【摘要】剩余電流動作保護(hù)器在不同的接地系統(tǒng)中有其適用性和嚴(yán)格的接線方式，錯誤地選用剩余電流動作保護(hù)器或不規(guī)范地接線，會使剩余電流動作保護(hù)器誤動或拒動，甚至引起人身觸電和電氣火災(zāi)事故。從剩余電流動作保護(hù)器工作原理出發(fā)，著重于用電設(shè)備的電流矢量分析與計算，闡述剩余電流動作保護(hù)器在低壓配電接地系統(tǒng)中的應(yīng)用特性，定量地分析接地系統(tǒng)類型對剩余電流動作保護(hù)器工作的影響。電流矢量的分析方法為剩余電流動作保護(hù)器的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】剩余電流動作保護(hù)器；剩余電流互感器；電流矢量；接地系統(tǒng)
0引言
GB/T 6829—2017定義剩余電流為流過剩余電流保護(hù)電器主回路的電流瞬時值的矢量和（用有效值表示）[1]。剩余電流動作保護(hù)器（residual currentoperated protective devices,RCD）在低壓供電系統(tǒng)中對人身觸電和漏電火災(zāi)等事故起到了有效的防護(hù)作用，在各類不同接地制式的低壓電網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各種電氣設(shè)備在生產(chǎn)和生活各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，人們與電接觸的機(jī)會越來越多，觸電的可能性越來越大，用電設(shè)備導(dǎo)致人員觸電傷亡的事件時有發(fā)生。為了人身和設(shè)備安全，對RCD的使用要求越來越嚴(yán)格。GB/T 16895.1—2008規(guī)定了各類接地制式的低壓電網(wǎng)系統(tǒng)[2]，各類接地系統(tǒng)的特點和RCD的工作原理限制了RCD在一些接地系統(tǒng)中的應(yīng)用，且要求其接線方式有嚴(yán)格的規(guī)范性。
1 RCD的基本工作原理
RCD一般由剩余電流檢測模塊和斷路器組成，斷路器起接通、承載和分?jǐn)嚯娐返淖饔?，剩余電流檢測模塊一般由剩余電流互感器、信號放大器、信號判別元件、脫扣執(zhí)行元件組成。負(fù)載線路接入RCD后即穿過了剩余電流互感器，形成一次繞組；剩余電流互感器自帶的線圈形成二次繞組。正常工作時，線路中剩余電流為零，即穿過剩余電流互感器的所有線路電流矢量和為零[3-7]，有
式中，Iu、Iv、Iw、In、為各相電流矢量。因此，在剩余電流互感器鐵心中產(chǎn)生的磁通矢量和同樣為零，故不會在二次繞組中感應(yīng)出電流，信號判別元件判斷線路中沒有剩余電流，RCD不會動作；當(dāng)發(fā)生故障使線路中產(chǎn)生正弦或脈動直流剩余電流時，即I_x0005_Δ≠0，在剩余電流互感器鐵心中產(chǎn)生的磁通矢量和不為零，此時會在二次繞組感應(yīng)出電流。當(dāng)剩余電流在檢測范圍內(nèi)時，磁心工作在線性區(qū)，二次側(cè)感應(yīng)電流與剩余電流大小成正比，該電流信號經(jīng)過信號放大器后，在判別元件中與設(shè)定的剩余電流動作標(biāo)準(zhǔn)值對比，當(dāng)檢測到的剩余電流值超過設(shè)定值時，判別元件向執(zhí)行元件發(fā)出信號，執(zhí)行元件驅(qū)動斷路器動作，切斷電源，從而起到漏電保護(hù)的作用。
由此可見，剩余電流互感器是整個RCD的核心部件，RCD能否起到漏電保護(hù)作用，取決于剩余電流互感器是否正常工作[8-9]。當(dāng)線路中電流為正弦型或脈動直流型、剩余電流互感器磁心未飽和且工作在線性區(qū)時，RCD動作與否取決于穿過剩余電流互感器的所有線路電流矢量和的大小。
2用電負(fù)載的電流矢量分析與計算
在RCD性能良好且不考慮電源類型及頻率的情況下，RCD能否正常工作，取決于流經(jīng)其進(jìn)、出線端的電流矢量和，故用電負(fù)載的電流矢量分析對于RCD的應(yīng)用至關(guān)重要[10]。低壓供電網(wǎng)可提供單相和三相兩種供電方式，其中三相供電時根據(jù)負(fù)載的分布和接線方式可分為星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)。
2.1單相供電時負(fù)載的電流矢量
圖1為單相供電負(fù)載接線示意圖，無論Z為純阻性負(fù)載還是復(fù)阻抗負(fù)載，流經(jīng)負(fù)載Z的電流矢量如圖1所示，根據(jù)KCL定律可得
式中，Il、In分別為負(fù)載的相線與中性線電流矢量。式（2）表明，無論負(fù)載Z的大小如何，在無電流泄漏的情況下，流經(jīng)負(fù)載的電流矢量和始終為零。
2.2三相供電時負(fù)載的電流矢量
1）負(fù)載星形聯(lián)結(jié)時的電流矢量
三相供電負(fù)載星形聯(lián)結(jié)示意圖如圖2所示。負(fù)載星形聯(lián)結(jié)時，如果三相負(fù)載對稱平衡，可不需要中性線，如圖2（a）所示。但是在圖2（a）的情形下，存在負(fù)載異常導(dǎo)致三相負(fù)載不平衡的情況，此時會產(chǎn)生中性點漂移。圖2（a）中，設(shè)Z2 1=λZ，Z3 1=μZ，分別取a、b、c節(jié)點為參考對象，根據(jù)KCL定律和歐姆定律可得
式中：Iu、Iv、Iw為三相負(fù)載各相線電流矢量；λ為阻值Z2與Z1之比；μ為阻值Z3與Z1之比。解析式（3）得
特別地，當(dāng)λ=μ=1時，三相負(fù)載對稱平衡；當(dāng)λ≠μ時，三相負(fù)載不平衡，中性點發(fā)生漂移。結(jié)合式（3）、式（4）可知，無論三相負(fù)載平衡與否，式（4）總是成立，表明三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié)不帶中性線時，在無電流泄漏的情況下，各相的線電流矢量和始終為零。
