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[摘要]文章说明了RCD的作用和效果与接地方式有关,介绍了各种接地系统中的RCD基本接线方式以及等电位联结作为RCD的辅助保护的重要作用。
[关键词]RCD 接地方式 接线方式 等电位联结
1 概述
漏电电流保护器,又称漏电断路器(residual current protective device缩写为RCD)。(以下均简称RCD),将RCD安装在低压电路中,当发生漏电和触电,且达到保护器所限定的动作电流值时,就立即在限定的时间内动作自动断开电源进行保护。
《住宅设计规范》GB 50096-1999第6.5.2条中规定“住宅供电系统的设计,应符合下列基本安全要求:应采用TT、TN-C-S或TN-S接地方式,并进行总等电位联结”除空调电源插座外,其它电源插座电路应设置漏电保护装置;洗浴设备的卫生间应做等电位联结;每幢住宅的总电源进线断路器,应具有漏电保护功能。可见漏电保护、接地方式与等电位联结对于人身及设备安全都十分重要,且具有很密切的安全相关性。但在实际中,漏装RCD或RCD未根据接地方式正确接线等不规范的安装、建筑未设等电位联接等情况时常存在,由此而发生的各类安全事故、出现的安全隐患也时有报道,如某小区,由于接5楼的PE线在3楼与相线短接,致使5楼一住户女主人在使用电淋浴器时,不幸遭电击身亡。一个雷雨天,某地一男子赤脚在卫生间使用镀锌钢管的水龙头时,一个雷闪击中屋顶,致使该男子死亡。本市一住宅楼水管带电,使居民人心惶惶,不可理喻。
本文通过对RCD基本原理及其在不同的接地方式下接线方式的选择及等电位的作用分析,来说明如何在既定的接地方式下规范使用RCD,以保证RCD安全、可靠运行。
2 RCD作用及工作原理
当电气设备发生漏电时,电流将沿设备外壳、保护接零线(保护接地线)、零线(大地)形成闭合回路,虽然电源均装有短路保护和过载保护,但由于电流值往往难以达到开关动作电流或熔断器额定熔断电流,或者由于开关动作不可靠,熔断器不能熔断,但是设备外壳已带上远远超过允许的安全电压值,国际电工委员会IEC所属建筑电气设备专门委员会认为:人在隧道、涵洞和矿井下等高度潮湿的场所,安全电压为25V;人在游泳池、水槽或水池中,这时安全电压为5V。在有防止触电保护装置的情况下,人体允许通过的电流一般可按30mA考虑。上述情况下,当人体触及到设备时,便可能发生人身伤亡事故。
为防止人身和设备事故的发生,在低压配电系统中,广泛采用了剩余电流动作保护电器(RCD),RCD以一个零序电流互感器为检测元件。如果发生了漏电,相线、中性线的电流向量和不等于零,就会产生感应电动势,这个信号就会被送到中间环节进行进一步的处理。通过放大器、比较器、脱扣器,中间环节的作用对此漏电信号进行放大和处理,并输出到执行机构。实施自动切断故障处的电源的动作,避免人员发生触电事故。通过试验按钮和限流电阻的串联,模拟漏电路径可以检查装置能否正常动作。
3 接地方式与RCD
3.1三种接地系统
在我国的”民用电气设计规范“(JGJ/T16-92)标准中将低压配电系统分为三种,即TN、TT、IT三种形式。
(1)TN系统:电源变压器中性点接地,设备外露部分与中性线相连。
(2)TT系统:电源变压器中性点接地,电气设备外壳没有专用保护接地线(PE)。
(3)IT系统:电源变压器中性点不接地(或通过高阻抗接地),而电气设备外壳没有专用保护接地线(PE)。
以上三种系统中,IT系统不适合我国现行的低压配电制式,在居民住宅供电中很少采用,目前,我国主要采用的是TN与TT系统,其中以TN系统最为普遍。
3.1.1 TN系统
