谈对剩余电流电气火灾监控系统的认识

孙 鹏，孙 玮，靳志军，艾士娟，刘 欣，吴丽娜，张桂彬

（1.中国建筑一局（集团）有限公司工程设计院，北京 100161；2.哈尔滨供水集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150010；3.北京航天拓扑高科技有限责任公司，北京 100176）

0 引言

剩余电流电气火灾监控系统是通过剩余电流的测试来发现配电系统的异常泄漏电流，从而发现可能存在的火灾隐患。在《建筑设计防火规范》GB 50016—2014（2018 年版）中称为电气火灾监控系统，第10.2.7 规定了宜设置电气火灾监控系统的场所。下面从几个方面谈谈对剩余电流电气火灾监控系统的认识。

1 剩余电流和泄漏电流

1.1 相关定义

国家标准《电气安全术语》GB/T 4776—2008 中对剩余电流和泄漏电流有如下定义：

剩余电流，英文名称Residual Current，带电导体均存在，是指在电气装置电路中特定点上的电流代数值总和。泄漏电流，英文名称Leakage Current，由于绝缘不良而在不应通电的路径中流过的电流。

对于剩余电流，《剩余电流动作保护电器的一般要求》GB/Z 6829—2008 中的定义为“流过剩余电流保护器主回路的电流瞬时值的矢量和（用有效值表示）”。可见，我国关于剩余电流的含义也存在不同的认识，国际上同样如此。IEC 标准中关于剩余电流的定义从开始的“瞬时电流值的向量和的有效值”到后来的“瞬时电流值代数和”。

关于泄漏电流。IEC/TR 60755—2008 中也有相应的规定，earth leakage current，直译为对地泄漏电流。释义为没有绝缘故障的情况下，由装置的导电部位流入大地的电流，这里强调的是没有绝缘故障；还有与之相对应的一个定义earth fault current，直译为对地故障电流，释义为由于绝缘故障流入大地的电流，这里强调的是绝缘故障。

另外，关于泄漏电流，即流入大地和电路中外露可导电部分等不应通电的路径中流过的电流，有正常情况和异常情况之分。正常情况下，即绝缘正常情况下，一般称为自然泄漏电流；异常情况下，即绝缘故障或绝缘损坏，此时的泄漏电流严格来说应该称为故障电流，为了与自然泄漏电流相对应，可称为异常泄漏电流。

1.2 二者的区别

（1）泄漏电流是剩余电流的一种，剩余电流的含义包括了泄漏电流。

（2）泄漏电流指的是电流为经过供电回路而从PE 或大地等途径返回电源的电流，而剩余电流是电感、电容在没有外接电源后，其自身存储的能量卸放过程产生的电流叫剩余电流，低压配电线路中各相（含中性线）电流矢量和不为零的电流。

（3）剩余电流：根据消防部门的统计，在全国的火灾事故中，电气火灾约占1/3，在电气火灾事故中，由于低压线路单相接地故障，造成事故约占电气火灾事故的1/2。泄漏电流是用电器外壳和市电火线间由于某种原因连通后和地之间有一定的电位差产生的。

1.3 剩余电流和测试位置的关系

剩余电流是否为零与剩余电流的测试位置相关。如图1 所示，系统发生接地故障，接地故障点此时产生异常泄漏电流，如果测试点在A 处，则有剩余电流产生，剩余电流大小等于异常泄漏电流的大小，如果测试点在B 处测试，则没有剩余电流，流入和流出的电流向量和为零。所以,剩余电流测试位置的选择很关键，正确的选择可以得知系统中是否存在异常泄漏电流。

实际应用中，测试位置越接近电源附近，则能监测很远的回路。因此，一般情况下将剩余电流电气火灾监控探测器安装于总电源及各主要支路的输出口。通过剩余电流互感器检测电气线路的剩余电流，当发生电气火灾事故时，值班人员能及时处理，通知电工或专业技术人员排除隐患。

