说说RCD那些事

RCD的用途

RCD是剩余电流动作保护装置的英文名称Residual current protective devices的缩写，是一种“漏电”保护装置，且广泛地用于低压配电系统中。RCD主要用来对危险的并且可能致命的电击故障提供防护，以及对持续接地故障电流引起的火灾危险提供防护。

低压配电系统的电击防护分为两类：故障防护（间接接触）和基本防护（直接接触）。RCD保护电器的主要功能或基本功能是提供故障防护，也就是说RCD用来防止电气装置可触及的金属部件上持续的危险电压，这些接地的金属部件原本不带危险电位，但在发生接地故障后“变成”带电，这是因为接地故障电流较小，无法让保护电器的过电流保护动作所致。

当其他基本防护（直接接触）措施失效或使用者疏忽时，额定剩余动作电流I _Δn ≤ 30 mA的RCD可作为基本防护（直接接触）的附加防护，但不能单独作为基本防护（直接接触）措施。

对于无特别要求的民用及工厂建筑，接地系统通常为TN - S类型，其故障防护（间接接触）是采用自动切断电源防护措施，以防止由于电气设备绝缘损坏发生接地故障时，设备的外露可导电部分带危险电位而产生有害影响或电气设备损坏事故。电路发生绝缘损坏造成接地故障，当接地故障电流值小于过电流保护装置的动作电流值时，会自动切断电源实施保护。由于接地故障的类型多样、过电流保护电器的品质参差不齐以及诸多的人为因素，造成过电流保护电器的动作特性不能满足Z _S I _a ≤ U ₀ 的规定实施保护。为此，TN系统的故障防护除采用过电流保护电器自动切断电源外，还要实施附加防护措施：即设置RCD及实施保护等电位联结。

如若采用TT系统，其故障防护（间接接触）保护电器的动作特性要求为R _a I _a ≤ 50 V。当采用32 A熔断器作为过电流保护电器，为满足R _a I _a ≤ 50 V要求，则要求接地电阻为0.5 Ω，用电负荷越大，要求的接地电阻越小，实际施工中实在难以满足。所以TT系统不同于TN系统，是推荐RCD作为防电击保护电器，通常是设计带剩余电流保护功能的断路器。当TT系统用于RCD防电击时，如景观照明的电源回路是设计带I _Δn ≤ 30 mA剩余电流保护功能的断路器，此时负荷侧的电阻值R _a 只需为1 666 Ω；TT系统的RCD仅用于防电气火灾，如设计在山坡、岩石地质的住宅建筑，计及与第二级（或称下一级）防火灾RCD的配合，电源侧处设计的第一级RCD其I _Δn 可选为1 A，R _a 要求为50 Ω，实际工程是比较容易实现的。

RCD分类

> > > >   按极数分类

RCD按极数可分为：单极、二极、三极和四极。

> > > >   按调节剩余电流延时功能分类

RCD的动作特性由其剩余动作电流和相应的分断时间来描述，通常其动作特性可分为2种型式：

a. 一般型（无延时）剩余电流保护电器（RCD）。

这是无人为故意延时的剩余电流保护器，主要作为分支线路和终端线路的保护用。有人将一般型即无延时型的RCD称为瞬动型，似不妥。

表1是AC型和A型RCCB交流剩余电流（有效值）的分断时间和不驱动时间的限值。

从表1可知，对于一般型的RCD，即常用于末端（如插座回路的RCD），只有在 ≥ 5I _Δn 时分断时间为0.04 s，才可以说是瞬动。

b. 有延时的剩余电流保护电器（RCD）。

具有选择性的S型或延时型剩余电流保护器，这是专门设计的对应于某一剩余动作电流值，能达到一个预定的极限不驱动时间的剩余电流保护器。延时型RCD只适用于I _Δn ＞ 30 mA的剩余电流保护器，主要作为主干线或分支线的保护电器，可以与终端线路的保护电器配合，达到选择保护的要求。

