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淺談剩余電流動作保護(hù)器在接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

張穎姣 ? 來源:jf_33247005 ? 作者:jf_33247005 ? 2024-02-02 14:43 ? 次閱讀

淺談剩余電流動作保護(hù)器在接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

張穎姣

【摘要】剩余電流動作保護(hù)器在不同的接地系統(tǒng)中有其適用性和嚴(yán)格的接線方式,錯誤地選用剩余電流動作保護(hù)器或不規(guī)范地接線,會使剩余電流動作保護(hù)器誤動或拒動,甚至引起人身觸電和電氣火災(zāi)事故。從剩余電流動作保護(hù)器工作原理出發(fā),著重于用電設(shè)備的電流矢量分析與計算,闡述剩余電流動作保護(hù)器在低壓配電接地系統(tǒng)中的應(yīng)用特性,定量地分析接地系統(tǒng)類型對剩余電流動作保護(hù)器工作的影響。電流矢量的分析方法為剩余電流動作保護(hù)器的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】剩余電流動作保護(hù)器;剩余電流互感器;電流矢量;接地系統(tǒng)

0引言

GB/T 6829—2017定義剩余電流為流過剩余電流保護(hù)電器主回路的電流瞬時值的矢量和(用有效值表示)[1]。剩余電流動作保護(hù)器(residual currentoperated protective devices,RCD)在低壓供電系統(tǒng)中對人身觸電和漏電火災(zāi)等事故起到了有效的防護(hù)作用,在各類不同接地制式的低壓電網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,各種電氣設(shè)備在生產(chǎn)和生活各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛,人們與電接觸的機(jī)會越來越多,觸電的可能性越來越大,用電設(shè)備導(dǎo)致人員觸電傷亡的事件時有發(fā)生。為了人身和設(shè)備安全,對RCD的使用要求越來越嚴(yán)格。GB/T 16895.1—2008規(guī)定了各類接地制式的低壓電網(wǎng)系統(tǒng)[2],各類接地系統(tǒng)的特點和RCD的工作原理限制了RCD在一些接地系統(tǒng)中的應(yīng)用,且要求其接線方式有嚴(yán)格的規(guī)范性。

1 RCD的基本工作原理

RCD一般由剩余電流檢測模塊和斷路器組成,斷路器起接通、承載和分?jǐn)嚯娐返淖饔茫S嚯娏鳈z測模塊一般由剩余電流互感器、信號放大器、信號判別元件、脫扣執(zhí)行元件組成。負(fù)載線路接入RCD后即穿過了剩余電流互感器,形成一次繞組;剩余電流互感器自帶的線圈形成二次繞組。正常工作時,線路中剩余電流為零,即穿過剩余電流互感器的所有線路電流矢量和為零[3-7],有

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式中,Iu、Iv、Iw、In、為各相電流矢量。因此,在剩余電流互感器鐵心中產(chǎn)生的磁通矢量和同樣為零,故不會在二次繞組中感應(yīng)出電流,信號判別元件判斷線路中沒有剩余電流,RCD不會動作;當(dāng)發(fā)生故障使線路中產(chǎn)生正弦或脈動直流剩余電流時,即I_x0005_Δ≠0,在剩余電流互感器鐵心中產(chǎn)生的磁通矢量和不為零,此時會在二次繞組感應(yīng)出電流。當(dāng)剩余電流在檢測范圍內(nèi)時,磁心工作在線性區(qū),二次側(cè)感應(yīng)電流與剩余電流大小成正比,該電流信號經(jīng)過信號放大器后,在判別元件中與設(shè)定的剩余電流動作標(biāo)準(zhǔn)值對比,當(dāng)檢測到的剩余電流值超過設(shè)定值時,判別元件向執(zhí)行元件發(fā)出信號,執(zhí)行元件驅(qū)動斷路器動作,切斷電源,從而起到漏電保護(hù)的作用。

由此可見,剩余電流互感器是整個RCD的核心部件,RCD能否起到漏電保護(hù)作用,取決于剩余電流互感器是否正常工作[8-9]。當(dāng)線路中電流為正弦型或脈動直流型、剩余電流互感器磁心未飽和且工作在線性區(qū)時,RCD動作與否取決于穿過剩余電流互感器的所有線路電流矢量和的大小。

2用電負(fù)載的電流矢量分析與計算

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,取決于流經(jīng)其進(jìn)、出線端的電流矢量和,故用電負(fù)載的電流矢量分析對于RCD的應(yīng)用至關(guān)重要[10]。低壓供電網(wǎng)可提供單相和三相兩種供電方式,其中三相供電時根據(jù)負(fù)載的分布和接線方式可分為星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)。

