剩余电流动作保护装置的应用
连理枝
摘 要 介绍了剩余电流动作保护装置的原理、种类、适用范围以及选用方法。举例说明由于接线错误导致误动作和拒绝动作的原因。
关键词 剩余电流动作保护器 适用范围
剩余电流动作保护装置(Residual Current Operated Protection Device，简称RCD)投入运行30年来，对避免人身触电和防止因漏电导致火灾等起到了很大的作用。随着用电量的成倍增长，特别是家用电器的普及，防止触电、漏电依然是供、用电部门重要工作内容之一。下面对RCD的工作原理、使用、安装等进行分析，谈谈RCD的应用。
1 三大类接地系统及其对RCD的适应性
1.1 IT接地系统
IT系统为中性点不接地或经一高电阻接地的系统，如图1所示。电气设备的外露导电部分通过保护线接地。IT系统一般用于要求高的用电场所。在发生单相接地故障时，接地电流很小，产生电火花的能量也很小。只是当一相接地(短路)，而人体又触及另一相时，由于单相接地使未接地两相电压升至接近线电压值，此时电流经人体流入大地又经短路接地的一相返回电网，流过人体的电流很大，足以致命。为此我国对矿井下或其他IT系统规定须装设RCD，而一般情况RCD的作用是：电气设备金属外壳因相线绝缘破损而带电，此电流经PE线流入大地，再经对地电容返回，当电流达到一定值时，RCD动作。
图1 IT接地系统
1.2 TT接地系统
TT接地系统电源中性点是直接接地的。电气设备外露部分(导体)接到电气设备与电源端接地点无关的接地极上，如图2所示。
图2 TT接地系统
对TT接地系统，当发生单相接地故障时，其电流较小(如电源中性点接地电阻为4Ω，设备接地电阻也为4Ω，电流为220(4+4)=27.5A)，达不到断路器或熔断器的动作电流，不能切断故障回路。因此IEC最先推荐使用RCD。
1.3 TN接地系统
系统的电源中性点直接接地，电气设备外露导电部分通过保护线(PE线或PEN线)与该接地点连接。按中性线与保护线的组合方式，TN系统可分为三种。
(1)TNS接地系统 TNS接地系统的中性线(N线)和保护线(PE线)是分开的，如图3所示。目前，供电部门在城市，特别是高层建筑和民居，都采用TNS系统。该系统可采用RCD。但仅允许N线穿过二极或四极的RCD零序电流互感器的铁心。
图3 TNS接地系统
(2)TNC接地系统 TNC接地系统的中性线(N线)和保护线(PE线)是合二为一的，如图4所示。TNC系统为了减小因PEN线断线后设备外壳带上近乎相电压的对地电压，常在PEN线上采取重复接地等措施，这一措施的使用以及N线、PE线的复合使TNC系统无法使用RCD。
图4 TNC接地系统
(3)TNC S接地系统 TNC S接地系统的中性线(N线)和保护线(PE线)一部分公用(合二为一)，另一部分分开，如图5所示。
图5 TNC S接地系统
这种系统的分界点为F，其前部分是TNC系统，即N线与PE线是合一根的线，它适合于三相负载平衡；而后半部分，N线与PE线是分开的，适合于不平衡负载。TNC S系统可使用RCD，只是PEN线和F点后的PE线不能穿过RCD零序电流互感器的铁心。
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利用RCD的零序电流互感器(Zero Current Transformer，简称ZCT)来检测、捕捉漏电、触电等接地故障电流，使其脱扣装置推动开关、电器跳闸，切断电源。各种系统的电流关系式如下。
对于单相二线系统L-N=X
对于三相系统A+B+C=X
对于三相四线系统 A+B+C+N=X
式中 IX──线路或设备绝缘损坏或因有对地电容的存在而产生的对地泄漏电流
一般情况IX是比较小的，可以把L-N≈0，A+B+C≈0和A+B+C+N≈0作为RCD动作前的基本情况。
RCD的ZCT在无零序电流，即对地泄漏电流时如图6所示。
