剩余电流保护器的应用与分析

徐欧珺，吕 钦，陈 靓，王 晟

（浙江省丽水市莲都供电公司，浙江 丽水 323000）

1 剩余电流保护器的种类和工作原理

1.1 剩余电流保护器的分类及使用范围

目前，市场上剩余电流保护器的型号和种类繁多，但工作原理基本一致。根据其动作特性与电源电压是否有关，分为电磁式剩余电流保护器和电子式剩余电流保护器两种。

一般动作特性与电源电压无关的剩余电流保护装置，通常被称作电磁式剩余电流保护器。该剩余电流保护器通常被使用在农村、城乡结合部、动力和照明混用的线路。该类型的剩余电流保护器理论使用的是电流的平均值算法。

动作特性与电源电压有关的剩余电流保护装置，通常被称作电子式剩余电流保护器。该类型的剩余电流保护装置是在原有剩余电流保护装置的基础上改进算法、改进制造工艺而来。以前农村、城乡结合部、动力和照明混用的线路中的负载性为线性负载，电阻性负载、感性负载、容性负载，谐波源极少。随着科学技术的发展，电子设备的更新叠代，冶金工业、化工产业的发展，电气化铁路的建设，为了工业化生产的稳定，大量使用UPS、整流器、逆变器、IGPT以及硅整流等非线性元件，使负载性质从线性负载转变为非线性负载，使得电磁型剩余电流保护器在新的环境下无法正确动作，于是设计了新型的电子式剩余电流保护器。

1.2 剩余电流保护器工作原理

1.2.1 电磁型剩余电流保护器工作原理

电磁型剩余电流保护器的接线原理如图1所示。在接线正常的情况下，电路中没有发生人身触电、设备装置漏电、线路单相接地故障时，剩余电流保护器的电流互感器一次侧中通过的一次电流矢量和等于0（三相极度平衡状态），计算为IL1+IL2+IL3+IN=0。L1、L2、L3和N在电流互感器中产生的磁通矢量和等于0（实际中三相不平衡其值不为0，零序电流小于瞬时脱扣电流值），此时电流互感器二次侧输出为零或较小值，二次电流值小于瞬时脱扣值，不足以脱扣，此时剩余电流保护器处于正常供电状态[1]。

当发生人身触电、设备装置漏电、保护线路单相接地故障时，L1、L2、L3和N在电流互感器中产生的磁通的矢量和不等于0，即IL1+IL2+IL3+IN≠0，此时在电流互感器二次侧电流输出值达到瞬时脱扣值，剩余电流保护器动作，断开所保护线路。

1.2.2 智能型电子式剩余电流保护器工作原理

智能型剩余电流保护器的算法采用有效值计算，核心计算公式为：

IRMS为电流的有效值，为电流的平均值，i(t)为时刻电流的瞬时值，Kf为正弦波波形因数，T为周期。

式（1）经过离散化和傅里叶变换，得到：

从式（2）中可以明显发现，电流的有效值不单单与线性负载有直接关系，也与非线性负载有着密不可分的关系，与各次谐波的有效值有着直接联系。该算法与传统的计算方法对比，更加精确，提高了保护的可靠性。

智能型电子式剩余电流保护器通过电子采样设备进行电压、电流、零序电流的采样，然后使用整流电路、滤波电路、信号放大电路以及AD转换来实现电流有效值的判断，最后做出反馈。

当采样信号计算I小于电流脱扣值时，剩余电流保护器不动作，设备处于运行状态；反之，保护器动作，被保护线路断电。

图1 电磁型剩余电流保护器接线原理图

2 实例应用于分析

2019年8月13日漏电保护监察系统预警，莲都区供电公司管辖下陈寮村配变发生漏电保护跳闸，要求分析跳闸原因。

配变型号S9-100 kVA，接线组别Yyn0，In额定电流144.3 A，漏电保护GRM1L-250。

系统记录参数（以平均值为代表）：IA为51.9A，IB为137.1 A，IC为59.1 A；漏电流376 mA；线路空载时，漏电流72 mA。

线路负载：单相居民用户，单相1.5 kW电动机4台，三相15 kW电动机2台，带星三角启动的20 kW电动机1台。

通过以上已知参数，对陈寮村配变发生漏电保护器跳闸事件从漏电保护的选型、脱扣电流的整定、三相不平衡电流的计算、星三角启动电流4个方面，对漏电保护器的影响进行详细分析。

