關(guān)于“剩余電流動作系統(tǒng)動作值”的疑問探討

對《低壓配電設(shè)計規(guī)范》6.4.3條進行了解讀，分析對地泄漏電流對剩余電流火災(zāi)報警系統(tǒng)動作值的影響，并針對在實際工程中如何整定系統(tǒng)報警動作值，提出建議。

0.引言

剩余電流火災(zāi)報警系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”）的工作原理是根據(jù)基爾霍夫電流定律，用零序電流互感器（ZCT）來檢測電路中剩余電流，并利用總線技術(shù)將若干檢測數(shù)據(jù)傳輸至控制中心聯(lián)網(wǎng)組成一個系統(tǒng)，當超過一定值時報警或作用于脫扣裝置推動開關(guān)跳閘。其主要功能是對可引起火災(zāi)的單相接地故障進行防范。

文章[1]討論了剩余電流火災(zāi)報警系統(tǒng)適用范圍及其與用作電擊防護的剩余電流動作保護器（RCD）的區(qū)別。通常剩余電流火災(zāi)報警系統(tǒng)的動作值要大于用作電擊防護功能的RCD的動作值。國家標準GB50054-2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《低規(guī)》） 6.4.3條規(guī)定：“為減少接地故障引起的電氣火災(zāi)危險而裝設(shè)的剩余電流檢測或保護器，其動作電流不應(yīng)大于300mA”。該規(guī)范條文僅就剩余電流動作值的上限提出了基本要求，并未指出在工程實例中該如何整定剩余電流動作值。本文擬對剩余電流動作值作解讀及實際工程中系統(tǒng)報警動作值的整定進行分析。

1．對《低規(guī)》6.4.3條的解讀

1.1接地故障電流值不超過300mA的本質(zhì)是故障發(fā)熱功率不超過100W

國外試驗表明發(fā)生單相接地故障時，引發(fā)火災(zāi)所需要的最低功率。當發(fā)熱功率大于100W，如集中于一處釋放，則有引發(fā)火災(zāi)的可能。決定火災(zāi)能否發(fā)生的本質(zhì)是接地故障的發(fā)熱功率，故障點發(fā)熱功率等于故障持續(xù)電流與線路電壓的乘積, 。而故障持續(xù)電流受線路過電流保護裝置動作值的影響，《電氣安裝技術(shù)手冊》【2】表4-1-10給出在230V電壓下的故障電流和發(fā)熱功率數(shù)值列于表 1。

由表1可見，在500mA時，發(fā)熱功率達115W，足以引發(fā)火災(zāi)。選取300mA作為報警動作值較500mA對于接地故障電氣火災(zāi)的防范更合理。

《低規(guī)》6.4.3條“為減少接地故障引起的電氣火災(zāi)危險而裝設(shè)的剩余電流檢測或保護器，其動作電流不應(yīng)大于300mA”中未見其對電壓的約束條件，則只能依據(jù)《低規(guī)》總則1.0.2“本規(guī)范使用于新建、改建和擴建工程中交流、工頻1000V及以下的低壓配電設(shè)計”之規(guī)定來理解。

筆者理解《低規(guī)》6.4.3條規(guī)定的剩余電流動作值不大于300mA應(yīng)限于220/380V電壓系統(tǒng)。理由是，從故障發(fā)熱功率不超過100W的本質(zhì)要求來限定剩余電流動作值，則必須指出其適用的電壓等級。例如在380/660V電壓系統(tǒng)中，相電壓為380V，如剩余電流動作值規(guī)定為300mA，故障點的最大發(fā)熱功率可達到114W。又如當相電壓為48V時，故障點泄露電流為2.08A時其發(fā)熱功率才達到100W?？梢娽槍Σ煌墓╇娤到y(tǒng)電壓，剩余電流動作值不應(yīng)一概規(guī)定為300mA。建議《低規(guī)》6.4.3條應(yīng)明確系統(tǒng)電壓為220/380V，否則有失規(guī)范的嚴謹性。

1.2 《低規(guī)》6.4.3條應(yīng)規(guī)定剩余電流檢測或保護器的動作條件是“接地故障電流值不大于300mA”，而不是剩余電流動作值不大于300mA

GB 13955- 2005《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》第3節(jié)“術(shù)語和定義”中規(guī)定：

“ 3.3 剩余電流residual current

       流過剩余電流動作保護裝置主回路電流瞬時值的矢量和(用有效值表示)。

 3.4 剩余動作電流residual operating current

       使剩余電流動作保護裝置在規(guī)定條件下動作的剩余電流值?！?/span>

根據(jù)定義可知，在發(fā)生接地故障條件下保護裝置檢測到的剩余電流同時包含接地故障電流和線路（含設(shè)備）的對地泄漏電流，其值是兩者的矢量和，且保護裝置無法識別故障電流和對地泄漏電流各自大小。剩余電流值不等同于接地故障電流值。為了防止電氣火災(zāi)的發(fā)生，需要限制的是接地故障電流不大于300mA，當接地故障電流達到300mA時保護裝置動作或發(fā)出告警。顯然，《低規(guī)》6.4.3條規(guī)定的剩余電流動作值不大于300mA并不能保證接地故障電流也不大于300mA。

