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剩余电流动作保护装置的保护功能

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2007/11/26 23:06:44   

      编者按:修订后的GB 13955-2005《剩余电流动作保护装置的安装和运行》,近期已由国家标准化技术委员会审查、批准、发布。 

      国内外的经验表明,在低压配电系统,推广使用剩余电流保护装置,对于防止人身电击伤亡事故、避免因接地故障引起的电气火灾事故、减少剩余电流造成的电能损耗,具有明显的效果。根据我国电网接地系统的具体情况和多年来的实践证明,低压电网采用剩余电流动作保护装置,作为防止人身电击伤亡、电气设备损坏和电气火灾的各项安全技术措施的补充保护措施,是行之有效的,同时为减少电气线路漏电引起的电能损耗,具有明显效果。近10年来,全国电击伤亡人数的明显下降可作有力的证明。 

     在全国范围内的城网和农网改造中,强制性地推广应用剩余电流保护装置,极大地提高了安全用电水平。在城网改造,在低压配电系统的设计中,对末端的电气设备和居民住户,都配置了剩余电流保护装置,特别在一户一表的设置中,剩余电流保护装置成为必不可少的安全用电保护设备。 

      国家标准GB 13955经过10年的具体实施,而且又经过城网和农网两网改造,很多地区将接地系统由TN-C改造为TN-C-S后,为安装剩余电流保护装置创造了条件,使剩余电流保护装置得到更广泛的应用,并为修订标准提供了有利条件。 

      为配合标准的贯彻实施,《农村电气化》2005年7~12期期刊上,将刊载有关介绍国标的文章,刊载国标内容的简介、国标修订的依据。国标强制执行对安全用电的重大社会效益,及电气专家对标准的评价,各地在农网改造中安装使用剩余电流动作保护装置的运行经验及教训,以及开展关于贯彻国标的讨论。欢迎广大读者积极投稿,介绍本地区剩余电流保护装置的安装使用情况和经验教训。 

      为使广大基层工作人员能及时了解到剩余电流动作保护装置产品的最新动态,在《农村电气化》刊物上还将介绍一些质量可靠、信誉好的生产厂的优质产品的性能、特点,以满足大家的要求。 

      剩余电流动作保护装置主要有如下保护功能。 

     1 直接接触电击保护 

      GB 13955-2005中指出:在直接接触电击保护中,剩余电流保护装置在基本保护措施失效时,可作为直接接触电击保护的补充保护或后备保护措施(不包括对相与相、相与N线间形成的直接接触电击事故的保护)。并且强调:"用于直接接触电击事故防护时,应选用一般型(无延时)的剩余电流动作保护装置。其额定剩余动作电流不超过30 mA。" 

      在发生直接接触电击时,剩余电流通过人体,容易造成生命危险。根据电流对人体的作用及影响,IEC 60479研究结果证明,15~100 Hz交流电流对人体的影响,可分为四个电流区域,如图1所示。其中在区域①,人体没有感觉,在区域②无有害的生理效应,区域③不会产生器官损伤,区域④的电流一时间值是最危险的,因为这个区域会出现心室纤维性颤动,心脏的搏动节律受阻,影响大脑的血液流通而引发死亡。因此直接接触电击保护的目的,是要防止电流对人体的影响落入区域④,为此必须先用I△n≤30mA及动作为(一般型)无限时的剩余电流保护装置。人在直接触及带电导体时,流过人体的电流值取决于人体内部电阻和站立地点的接触电阻。对电击死亡事故的研究表明,可认为最不利的情况是,站立点的接触电阻接近于零,例如赤脚站在潮湿的地上。这时流过人体的电流,仅取决于人体的电阻。测量结果指出,电流途径为左手至脚或左手至右手,其电阻值约为1000W。考虑到对地故障电压为220V,则此时的电流值达220mA左右,这时如使用I△n≤30mA的一般型剩余电流保护装置,则能在40ms内动作。由图1可以看出,这时时间一电流对应点A落在区域②,这区域内一般不会发生对人体有害的生理效应,在大部分情况下不会发生电击伤亡事故。 

