談對剩余電流電氣火災監控系統的認識

孫 鵬，孫 瑋，靳志軍，艾士娟，劉 欣，吳麗娜，張桂彬

（1.中國建筑一局（集團）有限公司工程設計院，北京 100161；2.哈爾濱供水集團有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150010；3.北京航天拓撲高科技有限責任公司，北京 100176）

0 引言

剩余電流電氣火災監控系統是通過剩余電流的測試來發現配電系統的異常泄漏電流，從而發現可能存在的火災隱患。在《建筑設計防火規范》GB 50016—2014（2018 年版）中稱為電氣火災監控系統，第10.2.7 規定了宜設置電氣火災監控系統的場所。下面從幾個方面談談對剩余電流電氣火災監控系統的認識。

1 剩余電流和泄漏電流

1.1 相關定義

國家標準《電氣安全術語》GB/T 4776—2008 中對剩余電流和泄漏電流有如下定義：

剩余電流，英文名稱Residual Current，帶電導體均存在，是指在電氣裝置電路中特定點上的電流代數值總和。泄漏電流，英文名稱Leakage Current，由于絕緣不良而在不應通電的路徑中流過的電流。

對于剩余電流，《剩余電流動作保護電器的一般要求》GB/Z 6829—2008 中的定義為“流過剩余電流保護器主回路的電流瞬時值的矢量和（用有效值表示）”。可見，我國關于剩余電流的含義也存在不同的認識，國際上同樣如此。IEC 標準中關于剩余電流的定義從開始的“瞬時電流值的向量和的有效值”到后來的“瞬時電流值代數和”。

關于泄漏電流。IEC/TR 60755—2008 中也有相應的規定，earth leakage current，直譯為對地泄漏電流。釋義為沒有絕緣故障的情況下，由裝置的導電部位流入大地的電流，這里強調的是沒有絕緣故障；還有與之相對應的一個定義earth fault current，直譯為對地故障電流，釋義為由于絕緣故障流入大地的電流，這里強調的是絕緣故障。

另外，關于泄漏電流，即流入大地和電路中外露可導電部分等不應通電的路徑中流過的電流，有正常情況和異常情況之分。正常情況下，即絕緣正常情況下，一般稱為自然泄漏電流；異常情況下，即絕緣故障或絕緣損壞，此時的泄漏電流嚴格來說應該稱為故障電流，為了與自然泄漏電流相對應，可稱為異常泄漏電流。

1.2 二者的區別

（1）泄漏電流是剩余電流的一種，剩余電流的含義包括了泄漏電流。

（2）泄漏電流指的是電流為經過供電回路而從PE 或大地等途徑返回電源的電流，而剩余電流是電感、電容在沒有外接電源后，其自身存儲的能量卸放過程產生的電流叫剩余電流，低壓配電線路中各相（含中性線）電流矢量和不為零的電流。

（3）剩余電流：根據消防部門的統計，在全國的火災事故中，電氣火災約占1/3，在電氣火災事故中，由于低壓線路單相接地故障，造成事故約占電氣火災事故的1/2。泄漏電流是用電器外殼和市電火線間由于某種原因連通后和地之間有一定的電位差產生的。

1.3 剩余電流和測試位置的關系

剩余電流是否為零與剩余電流的測試位置相關。如圖1 所示，系統發生接地故障，接地故障點此時產生異常泄漏電流，如果測試點在A 處，則有剩余電流產生，剩余電流大小等于異常泄漏電流的大小，如果測試點在B 處測試，則沒有剩余電流，流入和流出的電流向量和為零。所以,剩余電流測試位置的選擇很關鍵，正確的選擇可以得知系統中是否存在異常泄漏電流。

實際應用中，測試位置越接近電源附近，則能監測很遠的回路。因此，一般情況下將剩余電流電氣火災監控探測器安裝于總電源及各主要支路的輸出口。通過剩余電流互感器檢測電氣線路的剩余電流，當發生電氣火災事故時，值班人員能及時處理，通知電工或專業技術人員排除隱患。

