建筑供配电系统中剩余电流保护断路器选择

建筑供配电系统中剩余电流保护断路器的选择

摘要：本文在分析介绍国内外剩余电流保护断路器的分类、工作原理以及应用特点的基础上，指出了目前我国剩余电流保护断路器应用的不足，提出了在选择剩余电流保护断路器时的原则和注意事项。

关键词：建筑供配电系统；剩余电流保护器 一、概述

在建筑供配电系统中，如何保证供配电系统安全运行一直是大家很关注的一个问题，尤其是在低压家用供电网中，使用人员多而复杂、用电常识缺乏，如何防止人员触电伤亡事故、电气火灾事故及电气设备损坏，显得更加重要。

在低压家用供电网中安装剩余电流保护断路器是防止各种电气事故的有效措施。国际电工委员会以及世界各国都制订了严格的电气安装规程和用电规程，在低压家用供电网中要求安装使用剩余电流保护断路器。

我国于70年代中期首先在农村低压家用供电网中推广使用剩余电流保护断路器，经过近40年的研究开发并不断完善，已经形成了品种完善、规格齐全，符合iec国际标准的剩余电流保护断路器的产品系列。在城镇和农村的低压家用供电网的安全保护中，发挥了重要的作用。

二、剩余电流保护断路器的工作原理及分类 （一）工作原理

剩余电流保护断路器是一种电流动作型的漏电保护装置，适用于tn和tt系统，也就是电源变压器中性点接地的系统；对某些中性点不接地但对地电容较大的it系统也适用，但在相－相间发生触电时不起保护作用。

剩余电流保护断路器工作原理如图1所示。a、b、c三相导线和中性导线n均穿过零序电流互感器，零序电流互感器的二次回路输出电压不经任何放大，直接激励脱扣器；或者在二次回路和脱扣器之间接入一个中间环节，输出电压经电子放大后再激励脱扣器。

图1剩余电流保护断路器工作原理

在没有漏电或漏电故障发生的正常情况下，三相导线和中性导线的电流向量和等于零，即：ia＋ib＋ic＋in＝0，所以，在零序电流互感器铁芯中，各相线电流所产生磁通向量之和也为零，即：φa＋φb＋φc＋φn＝0。当有触电事故或出现漏电故障时，就会产生漏电电流，使得流过零序电流互感器的三相导线和中性导线的电流向量和不再为零，即：ia＋ib＋ic＋in≠0，零序电流互感器中磁通向量发生变化，在二次回路产生感应电动势（输出电压），该电压值如果达到动作整定值，将激励脱扣器动作，通过主开关qf切断供电电源，达到触电保护作用。 （二）分类

2003年国家制订的标准《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器》（gb16917.1）规定，剩余电流动作断路器可分

为以下三种保护器：

1．漏电动作开关（仅有漏电保护的保护器）；

2．漏电动作断路器（带过载、短路和漏电三种功能保护器）； 3．漏电继电器（仅有漏电报警功能的保护器）。 这三种保护器的工作原理是一样的，只是功能多少不同。 根据动作方式可分为：电磁式剩余电流保护断路器和电子式剩余电流保护断路器。

（三）电磁式与电子式剩余电流保护断路器的区别

电磁式剩余电流保护断路器的零序电流互感器二次回路输出电压不经任何中间环节放大，直接驱动脱扣器动作，其动作功能与电网电压无关。工作方框图如图2所示。

电子式剩余电流保护断路器在零序电流互感器的二次回路和脱扣器之间接入一个中间环节（电子放大线路），零序电流互感器二次回路的输出电压经过中间环节放大后再驱动脱扣器动作，其动作功能与电网电压有关。工作方框图如图3所示。

电子式剩余电流保护断路器的结构与电磁式剩余电流保护断路器基本一样，但工作原理存在较大的差异，当供电线路网络出现漏电电流时，由零序电流互感器二次回路输出的电压须借助于与外部电源有关的电子放大器放大后才驱动脱扣器动作，然后才分断主电路。

