剩余电流动作保护器在接地系统中的应用

1 RCD的基本工作原理

RCD一般由剩余电流检测模块和断路器组成，断路器起接通、承载和分断电路的作用，剩余电流检测模块一般由剩余电流互感器、信号放大器、信号判别元件、脱扣执行元件组成。负载线路接入RCD后即穿过了剩余电流互感器，形成一次绕组；剩余电流互感器自带的线圈形成二次绕组。正常工作时，线路中剩余电流为零，即穿过剩余电流互感器的所有线路电流矢量和为零[3-7]，有式中，Iu、Iv、Iw、In、为各相电流矢量。因此，在剩余电流互感器铁心中产生的磁通矢量和同样为零，故不会在二次绕组中感应出电流，信号判别元件判断线路中没有剩余电流，RCD不会动作；当发生故障使线路中产生正弦或脉动直流剩余电流时，即I_x0005_Δ≠0，在剩余电流互感器铁心中产生的磁通矢量和不为零，此时会在二次绕组感应出电流。当剩余电流在检测范围内时，磁心工作在线性区，二次侧感应电流与剩余电流大小成正比，该电流信号经过信号放大器后，在判别元件中与设定的剩余电流动作标准值对比，当检测到的剩余电流值超过设定值时，判别元件向执行元件发出信号，执行元件驱动断路器动作，切断电源，从而起到漏电保护的作用。

由此可见，剩余电流互感器是整个RCD的核心部件，RCD能否起到漏电保护作用，取决于剩余电流互感器是否正常工作[8-9]。当线路中电流为正弦型或脉动直流型、剩余电流互感器磁心未饱和且工作在线性区时，RCD动作与否取决于穿过剩余电流互感器的所有线路电流矢量和的大小。

2用电负载的电流矢量分析与计算

在RCD性能良好且不考虑电源类型及频率的情况下，RCD能否正常工作，取决于流经其进、出线端的电流矢量和，故用电负载的电流矢量分析对于RCD的应用至关重要[10]。低压供电网可提供单相和三相两种供电方式，其中三相供电时根据负载的分布和接线方式可分为星形联结和三角形联结。

2.1单相供电时负载的电流矢量

图1为单相供电负载接线示意图，无论Z为纯阻性负载还是复阻抗负载，流经负载Z的电流矢量如图1所示，根据KCL定律可得式中，Il、In分别为负载的相线与中性线电流矢量。式（2）表明，无论负载Z的大小如何，在无电流泄漏的情况下，流经负载的电流矢量和始终为零。2.2三相供电时负载的电流矢量

1）负载星形联结时的电流矢量

三相供电负载星形联结示意图如图2所示。负载星形联结时，如果三相负载对称平衡，可不需要中性线，如图2（a）所示。但是在图2（a）的情形下，存在负载异常导致三相负载不平衡的情况，此时会产生中性点漂移。图2（a）中，设Z2 1=λZ，Z3 1=μZ，分别取a、b、c节点为参考对象，根据KCL定律和欧姆定律可得式中：Iu、Iv、Iw为三相负载各相线电流矢量；λ为阻值Z2与Z1之比；μ为阻值Z3与Z1之比。解析式（3）得特别地，当λ=μ=1时，三相负载对称平衡；当λ≠μ时，三相负载不平衡，中性点发生漂移。结合式（3）、式（4）可知，无论三相负载平衡与否，式（4）总是成立，表明三相负载星形联结不带中性线时，在无电流泄漏的情况下，各相的线电流矢量和始终为零。2（b）中，中性点连接零线，构成中性线，此时相电压Up与线电压Ul有固定的关系，即Ul=3Up。线电压Ul取决于电源系统，电源系统稳定则线电压不会改变，故Up不因各相负载的阻值大小而改变。线电流与相电流大小相等，即Il p=I，若认为三相负载电流由各相线流入，由中性线流出，取中性点为参考对象，根据KCL定律可得式中：Iu、Iv、Iw为三相负载各相线电流矢量；In为中性线电流矢量。由式（5）可知，三相负载星形联结带中性线时，在无电流泄漏的情况下，所有相线加中性线的电流矢量和始终为零。

2）负载三角形联结时的电流矢量

三相供电负载三角形联结示意图如图3所示。图3中负载为三角形联结，分别取三根相线与负载的连接点e、f、g作为参考对象，根据KCL定律可得式中：

Iu、Iv、Iw为三相负载的线电流矢量；Iuv、Ivw、Iwu为流经三相负载Z1、Z2、Z3的相电流矢量。结合式（6）、式（7）可知，无论三相负载Z1、Z2、Z3的阻值大小如何，式（7）总是成立，表明负载三角形联结时，在无电流泄漏的情况下，各相线电流矢量和始终为零，与各相负载的阻值大小无关，也与三相负载是否平衡无关。

3 RCD在接地系统中的应用

低压配电网的接地系统分为TT、TN、IT三种，其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S三种。每种接地系统有各自的特点，因RCD的工作原理，其工作状态与接地系统的类型和接线方式有关，若应用和接线方式有误，RCD会拒动或误动，从而引发安全事故[11-12]。

3.1 RCD在TT系统中的应用

RCD在TT系统中的应用示意图如图4所示。TT接地系统中，供电侧电源系统有一点直接接地，用电侧负载的外露可导电部分通过接地极接地。安装RCD时，相线与中性线全部接入RCD，且中性线连接在有明确标识的中性极，如图4（a）中A所示，结合式（5），此时有式中，I_x0005_Δ为穿过RCD的所有线路电流矢量和，也可称作剩余电流。若相线或中性线与负载的外露可导电部分因绝缘故障发生漏电，负载的外露可导电部分与大地之间就存在电压，进而负载的外露可导电部分通过接地线PE或人体（当负载的外露可导电部分接地不良而人体触摸到时）产生接地故障电流，也称泄漏电流或剩余电流。结合式（5），此时该电流为剩余电流的大小视绝缘故障的程度而定，当I_x0005_Δ达到或超过RCD额定值时，RCD会动作切断电源，保护设备和人身安全。还有一种情况如图4（a）中B所示，负载中性线未接入RCD，接地线PE无电流通过或无人体触碰负载的外露可导电部分而触电，此时有式（10）表明，仅当三相负载对称平衡时，有IΔ_x0005_=-In=0，RCD不会动作；一旦负载不平衡，则有IΔ=-In≠0。若｜IΔ｜比较大，则RCD立即动作。

3.2 RCD在TN系统中的应用

TN接地系统有TN-C、TN-S、TN-C-S三种，这三种接地系统的本质是一样的，即供电侧电源系统中性点接地，用电侧负载的外露可导电部分接中性线，接地线PE与中性线N在电气上相连。RCD在所有TN接地系统中的应用原理是一样的，为减少篇幅，此处以TN-C接地系统为例进行分析说明。RCD在TN系统中的应用示意图如图5所示。

参考文献

[1]剩余电流动作保护电器(RCD)的一般要求:GB/T6829—2017[S].北京:中国标准出版社,2018.

[2]低压电气装置第1部分:基本原则、一般特性评估和定义:GB/T 16895.1—2008[S].北京:中国标准出版社,2009.

[3]杨勇.漏电断路器误动作故障分析及解决措施[J].电气开关,2018,56(4):94-96.

[4]魏 波,邓谊爽,普朝鸿,王凌峰,文小川.剩余电流动作保护器在接地系统中的应用分析.

[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.06版