圖1 剩余電流與測試點的關系

2 剩余電流電氣火災監控系統與RCD 的區別

在大規模采用剩余電流電氣火災監控系統之前，配電系統一般采用剩余電流保護電器（RCD）進行此類火災的防范。剩余電流電氣火災監控系統可以簡單地理解為將若干個RCD 聯網組成一個系統，二者的區別主要體現在以下3 個方面：

（1）剩余電流電氣火災監控系統能夠在控制中心顯示報警的位置，RCD 則沒有此項功能。

（2）剩余電流電氣火災監控系統能夠即可設置為報警且執行斷電操作，也可設置為只報警而不執行斷電操作，RCD 則一般是報警即動作，有些RCD 是斷路器加漏電模塊，可做到只報警不跳閘。

（3）剩余電流電氣火災監控系統的基本功能是防范電氣火災，而RCD 則分為防范火災的RCD 和防止人身觸電的RCD。剩余電流電氣火災監控系統與RCD 最本質的區別在于報警策略，RCD 的報警策略無任何人工智能方面的考慮，是一種簡單的判斷策略，忽略了系統特點、負荷性質以及三相負荷的平衡程度等因素對背景剩余電流值的影響，因此在準確、可靠報警方面存在漏洞。而且防火型RCD 的報警值之所以設定為300 mA，是以文獻中認為300 mA 的剩余電流已經足可以引起火災為前提的，并不屬于早期探測。

剩余電流電氣火災監控系統的報警策略則不同，雖然目前的系統在報警智能化方面的進展較為緩慢，但只要在報警算法上取得突破，則完全可以實現報警智能化。即實現根據系統的用電特點、負荷性質等因素針對性地設定報警值，而且報警值可實現隨著系統的變化而重新設定，即實現報警動作值的動態調整。

3 剩余電流電氣火災監控系統的類型和特點

3.1 多功能剩余電流探測斷路器型

電氣防火監控系統探測器實際上是一個功能多樣化了的、具有多項保護功能的斷路器，可以組網實現集中控制。該探測器除具有剩余電流探測和報警功能外，同時包含短路保護、過載保護、過電壓保護、欠壓保護、缺相保護甚至防雷等多項功能。探測器將電流互感器、電源變換電路、信號處理電路、報警電路、通信接口和斷路器集合在一起，形成多功能剩余電流探測斷路器。

該系統具有以下優點：①保護功能多；②接線簡單，易于安裝；③內置電流互感器和剩余電流互感器，整合度高，體積小。

其缺點是：①結構復雜；②產品品種不全，目前該類型探測器的最大額定電流只有225 A；③包含電源控制開關，一旦故障，可能造成斷電；④由于該探測器需要取代原有的斷路器，因此對于改造建筑來說，不但要更換原有的斷路器，而且要改動線路；⑤從電氣防火的角度來說，需要考慮探測器的多項保護功能是否都有必要。

3.2 探測器和斷路器分離型

通過剩余電流互感器檢測電氣線路的剩余電流信號，經單片機系統分析處理后，將結果上報至集中控制器，實現對被監控線路的電流和剩余電流監測，而且可以通過斷路器的脫扣裝置自動切斷電源。

該系統具有以下優點：①探測器不接入配電系統，只通過互感器獲得取樣信號和進行脫扣控制，與電氣設備和線路無電氣聯系，即使故障也不影響正常用電；②適用范圍廣，不受斷路器額定電流限制；③實用性強，無論新工程還是改造工程都比較實用；④功能簡單，可靠性強。

其缺點是：①對于改造工程來說，探測器及探測控制器的安裝較為困難；②功能單一，只有剩余電流探測功能。

4 剩余電流電氣火災監控系統存在的問題

4.1 配電系統存在的問題

4.1.1 配電系統接線問題

（1）中性線（N 線）與保護線（PE 線）錯誤連接。配電系統中，N 線與PE 線在圖2 所示的位置進行了連接，N 線中電流可能會經過PE 線或從PE 線分流返回到電源，所以N 線中電流會隨負載大小而變化，導致監控的剩余電流超過報警設定值，從而誤報警。

（2）N 線與PE 線接反。在N 線和PE 線正常接線的情況下，將回路中的N 線斷開，單相負荷回路無法工作，且PE 線斷開單相負載工作不受影響，只是電氣負載失去接地保護。在N 線和PE 接反時（圖3），人身安全會受到威脅外，監測的剩余電流可能超過報警設定值，造成誤報警。

