剩余电流动作保护器研究综述

艾精文1,谢智敏2,赵宇明1,陈思磊2(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001 #2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重G实验室，陕西西安 710049)摘 要：随着电力行业的飞速发展，用电量不断增加，由剩余电流引起的人身触电

和电气火灾事故成为用电安全中受人们关注的重要问题，剩余电流动作保护器的研究

成为热点。 剩余电流动作保护器的发展 ，并主要 流系统和直流艾精文(1965-),

系统中不 的剩余电流动作保护器 流动作保护器的配置方

用。

测原理进行综述。其次 剩余电流动作保护器

剩余电发展的思男，硕士，主要从事

电力系统规划。展望。关键词：剩余电流动作保护器；检测原理；配置；应用中图分类号：TM56 文献标志码：A 文章编号：2095-8188(2019)24-0001-05DOI ： 10.16628/j. cnki. 2095-8188,2019,24, 001Overview of Research on Residual Current Operated Protective DevicesAI Jingwen1， XIE Zhimin， ZHAO Yuming1，

CHEN Silei2(1. Shenzhen Power Supply Bureau，Shenzhen 518001，China； 2. The State Key Laboratory

of ElectricaA Insulation and Powee Equipment, Xi' an Jiaotong University，Xi( an 710049，China)Abstraci: With the rapid development ot the electria powee industry，the consumption ot electricity continues

to increase. The electrio shock and electrical fire accidents caused by residual current have become impoSant issues in the powee safety，and the research of residuaI current operated protective devices ( RCD) has become a hotspot.

This papee firstey introduces the background of RCD. Secondly，the RCD of dmerent types in oc and dt systems and theie detection principles are summarized. Thirdly，the configuetion method of RCD is introduced. Finally, the thoughts and foresight of RCD are given.Key words： residual curreci operates protective device； detection principle； configuration； application0引言剩余电流是指低压配电线路中电流矢量和不

年份201420152016表1 2014—2016年火灾事故统计火灾395 000347 000309 000人/人

1 8151 8991 582直j47.043.6电气火灾比例/%27.430.1为零的电流［门， 局

成人身触电事故和电气火灾安全生

，

事故的重要原 ％

触电事故频发，在2014-2016

理， 人身发生的《中安全生 》

37.230.4成的 和电气 ％电线％火灾事故约105. 1万起,其中电气火灾比例占 30% ，且有 的 〔2-*， 1 %剩余电流产生的原因主要有

(2)

(3) 受

不规范、

，

成的绝缘水：(1)电 、 重原因造%(4) 人为触碰配电线路或绝缘不良的电气

谢智敏(1994―)，男，硕士研究生，研究方向为剩余电流动作保护器研制 赵宇明(1978―)，男，博士，主要从事电力系统中的低压直流技术研究。*基金项目：深圳供电局有限公司科技项目(090000KK52180104)—1 —电器与能效管理技术(2019NO. 24)设备。剩余电流动作保护器(Residuae Current

Operated Protective Devices, RCD)是指能对危险

且可能致命的电击提供防护，以及对持续接地故

障电流引起的火灾危险提供防护的一类防护电

器。面对剩余电流造成的安全隐患，为保障配用 电系统的安全、可靠运行，我国先后出台了一系列 针对交流系统用RCD的相关标准，如GB/T 6829—2017《剩余电流动作保护电器(RCD)的一

