關于接地故障保護的幾個重要問題

電力講壇

2021年7月2日 11:51

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作者：李允中，國家標準局建筑物電氣裝置委員會（即國際電工委員會TC64 中國國家委員會）顧問

前言：本文以接地故障保護為題，而不用剩余電流保護為題，是因為用不用剩余電流原理都是間接接觸保護的重要方法。但在文中勢必提及剩余電流保護電器的其他用途，如 IEC 標準中的直接接觸保護的輔助保護問題。因此本文的題目嚴格講是接地故障保護和剩余電流保護問題。

（一）接地故障保護的各種方法

安裝接地故障保護電器，以便在電氣設備外殼出現危險電壓時切斷電源，是現在國際標準中保證使用電氣設備者的人身安全的間接接觸保護中的一種主要方法。因此是電氣工程設計工程師和產品制造廠都非常重視的問題。

接地故障保護有許多方法，但其中有一些并不常用，甚至有些好象已被人們遺忘。因此需要在此略加說明。

從大的方面看，實現接地故障保護有兩種方法。一是不利用剩余保護原理的方法，一是利用剩余電流原理的方法。簡述如后。

1.1 不用剩余電流原理的接地故障保護方法

1.1.1 利用短路保護作接地故障保護

TT 系統(tǒng)中的接地故障保護對于大多數線路必須使用剩余電流保護器，不存在利用短路保護作接地故障保護的問題。

TN 系統(tǒng)中相線保護線短路電流大，大部分配電線路和末端線路可以利用短路保護作接地故障保護。按 IEC 現行標準，在利用短路保護作接地故障保護不能滿足要求時，首先推薦用輔助等電位聯接補救，但也可采用剩余電流保護器補救。因此，TN 系統(tǒng)中采用剩余電流保護器應該是較少的（見附錄一）。

1.1.2 在變電所中測量流入變壓器中性線的電流，來間接反映整個變電所范圍的接地電流，并在其達到一定數值時使開關動作。這種方法目前使用不多。如進一步區(qū)分，還有兩種不同方式。

1.1.2.1測量變電所中流入變壓器中性線的全部電流來間接反映接地故障電流，并在其達到一定數值時使開關動作。

用此種方法時，其動作電流的整定值必須明顯大于變壓器的中性線的可能使用的最大電流，因此其靈敏度不高。

1.1.2.2 測量變電所中流入變壓器中性線電流中由保護線總干線來的那部分電流，并在其達到一定數值時使開關動作。

用此種方法時，其動作電流的整定值可以不受變壓器的中性線的可能使用的最大電流的限制，整定電流不必明顯大于變壓器的中性線的可能使用的最大電流，因而可以根據需要確定，故其靈敏度可以較高。

1.2.用剩余電流原理的接地故障保護方法

用剩余電流原理的接地故障保護方法，是在保護開關中設置測量剩余電流值的測量元件，以實現接地保護功能。這種接地故障保護電器可以安裝在任何一個線路的首端，故得到廣泛使用。這種接地故障保護有兩種具體方法，即設置有剩余電流互感器，和不設置剩余電流互感器。

1.2.1 設置剩余電流互感器，將所有帶電導體（按 IEC 標準，中性線也是帶電導體，故帶電導體包括中性線）穿過該互感器，并將互感器的二次線圈中感應出的電壓用于開關脫扣。這種產品的動作電流用電流數值表示。在這類產品中，又有兩種具體脫扣方式。

1.2.1.1剩余電流互感器二次線圈可以直接使開關脫扣，即通常所說的“電磁式”。IEC 標準中稱“不依靠線路電壓的剩余電流保護器”；

1.2.1.2剩余電流互感器二次線圈不能使開關脫扣，必須經過使用本身電源的放大器放大后，才能使開關脫扣，即通常所說的“電子式”。IEC 標準中稱“依靠線路電壓的剩余電流保護器”