      图1还表示了额定剩余动作电流10 mA和30 mA一般型(无限延时)剩余电流保护装置的脱扣动作时间一电流特性线带,可以看出脱扣时间一电流特性曲线带,大部分位于区域②,一小部分位于区域③,因此不会发生致命危险,而使用额定剩余动作电流大于30mA的剩余电流保护装置,时间-电流特性曲线带将要进入区域④,有可能发生电击伤亡事故。 

      此外,根据试验结果和实际的电击事故表明,较大的电流过人体时,电流途径中的肌肉会发生痉挛,使电击者握住带电的导体而不能自行摆脱。IEC479的研究结果又表明,摆脱电流与频率有关,在电网频率50Hz及10mA电流时,有99.5%的被试人员能自主摆脱电源。因此通常认为在50 Hz交流时,摆脱电流极限为10mA。由此可见,在直接接触电击保护中,如考虑能自行摆脱带电导体,应选用10mA的剩余电流保护装置。如直接接触的对象是小孩或病人,心室颤动的阀值可能较低,容易发生心室颤动,这时也应选用额定剩余动作电流I△n≤10mA的剩余电流保护装置。 

      2 间接接触电击保护 

      间接接触电击保护最有效的措施是自动切断电源,而剩余电流保护装置具有这个功能。这种保护是在故障条件下的持续接触电压限制在较为安全的范围内的防护。

      自动切断电源的防护是供电系统和电气装置的最有效防护,有条件时都应采取这种防护形式。I类电气设备必须接入自动切断电源的防护系统,才能有效地实现防电击功能。自动切断电源的基本要求为电气设备的外露可接近导体接地时,保护系统在故障条件下均能形成一个闭环故障电流回路,以保证保护条件的建立。凡是采用自动切断电源防护的电气装置,其外露可接近导体必须通过保护导体接到接地装置的接地极上。 

       剩余电流保护装置的主要功能是用来进行间接接触电击保护。

       在标准GB 13955的4.2"对间接接触电击事故的防护"中,规定了:"间接接触电击事故防护的主要措施是采用自动切断电源的保护方式,以防止由于电气设备绝缘损坏发生接地故障时,电气设备的外露可接近导体持续带有危险电压,而发生电击事故或电气设备损坏事故。当电路发生绝缘损坏造成接地故障,其故障电流值小于过电流保护装置的动作电流值时,应安装剩余电流保护装置?quot;

      当电气设备上出现绝缘故障时,外壳出现故障电流,通过保护导线PE(TN系统),剩余电流保护装置在人还未触及带电的金属外壳前,已将故障切断,防止人体触及危险的接触电压。如出现故障时,正好有人触及因故障损坏而带电的设备外壳,则被电击者与故障回路相并联。根据保护导线PE(或接地线)和人体的电阻比例(正常情况下,人体电阻要比保护导线或接地极的电阻大得多),大部分的电流流经保护导线,剩余电流保护装置立即切断电源,对人体不会造成致命危险。 

      为保证人身安全,电气装置的任何部分发生绝缘故障时,人体一旦接触其外露导体,接触电压不应超过50V,应当指出接触电压的高低是受外界环境影响的,如接地装置的接地电阻、人体的状况等。所以一旦接触电压超过50V时,必须在规定的时间内,自动切断故障部分的电源。但是限于电气线路和设备及过电流保护装置的动作值,过电流保护装置不能自动切断电源。所以为能在规定时间内自动切断电源,除系统正常的过电流保护装置外,还应采用不受负荷电流影响的剩余电流保护装置,实现自动切断电源。 

      剩余电流保护装置用于间接接触电击事故防护时,应正确地与电网的系统接地型式相配合。

      为了改善接地效果,降低预期接触电压,有时需要多点接地。这时应做到,同时可触及的外露可接近导体必须接至同一接地装置上。 

      3 接地故障保护 

      接地故障是带电导体和大地、接地的金属外壳或与地有联系的构件之间的接触。例如,架空导线断裂接地,电源线绝缘损坏碰金属外壳等。如接地故障不及时排除,当人体碰到落地的带电导线或金属外壳,接地故障电流持续存在,有可能发生人身电击伤亡和设备损坏事故,或电气火灾事故。

