知识点：接地故障保护

前言：本文以接地故障保护为题，而不用剩余电流保护为题，是因为用不用剩余电流原理都是间接接触保护的重要方法。但在文中势必提及剩余电流保护电器的其他用途，如 IEC 标准中的直接接触保护的辅助保护问题。因此本文的题目严格讲是接地故障保护和剩余电流保护问题。

 

（一）接地故障保护的各种方法

安装接地故障保护电器，以便在电气设备外壳出现危险电压时切断电源，是现在国际标准中保证使用电气设备者的人身安全的间接接触保护中的一种主要方法。因此是电气工程设计工程师和产品制造厂都非常重视的问题。

接地故障保护有许多方法，但其中有一些并不常用，甚至有些好象已被人们遗忘。因此需要在此略加说明。

从大的方面看，实现接地故障保护有两种方法。一是不利用剩余保护原理的方法，一是利用剩余电流原理的方法。简述如后。

1.1  不用剩余电流原理的接地故障保护方法

1.1.1  利用短路保护作接地故障保护

TT 系统中的接地故障保护对于大多数线路必须使用剩余电流保护器，不存在利用短路保护作接地故障保护的问题。

TN 系统中相线保护线短路电流大，大部分配电线路和末端线路可以利用短路保护作接地故障保护。按 IEC 现行标准，在利用短路保护作接地故障保护不能满足要求时，首先推荐用辅助等电位联接补救，但也可采用剩余电流保护器补救。因此，TN 系统中采用剩余电流保护器应该是较少的（见附录一）。

1.1.2  在变电所中测量流入变压器中性线的电流，来间接反映整个变电所范围的接地电流，并在其达到一定数值时使开关动作。这种方法目前使用不多。如进一步区分，还有两种不同方式。

1.1.2.1测量变电所中流入变压器中性线的全部电流来间接反映接地故障电流，并在其达到一定数值时使开关动作。

用此种方法时，其动作电流的整定值必须明显大于变压器的中性线的可能使用的最大电流，因此其灵敏度不高。

1.1.2.2  测量变电所中流入变压器中性线电流中由保护线总干线来的那部分电流，并在其达到一定数值时使开关动作。

用此种方法时，其动作电流的整定值可以不受变压器的中性线的可能使用的最大电流的限制，整定电流不必明显大于变压器的中性线的可能使用的最大电流，因而可以根据需要确定，故其灵敏度可以较高。

1.2.用剩余电流原理的接地故障保护方法

用剩余电流原理的接地故障保护方法，是在保护开关中设置测量剩余电流值的测量元件，以实现接地保护功能。这种接地故障保护电器可以安装在任何一个线路的首端，故得到广泛使用。这种接地故障保护有两种具体方法，即设置有剩余电流互感器，和不设置剩余电流互感器。

1.2.1                        设置剩余电流互感器，将所有带电导体（按 IEC 标准，中性线也是带电导体，故带电导体包括中性线）穿过该互感器，并将互感器的二次线圈中感应出的电压用于开关脱扣。这种产品的动作电流用电流数值表示。在这类产品中，又有两种具体脱扣方式。

1.2.1.1剩余电流互感器二次线圈可以直接使开关脱扣，即通常所说的“电磁式”。IEC 标准中 称“不依靠线路电压的剩余电流保护器”；

1.2.1.2剩余电流互感器二次线圈不能使开关脱扣，必须经过使用本身电源的放大器放大后，才能使开关脱扣，即通常所说的“电子式”。IEC 标准中称“依靠线路电压的剩余电流保护器”

1.2.2 不设置剩余电流互感器，由所有带电导体的各自的电流互感器的二次线圈电流的连接方法，取得剩余电流，用以使开关脱扣。这种接地故障保护电器的动作电流一般是用开关额定电流的百分数而不是用电流数值表示的。

显然，这种用剩余电流原理而不设置剩余电流互感器的接地故障保护开关，理论上也同样会有两种具体脱扣方式。即：各带电导体的电流互感器二次侧所形成的剩余电流能直接使开关脱扣，和该剩余电流不能直接使开关脱扣。虽然估计多数此类开关是电流互感器二次侧所形成的剩余电流能直接使开关脱扣的，即不依靠线路电压的。但由于在这个问题上，开关的国际标准未作明确规定，未排除依靠线路电压的方法，甚至从个别开关产品的技术说明书的文字看起来很象是依靠线路电压的依靠线路电压的，以至目前世界各国的此类开关实际上有无依靠线路电压的和不依靠线路电压的两种产品，也难以肯定，因此本文不能冒然对此类开关也区分为 1.2.2.1（不依靠线路电压）和 1.2.2.2（依靠线路电压）两类。

