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国龙电器 -剩余电流保护器在低压配电系统中的作用

发布时间:2019-11-4  新闻类别:新闻动态 点击次数:32

剩余电流动作保护电器( Residual Current operated protective Devices,RCD),简称为剩余电流保护电器,是一种漏电保护装置,被广泛地应用在低压配电系统中,是低压电网防止电击事故、电气设备漏电损坏和电气火灾的有效防护措施。

低压配电系统的漏电保护装置是20世纪40年代从欧洲开始发展起来的,在发展初期有两种型式:电压动作型漏电保护装置和电流动作型漏电保护装置。剩余电流保护电器属于电流动作型漏电保护装置。


电压动作型漏电保护装置是通过电压线圈检测设备外露金属外壳与大地之间的故障电压,当检测到的故障电压超过预定的危险极限值时,推动脱扣机构使主开关触头断开,切除故障电压进行保护。根据其工作原理,电压动作型漏电保护装置只能用于单台用电设备漏电保护;不能应用于整个配电系统,并实现选择性的分级保护;遇到感应雷击或较大的操作过电压时,电压线圈易烧毁损坏;只能用于间接接触保护,不能用于直接接触保护。

由于电压动作型漏电保护装置这些固有的缺点,从20世纪60年代以后逐渐被剩余电流保护电器(即电流动作型漏电保护装置)取代。当前世界各国在低压配电系统中使用的漏电保护装置基本上都是剩余电流保护电器。


 

一、间接接触保护

间接接触保护又称为故障保护,剩余电流保护电器的主要功能是间接接触电击保护。在GB13955-2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》中,对间接接触电击事故防护的规定:“间接接触电击事故防护的主要措施是采用自动切断电源的保护方式,以防止由于电气设备绝缘损坏发生接地故障时,电气设备的外露可接近导体持续带有危险电压而产生电击事故或电气设备损坏事故。

当电路发生绝缘损坏造成接地故障,其故障电流值小于过电流保护电器的动作电流值时,应安装剩余电流保护电器。”该规定明确了间接接触电击保护的含义和保护方式。

在很多场合下,接地故障电流远小于过电流保护动作值,过电流保护装置不会动作。在这种情况下,采用剩余电流保护电器自动切断电源是一种非常有效的间接接触电击保护方式。

剩余电流保护电器用于间接接触保护的示意图1所示,电气设备上出现绝缘故障时,外壳出现故障电压,通过PE保护导线(TN系统,图1a)或设备的接地极(TT系统,图1b)产生一个故障电流,剩余电流保护电器在人还未触及带电的金属外壳前已将故障切断,防止人体触及危险的接触电压。

如出现故障时正好有人触及因故障而带电的设备外壳,则触电者的接地回路与设备故障的接地回路相并联。根据保护导线(或接地回路)和人体的电阻比例(正常情况下,人体电阻要比保护导线或接地回路的电阻大得多),大部分的电流流经保护导线或接地回路,剩余电流保护电器立即切断电源,对人体也不会造成致命危险。


图1 剩余电流保护器用于间接接触电击保护示意图 a) TN系统 b)TT系统

剩余电流保护电器用于间接接触电击事故防护时,应正确地与电网的系统接地型式相配合。

 

1)TN系统

剩余电流保护电器用于TN系统时,剩余电流保护电器负载侧中性线(N线)和保护导线(PE线)不能共用。因此,在TN-C系统使用剩余电流保护电器时,应根据电击防护措施具体情况,将电气设备外露可接近导体独立接地,形成局部TT系统。或将TN-C系统改造为TNC-S或TNS系统后,才可安装使用剩余电流保护电器。

在TN-C-S系统中,剩余电流保护电器只能使用在N线与PE线分开部分。根据GB16895.21-2004《建筑物电气装置第441部分:安全防护电击防护》的规定,间接接触保护时,TN系统的最大分断时间应符合表1的规定。


 

