断路器的接地故障保护与剩余电流保护

2020-12-01

接地故障保护

全称应该是“单相接地故障保护”,就是某一相对地的短路故障,与三相短路或两相短路类似,也属于短路保护的一种。

只是它有一定的特殊性,三相短路和两相短路因为线芯导体的极小阻抗和线电压(380V),短路电流很大;而单相接地故障的短路阻抗较前两者要复杂些,只会更大,且短路电压仅为相电压(220V),所以短路电流相对较小。

因此,对于接地故障的保护会根据不同的短路电流大小采用不同的方案,而三相短路、两相短路则简单粗暴些,唯有努力用过电流保护去实现它。

*当过电流保护满足动作灵敏度要求时,用过电流保护的短路瞬时或短路短延时保护。

*当过电流保护不满足灵敏度要求时,可采用零序电流保护。TN 系统的接地故障电流相对较大(大于几十、上百安倍),采用零序电流保护是可以胜任的。对于此,带有电子脱扣器的断路器可选择四段保护功能,即长延时Ir、短延时Isd、短路瞬时Ii、接地故障保护Ig。其实这个 Ig 就是零序电流保护(记住这个 Ig)。

*当过电流保护不满足灵敏度要求时,也可采用剩余电流保护(RCD动作于切除,RCM动作于报警)。选用剩余电流保护主要是提高了动作灵敏度,但它的作用并不止于此,还有更深层次的用意(可看下面)。

*以上几种方式的保护动作灵敏度在一步步提高(百安倍级以上 → 十几安倍级以上 → 毫安级以上)。


而对于 TT 系统的接地故障保护,因为接地故障电流较小(小于十几安倍),过电流保护和零序电流保护无法满足动作灵敏度要求,唯有通过剩余电流保护来实现。

所以说,接地故障保护中的过电流保护和零序电流保护措施,本质上来说是切除线路中的大故障电流,只为保护配电线路因发热而导致的绝缘损坏问题,以及因此引发的次生灾害 —— 火灾。

这里需再次说明,断路器中的接地故障保护实际上是零序电流保护的概念。它并不能防接地电弧火灾,也不能防人身电击。

而剩余电流保护只是以上几种接地故障保护方式的一种。那么,它究竟是用于哪里呢?


剩余电流保护

它用于保护【人身安全】和【财产安全】两方面,即用于防止直接接触和间接接触电击事故,和用于防建筑物电气火灾事故。

具体保护措施如下:

*当用于防直接接触时,其保护动作值应 ≤ 30mA(高灵敏度)。直接接触电击是假定故障电流以人体为通路而回到电源中性点的,所以必须要不大于 30mA 动作,且应立即切断电源,时间越快越好。

*当用于防间接接触时,保护动作值可在 30~3000mA(中灵敏度)。这里需指出的是,用于防间接接触的 RCD 动作整定值是可以大于 30mA 的。因为间接接触电击防护是假定设备在运行过程中绝缘损坏了,为防电击,正常环境中当预期接触电压超过50V时,应提前在规定时间内切断故障回路。对于 TN 系统,仅要求 RCD 的动作整定值 Ia ≤ 220/Zs(接地故障回路阻抗很小,仅为线芯导体阻抗,2 欧姆以内),很显然 Ia 的整定值可以是几十安倍,并不是 30mA。对于 TT 系统,则要求 Ia ≤ 50/Ra(设备端保护接地电阻值,一般情况下 ≤ 10欧姆),同样 Ia 也可以大于30mA。

*当用于防电气火灾时,保护动作值通常可在 100~300mA,对于框架断路器 ACB 的剩余电流保护整定范围可在 0.5~30A(低灵敏度),塑壳断路器 MCCB 也在 0.1~30A(低灵敏度)。

也正因为规范中的要求,很多人将 RCD 用于防电气火灾时,往往整定电流设定在不大于 300mA 的范围内。也确实,在 IEC-TC64 的技术文件中指出了 300mA 以上的电弧能量才能引起火灾。但我们忽略了它的条件设定,即场景是火灾危险场所。