 

1.3 用剩余电流原理的电器用于非接地故障保护

用剩余电流原理的剩余电流保护电器的剩余动作电流不大于 30mA 时，其产品还可以用于直接接触保护的辅助保护。这在有些特殊场所中还是相当重要的。用于此种目的的剩余电流保护电器的保护对象是人，其故障电流在毫安级，故其某些要求有其特点，件附录五。

 

（二）目前中国有关接地故障保护电器的产品国家标准

目前中国有关接地故障保护的电器的产品国家标准，是不大正常的。例如上述第一条中 1.2.1条中的那类产品，虽然现在已出版 GB16916 和 13917 标准，现在老 GB6829 仍在继续执行，并未宣布废除，市场上仍在继续销售。再者目前中国有关接地故障保护的电器产品国家标准中，没有完全等同采用国际标准。例如 GB16917 称为等同采用 IEC1009，但在其中加入了 IEC 原文没有的重要内容，实际并不等同。现在的 GB14048.2 断路器标准，虽称为等效采用 IEC947-2，但其中没有 947-2 的第 5 部分和附录 B 两大部分的重要内容，实际并不等效。而讲过多日的要出版的新的等同采用国际标准 IEC947－2、包括附录 B 的新断路器标准，至今尚未见到。

目前中国有关接地故障保护的电器的国家标准概况如后。 

2.1前条中的 1.1.2 的产品

现在中国没有专门的国家标准和产品。但这并没有甚麽大问题。这些方法可以用户自己采用已有的产品自行设计解决。

2.2前条中的 1.2.1 的产品

同时有 GB2629 和GB19916及 GB16917。

 2.3前条中的 1.2.2 的产品

现在市场上实际上有这种产品，但已出版断路器标准中没有此种产品的标准，故严格讲现在没有这种产品的标准。

 

（三）目前中国市场上接地故障保护用的产品

因现有许多外国公司在中国设厂生产，因此计入外国公司时，目前第一条中的所有各种产品，中国市场上都有。

 

（四）接地故障保护的工程设计和所需产品存在的几个重要问题

接地故障保护的工程设计和所需产品，目前存在一些不容忽视的重要问题。这些问题必须着重提出来，以便引起有关各方重视。

 

4.1选择剩余电流保护器的应有条件没有全部执行

在选择有剩余电流互感器的剩余电流保护器（本文 1.2.1的各产品）时，现在大家已注意到检查其短路电流耐受能力等条件。但它的接地短路电流耐受能力，则普遍被忽视。接地短路电流耐受能力在标准中也已经提到（标准中称“额定剩余接通和分断能力”），但标准的重大错误是没有把它明确肯定地列入“向用户提供的资料”那部分中（见附录二）。以至中国厂家的、包括外国的大多数厂家的产品资料中，普遍遗漏此项目，使设计人无法将它和它所安装的地点的单相对地短路电流相比较，从而判断它是否可以用到它将要安装的地方。这是今后设计时必须注意的问题。今后必须要求制造厂提供此项资料，这样我们才能确定它是否适于用到它将要使用的地方。不能提供此项目的产品我们当然不能采用。

4.2 对剩余电流保护器的误动作问题重视不够

本文第一条中 1.2.1 中的高灵敏度的产品，保护对象如果较多，线路漏电流和用电设备漏电流之和就会接近剩余电流保护器的最大不动作电流，产生误动作。剩余电流保护器的最大不动作电流很小。额定动作电流 30mA 的产品只有 15 mA，用电设备稍多，或其中一个设备的漏电流较大，就很容易发生误动作。这点已被多年的运行经验所证实。因此一般不宜由一个剩余动作保护器保护多个设备和插座。还应看到：由于多路插座连接器的普遍使用， 一个插座往往实际上是几个插座。因此今后选择剩余电流保护器时不能只考虑它的作用，还要考虑它的不利的一面。尤其是用于用户的总开关的剩余电流保护器，如果所连接的插座过多，在很多用户中将出现误动作问题。

