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剩余电流动作保护器在接地系统中的应用

更新时间:2024-01-03      点击次数:418

GB/T 68292017定义剩余电流为流过剩余电流保护电器主回路的电流瞬时值的矢量和(用有效值表示[1]。剩余电流动作保护器residual currentoperated protective devices,RCD)在低压供电系统中对人身触电和漏电火灾等事故起到了有效的防护作用,在各类不同接地制式的低压电网系统中得到广泛应用。

近年来,随着经济的迅猛发展,各种电气设备在生产和生活各个领域中的应用越来越广泛,人们与电接触的机会越来越多,触电的可能性越来越大,用电设备导致人员触电伤亡的事件时有发生。为了人身和设备安全,RCD的使用要求越来越严格GB/T 16895.12008规定了各类接地制式的低压电网系[2],各类接地系统的特点RCD的工作原理限制RCD在一些接地系统中的应用,且要求其接线方式有严格的规范性。

1 RCD的基本工作原理

RCD一般由剩余电流检测模块和断路器组成,断路器起接通、承载和分断电路的作用,剩余电流检测模块一般由剩余电流互感器、信号放大器、信号判别元件、脱扣执行元件组成。负载线路接RCD后即穿过了剩余电流互感器,形成一次绕组;剩余电流互感器自带的线圈形成二次绕组。正常工作时,线路中剩余电流为零,即穿过剩余电流互感器的所有线路电流矢量和为[3-7],有

img1 

式中IuIvIwIn、为各相电流矢量。因此,在剩余电流互感器铁心中产生的磁通矢量和同样为零,故不会在二次绕组中感应出电流,信号判别元件判断线路中没有剩余电流RCD不会动作;当发生故障使线路中产生正弦或脉动直流剩余电流时,I_x0005_Δ0,在剩余电流互感器铁心中产生的磁通矢量和不为零,此时会在二次绕组感应出电流。当剩余电流在检测范围内时,磁心工作在线性区,二次侧感应电流与剩余电流大小成正比,该电流信号经过信号放大器后,在判别元件中与设定的剩余电流动作标准值对比,当检测到的剩余电流值超过设定值时,判别元件向执行元件发出信号,执行元件驱动断路器动作,切断电源,从而起到漏电保护的作用。

由此可见,剩余电流互感器是整RCD的核心部件RCD能否起到漏电保护作用,取决于剩余电流互感器是否正常工[8-9]。当线路中电流为正弦型或脉动直流型、剩余电流互感器磁心未饱和且工作在线性区时RCD动作与否取决于穿过剩余电流互感器的所有线路电流矢量和的大小。

2用电负载的电流矢量分析与计算

RCD性能良好且不考虑电源类型及频率的情况下RCD能否正常工作,取决于流经其进、出线端的电流矢量和,故用电负载的电流矢量分析对RCD的应用至关重[10]。低压供电网可提供单相和三相两种供电方式,其中三相供电时根据负载的分布和接线方式可分为星形联结和三角形联结。

2.1单相供电时负载的电流矢量

1为单相供电负载接线示意图,无Z为纯阻性负载还是复阻抗负载,流经负Z的电流矢量如1所示,根KCL定律可得

img2 

式中IlIn分别为负载的相线与中性线电流矢量。式2)表明,无论负Z的大小如何,在无电流泄漏的情况下,流经负载的电流矢量和始终为零。

img3 

2.2三相供电时负载的电流矢量

1)负载星形联结时的电流矢量

三相供电负载星形联结示意图如2所示。负载星形联结时,如果三相负载对称平衡,可不需要中性线,如2a)所示。但是在2a)的情形下,存在负载异常导致三相负载不平衡的情况,此时会产生中性点漂移。2a)中,Z2 1=λZZ3 1=μZ,分别abc节点为参考对象,根KCL定律和欧姆定律可得

img4 

式中IuIvIw为三相负载各相线电流矢量λ为阻Z2Z1之比μ为阻Z3Z1之比。解析式3)得

img5 

特别地,λ=μ=1时,三相负载对称平衡;λ≠μ时,三相负载不平衡,中性点发生漂移。结合式3)、式4)可知,无论三相负载平衡与否,式4)总是成立,表明三相负载星形联结不带中性线时,在无电流泄漏的情况下,各相的线电流矢量和始终为零。

img6 

2b)中,中性点连接零线,构成中性线,此时相电Up与线电Ul有固定的关系,Ul=3Up。线电Ul取决于电源系统,电源系统稳定则线电压不会改变,Up不因各相负载的阻值大小而改变。线电流与相电流大小相等,Il p=I,若认为三相负载电流由各相线流入,由中性线流出,取中性点为参考对象,根KCL定律可得

img7 

式中IuIvIw为三相负载各相线电流矢量In为中性线电流矢量。由式5)可知,三相负载星形联结带中性线时,在无电流泄漏的情况下,所有相线加中性线的电流矢量和始终为零。

