關(guān)于“剩余電流動(dòng)作系統(tǒng)動(dòng)作值”的疑問(wèn)探討

對(duì)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.3條進(jìn)行了解讀，分析對(duì)地泄漏電流對(duì)剩余電流火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作值的影響，并針對(duì)在實(shí)際工程中如何整定系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值，提出建議。

0.引言

剩余電流火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)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(lái)檢測(cè)電路中剩余電流，并利用總線技術(shù)將若干檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心聯(lián)網(wǎng)組成一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)超過(guò)一定值時(shí)報(bào)警或作用于脫扣裝置推動(dòng)開(kāi)關(guān)跳閘。其主要功能是對(duì)可引起火災(zāi)的單相接地故障進(jìn)行防范。

文章[1]討論了剩余電流火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)適用范圍及其與用作電擊防護(hù)的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器（RCD）的區(qū)別。通常剩余電流火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的動(dòng)作值要大于用作電擊防護(hù)功能的RCD的動(dòng)作值。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)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(xiǎn)而裝設(shè)的剩余電流檢測(cè)或保護(hù)器，其動(dòng)作電流不應(yīng)大于300mA”。該規(guī)范條文僅就剩余電流動(dòng)作值的上限提出了基本要求，并未指出在工程實(shí)例中該如何整定剩余電流動(dòng)作值。本文擬對(duì)剩余電流動(dòng)作值作解讀及實(shí)際工程中系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值的整定進(jìn)行分析。

1．對(duì)《低規(guī)》6.4.3條的解讀

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

國(guó)外試驗(yàn)表明發(fā)生單相接地故障時(shí)，引發(fā)火災(zāi)所需要的最低功率。當(dāng)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(diǎn)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(guò)電流保護(hù)裝置動(dòng)作值的影響，《電氣安裝技術(shù)手冊(cè)》【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(jiàn)，在500mA時(shí)，發(fā)熱功率達(dá)115W，足以引發(fā)火災(zāi)。選取300mA作為報(bào)警動(dòng)作值較500mA對(duì)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(xiǎn)而裝設(shè)的剩余電流檢測(cè)或保護(hù)器，其動(dòng)作電流不應(yīng)大于300mA”中未見(jiàn)其對(duì)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(kuò)建工程中交流、工頻1000V及以下的低壓配電設(shè)計(jì)”之規(guī)定來(lái)理解。

筆者理解《低規(guī)》6.4.3條規(guī)定的剩余電流動(dòng)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(guò)100W的本質(zhì)要求來(lái)限定剩余電流動(dòng)作值，則必須指出其適用的電壓等級(jí)。例如在380/660V電壓系統(tǒng)中，相電壓為380V，如剩余電流動(dòng)作值規(guī)定為300mA，故障點(diǎn)的最大發(fā)熱功率可達(dá)到114W。又如當(dāng)相電壓為48V時(shí)，故障點(diǎn)泄露電流為2.08A時(shí)其發(fā)熱功率才達(dá)到100W?？梢?jiàn)針對(duì)不同的供電系統(tǒng)電壓，剩余電流動(dòng)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(yán)謹(jǐn)性。

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

GB 13955- 2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》第3節(jié)“術(shù)語(yǔ)和定義”中規(guī)定：

“ 3.3 剩余電流residual current

       流過(guò)剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置主回路電流瞬時(shí)值的矢量和(用有效值表示)。

 3.4 剩余動(dòng)作電流residual operating current

       使剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置在規(guī)定條件下動(dòng)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(hù)裝置檢測(cè)到的剩余電流同時(shí)包含接地故障電流和線路（含設(shè)備）的對(duì)地泄漏電流，其值是兩者的矢量和，且保護(hù)裝置無(wú)法識(shí)別故障電流和對(duì)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(dāng)接地故障電流達(dá)到300mA時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)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(dòng)作值不大于300mA并不能保證接地故障電流也不大于300mA。

