淺談剩餘電流動作保護器在接地係統中的應用

程瑜

韦德1946网址 上海嘉定 201801

【摘要】剩餘(yu) 電流動作保護器在不同的接地係統中有其適用性和嚴(yan) 格的接線方式，錯誤地選用剩餘(yu) 電流動作保護器或不規範地接線，會(hui) 使剩餘(yu) 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(cong) 剩餘(yu) 電流動作保護器工作原理出發，著重於(yu) 用電設備的電流矢量分析與(yu) 計算，闡述剩餘(yu) 電流動作保護器在低壓配電接地係統中的應用特性，定量地分析接地係統類型對剩餘(yu) 電流動作保護器工作的影響。電流矢量的分析方法為(wei) 剩餘(yu) 電流動作保護器的應用提供理論依據。

【關(guan) 鍵詞】剩餘(yu) 電流動作保護器；剩餘(yu) 電流互感器；電流矢量；接地係統

0引言

GB/T 6829—2017定義(yi) 剩餘(yu) 電流為(wei) 流過剩餘(yu) 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]。剩餘(yu) 電流動作保護器（residual currentoperated protective devices,RCD）在低壓供電係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，在各類不同接地製式的低壓電網係統中得到廣泛應用。

近年來，隨著經濟的迅猛發展，各種電氣設備在生產(chan) 和生活各個(ge) 領域中的應用越來越廣泛，人們(men) 與(yu) 電接觸的機會(hui) 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(shang) 亡的事件時有發生。為(wei) 了人身和設備安全，對RCD的使用要求越來越嚴(yan) 格。GB/T 16895.1—2008規定了各類接地製式的低壓電網係統[2]，各類接地係統的特點和RCD的工作原理限製了RCD在一些接地係統中的應用，且要求其接線方式有嚴(yan) 格的規範性。

1 RCD的基本工作原理

RCD一般由剩餘(yu) 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，剩餘(yu) 電流檢測模塊一般由剩餘(yu) 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後即穿過了剩餘(yu) 電流互感器，形成一次繞組；剩餘(yu) 電流互感器自帶的線圈形成二次繞組。正常工作時，線路中剩餘(yu) 電流為(wei) 零，即穿過剩餘(yu) 電流互感器的所有線路電流矢量和為(wei) 零[3-7]，有

式中，Iu、Iv、Iw、In、為(wei) 各相電流矢量。因此，在剩餘(yu) 電流互感器鐵心中產(chan) 生的磁通矢量和同樣為(wei) 零，故不會(hui) 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餘(yu) 電流，RCD不會(hui) 動作；當發生故障使線路中產(chan) 生正弦或脈動直流剩餘(yu) 電流時，即I_x0005_Δ≠0，在剩餘(yu) 電流互感器鐵心中產(chan) 生的磁通矢量和不為(wei) 零，此時會(hui) 在二次繞組感應出電流。當剩餘(yu) 電流在檢測範圍內(nei) 時，磁心工作在線性區，二次側(ce) 感應電流與(yu) 剩餘(yu) 電流大小成正比，該電流信號經過信號放大器後，在判別元件中與(yu) 設定的剩餘(yu) 電流動作標準值對比，當檢測到的剩餘(yu) 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(cong) 而起到漏電保護的作用。

由此可見，剩餘(yu) 電流互感器是整個(ge) RCD的核心部件，RCD能否起到漏電保護作用，取決(jue) 於(yu) 剩餘(yu) 電流互感器是否正常工作[8-9]。當線路中電流為(wei) 正弦型或脈動直流型、剩餘(yu) 電流互感器磁心未飽和且工作在線性區時，RCD動作與(yu) 否取決(jue) 於(yu) 穿過剩餘(yu) 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(yu) 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(jue) 於(yu) 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於(yu) RCD的應用至關(guan) 重要[10]。低壓供電網可提供單相和三相兩(liang) 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(wei) 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(wei) 單相供電負載接線示意圖，無論Z為(wei) 純阻性負載還是複阻抗負載，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(wei) 負載的相線與(yu) 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(wei) 零。