2.對地泄漏電流

由于線路對地存在分布電容以及線路和用電設(shè)備本身的絕緣也存在電阻，因此正常情況下線路和用電設(shè)備存在對地泄漏電流，或稱之自然泄漏電流。表1～表3為線路及設(shè)備的對地泄漏電流值。

表1  220/380V單相及三相線路埋地、沿墻敷設(shè)穿管每千米泄漏電流（單位mA/km）

表2  熒光燈、計算機的泄漏電流

表3  電動機的泄漏電流

由表1～表3可看出：

（1）導(dǎo)線的絕緣材料對線路的對地泄漏電流有較大影響，對比三種絕緣材料的導(dǎo)線，其中聚氯乙烯絕緣導(dǎo)線對地泄漏電流最大，聚乙烯絕緣導(dǎo)線對地泄漏電流最小。例如，正常情況下一段200m長截面為150mm的電纜，采聚氯乙烯絕緣時，其對地泄漏電流0.2*112=22.4mA；采用聚乙烯絕緣材料時，對地泄漏電流為0.2*38=7.6mA。正常情況下，一般不超過200m的低壓配電線路，選用聚乙烯電纜，其對地泄漏電流不超過10mA，可見對剩余電流火災(zāi)報警系統(tǒng)的報警動作值影響不大。

（2）熒光燈為單相負荷，單個配電回路對地泄漏電流較小，按照單個配電回路的光源數(shù)不超過25個來計算，單個配電回路中總的對地泄漏電流之和不超過2.5mA。當實際工程中照明燈具數(shù)量較多時，應(yīng)盡量三相均勻配電，可使三相對地泄漏電流之和減小。

（3）計算機為單相負荷，且泄漏電流較大，需要限制單相回路上計算機負荷數(shù)量，通過三相均勻配電，降低三相配電線路的對地泄漏電流。

（4）電動機的為三相電路理論上對稱的，考慮制造工藝、材料等偏差，其對地泄漏電流較小，正常運行時，其泄漏電流值對系統(tǒng)報警動作值的影響不大。

3.對地泄漏電流對系統(tǒng)報警動作值影響的理論分析

剩余電流的理論依據(jù)是基爾霍夫電流定律，即“在集總電路中，任何時刻，對任一節(jié)點，所有支路電流的代數(shù)和恒等于零”。根據(jù)定義，基爾霍夫電流定律時域形式的表達式，三相正弦電路可用矢量形式來表達。系統(tǒng)安裝要求全部帶電導(dǎo)線均穿過零序電流互感器的高導(dǎo)磁鐵心。正常時，系統(tǒng)檢測到的電流是線路的對地泄漏電流值，當發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)檢測到的電流是線路對地泄漏電流與故障電流之和，可以用公式（1）來表達

                            （1）

式中： —系統(tǒng)檢測的電流值；

—線路對地泄漏電流值，指的是所有帶電導(dǎo)線對地泄漏電流值之和；

—故障電流值。

3.1 三相對稱線路

假設(shè)三相電源是對稱的，對三相配電線路來說，當三相導(dǎo)線阻抗和三相負載均相等則稱三相對稱線路。理論上，三相對稱線路的三相對地泄漏電流之間也為120o相位差，且大小相等，三相對地泄漏電流之和為零。實際上，三相線路中各相導(dǎo)線的材料、制造工藝、絕緣性能、運行電壓偏差等原因?qū)е氯€路對地泄漏電流之和不為零，但值較小。

3.2 三相不對稱線路                                                                                      

當三相負載不相等時，則稱為不對稱線路。當三相配電線路中帶有單相負荷時，通常是不對稱線路。當三相線路不對稱時，三相對地泄漏電流之和不為零。由公式（1）可知，三相自然泄漏的幅值和相角對系統(tǒng)報警值均有影響，以下舉例分析。

例1.正常時三相線路的對地泄漏電流分別為(單位mA)：

假設(shè)此時B相線路發(fā)生單相接地故障，接地故障電流為

圖 1  例1中三相對地泄漏電流與故障電流向量圖

經(jīng)計算三相自然泄漏電路之和，如圖1所示與B相故障電流反向，假設(shè)報警動作值（幅值大?。┱?00mA，當B相故障電流達到300mA時，需要系統(tǒng)理應(yīng)發(fā)出報警，但系統(tǒng)顯示的檢測電流大小為280mA（mA），系統(tǒng)不發(fā)出報警，只有當B相故障電流達到320mA時，系統(tǒng)報警才動作。可見此種情況會發(fā)生漏報警。

例2. 正常時三相線路的對地泄漏電流分別為(單位mA)：

圖 2  例2中對地泄漏電流與故障電流向量圖

經(jīng)計算得三相自然泄漏電路之和，如圖3所示與B相故障電流同向，假設(shè)報警動作值設(shè)定為300mA，若此時B相發(fā)生接地故障時，則B相故障電流只需達到280mA（）時，系統(tǒng)則發(fā)出報警。

