的電氣機(jī)械設(shè)備;

●安裝在戶外的電氣裝置;

●臨時(shí)用電的電氣設(shè)備;

●機(jī)關(guān)、學(xué)校、賓館、飯店、企事業(yè)單位和住宅等除壁掛式空調(diào)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(shè)備;

●安裝在水中的供電線路和設(shè)備;

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

第4.5.2 條 線路保護(hù)

低壓配電線路根據(jù)具體情況采用二級(jí)或三級(jí)保護(hù)時(shí)，在總電源端、分支線首端或線路末端(農(nóng)村集中安裝電能表箱、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的電源配電箱)安裝剩余電流保護(hù)裝置。

b）GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)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(hù)電器時(shí)，其動(dòng)作特性應(yīng)符合本規(guī)范第5.2.8 條的規(guī)定，當(dāng)不符合規(guī)定時(shí)，應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器。

第5.2.18 TT 系統(tǒng)中，配電線路的間接接觸防護(hù)的保護(hù)電器應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器或過電流保護(hù)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(shí)，應(yīng)由過電流保護(hù)電器或剩余電流保護(hù)器切斷故障回路，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

●IT 系統(tǒng)不配出中性導(dǎo)體時(shí)，保護(hù)電器動(dòng)作特性應(yīng)符合式（1）要求：

●當(dāng)IT 系統(tǒng)配出中性導(dǎo)體時(shí)，保護(hù)電器動(dòng)作特性應(yīng)符合式(2)要求：

式中：Zc為包括相導(dǎo)體和保護(hù)導(dǎo)體的故障回路的阻抗，Ω；Zd為包括相導(dǎo)體、中性導(dǎo)體、保護(hù)導(dǎo)體故障回路的阻抗，Ω；Ic為保證保護(hù)電器在GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.2.23 規(guī)定的時(shí)間或其他回路允許的5 s 內(nèi)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(dòng)作保護(hù)裝置安裝與運(yùn)行》和GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》的差異主要體現(xiàn)在剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置是否必須裝設(shè)，GB 13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝與運(yùn)行》要求必須裝設(shè)，而GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)情況確定是否裝設(shè)。

GB 13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝與運(yùn)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(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的機(jī)泵（一、二級(jí)負(fù)荷）配電回路并不適宜裝設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置。例如某工程中天然氣增壓站的電驅(qū)壓縮機(jī)，作為天然氣氣田集輸系統(tǒng)的動(dòng)力源，屬生產(chǎn)用的電氣設(shè)備，其供電連續(xù)性要求較高，若配電回路裝設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)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(guān)跳閘，切斷電機(jī)配電回路，引起大面積停產(chǎn)，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；又如某LNG液化廠的消防泵，用電負(fù)荷等級(jí)高，因長(zhǎng)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(shí)引起開關(guān)跳閘，切斷配電回路，則不能正常使用，影響火災(zāi)搶險(xiǎn)。

2.3 實(shí)際運(yùn)用情況分析

GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定間接接觸防護(hù)可選擇過電流保護(hù)電器或剩余電流保護(hù)電器，其可操作性較大，也較合理，在這里根據(jù)系統(tǒng)的不同接地型式進(jìn)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(hù)，當(dāng)其動(dòng)作特性不滿足靈敏度和切斷故障回路的時(shí)間要求時(shí)，應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置作專門接地故障保護(hù)。

斷路器動(dòng)作靈敏度的判定可在具體工程中計(jì)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(jì)算成果表，水泵回路末端發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地故障電流Id=190 A，根據(jù)圖2 水泵回路斷路器參數(shù)為D10 A/3 P，可計(jì)算瞬時(shí)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(shè)計(jì)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(hù)電器可兼作間接接觸防護(hù)電器。同時(shí)該工程水泵回路還可采取放大末端配電線路導(dǎo)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(jì)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(dòng)作保護(hù)裝置作專門接地故障保護(hù)。經(jīng)計(jì)算接地故障電流滿足靈敏度要求時(shí)，仍可采用過電流保護(hù)電器兼作間接接觸防護(hù)電器。

IT 系統(tǒng)發(fā)生第一次單相接地故障時(shí)，故障電流為非故障相對(duì)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(dòng)作。IT 系統(tǒng)發(fā)生第二次單相接地故障時(shí)，將發(fā)展成為兩相接地短路故障，短路電流較大，用電設(shè)備外露可導(dǎo)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(hù)電器或剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置作接地故障保護(hù)；用電設(shè)備外露可導(dǎo)電部分若采用單獨(dú)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(dòng)作保護(hù)裝置作接地故障保護(hù)。

