四极电子式RCD用于单相负荷的缺陷探讨.pdf

供配电王统（），男，工程师，从事民用建筑电气设计及智能化研究。四极电子式 用于单相负荷的缺陷探讨王统（福建省新广厦工程设计研究院有限公司，福建 福州 ）摘要：研究了四极电子式 用于单相负荷理论上的可行性。运用实例和理论分析，证明了单相负荷不平衡并不影响四极电子式 的动作特性。运用实例分析了单相负荷接地故障受自然泄漏电流干扰的情况，得知导致四极电子式 误动作的原因是自然泄漏电流。提出四极 接单相负荷易出现“断零”事故，并提出采用“”极 可避免此种事故。关键词：剩余电流动作保护电器；电子式 ；单相负荷；自然泄漏电流；三相不平衡中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：引言剩余电流动作保护电器（）按动作功能与电源电压的关系可以分为电子式 和电磁式 。我国目前最大量使用的仍是电子式 。本文主要探讨四极电子式 接单相负荷和不同相序的单相负荷共用四极 理论上的可行性，并结合具体设计实例分析不同相序单相负荷共用四极 的缺陷。四极电子式 接 个单相负荷实际生活中，存在紧急或特殊情况下四极电子式 接个单相负荷的现象，此时若单相负荷发生接地故障，并且剩余电流达到 额定剩余电流动作值，四极电子式 有些情况下会正常动作，有些情况下却会拒动。四极电子式 动作原理图如图 所示。图 中，为检测线圈，用来检测剩余电流，其检测到剩余电流后通过 电子信号放大器放图 四极电子式 动作原理图 判别元件；执行结构；电子信号放大器；测试按钮；检测线圈大电流，信号放大后传输给 判别元件，判别元件将剩余电流与额定剩余电流值比较，若通过比较后判断需跳闸，就会将分断信号输出给 执行机构，由 执行机构驱动开关断开回路。信号供配电放大器接了驱动电源，即电子信号放大器需要电源驱动才能工作，这就是电子式 动作功能与电源电压有关的关键所在。当图 中 所接电源 相和中性线没有电压时，电子信号放大器将不能工作，纵使 检测线圈检测到剩余电流，不经过放大的剩余电流也难以使 执行机构驱动开关打开。通过上述分析可知，四极电子式 用于单相负荷的关键点是保证 信号放大器的驱动电源有电。这就要求单相负荷接于四极 时不能随便选择 相线个端子中的个接入，而必须选择信号放大器驱动电源所在的相线端子接入才行。通过对市面上几款常见的四极电子式 的测试发现，其 信号放大器驱动电源一般取电自最左侧接线端子。故在万不得已四极电子式 用于单相负荷时，应优先将单相负荷接至 的最左侧端子，接通后还应按 测试按钮测试，若不能正常动作，应改换接线端子，直到按测试按钮 ，可以正常脱扣为止；另一种接法是将单相负荷的相线链接于 的 个相线端子上，相当于 个接线端子短接起来。虽然四极 后接一个单相负荷原理上有可行性，正常情况下应严格避免此种做法，本文仅分析理论可行性和接线注意事项。不同相序的单相负荷共用四极 三相不平衡是否影响四极 分断假如四极 所接的单相负荷三相负荷不平衡，势必造成中性点漂移，而导致负荷较大的相，其相电压也偏大，负荷较小的相，其相电压也偏小。根据 剩余电流动作保护电器（）的一般要求（下称 一般要求）中的第 条规定“动作功能与电源电压有关的 应能在额定电源电压的 倍之间正常运行”，鉴于产品标准的要求，倘若三相不平衡导致的相电压变化超过这个范围（倍），则会导致 的信号放大器难以正常工作，从而导致 拒动。那么究竟三相不平衡导致的相电压变化是否会超过额定电压的 倍范围，下面举例说明。某户别墅三级配电简图如图 所示。为使示例能够有较大适用性，末端三相负荷分别取无穷大、（三相极度不平衡），线缆长度也适当加长（加大线缆电阻）。