剩余電流動作保護器總論

賀楊

【摘要】對剩余電流動作保護器的由來，不同場合不同選擇的規律做以綜述，以期能在實際應用中正確選擇適合的產品與參數。

【關鍵詞】剩余電流動作保護器；RCD

剩余電流動作保護器（Residual Current Operated Protective Devices，簡稱RCD）是IEC對電流型漏電保護電器的規定名稱，指在同一時間內一回路給定點處所有帶電導體電流的相量和超過整定值時，能自動切斷電源的防護電器。

這是一項源自1928年德國人申請的專利。該專利提出：“人體觸及帶電導體時所通過的電流，以零序電流互感器檢測，并在人受傷害之前，快速切斷電流，從而達到保護目的?！北M管在當時，對于“傷害人體的電流”是多大；“受傷害之前”的時間是多少等等均還沒有科學清楚的概念，但這一設想無疑具有十分重要的工程意義。在電流通過人體時效應的研究基本完成以后，將這一設想應用于工程實踐，就取得了良好的效果。

1、漏電保護電器的發展

漏電保護的概念最早可追溯到上世紀初。上世紀20年代，人們首先開發出了一種故障電壓動作型防護電器，它的原理簡單而直接：既然電擊傷害是由于設備外殼帶有對地電壓產生的，那么我們就利用這個電壓來驅動脫扣器斷開電源。

然而，實踐的結果卻證明，這種方式并不可靠。首先，脫扣器上電壓⊿U與人體接觸電壓Ut并不對應， 脫扣器所承受的電壓跟脫扣器接地極與設備主接地極間的距離有關。通常情況下，人體觸及設備外殼時所處等位面不一定與脫扣器接地極所處等位面相同，這就造成了兩者所承受電壓的不一致，這種不對應就使得脫扣器動作電壓的整定變得十分困難。

第二，這種漏電保護不能作為直接電擊防護。因為在工程中還存在其它一些實施上的困難，現在各國規范（包括IEC標準）均不推薦使用電壓型漏電保護，而電流型漏電保護因其原理上的合理性和工程實施上的方便性，得到了廣泛的應用。

2、剩余電流動作保護器的工作原理

剩余電流動作保護器（后簡稱RCD）的核心部件是剩余電流檢測器件。

正常工作時有電流通過的所有線路（筆者注：指相線和中性線，不包含PE線）均穿過零序電流互感器的鐵芯環，根據基爾霍夫電流定律，正常工作時這些電流相量和為零，不會在鐵芯環中產生磁通并感應出二次側電流。以圖2-（a）為例，當設備發生碰殼故障時，有電流從接地電阻RE上流回電流，此時 ，（ ）產生的磁場會在互感器二次側繞組上產生感應電動勢，從而在閉合的副邊線圈內產生電流。這個電流就是漏電故障發出的信號，其強度與一次側 呈正相關，一次側 的部分即為剩余電流。根據檢測到的剩余電流大小，保護電器通過預設的程序發出各種指令：或切斷電源；或發出信號等。

需要說明的是：漏電保護中剩余電流與零序電流是不同的概念，盡管有時它們會是同一個電流。參考文獻[2]中對此有詳細的講解，在此不贅述。這里所說的“剩余電流”，指的是從設備工作端子以外地方流出去的電流，也即通常所說的漏電電流。通常情況這個電流是從I類設備的PE端子流出，但當人體發生直接電擊時，經人體流過的電流便成了剩余電流，因此剩余電流保護可以用于直接電擊防護的補充保護。

3、剩余電流動作保護器的功能

我們知道，電擊危險防護有兩種基本情況：故障保護（間接接觸）和基本保護（直接接觸）。根據參考文獻[4]里的描述：“RCD的主要功能或基本功能是提供故障防護，但作為具有足夠靈敏度的電器（筆者注：指額定剩余動作電流不大于30mA的RCD）還有一個附加的好處：即使其他防護措施失效或者電氣裝置或設備使用者疏忽，該電器對與帶電的導體部件直接接觸的使用者能提供保護，也即是作為直接電擊防護的附加措施?！毙枰⒁獾氖?，這種補充是不能替代絕緣、屏護與間距等基礎防護措施的。