减少剩余电流保护器保护对象的数量问题，直接牵涉到按标准哪些插座必须用剩余电流保护器保护。按照现行的 IEC 标准，规定插座要用剩余电流保护器保护的，主要是那些

IEC 标准中称为“特殊装置或场所”的地方。因此，除 TT 系统的绝大多数线路的间接接触保护必须使用剩余电流保护器外，并未规定其他系统中一般场所广泛使用剩余电流保护器。（见附录一）

4.3按中国标准或 IEC1008 或 1009标准生产的产品不能用于隔离

本文第一条中 1.2.1 中的各产品，包括按现行中国标准和按 IEC1008 或 1009标准生产的产品。虽标准中自称适用于隔离。但标准的本文中并未按 GB14048.1 或 IEC947－1 规定的隔离电器必须满足的要求。GB14048.1 或 IEC947－1 是所有低压电器的共性标准，因此不能认为不符合该标准隔离要求的产品符合隔离要求，用这种产品作为整个电气装置的进线开关（例如一个家庭的电气设备的总开关）时，为保证检修时的安全，是应该符合隔离要求的。不符合隔离要求的开关只能作为整个装置中的一个回路的开关，而不能作为一个家庭的总开关。（见附录三）

4.4按IEC947－2 附录 B 生产的带短路保护功能的断路器的选用

因已发布的中国标准没有 IEC947－2 附录B，按该标准生产的带接地故障保护功能的断路器，目前很多是外国厂商在中国的厂家所生产的产品。但由于 947－2 对于带接地故障保护功能的断路器只用一个附录来编写，即使是IEC 标准也难免有些实际上需要的内容并未写入，以至国外有名的厂家的产品也会存在问题。（见附录四）

4.4.1 IEC947－2 附录B 的适用范围是包有剩余电流互感器和没有剩余电流互感器两种产品的。但它没有明确规定有剩余电流互感器的产品需要向用户提供它的接地短路电流耐受能力，以至大多数国外厂家在中国的产品也没有提供此项技术数据。因此，和前面的 4.1 条的中国产品一样，无法确定它的使用条件。

4.4.2 按 IIEC947－2 的附录 B，其适用范围是很大的。小至毫安级的产品。大至6300A 的大开关，全部适用。它也包括了依靠线路电压和不依靠线路电压两种产品。但该标准中没有要求用户要指明其产品的类别。因此，尽管从技术上看，大电流的开关其操作电源一般可以是不依靠线路电压的，但厂家的技术资料中没有明确说明，而且从其全部技术资料的字里行间里也很难找出明确的结论，甚至个别产品的技术资料中，有些地方看起来很象是依靠线路电压的。由于产品是否依靠线路电压对用户十分重要，用户对此有所疑虑是理所当然的。

4.5 按现行IEC 标准，依靠依靠线路电压的剩余电流保护器不符合要求

按照中国已经批准发布的等同采用 IEC364－5－53 标准GB16895.4 ，在 TN 系统中采用依靠线路电压的剩余电流保护器是不符合要求的（见附录五）。但此问题现在IEC 已提出修改草案。而且由于问题比较复杂，对该草案各国争议很大，故修改后将是甚麽情况现在还难以预料。因此，虽然按规定现在应该严格执行已批准发布的国家标准，但该标准现在是否严格执行，只能由有关管理部门考虑。

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附录一

现行国际电工委员会（IEC）工程建设标准（TC64）中有关一般场所中接地故障保护采用剩余电流保护器的要求

（1）一般环境中供手握设备的末端线路和上级配电线路的间接接触保护护要求IEC364-4-41 的 413.1.3.5：

在配电回路中，按惯例为 5 秒的切断时间是允许的。

 

364-4-41 的413.1.1.1（对各种系统的末端线路的保护的普遍要求）:

间接接触保护电器应自动切断回路或设备的供电，使回路或设备发生带电导体与外露可导电部分或保护导体之间的的故障时，交流 50V 以上、无波纹直流 120V 以上的预期接触电压的持续时间，不致使同时接触到可接近导体的人出现有害的病理生理效应的危险。

 

364-4-41 的 413.1.4.2 （对 TT 系统的要求）：应满足以下条件：

Ra×Ia≤50V

式中  Ra是外露可导电部分的接地电阻和保护导体电阻之和；

Ia是使保护电器自动动作的电流.当保护电器是剩余电流保护器时，Ia 是额定剩余动作电流IΔn。为选择性目的，可用 S 型剩余电流保护器与一般型剩余电流保护器串联使用。

 

