应用低压漏电保护技术必要性分析

随着生产发展和人民生活水平的不断提高，安全用电问题愈来愈突出。目前安全用电水平高的国家，约每耗电20亿度触电死亡1人；安全用电水平底的国家每耗电1亿度触电死亡1人，据调查结果表明：触电事故主要集中发生在380/220V低压系统中，低压触电死亡率大约占总数的67%，我国85%的触电死亡事故发生在县级以下的单位和安全家庭中，15%发生在城市。造成低压系统触电事故的原因很多，但缺乏安全用电常识和供电保护措施不完善是造成事故的基本原因。下面就我国日益普遍应用的漏电保护技术及我国现行低压保护存在的问题作一点分析。
一、安全电流和安全电压
正常男子在触电后能摆脱的最小电流值为9毫安，正常女子触电后能摆脱的最小电流值为6毫安。目前国内外一致认为工频电流30毫安不仅是动物能够忍受的极限值，而且也是在低压回路触电时人体能够忍受的极限值。人触电使心室颤动而死亡，其原因是由通过人体的电流大小和持续时间两个因素决定的。目前各国都采用了德意志联邦共和国和国坎爱本提出的50毫安秒，引起心室颤动的电流值与触电时间的乘积再乘以0.6的安全系数即30毫安秒作为实用的安全电流的临界值。电流大小对人体的影响下表。
触电电流
(毫安) 触电的反应
交 流 电 直 流 电
0.6～1.5 开始时微微发抖有麻刺 没有感觉
2～3 有强烈发麻感 无感觉
5～7 手肌肉有痉挛现象 有刺痛和灼热
8～10 触电部位摆脱电源较难，并有剧痛感 触电部位感灼热更高，肌肉稍有收缩
20～25 触电部位迅速麻痹，自己无法摆脱电源，剧痛，呼吸困难 触电部位感灼热更高，触电部位肌肉收缩
50～80 呼吸肌麻痹，心室开始颤动(或心脏跳动很微弱) 感觉剧烈地发热，触电部位肌肉收缩
90～100 呼吸停止，当连续3秒钟时心脏麻痹或停止跳动 呼吸难，呼吸麻痹

对应于30毫安的安全电压为50伏，我国规定的安全电压在没有高度危险的环境下是65伏，在有高度危险的环境下是36伏，特别危险的环境下是12伏。从避免心室颤动的观点出发，国际电工委员会及一些国家规定安全电流、安全电压与通过时间关系见表2、表3。
表2
感觉持续
时间(秒) 流经人体的允许电流(毫安)
国际电工委员会 法国标准 美国标准 设计暂规
0.02 343 300 227 －
0.05 210 （200） 163 －
0.1 110 （100） 500
0.15 77 60 70 －
0.2 60 （50） 62 250
0.3 43 40 46 －
0.5 30 （37） 32 100
1 20 30 20 50
3 14 － 9 6
5 12 － 6 6
注：括号内的数值是用插入法取得的。
表3
感觉持续
时间(秒) 流经人体的允许接触电压（伏）
国际电工委员会 法国标准 西德标准 设计暂规
0.03 280 280 － －
0.05 220 220 ＞1000 －
0.1 150 － 750 500
0.2 110 110 380 250
0.5 90 － 150 100
1 75 50 80 50
3 ≤50 25 65 36


表3中西德标准是指电压1000伏以上设备而言。
二、我国现行低压保护存在的问题
目前我国低压配电系统保护主要采用接地保护和接零保护，但这两种保护都不能很可靠地确保安全，在某种情况下还存在着超出全监界值的隐患。现分析如下：
先分析在三相四线奕坟器中性点直接接地的电网中，采用接地（TT）保护情况。


图1电器设备采用接地保护后，发生单相短路故障时，其故障电流为：

式中：ro——工作接地电阻
rD——保护接地电阻
rR——人体电阻
通常ro＝4欧姆，rD＝4欧姆，rR＝1000欧姆
则
此时人体承受的电压为：

通过人体的电流为：

由此可见，电器设备对地电压及～单相短路通过人体电流均超出安全值。我国规程规定采用自动开关作保护装置的线路，要求事故电流大于其整定电流的1.5～2倍；采用熔断器作保护装置的线路，要求事故电流大于其额定熔丝电流的4倍。也即当低压配电线路自动开关脱扣器整定值大于27.5/1.5～2＝13.8～18.4安或熔断器熔丝电流大于27.55/4＝6.89安时，发生单相接地事故，金属外壳将较长时间呈现危险电压，此时人体接触电器设备金属外壳就有触电死亡危险。
同理，在有重复接地的接零保护(见图2)。当电器设备发生单相短路故障时，设备对地电压UD，其大小为：