4.1.2 重復接地低壓配電系統

在TN-S 接地形式的低壓配電系統中，為了防止N 線斷線造成中性點漂移導致電壓失衡，對中性線進行重復接地的處理方式（圖4）。這樣的系統不能安裝漏電保護，同樣也不能安裝剩余電流電氣火災報警系統。如果安裝勢必造成漏報警，本應流過N 線返回電源的電流，經大地分流，導致探測到的剩余電流增大，從而導致誤報警。

4.1.3 雙電源自動切換回路

一是采用四極斷路器，二是采用四極雙電源自動切換裝置，使得流回電源的中性線電流無法分流，從而保證系統正常工作。

4.1.4 配電系統電磁干擾

當配電系統線路中因為電位耦合，電容耦合，電磁線耦合產生電磁干擾時，某一時刻其中一相線產生瞬時大電流脈沖，導致三相電流瞬間失去平衡，此時檢測到的剩余電流瞬間大幅度增加并且超過報警閥值，發出的報警是“誤報”。

圖2 N 線與PE 線錯誤連接

圖3 PE 線與N 線接反

圖4 重復接地低壓配電系統

4.2 報警系統問題

4.2.1 測試原理

剩余電流電氣火災監控系統基本都是采用相線和N 線同時穿過剩余電流互感器的三相測試方式，剩余電流報警值只考慮幅值的大小，并不考慮相位。該測試原理在正常情況下測到的是各相剩余電流的合成值，而在異常情況下，測到的是各相剩余電流合成值與異常剩余電流的向量合成。因此，只要正常情況下的合成剩余電流值不為零，發生單相接地故障的情況下，各相報警所需的異常剩余電流必然存在差異，而且這種差異會隨著正常情況下剩余電流合成值的增大而增大，即在設定的報警值不變的情況下，原來需要的異常剩余電流小于報警值的相，其需要的異常剩余電流變的更小了，而原來需要的異常剩余電流大于報警值的相，其需要的異常剩余電流變的更大了。一旦正常情況下的合成剩余電流過大，這種差異必然影響到報警的可靠性，即需要的異常剩余電流較小的相可能發生誤報警，而需要異常剩余電流較大的相則可能發生漏報警。

從上面的分析可以看出，要保障三相具有相同的報警靈敏度，則必須確認正常情況下剩余電流的相位，相位不同，報警所需的剩余電流大小也不同，這就對剩余電流數據的采樣頻率提出了更高的要求，無論硬件還是軟件均必須滿足相位的要求。

4.2.2 報警值設置不當

當報警值設置的高于正常剩余電流最大值時，即使配電系統在某一時刻測出了異常的剩余電流，但是由于沒有超過報警值，系統不會報警，從而導致漏報警。因為電氣火災監控系統的剩余電流報警值只能人為設定，一旦設定就是固定的，而配電系統在正常情況下的剩余電流是變化的，幅值和方向也會發生變化，這就使固定報警值因為設置不當造成電氣火災監控系統在運行時產生漏電報警和誤報警。

4.3 系統的局限性

（1）系統不是直接探測火災，只能通過探測剩余電流來發現由異常泄漏電流這單一原因形成的電氣火災隱患，不能解決低壓配電系統所有的電氣火災預防問題。例如，如果相與相之間發生短路，則系統完全探測不到。

（2）從目前系統的報警原理來看，不但不能區別金屬性接地故障電流和電弧性接地故障電流，同時也不能區別配電系統的自然泄漏電流和異常泄漏電流，因此必然存在誤報警。

（3）無法確定故障點，最多只能確定產生異常泄漏電流的回路。

5 結語

總結我國歷年發生的電氣火災情況,其中電氣線路火災一直居于首位。盡管剩余電流電氣火災監控系統有著局限性，但利用此系統對電氣系統的線路和設備進行安全檢測，及早發現和消除隱患，是預防和消除電氣火災的有效辦法，并已經在實踐中發揮了積極作用，設計人員和工程技術人員對該系統的作用和重要性也已經有了基本的了解，系統的應用情況越來越廣泛。