此外，規范里還提到：“RCD能對過電流保護電器不動作而長期持續的接地故障電流產生的火災危險提供保護?！?/p>

4、剩余電流動作保護器的局限性

RCD在諸多場合中的應用，并不意味著RCD是全能與普適的。相反的，在某些方面，RCD的作用也是有一定的局限性：

（1）不能防止從別處沿PE線或裝置外可導電部分傳導來的故障電壓引起的電擊事故；

（2）有些重要負荷，比如醫院內胸腔手術器件，其正常泄露電流僅允許0.01mA，發生接地故障時的故障電流僅允許0.05mA，RCD的動作靈敏度遠遠達不到這一要求；

（3）電子式RCD在諸多條件與環境中，均存在拒動等局限性，詳見參考文獻[9]中分析；

（4）電子信息設備的回路若裝有大容量的濾波電容器，可能由于電容器泄露電流太大而無法裝用RCD；

（5）在爆炸等危險場所，產生電火花的瞬間即能引爆，使用RCD切斷電路對防爆沒有直接作用，只能選用適合的接地型式和采取等電位聯結等措施減少電位差，避免電火花的產生。

5、剩余電流動作保護器的常見分類與選擇

從不同的角度出發，可將RCD作不同的分類。

（1）按漏電保護裝置中間環節的形式分

a）電磁式RCD。依靠接地故障電流的能量動作，因其全部采用電磁元件，使得其耐過電流和過電壓沖擊能力以及抗干擾能力都比較強，且無需輔助電源。但其靈敏度不易提高，工藝復雜，早些年造價較高，目前隨著技術進步發展，售價已與電子式相近或相同。

b）電子式RCD，又可分為集成電路式和分立元件式。這是借助于所在回路處的故障殘壓提供的能量動作。因為是通過電子線路對互感器檢測到的電流信號進行比較放大，所以靈敏度高，動作電流和時間的調整都很方便，但需要輔助電源才能工作，且抗干擾和抗過壓能力較差。

電子式RCD動作可靠性不及電磁式RCD，電子式RCD在諸多條件與環境中存在拒動也是前文所述RCD的使用局限性之一。根據參考文獻[6]第531.2.2.2條規定：只有滿足下列兩個條件之一時，才允許采用在輔助電源失效的情況下不自動動作的帶輔助電源的RCD（筆者注：即電子式RCD）（原文不贅述）。

第一條強調除使用電子式RCD外，其余間接接觸防護措施（比如等電位聯結）的完整和可靠，這就保證了在電子式RCD出現拒動時，仍可不發生間接接觸電擊事故；第二條是專業人員能了解電子式RCD的特性和使用要求，在使用中加以注意，可避免間接接觸電擊事故的發生。

就此我們明白了：電子式RCD的選用是有條件的，在設計選用時需要輔以其它一些防電擊措施并切實執行。參考資料[7]第7.7.10條第9款據此也對兩種RCD的選用做以規定：

——用于電子信息設備、醫療電氣設備的RCD應采用電磁式；

——用于一般電氣設備或家用電器回路的RCD宜采用電磁式或電子式。

（2）根據剩余電流大于I⊿n時的延時分

a）無延時，用于一般用途。

b）有延時，用于選擇性保護或存在高次諧波的影響時

有延時RCD除了分斷時間外，還有一個極限不驅動時間，也即是給定剩余電流值的延時設定時間，具體數據詳見參考文獻[4]中表1～表7中數值。

同短路保護或過載保護類似，多個RCD串聯使用時，也存在上下級選擇性動作的問題。相似的，這種選擇性也是通過動作電流或動作時間的配合來實現，一般有以下原則：

a）電流選擇性：電源側（上級）RCD的額定動作電流應為負荷側（下級）RCD的3倍及以上；

b）時間選擇性：電源側（上級）RCD的極限不驅動時間應大于負荷側（下級）RCD的動作時間。

相比而言時間選擇性更為重要，通常上下級RCD時間差要求不小于0.2s。

此外，高次諧波可能通過較低的對地容抗造成泄露電流較大而致RCD誤動作，如感應雷電過電壓和操作過電壓波頭均為高頻波，此時選用帶少許延時的RCD就可避免這種誤動。

（3）根據剩余電流含有直流分量的動作特性分

a）AC型RCD。適用于交流正弦電流波，無論突然施加還是緩慢上升。

b）A型RCD； c）B型RCD。

盡管國外廠商提供的樣本上早已有這方面的資料，但這一分類對區內的同行而言，還是比較陌生的概念。通常選用的AC型RCD，只能檢測正弦交流波電流。如果故障電流中含有直流分量，當直流成分流過互感器時，在互感器中產生一穩定的磁感應強度，互感器的工作狀態會從磁化曲線的線性段向非線性段移動，由此對互感器工作條件的影響是未可知的，當直流分量過量時，會造成RCD的拒動。在交流電路中，當具有整流器件時，就可能產生直流分量。

《建筑物電氣裝置第7-710部分：特殊裝置或場所的要求醫療場所》（GB 16895.24-2005 /IEC 60364-7-710：2002）中規定：在1類和2類醫療場所內裝用RCD時，應按可能產生的故障電流波形選用最合適的A型或B型RCD。類似的，對其他重要場合與設備，在設計工作中同樣應予以重點保護。