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(hui) 產(chan) 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(wei) 參考對象，根據KCL定律和歐姆定律可得

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

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(yu) 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(wei) 零。

2（b）中，中性點連接零線，構成中性線，此時相電壓Up與(yu) 線電壓Ul有固定的關(guan) 係，即Ul=3Up。線電壓Ul取決(jue) 於(yu) 電源係統，電源係統穩定則線電壓不會(hui) 改變，故Up不因各相負載的阻值大小而改變。線電流與(yu) 相電流大小相等，即Il p=I，若認為(wei) 三相負載電流由各相線流入，由中性線流出，取中性點為(wei) 參考對象，根據KCL定律可得

式中：Iu、Iv、Iw為(wei) 三相負載各相線電流矢量；In為(wei) 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(wei) 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(wei) 三角形聯結，分別取三根相線與(yu) 負載的連接點e、f、g作為(wei) 參考對象，根據KCL定律可得

3

式中：

Iu、Iv、Iw為(wei) 三相負載的線電流矢量；Iuv、Ivw、Iwu為(wei) 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(wei) 零，與(yu) 各相負載的阻值大小無關(guan) ，也與(yu) 三相負載是否平衡無關(guan) 。

3 RCD在接地係統中的應用

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

3.1 RCD在TT係統中的應用

RCD在TT係統中的應用示意圖如圖4所示。TT接地係統中，供電側(ce) 電源係統有一點直接接地，用電側(ce) 負載的外露可導電部分通過接地極接地。

安裝RCD時，相線與(yu) 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

式中，I_x0005_Δ為(wei) 穿過RCD的所有線路電流矢量和，也可稱作剩餘(yu) 電流。若相線或中性線與(yu) 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(yu) 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(ti) （當負載的外露可導電部分接地不良而人體(ti) 觸摸到時）產(chan) 生接地故障電流，也稱泄漏電流或剩餘(yu) 電流。結合式（5），此時該電流為(wei)

剩餘(yu) 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(hui) 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(ti) 觸碰負載的外露可導電部分而觸電，此時有

式（10）表明，僅(jin) 當三相負載對稱平衡時，有IΔ_x0005_=-In=0，RCD不會(hui) 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。現實中，當采用三相四線製供電時，眾(zhong) 多因素會(hui) 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(hui) 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(ti) 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於(yu) 零，RCD正常工作；若接地線PE有電流通過或人體(ti) 觸碰負載的外露可導電部分而觸電，則有

｜IΔ｜達到或超過RCD的額定值時，RCD動作切斷電源。式（11）表明，TT接地係統中采用三相三線製供電時可選用不帶中性極的RCD。

3.2 RCD在TN係統中的應用

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

圖5中負載帶中性線時，相線與(yu) 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(ti) 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(wei) 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(ti) 產(chan) 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(yu) 負載中性線一起接入RCD，如圖5中D所示，則有

式中，IPE為(wei) 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(hui) 動作；僅(jin) 當人體(ti) 觸碰到負載的外露可導電部分而產(chan) 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(hui) 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於(yu) 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接地係統中，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，並且將接地線PE接入了RCD的中性極，如圖5中F所示，則有

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(hui) 動作；僅(jin) 當人體(ti) 觸碰到負載的外露可導電部分而產(chan) 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(hui) 動作，這種情況也會(hui) 對用電負載造成極大的安全隱患。

3.3 RCD在IT係統中的應用

RCD在IT係統中的應用示意圖如圖6所示。

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

因供電側(ce) 電源係統與(yu) 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(ti) 對大地很難有電流產(chan) 生，由式（14）可知，流過RCD的電流矢量和恒為(wei) 零，RCD不會(hui) 動作，不能起到漏電保護的作用，故RCD在IT接地係統中不適用。