1.2.2 不設置剩余電流互感器，由所有帶電導體的各自的電流互感器的二次線圈電流的連接方法，取得剩余電流，用以使開關脫扣。這種接地故障保護電器的動作電流一般是用開關額定電流的百分數而不是用電流數值表示的。

顯然，這種用剩余電流原理而不設置剩余電流互感器的接地故障保護開關，理論上也同樣會有兩種具體脫扣方式。即：各帶電導體的電流互感器二次側所形成的剩余電流能直接使開關脫扣，和該剩余電流不能直接使開關脫扣。雖然估計多數此類開關是電流互感器二次側所形成的剩余電流能直接使開關脫扣的，即不依靠線路電壓的。但由于在這個問題上，開關的國際標準未作明確規(guī)定，未排除依靠線路電壓的方法，甚至從個別開關產品的技術說明書的文字看起來很象是依靠線路電壓的依靠線路電壓的，以至目前世界各國的此類開關實際上有無依靠線路電壓的和不依靠線路電壓的兩種產品，也難以肯定，因此本文不能冒然對此類開關也區(qū)分為 1.2.2.1（不依靠線路電壓）和 1.2.2.2（依靠線路電壓）兩類。

1.3 用剩余電流原理的電器用于非接地故障保護

用剩余電流原理的剩余電流保護電器的剩余動作電流不大于 30mA 時，其產品還可以用于直接接觸保護的輔助保護。這在有些特殊場所中還是相當重要的。用于此種目的的剩余電流保護電器的保護對象是人，其故障電流在毫安級，故其某些要求有其特點，件附錄五。

（二）目前中國有關接地故障保護電器的產品國家標準

目前中國有關接地故障保護的電器的產品國家標準，是不大正常的。例如上述第一條中 1.2.1條中的那類產品，雖然現在已出版 GB16916 和 13917 標準，現在老 GB6829 仍在繼續(xù)執(zhí)行，并未宣布廢除，市場上仍在繼續(xù)銷售。再者目前中國有關接地故障保護的電器產品國家標準中，沒有完全等同采用國際標準。例如 GB16917 稱為等同采用 IEC1009，但在其中加入了 IEC 原文沒有的重要內容，實際并不等同。現在的 GB14048.2 斷路器標準，雖稱為等效采用 IEC947-2，但其中沒有 947-2 的第 5 部分和附錄 B 兩大部分的重要內容，實際并不等效。而講過多日的要出版的新的等同采用國際標準 IEC947－2、包括附錄 B 的新斷路器標準，至今尚未見到。

目前中國有關接地故障保護的電器的國家標準概況如后。

2.1前條中的 1.1.2 的產品

現在中國沒有專門的國家標準和產品。但這并沒有甚麼大問題。這些方法可以用戶自己采用已有的產品自行設計解決。

2.2前條中的 1.2.1 的產品

同時有 GB2629 和GB19916及 GB16917。

2.3前條中的 1.2.2 的產品

現在市場上實際上有這種產品，但已出版斷路器標準中沒有此種產品的標準，故嚴格講現在沒有這種產品的標準。

（三）目前中國市場上接地故障保護用的產品

因現有許多外國公司在中國設廠生產，因此計入外國公司時，目前第一條中的所有各種產品，中國市場上都有。

（四）接地故障保護的工程設計和所需產品存在的幾個重要問題

接地故障保護的工程設計和所需產品，目前存在一些不容忽視的重要問題。這些問題必須著重提出來，以便引起有關各方重視。

4.1選擇剩余電流保護器的應有條件沒有全部執(zhí)行

在選擇有剩余電流互感器的剩余電流保護器（本文 1.2.1的各產品）時，現在大家已注意到檢查其短路電流耐受能力等條件。但它的接地短路電流耐受能力，則普遍被忽視。接地短路電流耐受能力在標準中也已經提到（標準中稱“額定剩余接通和分斷能力”），但標準的重大錯誤是沒有把它明確肯定地列入“向用戶提供的資料”那部分中（見附錄二）。以至中國廠家的、包括外國的大多數廠家的產品資料中，普遍遺漏此項目，使設計人無法將它和它所安裝的地點的單相對地短路電流相比較，從而判斷它是否可以用到它將要安裝的地方。這是今后設計時必須注意的問題。今后必須要求制造廠提供此項資料，這樣我們才能確定它是否適于用到它將要使用的地方。不能提供此項目的產品我們當然不能采用。

