浅谈剩余电流动作保护器在接地系统中的应用

【摘要】剩余电流动作保护器在不同的接地系统中有其适用性和严格的接线方式，错误地选用剩余电流动作保护器或不规范地接线，会使剩余电流动作保护器误动或拒动，甚至引起人身触电和电气火灾事故。从剩余电流动作保护器工作原理出发，着重于用电设备的电流矢量分析与计算，阐述剩余电流动作保护器在低压配电接地系统中的应用特性，定量地分析接地系统类型对剩余电流动作保护器工作的影响。电流矢量的分析方法为剩余电流动作保护器的应用提供理论依据。

【关键词】剩余电流动作保护器；剩余电流互感器；电流矢量；接地系统

0引言

GB/T 6829—2017定义剩余电流为流过剩余电流保护电器主回路的电流瞬时值的矢量和（用有效值表示）[1]。剩余电流动作保护器（residual currentoperated protective devices,RCD）在低压供电系统中对人身触电和漏电火灾等事故起到了有效的防护作用，在各类不同接地制式的低压电网系统中得到广泛应用。

近年来，随着经济的迅猛发展，各种电气设备在生产和生活各个领域中的应用越来越广泛，人们与电接触的机会越来越多，触电的可能性越来越大，用电设备导致人员触电伤亡的事件时有发生。为了人身和设备安全，对RCD的使用要求越来越严格。GB/T 16895.1—2008规定了各类接地制式的低压电网系统[2]，各类接地系统的特点和RCD的工作原理限制了RCD在一些接地系统中的应用，且要求其接线方式有严格的规范性。

1 RCD的基本工作原理

RCD一般由剩余电流检测模块和断路器组成，断路器起接通、承载和分断电路的作用，剩余电流检测模块一般由剩余电流互感器、信号放大器、信号判别元件、脱扣执行元件组成。负载线路接入RCD后即穿过了剩余电流互感器，形成一次绕组；剩余电流互感器自带的线圈形成二次绕组。正常工作时，线路中剩余电流为零，即穿过剩余电流互感器的所有线路电流矢量和为零[3-7]，有

式中，Iu、Iv、Iw、In、为各相电流矢量。因此，在剩余电流互感器铁心中产生的磁通矢量和同样为零，故不会在二次绕组中感应出电流，信号判别元件判断线路中没有剩余电流，RCD不会动作；当发生故障使线路中产生正弦或脉动直流剩余电流时，即I_x0005_Δ≠0，在剩余电流互感器铁心中产生的磁通矢量和不为零，此时会在二次绕组感应出电流。当剩余电流在检测范围内时，磁心工作在线性区，二次侧感应电流与剩余电流大小成正比，该电流信号经过信号放大器后，在判别元件中与设定的剩余电流动作标准值对比，当检测到的剩余电流值超过设定值时，判别元件向执行元件发出信号，执行元件驱动断路器动作，切断电源，从而起到漏电保护的作用。

由此可见，剩余电流互感器是整个RCD的核心部件，RCD能否起到漏电保护作用，取决于剩余电流互感器是否正常工作[8-9]。当线路中电流为正弦型或脉动直流型、剩余电流互感器磁心未饱和且工作在线性区时，RCD动作与否取决于穿过剩余电流互感器的所有线路电流矢量和的大小。

2用电负载的电流矢量分析与计算

在RCD性能良好且不考虑电源类型及频率的情况下，RCD能否正常工作，取决于流经其进、出线端的电流矢量和，故用电负载的电流矢量分析对于RCD的应用至关重要[10]。低压供电网可提供单相和三相两种供电方式，其中三相供电时根据负载的分布和接线方式可分为星形联结和三角形联结。

2.1单相供电时负载的电流矢量

图1为单相供电负载接线示意图，无论Z为纯阻性负载还是复阻抗负载，流经负载Z的电流矢量如图1所示，根据KCL定律可得

式中，Il、In分别为负载的相线与中性线电流矢量。式（2）表明，无论负载Z的大小如何，在无电流泄漏的情况下，流经负载的电流矢量和始终为零

2.2三相供电时负载的电流矢量

1）负载星形联结时的电流矢量

三相供电负载星形联结示意图如图2所示。负载星形联结时，如果三相负载对称平衡，可不需要中性线，如图2（a）所示。但是在图2（a）的情形下，存在负载异常导致三相负载不平衡的情况，此时会产生中性点漂移。图2（a）中，设Z2 1=λZ，Z3 1=μZ，分别取a、b、c节点为参考对象，根据KCL定律和欧姆定律可得