查相关手册 可知，、的中性线及相线电阻分别为 、，电抗分别为 、。结合图 的线缆长度简单计算可得中性线及相线的阻抗为（）。将上述示例的电压相量图绘制出来。别墅三相负荷不平衡电压相量图如图 所示。由图 可知，有如下向量关系式成立：（）（）（）个式子中等号左边为已知量，那么只要求出即可求出三相极端不平衡下各相的相电压。求法如下：（）（）()（）将已知的电压、电阻等数据（已标于图 中）代入式（），可知 。将代入式（）式（）即可求出：；其有效值（幅值）分别为 ；由上述计算结果可知，极度的三相不平衡线路其每相的电压偏差并不大，分别为 、。不超过电子式 工作所需的 倍额定电压的动作范围。供配电图 某户别墅三级配电简图 判别元件；执行结构；电子信号放大器；测试按钮；检测线圈图 别墅三相负荷不平衡电压相量图通过上述分析可知，三相不平衡时，若中性线未断线，其三相电压偏差其实仅仅为中性线上的压降导致的零点漂移，或者说是相线上不同电流导致的不同压降所致。按 供配电系统设计规范 中第 条要求：“正常运行情况下，用电设备端子处电压偏差允许值宜符合下列要求：电动机为 额定电压。照明：在一般工作场所为 额定电压；对于远离变电所的小面积一般工作场所，难以满足上述要求时，可为 ，额定电压；应急照明、道路照明和警卫照明等为 ，额定电压。其他用电设备当无特殊规定时为 额定电压。”线路的电压降不可能超过 一般要求 的 倍额定电压范围。故中性线未断线的情况下，三相不平衡线路不会影响不同相序的单相负荷共用四极电子式 时的分断。某相单相接地故障叠加自然泄漏电流情况根据 剩余电流动作保护电器（）的一般要求 中第 条，额定不动作剩余电流为 。又根据 剩余电流动作保护装置安装和运行 中第 条“选用的 的额定剩余不动作电流，应不小于被保护电气线路和设备的正常运行时泄漏电流最大值的 倍”综合上述要求，选择 时必须保证 大于回路的自然泄漏电流的 倍，即自然泄漏电流必须小于 。那么不同相序的单相负荷共用四极电子式 时，不同相序的不大于 的自然泄漏电流，是否会影响某相发生单相接地故障时，三相加中性线剩余电流呢。下面举例说明。某较大户型住宅套内三相配电局部系统图如图 所示。其中 相带抽油烟机 台、电饭煲台、微波炉台、吹风机台、电热水器台；相带计算机 台、饮水机 台、电冰箱 台、洗衣机 台、电视机 台；相带吹风机 台、电热供配电图 某较大户型住宅套内三相配电局部系统图水器 台、空调器 台。结合 住宅建筑电气设计规范 中第 条文说明，常用电器正常泄漏电流参考值如表 所示。表 常用电器正常泄漏电流参考值电器名称泄漏电流 电器名称泄漏电流 空调器 排油烟机 电热水器 白炽灯 洗衣机 荧光灯 电冰箱 电视机 计算机 电熨斗 饮水机 排风机 微波炉 电饭煲 结合表 和各相所带负荷，可得本住宅 、相自然泄漏电流分别为 、。每相的自然泄漏电流均不大于 的剩余电流值，选择约定脱扣剩余电流值 的 满足要求。当 相发生单相接地故障时，假设此单相接地故障泄漏电流恰好为电子式 的约定脱扣剩余电流值 ，按照设计初衷，此时四极电子式 应当瞬时脱扣，以策人身安全。可是经过分析发现，由于 、相的自然泄漏电流的作用，会导致此四极电子式 的剩余电流达不到其约定脱扣剩余电流值 ，从而导致 拒动，给人身带来极大的不安全因素。某较大户型住宅套内三相泄漏电流向量图如图 所示。图 中，各相电压相角相差 ，其自然泄漏电流相角也相差 ，电压相角滞后容性自然泄漏电流 ，故易知 与纵轴夹角为 ，、与横轴夹角为 ，结合 、相泄 漏 电 流 幅 值 分 别 为 、，可得到图 中 、的复数表达式（已标注于图中）。将三者求矢量和，可得 ，其幅值为 。对于图 中的四极电子式 而言，、相的矢量和幅值为 ，未达到其额定剩余脱扣电流，不一定会瞬时 脱 扣。