进入ZCT的电流和经过星形联结点再返回电网的电流是相等的，即ZCT的进线电流等于出线电流，此时它的二次线圈无感应电流产生。一旦人体触及安装ZCT后的任一相线，电流就经人体流入大地，再经电源中性点返回电网，人就触电，相当于图7所示的泄漏电流IX此时，C相的返回电流不等于进线电流，返回电流与进线电流之差就是IX，ZCT的二次线圈就有感应电流，当IX大到RCD的额定剩余动作电流值时，此电流流经脱扣器去磁线圈或经电子元件放大，至保护器的其他型式脱扣器，使保护器跳闸。有两点应该提请注意。
图 6
图 7
(1)当人体触电时，通过人体的触电电流和RCD实际检测到的故障信号是有区别的。
①由于人体的触电电流有三条途径经大地返回电网：IPO经电源中性点接地电阻返回电网、IPAC、IPBC经非触电相的对地电容、电阻回路返回电网。能被RCD检测到的是IPO，它只是触电电流的一部分。如果中性点接地阻抗ZO<<Za、ZO<<Zb(Za、Zb为相线对地泄漏阻抗)，则IPO≈IP。
②由于线路本身有泄漏电流IS的存在(S=SA+SB+SC)，IS经大地至电源中性线接地电阻返回电网，也能被RCD所检测。所以RCD检测到的故障电流是IPO+IS。电网三相对地阻抗平衡时，则IS=0，但事实上三相对地阻抗有差异。三相对地阻抗越不平衡，IS就越大。
如果IS和IPO是同相位的，则RCD检测到的信号是IS+IPO，比人体触电电流大，就有可能人未触电或IPO很小RCD就发生动作，即产生误动作。如果IS和IPO相位相反，则RCD检测到的信号是IS和IPO之差。人触电时RCD仍有可能不动作。IS和IPO相角差是一个不定的因素，在使用RCD时有时拒动或误动是很难防止的。
(2)应注意ZCT布线的不平衡导致漏磁通的作用而产生误动作。
如上所述，在线路的绝缘情况良好，对地泄漏电流为零或很小时，A+B+C=0或A+B+C+N=0，此时RCD的ZCT无输出，RCD不会动作。但是ZCT的一次侧的穿线如果排列不当，就会产生漏磁通，引起二次线圈有感应电流，从而导致RCD动作。因此，RCD制造厂要重视布线的角度。为了防止漏磁通引起的不良后果，RCD的标准规定必须在ZCT一次线圈进行通6In的过电流时不动作的试验。
2.1 电磁式RCD的工作原理
电磁式RCD的工作原理如图8所示。由铁心、衔铁、永久磁铁、去磁线圈等组成的漏电脱扣器置于断路器或开关内部。其动作杆(推摆)与衔铁轴相连。正常情况(无触、漏电)下，脱扣器的衔铁被铁心由永久磁铁产生的磁通所吸引。当线路发生漏电时，二次侧有感应电流产生。漏电脱扣器的去磁线圈与ZCT二次绕组相接。二次侧感应电流流过去磁线圈，便在脱扣器铁心、衔铁回路中有一交变磁通通过。在某半周波，交变磁通的方向与永久磁铁恒向磁通反向时，很大程度上减弱铁心的吸力。在反作用弹簧拉动下，衔铁释放，与衔铁轴相连的动作杆(推摆)顺时针转动，拉(推)断路器的牵引杆(脱扣板)，使断路器或开关跳闸。从漏电开始到断路器或开关跳闸，全部时间在0.1s以内(对无延时型而言)。
图8 电磁式RCD结构图
1.去磁线圈 2.反力弹簧 3.衔铁 4.铁心 5.分磁板 6.永久磁铁
2.2 电子式RCD的工作原理
同样装有ZCT，漏电时，ZCT二次侧输出一个电流信号，通过电子元件将电流信号放大，然后输送给中间继电器或断路器的分励脱扣器线圈，使开关或断路器跳闸。
3 RCD的分类
RCD大致可分三类，分述如下。
(1)带过载、短路、欠电压保护功能的剩余电流动作断路器，称为漏电断路器，具有过载、短路、欠电压及触(漏)电多种保护功能。典型产品有DZ15L系列、AB62型、FI/LS型(电磁式)和DZ10L型、S-L系列(电子式)等。
(2)不带过载、短路保护功能的剩余电流动作断路器，称为漏电开关，仅有触(漏)电保护功能。典型的产品有FIN(电磁式)、DZL18(电子式)等。
(3)剩余电流动作继电器，称为漏电继电器。它的触点不通主回路。当发生漏电时，常开触点闭合，使接在触点两边的回路接通，接于此回路的指示灯或蜂鸣器发出报警，它的漏电动作电流一般在0.1～2A，很适于消防所要求的不许切断电源的场所。漏电继电器也可与断电器的分励脱扣器或接触器的电磁线圈构成漏电断路器或漏电开关。
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