式中：Iu、Iv、Iw为三相负载各相线电流矢量；λ为阻值Z2与Z1之比；μ为阻值Z3与Z1之比。解析式（3）得

特别地，当λ=μ=1时，三相负载对称平衡；当λ≠μ时，三相负载不平衡，中性点发生漂移。结合式（3）、式（4）可知，无论三相负载平衡与否，式（4）总是成立，表明三相负载星形联结不带中性线时，在无电流泄漏的情况下，各相的线电流矢量和始终为零。

2（b）中，中性点连接零线，构成中性线，此时相电压Up与线电压Ul有固定的关系，即Ul=3Up。线电压Ul取决于电源系统，电源系统稳定则线电压不会改变，故Up不因各相负载的阻值大小而改变。线电流与相电流大小相等，即Il p=I，若认为三相负载电流由各相线流入，由中性线流出，取中性点为参考对象，根据KCL定律可得

式中：Iu、Iv、Iw为三相负载各相线电流矢量；In为中性线电流矢量。由式（5）可知，三相负载星形联结带中性线时，在无电流泄漏的情况下，所有相线加中性线的电流矢量和始终为零。

2）负载三角形联结时的电流矢量

三相供电负载三角形联结示意图如图3所示。图3中负载为三角形联结，分别取三根相线与负载的连接点e、f、g作为参考对象，根据KCL定律可得

式中：

Iu、Iv、Iw为三相负载的线电流矢量；Iuv、Ivw、Iwu为流经三相负载Z1、Z2、Z3的相电流矢量。

3 RCD在接地系统中的应用

低压配电网的接地系统分为TT、TN、IT三种，其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S三种。每种接地系统有各自的特点，因RCD的工作原理，其工作状态与接地系统的类型和接线方式有关，若应用和接线方式有误，RCD会拒动或误动，从而引发安全事故[11-12]。

3.1 RCD在TT系统中的应用

RCD在TT系统中的应用示意图如图4所示。TT接地系统中，供电侧电源系统有一点直接接地，用电侧负载的外露可导电部分通过接地极接地。

4安科瑞ASJ系列产品介绍

安科瑞ASJ系列剩余电流动作继电器和多回路剩余电流监测仪可与低压断路器或低压接触器等组成组合式剩余电流保护装置，主要适用于交流50Hz，额定电压400V及以下的TT和TN系统配电线路，用来对电气线路进行接地故障保护，防止接地故障电流引起的设备损坏和电气火灾事故，也可用来对人身触电危险提供间接接触保护。

ASJ10/20系列剩余电流动作继电器

ASJ60系列剩余电流监测仪

4.1功能介绍

ASJ10/20系列剩余电流动作继电器具有以下功能：A型或者AC型剩余电流测量，剩余电流越限报警指示，额定剩余动作电流可设定，极限不驱动时间可设定，两组继电器输出，具有就地，远程“测试”、“复位”功能；

ASJ60系列剩余电流监测仪具有以下功能：16路剩余电流监测，1路预警继电器输出，16路报警继电器输出，2路DI输入，自动重合闸功能，远程通讯功能，远程分合闸功能。

4.2技术指标

ASJ10/20系列剩余电流动作继电器技术指标ASJ60系列剩余电流监测仪

4.1功能介绍

ASJ10/20系列剩余电流动作继电器具有以下功能：A型或者AC型剩余电流测量，剩余电流越限报警指示，额定剩余动作电流可设定，极限不驱动时间可设定，两组继电器输出，具有就地，远程“测试”、“复位”功能；

ASJ60系列剩余电流监测仪具有以下功能：16路剩余电流监测，1路预警继电器输出，16路报警继电器输出，2路DI输入，自动重合闸功能，远程通讯功能，远程分合闸功能。

4.2技术指标

ASJ10/20系列剩余电流动作继电器技术指标