2.1單相供電時負(fù)載的電流矢量

圖1為單相供電負(fù)載接線示意圖,無論Z為純阻性負(fù)載還是復(fù)阻抗負(fù)載,流經(jīng)負(fù)載Z的電流矢量如圖1所示,根據(jù)KCL定律可得

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式中,Il、In分別為負(fù)載的相線與中性線電流矢量。式(2)表明,無論負(fù)載Z的大小如何,在無電流泄漏的情況下,流經(jīng)負(fù)載的電流矢量和始終為零。

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2.2三相供電時負(fù)載的電流矢量

1)負(fù)載星形聯(lián)結(jié)時的電流矢量

三相供電負(fù)載星形聯(lián)結(jié)示意圖如圖2所示。負(fù)載星形聯(lián)結(jié)時,如果三相負(fù)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(fù)載異常導(dǎo)致三相負(fù)載不平衡的情況,此時會產(chǎn)生中性點漂移。圖2(a)中,設(shè)Z2 1=λZ,Z3 1=μZ,分別取a、b、c節(jié)點為參考對象,根據(jù)KCL定律和歐姆定律可得

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式中:Iu、Iv、Iw為三相負(fù)載各相線電流矢量;λ為阻值Z2與Z1之比;μ為阻值Z3與Z1之比。解析式(3)得

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特別地,當(dāng)λ=μ=1時,三相負(fù)載對稱平衡;當(dāng)λ≠μ時,三相負(fù)載不平衡,中性點發(fā)生漂移。結(jié)合式(3)、式(4)可知,無論三相負(fù)載平衡與否,式(4)總是成立,表明三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié)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零。

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2(b)中,中性點連接零線,構(gòu)成中性線,此時相電壓Up與線電壓Ul有固定的關(guān)系,即Ul=3Up。線電壓Ul取決于電源系統(tǒng),電源系統(tǒng)穩(wěn)定則線電壓不會改變,故Up不因各相負(fù)載的阻值大小而改變。線電流與相電流大小相等,即Il p=I,若認(rèn)為三相負(fù)載電流由各相線流入,由中性線流出,取中性點為參考對象,根據(jù)KCL定律可得

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式中:Iu、Iv、Iw為三相負(fù)載各相線電流矢量;In為中性線電流矢量。由式(5)可知,三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié)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零。

2)負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)時的電流矢量

三相供電負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)示意圖如圖3所示。圖3中負(fù)載為三角形聯(lián)結(jié),分別取三根相線與負(fù)載的連接點e、f、g作為參考對象,根據(jù)KCL定律可得

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式中:

Iu、Iv、Iw為三相負(fù)載的線電流矢量;Iuv、Ivw、Iwu為流經(jīng)三相負(fù)載Z1、Z2、Z3的相電流矢量。

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結(jié)合式(6)、式(7)可知,無論三相負(fù)載Z1、Z2、Z3的阻值大小如何,式(7)總是成立,表明負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)時,在無電流泄漏的情況下,各相線電流矢量和始終為零,與各相負(fù)載的阻值大小無關(guān),也與三相負(fù)載是否平衡無關(guān)。

3 RCD在接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

低壓配電網(wǎng)的接地系統(tǒng)分為TT、TN、IT三種,其中TN系統(tǒng)又分為TN-C、TN-S、TN-C-S三種。每種接地系統(tǒng)有各自的特點,因RCD的工作原理,其工作狀態(tài)與接地系統(tǒng)的類型和接線方式有關(guān),若應(yīng)用和接線方式有誤,RCD會拒動或誤動,從而引發(fā)安全事故[11-12]。

3.1 RCD在TT系統(tǒng)中的應(yīng)用

RCD在TT系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖4所示。TT接地系統(tǒng)中,供電側(cè)電源系統(tǒng)有一點直接接地,用電側(cè)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分通過接地極接地。

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安裝RCD時,相線與中性線全部接入RCD,且中性線連接在有明確標(biāo)識的中性極,如圖4(a)中A所示,結(jié)合式(5),此時有

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式中,I_x0005_Δ為穿過RCD的所有線路電流矢量和,也可稱作剩余電流。若相線或中性線與負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分因絕緣故障發(fā)生漏電,負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分與大地之間就存在電壓,進(jìn)而負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分通過接地線PE或人體(當(dāng)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分接地不良而人體觸摸到時)產(chǎn)生接地故障電流,也稱泄漏電流或剩余電流。結(jié)合式(5),此時該電流為