配变低压侧额定电流为144.3 A，而配置的GRMIL-250的智能漏电保护器的额定电流为250 A，其配比系数为1.73倍（国网配网低压规程配比要求1.5～2.5，根据负荷性质选择配比），以此判断该型号GRMIL-250漏电保护器选型正确[2]。

GRMIL-250漏电保护器其瞬动脱扣器用于保护时，首先应躲过线路的尖峰电流，计算如下：

Ir3为断路器瞬动脱扣整定电流；Krel3为断路器瞬动脱扣器的可靠系数，取1.2；IrtM1为线路中最大一台电动机的全启动电流，包括电流周期分量和非周期分量，考虑到谐波设备引起的电流变化，该值通常取最大一台电动机的全启动电流的2倍；Ijs(n-1)为除了最大电动机的全部负载电流。

电动机三角启动电流为电机额定电流的4～7倍，这里Kf取5。

通过计算，该环境下断路器脱扣电流只要大于153.6 A即可。反向检查GRMIL-250瞬动脱扣器的整定档位，判断该GRMIL-250漏电保护器其脱扣整定值设置合理（瞬动脱扣为2 500 A档）。

漏电保护器当发生三相极度不平衡时，其电流超过脱扣电流时，有概率引起漏电保护器动作。在此通过实际参数进行校验，以判断该技术参数下保护器是否会发生跳闸。计算如下：

通过三相不平衡获得的参数进行计算发现，理论情况下零序电流可以达到81 A，与瞬时脱扣电流153.6 A有一定的差距，不会引起漏电保护器的脱扣动作。计算此时的负载率可以发现，A相为36%，B相最高为95%，C相为41%。通过系统监控发现，该配变的不平衡度大于20%的时候占35%的时间，说明该情况下有大量零序电流流过。

在星三角启动电动机时，电机的启动电流对电网的冲击与电机直接启动的电流有所区别。虽然星三角启动电动机时电流为三角启动电流的1/3，但是其时间继电器动作间隙对电网的冲击比电动机本身要大得多。

为了分析该情况和对应参数是否真的对漏电保护有较大冲击，班组作业人员在100 kVA变台下直接接带星三角启动器的75 kW的电动机，额定电流142.44 A，功率因数按0.8计算，配置GRMIL-250型号智能漏电保护器。它的脱扣器整定电流在8In档位，2 000 A星三角启动器的时间继电器有0.05 s、0.1 s、0.25 s和0.5 s四挡配置[3]。

经过15次的试验发现，其中有4次跳闸情况。表1为在漏电保护下桩头上测得的电流参数与继电器切换时间的对应关系。

表1 继电器时间切换与其产生的浪涌关系表

通过实验发现，星三角启动器切换时间越大，产生的浪涌值越高，对线路冲击越大。档位在0.25 s时，频繁发生跳闸，继电器工作在0.05 s档时形成浪涌与额定电流比为5.96，在0.1 s档为9.15，在0.25 s档为16.5。以此换算至额定电流为7.99 A的电动机上，其浪涌冲击值47 A（0.05 s）、73 A（0.1 s）、131 A（0.25 s），因此应将其设置在0.05或0.1档。

通过计算可知，目前参数在0.1 s档时，线路漏电保护器过流脱扣。因此，应将时间继电器设置在0.05 s档。

检查漏电保护器其漏电指示档位，其设置在500 mA档，实际系统监控最高值为376 mA，该保护跳闸不是漏电引起的。

3 结 论

班组人员通过从漏电保护的选型、脱扣电流的整定、三相不平衡电流的计算、星三角启动电流4个方面，对漏电保护器的跳闸可能进行系统分析，发现了星三角启动中的切换器的时间选择档对漏电保护器的影响，并进行了相应的试验进行验证，同时分析出该配变也是由该原因引起的跳闸。