      接地故障保护过去通常采用过电流保护装置(例如熔断器或断路器等)进行保护,当接地故障电流大于过电流保护装置定值时,由过电流保护装置切断故障电路。在TT系统中,对额定电流较大的线路,并且配电线路较长时,发生接地故障的故障电流有可能小于过电流保护的动作整定电流,这时过电流保护装置就不会动作。这种情况下,应采用剩余电流保护装置(或带接地故障保护的断路器)进行接地故障保护。

      在TN系统中,发生带电导线落地的接地故障或不完全的金属性的接地故障或电弧性接地故障时,情况与TT系统相似。TN系统即使发生金属性短路,在线路较长和额定电流较大时,过电流保护装置也有可能不动作。此时,也只有采用剩余电流保护装置,才能可靠进行接地故障保护。 

      剩余电流保护装置仅用于接地故障保护时,根据配电网络系统的形式和容量大小,额定剩余动作电流可以从几毫安至几百安。考虑选择性保护,分断时间一般应采用延时型。剩余电流保护装置用于接地故障保护,又要考虑间接接触保护时,动作特性应按间接接触保护的要求选择。 

     4 电气火灾保护 

     过去普遍认为,电气间短路引起的火灾大多由带电导体间的短路所造成,一般称金属性短路。由于短路电流大,可用带短路保护的断路器和熔断器来防止。实际情况并非如此,因大多数的短路火灾是由接地短路故障产生的电弧或电火花所引起。一般称电弧性短路。前者短路电流以kA计,金属线心产生高温以至炽热,绝缘被剧烈氧化而自燃,火灾危险甚大,但金属性短路产生的大短路电流能使断路器瞬时动作切断电源,火灾往往得以避免。后者因短路电流受阻抗影响,电弧长时间延续,而电弧引起的局部温度可高达3000~4000 ℃,很容易烤燃附近可燃物质引起火灾,又由于接地故障引起的短路电流较小,不足以使一般断路器动作跳闸切断电源,所以电弧性短路引起火灾危险远大于金属性短路。

      一般的低压断路器主要针对电力线路和设备的过载和短路保护,因此其额定动作电流较大,而接地故障引起的接地短路电流较小,一般不足以使断路器动作跳闸,因此低压断路器不能防止因接地故障引起的电气火灾,而只有带剩余电流动作保护功能的断路器,在过电流保护装置不动作的情况下,能有效地切断故障电路,防止电气火灾。 

      应用剩余电流保护装置来防止电气火灾,必须正确选择额定剩余动作电流。在IEC 60364-4-482《火灾保护》的第482.2.10条中规定,在有火灾危险的场所,要防止故障电流引起火灾,必须在线路中装设额定剩余动作电流不超过500mA的剩余电流保护装置,或装设绝缘监察装置,在绝缘故障时发出警报。 

      采用额定动作电流不超过500mA的剩余电流保护装置,可以在出现引燃火灾所需的能量前,就发出警报或断开电路排除故障。 

      为防止电弧性接地短路故障引起的电气火灾,在电源进线处装用带剩余电流保护功能的断路器和电气火灾监控系统是一项重要的防火灾措施。其剩余电流保护功能对建筑物的电弧性接地故障引起的电气火灾进行防范。这在一些发达国家已是广泛应用的电气防火灾技术,一些供电公司,为了用户的安全用电,对不具备这一防火措施的用户是不予接电的。国际电工标准IEC 60364-5-53第531.2.4条规定,TT系统的电源进线端必须装用剩余电流保护装置。TN系统的电源进线端为切断建筑物内的电弧性接地故障,也应装用剩余电流保护装置。我国GB 50096《住宅设计规范》,也规定每幢住宅楼的总电源进线断路器,应带有剩余电流保护功能的明确规定。因一般居民用户不懂用电安全知识,又无专业电工维护管理。据近年统计,我国住宅电气火灾占电气火灾总数的一半以上,所以这一规定是十分必要的。

      因此在进线处安装带过载保护、短路保护、剩余电流保护于一体的多功能低压断路器和电气火灾监控系统,不仅可以保护线路、保护设备,而且还可防止因接地故障引起的电气火灾。

来源:中国电力网
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