剩余电流动作保护器总论

贺杨

【摘要】对剩余电流动作保护器的由来，不同场合不同选择的规律做以综述，以期能在实际应用中正确选择适合的产品与参数。

【关键词】剩余电流动作保护器；RCD

剩余电流动作保护器（Residual Current Operated Protective Devices，简称RCD）是IEC对电流型漏电保护电器的规定名称，指在同一时间内一回路给定点处所有带电导体电流的相量和超过整定值时，能自动切断电源的防护电器。

这是一项源自1928年德国人申请的专利。该专利提出：“人体触及带电导体时所通过的电流，以零序电流互感器检测，并在人受伤害之前，快速切断电流，从而达到保护目的。”尽管在当时，对于“伤害人体的电流”是多大；“受伤害之前”的时间是多少等等均还没有科学清楚的概念，但这一设想无疑具有十分重要的工程意义。在电流通过人体时效应的研究基本完成以后，将这一设想应用于工程实践，就取得了良好的效果。

1、漏电保护电器的发展

漏电保护的概念最早可追溯到上世纪初。上世纪20年代，人们首先开发出了一种故障电压动作型防护电器，它的原理简单而直接：既然电击伤害是由于设备外壳带有对地电压产生的，那么我们就利用这个电压来驱动脱扣器断开电源。

然而，实践的结果却证明，这种方式并不可靠。首先，脱扣器上电压⊿U与人体接触电压Ut并不对应， 脱扣器所承受的电压跟脱扣器接地极与设备主接地极间的距离有关。通常情况下，人体触及设备外壳时所处等位面不一定与脱扣器接地极所处等位面相同，这就造成了两者所承受电压的不一致，这种不对应就使得脱扣器动作电压的整定变得十分困难。

第二，这种漏电保护不能作为直接电击防护。因为在工程中还存在其它一些实施上的困難，现在各国规范（包括IEC标准）均不推荐使用电压型漏电保护，而电流型漏电保护因其原理上的合理性和工程实施上的方便性，得到了广泛的应用。

2、剩余电流动作保护器的工作原理

剩余电流动作保护器（后简称RCD）的核心部件是剩余电流检测器件。

正常工作时有电流通过的所有线路（笔者注：指相线和中性线，不包含PE线）均穿过零序电流互感器的铁芯环，根据基尔霍夫电流定律，正常工作时这些电流相量和为零，不会在铁芯环中产生磁通并感应出二次侧电流。以图2-（a）为例，当设备发生碰壳故障时，有电流从接地电阻RE上流回电流，此时 ，（ ）产生的磁场会在互感器二次侧绕组上产生感应电动势，从而在闭合的副边线圈内产生电流。这个电流就是漏电故障发出的信号，其强度与一次侧 呈正相关，一次侧 的部分即为剩余电流。根据检测到的剩余电流大小，保护电器通过预设的程序发出各种指令：或切断电源；或发出信号等。

需要说明的是：漏电保护中剩余电流与零序电流是不同的概念，尽管有时它们会是同一个电流。参考文献[2]中对此有详细的讲解，在此不赘述。这里所说的“剩余电流”，指的是从设备工作端子以外地方流出去的电流，也即通常所说的漏电电流。通常情况这个电流是从I类设备的PE端子流出，但当人体发生直接电击时，经人体流过的电流便成了剩余电流，因此剩余电流保护可以用于直接电击防护的补充保护。

3、剩余电流动作保护器的功能

我们知道，电击危险防护有两种基本情况：故障保护（间接接触）和基本保护（直接接触）。根据参考文献[4]里的描述：“RCD的主要功能或基本功能是提供故障防护，但作为具有足够灵敏度的电器（笔者注：指额定剩余动作电流不大于30mA的RCD）还有一个附加的好处：即使其他防护措施失效或者电气装置或设备使用者疏忽，该电器对与带电的导体部件直接接触的使用者能提供保护，也即是作为直接电击防护的附加措施。”需要注意的是，这种补充是不能替代绝缘、屏护与间距等基础防护措施的。

此外，规范里还提到：“RCD能对过电流保护电器不动作而长期持续的接地故障电流产生的火灾危险提供保护。”