式中流入地中的电流
rc——重复接地电阻
ro——接地电阻
rR——人体电阻
Uo——零线上的电压降
当rR 、rc 、rR可以忽略不计


一般情况下，零线导线能力不应低于相线导电能力的二分之一即 ，式中Zx为相线阻抗，ZN为零线阻抗。
所以：
人体接触电压
中性点位移电压
通过人体电流为
上述分析可知，接零保护系统发生单相事故时，其设备外壳对地电压和通过人体的电流都超出安全临界值，特别是零线断开时，发生接地故障，其设备外壳地电压


如果此时人体位于潮湿的混凝土地面上，并触及金属设备外壳此时通过人体的电流为：


式中：rL——潮湿混凝土地流散电阻，这电流值大大超出安全电流。
还有一种情况(见图3)，低压导线绝缘发生破损时，破损的电线与金属构件构成相线对地短路，设短路点相线对地过度电阻为7欧，并忽略线路阻抗，则相线对地短路电流


这时进线配电箱接地母线上电压

这电压值沿保护PE线至各用电设备金属外壳上，会对人身安全造成很大威胁。
综上所述，我国现行接地及接零保护系统存在以下几个问题：
1、相线碰壳时，发生单相接地故障，自动开关及熔断器动作时间过长，人体触及外壳有危险。
2、相线碰壳时，中性点电位偏移，影响其他用电设备。
3、相线经过过渡电流接地时，零线电压使接零设备外壳电位升高，对人体有危险。
4、接零保护系统，零线折断时，接零外壳呈现相电压。
5、如果自动开关脱扣器整定电流大于14安或熔丝电流大于6.9安，当发生单相碰壳接地时，接地保护系统可能不动作。
6、不能监视电器设备绝缘状况。
三、漏电保护技术的应用
为了解决自动开关及熔断器在低压配电系统中保护的不足，漏电保护技术在近几年得到了很快发展，在应用中发挥很大作用，大大的提高了低压供配电系统的可靠性、安全性。
(一)漏电关开分类
漏电保护开关在我国起步要晚些，但发展很快，很多方面借鉴了国外的一些制造技术及分类方法，目前大体上分电磁式和电子式两大类型。电磁式又分电磁电压和电磁电流两类。电子式也分电子电压和电子电流两类。有的国家根据漏电开关动作灵敏度和反应时限又进行分类。例如：日本漏电开关的主要类型有：
1、高灵敏度、中灵敏度和低灵敏度漏电开关。高灵敏度型漏电开关的额定漏电动作电流为5、10、15、30毫安；中灵敏度型为50、100、200、500、1000毫安；低灵敏度型为3、5、10、20安。
2、高速型、延时型和反时限漏电开关。
高速型漏电开关在额定漏电动作电流下的动作时间小于0.1秒；延时型为0.2～2秒，在1.4倍额定漏电动作电流下为0.1～0.5秒，在4.4倍额定漏电动作电流下小于0.05秒。
每种漏电开关都是上述两种类型组合。所以有高灵敏度高速型。中灵敏度高速型、中灵敏度延时型。这种开关的使用场合及作用见下表。

类型 作用 备注
高灵敏度
高速型 防止一般设备漏电引起触电事故。
在有蒸气及潮湿场所防止触电事故。
在设备接地效果不太好的地方防止触电事故，防止漏电引起的火灾 动作电流为5毫安的，应用于电动工具等单位设备的保护。
动作电流为15、30毫安的，适用于分支回路的保护。
动作电流为30毫安的，适用于小规模住宅回路的安全保护。
中灵敏度高速型 容量较大设备回路的漏电保护。
在设备的电线导管，并且管子用作接地时，防止漏电引起的触电事故。
防止漏电引起的火灾。 提高设备接地保护的效果。
中灵敏度
延时型 设备回路的全面漏电保护。
与高速型漏电开关配合，使接地保护更加完善。
防止漏电引起的火灾。 作为干线的全面保护。
为了防止触电事故，在分支回路里装设高灵敏度高速型漏电开关。

