产品︱剩余电流动作保护器在有色金属选矿厂低压配电系统中的应用
中国电工技术学会定于2016年9月26~27日在安徽省合肥市举办“2016第五届新能源发电系统技术创新大会”（原“分布式发电与微电网技术大会”），主题为“能源互联网关键技术、储能电站与微电网建设”。
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北京矿冶研究总院的研究人员张大伟、厉彦江、王云，在2016年第6期《电气技术》杂志上撰文，通过对剩余电流动作保护器的介绍与应用，并结合众多工程设计实例，提出了剩余电流动作保护器在几种常见情况下使用的必要性。
剩余电流动作保护器在TN接地系统中对于工厂单相接地故障起到保护作用。在某些情况下，应使用带剩余电流保护功能的塑壳断路器进行电动机或线路保护。
目前我国低压400V配电系统绝大部分都采用变压器中性点直接接地形式，即TN或TT接地系统。在电力系统10~35kV变电站中采用变压器中性点不接地或经阻抗接地，还有煤矿井下配电系统也采用变压器中性点不接地型式，即IT接地系统。而工业及民用低压配电系统中，TN接地系统得到广泛应用。
原因是当400V中性点直接接地系统中发生单相接地故障时，将出现很大的零序电流，而在正常运行情况下三相平衡它们是不存在的，因此利用零序电流来构成接地短路的保护，就具有显著的特点。
但是TN系统也有它的缺点，例如当相零回路阻抗较大时，短路电流会很小，过电流保护断路器经常不能满足切断故障电路的时间要求，此时人体触及用电设备外壳就会发生触电危险。在工厂短路故障中，单相接地故障约占60%，这就需要广大工程设计人员计算低压配电系统高阻抗回路的短路电流，正确选择剩余电流动作保护器。
本文结合工程设计实例及低压网络短路电流计算，列举了几种常见情况下剩余电流动作保护器使用的必要性。
1 剩余电流动作保护器的介绍及工作原理
我国的剩余电流动作保护器（RCD），俗称漏电保护器，是从20世纪70年代中期开始发展，并首先在农村低压电网中推广应用的，经过20世纪80年代到90年代的不断完善和发展已形成一个品种完善、规格齐全，符合IEC国际标准的剩余电流保护器的产品系列。在低压电网的安全保护中，尤其是农村低压电网的安全保护中发挥了重要的作用。
目前，RCD主要有两种形式，一种是电磁式，一种是电子式。电磁式RCD元件制造工艺高，工作可靠性高，受环境温度影响很小，绝缘耐压能力强，受外界磁场干扰影响小，成本相对较高，使用寿命也比电子式长2～3倍。所以在工业与民用配电设计中，电磁式RCD应用最为广泛。
图1是在漏电切断情况下的单相接地故障示意图。在通常状况下，电路开关（QF）是闭合的，当用电设备发生单相接地故障时，漏电断路器内的零序电流互感器检测出感应电压并使QF动作切断电源。
图1 单相接地故障示意图
零序电流互感器(ZCT)是检测单相接地故障非常有效的传感器，图2介绍了零序电流互感器的工作原理。现假设在负荷一侧有去电流、来电流的一次导体。当用电设备正常运转时，即绝缘良好时，去和来的电流在零序电流互感器中是平衡的，所以互感器二次侧绕组不感应电压。
当用电设备发生意外故障（例如绝缘老化引起接地故障）时，一次导体中的电流失去平衡，在互感器二次侧感应出电压，利用此电压断开电路的开关。以上就是ZCT的简单工作原理。
图2 ZCT工作原理示意图
2 低压配电系统中塑壳断路器使用中存在的问题
结合笔者实际参与的众多工程设计项目，总结出在以下情况中应使用带剩余电流保护功能的塑壳断路器进行工厂电动机保护或线路保护。
2.1 400V分配电室母线段低压配电用断路器应采用带剩余电流保护功能