在民用建筑设计中，S型开关属于有延时的剩余电流保护电器（RCD），多用于电气火灾事故的防范，例如用在住宅的电度表箱中。

GB 50054 - 2011《低压配电设计规范》第6.4.3条规定：“为减少接地故障引起的电气火灾危险而装设的剩余电流监测或保护电器，其动作电流不应大于300 mA；当动作于切断电源时，应断开回路的所有带电导体。”

电气火灾在整个火灾事故中约占30 % 左右。其大部分是由于电气短路或接地故障造成的绝缘老化而引起的。在电气事故中，相间短路或相与N线间的短路或金属性的接地故障，由于短路电流较大，可通过其设置的过电流保护或短路保护装置来保护。当接地故障回路具有较高的电阻或电弧性接地故障时，故障电流较小，过电流保护电器如断路器、熔断器等就无法排除故障，此时可采用RCD防止电气火灾。

> > > >   按动作电流特性分类

根据剩余电流含有直流分量时的不同动作特性，剩余电流保护装置RCD按动作电流特性可分为：AC型、A型、F型和B型。

a. AC型剩余电流保护装置。

对突然施加或缓慢上升的剩余正弦交流电流能确保脱扣的剩余电流保护装置。家庭用的RCD，选用AC型即可。AC型剩余电流保护装置的标志符号：

b. A型剩余电流保护装置。

对突然施加或缓慢上升的剩余正弦交流电流、脉动直流剩余电流、脉动直6流剩余电流叠加6 mA的平滑直流电流时能确保脱扣的剩余电流保护装置。计算机房、通信系统的UPS电源设备的供电系统中有大量的脉动直流分量，由于AC型检测不到剩余脉动直流电流，只能由A型RCD来解决。A型剩余电流保护装置的标志符号：

c. F型剩余电流保护装置。

除了能如A型剩余电流保护装置那样脱扣外，由相线和中性线或者相线和接地的中间导体供电的电路产生的复合剩余电流、脉动直流剩余电流叠加10 mA的平滑直流电流时能确保脱扣的剩余电流保护装置。F型剩余电流保护装置的标志符号：

d. B型剩余电流保护装置。

除了能如F型剩余电流保护装置那样脱扣外，对1 000 Hz及以下正弦交流电流、交流剩余电流叠加0.4倍 I _Δn 或10 mA的平滑直流电流时能确保脱扣的剩余电流保护装置。B型剩余电流保护装置的标志符号：

> > > >   按剩余电流装置动作功能与电源电压的关系分类

按剩余电流装置动作功能与电源电压的关系可分为：电磁式及电子式（详见下文“电磁式RCD及电子式RCD"章节）。

为什么人体心室纤维颤动阈值是30 mA

图1是电流路径为左手到双脚的交流电流（15 ～ 100 Hz）对人效应的约定时间 / 电流区域，表2是图1的时间 / 电流区域说明。

在直接接触电击中，流过人体的电流取决于人体内部电阻和站立地点的接触电阻。当人体赤脚站在潮湿地上时，可认为站立处的接触电阻近于零，此时流过人体的电流取决于人体的电阻。研究表明人体电阻主要决定于接触部位皮肤状态及电流通过的途径，例如当接触电压为220 V，电流流经的途径是从左手至脚或左手到右手，测量结果表明，在最恶劣条件下，人体电阻可大于1 000 Ω，此时的电流可达220 mA左右。如果回路中设计了I _Δn = 30 mA的RCD，从表1可知RCD的动作时间为0.04 s，即40 ms内动作；由图1可知，其时间 - 电流对应的A点落在AC - 3区域内；从表2可知，这一区域一般不会产生人体器官损伤，在短时间内脱离电源也不会发生心室纤维性颤动，一般情况下不会发生电击伤亡事故。

图2是将额定剩余动作电流10 mA和30 mA的一般型（无延时）剩余电流保护电器的脱扣动作时间-电流特性曲线带放置在图1上的图形。

从图2可以看到，上述两个脱扣器时间-电流特性曲线带大部分位于区域AC - 2，一小部分位于区域AC - 3，因此不会发生致命的电击事故。也就是说，这两种RCD在发生电击时不会发生致命的电击危险事故；而使用大于30 mA的RCD时其时间 - 电流曲线会在AC - 4区域，有可能发生电击伤亡事故。