2.對(duì)地泄漏電流

由于線路對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)算機(jī)的泄漏電流

表3  電動(dòng)機(jī)的泄漏電流

由表1～表3可看出：

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

（2）熒光燈為單相負(fù)荷，單個(gè)配電回路對(duì)地泄漏電流較小，按照單個(gè)配電回路的光源數(shù)不超過(guò)25個(gè)來(lái)計(jì)算，單個(gè)配電回路中總的對(duì)地泄漏電流之和不超過(guò)2.5mA。當(dāng)實(shí)際工程中照明燈具數(shù)量較多時(shí)，應(yīng)盡量三相均勻配電，可使三相對(duì)地泄漏電流之和減小。

（3）計(jì)算機(jī)為單相負(fù)荷，且泄漏電流較大，需要限制單相回路上計(jì)算機(jī)負(fù)荷數(shù)量，通過(guò)三相均勻配電，降低三相配電線路的對(duì)地泄漏電流。

（4）電動(dòng)機(jī)的為三相電路理論上對(duì)稱的，考慮制造工藝、材料等偏差，其對(duì)地泄漏電流較小，正常運(yùn)行時(shí)，其泄漏電流值對(duì)系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值的影響不大。

3.對(duì)地泄漏電流對(duì)系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)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(shí)刻，對(duì)任一節(jié)點(diǎn)，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(shí)域形式的表達(dá)式，三相正弦電路可用矢量形式來(lái)表達(dá)。系統(tǒng)安裝要求全部帶電導(dǎo)線均穿過(guò)零序電流互感器的高導(dǎo)磁鐵心。正常時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到的電流是線路的對(duì)地泄漏電流值，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到的電流是線路對(duì)地泄漏電流與故障電流之和，可以用公式（1）來(lái)表達(dá)

                            （1）

式中： —系統(tǒng)檢測(cè)的電流值；

—線路對(duì)地泄漏電流值，指的是所有帶電導(dǎo)線對(duì)地泄漏電流值之和；

—故障電流值。

3.1 三相對(duì)稱線路

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

3.2 三相不對(duì)稱線路                                                                                      

當(dāng)三相負(fù)載不相等時(shí)，則稱為不對(duì)稱線路。當(dāng)三相配電線路中帶有單相負(fù)荷時(shí)，通常是不對(duì)稱線路。當(dāng)三相線路不對(duì)稱時(shí)，三相對(duì)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(duì)系統(tǒng)報(bào)警值均有影響，以下舉例分析。

例1.正常時(shí)三相線路的對(duì)地泄漏電流分別為(單位mA)：

假設(shè)此時(shí)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(duì)地泄漏電流與故障電流向量圖

經(jīng)計(jì)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(bào)警動(dòng)作值（幅值大?。┱?00mA，當(dāng)B相故障電流達(dá)到300mA時(shí)，需要系統(tǒng)理應(yīng)發(fā)出報(bào)警，但系統(tǒng)顯示的檢測(cè)電流大小為280mA（mA），系統(tǒng)不發(fā)出報(bào)警，只有當(dāng)B相故障電流達(dá)到320mA時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警才動(dòng)作?？梢?jiàn)此種情況會(huì)發(fā)生漏報(bào)警。

例2. 正常時(shí)三相線路的對(duì)地泄漏電流分別為(單位mA)：

圖 2  例2中對(duì)地泄漏電流與故障電流向量圖

經(jīng)計(jì)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(bào)警動(dòng)作值設(shè)定為300mA，若此時(shí)B相發(fā)生接地故障時(shí)，則B相故障電流只需達(dá)到280mA（）時(shí)，系統(tǒng)則發(fā)出報(bào)警。

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

（1）對(duì)地泄漏電流值的幅值和相角均會(huì)影響系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)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(jī)性，故使系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作的最小接地故障電流值處于（）之間。

（2）使系統(tǒng)報(bào)警必定動(dòng)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(duì)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(bào)警動(dòng)作的各相接地故障電流值也各不相同。

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

4. 系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值整定為（）mA

實(shí)際工程常見(jiàn)的做法有兩種，第一做法是將報(bào)警動(dòng)作值整定為mA，第二做法是將報(bào)警動(dòng)作值整定為300mA。第一種做法違反《低規(guī)》） 6.4.3條“系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作電流不應(yīng)大于300mA”之規(guī)定暫且不論，其會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生漏報(bào)，因?yàn)橄到y(tǒng)檢測(cè)到的實(shí)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(xì)分析。第二種做法是否合適，筆者認(rèn)為這種做法值得商榷。

