【摘要】鋼鐵廠為了實現(xiàn)節(jié)能降碳、安全運行，在不斷升級改造現(xiàn)有生產(chǎn)設備。針對鋼鐵廠改造中對剩余電流動作斷路器的設計應用方案進行探討，解析了剩余電流動作斷路器在電網(wǎng)供電系統(tǒng)中對設備和線路的漏／觸電保護應用方案。該方案設計可為鋼鐵廠電網(wǎng)供電提供安全可靠的運行保障。

【關鍵詞】剩余電流動作斷路器；漏／觸電保護；鋼鐵廠；電網(wǎng)供電

0引言

某鋼鐵廠的電網(wǎng)供電系統(tǒng)始建于２０世紀６０年代，經(jīng)歷了不同年代的建設改造。由于鋼鐵廠存在各種不同用電場合的供電需求，目前有不同年代建設的電網(wǎng)供電系統(tǒng)在運行。受當時不同年代經(jīng)濟條件和電器設備技術發(fā)展的制約，在電網(wǎng)供電系統(tǒng)中部分沒有設計安裝剩余電流動作斷路器（ＣＢＲ），即使后續(xù)在部分電網(wǎng)供電系統(tǒng)中改造安裝了剩余電流動作斷路器，但由于ＣＢＲ類型和電網(wǎng)供電系統(tǒng)不匹配，ＣＢＲ的設計安裝接線不合理，導致ＣＢＲ拒動和誤動作情況時有發(fā)生。電網(wǎng)供電系統(tǒng)沒有安裝ＣＢＲ時，若設備電線絕緣老化，會引起電氣火災事故，人為誤接線操作也經(jīng)常會導致漏／觸電傷人，嚴重影響生命安全。因此，該鋼鐵廠提出了全面對老舊電網(wǎng)供電系統(tǒng)進行改造、安裝漏電保護裝置的需求，線路重新布局，線路中增加剩余電流動作斷路器。根據(jù)鋼鐵廠的改進技術要求，本文針對鋼鐵廠的不同供電系統(tǒng)，提出了設計改造安裝ＣＢＲ的解決方案，并對存在錯誤設計的接線圖進行分析說明。歷經(jīng)６個月的設計改造，解決了該鋼鐵廠老舊電網(wǎng)系統(tǒng)中線路和設備的漏電保護安全問題。改造加裝的ＣＢＲ經(jīng)過１年多的運行，現(xiàn)場漏電事故事件明顯減少，有效地防止了漏／觸電事故的發(fā)生，預防了漏電引起的電氣火災，保障了線路和設備的用電安全，確保了人身安全。

1ＣＢＲ在電網(wǎng)供電線路中的作用

剩余電流動作斷路器俗稱漏電斷路器，其不但對用電設備和線路進行過電流故障保護，同時可對用電設備和線路中出現(xiàn)的漏電流故障進行保護，在低壓電網(wǎng)供電系統(tǒng)中起到非常重要的保護作用。線路中安裝ＣＢＲ后，可確保人身安全，避免漏／觸電造成的致命事故。當線路中存在漏電電流時，可能會引起線路電氣火災，ＣＢＲ也可預防因漏電引起的火災事故。

在低壓電網(wǎng)供電系統(tǒng)中，按照漏／觸電保護線路級別可分為三級漏電保護。配電負載側作為配電系統(tǒng)中的一級總保護，安裝在低壓配電總電源側，一般漏電保護值為５００ｍＡ以上，并設置一定的延時動作時間，以防三級或二級線路發(fā)生漏／觸電故障時，造成一級線路停電。主干分支線路側為二級保護，實現(xiàn)分支線路到終端側之間線路的漏／觸電保護，同時作為終端漏／觸電保護的后備保護，一般漏電保護值為１００～５００ｍＡ，總漏電電流小于一級漏電保護值，大于三級終端側漏電保護值，既可保護漏／觸電故障，又可防止漏電火災的發(fā)生。用戶終端側為三級保護，終端三級漏／觸電保護系統(tǒng)中，人觸電事故絕大部分都發(fā)生在該終端的用電設備和線路上，對一些存在危險的設備需加ＣＢＲ，如移動式用電設備、焊接設備等，作為用電系統(tǒng)線路的末端保護，靈敏度高，響應快速，漏電動作值不能大于３０ｍＡ，且無動作延時時間，如在水池、浴池等潮濕易漏電的場合，則漏電電流保護值為１５ｍＡ以下。三級保護*大的好處是縮小停電范圍，防止發(fā)生大面積停電。以上三級保護線路中任何一級發(fā)生漏／觸電故障時，都會給人們的生命財產(chǎn)造成嚴重的損失，所以電網(wǎng)供電系統(tǒng)線路中安裝ＣＢＲ的重要性是不言而喻的。