在上世纪，美国学者达尔基尔认为，触电的危险程度与通过人体的电气能量有关，他提出：

美国学者柯宾则认为，如果流过人体的电流很大，即使通电时间很短，也可能出现危险。反之，如若电流较小，通电时间稍长，也不见得出现危险。也就是说，电击是和电流与时间的乘积有关，其值为50 mA·s，即：

可知，当人体内通过100 mA的电流，通电时间若小于0.5 s（如在0.4 s时切断电源），人可以获救；如果在1 s时才切断电源，人则很难脱险。从图1可以看到，通过100 mA的电流、0.4 s切除电源，人的效应是在AC - 3区域，此电流若在1 s切除，则处于AC - 4.2区域，其危险程度不言而喻。

图3是上世纪日本电器协会标准JEAG 8101 - 1971《低压电路保护指南》根据达尔基尔及柯宾理论绘制的心室颤动电流（工频，有效值）和通电时间的极限图。

防电击的保护电器产品，不仅在发生电击事故时能防止死亡，还应能充分保证人身安全，对柯宾提出的 B曲线需要考虑适当的安全系数。显然，安全系数取得过大，在正常工作时，会因正常的泄漏电流造成保护电器的频繁误动作，所以通常对B曲线考虑1.67的安全系数，如图3中的C曲线。这时，电流与时间的乘积不再是50 mA·s，而是30 mA·s，即：

许多国家多选用 C曲线作为实用的允许电流和时间的乘积，并广泛用于工程实际。

工程设计中RCD的应用

工程设计中，在选择RCD的额定剩余动作电流I _Δn 时，为了可靠安全以及高的灵敏度，以为该值越小越好，其实不然，这是因为忽略了I _Δn0 （额定剩余不动作电流）及I _x （设备及线缆在正常运行时的最大泄漏电流）。

I _Δn0 是RCD在规定条件下不动作的剩余电流。I _Δn0 的优选值为0.5I _Δn ，如果采用其他值时，应大于0.5I _Δn 。通常，对于I _Δn = 30 mA的RCD，其额定剩余不动作电流I _Δn0 = 0.5 I _Δn = 0.5 × 30 mA = 15 mA。

请教厂家得知：对于I _Δn = 30 mA的RCD，当其剩余电流大于30 mA时，RCD一定动作；当其剩余电流小于15 mA时，RCD一定不动作；当剩余电流在15 ～ 30 mA区间内，RCD可能动作，也可能不动作，均属于正常状态。有些厂家常自诩能制造I _Δn = 25 mA的RCD的原因大约在于此。

在我国，关于各类设备及线缆正常泄漏电流的数据很少，目前常用的几组数据如下：计算机，1 ~ 2 mA；打印机，0.5 ~ 1 mA；小型移动式电器，0.5 ~ 0.75 mA；电传复印机，0.5 ~ 1 mA；复印机，0.5 ~ 1.5 mA。

通常，额定剩余不动作电流I _Δn0 应大于被保护回路的正常泄漏电流I _x ，且留有一定的裕量，以适应日后配电回路绝缘电阻的降低、用电设备增加以及气候变化等因素造成的泄漏电流增大。由于I _Δn = 30 mA的RCD动作范围是（0.5 ~ 1）I _Δn ，在设计中应尽可能控制RCD保护回路内设备的数量，建议电路中固有的泄漏电流不要超过额定频率下RCD的0.3I _Δn ，即不超过0.3 × 30 = 9 mA。

由于泄漏电流随环境条件和线路额定电流不断变化，测量和估算泄漏电流比较麻烦。为了便于选用RCD，推荐采用下列简化的经验公式进行估算：

a. 对于照明和居民单相用电回路：

b. 对于三相三线制动力线路或三相四线制动力照明混合线路：

从图2可知，选用I _Δn = 10 mA的RCD其所处保护区域比I _Δn = 30 mA的RCD的保护区域更安全，但在考虑电气设备正常泄漏电流后，为了保证RCD的正常工作（不要经常误动作），防人身电击安全的RCD其I _Δn 仍为30 mA。