4.2 對剩余電流保護器的誤動作問題重視不夠

本文第一條中 1.2.1 中的高靈敏度的產品，保護對象如果較多，線路漏電流和用電設備漏電流之和就會接近剩余電流保護器的最大不動作電流，產生誤動作。剩余電流保護器的最大不動作電流很小。額定動作電流 30mA 的產品只有 15 mA，用電設備稍多，或其中一個設備的漏電流較大，就很容易發(fā)生誤動作。這點已被多年的運行經驗所證實。因此一般不宜由一個剩余動作保護器保護多個設備和插座。還應看到：由于多路插座連接器的普遍使用，一個插座往往實際上是幾個插座。因此今后選擇剩余電流保護器時不能只考慮它的作用，還要考慮它的不利的一面。尤其是用于用戶的總開關的剩余電流保護器，如果所連接的插座過多，在很多用戶中將出現誤動作問題。

減少剩余電流保護器保護對象的數量問題，直接牽涉到按標準哪些插座必須用剩余電流保護器保護。按照現行的 IEC 標準，規(guī)定插座要用剩余電流保護器保護的，主要是那些

IEC 標準中稱為“特殊裝置或場所”的地方。因此，除 TT 系統(tǒng)的絕大多數線路的間接接觸保護必須使用剩余電流保護器外，并未規(guī)定其他系統(tǒng)中一般場所廣泛使用剩余電流保護器。（見附錄一）

4.3按中國標準或 IEC1008 或 1009標準生產的產品不能用于隔離

本文第一條中 1.2.1 中的各產品，包括按現行中國標準和按 IEC1008 或 1009標準生產的產品。雖標準中自稱適用于隔離。但標準的本文中并未按 GB14048.1 或 IEC947－1 規(guī)定的隔離電器必須滿足的要求。GB14048.1 或 IEC947－1 是所有低壓電器的共性標準，因此不能認為不符合該標準隔離要求的產品符合隔離要求，用這種產品作為整個電氣裝置的進線開關（例如一個家庭的電氣設備的總開關）時，為保證檢修時的安全，是應該符合隔離要求的。不符合隔離要求的開關只能作為整個裝置中的一個回路的開關，而不能作為一個家庭的總開關。（見附錄三）

4.4按IEC947－2 附錄 B 生產的帶短路保護功能的斷路器的選用

因已發(fā)布的中國標準沒有 IEC947－2 附錄B，按該標準生產的帶接地故障保護功能的斷路器，目前很多是外國廠商在中國的廠家所生產的產品。但由于 947－2 對于帶接地故障保護功能的斷路器只用一個附錄來編寫，即使是IEC 標準也難免有些實際上需要的內容并未寫入，以至國外有名的廠家的產品也會存在問題。（見附錄四）

4.4.1 IEC947－2 附錄B 的適用范圍是包有剩余電流互感器和沒有剩余電流互感器兩種產品的。但它沒有明確規(guī)定有剩余電流互感器的產品需要向用戶提供它的接地短路電流耐受能力，以至大多數國外廠家在中國的產品也沒有提供此項技術數據。因此，和前面的 4.1 條的中國產品一樣，無法確定它的使用條件。

4.4.2 按 IIEC947－2 的附錄 B，其適用范圍是很大的。小至毫安級的產品。大至6300A 的大開關，全部適用。它也包括了依靠線路電壓和不依靠線路電壓兩種產品。但該標準中沒有要求用戶要指明其產品的類別。因此，盡管從技術上看，大電流的開關其操作電源一般可以是不依靠線路電壓的，但廠家的技術資料中沒有明確說明，而且從其全部技術資料的字里行間里也很難找出明確的結論，甚至個別產品的技術資料中，有些地方看起來很象是依靠線路電壓的。由于產品是否依靠線路電壓對用戶十分重要，用戶對此有所疑慮是理所當然的。