4、剩余电流动作保护器的局限性

RCD在诸多场合中的应用，并不意味着RCD是全能与普适的。相反的，在某些方面，RCD的作用也是有一定的局限性：

（1）不能防止从别处沿PE线或装置外可导电部分传导来的故障电压引起的电击事故；

（2）有些重要负荷，比如医院内胸腔手术器件，其正常泄露电流仅允许0.01mA，发生接地故障时的故障电流仅允许0.05mA，RCD的动作灵敏度远远达不到这一要求；

（3）电子式RCD在诸多条件与环境中，均存在拒动等局限性，详见参考文献[9]中分析；

（4）电子信息设备的回路若装有大容量的滤波电容器，可能由于电容器泄露电流太大而无法装用RCD；

（5）在爆炸等危险场所，产生电火花的瞬间即能引爆，使用RCD切断电路对防爆没有直接作用，只能选用适合的接地型式和采取等电位联结等措施减少电位差，避免电火花的产生。

5、剩余电流动作保护器的常见分类与选择

从不同的角度出发，可将RCD作不同的分类。

（1）按漏电保护装置中间环节的形式分

a）电磁式RCD。依靠接地故障电流的能量动作，因其全部采用电磁元件，使得其耐过电流和过电压冲击能力以及抗干扰能力都比较强，且无需辅助电源。但其灵敏度不易提高，工艺复杂，早些年造价较高，目前随着技术进步发展，售价已与电子式相近或相同。

b）电子式RCD，又可分为集成电路式和分立元件式。这是借助于所在回路处的故障残压提供的能量动作。因为是通过电子线路对互感器检测到的电流信号进行比较放大，所以灵敏度高，动作电流和时间的调整都很方便，但需要辅助电源才能工作，且抗干扰和抗过压能力较差。

电子式RCD动作可靠性不及电磁式RCD，电子式RCD在诸多条件与环境中存在拒动也是前文所述RCD的使用局限性之一。根据参考文献[6]第531.2.2.2条规定：只有满足下列两个条件之一时，才允许采用在辅助电源失效的情况下不自动动作的带辅助电源的RCD（笔者注：即电子式RCD）（原文不赘述）。

第一条强调除使用电子式RCD外，其余间接接触防护措施（比如等电位联结）的完整和可靠，这就保证了在电子式RCD出现拒动时，仍可不发生间接接触电击事故；第二条是专业人员能了解电子式RCD的特性和使用要求，在使用中加以注意，可避免间接接触电击事故的发生。

就此我们明白了：电子式RCD的选用是有条件的，在设计选用时需要辅以其它一些防电击措施并切实执行。参考资料[7]第7.7.10条第9款据此也对两种RCD的选用做以规定：

——用于电子信息设备、医疗电气设备的RCD应采用电磁式；

——用于一般电气设备或家用电器回路的RCD宜采用电磁式或电子式。

（2）根据剩余电流大于I⊿n时的延时分

a）无延时，用于一般用途。

b）有延时，用于选择性保护或存在高次谐波的影响时

有延时RCD除了分断时间外，还有一个极限不驱动时间，也即是给定剩余电流值的延时设定时间，具体数据详见参考文献[4]中表1～表7中数值。

同短路保护或过载保护类似，多个RCD串联使用时，也存在上下级选择性动作的问题。相似的，这种选择性也是通过动作电流或动作时间的配合来实现，一般有以下原则：

a）电流选择性：电源侧（上级）RCD的额定动作电流应为负荷侧（下级）RCD的3倍及以上；

b）时间选择性：电源侧（上级）RCD的极限不驱动时间应大于负荷侧（下级）RCD的动作时间。

相比而言时间选择性更为重要，通常上下級RCD时间差要求不小于0.2s。

此外，高次谐波可能通过较低的对地容抗造成泄露电流较大而致RCD误动作，如感应雷电过电压和操作过电压波头均为高频波，此时选用带少许延时的RCD就可避免这种误动。

（3）根据剩余电流含有直流分量的动作特性分

a）AC型RCD。适用于交流正弦电流波，无论突然施加还是缓慢上升。

b）A型RCD； c）B型RCD。

尽管国外厂商提供的样本上早已有这方面的资料，但这一分类对区内的同行而言，还是比较陌生的概念。通常选用的AC型RCD，只能检测正弦交流波电流。如果故障电流中含有直流分量，当直流成分流过互感器时，在互感器中产生一稳定的磁感应强度，互感器的工作状态会从磁化曲线的线性段向非线性段移动，由此对互感器工作条件的影响是未可知的，当直流分量过量时，会造成RCD的拒动。在交流电路中，当具有整流器件时，就可能产生直流分量。

《建筑物电气装置第7-710部分：特殊装置或场所的要求医疗场所》（GB 16895.24-2005 /IEC 60364-7-710：2002）中规定：在1类和2类医疗场所内装用RCD时，应按可能产生的故障电流波形选用最合适的A型或B型RCD。类似的，对其他重要场合与设备，在设计工作中同样应予以重点保护。