2（b）中，中性點連接零線，構(gòu)成中性線，此時相電壓Up與線電壓Ul有固定的關(guān)系，即Ul=3Up。線電壓Ul取決于電源系統(tǒng)，電源系統(tǒng)穩(wěn)定則線電壓不會改變，故Up不因各相負(fù)載的阻值大小而改變。線電流與相電流大小相等，即Il p=I，若認(rèn)為三相負(fù)載電流由各相線流入，由中性線流出，取中性點為參考對象，根據(jù)KCL定律可得
式中：Iu、Iv、Iw為三相負(fù)載各相線電流矢量；In為中性線電流矢量。由式（5）可知，三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié)帶中性線時，在無電流泄漏的情況下，所有相線加中性線的電流矢量和始終為零。
2）負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)時的電流矢量
三相供電負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)示意圖如圖3所示。圖3中負(fù)載為三角形聯(lián)結(jié)，分別取三根相線與負(fù)載的連接點e、f、g作為參考對象，根據(jù)KCL定律可得
式中：
Iu、Iv、Iw為三相負(fù)載的線電流矢量；Iuv、Ivw、Iwu為流經(jīng)三相負(fù)載Z1、Z2、Z3的相電流矢量。
結(jié)合式（6）、式（7）可知，無論三相負(fù)載Z1、Z2、Z3的阻值大小如何，式（7）總是成立，表明負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)時，在無電流泄漏的情況下，各相線電流矢量和始終為零，與各相負(fù)載的阻值大小無關(guān)，也與三相負(fù)載是否平衡無關(guān)。
3 RCD在接地系統(tǒng)中的應(yīng)用
低壓配電網(wǎng)的接地系統(tǒng)分為TT、TN、IT三種，其中TN系統(tǒng)又分為TN-C、TN-S、TN-C-S三種。每種接地系統(tǒng)有各自的特點，因RCD的工作原理，其工作狀態(tài)與接地系統(tǒng)的類型和接線方式有關(guān)，若應(yīng)用和接線方式有誤，RCD會拒動或誤動，從而引發(fā)安全事故[11-12]。
3.1 RCD在TT系統(tǒng)中的應(yīng)用
RCD在TT系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖4所示。TT接地系統(tǒng)中，供電側(cè)電源系統(tǒng)有一點直接接地，用電側(cè)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分通過接地極接地。
安裝RCD時，相線與中性線全部接入RCD，且中性線連接在有明確標(biāo)識的中性極，如圖4（a）中A所示，結(jié)合式（5），此時有
式中，I_x0005_Δ為穿過RCD的所有線路電流矢量和，也可稱作剩余電流。若相線或中性線與負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分因絕緣故障發(fā)生漏電，負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分與大地之間就存在電壓，進(jìn)而負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分通過接地線PE或人體（當(dāng)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分接地不良而人體觸摸到時）產(chǎn)生接地故障電流，也稱泄漏電流或剩余電流。結(jié)合式（5），此時該電流為
剩余電流的大小視絕緣故障的程度而定，當(dāng)I_x0005_Δ達(dá)到或超過RCD額定值時，RCD會動作切斷電源，保護(hù)設(shè)備和人身安全。還有一種情況如圖4（a）中B所示，負(fù)載中性線未接入RCD，接地線PE無電流通過或無人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電，此時有
式（10）表明，僅當(dāng)三相負(fù)載對稱平衡時，有IΔ_x0005_=-In=0，RCD不會動作；一旦負(fù)載不平衡，則有IΔ=-In≠0。若｜IΔ｜比較大，則RCD立即動作。現(xiàn)實中，當(dāng)采用三相四線制供電時，眾多因素會導(dǎo)致負(fù)載無法完全對稱平衡，進(jìn)而無法保證不平衡電流的大小，RCD會經(jīng)常誤動作而斷電，影響負(fù)載正常工作。4（b）中，負(fù)載無中性線，接地線PE無電流通過或無人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電，參考式（4）、式（7），所有相線電流矢量和恒等于零，RCD正常工作；若接地線PE有電流通過或人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電，則有
｜IΔ｜達(dá)到或超過RCD的額定值時，RCD動作切斷電源。式（11）表明，TT接地系統(tǒng)中采用三相三線制供電時可選用不帶中性極的RCD。
3.2 RCD在TN系統(tǒng)中的應(yīng)用
TN接地系統(tǒng)有TN-C、TN-S、TN-C-S三種，這三種接地系統(tǒng)的本質(zhì)是一樣的，即供電側(cè)電源系統(tǒng)中性點接地，用電側(cè)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分接中性線，接地線PE與中性線N在電氣上相連。RCD在所有TN接地系統(tǒng)中的應(yīng)用原理是一樣的，為減少篇幅，此處以TN-C接地系統(tǒng)為例進(jìn)行分析說明。RCD在TN系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖5所示。
圖5中負(fù)載帶中性線時，相線與中性線要全部接入RCD，且中性線連接在有明確標(biāo)識的中性極。正常情況下，如圖5中C所示，接地線PE無電流通過或無人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而觸電，穿過RCD的所有線路電流矢量和為零，參考式（5）、式（8），RCD正常工作；異常情況下，接地線PE有電流通過或負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分通過人體產(chǎn)生接地故障電流，參考式（9），｜IΔ｜達(dá)到或超過RCD的額定值時，RCD動作切斷電源。但是，若錯誤地將接地線PE與負(fù)載中性線一起接入RCD，如圖5中D所示，則有