电力系统的电源变压器的中性点接地,根据电气设备非露导电部分与系统的连接不同方式又可分三类:即TN—C系统;TN—S系统;TN—C—S系统。
(1)TN—C系统
保护零线(PE)与工作零线(N)共用。它是利用中性点接地系统的中性线(零线)作为故障电流的回流导线,当电气设备相线碰壳,故障电流经零线回到中点,TN—C系统适用于三相负荷基本平衡场合,否则,PEN线中有不平衡电流,中性线N带电,对人身造成不安全,而且还无法取得稳定的基准电位,在我国过去的一些建筑中较为广泛采用,而在TN—C系统中,若不采用重复接地(TN—C—S系统),不宜采用RCD,出于安全的考虑,《住宅设计规范》没有将其列入规定的接地方式。
(2)TN—S系统
整个系统的中性线(N)与保护线(PE)是分开的。当电气设备相线碰壳,直接短路,可采用过电流保护器切断电源,如果线路较长,可在线路首端装设RCD,靠它切断故障电流。当N线断开,如三相负荷不平衡,中性点电位升高,但外壳无电位,PE线也无电位。TN—S系统不必重复接地,因为重复接地后对N线断后保护设备作用不明显。TN—S系统适用于工业企业、大型民用建筑。
(3)TN—C—S系统
它由两个接地系统组成,第一部分是TN—C系统,第二部分是TN—S系统,其分界面在N线与PE线的连接点。当电气设备发生单相碰壳,同TN—S系统。当N线断开,故障是TN—S系统。TN—C—S系统中PEN应重复接地,而N线不宜重复接地。PE线连接的外壳在正常运行时始终不会带电,所以TN—C—S系统提高了操作人员及设备的安全性。使用RCD时应将PE线不接入零序电流互感器(检测元件),保证漏电通路的存在。
3.1.2 TT供电系统
电气设备的外露导电部分用PE线接到接地极(此接地极与中性点接地没有电气联系)。
TT系统在国外被广泛应用,在国内仅限于局部对接地要求高的电子设备场合。如果在负荷端和首端装设RCD,而干线末端装有断零保护,则可适用于农村居住区、工业企业及分散的民用建筑等场所。RCD的基本接线方式见图1。
3.2 RCD设置与接线
根据以上接地方式特点,在设计中对一幢住宅究竟采用哪一种接地方式,需要根据具体条件确定。随接地方式的不同,其总进线RCD的极数也应不同。如图1为RCD在各种接地系统中的基本接线方式,单相电源(家用),选用二线二级;三相三线电源(如三相电机接线),选用三级;三相四线(如三相电机),可选用四线三级或四级。其中“级”表示开关触点,“线”表示RCD进、出线,并必须做到:
(1)RCD安装时必须严格区分中性线和保护线(PE线)。RCD的中性线应接入漏电保护回路,接零保护线应接入RCD的中性线电源侧,不得接至负荷侧,经过RCD后的中性线不得接设备外露部分,保护线(PE线)应单独接地。
(2)RCD负载侧的中性线不得与其它回路共用。
(3)RCD标有负载侧和电源侧时,应严格按其规定 接线。
(4)安装RCD后,不得去除配电线路和电气设备的接地保护线(PE线)。
(5)RCD投运前,应操作试验按钮,检验其工作性能,确认正常工作后,方能投运。日常使用中,应每月检查试验一次,检查其动作是否正常。
3.3 RCD常见“故障”现象及原因
3.3.1 负荷端出现漏电流RCD拒动
负荷端若出现漏电流RCD拒动,它将带来很大的危险,拒动作产生的主要原因有以下几种:
(1)漏电动作电流选择不当。选用的保护器动作电流过大或整定值过大,超过实际产生的漏电值,RCD将拒动。
(2)接线错误。在TN—C—S系统中,在RCD后如果把保护线(即PE线)与中性线(N线)接在一起,或出现PEN断线,发生漏电时,漏电保护装置将拒动作。
(3)RCD的设置位置不当。在TN—C—S系统中,如果检测电路在TN—C段的PEN线与相线(L线)之间,则在TN—S段的保护线(PE线)上的漏电,RCD就会拒动作。