2)负载三角形联结时的电流矢量

三相供电负载三角形联结示意图如3所示。3中负载为三角形联结,分别取三根相线与负载的连接efg作为参考对象,根KCL定律可得

img8 

式中:

IuIvIw为三相负载的线电流矢量IuvIvwIwu为流经三相负Z1Z2Z3的相电流矢量。

img9 

结合式6)、式7)可知,无论三相负Z1Z2Z3的阻值大小如何,式7)总是成立,表明负载三角形联结时,在无电流泄漏的情况下,各相线电流矢量和始终为零,与各相负载的阻值大小无关,也与三相负载是否平衡无关。

3 RCD在接地系统中的应用

低压配电网的接地系统分TTTNIT三种,其TN系统又分TN-CTN-STN-C-S三种。每种接地系统有各自的特点,RCD的工作原理,其工作状态与接地系统的类型和接线方式有关,若应用和接线方式有误RCD会拒动或误动,从而引发安全事[11-12]

3.1 RCDTT系统中的应用

RCDTT系统中的应用示意图如4所示TT接地系统中,供电侧电源系统有一点直接接地,用电侧负载的外露可导电部分通过接地极接地。

img10 

img11 

RCD时,相线与中性线全部接RCD,且中性线连接在有明确标识的中性极,如4aA所示,结合式5),此时有

img12 

式中I_x0005_Δ为穿RCD的所有线路电流矢量和,也可称作剩余电流。若相线或中性线与负载的外露可导电部分因绝缘故障发生漏电,负载的外露可导电部分与大地之间就存在电压,进而负载的外露可导电部分通过接地线PE或人体(当负载的外露可导电部分接地不良而人体触摸到时)产生接地故障电流,也称泄漏电流或剩余电流。结合式5),此时该电流为

img13 

剩余电流的大小视绝缘故障的程度而定,I_x0005_Δ达到或超RCD额定值时RCD会动作切断电源,保护设备和人身安全。还有一种情况如4aB所示,负载中性线未接RCD,接地线PE无电流通过或无人体触碰负载的外露可导电部分而触电,此时有

img14 

10)表明,仅当三相负载对称平衡时,IΔ_x0005_=-In=0RCD不会动作;一旦负载不平衡,则IΔ=-In0。若IΔ|比较大,RCD立即动作。现实中,当采用三相四线制供电时,众多因素会导致负载无法对称平衡,进而无法保证不平衡电流的大小RCD会经常误动作而断电,影响负载正常工作4b)中,负载无中性线,接地线PE无电流通过或无人体触碰负载的外露可导电部分而触电,参考式4)、式7),所有相线电流矢量和恒等于零RCD正常工作;若接地线PE有电流通过或人体触碰负载的外露可导电部分而触电,则有

img15 

IΔ|达到或超RCD的额定值时RCD动作切断电源。式11)表明TT接地系统中采用三相三线制供电时可选用不带中性极RCD

3.2 RCDTN系统中的应用

TN接地系统TN-CTN-STN-C-S三种,这三种接地系统的本质是一样的,即供电侧电源系统中性点接地,用电侧负载的外露可导电部分接中性线,接地线PE与中性线N在电气上相连RCD在所TN接地系统中的应用原理是一样的,为减少篇幅,此处TN-C接地系统为例进行分析说明RCDTN系统中的应用示意图如5所示。

img16 

5中负载带中性线时,相线与中性线要全部接RCD,且中性线连接在有明确标识的中性极。正常情况下,如5C所示,接地线PE无电流通过或无人体触碰负载的外露可导电部分而触电,穿RCD的所有线路电流矢量和为零,参考式5)、式8RCD正常工作;异常情况下,接地线PE有电流通过或负载的外露可导电部分通过人体产生接地故障电流,参考式9),IΔ|达到或超RCD的额定值时RCD动作切断电源。但是,若错误地将接地线PE与负载中性线一起接RCD,如5D所示,则有