4安科瑞ASJ係列產(chan) 品介紹

安科瑞ASJ係列剩餘(yu) 電流動作繼電器和多回路剩餘(yu) 電流監測儀(yi) 可與(yu) 低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式剩餘(yu) 電流保護裝置，主要適用於(yu) 交流50Hz，額定電壓400V及以下的TT和TN係統配電線路，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係列剩餘(yu) 電流動作繼電器

ASJ60係列剩餘(yu) 電流監測儀(yi)

4.1功能介紹

ASJ10/20係列剩餘(yu) 電流動作繼電器具有以下功能：A型或者AC型剩餘(yu) 電流測量，剩餘(yu) 電流越限報警指示，額定剩餘(yu) 動作電流可設定，極限不驅動時間可設定，兩(liang) 組繼電器輸出，具有就地，遠程“測試”、“複位”功能；

ASJ60係列剩餘(yu) 電流監測儀(yi) 具有以下功能：16路剩餘(yu) 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。

4.2技術指標

4.3選用說明

剩餘(yu) 電流動作繼電器在應用時應注意低壓係統的接線型式。

采用ASJ。因為(wei) 當發生單相接地故障時，故障電流很小，且較難估計，達不到開關(guan) 的動作電流，外殼上將出現危險電壓。

TN-S係統

可采用ASJ。更快速靈敏切斷故障，以提高安全可靠性，此時PE線不得穿過互感器，N線穿互感器，且不得重複接地。

其餘(yu) 接線型式需要改造成以上兩(liang) 種型式使用，防止出線誤動作或者不動作的情況。剩餘(yu) 電流互感器的選擇應根據主回路的額定電流為(wei) 參考選擇，

實際應如圖所示，互感器安裝在主回路或者支路上，通過測量剩餘(yu) 電流判斷是否驅動斷路器動作。

ASJ10/20剩餘(yu) 電流繼電器典型應用

ASJ60剩餘(yu) 電流監測儀(yi) 典型應用

4.4注意事項

當采用剩餘(yu) 電流動作保護器（RCD）作為(wei) 電擊防護附加防護措施時，應符合下列規定：

額定剩餘(yu) 電流動作值不應大於(yu) 30mA；

額定電流不超過32A的下列回路應裝設剩餘(yu) 電流動作保護器（RCD）：

供一般人員使用的電源插座回路；

室內(nei) 移動電氣設備；

人員可觸及的室外電氣設備。

剩餘(yu) 電流動作保護器（RCD）不應作為(wei) 保護措施；

采用剩餘(yu) 電流動作保護器（RCD）時應裝設保護接地導體(ti) （PE）。

5結論

RCD是一種非常重要的用電保護電器，廣泛應用於(yu) 電網、工控箱、電氣設備控製係統等場所，保護人身安全和設備安全。本文基於(yu) 用電設備的電流矢量計算，闡述了RCD在交流低壓配電係統中的應用特性，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）、接地係統類型（TT係統、TN係統、IT係統）對RCD工作的影響。結合上述內(nei) 容可知，RCD適用於(yu) TT接地係統和TN接地係統，不適用於(yu) IT接地係統；但在TT係統和TN係統中，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），並進行正確接線，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(ti) 觸碰負載的外露可導電部分觸電（禁止非相關(guan) 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，以快速恢複正常用電。

隨著電網的發展及用電設備的更新換代，隻具備剩餘(yu) 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、剩餘(yu) 電流保護、隔離等功能融為(wei) 一體(ti) ，如帶剩餘(yu) 電流動作保護的塑殼斷路器（molded case circuit breaker,MCCB）、帶過電流保護的剩餘(yu) 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餘(yu) 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餘(yu) 電流動作保護模塊上與(yu) 文中的RCD原理是一致的。

參考文獻

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作者簡介：程瑜，韦德1946网址，主要從(cong) 事剩餘(yu) 電流動作保護器的研發與(yu) 應用