式中，IPE為接地線PE中的電流矢量。由式（12）可知，當(dāng)接地線PE有電流通過時，RCD不會動作；僅當(dāng)人體觸碰到負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而產(chǎn)生接地故障電流且該電流大小達(dá)到或超過RCD的額定值時，RCD才會動作，這將給用電負(fù)載造成極大的安全隱患。圖5中負(fù)載不帶中性線時，正常情況下，如圖5中E所示，參考式（4）、式（7），所有相線電流矢量和恒等于零，RCD正常工作；異常情況下，參考式（11），I_x0005_Δ達(dá)到或超過RCD的額定值時，RCD動作切斷電源。TN接地系統(tǒng)中，用電負(fù)載不帶中性線時可選用不帶中性極的RCD。但是，如果選用了帶中性極的RCD，并且將接地線PE接入了RCD的中性極，如圖5中F所示，則有
式（13）表明，無論接地線PE中有無電流通過，始終有I_x0005_Δ=0，RCD不會動作；僅當(dāng)人體觸碰到負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分而產(chǎn)生接地故障電流且該電流大小達(dá)到或超過RCD額定值時，RCD才會動作，這種情況也會對用電負(fù)載造成極大的安全隱患。
3.3 RCD在IT系統(tǒng)中的應(yīng)用
RCD在IT系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如圖6所示。
IT接地系統(tǒng)中，供電側(cè)電源系統(tǒng)所有帶電部分不接地或有一點通過高阻抗接地，用電側(cè)負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分接地。IT接地系統(tǒng)是三相三線制供電，假如選用不帶中性極的RCD，結(jié)合式（4）、式（7），此時有
因供電側(cè)電源系統(tǒng)與大地隔離，負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分對地電壓很低，接地線PE對大地、負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分經(jīng)人體對大地很難有電流產(chǎn)生，由式（14）可知，流過RCD的電流矢量和恒為零，RCD不會動作，不能起到漏電保護(hù)的作用，故RCD在IT接地系統(tǒng)中不適用。
4安科瑞ASJ系列產(chǎn)品介紹
安科瑞ASJ系列剩余電流動作繼電器和多回路剩余電流監(jiān)測儀可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式剩余電流保護(hù)裝置，主要適用于交流50Hz，額定電壓400V及以下的TT和TN系統(tǒng)配電線路，用來對電氣線路進(jìn)行接地故障保護(hù)，防止接地故障電流引起的設(shè)備損壞和電氣火災(zāi)事故，也可用來對人身觸電危險提供間接接觸保護(hù)。
ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器
ASJ60系列剩余電流監(jiān)測儀
4.1功能介紹
ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器具有以下功能：A型或者AC型剩余電流測量，剩余電流越限報警指示，額定剩余動作電流可設(shè)定，極限不驅(qū)動時間可設(shè)定，兩組繼電器輸出，具有就地，遠(yuǎn)程“測試”、“復(fù)位”功能；
ASJ60系列剩余電流監(jiān)測儀具有以下功能：16路剩余電流監(jiān)測，1路預(yù)警繼電器輸出，16路報警繼電器輸出，2路DI輸入，自動重合閘功能，遠(yuǎn)程通訊功能，遠(yuǎn)程分合閘功能。
4.2技術(shù)指標(biāo)
ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器技術(shù)指標(biāo)
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項目 |
指標(biāo) |
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AC型 |
A型 |
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輔助電源 |
電壓 |
AC110/220V（±10%） |
AC/DC85~270V |
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功耗 |
<5W |
<5W |
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輸入 |
額定剩余動作 電流I△n |
0.03、0.1、0.3、0.5(A) |
0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1、3、5、10、30(A) |
||
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極限不驅(qū)動時間△t |
0.1、0.5(s) |
0、0.06、0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、1、4、10(s) |
|||
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額定剩余不動作 電流I△no |
50%I△n |
50%I△n |
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動作特性 |
AC正弦交流電流 |
AC正弦交流電流、 脈動直流電流 |