除此,RCD产品质量低劣,线路绝缘阻抗降低,线路由于部分电击电流不沿配电网工作接地回路,而经导线表面流回RCD情况下,也会导致RCD拒动。
3.3.2 RCD误动作
错误的接线、RCD质量问题及整定值过小等都可能导致RCD误动作。常见原因有:
(1)在TN—C—S系统中,误把保护线(PE线)与中性线(N线)接反。
(2)在照明和动力合用的TT系统中,错误地选用三极RCD,负载的中性线直接接在保护器的电源侧而引起误动作。
(3)保护器后方有中性线与其他回路的中性线连接或接地,或后方有相线与其他回路的同相相线连接,则接通负载时都会造成保护装置误动作。
(4)RCD附近有大功率电器,或其它强磁场环境,可能在互感器铁心中产生附加磁通量,感应电势而导致误动作。
(5)当同一回路的各相不同步合闸时,先合闸的一相可能产生足够大的泄漏电流,也会引起误动作。
其他因环境条件如温度、湿度、振动等超过保护器使用条件时也可能造成RCD误动作。
3.4 RCD的配置
采用分级漏电保护系统和分支线漏电保护的线路,每一分支线路必须有自己的工作零线;上下级RCD的额定漏电动作电流与漏电时间均应做到相互配合,保证动作的选择性。额定漏电动作电流级差通常为1.2～2.5倍,时间级差0.1～0.2s。
4 RCD与等电位联结
4.1 RCD的局限性
采用RCD可以作为防止单相接地故障、人身触电的一项重要措施,但也存在局限性,其主要表现在以下几方面:
(1)RCD柜动时,仍存在人身与设备伤害的危险。
(2)当配电系统中有漏装RCD时,没有装RCD保护的用户在发生单相接地故障而保护装置不动作,导致接地电位提高,危及已装有RCD保护的电气设备的安全,此时RCD也不会动作,在三相负荷分配中,中性点位移的情况下,RCD往往不能动作,存在着设备承受高电压的危险。
(3)有些场所不允许装有RCD保护。如医院心脏或者胸腔手术室等,因设备的出现碰壳等,很有可能对医生和病人产生电击,这种情况是十分严重的。
(4)许多电子设备对地会存在许多分布电容,在启动时这些电容器充电使得它对地有一个较大的泄漏电流,但是在很多台设备同时启动时,这个泄漏电流会很大,足以使RCD误动作。这样的频频跳闸很难从RCD动作整定值上解决。
4.2等电位联结及其作用
简单地说,它使建筑物内电气装置的外露可导电体与装置外露可导电体的电位基本相等的电位连接,即将保护PE总线与建筑物的总水管、总煤气管、暖通管等金属管道或装置用导线联结的措施,它在一定程度上可降低建筑物内间接接触电击的接触电压和不同金属部件的电位差,并消除白建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害。以达到均衡建筑物内电位的目的。
对此,IEC规定,在采用自切断电源的防间接接触保护措施中应作总等电位联结,即采用漏电保护时必须应设置等电位联结,等电位联结作为RCD的辅助保护功能,弥补RCD装置的不足,若不设置总等电位联结,自动切断电源这一保护措施不能单独成立。
在上述RCD的局限性的几个方面,都能通过等电位联结有效的解决。
在文章开头提到的几例事件,第一例中,在住宅总进线处装设漏电电流保护RCD装置,可以防止接地故障引起的电击事故,还可以作为插座回路RCD的后备保护。若在住宅卫生间,尤其是靠近防雷引下线的卫生间做局部等电位联结,可降低接触电压,保障人员安全。第三例事件,应在建筑物进线处装设RCD,并进行总等电位联结,可降低不同金属部件间的电位差。以上情况,即使在RCD拒动的情况下,借助等电位作用,仍具有一定的安全效果。
5 结束语