當(dāng)對(duì)地泄漏電流為零，系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作電流值整定為300mA，無(wú)可非議。在實(shí)際工程中，三相線路不對(duì)稱的情況較多，對(duì)地泄漏電流值也不為零。如將系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值整定為300mA時(shí)，由本文3.3節(jié)的結(jié)論可知，使系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警的最小接地故障電流為（）mA之間的某個(gè)數(shù)值，故不能夠保證，接地故障電流為300mA時(shí)系統(tǒng)一定報(bào)警。所以這種情況也存在漏報(bào)，漏報(bào)區(qū)間為（300～）mA。舉例說(shuō)明，如線路對(duì)地泄漏電流值為50mA，系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值設(shè)定為300mA，當(dāng)對(duì)地泄漏電流與接地故障電流方向相反時(shí)，則接地故障電流必須超過(guò)350mA系統(tǒng)才發(fā)出報(bào)警。當(dāng)接地故障電流在300mA～350mA之間時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警則不動(dòng)作，造成漏報(bào)。

上述分析可知，系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值整定為300mA的做法只適用于三相對(duì)稱線路對(duì)地泄漏電流為零的情況。在不對(duì)稱線路中因?qū)Φ匦孤╇娏鞑粸榱悖到y(tǒng)會(huì)發(fā)生漏報(bào)警。系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作電流值整定為多少合適？

當(dāng)接地故障電流為300mA時(shí)，其釋放的能量能夠引發(fā)電氣火災(zāi)，所以當(dāng)接地故障電流達(dá)到300mA時(shí)，系統(tǒng)必報(bào)警。將代入公式（2）可得。筆者建議系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值整定為mA。

當(dāng)然，系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值為mA解決了漏報(bào)問(wèn)題，但同時(shí)又帶來(lái)提前報(bào)警的問(wèn)題，即報(bào)警的靈敏度提高。因?yàn)楫?dāng)對(duì)地泄漏電流與故障電流同相位時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作的最小故障電流為mA。例如，對(duì)地泄漏電流為50mA時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值整定為250mA，可使系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作的最小接地故障電流為200mA。

考慮到系統(tǒng)是對(duì)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(duì)線路進(jìn)行故障排查，消除潛在隱患，故也就無(wú)須在故障電流達(dá)到可引起火災(zāi)的臨界值（300mA）才發(fā)出報(bào)警。只要提前報(bào)警的故障電流值不是太?。ㄈ?00mA以下），對(duì)用戶和管理者來(lái)說(shuō)是可以接受的。

在實(shí)際工程中，使系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作的接地故障電流（）不宜太小，否則靈敏度過(guò)高，誤報(bào)頻頻，給系統(tǒng)的運(yùn)行和管理帶來(lái)不便。筆者建議可將其在150mA以上。當(dāng)mA為150mA時(shí)，可計(jì)算出對(duì)地泄漏電流值為75mA。此時(shí)系統(tǒng)報(bào)警動(dòng)作值設(shè)定為225mA。當(dāng)某檢測(cè)點(diǎn)處的對(duì)地泄漏電流值大于75mA時(shí)，該處可不設(shè)檢測(cè)點(diǎn)，可將檢測(cè)點(diǎn)移至下一級(jí)配電箱處。

5. 結(jié)語(yǔ)

需要指出，本文探討的剩余電流動(dòng)作值300mA的應(yīng)用場(chǎng)所需依據(jù)《低規(guī)》6.4.3的條文說(shuō)明執(zhí)行，該說(shuō)明為“…故規(guī)定在火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所內(nèi)，剩余電流檢測(cè)器的動(dòng)作電流值不宜大于300mA，一般場(chǎng)所不受此值限制，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整動(dòng)作電流值”。對(duì)于一般場(chǎng)所的動(dòng)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(dòng)作值整定原理則可以借鑒。