364－4－41 的 413.1.3.3 （对 TN 系统的要求） 保护电器特性和回路阻抗应使装置内任何地方的相线与保护导体或外露可导电部分之间发生阻抗可忽略不计的故障时，将在规定的时间内切断供电。下述条件可满足此要求：

Zs×Ia≤U0

式中   Zs是故障回路阻抗，包括电源、电源到故障点之间的带电导体、以及故障点到电源之间的保护导体的阻抗。

Ia是使切断保护电器按表41A 规定的时间内,或在413.1.3.5 的情况下在不超过按惯例为 5 秒的时间内，自动动作的电流。

U0 是标称对地r.m.s 电压

（表 41A 中，U0是 220V 时为 0.4秒）

 

364-4-41 的413.1.3.6：

如果采用过电流保护不能满足413.1.3.3、413.1.3.4 和 413.1.3.5 条的要求，应采用413.1.2.2条规定的辅助等电位联结。也可以用剩余电流保护器保护。

 

364-4-41 的413.1.5.5 （对 IT 系统的要求）:

在发生第一次故障后又发生第二次故障时，切断供电的条件，决定于下面所述的所有的外露可导电部分是用一个保护导体互连起来（共同接地），还是成组接地或单独接地：

a)  当外露可导电部分是成组或单独接地时，保护条件除 413.1.4.1 条的第二段不适用外，按413.1.4 条对 TT 系统给出的要求。

b)当外露可导电部分是用一个保护导体互连起来的共同接地时，在符合413.1.5.6 条的条件下，413.1.3 条 TN 系统的条件适用。

 

（2）IEC364-4-42 “热效应保护”章，没有要求为防止火灾而装设剩余电流保护器的条款。

（3）现行 IEC 标准的第 7部分“特殊装置和场所所要求”中，有很多地方规定采用剩余电流保护器（其中有些是作为直接接触保护的辅助保护）。其它一般环境部分的标准，则没有看到关于插座要求用剩余电流保护器保护的条文。

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附录二

关于标准中的单相接地短路电流耐受能力的规定

 

IEC1009－1 的第 5 条RCBO 的特性中，5.2.7 条中有“额定剩余接通和分断能力”，但在第 6 条的“标志和其他产品数据”的m)项中称“如不同于短路能力时”才要求此项。在第9.12.13 条中也列入了此项试验，并规定试验后的一些要求。其中有试后仍能在 1.25 倍额定动作电流时能脱扣。可见有剩余电流互感器的产品是可能在进行此项之后发生特性变化的。但其特性变化不能超过 25％。也就是说 30mA 的断路器可能变成 37.5mA 动作。

额定剩余接通和分断能力为什么只在不同于短路能力时才需要提供给用户呢？难道是大部分产品的此数据都是与短路能力一样吗？实践证明，经过对地短路试验后的开关确实要发生特性变化。决不是大部分产品的额定剩余接通和分断能力与短路能力一样。

应该说此标准现有的条文对产品所提的要求是不算太严酷的。但如果确实按此标准进行了考核，还是不错的。问题是因标准本身内容存在缺点，看起来很多厂家没有进行这个试验，因此实际情况是不管额定剩余接通和分断能力是不是不同于短路能力，都不提供对地短路耐受电流。特别奇怪的是：监督标准执行情况的部门为什么也没有过问此事。

 

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附录三

IEC947－1 关于用于隔离的电器的要求

 

中国国标 GB14048－1 的 7.1.3.1.2 有对用于隔离的电器的特殊要求。但在剩余电流保护器产品标准中未得到执行。按GB14048－1 的 7.1.3.1.2 条的规定，具有隔离功能的电器的要求中有“断开触头间的隔离气隙上的规定的冲击耐受电压” 的要求，而剩余电流保护器未要求此项断开触头间的冲击耐压试验。故关于隔离电器的要求没有在剩余电流保护器的标准中执行。IEC 标准也一样，IEC947－1 的标准在 IEC1008、1009 标准中没有满足。因此不论中国的还是外国的剩余电流保护器都不能用于隔离。

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附录四

IEC947－附录 B 存在的问题和一些建议

 

IEC947－2 附录B 存在的根本问题，是它想用一个文字很少的附录解决带接地故障保护的断路器的问题。但带接地故障保护的断路器是一种与常规断路器有相当大区别的产品。如果想只用一个附录解决，也要与断路器标准的其他部分逐条核查，凡有必要的地方，都要按它的特点加以补充，才不会发生遗漏。

 