图1 剩余电流与测试点的关系

2 剩余电流电气火灾监控系统与RCD 的区别

在大规模采用剩余电流电气火灾监控系统之前，配电系统一般采用剩余电流保护电器（RCD）进行此类火灾的防范。剩余电流电气火灾监控系统可以简单地理解为将若干个RCD 联网组成一个系统，二者的区别主要体现在以下3 个方面：

（1）剩余电流电气火灾监控系统能够在控制中心显示报警的位置，RCD 则没有此项功能。

（2）剩余电流电气火灾监控系统能够即可设置为报警且执行断电操作，也可设置为只报警而不执行断电操作，RCD 则一般是报警即动作，有些RCD 是断路器加漏电模块，可做到只报警不跳闸。

（3）剩余电流电气火灾监控系统的基本功能是防范电气火灾，而RCD 则分为防范火灾的RCD 和防止人身触电的RCD。剩余电流电气火灾监控系统与RCD 最本质的区别在于报警策略，RCD 的报警策略无任何人工智能方面的考虑，是一种简单的判断策略，忽略了系统特点、负荷性质以及三相负荷的平衡程度等因素对背景剩余电流值的影响，因此在准确、可靠报警方面存在漏洞。而且防火型RCD 的报警值之所以设定为300 mA，是以文献中认为300 mA 的剩余电流已经足可以引起火灾为前提的，并不属于早期探测。

剩余电流电气火灾监控系统的报警策略则不同，虽然目前的系统在报警智能化方面的进展较为缓慢，但只要在报警算法上取得突破，则完全可以实现报警智能化。即实现根据系统的用电特点、负荷性质等因素针对性地设定报警值，而且报警值可实现随着系统的变化而重新设定，即实现报警动作值的动态调整。

3 剩余电流电气火灾监控系统的类型和特点

3.1 多功能剩余电流探测断路器型

电气防火监控系统探测器实际上是一个功能多样化了的、具有多项保护功能的断路器，可以组网实现集中控制。该探测器除具有剩余电流探测和报警功能外，同时包含短路保护、过载保护、过电压保护、欠压保护、缺相保护甚至防雷等多项功能。探测器将电流互感器、电源变换电路、信号处理电路、报警电路、通信接口和断路器集合在一起，形成多功能剩余电流探测断路器。

该系统具有以下优点：①保护功能多；②接线简单，易于安装；③内置电流互感器和剩余电流互感器，整合度高，体积小。

其缺点是：①结构复杂；②产品品种不全，目前该类型探测器的最大额定电流只有225 A；③包含电源控制开关，一旦故障，可能造成断电；④由于该探测器需要取代原有的断路器，因此对于改造建筑来说，不但要更换原有的断路器，而且要改动线路；⑤从电气防火的角度来说，需要考虑探测器的多项保护功能是否都有必要。

3.2 探测器和断路器分离型

通过剩余电流互感器检测电气线路的剩余电流信号，经单片机系统分析处理后，将结果上报至集中控制器，实现对被监控线路的电流和剩余电流监测，而且可以通过断路器的脱扣装置自动切断电源。

该系统具有以下优点：①探测器不接入配电系统，只通过互感器获得取样信号和进行脱扣控制，与电气设备和线路无电气联系，即使故障也不影响正常用电；②适用范围广，不受断路器额定电流限制；③实用性强，无论新工程还是改造工程都比较实用；④功能简单，可靠性强。

其缺点是：①对于改造工程来说，探测器及探测控制器的安装较为困难；②功能单一，只有剩余电流探测功能。

4 剩余电流电气火灾监控系统存在的问题

4.1 配电系统存在的问题

4.1.1 配电系统接线问题

（1）中性线（N 线）与保护线（PE 线）错误连接。配电系统中，N 线与PE 线在图2 所示的位置进行了连接，N 线中电流可能会经过PE 线或从PE 线分流返回到电源，所以N 线中电流会随负载大小而变化，导致监控的剩余电流超过报警设定值，从而误报警。

（2）N 线与PE 线接反。在N 线和PE 线正常接线的情况下，将回路中的N 线断开，单相负荷回路无法工作，且PE 线断开单相负载工作不受影响，只是电气负载失去接地保护。在N 线和PE 接反时（图3），人身安全会受到威胁外，监测的剩余电流可能超过报警设定值，造成误报警。