上述兩例分別分析了對地泄漏電流與故障電流最大相角差與最小相角差時的檢測電流的計算值?？蓺w納如下結(jié)論：

（1）對地泄漏電流值的幅值和相角均會影響系統(tǒng)報警動作的靈敏度。因?qū)Φ匦孤╇娏骱徒拥毓收想娏髦g相角具有隨機性，故使系統(tǒng)報警動作的最小接地故障電流值處于（）之間。

（2）使系統(tǒng)報警必定動作，接地故障電流必須不小于，可用公式（2）表示

              （2）

（3）由于三相對地泄漏電流值與各相接地故障電流之間相角差不同，因此使系統(tǒng)報警動作的各相接地故障電流值也各不相同。

單相配電線路中對地泄漏電流的影響，可以歸結(jié)為三相不對稱線路的特殊形式。

4. 系統(tǒng)報警動作值整定為（）mA

實際工程常見的做法有兩種，第一做法是將報警動作值整定為mA，第二做法是將報警動作值整定為300mA。第一種做法違反《低規(guī)》） 6.4.3條“系統(tǒng)報警動作電流不應(yīng)大于300mA”之規(guī)定暫且不論，其會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生漏報，因為系統(tǒng)檢測到的實際電流不是自然電流和故障電流的代數(shù)和，二是兩者的向量和，上節(jié)已作詳細分析。第二種做法是否合適，筆者認為這種做法值得商榷。

當對地泄漏電流為零，系統(tǒng)報警動作電流值整定為300mA，無可非議。在實際工程中，三相線路不對稱的情況較多，對地泄漏電流值也不為零。如將系統(tǒng)報警動作值整定為300mA時，由本文3.3節(jié)的結(jié)論可知，使系統(tǒng)發(fā)生報警的最小接地故障電流為（）mA之間的某個數(shù)值，故不能夠保證，接地故障電流為300mA時系統(tǒng)一定報警。所以這種情況也存在漏報，漏報區(qū)間為（300～）mA。舉例說明，如線路對地泄漏電流值為50mA，系統(tǒng)報警動作值設(shè)定為300mA，當對地泄漏電流與接地故障電流方向相反時，則接地故障電流必須超過350mA系統(tǒng)才發(fā)出報警。當接地故障電流在300mA～350mA之間時，系統(tǒng)報警則不動作，造成漏報。

上述分析可知，系統(tǒng)報警動作值整定為300mA的做法只適用于三相對稱線路對地泄漏電流為零的情況。在不對稱線路中因?qū)Φ匦孤╇娏鞑粸榱?，系統(tǒng)會發(fā)生漏報警。系統(tǒng)報警動作電流值整定為多少合適？

當接地故障電流為300mA時，其釋放的能量能夠引發(fā)電氣火災(zāi)，所以當接地故障電流達到300mA時，系統(tǒng)必報警。將代入公式（2）可得。筆者建議系統(tǒng)報警動作值整定為mA。

當然，系統(tǒng)報警動作值為mA解決了漏報問題，但同時又帶來提前報警的問題，即報警的靈敏度提高。因為當對地泄漏電流與故障電流同相位時，系統(tǒng)報警動作的最小故障電流為mA。例如，對地泄漏電流為50mA時，系統(tǒng)報警動作值整定為250mA，可使系統(tǒng)報警動作的最小接地故障電流為200mA。

考慮到系統(tǒng)是對接地故障引起的電氣火災(zāi)起到預(yù)警作用，提醒管理人員對線路進行故障排查，消除潛在隱患，故也就無須在故障電流達到可引起火災(zāi)的臨界值（300mA）才發(fā)出報警。只要提前報警的故障電流值不是太小（如100mA以下），對用戶和管理者來說是可以接受的。

在實際工程中，使系統(tǒng)報警動作的接地故障電流（）不宜太小，否則靈敏度過高，誤報頻頻，給系統(tǒng)的運行和管理帶來不便。筆者建議可將其在150mA以上。當mA為150mA時，可計算出對地泄漏電流值為75mA。此時系統(tǒng)報警動作值設(shè)定為225mA。當某檢測點處的對地泄漏電流值大于75mA時，該處可不設(shè)檢測點，可將檢測點移至下一級配電箱處。

5. 結(jié)語

需要指出，本文探討的剩余電流動作值300mA的應(yīng)用場所需依據(jù)《低規(guī)》6.4.3的條文說明執(zhí)行，該說明為“…故規(guī)定在火災(zāi)危險場所內(nèi)，剩余電流檢測器的動作電流值不宜大于300mA，一般場所不受此值限制，可根據(jù)實際情況調(diào)整動作電流值”。對于一般場所的動作電流值為多大？如何執(zhí)行？不屬于本文討論范疇。但本文所討論的動作值整定原理則可以借鑒。