但是对于 相而言，其单相接地故障的电流已供配电图 某较大户型住宅套内三相泄漏电流向量图然超过 这一可导致人体心室纤维性颤动的阈值 ，这种情况是绝对不允许出现的。四极 导致的“断零”情况由于四极 的工作特性，必须将中性线 接入其分断极。如果设计或者施工时采用的是可分断中性线的四极 ，其后又接驳的不同相序的单相负荷，则必然给其后的电器设备带来“断零”隐患，这种“隐患”包括 线端子接触不良、瞬时跳闸时 极先于相线动作、内部故障 极断路等。这也是需要加以分析并尽量避免的。参照图 的示例，由于线路阻抗很小，分析“断零”事故时可忽略不计。四极 接不同相序单相负荷时中性线端子故障断开如图 所示。中性线断线后各相的相电压向量图如图 所示。当四极 由于中性线端子故障导致中性线断开后，相和 相的负载串接于 相和 相的线电压 中。由于 、相电阻不同，其相分压不同，故此时的 相的分压是 相分压的 倍，即 ；又 ，在三角形 中利用余弦定理可得：槡 在三角形 中利用余弦定理可得：图 四极 接不同相序单相负荷时中性线端子故障断开图 中性线断线后各相的相电压向量图 槡 由于中性线断线且三相负荷极度不平衡导致中性点漂移严重，各相电压差别很大，比如 相和 相电压高达 和 ，势必造成接于 、两相的单相电器设备过电压损坏。而中性线电压也高达 ，也易引起电击事故。为避免上述“断零”事故，建议四极 可以采用“”系列。此种 只检测中性线电流而不会分断中性线，因为分断了三相相线，中性线自然也就没有电流了 。此种 避免了因 设备故障四极分断时序不同而造成的供配电短时“断零”事故。但对于 接线端子接触不良、内部故障 极断路等事故仍然难以避免。最好的方式还是不要把不同相序的单相负荷接于四极 的负载端，从根本上解决此问题。结语特殊情况或试验室条件下，四极电子式 可用于单相负荷，但应注意单相负荷相线应接至四极 的电子驱动放大器取电所在极的端子上。不同相序的单相负荷共用四极电子式 时，倘若中性线不断线，单纯的三相负荷不平衡不会影响四极电子式 的动作特性。即三相负荷不平衡导致的相电压不均，不会导致 的驱动电压不足。不同相序的单相负荷共用四极电子式 时，每相的自然泄漏电流会影响三相剩余电流的矢量和。进而可能会导致某相接地故障时，超过人体心室纤维性颤动阈值的泄漏电流（如 ）长期存在，而 拒动。不同相序的单相负荷共用四极电子式 时，必然给其负荷侧驳接的单相电器设备增加“断零”隐患。当三相负荷不平衡且“断零”时，各相电压偏差极大，负荷侧单相电器设备会过电压损坏，中性线也会带远超过安全电压 的危险电压。中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 剩余电流动作保护电器（）的一般要求：北京：中国标准出版社，中国机械业联合会 供配电系统设计规范：北京：中国计划出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部 建筑电气常用数据：北京：中国计划出版社，刘屏周，任元会 工业与民用供配电设计手册 第四版 北京：中国电力出版社，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 剩余电流动作保护装置安装和运行：北京：中国质检出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部 住宅建筑电气设计规范：北京：中国建筑工业出版社，国家市场监督管理总局 电流对人和家畜的效应第 部分 通用部分：北京：中国标准出版社，王厚余 建筑电气装置 问 北京：中国电力出版社，收稿日期：（，）：，“”，：；