剩余電流動作保護器在有色金屬選礦廠低壓配電系統中的應用

張大偉 厲彥江 王 云

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

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剩余電流動作保護器在有色金屬選礦廠低壓配電系統中的應用

張大偉 厲彥江 王 云

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

本文通過對剩余電流動作保護器的介紹與應用，并結合眾多工程設計實例，提出了剩余電流動作保護器在幾種常見情況下使用的必要性。剩余電流動作保護器在 TN接地系統中對于工廠單相接地故障起到保護作用。在某些情況下，應使用帶剩余電流保護功能的塑殼斷路器進行電動機或線路保護。

剩余電流動作保護器；短路電流；單相接地

目前我國低壓 400V配電系統絕大部分都采用變壓器中性點直接接地形式，即TN或TT接地系統。在電力系統 10～35kV變電站中采用變壓器中性點不接地或經阻抗接地，還有煤礦井下配電系統也采用變壓器中性點不接地型式，即IT接地系統。而工業及民用低壓配電系統中，TN接地系統得到廣泛應用。原因是當 400V中性點直接接地系統中發生單相接地故障時，將出現很大的零序電流，而在正常運行情況下三相平衡它們是不存在的，因此利用零序電流來構成接地短路的保護，就具有顯著的特點。但是 TN系統也有它的缺點，例如當相零回路阻抗較大時，短路電流會很小，過電流保護斷路器經常不能滿足切斷故障電路的時間要求，此時人體觸及用電設備外殼就會發生觸電危險。在工廠短路故障中，單相接地故障約占60%，這就需要廣大工程設計人員計算低壓配電系統高阻抗回路的短路電流，正確選擇剩余電流動作保護器。

本文結合工程設計實例及低壓網絡短路電流計算，列舉了幾種常見情況下剩余電流動作保護器使用的必要性。

1　剩余電流動作保護器的介紹及工作原理

我國的剩余電流動作保護器（RCD），俗稱漏電保護器，是從20世紀70年代中期開始發展，并首先在農村低壓電網中推廣應用的，經過 20世紀 80年代到 90年代的不斷完善和發展已形成一個品種完善、規格齊全，符合IEC國際標準的剩余電流保護器的產品系列。在低壓電網的安全保護中，尤其是農村低壓電網的安全保護中發揮了重要的作用。目前，RCD主要有兩種形式，一種是電磁式，一種是電子式。電磁式RCD元件制造工藝高，工作可靠性高，受環境溫度影響很小，絕緣耐壓能力強，受外界磁場干擾影響小，成本相對較高，使用壽命也比電子式長 2～3倍。所以在工業與民用配電設計中，電磁式RCD應用最為廣泛。

圖1是在漏電切斷情況下的單相接地故障示意圖。在通常狀況下，電路開關（QF）是閉合的，當用電設備發生單相接地故障時，漏電斷路器內的零序電流互感器檢測出感應電壓并使 QF動作切斷電源。

圖1　單相接地故障示意圖

零序電流互感器（ZCT）是檢測單相接地故障非常有效的傳感器，圖2介紹了零序電流互感器的工作原理。現假設在負荷一側有去電流、來電流的一次導體。當用電設備正常運轉時，即絕緣良好時，去和來的電流在零序電流互感器中是平衡的，所以互感器二次側繞組不感應電壓。當用電設備發生意外故障（例如絕緣老化引起接地故障）時，一次導體中的電流失去平衡，在互感器二次側感應出電壓，利用此電壓斷開電路的開關。以上就是ZCT的簡單工作原理。

圖2　 ZCT工作原理示意圖

2　低壓配電系統中塑殼斷路器使用中存在的問題

結合筆者實際參與的眾多工程設計項目，總結出在以下情況中應使用帶剩余電流保護功能的塑殼斷路器進行工廠電動機保護或線路保護。

2.1400V分配電室母線段低壓配電用斷路器應采用帶剩余電流保護功能

在實際工程設計過程中，低壓配電系統均采用放射式接線形式，配電線故障互不影響，供電可靠性較高。既在工廠負荷集中區域設置 400V低壓變配電室，但有些時候某個車間距離配電室相對較遠，需要在此設置分配電室。

例如，某工程改造項目有磨浮車間、過濾車間、濃密機、泵房等建筑物，配電室設置在磨浮車間，在距離較遠的過濾車間設分配電室，配電系統圖如圖3所示。由于過濾車間距離磨浮車間配電室較遠，而且有1臺酸泵，功率2.2kW，距離過濾車間配電室約140m。需要計算此饋線單相接地短路電流，計算過程見表1。