4.5 按現行IEC 標準，依靠依靠線路電壓的剩余電流保護器不符合要求

按照中國已經批準發(fā)布的等同采用 IEC364－5－53 標準GB16895.4 ，在 TN 系統(tǒng)中采用依靠線路電壓的剩余電流保護器是不符合要求的（見附錄五）。但此問題現在IEC 已提出修改草案。而且由于問題比較復雜，對該草案各國爭議很大，故修改后將是甚麼情況現在還難以預料。因此，雖然按規(guī)定現在應該嚴格執(zhí)行已批準發(fā)布的國家標準，但該標準現在是否嚴格執(zhí)行，只能由有關管理部門考慮。

附錄一

現行國際電工委員會（IEC）工程建設標準（TC64）中有關一般場所中接地故障保護采用剩余電流保護器的要求

（1）一般環(huán)境中供手握設備的末端線路和上級配電線路的間接接觸保護護要求IEC364-4-41 的 413.1.3.5：

在配電回路中，按慣例為 5 秒的切斷時間是允許的。

364-4-41 的413.1.1.1（對各種系統(tǒng)的末端線路的保護的普遍要求）:

間接接觸保護電器應自動切斷回路或設備的供電，使回路或設備發(fā)生帶電導體與外露可導電部分或保護導體之間的的故障時，交流 50V 以上、無波紋直流 120V 以上的預期接觸電壓的持續(xù)時間，不致使同時接觸到可接近導體的人出現有害的病理生理效應的危險。

364-4-41 的 413.1.4.2 （對 TT 系統(tǒng)的要求）：應滿足以下條件：

Ra×Ia≤50V

式中 Ra是外露可導電部分的接地電阻和保護導體電阻之和；

Ia是使保護電器自動動作的電流.當保護電器是剩余電流保護器時，Ia 是額定剩余動作電流IΔn。為選擇性目的，可用 S 型剩余電流保護器與一般型剩余電流保護器串聯使用。

364－4－41 的 413.1.3.3 （對 TN 系統(tǒng)的要求）保護電器特性和回路阻抗應使裝置內任何地方的相線與保護導體或外露可導電部分之間發(fā)生阻抗可忽略不計的故障時，將在規(guī)定的時間內切斷供電。下述條件可滿足此要求：

Zs×Ia≤U0

式中 Zs是故障回路阻抗，包括電源、電源到故障點之間的帶電導體、以及故障點到電源之間的保護導體的阻抗。

Ia是使切斷保護電器按表41A 規(guī)定的時間內,或在413.1.3.5 的情況下在不超過按慣例為 5 秒的時間內，自動動作的電流。

U0 是標稱對地r.m.s 電壓

（表 41A 中，U0是 220V 時為 0.4秒）

364-4-41 的413.1.3.6：

如果采用過電流保護不能滿足413.1.3.3、413.1.3.4 和 413.1.3.5 條的要求，應采用413.1.2.2條規(guī)定的輔助等電位聯結。也可以用剩余電流保護器保護。

364-4-41 的413.1.5.5 （對 IT 系統(tǒng)的要求）:

在發(fā)生第一次故障后又發(fā)生第二次故障時，切斷供電的條件，決定于下面所述的所有的外露可導電部分是用一個保護導體互連起來（共同接地），還是成組接地或單獨接地：

a) 當外露可導電部分是成組或單獨接地時，保護條件除 413.1.4.1 條的第二段不適用外，按413.1.4 條對 TT 系統(tǒng)給出的要求。

b)當外露可導電部分是用一個保護導體互連起來的共同接地時，在符合413.1.5.6 條的條件下，413.1.3 條 TN 系統(tǒng)的條件適用。

（2）IEC364-4-42 “熱效應保護”章，沒有要求為防止火災而裝設剩余電流保護器的條款。

（3）現行 IEC 標準的第 7部分“特殊裝置和場所所要求”中，有很多地方規(guī)定采用剩余電流保護器（其中有些是作為直接接觸保護的輔助保護）。其它一般環(huán)境部分的標準，則沒有看到關于插座要求用剩余電流保護器保護的條文。