电子放大器所需要的外部电源主要来自供电线路，所以在脱扣器回路与供电电网之间一般都有电的联系。

图2电磁式剩余电流保护断路器工作方框图

电网电压供电

图3电子式剩余电流保护断路器工作方框图

从图2和图3可以看出，电磁式剩余电流保护断路器与电子式剩余电流保护断路器的最大区别在于中间环节，由于电磁式的中间环节仅仅是一个高质量的连接电容，而电子式的却是由元件多电路复杂的电子电路组成，这导致了这两种剩余电流保护断路器在可靠性方面的不同。

由于电子式的元件多电路复杂，故障发生概率大大高于电磁式的剩余电流保护断路器，更容易导致电子式的功能失效。根据国外的文献记载，在正常工作环境和温度中，按20年的工作寿命计算，电子式剩余电流保护断路器的失效率是电磁式剩余电流保护断路器的160多倍。

尽管可靠性偏低、失效率偏高，但因为电子式剩余电流保护断路器对制作材料和生产工艺要求较低，价格便宜，我国生产的剩余电流保护断路器绝大部分为电子式的，约占剩余电流保护断路器总产量的90％左右。而电磁式剩余电流保护断路器因制造工艺要求高、技术要求高、价格贵，使用量较少，仅占10％左右。 在欧洲各国，较多的采用电磁式剩余电流保护断路器，在美国、日本等部分国家，也有采用电子式剩余电流保护断路器的，其原因

在后文将进行分析讨论。

三、电磁式与电子式剩余电流保护断路器的应用情况 （一）电子式剩余电流保护断路器应用的局限性

在各种供电系统和各种场合中应用电子式剩余电流保护断路器，有一定的局限性，下面我们分析几种情况： 1．在tn-c-s供电系统中

在国标《剩余电流动作保护电器的一般要求》（gb/z6829-2008）中明确规定，额定漏电动作电流不大于30ma的剩余电流动作保护器在电源电压降到50v（相线对地电压）时，如果出现等于或大于额定漏电动作电流30ma的情况，应能够自动动作切断电路。 而在实际tn-c-s供电系统中，部分中性线n和保护线pe是分开的，而有一部分中性线n和保护线pe是合一的，即pen线。由于pen线的存在，有可能导致人体触电电压大于电子式剩余电流保护断路器上面所残余的50v电压，从而发生触电事故。如图4所示。 当发生电气设备碰机壳接地故障时，由图中可看出： 接地故障电流i故＝u0/(z电＋zpe＋zpen)

在设备机壳上面产生的接触电压为：u触＝i故·(zpe＋zpen) 在电子式剩余电流保护断路器接线端子上的电源残压为： u残＝i故·(z电＋zpen)

从计算式子来看，u触和u残并不相等，电子式剩余电流保护断路器的等效阻抗z电比较小，而保护线pe的阻抗zpe在故障回路中约占一半左右。当u触等于50v时，u残会小于50v，而当u残

接近50v时，u触就会大于50v。也就是在u残接近但小于50v的这种情况下发生人体触电事故时，在tn-c-s供电系统中的电子式剩余电流保护断路器不会自动动作，失去保护作用。

图4在tn-c-s供电系统中的应用

在工作环境比较差，对安全可靠性要求较高及电气装置对电磁干扰要求较严的场合，如城市公用低压线路系统和民用建筑。一般都采用tn-c-s供电系统，上面所分析的情况，是电子式剩余电流保护断路器应用的一个局限性，应引起足够的重视，以保证人身安全。

2．在tn-s供电系统中

在图5的单相tn-s供电系统中，当中性线n在图中“×”处因断线或者接触不良而不导通时，在电子式剩余电流保护断路器接线端子上的电源为零，由于没有外部电源电压，电子式剩余电流保护断路器将不会动作。但如果由此供电系统供电的设备发生电气设备碰机壳接地故障时，人触摸机壳的接触电压u触仍然存在，而且全部为i故在pe线上面所产生的电压降，电击导致死亡的危险性很大，后果很严重。所以国际和国家标准中，都非常重视中性线n不导通时，电子式剩余电流保护断路器防电击的性能。