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剩余電流的大小視絕緣故障的程度而定,當(dāng)I_x0005_Δ達(dá)到或超過RCD額定值時,RCD會動作切斷電源,保護(hù)設(shè)備和人身安全。還有一種情況如圖4(a)中B所示,負(fù)載中性線未接入RCD,接地線PE無電流通過或無人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電,此時有

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式(10)表明,僅當(dāng)三相負(fù)載對稱平衡時,有IΔ_x0005_=-In=0,RCD不會動作;一旦負(fù)載不平衡,則有IΔ=-In≠0。若|IΔ|比較大,則RCD立即動作。現(xiàn)實中,當(dāng)采用三相四線制供電時,眾多因素會導(dǎo)致負(fù)載無法完全對稱平衡,進(jìn)而無法保證不平衡電流的大小,RCD會經(jīng)常誤動作而斷電,影響負(fù)載正常工作。4(b)中,負(fù)載無中性線,接地線PE無電流通過或無人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電,參考式(4)、式(7),所有相線電流矢量和恒等于零,RCD正常工作;若接地線PE有電流通過或人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電,則有

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|IΔ|達(dá)到或超過RCD的額定值時,RCD動作切斷電源。式(11)表明,TT接地系統(tǒng)中采用三相三線制供電時可選用不帶中性極的RCD。

3.2 RCD在TN系統(tǒng)中的應(yīng)用

TN接地系統(tǒng)有TN-C、TN-S、TN-C-S三種,這三種接地系統(tǒng)的本質(zhì)是一樣的,即供電側(cè)電源系統(tǒng)中性點接地,用電側(cè)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分接中性線,接地線PE與中性線N在電氣上相連。RCD在所有TN接地系統(tǒng)中的應(yīng)用原理是一樣的,為減少篇幅,此處以TN-C接地系統(tǒng)為例進(jìn)行分析說明。RCD在TN系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖5所示。

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圖5中負(fù)載帶中性線時,相線與中性線要全部接入RCD,且中性線連接在有明確標(biāo)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觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電,穿過RCD的所有線路電流矢量和為零,參考式(5)、式(8),RCD正常工作;異常情況下,接地線PE有電流通過或負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分通過人體產(chǎn)生接地故障電流,參考式(9),|IΔ|達(dá)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與負(fù)載中性線一起接入RCD,如圖5中D所示,則有

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式中,IPE為接地線PE中的電流矢量。由式(12)可知,當(dāng)接地線PE有電流通過時,RCD不會動作;僅當(dāng)人體觸碰到負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而產(chǎn)生接地故障電流且該電流大小達(dá)到或超過RCD的額定值時,RCD才會動作,這將給用電負(fù)載造成極大的安全隱患。圖5中負(fù)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于零,RCD正常工作;異常情況下,參考式(11),I_x0005_Δ達(dá)到或超過RCD的額定值時,RCD動作切斷電源。TN接地系統(tǒng)中,用電負(fù)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,并且將接地線PE接入了RCD的中性極,如圖5中F所示,則有

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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不會動作;僅當(dāng)人體觸碰到負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而產(chǎn)生接地故障電流且該電流大小達(dá)到或超過RCD額定值時,RCD才會動作,這種情況也會對用電負(fù)載造成極大的安全隱患。

3.3 RCD在IT系統(tǒng)中的應(yīng)用

RCD在IT系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖6所示。

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IT接地系統(tǒng)中,供電側(cè)電源系統(tǒng)所有帶電部分不接地或有一點通過高阻抗接地,用電側(cè)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分接地。IT接地系統(tǒng)是三相三線制供電,假如選用不帶中性極的RCD,結(jié)合式(4)、式(7),此時有

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因供電側(cè)電源系統(tǒng)與大地隔離,負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分對地電壓很低,接地線PE對大地、負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分經(jīng)人體對大地很難有電流產(chǎn)生,由式(14)可知,流過RCD的電流矢量和恒為零,RCD不會動作,不能起到漏電保護(hù)的作用,故RCD在IT接地系統(tǒng)中不適用。