在電子產品大量使用的今天，我們接觸應用的整流器件也越來越多，當配電回路里帶有過多的整流設備時，應選用對直流分量不敏感的A型或B型RCD。參考資料[7]第10.7.9條明確規定：“用于計算機電源的插座應采用A型剩余電流動作保護裝置”。

6、剩余電流動作保護器在不同接地型式中的應用

由于RCD在配電系統中應用廣泛，在不同接地型式中，因地制宜地正確選用RCD就顯得十分重要，否則不但不能很好地起到電擊防護的作用，還可能造成額外的停電或其他系統故障，下面，我們就對各類接地型式下RCD的應用逐一做以分析說明。

（1）RCD在IT系統中的應用

IT系統因為自身的特點，發生一次接地故障時通常不要求切斷電源，系統仍可持續運行，此時由絕緣監視裝置發出接地故障信號。當發生二次異相接地（碰殼）故障時，如果故障設備本身的過電流保護裝置不能在規定時間內動作，則應裝設RCD切除故障。因此，RCD的參數選擇應使其額定剩余不動作電流IΔno大于設備一次接地時的剩余電流，即電容電流；而額定剩余動作電流I⊿n應小于二次異相故障時的故障電流。

（2）RCD在TT系統中的應用

由于TT系統依靠設備接地電阻將預期觸電電壓降低到安全電壓以下十分困難，而因為故障電流較小，通常又不能使過電流保護電器可靠動作，RCD作為TT系統理想的接地故障保護裝置，其設置就顯得尤為重要。

當所有設備都采用了RCD時，分別接地與共同接地都是可行的。若有的設備未安裝RCD，則未安裝的設備與裝設RCD的設備不能采取共同接地方式。

TT系統的安全條件為REIa≤50V。式中，Ia為在規定時間內使保護裝置動作的電流，當采用RCD時，Ia即為I⊿n。從下表1中可以發現，在TT系統中，RCD的使用使得接地電阻阻值的要求大大降低了。

（3）RCD在TN系統中的應用

盡管TN系統中的過電流保護在多數情況下都能在規定時間內切除故障，但即使在這種情況下，TN系統仍宜設置剩余電流保護。

一是因為在系統設計中一般不會（有時也不可能）逐一校驗每臺設備處發生單相接地時過電流保護是否能滿足電擊防護要求（即使校驗也不一定準確，因為漏電點阻抗是未知的）；二是因為過電流防護不能防直接電擊；三是當PE線或PEN線發生斷線時，過電流保護對碰殼故障不再有作用。因此在TN系統中設置剩余電流保護，對補充和完善TN系統的電擊防護性能及防漏電火災性能是有很大益處的。

a）TN-S系統中RCD的設置

b）TN-C系統中RCD的設置

嚴格地講，TN-C系統是無法采用RCD的，因為PEN線在正常工作時有不平衡電流和3n次諧波電流會導致誤動作，因而不能將其作為剩余電流通道；同時，發生碰殼故障時接地電流也通過PEN線，無法被當做剩余電流區分出來。所以TN-C系統必須改造成TN-S、TN-C-S系統或局部TT系統后，才能安裝使用RCD。

7、結束語

低壓配電系統中裝設剩余電流動作保護裝置是防止直接接觸電擊事故和間接接觸電擊事故的有效措施之一，也是防止電氣線路或電氣設備接地故障引起電氣火災和電氣設備損壞事故的技術措施。通過上文對RCD的產生、發展、構造原理和主要功用等內容的敘述，我們知道了RCD的選用要求。面對不同場合、不同條件，合理選用相匹配的RCD，正確地安裝及使用，才能充分發揮其功用。

參考文獻：

[1]王厚余.低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗（第三版），北京：中國電力出版社，2012：93，174～187.

[2]楊岳.電氣安全，北京：機械工業出版社，2003：63～74.

[3]中國航空工業規劃設計研究院等.工業與民用配電設計手冊（第三版），北京：中國電力出版社，2005：637.

[4]GB/Z 6829-2008（IEC/TR 60755：2008，MOD）剩余電流動作保護電器的一般要求.

[5]GB 13955-2005剩余電流動作保護裝置安裝和運行.

[6]GB 16895.4-1997（idt IEC 364-5-53：1994；IEC 364-5-537：1981）建筑物電氣裝置第5部.分：電氣設備的選擇和安裝第53章：開關設備和控制設備

[7]JGJ16-2008民用建筑電氣設計規范.

[8]GB50054-2011低壓配電設計規范.

[9]王厚余.電子式RCD和電磁式RCD的選用，建筑電氣2010年第二期.