并应符合



式中Zs—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在内的阻抗(Ω);

 

U0—对地标称交流电压有效值(V)

Ia—保证保护电器在表1规定的相应时间内自动断开电流(对剩余电流保护电器即为l△n (A)

因此,当剩余电流保护电器用于间接接触保护时,动作电流与故障回路或接地极和保护导线的阻抗有关。在TN系统中,因为故障回路的阻抗较小,即使在线路较长且截面积较小的配电线路中,选用1为几百毫安至几十安的剩余电流保护电器均能满足式ZsIa≤U0的要求。在TN系统中,分断时间必须符合表1的要求,如相对地电压为230V时,则分断时间不应大于0.4s。

 

2)TT系统

TT系统的电气线路或电气设备应装设剩余电流保护电器作为防电击事故的保护措施。

按GB16895.21-2004规定,对TT系统的间接接触保护应满足条件:



式中R—接地极和外露可导电部分的保护导体电阻之和(Ω);

la—使保护电器自动断开电流(对剩余电流保护电器即为l△n)(A);

50V—在一般干燥的情况下,允许的接触电压极限值。

在TT系统中,接地极的阻抗按规程的要求应小于4Ω,但实际上很难做到。考虑到较为恶劣的使用条件,接地电阻要保持在几十欧至几百欧以下是没有困难的,因此要满足式


的要求,可以选用l△n为100~500mA的剩余电流保护电器。在TT系统中,为了满足选择性保护的要求,允许分断时间不超过1s。


 

二、直接接触电击保护

直接接触电击保护又称为基本保护。直接接触电击保护的基本措施应是绝缘、隔离距离、设置护栏等,例如带电导线外面应有绝缘层保护,用电设备应有适当的绝缘外壳,防止人触及带电部件发生电击事故。

当基本电击保护措施失效时,例如绝缘损坏,或因疏忽而触及带电部分发生电击事故时,额定剩余动作电流小于等于30mA的剩余电流保护电器也可以作为直接接触电击的补充保护或后备保护措施。

用于直接接触电击保护时应选用一般型(无延时)的剩余电流动作保护电器。但剩余电流保护电器不能对相线与相线之间或相线与N线之间产生的电击事故进行保护。直接接触电击保护如图2所示。


图2 剩余电流保护器用于直接接触电击保护示意图

在发生直接接触电击事故时,剩余电流流过人身,容易发生致命的触电危险。根据国际电工委员会IEC/TS604791:2005《电流对人和家畜的效应第1部分:通用部分》的研究结果,电流路径为左手到双脚(该电流路径电流对人体影响最为严重)的15~100Hz交流电流对人体的效应,可分为四个电流区域,如图3所示。

其中区域AC-1(0.5mA的曲线a的左侧):有感知的可能性,但通常人没有被惊吓的反应;区域AC-2(曲线a至曲线b):可能有感知和不自主地肌肉收缩,但通常没有有害的电生理学效应;

区域AC-3(曲线b至曲线c1):可强烈地不自主的收缩,呼吸困难,可逆性的心脏功能障碍,可能出现活动抑制,通常没有预期的器官破坏;

区域AC-4(曲线c1以上):可能产生生病理-生理效应,如心博停止、呼吸停止以及烧伤或其他细胞的破坏,心室纤维性颤动的概率随着电流的幅度和时间增加(AC4.1区域的心室纤维性颤动的概率约为5%AC-4.2区域约为50%、AC-4.3区域超过50%)。

该项区域的电流-时间值是最危险的,因为这个区域会出现心室纤维性颤动,心脏的搏动节律受阻,影响大脑的血液流通而引发死亡。因此直接接触电击保护的目的是要防止电流对人体的作用和影响落入AC-4,为此必须选用l△n≤30mA及动作时间为一般型(无延时)的剩余电流保护电器。