图5在tn-s供电系统中的应用 3．在潮湿的环境中

在浴室、游泳池和施工隧道等潮湿的场所内，防止电击的安全电压不是50v，而是不超过12v或24v的安全特低电压。在这些场所，如果发生电气设备碰机壳接地故障，而机壳所带的接触电压小于50v时，就很有可能发生触电电击事故，而电子式剩余电流保护断路器却不会动作。这也是电子式剩余电流保护断路器应用的一个局限性。

（二）电磁式与电子式剩余电流保护断路器在各国的应用 世界各国在应用剩余电流保护断路器方面，各有不同和侧重。我国剩余电流保护断路器的生产和应用起步较晚，但在80～90年代，我国通过自行研制、开发，引进吸收国外先进技术，剩余电流保护断路器的技术取得了较大的突破，已经形成一定规模的生产能力。同时，由于电子式剩余电流保护断路器在制作材料、生产工艺方面要求不高，价格也比较低，在我国应用比较广泛。 欧洲各国主要是应用电磁式剩余电流保护断路器，因为欧洲与我国一样，在配电系统中相电压是使用220v的标称电压，在电气设备发生碰壳接地故障时的接触电压约为100v，发生对人的电击危险比较大。所以，欧洲各国比较多地采用动作与电网电压无关、可靠性更高的电磁式剩余电流保护断路器。

而在美国、日本等部分国家，为了保证人身安全，以小功率为主的家用配电系统采用的是110v的标称电压，在电气设备发生碰

壳接地故障时接触电压不大于50v，即使出现电子式剩余电流保护断路器因工作电压不足而没有动作的情况，发生对人的电击危险也不大，所以就多采用电子式剩余电流保护断路器。 四、电磁式与电子式剩余电流保护断路器的正确选择 只有按照国家标准规定的要求来选择电子式剩余电流保护断路器，才能在一定条件下有效地起保护作用，防止电击事故的发生。在我国标准gb 16895.4－97和对应的国际标准ice 364－5－53，1994及ice 364－5－537，1981中，对采用由于动作电压不足而不能自动动作的电子式剩余电流保护断路器设定了两个条件。即：当电子式剩余电流保护断路器的残余电压低于产品标准规定的动作电压时，虽然它不能自动动作，但辅以其他保护措施应不能发生间接接触电击事故。例如在配电系统中设置局部等电位连接，将故障时的接触电压限制在安全电压以下。此时，虽然电子式剩余电流保护断路器不能自动动作，但接触电击事故将不易发生。第二个条件是应有专职人员或熟练人员进行操作、试验和检查。因为专业人员了解电子式剩余电流保护断路器的特性和使用条件，在使用中加以注意，可避免间接接触电击事故的发生。例如为防止中性线不导通而导致电子式剩余电流保护断路器不动作的危害，就需要专业人员在定期检修时，要认真地测试中性线是否导通，检查中性线是否有机械损伤等，以保证电子式剩余电流保护断路器的可靠动作。 从以上国家标准和国际标准的规定中可以看出，在实际应用中，选择电子式剩余电流保护断路器是有一定条件的。

我国与欧洲一样，在配电系统中相电压是220v的标称电压，为保证人身安全，应该遵循国家标准规定的条件来选用电子式剩余电流保护断路器，当使用条件不满足时，就应该选用电磁式剩余电流保护断路器。而目前我国尤其是在农村低压电网中却广泛地使用电子式剩余电流保护断路器，从保护人身安全的角度来看，是不够科学的，必须引起足够的重视。针对我国低压配电系统的电压等级和广泛的人员缺乏用电常识的情况，无论从设备的可靠性、安全性和科学性来说，都应该选择动作功能与电网电压无关的电磁式剩余电流保护断路器。 参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准．家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器．(gb16917.1-2003) ．

[2]中华人民共和国国家标准．剩余电流动作保护电器的一般要求．（gb/z6829-2008）．

[3]中华人民共和国国家标准．剩余电流动作保护装置安装和运行．(gb13955-2005) ．

[4]中华人民共和国国家标准．电气火灾监控系统．(gb14287.3-2005) ．

作者简介：魏华（1963- ），女，辽宁抚顺人，广西经贸职业技术学院副教授，主要研究方向为楼宇智能化技术。 注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。