根據(jù)GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)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(zāi)，建筑物配電系統(tǒng)宜裝設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置。對(duì)于住宅或中小型建筑，其配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，正常對(duì)地泄露電流較小，可在配電設(shè)備總電源進(jìn)線端設(shè)置剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置。大型建筑配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，正常對(duì)地泄露電流不易確定，影響剩余動(dòng)作電流整定值的確定，因此推薦在各樓層配電箱進(jìn)線端設(shè)置剩余電流動(dòng)作保護(hù)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(hù)電器兼作間接接觸防護(hù)電器。

3 局限性

剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置所檢測(cè)的是單相或三相相線和中性線的電流矢量和，在實(shí)際運(yùn)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(dú)設(shè)置PE 線。

b）對(duì)直接、間接電擊防護(hù)和電氣火災(zāi)防護(hù)都有較高的靈敏度，靈敏度高會(huì)有一定負(fù)面影響，當(dāng)N 線受干擾或中線流過反向雜散電流時(shí)，可能誤動(dòng)或拒動(dòng)，設(shè)計(jì)中宜關(guān)注。

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

4 裝置選用

剩余電流動(dòng)作保護(hù)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(dòng)作保護(hù)裝置的零序電流互感器的二次回路輸出電壓不經(jīng)任何放大，直接激勵(lì)剩余電流脫扣器，其動(dòng)作功能與線路電壓無關(guān)； 電子式剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置零序電流互感器的二次回路和脫扣器之間接入一個(gè)電子放大線路，互感器二次回路的輸出電壓經(jīng)過電子線路放大后再激勵(lì)剩余電流脫扣器，其動(dòng)作功能與線路電壓有關(guān)。

電子式剩余電流動(dòng)作保護(hù)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(dòng)和拒動(dòng)。某工程戶外路燈配電回路使用了電子式剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置，雷雨季節(jié)開關(guān)頻繁跳閘，造成路燈停電，影響正常使用，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)造成開關(guān)誤動(dòng)的原因：一是放大元件質(zhì)量較差，雷雨天時(shí)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(dòng)作保護(hù)裝置是靠所在回路的故障殘壓提供能量來驅(qū)動(dòng)剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置動(dòng)作，如果殘壓過低能量不足，剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置就可能拒動(dòng)。因此電子式剩余電流動(dòng)作保護(hù)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(dòng)作電流主要由電擊對(duì)人體的危害程度確定，電流強(qiáng)度越大，危險(xiǎn)越大。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第三版)［5］和《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》(下冊(cè))［6］所提供數(shù)據(jù)，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(shí)間內(nèi)危及生命的最小電流稱為心室纖維性顫動(dòng)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(dòng)作電流、動(dòng)作時(shí)間等主要參數(shù)的整定值非常重要。

a）額定剩余動(dòng)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(shè)備應(yīng)選用額定剩余動(dòng)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(dòng)作電流不宜大于30 mA，動(dòng)作特性宜為瞬時(shí)動(dòng)作型。

b）室外局部TT 系統(tǒng)可根據(jù)配電回路實(shí)際泄漏電流綜合確定，但不應(yīng)超過100 mA，動(dòng)作特性宜為瞬時(shí)動(dòng)作型。

c）用于配電線路保護(hù)而設(shè)置的剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置，應(yīng)考慮級(jí)間配合，其額定剩余動(dòng)作電流整定值宜為100 ～500 mA，動(dòng)作特性應(yīng)具備選擇性，宜為延時(shí)動(dòng)作型，延時(shí)時(shí)間為0.2～0.4 s。

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

6 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合工程中用電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況，GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置使用規(guī)定相對(duì)合理，推薦優(yōu)先執(zhí)行。關(guān)于剩余電流動(dòng)作裝置類型推薦優(yōu)先選用電磁式。剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置額定剩余動(dòng)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(jié)合各自行業(yè)特點(diǎn)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(dòng)作電流可參考選用100 mA，若選用30 mA，因燈具防護(hù)性能不高則易漏電跳閘。

［1］GB 13955-2005 ，剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝與運(yùn)行 ［S］.GB 13955-2005，Installation and Operation of Residual Current Operated Protective Devices ［S］.

［2］GB 50054-2011，低壓配電設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和實(shí)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(qiáng),接地裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(shè)計(jì)研究院. 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè) (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(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì), 鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))［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.