人在直接触及带电导体时,流过人体的电流值取决于人体内部电阻和站立地点的接触电阻。对触电死亡事故的研究表明,可认为最不利的情况时,站立点的接触电阻接近于零,例如赤脚站在潮湿的地上。这时流过人体的电流仅取决于人体的电阻。

试验研究表明,人体电阻主要是决定于接触部位上的皮肤状态与电流途径。测量结果得出,例如在接触电压为200V时,电流途径为左手至脚或左手至右手,在最恶劣条件下,人体总阻抗可大于1000Ω。考虑到对地故障电压为220v,则此时的电流值可达22mA左右。

这时如使用l△n≤30mA的一般型剩余电流保护电器,则在22mA时能在40ms内动作。由下图可以看出,这时时间电流对应的点A是落在区域AC-3,这区域一般不会产生器官损伤,在短时间内脱离电源也不会发生心室纤维性颤动,因此一般情况下,不会发生电击伤亡事故。

图3中还画出了额定剩余动作电流10mA和30mA的般型(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,从图可以看出,脱扣时间-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危险事故。

而使用额定剩余动作电流大于0mA的剩余电流保护电器,时间-电流特性曲线带将要进人区域AC-4,有可能产生电击伤亡事故。


图3 电流途径为左手到双脚的交流电流(15~100Hz)对人效应的约定的时间/电流区域和30mA及以下的剩余电流保护电器的保护区域

此外,根据试验结果和实际的电击事故表明,较大的电流流过人体时,电流途径中的肌肉会发生痉挛,使触电者握住带电的导体而不能自行摆脱。

IEC/TS60479-1的研究结果又表明,摆脱电流与频率有关,在电网频率60Hz及10mA电流时,成年男人有99%的被试人员能摆脱,成年女人有60%能摆脱,5mA的电流极大部分人(包括儿童)均能摆脱。因此,通常认为在50/60Hz交流时,摆脱电流极限为10mA。

由此可见,在直接接触电击保护中,如要考虑能自行摆脱带电导体,应选用I△n小于等于10mA的剩余电流保护电器。如直接接触电击保护的对象主要是小孩、妇女或病人,摆脱电流的阈值较低,也容易发生心室颤动,这时应选用A为6mA的剩余电流保护电器。


 

三、电气火灾的防护

电气火灾大部分是由于绝缘老化造成的电气短路或接地故障引起的。对相与相之间或相与N线之间的短路,或较大的接地故障电流,可用过电流保护或短路保护装置来保护。


而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,过电流保护电气(如熔断器或断路器等)就不能排出这类故障,在这种情况下,可采用剩余电流保护电器来防止电气火灾。


剩余电流保护电器对由于过电流保护电器不动作而持续存在的接地故障电流引起的火灾危险也能提供保护。因为在过电流保护电器不动作的情况下,剩余电流保护电器能有效地切断接地故障电流,防止火灾事故的发生。

根据有关资料介绍,当绝缘故障产生的泄漏电流的发热功率达到60-100W,并释放在几个平方毫米面积上,该能量所产生的温度就会引燃绝缘,此时只要周围有可燃材料就会引起火灾。的0器面自余擦采用额定动作电流不超过500mA的剩余电流保护电器,可以在出现引燃火灾所需的能量前,就分断电路排除故障。

图4所示的供电线路包含有火灾危险的绝缘故障,用电设备通过故障回路的电阻R10流过一个故障电流l,供电线路采用过电流保护电器(小型断路器、熔断器等)或剩余电流保护电器进行保护。当应用不同的保护电器时,可能出现的最大持续电流l,以及在额定电压下发热功率P的比较见表2。


图4 应用过电流保护电器或剩余电流保护电器防止火宅



 

表2 注:引燃火灾所需的最低功率P=60~100W。

从表2可以看出,采用额定剩余动作电流小于等于所50maA的剩余电流断路器,可以确保在接地故障电流的发热功率达到60~100W以前切断电路(或发出报警信号),有效地防止电气火灾的发生因此,应用剩余电流保护电器来防止电气火灾,必须正运确选择额定剩余动作电流。