在实际工程设计过程中，低压配电系统均采用放射式接线形式，配电线故障互不影响，供电可靠性较高。既在工厂负荷集中区域设置400V低压变配电室，但有些时候某个车间距离配电室相对较远，需要在此设置分配电室。
图3 某工程配电系统示意图
例如，某工程改造项目有磨浮车间、过滤车间、浓密机、泵房等建筑物，配电室设置在磨浮车间，在距离较远的过滤车间设分配电室，配电系统图见图3。由于过滤车间距离磨浮车间配电室较远，而且有1台酸泵，功率2.2kW，距离过滤车间配电室约140米。需要计算此馈线单相接地短路电流，计算过程如表1所示。
表1 低压三相短路和单相接地短路计算
已知2.2kW酸泵馈出回路断路器为10A，其瞬时过电流整定值为120A。由表1可知线路L2末端发生单相接地故障时，短路电流为117A，断路器不能瞬时脱扣。故应该选择带剩余电流保护功能的塑壳断路器。
2.2 低压配电用塑壳断路器“一拖多”情况下应采用带剩余电流保护功能
在工厂低压配电系统中，经常会遇到很多小功率的用电设备，例如变频电机风扇。这类设备功率小、数量多，如果对每台设备单独配电，每台设备都需配塑壳断路器，配电柜数量就会增多，成本也会相应增加。
如果改为一个塑壳断路器配电，即一个断路器带多台设备，所选断路器额定电流会变大，这种情况下需要校验每根电缆的单相接地短路电流，如图4所示。
图4 某工程配电系统示意图
图中所示为某工程项目，4台3kW螺旋输送机共用一台塑壳断路器且同时工作，断路器额定电流为25A，每根电缆为YJV-0.6/1kV-4*2.5mm²，长度为111米，
400V母线长度4米。短路电流校验计算如表2所示。
表2 低压三相短路和单相接地短路计算
由计算表2可知，电缆末端三相短路电流为300A，单相接地短路电流只有96A。而3kW电动机额定电流为6.4A，故选择额定电流为25A的塑壳断路器，其瞬时过电流整定值为300A。当发生单相接地故障时，断路器不能瞬时脱扣，电动机绕组将被烧毁。故应该选择带剩余电流保护功能的塑壳断路器。
3 RCD额定剩余动作电流的选择
正确合理地选择RCD的漏电动作电流是非常重要的，一方面在发生接地故障时，RCD有动作选择性，另一方面RCD在正常泄漏电流作用下，不应动作而导致供电中断，造成不必要的经济损失。
配电设计手册[5]P637页介绍了电气线路和设备正常泄漏电流值及RCD的选择，
(1)用于插座回路和末端线路，并侧重防间接电击时，应使I△n≤30mA。
(2)用于单台设备时，RCD的额定剩余动作电流I△n要求大于所保护的电气装置和线路正常泄漏电流总和的4倍，一般动作电流应在6~30mA，动作时间≤0.1s。
(3)用于支路上作为防止电击保护的RCD，应使其动作电流I△n2≥10倍线路和设备的泄漏电流总和。I△n2≥2.5 I△n3，一般动作电流应该在75~100mA，动作时间≤0.2s。
(4)对于干线上用作防护电气火灾时应使RCD动作电流I△n1≥10倍线路和设备的泄漏电流总和并应使I△n1≥4 I△n2，通常其动作电流应不大于500mA，动作时间＜1s。
(5)用于低压配电系统高阻抗馈出线回路时，应选择剩余电流动作值较大，低灵敏度的RCD，一般I△n为3~10A。
4 结论
剩余电流动作保护器是一种非常有效的保护装置，它经常应用于低压电网中，保证用电的安全。在不同的低压配电系统中它的安装位置及保护功能有所不同，但是它的安装使用使得人身触电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电能损坏、设备的损坏以及电气火灾的发生。
笔者结合多年的工作经验及工程实例，在文中重点介绍了RCD在低压网络高阻抗回路中的应用，希望对广大电气设计人员有所帮助。