img17 

式中IPE为接地线PE中的电流矢量。由式12)可知,当接地线PE有电流通过时RCD不会动作;仅当人体触碰到负载的外露可导电部分而产生接地故障电流且该电流大小达到或超RCD的额定值时RCD才会动作,这将给用电负载造成极大的安全隐患。5中负载不带中性线时,正常情况下,如5E所示,参考式4)、式7),所有相线电流矢量和恒等于零RCD正常工作;异常情况下,参考式11I_x0005_Δ达到或超RCD的额定值时RCD动作切断电源TN接地系统中,用电负载不带中性线时可选用不带中性极RCD。但是,如果选用了带中性极RCD,并且将接地线PE接入RCD的中性极,如5F所示,则有

img18 

13)表明,无论接地线PE中有无电流通过,始终I_x0005_Δ=0RCD不会动作;仅当人体触碰到负载的外露可导电部分而产生接地故障电流且该电流大小达到或超RCD额定值时RCD才会动作,这种情况也会对用电负载造成极大的安全隐患。

3.3 RCDIT系统中的应用

RCDIT系统中的应用示意图如6所示。

img19 

IT接地系统中,供电侧电源系统所有带电部分不接地或有一点通过高阻抗接地,用电侧负载的外露可导电部分接地IT接地系统是三相三线制供电,假如选用不带中性极RCD,结合式4)、式7),此时有

img20 

因供电侧电源系统与大地隔离,负载的外露可导电部分对地电压很低,接地线PE对大地、负载的外露可导电部分经人体对大地很难有电流产生,由式14)可知,流RCD的电流矢量和恒为零RCD不会动作,不能起到漏电保护的作用,RCDIT接地系统中不适用。

4安科ASJ系列产品介绍

安科ASJ系列剩余电流动作继电器和多回路剩余电流监测仪可与低压断路器或低压接触器等组成组合式剩余电流保护装置,主要适用于交50Hz,额定电400V及以下TTTN系统配电线路,用来对电气线路进行接地故障保护,防止接地故障电流引起的设备损坏和电气火灾事故,也可用来对人身触电危险提供间接接触保护。

img21img22img23 

ASJ10/20系列剩余电流动作继电器

img24img25 

ASJ60系列剩余电流监测仪

4.1功能介绍

ASJ10/20系列剩余电流动作继电器具有以下功能A型或AC型剩余电流测量,剩余电流越限报警指示,额定剩余动作电流可设定,极限不驱动时间可设定,两组继电器输出,具有就地,远""功能;

ASJ60系列剩余电流监测仪具有以下功能16路剩余电流监测1路预警继电器输出16路报警继电器输出2DI输入,自动重合闸功能,远程通讯功能,远程分合闸功能。

4.2技术指标

ASJ10/20系列剩余电流动作继电器技术指标

项目

指标

AC

A

辅助电源

电压

AC110/220V±10%

AC/DC85~270V

 

功耗

<5W

<5W

 

输入

额定剩余动作

In

0.030.10.30.5(A)

0.030.050.10.30.51351030(A)

 

极限不驱动时t

0.10.5(s)

00.060.10.20.30.50.81410(s)

 

额定剩余不动作

Ino

50%In

50%In

动作特性

AC正弦交流电流

AC正弦交流电流、

脉动直流电流

频率

50Hz±5Hz

50Hz±5Hz

动作误差

-20% ~ -10%In

-20% ~ -10%In

输出

输出方式

一组常开、一组转换

一组常闭或常开、一组转换

触点容量

5A 250VAC

5A 30VDC

AL1:8A 250VAC; 5A 30VDC

AL2:6A 250VAC; 5A 30VDC

复位方式

就地、远程

就地、远程、自动

环境

工作温度

运行温度-20 ~ +55,存储温度-30 ~ +70

工作湿度

95%RH,不结露,无腐蚀性气体场所

海拔高度

2000m

污染等级

3

安装类别

ASJ60系列剩余电流监测仪技术指标

项目

指标

电源

电压范围

AC/DC85V~265V

*大功耗

10VA

输入

*大测量支路数

16

剩余电流测量范围

1mA~30A

额定剩余动作电In

1 mA ~30A连续可调

动作特性

AC正弦交流电流及脉动直流电流

频率

50Hz±5Hz

动作延时

0~10s可设

开关量

2路无源干接点输入

输出

输出方式

1路水浸报警继电器(常开)