有些场所，如医院的病患者，由于其身体虚弱或其他原因，身体难于动弹，也不能流畅地表达自身的感受，一旦被电击，比健康人更危险，因此某些医用电气设备采用RCD作为防电击措施时，偶尔也会选用I _Δn = 10 mA的RCD产品。

表3是德国DIN VDE 0100系列标准在不同使用场所对选择剩余电流保护电器的要求，供参考。

电磁式RCD及电子式RCD

剩余电流动作保护电气装置根据动作功能与电源电压的关系可以分为电磁式及电子式两类。

被保护的电气线路发生接地故障时，剩余电流互感器二次回路会输出一个感应信号，该输出信号的功率较小，一般小于1 mVA。如果将该信号直接驱动剩余电流脱扣器动作，需要脱扣器具有很高的动作灵敏度。一般可以采用释放式脱扣器，其动作灵敏度可达微伏安级。但这种剩余电流脱扣器结构复杂，工艺要求较高，成本也较高。它在执行剩余电流保护功能时不需要工作电源，称为动作功能与电源电压无关的剩余电流保护电器（装置），也常称为电磁式剩余电流保护电器（装置），详图4（a）。

互感器二次回路的输出信号也可以通过一个电子放大器放大后施加到脱扣器上，因此对脱扣器的灵敏度要求较低，常采用拍合式或螺管式电磁铁，结构简单、工艺要求较低，成本也较低，详图4（b）。称它为动作功能与电源电压有关的剩余电流保护电器（装置），也常称为电子式剩余电流保护电器（装置）。

综上可知，电磁式RCD是靠接地故障电流本身的能量使RCD动作；电子式RCD则借RCD所在回路处故障残压提供的能量来使RCD动作。如若失电电压或故障残压过低能量不足，RCD有可能拒动。此外，电子元件受外界影响较大，相比较而言，电磁式RCD较电子式动作可靠性高些。

由于电子式RCD需要线路残压提供能量来动作，对于配电电压为230 V的欧洲发达国家，多采用电磁式RCD。美国虽然采用TN系统，其供电给电击危险最大的手持式、移动式设备的插座回路电压为115 V，发生故障电击（间接接触）时的接触电压最大不超过50 V，即使采用电子式RCD人身安全仍可得到保证。我国插座回路电压为220 V，发生故障电击（间接接触）时的接触电压最大近90 V，如果又未实施等电位联结防护，只采用电子式RCD难以保证人身安全。

这里说说上述接触电压值的由来。

TN系统内发生接地故障后的预期接触电压Ut值可按下式估算 ：

在《建筑物电气装置600问》中列出了下列情况，值得设计人员注意：在TN系统中，电子式RCD距接地点过近时，有可能拒动。

TN系统发生相线碰设备金属外壳时（如图5所示），RCD处的故障残压为 ：

当RCD距故障设备很近，L′线和PE线甚短时，URCD甚小，小到一定值时，由于提供的能量过小，RCD无法动作即拒动。我国的RCD产品标准规定，当URCD小到50 V时（国际标准规定为85 V），电子式的RCD还应保证能动作，从而提高了电子式RCD的动作可靠性。由于电子式RCD与用电设备相距过近，时常会使RCD处的残压低于50 V，RCD则不动作，但人体接触电压不等于残压，有可能大于50 V，人身电击危险仍然存在。特别是像游泳池这样特别潮湿的电击危险场所，因为人的皮肤湿透，其人体电阻大大下降，大于12 V的接触电压即可发生电击事故，URCD大于或等于50 V才动作的电子式RCD是不能保证这种场所的人身安全的。

设计中，诸如医院、金融场所、数据中心、结算中心、重要的办公场所、大型游泳场馆及重要实验室等，在选用RCD时，应选用电磁式RCD为妥。

不论是电子式RCD还是电磁式RCD，其遵循的产品标准是一样的。这两种RCD的功能也是一样的，即主要是提供故障防护；当其他基本防护（直接接触）措施失效或使用者疏忽时，I _Δn ≤ 30 mA的RCD可作为基本防护（直接接触）的附加防护，但不能单独作为基本防护（直接接触）措施。

