關于“剩余電流動作系統動作值”的疑問探討
對《低壓配電設計規范》6.4.3條進行了解讀，分析對地泄漏電流對剩余電流火災報警系統動作值的影響，并針對在實際工程中如何整定系統報警動作值，提出建議。
0.引言
剩余電流火災報警系統（以下簡稱“系統”）的工作原理是根據基爾霍夫電流定律，用零序電流互感器（ZCT）來檢測電路中剩余電流，并利用總線技術將若干檢測數據傳輸至控制中心聯網組成一個系統，當超過一定值時報警或作用于脫扣裝置推動開關跳閘。其主要功能是對可引起火災的單相接地故障進行防范。
文章[1]討論了剩余電流火災報警系統適用范圍及其與用作電擊防護的剩余電流動作保護器（RCD）的區別。通常剩余電流火災報警系統的動作值要大于用作電擊防護功能的RCD的動作值。國家標準GB50054-2011《低壓配電設計規范》（以下簡稱《低規》） 6.4.3條規定：“為減少接地故障引起的電氣火災危險而裝設的剩余電流檢測或保護器，其動作電流不應大于300mA”。該規范條文僅就剩余電流動作值的上限提出了基本要求，并未指出在工程實例中該如何整定剩余電流動作值。本文擬對剩余電流動作值作解讀及實際工程中系統報警動作值的整定進行分析。
1．對《低規》6.4.3條的解讀
1.1接地故障電流值不超過300mA的本質是故障發熱功率不超過100W
國外試驗表明發生單相接地故障時，引發火災所需要的最低功率。當發熱功率大于100W，如集中于一處釋放，則有引發火災的可能。決定火災能否發生的本質是接地故障的發熱功率，故障點發熱功率等于故障持續電流與線路電壓的乘積, 。而故障持續電流受線路過電流保護裝置動作值的影響，《電氣安裝技術手冊》【2】表4-1-10給出在230V電壓下的故障電流和發熱功率數值列于表 1。
由表1可見，在500mA時，發熱功率達115W，足以引發火災。選取300mA作為報警動作值較500mA對于接地故障電氣火災的防范更合理。
《低規》6.4.3條“為減少接地故障引起的電氣火災危險而裝設的剩余電流檢測或保護器，其動作電流不應大于300mA”中未見其對電壓的約束條件，則只能依據《低規》總則1.0.2“本規范使用于新建、改建和擴建工程中交流、工頻1000V及以下的低壓配電設計”之規定來理解。
筆者理解《低規》6.4.3條規定的剩余電流動作值不大于300mA應限于220/380V電壓系統。理由是，從故障發熱功率不超過100W的本質要求來限定剩余電流動作值，則必須指出其適用的電壓等級。例如在380/660V電壓系統中，相電壓為380V，如剩余電流動作值規定為300mA，故障點的最大發熱功率可達到114W。又如當相電壓為48V時，故障點泄露電流為2.08A時其發熱功率才達到100W。可見針對不同的供電系統電壓，剩余電流動作值不應一概規定為300mA。建議《低規》6.4.3條應明確系統電壓為220/380V，否則有失規范的嚴謹性。
1.2 《低規》6.4.3條應規定剩余電流檢測或保護器的動作條件是“接地故障電流值不大于300mA”，而不是剩余電流動作值不大于300mA
GB 13955- 2005《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》第3節“術語和定義”中規定：
“ 3.3 剩余電流residual current
流過剩余電流動作保護裝置主回路電流瞬時值的矢量和(用有效值表示)。
3.4 剩余動作電流residual operating current
使剩余電流動作保護裝置在規定條件下動作的剩余電流值。”
根據定義可知，在發生接地故障條件下保護裝置檢測到的剩余電流同時包含接地故障電流和線路（含設備）的對地泄漏電流，其值是兩者的矢量和，且保護裝置無法識別故障電流和對地泄漏電流各自大小。剩余電流值不等同于接地故障電流值。為了防止電氣火災的發生，需要限制的是接地故障電流不大于300mA，當接地故障電流達到300mA時保護裝置動作或發出告警。顯然，《低規》6.4.3條規定的剩余電流動作值不大于300mA并不能保證接地故障電流也不大于300mA。