附錄二

關于標準中的單相接地短路電流耐受能力的規(guī)定

IEC1009－1 的第 5 條RCBO 的特性中，5.2.7 條中有“額定剩余接通和分斷能力”，但在第 6 條的“標志和其他產品數據”的m)項中稱“如不同于短路能力時”才要求此項。在第9.12.13 條中也列入了此項試驗，并規(guī)定試驗后的一些要求。其中有試后仍能在 1.25 倍額定動作電流時能脫扣。可見有剩余電流互感器的產品是可能在進行此項之后發(fā)生特性變化的。但其特性變化不能超過 25％。也就是說 30mA 的斷路器可能變成 37.5mA 動作。

額定剩余接通和分斷能力為什么只在不同于短路能力時才需要提供給用戶呢？難道是大部分產品的此數據都是與短路能力一樣嗎？實踐證明，經過對地短路試驗后的開關確實要發(fā)生特性變化。決不是大部分產品的額定剩余接通和分斷能力與短路能力一樣。

應該說此標準現有的條文對產品所提的要求是不算太嚴酷的。但如果確實按此標準進行了考核，還是不錯的。問題是因標準本身內容存在缺點，看起來很多廠家沒有進行這個試驗，因此實際情況是不管額定剩余接通和分斷能力是不是不同于短路能力，都不提供對地短路耐受電流。特別奇怪的是：監(jiān)督標準執(zhí)行情況的部門為什么也沒有過問此事。

附錄三

IEC947－1 關于用于隔離的電器的要求

中國國標 GB14048－1 的 7.1.3.1.2 有對用于隔離的電器的特殊要求。但在剩余電流保護器產品標準中未得到執(zhí)行。按GB14048－1 的 7.1.3.1.2 條的規(guī)定，具有隔離功能的電器的要求中有“斷開觸頭間的隔離氣隙上的規(guī)定的沖擊耐受電壓” 的要求，而剩余電流保護器未要求此項斷開觸頭間的沖擊耐壓試驗。故關于隔離電器的要求沒有在剩余電流保護器的標準中執(zhí)行。IEC 標準也一樣，IEC947－1 的標準在 IEC1008、1009 標準中沒有滿足。因此不論中國的還是外國的剩余電流保護器都不能用于隔離。

附錄四

IEC947－附錄 B 存在的問題和一些建議

IEC947－2 附錄B 存在的根本問題，是它想用一個文字很少的附錄解決帶接地故障保護的斷路器的問題。但帶接地故障保護的斷路器是一種與常規(guī)斷路器有相當大區(qū)別的產品。如果想只用一個附錄解決，也要與斷路器標準的其他部分逐條核查，凡有必要的地方，都要按它的特點加以補充，才不會發(fā)生遺漏。

（1）附錄 B 適用范圍很廣，又沒有按它適用范圍中不同范圍的產品分別敘述，以至出現一些問題。例如分類問題，不可能將TC23E 的小剩余電流保護器的分類辦法完全照搬。如果 TC17也想生產象 TC23E 的小剩余電流保護器，那就把那部分的分類基本上與 1008和 1009 一樣。而 200A 以上的帶接地故障保護的大電流產品的分類則未必與其相同。

（2）用 TC17 的斷路器組裝的帶接地故障保護的產品，是否適用于家用和類似用途，也是必須明確的。如考慮可以適合于家用，按規(guī)定家用時只能用動作電流不可調的斷路器，制造帶接地故障保護的斷路器。這應該寫入標準中。