目前，我国漏电开关型式及品种还不够全，往往受额定电流、级差配合要求等因素影响，使用面不够广。还有待于进一步开发各种不同规格的产品满足用户要求。
(二)漏电开关应用注意的几个问题
1、漏电开关适用低压系统范围。
漏电开关适用于电源中性点直接接地或经电阻、电抗接地的低压配电系统。对于电源中性点不接地系统及隔离变压器的次级线路不宜采用漏电保护器。漏电开关用于接地保护(TT)最适合。对于接零保护仅用于TN——S系统。鉴于我国目前大多数漏电开关的极限分断能力低，额定电流在60安以下的漏电开关极限分断能力在1500～5000安。在设备碰壳构成单相接地短路时较大的单相短路电流有可能损坏漏电开关的主触头及其检测互感嚣的碰特性。而接地保护系统，在保护动作灵敏度及安全电压的前提下，允许有较大的接地电阻，使其相短路电流不超过漏电开关的极限分断能力。
2、使用漏电开关对保护电器接地电阻的要求。
根据国际电工委员会规定，使用漏电开关时，所保护的电气设备接地电阻必须满足下式：

式中：rD——电气设备金属外壳接地电阻(欧)
UA——安全电压，正常环境为50伏
高速危险环境为24伏
I△ｎ——漏电开关额定漏电动作电流(毫安)
由上式可知，I△ｎ与rD正常环境下，与的对应关系见下表

I△ｎ(毫安) 15 30 50 100 200 500 1000
rD(欧) 3333 16666 1000 500 250 100 50

3、漏电开关的分级保护
漏电开关保护跟其他保护器一样，大体上可分三级保护。第一级保护漏电开关装在电源总配电房；第二级装在用户进户线的配电箱上；第三级一般装在负荷端(可一个或多个用电设备配用一个保护器)。
漏电开关在分级保护时，其上、下级漏电开关选择在保护时限配合上要结合以下几点综合考虑：
(1)第一级漏电开关保护应躲过低压电网不平衡漏电电流。根据日本“电气设备技术标准”第14条规：低压线路导线的绝缘部分与大地之间的绝缘电阻必须保证在使用电压下的泄漏电流大于工作电流的二千分之一。即
允许漏电电流
式中Ig——线路最大工作电流(安)
此外，第一级保护漏电开关动作值不能大于线路发生单相接地短路电流。例如,低压供电系统中最大接地电阻为500欧时，其接地电流大约为440毫安。则第一级漏电开关整定动作值应小于440毫安。
(2)第二级保护的漏电开关整定电流动作值的一半应大于第三级漏电开关整定电流动作值。并且其动作返回时间应大于第三级漏电开关断开时间。若采用定时限漏开关，其整定值也可稍大于或等于第三级漏电开关整定值。
(3)第三级保护的漏电开关一般用于住宅、工厂和办公室场所末端负荷，其动作电流需要根据所处的工作环境，触电危险程度等因素确定。一般都彩高灵敏度快速型或中灵敏度快速型漏电开关现着重分析在正常环境下，普通住宅漏电开关漏电动作电流值。绝缘低压导线产生漏电一方面是导线对大地有分布电容，对地产生电容电流；另一方面是在工作电压下有绝缘电阻存在，产生一定的泄漏电流。我国民用住宅内部绝大部分都是采用2.5平方毫米的养料绝缘导线，经测量每米可能产生泄漏电流大约为36微安，若用户有50米的配电线正常泄漏电流为2毫安左右，再加上家用电器设备的漏电，总的漏电电流在3～8毫安，对一般家庭一户使用的动作电流可选15毫安的高灵敏度快速型动作漏电开关。对有使用电热设备的用户，因电热设备泄漏电流一般在1.8～20毫安左右，根据IEC（国际电工委员会）规定的电流安全值，可选动作电流为30毫安，动作时间小于0.1秒的漏电开关。照明和插座可供用一个漏电开关；也可照明和插座分开，漏电开关仅接于插座回路，照明另用熔断器保护，这样可避免漏电开关误动作或损坏时影响正常照明。
从上述分析可知，采用分级保护有以下优点:
1、提高了供电可靠性；
2、避免越级跳闸，减小停电范围；
3、提高了低压电网对地绝缘电阻水平，减小了不平稳漏电电流并缩小了漏电动作电流整定值，扩大了保护范围。