4安科瑞ASJ系列產(chǎn)品介紹

安科瑞ASJ系列剩余電流動作繼電器和多回路剩余電流監(jiān)測儀可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式剩余電流保護(hù)裝置,主要適用于交流50Hz,額定電壓400V及以下的TT和TN系統(tǒng)配電線路,用來對電氣線路進(jìn)行接地故障保護(hù),防止接地故障電流引起的設(shè)備損壞和電氣火災(zāi)事故,也可用來對人身觸電危險提供間接接觸保護(hù)。

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ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器

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ASJ60系列剩余電流監(jiān)測儀

4.1功能介紹

ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器具有以下功能:A型或者AC型剩余電流測量,剩余電流越限報警指示,額定剩余動作電流可設(shè)定,極限不驅(qū)動時間可設(shè)定,兩組繼電器輸出,具有就地,遠(yuǎn)程“測試”、“復(fù)位”功能;

ASJ60系列剩余電流監(jiān)測儀具有以下功能:16路剩余電流監(jiān)測,1路預(yù)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(yuǎn)程通訊功能,遠(yuǎn)程分合閘功能。

審核編輯 黃宇

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    淺談剩余電流動作斷路鋼鐵廠供電系統(tǒng)改造的應(yīng)用

    ? 淺談剩余電流動作斷路鋼鐵廠供電系統(tǒng)改造的應(yīng)用 【摘要】 鋼鐵廠為了實現(xiàn)節(jié)能降碳、安全運
    的頭像 發(fā)表于 01-16 11:13 ?418次閱讀
    <b class='flag-5'>淺談</b><b class='flag-5'>剩余電流動作</b>斷路<b class='flag-5'>器</b><b class='flag-5'>在</b>鋼鐵廠供電<b class='flag-5'>系統(tǒng)</b>改造<b class='flag-5'>中</b>的應(yīng)用

    淺談剩余電流動作斷路鋼鐵廠供電系統(tǒng)改造的應(yīng)用

    【摘要】 鋼鐵廠為了實現(xiàn)節(jié)能降碳、安全運行,不斷升級改造現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備。針對鋼鐵廠改造剩余電流動作斷路的設(shè)計應(yīng)用方案進(jìn)行探討,解析了剩余電流動
    發(fā)表于 01-11 16:45

    淺談剩余電流動作保護(hù)器接地系統(tǒng)的應(yīng)用

    工作原理出發(fā),著重于用電設(shè)備的電流矢量分析與計算,闡述剩余電流動作保護(hù)器低壓配電接地系統(tǒng)的應(yīng)用特性,定量地分析
    發(fā)表于 01-11 16:39

    剩余電流測量排查路燈漏電隱患的應(yīng)用

    (RCD)不應(yīng)作為保護(hù)措施; 采用剩余電流動作保護(hù)器(RCD)時應(yīng)裝設(shè)保護(hù)接地導(dǎo)體(PE)。 6結(jié)束語 我們使用的這種快速檢測剩余電流的方法
    發(fā)表于 01-11 16:36

    淺談剩余電流動作繼電器的低壓配電系統(tǒng)的應(yīng)用

    由于電纜老化和施工的不規(guī)范造成線路和裝置的絕緣性能下 降,再加上原設(shè)計的載荷能力有限,而用電量逐年增加。剩余電流動作繼電器是有效的保護(hù)裝置。 河鋼宣鋼的電源系統(tǒng)的單臺變壓
    發(fā)表于 01-11 16:33

    淺談剩余電流動作保護(hù)器農(nóng)網(wǎng)的應(yīng)用

    安科瑞ASJ系列剩余電流動作繼電器和多回路剩余電流監(jiān)測儀可與低壓斷路或低壓接觸等組成組合式剩余電流
    的頭像 發(fā)表于 12-25 16:50 ?412次閱讀
    <b class='flag-5'>淺談</b><b class='flag-5'>剩余電流動作保護(hù)器</b><b class='flag-5'>在</b>農(nóng)網(wǎng)<b class='flag-5'>中</b>的應(yīng)用

    剩余電流保護(hù)器(RCD)配電系統(tǒng)的應(yīng)用

    剩余電流保護(hù)器(RCD)配電系統(tǒng)的應(yīng)用? 剩余電流保護(hù)器
    的頭像 發(fā)表于 12-25 15:55 ?1681次閱讀

    剩余電流動作時間要求是什么呢?

    剩余電流動作時間要求是什么呢? 剩余電流動作時間要求是指在電路存在著出現(xiàn)短路或接地故障時,電器設(shè)備的保護(hù)措施能夠及時地切斷電路的時間間隔。
    的頭像 發(fā)表于 12-25 15:12 ?747次閱讀
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