圖3　 某工程配電系統示意圖一

已知2.2kW酸泵饋出回路斷路器為10A，其瞬時過電流整定值為120A。由表1可知線路L2末端發生單相接地故障時，短路電流為117A，斷路器不能瞬時脫扣。故應該選擇帶剩余電流保護功能的塑殼斷路器。

2.2低壓配電用塑殼斷路器“一拖多”情況下應采用帶剩余電流保護功能

在工廠低壓配電系統中，經常會遇到很多小功率的用電設備，例如變頻電機風扇。這類設備功率小、數量多，如果對每臺設備單獨配電，每臺設備都需配塑殼斷路器，配電柜數量就會增多，成本也會相應增加。如果改為一個塑殼斷路器配電，即一個斷路器帶多臺設備，所選斷路器額定電流會變大，這種情況下需要校驗每根電纜的單相接地短路電流，如圖4所示。

表1　低壓三相短路和單相接地短路計算表一

圖4 某工程配電系統示意圖二

圖4中所示為某工程項目，4臺3kW螺旋輸送機共用一臺塑殼斷路器且同時工作，斷路器額定電流為25A，每根電纜為YJV-0.6/1kV-4*2.5mm2，長度為111m，400V母線長度4m。短路電流校驗計算見表2。

表2　低壓三相短路和單相接地短路計算表二

由計算表 2可知，電纜末端三相短路電流為300A，單相接地短路電流只有96A。而3kW電動機額定電流為6.4A，故選擇額定電流為25A的塑殼斷路器，其瞬時過電流整定值為300A。當發生單相接地故障時，斷路器不能瞬時脫扣，電動機繞組將被燒毀。故應該選擇帶剩余電流保護功能的塑殼斷路器。

3　RCD額定剩余動作電流的選擇

正確合理地選擇 RCD的漏電動作電流是非常重要的，一方面在發生接地故障時，RCD有動作選擇性，另一方面RCD在正常泄漏電流作用下，不應動作而導致供電中斷，造成不必要的經濟損失。

配電設計手冊[5]P637頁介紹了電氣線路和設備正常泄漏電流值及RCD的選擇：

1）用于插座回路和末端線路，并側重防間接電擊時，應使IΔn≤30mA。

2）用于單臺設備時，RCD的額定剩余動作電流 IΔn要求大于所保護的電氣裝置和線路正常泄漏電流總和的4倍，一般動作電流應在6～30mA，動作時間≤0.1s。

3）用于支路上作為防止電擊保護的 RCD，應使其動作電流 IΔn2≥10倍線路和設備的泄漏電流總和。IΔn2≥2.5IΔn3，一般動作電流應該在75～100mA，動作時間≤0.2s。

4）對于干線上用作防護電氣火災時應使 RCD動作電流 IΔn1≥10倍線路和設備的泄漏電流總和并應使IΔn1≥4IΔn2，通常其動作電流應不大于500mA，動作時間＜1s。

（5）用于低壓配電系統高阻抗饋出線回路時，應選擇剩余電流動作值較大，低靈敏度的RCD，一般IΔn為3～10A。

4　結論

剩余電流動作保護器是一種非常有效的保護裝置，它經常應用于低壓電網中，保證用電的安全。在不同的低壓配電系統中它的安裝位置及保護功能有所不同，但是它的安裝使用使得人身觸電身亡的事故降到最低，也有效地防止了由于短路故障而引起的電能損壞、設備的損壞以及電氣火災的發生。筆者結合多年的工作經驗及工程實例，在文中重點介紹了RCD在低壓網絡高阻抗回路中的應用，希望對廣大電氣設計人員有所幫助。

[1] 中國機械工業聯合會. GB 50054—2011 低壓配電設計規范[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2012.

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[3] 川瀨太郎. 高橋健彥著[M]. 北京: 科學出版社, 2003.

[4] 王振聲, 王玉卿, 等. 4kV配變電系統短路電流計算實用手冊[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004.

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[6] 才國平. 低壓配電系統的接地故障與剩余電流保護器的應用[J]. 電氣開關, 2000(5): 33-37, 43.

Application of Residual Current Operated Protective Device in Low Voltage Power Distribution System of Non Ferrous Metal Concentrating Mil

Zhang Dawei Li Yanjiang Wang Yun
(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100160)

Through the introduction and application of the Residual current operated protective device in this paper, combined with many engineering design examples, this paper puts forward the necessity of the use of residual current operated protective device in several common situations. Residual current operated protective device has protective effect on the single phase grounding fault in TN system.In some cases, the circuit breakers with residual current protection function should be used for motor or line protection.

residual current operated protective device; short circuit current; single phase grounding

張大偉（1983-），男，內蒙古寧城縣人，大學本科學歷，現就職于北京礦冶研究總院，從事工業配電及其自動化領域的研究設計工作。