由于RCD动作灵敏、切断电源时间短,是触电防护的一项重要保护装置,因此,我们在使用时,必须根据接地方式及负荷情况,结合RCD各参数,选择合适的RCD,并按照规范接线,辅之以等电位联结。
[关键词]RCD 接地方式 接线方式 等电位联结
1 概述
漏电电流保护器,又称漏电断路器(residual current protective device缩写为RCD)。(以下均简称RCD),将RCD安装在低压电路中,当发生漏电和触电,且达到保护器所限定的动作电流值时,就立即在限定的时间内动作自动断开电源进行保护。
《住宅设计规范》GB 50096-1999第6.5.2条中规定“住宅供电系统的设计,应符合下列基本安全要求:应采用TT、TN-C-S或TN-S接地方式,并进行总等电位联结”除空调电源插座外,其它电源插座电路应设置漏电保护装置;洗浴设备的卫生间应做等电位联结;每幢住宅的总电源进线断路器,应具有漏电保护功能。可见漏电保护、接地方式与等电位联结对于人身及设备安全都十分重要,且具有很密切的安全相关性。但在实际中,漏装RCD或RCD未根据接地方式正确接线等不规范的安装、建筑未设等电位联接等情况时常存在,由此而发生的各类安全事故、出现的安全隐患也时有报道,如某小区,由于接5楼的PE线在3楼与相线短接,致使5楼一住户女主人在使用电淋浴器时,不幸遭电击身亡。一个雷雨天,某地一男子赤脚在卫生间使用镀锌钢管的水龙头时,一个雷闪击中屋顶,致使该男子死亡。本市一住宅楼水管带电,使居民人心惶惶,不可理喻。
本文通过对RCD基本原理及其在不同的接地方式下接线方式的选择及等电位的作用分析,来说明如何在既定的接地方式下规范使用RCD,以保证RCD安全、可靠运行。
2 RCD作用及工作原理
当电气设备发生漏电时,电流将沿设备外壳、保护接零线(保护接地线)、零线(大地)形成闭合回路,虽然电源均装有短路保护和过载保护,但由于电流值往往难以达到开关动作电流或熔断器额定熔断电流,或者由于开关动作不可靠,熔断器不能熔断,但是设备外壳已带上远远超过允许的安全电压值,国际电工委员会IEC所属建筑电气设备专门委员会认为:人在隧道、涵洞和矿井下等高度潮湿的场所,安全电压为25V;人在游泳池、水槽或水池中,这时安全电压为5V。在有防止触电保护装置的情况下,人体允许通过的电流一般可按30mA考虑。上述情况下,当人体触及到设备时,便可能发生人身伤亡事故。
为防止人身和设备事故的发生,在低压配电系统中,广泛采用了剩余电流动作保护电器(RCD),RCD以一个零序电流互感器为检测元件。如果发生了漏电,相线、中性线的电流向量和不等于零,就会产生感应电动势,这个信号就会被送到中间环节进行进一步的处理。通过放大器、比较器、脱扣器,中间环节的作用对此漏电信号进行放大和处理,并输出到执行机构。实施自动切断故障处的电源的动作,避免人员发生触电事故。通过试验按钮和限流电阻的串联,模拟漏电路径可以检查装置能否正常动作。
3 接地方式与RCD
3.1三种接地系统
在我国的”民用电气设计规范“(JGJ/T16-92)标准中将低压配电系统分为三种,即TN、TT、IT三种形式。
(1)TN系统:电源变压器中性点接地,设备外露部分与中性线相连。
(2)TT系统:电源变压器中性点接地,电气设备外壳没有专用保护接地线(PE)。
(3)IT系统:电源变压器中性点不接地(或通过高阻抗接地),而电气设备外壳没有专用保护接地线(PE)。
以上三种系统中,IT系统不适合我国现行的低压配电制式,在居民住宅供电中很少采用,目前,我国主要采用的是TN与TT系统,其中以TN系统最为普遍。
3.1.1 TN系统
电力系统的电源变压器的中性点接地,根据电气设备非露导电部分与系统的连接不同方式又可分三类:即TN—C系统;TN—S系统;TN—C—S系统。