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頻率 |
50Hz±5Hz |
50Hz±5Hz |
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動作誤差 |
-20% ~ -10%I△n |
-20% ~ -10%I△n |
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輸出 |
輸出方式 |
一組常開、一組轉(zhuǎn)換 |
一組常閉或常開、一組轉(zhuǎn)換 |
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觸點容量 |
5A 250VAC 5A 30VDC |
AL1:8A 250VAC; 5A 30VDC AL2:6A 250VAC; 5A 30VDC |
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復(fù)位方式 |
就地、遠(yuǎn)程 |
就地、遠(yuǎn)程、自動 |
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環(huán)境 |
工作溫度 |
運(yùn)行溫度：-20℃ ~ +55℃，存儲溫度：-30℃ ~ +70℃ |
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工作濕度 |
≤95%RH，不結(jié)露，無腐蝕性氣體場所 |
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海拔高度 |
≤2000m |
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污染等級 |
3級 |
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安裝類別 |
Ⅲ類 |
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ASJ60系列剩余電流監(jiān)測儀技術(shù)指標(biāo)
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項目 |
指標(biāo) |
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電源 |
電壓范圍 |
AC/DC85V~265V |
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*大功耗 |
≤10VA |
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輸入 |
*大測量支路數(shù) |
16路 |
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剩余電流測量范圍 |
1mA~30A |
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額定剩余動作電流I△n |
1 mA ~30A連續(xù)可調(diào) |
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動作特性 |
AC正弦交流電流及脈動直流電流 |
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頻率 |
50Hz±5Hz |
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動作延時 |
0~10s可設(shè) |
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開關(guān)量 |
2路無源干接點輸入 |
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輸出 |
輸出方式 |
1路水浸報警繼電器（常開） 16路剩余電流報警繼電器（常開） |
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觸點容量 |
AC 250V/3A DC 30V/3A |
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重合閘 |
次數(shù) |
0~99連續(xù)可設(shè) |
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間隔時間 |
0~999秒連續(xù)可設(shè) |
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通訊 |
方式1 |
RS485通訊，Modbus-RTU協(xié)議 |
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方式2（可選） |
4G無線通訊 |
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環(huán)境要求 |
溫度 |
工作溫度：-10℃~55℃，存儲溫度：-30℃~70℃ |
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濕度 |
≤95%，不結(jié)露 |
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海拔 |
≤2500m |
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平均無故障工作時間 |
≥50000小時 |
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4.3選用說明
剩余電流動作繼電器在應(yīng)用時應(yīng)注意低壓系統(tǒng)的接線型式。
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系統(tǒng)形式 |