在GB16895.2-2005《建筑物电气装置第442部分:安全防护热效应保护》中规定:“在有火灾危险的场所,要防止故障电流引起火灾,必须在分线路中装设额定剩余动作电流不超过500mA的剩余电流保护电器,或装设绝缘监察装置,在绝缘故障时发出警报。”

在GB50096—2011《住宅设计规范》中规定:“每幢住宅的总电源进线应设剩余电流动作保护或剩余电流动作报警”,其功能主要就是作为电气火灾监控和接地故障保护。

当每幢住宅的户数较多时,考虑到正常的泄漏电流,应选用100300mA的剩余电流保护电器,可采用剩余电流切断方式或报警方式,采用切断方式时,应采用延时型剩余电流断路器。前面所述的用于直接接触和间接接触保护剩余电流保护电器,只要符合这个要求,均具有防止电气火灾的功能。

 

四、接地故障保护

接地故障是带电导体和大地、接地的金属外壳或与地有联系的构件之间的接触。例如,架空导线断裂接地、电源线绝缘损坏碰金属外壳等。如接地故障不及时排除,有人碰到落地的带电导线或金属外壳,或接地故障电流持续存在,有可能发生触电伤亡和设备事故,或发生电气火灾事故。

接地故障保护过去经常采用过电流保护电器(例如熔断器或断路器等)进行保护,当接地故障电流大于过电流保护电器动作电流整定值时,由过电流保护电器切断电路。

在TT系统中,对额定电流较大的线路,并且配电线路较长时,发生接地故障的故障电流有可能小于保护电器的动作整定电流,这时过电流保护电器就不会动作。这种情况下,应采用剩余电流保护电器(或带接地故障保护的断路器)进行接地故障保护。

在TN系统中,发生带电导线落地的接地故障或不完全的金属性接地故障或电弧性接地故障时,情况与TT系统相似。TN系统即使发生金属性对保护导线(PE线)短路,在线路较长和额定电流较大时,过电流保护电器也有可能不动作。此时也只有采用剩余电流保护电器或带接地故障保护的断路器,才能可靠地进行接地故障保护。

剩余电流保护电器仅用于接地故障保护时,根据配电网络系统的形式和容量大小,额定剩余动作电流或接地故障电流可以从几百毫安至几十安,甚至几百安。为防止瞬时性故障引起不必要的误动作,分断时间一般应采用延时型。

剩余电流保护电器用于接地故障保护又要考虑间接接触保护时,动作特性应按间接接触保护的要求选择。

剩余电流保护电器在配电系统中的应用剩余电流保护电器作为一种防止人身触电、设备漏电和电气火灾事故的重要安全保护电器,在国内外的低压配电系统中获得了广泛的应用,对配电系统的安全运行发挥了巨大的作用。世界各国均通过制定相应的电气安装规程强制规定剩余电流保护装置在配电系统中的安装和使用,我国主要的与剩余电流保护电器安装使用相关的电气安装规程如下所示:

乙转1)GB13955-2005《剩余电流保护装置的安装和运行》; 2)DL/T736-2010《农村电网剩余电流保护器的安装运行规程》3)GB50054-2011《低压配电设计规范》;4)GB16895.2-2005 《建筑物电气装置第442部分:安全防护热效应保护》;5)GB16895.21-2004《建筑物电气装置第441部分:安全防护电击防护》;6)GB50096-2011《住宅设计规范》;7)SL445-2009《漏电保护器农村安装运行规程》。


为了提高电击保护和漏电保护的可靠性,同时缩小发生事故时切断电源造成的停电范围,剩余电流保护电器在配电系统中应用一般采用分级保护。分级保护方式的选择应根据用电负载和线路具体情况的需要,一般可分为两级或三级保护。各级剩余电流保护电器的动作电流值与动作时间应协调配合,实现具有动作选择性的分级保护。


 
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