(1)TN—C系统
保护零线(PE)与工作零线(N)共用。它是利用中性点接地系统的中性线(零线)作为故障电流的回流导线,当电气设备相线碰壳,故障电流经零线回到中点,TN—C系统适用于三相负荷基本平衡场合,否则,PEN线中有不平衡电流,中性线N带电,对人身造成不安全,而且还无法取得稳定的基准电位,在我国过去的一些建筑中较为广泛采用,而在TN—C系统中,若不采用重复接地(TN—C—S系统),不宜采用RCD,出于安全的考虑,《住宅设计规范》没有将其列入规定的接地方式。
(2)TN—S系统
整个系统的中性线(N)与保护线(PE)是分开的。当电气设备相线碰壳,直接短路,可采用过电流保护器切断电源,如果线路较长,可在线路首端装设RCD,靠它切断故障电流。当N线断开,如三相负荷不平衡,中性点电位升高,但外壳无电位,PE线也无电位。TN—S系统不必重复接地,因为重复接地后对N线断后保护设备作用不明显。TN—S系统适用于工业企业、大型民用建筑。
(3)TN—C—S系统
它由两个接地系统组成,第一部分是TN—C系统,第二部分是TN—S系统,其分界面在N线与PE线的连接点。当电气设备发生单相碰壳,同TN—S系统。当N线断开,故障是TN—S系统。TN—C—S系统中PEN应重复接地,而N线不宜重复接地。PE线连接的外壳在正常运行时始终不会带电,所以TN—C—S系统提高了操作人员及设备的安全性。使用RCD时应将PE线不接入零序电流互感器(检测元件),保证漏电通路的存在。
3.1.2 TT供电系统
电气设备的外露导电部分用PE线接到接地极(此接地极与中性点接地没有电气联系)。
TT系统在国外被广泛应用,在国内仅限于局部对接地要求高的电子设备场合。如果在负荷端和首端装设RCD,而干线末端装有断零保护,则可适用于农村居住区、工业企业及分散的民用建筑等场所。RCD的基本接线方式见图1。
3.2 RCD设置与接线
根据以上接地方式特点,在设计中对一幢住宅究竟采用哪一种接地方式,需要根据具体条件确定。随接地方式的不同,其总进线RCD的极数也应不同。如图1为RCD在各种接地系统中的基本接线方式,单相电源(家用),选用二线二级;三相三线电源(如三相电机接线),选用三级;三相四线(如三相电机),可选用四线三级或四级。其中“级”表示开关触点,“线”表示RCD进、出线,并必须做到:
(1)RCD安装时必须严格区分中性线和保护线(PE线)。RCD的中性线应接入漏电保护回路,接零保护线应接入RCD的中性线电源侧,不得接至负荷侧,经过RCD后的中性线不得接设备外露部分,保护线(PE线)应单独接地。
(2)RCD负载侧的中性线不得与其它回路共用。
(3)RCD标有负载侧和电源侧时,应严格按其规定 接线。
(4)安装RCD后,不得去除配电线路和电气设备的接地保护线(PE线)。
(5)RCD投运前,应操作试验按钮,检验其工作性能,确认正常工作后,方能投运。日常使用中,应每月检查试验一次,检查其动作是否正常。
3.3 RCD常见“故障”现象及原因
3.3.1 负荷端出现漏电流RCD拒动
负荷端若出现漏电流RCD拒动,它将带来很大的危险,拒动作产生的主要原因有以下几种:
(1)漏电动作电流选择不当。选用的保护器动作电流过大或整定值过大,超过实际产生的漏电值,RCD将拒动。
(2)接线错误。在TN—C—S系统中,在RCD后如果把保护线(即PE线)与中性线(N线)接在一起,或出现PEN断线,发生漏电时,漏电保护装置将拒动作。
(3)RCD的设置位置不当。在TN—C—S系统中,如果检测电路在TN—C段的PEN线与相线(L线)之间,则在TN—S段的保护线(PE线)上的漏电,RCD就会拒动作。