般要求》和GB/T 13955—2017《剩余电流动作保 护安装和运行》，对交流系统用剩余电流动作保 护器的分类、使用和安装条件等作出了规定)5-* %

但我国剩余电流检测与保护还处于起步阶段，暂

时还未出台直流系统用RCD的相关标准％而国

外的研究相对起步较早，国际电工委员会于2017

年颁布了 IEC TS 63053 ：2017《直流系统用剩余电

流动作保护电器的一般要求》，为直流系统用 RCD的开发和研制提供了理论依据[7] %本文对剩余电流动作保护器的发展情况进行

了综述，介绍了 RCD的配置方法，并对RCD未来 发展进行 和展 %1 RCD分类RCD有多种分类方法,按照应用场景分，有

交流RCD和直流RCD；按照保护装置中间环节的

形式分，有电磁式RCD和电子式RCD；按照极数

和电流回路数分，有单极二回路的RCD-二级 RCD,二极三回路RCD-三极RCD-三极四回路

RCD、四极RCD；按照过电流保护分，有不带过电

流保护的RCD-带过电流保护的RCD-仅带过载 保护的RCD、仅带短路保护的RCD；按照流过极

的电流方向分，有无极性的RCD和有极性的

RCD；按照是否延时分，有延时的RCD和无延时

的RCD%其中交流RCD最常用的分类方式为按

照动作特性进行分类，有AC型RCD-A型RCD-F 型 RCD、B 型 RCD[5] %(1) AC型RCD在突然施加或缓慢上升的正

弦交流剩余电流下确保脱扣％(2) A型RCD在AC型RCD的基础上，还能

在脉动直流剩余电流和脉动直流剩余电流叠加

6 mA的平滑直流剩余电流下确保脱扣％(3) F型RCD在A型RCD的基础上,还能在

—2—.综述.由相线和中性线或者相线和接地的中间导体供电 的电路产生的复合剩余电流或脉动直流剩余电流

叠加10 mA的平滑直流剩余电流下确保脱扣％(4) B型RCD在F型RCD的基础上,还能在 1000 Hz及以下的正弦交流剩余电流，交流剩余

电流叠加0.4倍额定剩余动作电流(\"”)或10 mA

的平滑直流剩余电流(二者取较大值)，脉动直流

剩余电流叠加0. 4倍额定剩余动作电流或10 mA

的平滑直流剩余电流(二者取较大值)，下列整流

线路产生的直流剩余电流:二级、三级和四极剩余 电流装置的

相 相的 脉 式 流电路，三级和四极剩余电流装置的三脉冲星形连接

或六脉冲桥式连接的整流电路，平滑直流剩余电 流 确保脱扣%虽然我国对于剩余电流保护技术的研究起步

较晚，但A型RCD和AC型RCD的研究已经较

为成熟％近年来，人民电器集团推出了 RDM5Z

系列的AC型RCD，常熟开关厂推出了 CM5ZL系

列的A型RCD%而目前我国B型RCD的直流 RCD还处于研究阶段，市场上的产品较少％而国

外对于交流RCD的研究已较为成熟,ABB、西门

子、施耐德等电气公司均推出了 A型RCD产品, Bender、Doepke 等公司推出 了 B 型 RCD%2 RCD的检测原理AC 和 A RCD 用电磁式电流

器, 般由剩余电流 器、 器、别元件、脱扣执行元件组成，其工作原理如图1%正常工作时，线路中剩余电流为0,即所有线

路通过的电流矢量和为0，由此可得：E +'E+ E + E=0

(1)式中E、E、E、E分别为各相的电流矢量％因此 在剩余电流互感器铁心中产生的磁通矢量和!4为 0：! :!6 7 !b 7 !c 7 !n : 0 (2)

式中①6、％、！。、！”分别为各相的磁通矢量％故

不会在二次侧线圈中感应出电流,信号判别元件

判断线路中没有剩余电流,RCD不会动作％而当

发生故障使 中 生正弦 脉动直流剩余电流时,在剩余电流互感器铁心中产生的磁通矢量•综述.电器与能效管理技术(2019NO. 24)余电流保护方法和基于FFT波形 测。随着日常电器 的 增多，