系統(tǒng)接線 |
說明 |
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TT系統(tǒng) |
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采用ASJ。因為當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，故障電流很小，且較難估計，達(dá)不到開關(guān)的動作電流，外殼上將出現(xiàn)危險電壓。 |
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TN-S系統(tǒng) |
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可采用ASJ。更快速靈敏切斷故障，以提高安全可靠性，此時PE線不得穿過互感器，N線穿互感器，且不得重復(fù)接地。 |
其余接線型式需要改造成以上兩種型式使用，防止出線誤動作或者不動作的情況。剩余電流互感器的選擇應(yīng)根據(jù)主回路的額定電流為參考選擇，
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型號 |
孔徑 |
主回路額定電流 |
變比 |
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AKH-0.66L45 |
45mm |
80A |
1A:1mA |
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AKH-0.66L80 |
80mm |
250A |
1A:1mA |
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AKH-0.66L100 |
100mm |
400A |
1A:1mA |
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AKH-0.66L150 |
150mm |
630A |
1A:1mA |
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AKH-0.66L200 |
200mm |
1000A |
1A:1mA |
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AKH-0.66L-260*100II |
265*104mm |
1000A |
1A:1mA |
實際應(yīng)如圖所示，互感器安裝在主回路或者支路上，通過測量剩余電流判斷是否驅(qū)動斷路器動作。
ASJ10/20剩余電流繼電器典型應(yīng)用
ASJ60剩余電流監(jiān)測儀典型應(yīng)用
4.4注意事項
當(dāng)采用剩余電流動作保護(hù)器（RCD）作為電擊防護(hù)附加防護(hù)措施時，應(yīng)符合下列規(guī)定：
5結(jié)論
RCD是一種非常重要的用電保護(hù)電器，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)、工控箱、電氣設(shè)備控制系統(tǒng)等場所，保護(hù)人身安全和設(shè)備安全。本文基于用電設(shè)備的電流矢量計算，闡述了RCD在交流低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用特性，定性定量地分析了供電方式（單相、三相三線、三相四線）、負(fù)載接線方式（三角形聯(lián)結(jié)、星形聯(lián)結(jié)帶中性線、星形聯(lián)結(jié)不帶中性線）、接地系統(tǒng)類型（TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)、IT系統(tǒng)）對RCD工作的影響。結(jié)合上述內(nèi)容可知，RCD適用于TT接地系統(tǒng)和TN接地系統(tǒng)，不適用于IT接地系統(tǒng)；但在TT系統(tǒng)和TN系統(tǒng)中，還需要根據(jù)供電方式和負(fù)載接線方式選擇合適的RCD（帶中性極、不帶中性極），并進(jìn)行正確接線，以起到漏電保護(hù)的作用。特別地，若圖4（a）中B所示的情景忽略人體觸碰負(fù)載的外露可導(dǎo)電部分觸電（禁止非相關(guān)人員靠近），根據(jù)預(yù)期的不平衡電流選擇合適額定值的RCD，參考式（10），可以用RCD作三相不平衡保護(hù)。另外，根據(jù)電流矢量的分析方法，還可以排查因RCD導(dǎo)致的電氣故障，以快速恢復(fù)正常用電。
隨著電網(wǎng)的發(fā)展及用電設(shè)備的更新?lián)Q代，只具備剩余電流保護(hù)功能的保護(hù)器已經(jīng)不能滿足需求，現(xiàn)通常將過電流保護(hù)、剩余電流保護(hù)、隔離等功能融為一體，如帶剩余電流動作保護(hù)的塑殼斷路器（molded case circuit breaker,MCCB）、帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器（residual current operatedcircuit-breakers with integral overcurrent protection,RCBO）和不帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器（residual current operated circuit-breakers withoutintegral overcurrent protection,RCCB）等，這些用電保護(hù)電器在剩余電流動作保護(hù)模塊上與文中的RCD原理是一致的。
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作者簡介：龔永波，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電，Email: 28801392115@qq.com?????QQ:2881392115