4.1.2 重复接地低压配电系统

在TN-S 接地形式的低压配电系统中，为了防止N 线断线造成中性点漂移导致电压失衡，对中性线进行重复接地的处理方式（图4）。这样的系统不能安装漏电保护，同样也不能安装剩余电流电气火灾报警系统。如果安装势必造成漏报警，本应流过N 线返回电源的电流，经大地分流，导致探测到的剩余电流增大，从而导致误报警。

4.1.3 双电源自动切换回路

一是采用四极断路器，二是采用四极双电源自动切换装置，使得流回电源的中性线电流无法分流，从而保证系统正常工作。

4.1.4 配电系统电磁干扰

当配电系统线路中因为电位耦合，电容耦合，电磁线耦合产生电磁干扰时，某一时刻其中一相线产生瞬时大电流脉冲，导致三相电流瞬间失去平衡，此时检测到的剩余电流瞬间大幅度增加并且超过报警阀值，发出的报警是“误报”。

图2 N 线与PE 线错误连接

图3 PE 线与N 线接反

图4 重复接地低压配电系统

4.2 报警系统问题

4.2.1 测试原理

剩余电流电气火灾监控系统基本都是采用相线和N 线同时穿过剩余电流互感器的三相测试方式，剩余电流报警值只考虑幅值的大小，并不考虑相位。该测试原理在正常情况下测到的是各相剩余电流的合成值，而在异常情况下，测到的是各相剩余电流合成值与异常剩余电流的向量合成。因此，只要正常情况下的合成剩余电流值不为零，发生单相接地故障的情况下，各相报警所需的异常剩余电流必然存在差异，而且这种差异会随着正常情况下剩余电流合成值的增大而增大，即在设定的报警值不变的情况下，原来需要的异常剩余电流小于报警值的相，其需要的异常剩余电流变的更小了，而原来需要的异常剩余电流大于报警值的相，其需要的异常剩余电流变的更大了。一旦正常情况下的合成剩余电流过大，这种差异必然影响到报警的可靠性，即需要的异常剩余电流较小的相可能发生误报警，而需要异常剩余电流较大的相则可能发生漏报警。

从上面的分析可以看出，要保障三相具有相同的报警灵敏度，则必须确认正常情况下剩余电流的相位，相位不同，报警所需的剩余电流大小也不同，这就对剩余电流数据的采样频率提出了更高的要求，无论硬件还是软件均必须满足相位的要求。

4.2.2 报警值设置不当

当报警值设置的高于正常剩余电流最大值时，即使配电系统在某一时刻测出了异常的剩余电流，但是由于没有超过报警值，系统不会报警，从而导致漏报警。因为电气火灾监控系统的剩余电流报警值只能人为设定，一旦设定就是固定的，而配电系统在正常情况下的剩余电流是变化的，幅值和方向也会发生变化，这就使固定报警值因为设置不当造成电气火灾监控系统在运行时产生漏电报警和误报警。

4.3 系统的局限性

（1）系统不是直接探测火灾，只能通过探测剩余电流来发现由异常泄漏电流这单一原因形成的电气火灾隐患，不能解决低压配电系统所有的电气火灾预防问题。例如，如果相与相之间发生短路，则系统完全探测不到。

（2）从目前系统的报警原理来看，不但不能区别金属性接地故障电流和电弧性接地故障电流，同时也不能区别配电系统的自然泄漏电流和异常泄漏电流，因此必然存在误报警。

（3）无法确定故障点，最多只能确定产生异常泄漏电流的回路。

5 结语

总结我国历年发生的电气火灾情况,其中电气线路火灾一直居于首位。尽管剩余电流电气火灾监控系统有着局限性，但利用此系统对电气系统的线路和设备进行安全检测，及早发现和消除隐患，是预防和消除电气火灾的有效办法，并已经在实践中发挥了积极作用，设计人员和工程技术人员对该系统的作用和重要性也已经有了基本的了解，系统的应用情况越来越广泛。