的剩余电流保护方法，实现了 A型RCD对剩余电流的准确

、空调等， 中常含有整流电路,造成发生剩余多。

流系统中电流时，其直流分量

直流剩余电流，或直流剩余电流叠加正弦交 流剩余电流时，剩余电流中的直流分量会对磁芯

进行磁化，使 作点不断 ， RCD拒动，磁 和时二次 3

和，就会对剩余电流的检测带来极大的 ，造成

:A—判别元件B—执行元件

E—电子信号放大器电流示意% 时，随着 、 和电动

节 的 ，工作接地的接地等效 化一保护接地的接地等效 T—试验装置

RCT—剩余电流互感器量 电网,直流系统 速发展，直流系统中 剩余电流故障

的情况 常见％ , 流系统和直流系统中直流剩余电流的准确检测尤为重要％图1 AC型和A型RCD的工作原理和不为0，此时会在二次侧线圈感应出电流。当

剩余电流在RCD检测

时，磁 作 性，二次 电流与剩余电流 成正比，磁芯2

不饱和时二次 电流

剩余电流

电流

器后，

%而经 中与测 的向行3!磁

的剩余电流动作标准值相比较，

标准值时，

，切断电源％发

和时二次 电流电流

流剩余电流。

器法可用于同时检测直流和交载流体(导体或半力的作用而运动轨迹发生导体)中 加 直方向的磁场，此时载流体 中的电子会受

，使 直于磁场的两面产生电势［10* :式中：—— 电势；<——灵敏度系数；图2磁芯不饱和时二次侧感应电流示意图=----磁 强度；基于 原理，文［(*电容和使用低磁滞磁芯的方式对剩余电流 器

进行改进，提 A型RCD对脉动直流剩余电流测的灵敏度％文献［9 *提

/——载流体中的电流大才、；>——载流体的厚度％霍尔效应原理

电流

4所示％基于门限值的剩器可分为开环式和闭环式两—3 —电器与能效管理技术(2019NO. 24)图4霍尔效应原理%开环式 电流

器由磁芯、 和电 成。由式(3)可知， 电的

磁

强度成正比,而磁

强度又与被测的剩余电流

成正比， 可以直接测量开环式 电流 器的 电 测直流和交流剩余电流。闭环式 电流 器由磁芯、

、补偿电路、

电 成，

5

〔⑴。t原理是将

电势经

电 反馈补偿电路中，使 补偿 生的磁 剩余电流在 磁芯中产生的磁

相等，方向相反,磁芯处于磁通状态。 测量电阻上的电压 补偿电

流，进而对剩余电流进行检测。闭环式

电流器可 开环式 电流 器 的测精度％但由于 电流

器的磁芯存在气隙，漏磁现象无法避免，会

测量精度％扌电流

器易受温度的

，温漂较大，

际使用中需要 校正,造成测量上的麻烦。图5闭环式霍尔电流传感器近 ，磁调制式剩余电流传感器法被广泛用于剩余电流测量， 电 6所)12*，其中N代表二次 的匝数，N代表被

测线路的匝数，通常为1，?为采样电阻。其原

理： 次 加一定频率的励磁方波电压，此时二次

中的励磁电流也呈现周期性变化。当被测 剩余电流为0时,二次 中的励磁电流对称， 周期内的 为0，—4 —•综述.被测 的剩余电流不为0时，二次侧线圈中的励磁电流不再对称，而 发生一定的

，通测量 量即可

剩余电流的准确检测。例如，文［13 *基于薄膜纳米晶软磁材料，设计

适应振荡的磁调制式剩余电流

器,如图7

% 脉冲宽度和脉冲频率变化的测，

流、直流剩余电流的准确检测。文献［14 *利用软磁材料对称非线性的磁化特性,

用磁调制技术， 测磁 正 周期内生的偶次谐 剩余电流的检测％L N图7自适应振荡式磁调制剩余电流传感器磁调制式传感器能同时对交流和直流的剩余

电流进行测量，精 较高，且抗干扰能力强％但是 其测量带宽受到励磁电压频率的限制，

多用于直流剩余电流和中低 流剩余电流的

测量%将上述3种RCD测量原理进行对比,结果如2

% 的来说， 式和磁调制式都直流、交流形式的剩余电流进行测量。相较而言, 磁调制式的精度更高，且抗干扰能力强％3 RCD的配置分析不论是直流系统用RCD还

流系统用RCD,为 避免人身触电事故、电气火灾的发生和

断故障 引起的停电

，需要采•综述.电器与能效管理技术(2019N&. 24)表2 3种RCD测量原理对比测量原理剩余电流类型正弦交流、脉动直流直流、交流直流、交流检测带宽缺点磁芯易饱和优点响应速度快、成本低 灵敏度较高，成本较低 灵敏度高,抗干扰能力强电磁式较低较高霍尔式磁调制式气隙漏磁、受温度影响大 测带宽受励磁电压 率限制、成本较咼取决于励磁电压用分级保护的方式[15]%对于分级保护，应根据应 性[17]%在游泳池、水上乐园等潮湿易产生剩余电