但我認為這問題很有必要研究。因為現在的 10008 和 10098的產品，雖然為家用時的安全規(guī)定了動作電流不可調，但工程設計部門的工程師選用時也有一定不便之處。有無可能制造最后用戶（家庭）為不可調而訂貨時可指定動作電流值的產品？

（3）1008 和 1009 存在的缺點可以消除。例如，如也想生產有剩余電流互感的產品，接地短路電流耐受能力就明確列入向用戶提供的技術資料中。

（4）象 1008 和 1009一樣，分類必須有是否依靠線路電壓。并應明確列入向用戶提供的技術資料中。

（5）超過 200A（或經計算其他合適的值）的產品，理論上可以制造不依靠線路電壓的產品，因此可以在標準中規(guī)定多大的開關不生產依靠線路電壓的產品。

附錄五

在 TN 系統(tǒng)中采用依靠線路電壓的剩余電流保護器不符要求的說明

（1）IEC1009 的第 4 條關于按動作方法分類的條文:

4.1 按動作方法分類

注：各種型式的選擇按 IEC364-5-53

4.1.1功能不依靠線路電壓的 RCBO

4.1.2功能依靠線路電壓的 RCBO

4.1.2.1線路電壓失效時（failureofthelinevoltage）有或無延時自動斷開

a) 線路電壓恢復后自動再合

b) 線路電壓恢復后不自動再合

4.1.2.2 線路電壓失效時不自動斷開

a) 線路電壓失效時出現危險（由于接地故障）能脫扣（要求在考慮中）

b) 線路電壓失效時出現危險（由于接地故障）不能脫扣注：b)款 RCBO 選擇按 IEC-5-53 的 532.2.2.2 條的條件”

（本文作者按：此注中所提到的 532.2.2.2，因 IEC364-5-53 的編號修改而編號修改為531.2.2.2 ）

（2）已批準發(fā)布的等同采用 IEC 標準的 GB16895.4 的 531.2.2.2 條的規(guī)定：

531.2.2.2 只有滿足下列兩個條件之一時，才允許采用在輔助電源失效情況下不自動動作的帶輔助電源的剩余電流保護器:

---即使在輔助電源失效的情況下，仍能滿足364-4-41 的 413.1 條的要求

---電氣裝置中的保護電器由專職人員（BA4）或熟練人員（BA5）運行操作、試驗和檢查。”

（3）分析

按照上述 GB14895.4 的 532.2.2.2 條的要求中的第二個“─”的要求，因剩余電流保護器是用于家用或類似用途的。家用或類似用途時，當然電氣裝置中的保護電器不是由專職人員或熟練人員運行操作試驗和檢查的。故不可能符合第二個“─”的要求，

按照上述 GB14895.4 的 532.2.2.2 條的要求中的第一個“─”的要求，由于相線或中性線斷線時能動作的剩余電流保護器尚未生產出來（理論上是可以生產的），故不能符合此條件。而且即使可以不考慮斷線，在相線和保護線短路時，只有在TT 系統(tǒng)中或用于直接接地保護的輔助保護時可以不致出現太大的電壓降低。TN 系統(tǒng)中，相線和保護線短路時短路電流可以達到很大的值，在有些情況下輔助電源也很可能失效，因此難以滿足接地故障保護的要求。

現在有人想把依靠線路電壓的剩余電流保護器擴大使用到任何地方，認為依靠線路電壓的剩余電流保護器（甚至不論其額定電壓多少），如果能在85V 時保證動作，就可以用于任何系統(tǒng)。這引起很大爭議，現在 IECTC64 正在討論中。

上面已經提到，用于 TT 系統(tǒng)的接地故障保護，或用于其他系統(tǒng)的直接接地保護的輔助保護的剩余電流保護電器，單相對地短路電流很小，除導線斷線可能導致其不能動作外，因單相對地短路時電流很小，引起的線路電壓降不大，并不需要采取降低產品的最大動作電壓的方法來維持其動作能力。

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END

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