2.對地泄漏電流
由于線路對地存在分布電容以及線路和用電設備本身的絕緣也存在電阻，因此正常情況下線路和用電設備存在對地泄漏電流，或稱之自然泄漏電流。表1～表3為線路及設備的對地泄漏電流值。
表1 220/380V單相及三相線路埋地、沿墻敷設穿管每千米泄漏電流（單位mA/km）
表2 熒光燈、計算機的泄漏電流
表3 電動機的泄漏電流
由表1～表3可看出：
（1）導線的絕緣材料對線路的對地泄漏電流有較大影響，對比三種絕緣材料的導線，其中聚氯乙烯絕緣導線對地泄漏電流最大，聚乙烯絕緣導線對地泄漏電流最小。例如，正常情況下一段200m長截面為150mm的電纜，采聚氯乙烯絕緣時，其對地泄漏電流0.2*112=22.4mA；采用聚乙烯絕緣材料時，對地泄漏電流為0.2*38=7.6mA。正常情況下，一般不超過200m的低壓配電線路，選用聚乙烯電纜，其對地泄漏電流不超過10mA，可見對剩余電流火災報警系統的報警動作值影響不大。
（2）熒光燈為單相負荷，單個配電回路對地泄漏電流較小，按照單個配電回路的光源數不超過25個來計算，單個配電回路中總的對地泄漏電流之和不超過2.5mA。當實際工程中照明燈具數量較多時，應盡量三相均勻配電，可使三相對地泄漏電流之和減小。
（3）計算機為單相負荷，且泄漏電流較大，需要限制單相回路上計算機負荷數量，通過三相均勻配電，降低三相配電線路的對地泄漏電流。
（4）電動機的為三相電路理論上對稱的，考慮制造工藝、材料等偏差，其對地泄漏電流較小，正常運行時，其泄漏電流值對系統報警動作值的影響不大。
3.對地泄漏電流對系統報警動作值影響的理論分析
剩余電流的理論依據是基爾霍夫電流定律，即“在集總電路中，任何時刻，對任一節點，所有支路電流的代數和恒等于零”。根據定義，基爾霍夫電流定律時域形式的表達式，三相正弦電路可用矢量形式來表達。系統安裝要求全部帶電導線均穿過零序電流互感器的高導磁鐵心。正常時，系統檢測到的電流是線路的對地泄漏電流值，當發生接地故障時，系統檢測到的電流是線路對地泄漏電流與故障電流之和，可以用公式（1）來表達
（1）
式中： —系統檢測的電流值；
—線路對地泄漏電流值，指的是所有帶電導線對地泄漏電流值之和；
—故障電流值。
3.1 三相對稱線路
假設三相電源是對稱的，對三相配電線路來說，當三相導線阻抗和三相負載均相等則稱三相對稱線路。理論上，三相對稱線路的三相對地泄漏電流之間也為120o相位差，且大小相等，三相對地泄漏電流之和為零。實際上，三相線路中各相導線的材料、制造工藝、絕緣性能、運行電壓偏差等原因導致三線路對地泄漏電流之和不為零，但值較小。
3.2 三相不對稱線路
當三相負載不相等時，則稱為不對稱線路。當三相配電線路中帶有單相負荷時，通常是不對稱線路。當三相線路不對稱時，三相對地泄漏電流之和不為零。由公式（1）可知，三相自然泄漏的幅值和相角對系統報警值均有影響，以下舉例分析。
例1.正常時三相線路的對地泄漏電流分別為(單位mA)：
假設此時B相線路發生單相接地故障，接地故障電流為
圖 1 例1中三相對地泄漏電流與故障電流向量圖
經計算三相自然泄漏電路之和，如圖1所示與B相故障電流反向，假設報警動作值（幅值大小）整定為300mA，當B相故障電流達到300mA時，需要系統理應發出報警，但系統顯示的檢測電流大小為280mA（mA），系統不發出報警，只有當B相故障電流達到320mA時，系統報警才動作。可見此種情況會發生漏報警。
例2. 正常時三相線路的對地泄漏電流分別為(單位mA)：
圖 2 例2中對地泄漏電流與故障電流向量圖
經計算得三相自然泄漏電路之和，如圖3所示與B相故障電流同向，假設報警動作值設定為300mA，若此時B相發生接地故障時，則B相故障電流只需達到280mA（）時，系統則發出報警。