有些设计院在电气说明中要求：TN系统中，设置在插座回路的RCD最长切断时间不应超过0.4 s，其根据是GB 50054 - 2011《低压配电设计规范》第5.2.9条第2款。

先说说0.4 s的由来。从上面的计算可知，当U ₀ = 220 V时，预期接触电压U _t 为88 V。根据图6，在干燥环境条件下（图中曲线L1）允许最长切断时间t为0.45 s。

按现实通用的标准标称电压为230 V而非220 V，所以IEC标准取t值为0.4s ，为使国标与IEC标准一致，故国标也取此时间为0.4 s。如若标准电压为220 V，此预期接触电压 U _t 值略偏保守。

特别要提醒的是：上述讨论是对故障防护（间接接触）保护电器而言的切断时间，是不适用于基本防护（直接接触）的保护电器装置。

人在直接接触220 V带电导体时，切断电源最大允许时间为0.18 s，RCD制造标准规定（详表1）：当接地故障电流为0.25 A，RCD最大的分断时间为0.04 s。也就是说，即便人体误触带电导体，RCD是能确保人身安全的，这是一般保护电器做不到的。可知，RCD与仅用于故障防护（间接接触）的自动切断电源保护电器不一样，或者说RCD是能对故障防护（间接接触）及基本防护（直接接触）实施保护的“双护”电气保护装置，所以不能仅仅只以故障防护（间接接触）的动作时间0.4 s来要求RCD。

RCD与保护等电位联结

不论是电子式RCD或电磁式RCD，对电气线路或装置接地故障的防护都是十分有效的。然而，RCD并不是万能的。

其实，在上世纪人们就知道自动切断电源防护措施是不能完全有效地防止故障电击（间接接触），所以剩余电流保护装置（RCD）应运而生。这种防护措施的基本原理是基于克希霍夫第一定律，即电流流入同一节点之和为零。这样，剩余电流保护装置打破了TN和TT系统保护尽量减小接地故障回路阻抗和减小外露可导电部分的接地电阻与保护导体接地电阻之和的基本思想。

由于工作原理所限，在TN系统中RCD不能防止从PE线传来的“别处”故障电压引起的电击事故。浙江小女孩爬在未运行的电动门上玩耍、深圳一保安无意触及静止的电动门均遭电击，不幸身亡。经查，门卫处配电箱的RCD运行正常，并未发生过接地故障，恐怕都与TN系统内传导过来的危险电压有关啊！

TN系统中的各类保护电器如断路器、熔断器等会因各种原因拒动，无法实施保护，所以对自动切断防护措施要辅以附加防护以弥补其不足。这里所说的附加措施，一是接地的等电位联结，另一个则为采用RCD保护装置。

人体电击致死的危险程度取决于以下两个因素：一是通过人体电流的大小；二是人体通过电流时间的长短。接地的等电位联结的作用是降低接触电压，RCD则是缩短通电时间。在TN配电系统中，等电位联结与RCD作为自动切断电源的附加防护，两者各司其职，各尽其责；两者兼用，相辅相成。

所以，尽管设计采用了RCD，也应该设计接地的等电位联结。如果电动门设计了接地的等电位联结，上述的电动门事故是可以避免的。

顺便说一下，国家建筑标准设计图集15D502《等电位联结安装》第25页示出了“典型室外用电设备等电位联结示例”，对此有如下几点商榷（详图7） ：

a.由于是埋在地下，电位均衡线的材料应考虑防腐蚀，现为 - 25 × 4扁钢或Φ10圆钢似小了。

b.埋在地下的线材其截面不仅应考虑防腐蚀问题，其外表面还应有防腐蚀措施，现设计中连镀锌的要求都没有。

c.门卫室内应设电动门等电位联结箱，便于安全检查，确保人身安全。

还要说明的是，作为附加防护措施，等电位联结不能单独使用，一定要与自动切断电源防护一并使用。等电位联结能保护人身安全，但不能保护电气设备。