（1）附录 B 适用范围很广，又没有按它适用范围中不同范围的产品分别叙述，以至出现一些问题。例如分类问题，不可能将TC23E 的小剩余电流保护器的分类办法完全照搬。如果 TC17也想生产象 TC23E 的小剩余电流保护器，那就把那部分的分类基本上与 1008和 1009 一样。而 200A 以上的带接地故障保护的大电流产品的分类则未必与其相同。

（2）用 TC17 的断路器组装的带接地故障保护的产品，是否适用于家用和类似用途，也是必须明确的。如考虑可以适合于家用，按规定家用时只能用动作电流不可调的断路器，制造带接地故障保护的断路器。这应该写入标准中。

但我认为这问题很有必要研究。因为现在的 10008 和 10098的产品，虽然为家用时的安全规定了动作电流不可调，但工程设计部门的工程师选用时也有一定不便之处。有无可能制造最后用户（家庭）为不可调而订货时可指定动作电流值的产品？

（3）1008 和 1009 存在的缺点可以消除。例如，如也想生产有剩余电流互感的产品，接地短路电流耐受能力就明确列入向用户提供的技术资料中。

（4）象 1008 和 1009一样，分类必须有是否依靠线路电压。并应明确列入向用户提供的技术资料中。

（5）超过 200A（或经计算其他合适的值）的产品，理论上可以制造不依靠线路电压的产品，因此可以在标准中规定多大的开关不生产依靠线路电压的产品。

 

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附录五

在 TN 系统中采用依靠线路电压的剩余电流保护器不符要求的说明

 

（1）IEC1009 的第 4 条关于按动作方法分类的条文:

4.1   按动作方法分类

注：各种型式的选择按 IEC364-5-53

4.1.1功能不依靠线路电压的 RCBO

4.1.2功能依靠线路电压的 RCBO

4.1.2.1线路电压失效时（failureofthelinevoltage）有或无延时自动断开

a)  线路电压恢复后自动再合

b)  线路电压恢复后不自动再合

4.1.2.2  线路电压失效时不自动断开

a)  线路电压失效时出现危险（由于接地故障）能脱扣（要求在考虑中）

b)  线路电压失效时出现危险（由于接地故障）不能脱扣注：b)款 RCBO 选择按 IEC-5-53 的 532.2.2.2 条的条件”

（本文作者按：此注中所提到的 532.2.2.2，因 IEC364-5-53 的编号修改而编号修改为531.2.2.2 ）

 （2）已批准发布的等同采用 IEC 标准的 GB16895.4 的 531.2.2.2 条的规定：

531.2.2.2  只有满足下列两个条件之一时，才允许采用在辅助电源失效情况下不自动动作的带辅助电源的剩余电流保护器:

---即使在辅助电源失效的情况下，仍能满足364-4-41 的 413.1 条的要求

---电气装置中的保护电器由专职人员（BA4）或熟练人员（BA5） 运行操作、试验和检查。”

 

（3）分析

按照上述 GB14895.4 的 532.2.2.2 条的要求中的第二个“─”的要求，因剩余电流保护器是用于家用或类似用途的。家用或类似用途时，当然电气装置中的保护电器不是由专职人员或熟练人员运行操作试验和检查的。故不可能符合第二个“─”的要求，

按照上述 GB14895.4 的 532.2.2.2 条的要求中的第一个“─”的要求，由于相线或中性线断线时能动作的剩余电流保护器尚未生产出来（理论上是可以生产的），故不能符合此条件。而且即使可以不考虑断线，在相线和保护线短路时，只有在TT 系统中或用于直接接地保护的辅助保护时可以不致出现太大的电压降低。TN 系统中，相线和保护线短路时短路电流可以达到很大的值，在有些情况下辅助电源也很可能失效，因此难以满足接地故障保护的要求。

现在有人想把依靠线路电压的剩余电流保护器扩大使用到任何地方，认为依靠线路电压的剩余电流保护器（甚至不论其额定电压多少），如果能在85V 时保证动作，就可以用于任何系统。这引起很大争议，现在 IECTC64 正在讨论中。

上面已经提到，用于 TT 系统的接地故障保护，或用于其他系统的直接接地保护的辅助保护的剩余电流保护电器，单相对地短路电流很小，除导线断线可能导致其不能动作外，因单相对地短路时电流很小，引起的线路电压降不大，并不需要采取降低产品的最大动作电压的方法来维持其动作能力。

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