上述兩例分別分析了對地泄漏電流與故障電流最大相角差與最小相角差時的檢測電流的計算值。可歸納如下結論：
（1）對地泄漏電流值的幅值和相角均會影響系統報警動作的靈敏度。因對地泄漏電流和接地故障電流之間相角具有隨機性，故使系統報警動作的最小接地故障電流值處于（）之間。
（2）使系統報警必定動作，接地故障電流必須不小于，可用公式（2）表示
（2）
（3）由于三相對地泄漏電流值與各相接地故障電流之間相角差不同，因此使系統報警動作的各相接地故障電流值也各不相同。
單相配電線路中對地泄漏電流的影響，可以歸結為三相不對稱線路的特殊形式。
4. 系統報警動作值整定為（）mA
實際工程常見的做法有兩種，第一做法是將報警動作值整定為mA，第二做法是將報警動作值整定為300mA。第一種做法違反《低規》） 6.4.3條“系統報警動作電流不應大于300mA”之規定暫且不論，其會導致系統發生漏報，因為系統檢測到的實際電流不是自然電流和故障電流的代數和，二是兩者的向量和，上節已作詳細分析。第二種做法是否合適，筆者認為這種做法值得商榷。
當對地泄漏電流為零，系統報警動作電流值整定為300mA，無可非議。在實際工程中，三相線路不對稱的情況較多，對地泄漏電流值也不為零。如將系統報警動作值整定為300mA時，由本文3.3節的結論可知，使系統發生報警的最小接地故障電流為（）mA之間的某個數值，故不能夠保證，接地故障電流為300mA時系統一定報警。所以這種情況也存在漏報，漏報區間為（300～）mA。舉例說明，如線路對地泄漏電流值為50mA，系統報警動作值設定為300mA，當對地泄漏電流與接地故障電流方向相反時，則接地故障電流必須超過350mA系統才發出報警。當接地故障電流在300mA～350mA之間時，系統報警則不動作，造成漏報。
上述分析可知，系統報警動作值整定為300mA的做法只適用于三相對稱線路對地泄漏電流為零的情況。在不對稱線路中因對地泄漏電流不為零，系統會發生漏報警。系統報警動作電流值整定為多少合適？
當接地故障電流為300mA時，其釋放的能量能夠引發電氣火災，所以當接地故障電流達到300mA時，系統必報警。將代入公式（2）可得。筆者建議系統報警動作值整定為mA。
當然，系統報警動作值為mA解決了漏報問題，但同時又帶來提前報警的問題，即報警的靈敏度提高。因為當對地泄漏電流與故障電流同相位時，系統報警動作的最小故障電流為mA。例如，對地泄漏電流為50mA時，系統報警動作值整定為250mA，可使系統報警動作的最小接地故障電流為200mA。
考慮到系統是對接地故障引起的電氣火災起到預警作用，提醒管理人員對線路進行故障排查，消除潛在隱患，故也就無須在故障電流達到可引起火災的臨界值（300mA）才發出報警。只要提前報警的故障電流值不是太小（如100mA以下），對用戶和管理者來說是可以接受的。
在實際工程中，使系統報警動作的接地故障電流（）不宜太小，否則靈敏度過高，誤報頻頻，給系統的運行和管理帶來不便。筆者建議可將其在150mA以上。當mA為150mA時，可計算出對地泄漏電流值為75mA。此時系統報警動作值設定為225mA。當某檢測點處的對地泄漏電流值大于75mA時，該處可不設檢測點，可將檢測點移至下一級配電箱處。
5. 結語
需要指出，本文探討的剩余電流動作值300mA的應用場所需依據《低規》6.4.3的條文說明執行，該說明為“…故規定在火災危險場所內，剩余電流檢測器的動作電流值不宜大于300mA，一般場所不受此值限制，可根據實際情況調整動作電流值”。對于一般場所的動作電流值為多大？如何執行？不屬于本文討論范疇。但本文所討論的動作值整定原理則可以借鑒。
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