用的场景,形成由总保护、中级保护、末端保护组

成的二级或三级有选择性的保护末端保护

的主要目的是避免人身触电事故,多用于住宅插 座回路、泳池电气设备、工业生产设备等人常接触 或者易触电的场景，一般选用非延时型RCD%分

级保护以末端保护为基础,末端保护的上一级保

护的主要目的是避免电气火灾,多用于电源端、负

荷群首端或线路末端(配电箱)处,一般选用延时

型 RCD。对于交流RCD,推荐的额定剩余动作电流值 有 6 mA、10 mA、30 mA、50 mA、100 mA、200 mA、

300 mA、500 mA、800 mA、1 A、3 A、5 A、10 A、

20 A、30 A%而对于直流RCD,推荐的额定剩余

动作电流值有 20 mA、80 mA、300 mA、600 mA、 1 A%其中，交流RCD用于防护人身触电的额定

剩余动作电流值优选为30 mA,直流RCD则为 80 mA%交流RCD用于防护电气火灾的额定剩

余动作电流值优选为100 mA,直流RCD则为

300 mA%此外，无延时型的交流RCD在额定剩

余动作电流值下的最大分断时间为0.1 s,而直流 RCD 则为 0.3 s%4 RCD的应用RCD广泛地应用在交流低压配电系统中％

虽然目前直流系统发展迅速，但是由于直流RCD

产品的缺失，应用较少，直流系统主要依靠绝缘监

测装置(Insulated Monitoring Device, IMD )进行保

护％但随着直流RCD技术的发展,其将会在直流 系统的安全运行中起着不可或缺的作用％在电动汽车充电系统中,A型RCD被要求安

装在建筑物插座前端,B型RCD被要求安装在交 流充电桩或充电站处[16]%农村由于用电环境较

差、用户侧设备漏电频发等原因，合理配置RCD,

有利于促进农村供电的可靠性和用户用电的安全

流的场所，应选用额定剩余动作电流小于30 mA、 无延时的RCD进行防触电保护％在市政方面，近

年来南方由于台风、暴雨造成多起人在路灯、电线

杆下的触电事故，因此也需要进行安装相应的

RCD 进行保护%5 结语(1) 剩余电流可能会引起人身触电事故和电

气火灾事故，造成人员伤亡和大量的经济损失，因

此剩余电流动作保护器的研究至关重要％(2) 剩余电流产生的原因多样，造成剩余电 流种类的多样性，对RCD的研究造成困难，目前 我国AC型和A型RCD研究已经有了长足进展，

但是B型和直流RCD的研究仍处于起步阶段%

特别是直流RCD,国内缺少相关的标准指导％(3) RCD的检测原理大致分为电磁式、霍尔

式、磁调制式，其中电磁式RCD只能对正弦交流、

脉动直流形式的剩余电流检测，霍尔式和磁调制

式都能对交、直流剩余电流进行检测％其中霍尔

式RCD具有受温度影响大、每次使用都需调零等

缺点％磁调制式RCD检测灵敏度最高、抗干扰能

力强，但其检测带宽受到调制电压频率的限制%(4) RCD 般都 用多级 置, 依 不用场景进行配置方案的调整％交流RCD和直流

RCD的额定剩余动作电流值和分断时间差异明

显％直流RCD与交流RCD有相同保护作用时，有 更大的额定剩余动作电流值和更长的分断时间％(5) 目前RCD广泛应用于交流低压配电系

统中,在电动汽车充电系统、农村电网、用户住宅

等方面应用较多，市政方面的应用还需推广％(6) 随着直流系统的逐步应用，为保障其安 全、可靠运行,直流剩余电流检测技术亟待研究,

直流系统用RCD亟待研制％(下转第21页)—5 —-研究与分析-电器与能效管理技术(2019NO. 24)Press,1988.社,2011.representation

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