16路剩余电流报警继电器(常开)

触点容量

AC 250V/3A DC 30V/3A

重合闸

次数

0~99连续可设

间隔时间

0~999秒连续可设

通讯

1

RS485通讯Modbus-RTU协议

2(可选)

4G无线通讯

环境要求

温度

工作温度-10~55,存储温度-30~70

湿度

95%,不结露

海拔

2500m

4.3选用说明

剩余电流动作继电器在应用时应注意低压系统的接线型式。

系统形式

系统接线

说明

TT系统

img26 

ASJ。因为当发生单相接地故障时,故障电流很小,且较难估计,达不到开关的动作电流,外壳上将出现危险电压。

TN-S系统

img27 

可采ASJ。更快速灵敏切断故障,以提高安全可靠性,此PE线不得穿过互感器N线穿互感器,且不得重复接地。

其余接线型式需要改造成以上两种型式使用,防止出线误动作或者不动作的情况。剩余电流互感器的选择应根据主回路的额定电流为参考选择,

型号

孔径

主回路额定电流

变比

AKH-0.66L45

45mm

80A

1A:1mA

AKH-0.66L80

80mm

250A

1A:1mA

AKH-0.66L100

100mm

400A

1A:1mA

AKH-0.66L150

150mm

630A

1A:1mA

AKH-0.66L200

200mm

1000A

1A:1mA

AKH-0.66L-260*100II

265*104mm

1000A

1A:1mA

实际应如图所示,互感器安装在主回路或者支路上,通过测量剩余电流判断是否驱动断路器动作。

img28 

ASJ10/20剩余电流继电器典型应用

img29 

ASJ60剩余电流监测仪典型应用

4.4注意事项

当采用剩余电流动作保护器RCD)作为电击防护附加防护措施时,应符合下列规定:

·       额定剩余电流动作值不应大30mA

·       额定电流不超32A的下列回路应装设剩余电流动作保护器RCD):

·       供一般人员使用的电源插座回路;

·       室内移动电气设备;

·       人员可触及的室外电气设备。

·       剩余电流动作保护器RCD)不应作为保护措施;

·       采用剩余电流动作保护器RCD)时应装设保护接地导体PE)。

5结论

RCD是一种非常重要的用电保护电器,广泛应用于电网、工控箱、电气设备控制系统等场所,保护人身安全和设备安全。本文基于用电设备的电流矢量计算,阐述RCD在交流低压配电系统中的应用特性,定性定量地分析了供电方式(单相、三相三线、三相四线)、负载接线方式(三角形联结、星形联结带中性线、星形联结不带中性线)、接地系统类型TT系统TN系统IT系统)RCD工作的影响。结合上述内容可知RCD适用TT接地系统TN接地系统,不适用IT接地系统;但TT系统TN系统中,还需要根据供电方式和负载接线方式选择合适RCD(带中性极、不带中性极),并进行正确接线,以起到漏电保护的作用。特别地,若4aB所示的情景忽略人体触碰负载的外露可导电部分触电(禁止非相关人员靠近),根据预期的不平衡电流选择合适额定值RCD,参考式10),可以RCD作三相不平衡保护。另外,根据电流矢量的分析方法,还可以排查RCD导致的电气故障,以快速恢复正常用电。

随着电网的发展及用电设备的更新换代,只具备剩余电流保护功能的保护器已经不能满足需求,现通常将过电流保护、剩余电流保护、隔离等功能融为一体,如带剩余电流动作保护的塑壳断路器molded case circuit breaker,MCCB)、带过电流保护的剩余电流动作断路器residual current operatedcircuit-breakers with integral overcurrent protection,RCBO)和不带过电流保护的剩余电流动作断路器residual current operated circuit-breakers withoutintegral overcurrent protection,RCCB)等,这些用电保护电器在剩余电流动作保护模块上与文中RCD原理是一致的。

参考文献

[1]剩余电流动作保护电(RCD)的一般要:GB/T68292017[S].:中国标准出版,2018.

[2]低压电气装置1:基本原则、一般特性评估和定:GB/T 16895.12008[S].:中国标准出版,2009.

[3].漏电断路器误动作故障分析及解决措[J].电气开,2018,56(4):94-96.

[4] ,邓谊,普朝鸿,王凌,文小.剩余电流动作保护器在接地系统中的应用分.

[5]安科瑞企业微电网设计与应用手.2022.06

 


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