在电子产品大量使用的今天，我们接触应用的整流器件也越来越多，当配电回路里带有过多的整流设备时，应选用对直流分量不敏感的A型或B型RCD。参考资料[7]第10.7.9条明确规定：“用于计算机电源的插座应采用A型剩余电流动作保护装置”。

6、剩余电流动作保护器在不同接地型式中的应用

由于RCD在配电系统中应用广泛，在不同接地型式中，因地制宜地正确选用RCD就显得十分重要，否则不但不能很好地起到电击防护的作用，还可能造成额外的停电或其他系统故障，下面，我们就对各类接地型式下RCD的应用逐一做以分析说明。

（1）RCD在IT系统中的应用

IT系统因为自身的特点，发生一次接地故障时通常不要求切断电源，系统仍可持续运行，此时由绝缘监视装置发出接地故障信号。当发生二次异相接地（碰壳）故障时，如果故障设备本身的过电流保护装置不能在规定时间内动作，则应装设RCD切除故障。因此，RCD的参数选择应使其额定剩余不动作电流IΔno大于设备一次接地时的剩余电流，即电容电流；而额定剩余动作电流I⊿n应小于二次异相故障时的故障电流。

（2）RCD在TT系统中的应用

由于TT系统依靠设备接地电阻将预期触电电压降低到安全电压以下十分困难，而因为故障电流较小，通常又不能使过电流保护电器可靠动作，RCD作为TT系统理想的接地故障保护装置，其设置就显得尤为重要。

当所有设备都采用了RCD时，分别接地与共同接地都是可行的。若有的设备未安装RCD，则未安装的设备与装设RCD的设备不能采取共同接地方式。

TT系统的安全条件为REIa≤50V。式中，Ia为在规定时间内使保护装置动作的电流，当采用RCD时，Ia即为I⊿n。从下表1中可以发现，在TT系统中，RCD的使用使得接地电阻阻值的要求大大降低了。

（3）RCD在TN系统中的应用

尽管TN系统中的过电流保护在多数情况下都能在规定时间内切除故障，但即使在这种情况下，TN系统仍宜设置剩余电流保护。

一是因为在系统设计中一般不会（有时也不可能）逐一校验每台设备处发生单相接地时过电流保护是否能满足电击防护要求（即使校验也不一定准确，因为漏电点阻抗是未知的）；二是因为过电流防护不能防直接电击；三是当PE线或PEN线发生断线时，过电流保护对碰壳故障不再有作用。因此在TN系统中设置剩余电流保护，对补充和完善TN系统的电击防护性能及防漏电火灾性能是有很大益处的。

a）TN-S系统中RCD的设置

b）TN-C系统中RCD的设置

严格地讲，TN-C系统是无法采用RCD的，因为PEN线在正常工作时有不平衡电流和3n次谐波电流会导致误动作，因而不能将其作为剩余电流通道；同时，发生碰壳故障时接地电流也通过PEN线，无法被当做剩余电流区分出来。所以TN-C系统必须改造成TN-S、TN-C-S系统或局部TT系统后，才能安装使用RCD。

7、结束语

低压配电系统中装设剩余电流动作保护装置是防止直接接触电击事故和间接接触电击事故的有效措施之一，也是防止电气线路或电气设备接地故障引起电气火灾和电气设备损坏事故的技术措施。通过上文对RCD的产生、发展、构造原理和主要功用等内容的叙述，我们知道了RCD的选用要求。面对不同场合、不同条件，合理选用相匹配的RCD，正确地安装及使用，才能充分发挥其功用。

参考文献：

[1]王厚余.低压电气装置的设计安装和检验（第三版），北京：中国电力出版社，2012：93，174～187.

[2]杨岳.电气安全，北京：机械工业出版社，2003：63～74.

[3]中国航空工业规划设计研究院等.工业与民用配电设计手册（第三版），北京：中国电力出版社，2005：637.

[4]GB/Z 6829-2008（IEC/TR 60755：2008，MOD）剩余电流动作保护电器的一般要求.

[5]GB 13955-2005剩余电流动作保护装置安装和运行.

[6]GB 16895.4-1997（idt IEC 364-5-53：1994；IEC 364-5-537：1981）建筑物电气装置第5部.分：电气设备的选择和安装第53章：开关设备和控制设备

[7]JGJ16-2008民用建筑电气设计规范.

[8]GB50054-2011低压配电设计规范.

[9]王厚余.电子式RCD和电磁式RCD的选用，建筑电气2010年第二期.