除此,RCD产品质量低劣,线路绝缘阻抗降低,线路由于部分电击电流不沿配电网工作接地回路,而经导线表面流回RCD情况下,也会导致RCD拒动。
3.3.2 RCD误动作
错误的接线、RCD质量问题及整定值过小等都可能导致RCD误动作。常见原因有:
(1)在TN—C—S系统中,误把保护线(PE线)与中性线(N线)接反。
(2)在照明和动力合用的TT系统中,错误地选用三极RCD,负载的中性线直接接在保护器的电源侧而引起误动作。
(3)保护器后方有中性线与其他回路的中性线连接或接地,或后方有相线与其他回路的同相相线连接,则接通负载时都会造成保护装置误动作。
(4)RCD附近有大功率电器,或其它强磁场环境,可能在互感器铁心中产生附加磁通量,感应电势而导致误动作。
(5)当同一回路的各相不同步合闸时,先合闸的一相可能产生足够大的泄漏电流,也会引起误动作。
其他因环境条件如温度、湿度、振动等超过保护器使用条件时也可能造成RCD误动作。
3.4 RCD的配置
采用分级漏电保护系统和分支线漏电保护的线路,每一分支线路必须有自己的工作零线;上下级RCD的额定漏电动作电流与漏电时间均应做到相互配合,保证动作的选择性。额定漏电动作电流级差通常为1.2～2.5倍,时间级差0.1～0.2s。
4 RCD与等电位联结
4.1 RCD的局限性
采用RCD可以作为防止单相接地故障、人身触电的一项重要措施,但也存在局限性,其主要表现在以下几方面:
(1)RCD柜动时,仍存在人身与设备伤害的危险。
(2)当配电系统中有漏装RCD时,没有装RCD保护的用户在发生单相接地故障而保护装置不动作,导致接地电位提高,危及已装有RCD保护的电气设备的安全,此时RCD也不会动作,在三相负荷分配中,中性点位移的情况下,RCD往往不能动作,存在着设备承受高电压的危险。
(3)有些场所不允许装有RCD保护。如医院心脏或者胸腔手术室等,因设备的出现碰壳等,很有可能对医生和病人产生电击,这种情况是十分严重的。
(4)许多电子设备对地会存在许多分布电容,在启动时这些电容器充电使得它对地有一个较大的泄漏电流,但是在很多台设备同时启动时,这个泄漏电流会很大,足以使RCD误动作。这样的频频跳闸很难从RCD动作整定值上解决。
4.2等电位联结及其作用
简单地说,它使建筑物内电气装置的外露可导电体与装置外露可导电体的电位基本相等的电位连接,即将保护PE总线与建筑物的总水管、总煤气管、暖通管等金属管道或装置用导线联结的措施,它在一定程度上可降低建筑物内间接接触电击的接触电压和不同金属部件的电位差,并消除白建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害。以达到均衡建筑物内电位的目的。
对此,IEC规定,在采用自切断电源的防间接接触保护措施中应作总等电位联结,即采用漏电保护时必须应设置等电位联结,等电位联结作为RCD的辅助保护功能,弥补RCD装置的不足,若不设置总等电位联结,自动切断电源这一保护措施不能单独成立。
在上述RCD的局限性的几个方面,都能通过等电位联结有效的解决。
在文章开头提到的几例事件,第一例中,在住宅总进线处装设漏电电流保护RCD装置,可以防止接地故障引起的电击事故,还可以作为插座回路RCD的后备保护。若在住宅卫生间,尤其是靠近防雷引下线的卫生间做局部等电位联结,可降低接触电压,保障人员安全。第三例事件,应在建筑物进线处装设RCD,并进行总等电位联结,可降低不同金属部件间的电位差。以上情况,即使在RCD拒动的情况下,借助等电位作用,仍具有一定的安全效果。
5 结束语
由于RCD动作灵敏、切断电源时间短,是触电防护的一项重要保护装置,因此,我们在使用时,必须根据接地方式及负荷情况,结合RCD各参数,选择合适的RCD,并按照规范接线,辅之以等电位联结。