2ＣＢＲ的保護工作原理

觸電方式有直接觸電和間接觸電兩種。直接觸電為人體直接接觸帶電的裸露導電部位，漏電電流從接觸處經(jīng)過人體心臟、再經(jīng)腳底流入大地，當漏電電流超過人體所能承受的一定值時，對人體造成傷害，嚴重時會造成人觸電死亡。間接觸電為人體接觸到因設備內部的絕緣損壞而產(chǎn)生漏電的設備金屬外殼造成的觸電。例如電機設備的金屬外殼與接地線連接，當電機內部繞組的絕緣損壞產(chǎn)生漏電時，漏電流會經(jīng)過設備金屬外殼接地線流入大地，流回電源中性點。當人體觸摸到電機金屬外殼時，漏電流會經(jīng)人體流回電源中性點，對人體造成傷害。ＣＢＲ的基本保護工作原理如圖１所示。圖１線路中在設備和人員無漏／觸電的情況下，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｎ相電流的矢量和為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ＝０，這時在零序電流互感器ＴＡ的鐵芯中所感應的磁通的矢量和Φ為零，即Φ＝ΦＡ＋ΦＢ＋ΦＣ＋ΦＮ＝０，磁通的矢量和在零序電流互感器ＴＡ的二次繞組感應的電動勢Ｅ２為零。當有漏／觸電發(fā)生時，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｎ相電流的矢量和不為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ≠０，這時在零序電流互感器ＴＡ的鐵芯中所感應的磁通的矢量和Φ不為零，即Φ＝ΦＡ＋ΦＢ＋ΦＣ＋ΦＮ≠０，磁通的矢量和在零序電流互感器ＴＡ二次繞組感應的電動勢Ｅ２不為零，電動勢Ｅ２經(jīng)過控制單元Ａ的運算控制，當漏電流ＩΔ達到一定的值后，控制單元Ａ驅動脫扣器ＴＲ動作，脫扣器ＴＲ驅動斷路器ＱＦ跳閘快速切斷電源，實現(xiàn)漏／觸電保護的功能。

3改造前的電網(wǎng)供電系統(tǒng)設備運行狀態(tài)分析

為了解決該鋼鐵廠供電系統(tǒng)中存在的各種漏／觸電不安全因素，供電系統(tǒng)設計安裝ＣＢＲ已成為*有效的保護措施。當發(fā)生漏／觸電接地故障時，ＣＢＲ能夠快速切斷電源，保護設備和人身安全。該鋼鐵廠生產(chǎn)設備較多，站用電源變壓器多，電源變壓器建設年代不同，有不同的低壓電網(wǎng)供電系統(tǒng)，既有ＩＴ電網(wǎng)供電系統(tǒng)，又有ＴＴ電網(wǎng)供電系統(tǒng)和ＴＮ電網(wǎng)供電系統(tǒng)。

ＩＴ電網(wǎng)供電系統(tǒng)主要應用在該鋼鐵廠的礦井等場合，該供電系統(tǒng)為電源變壓器二次側中性點不接地或經(jīng)高阻抗接地，電氣設備的金屬外殼接地。該系統(tǒng)中電源變壓器中性點不接地或經(jīng)高阻抗接地是其保護性能的核心，其保護機制為盡量加大漏／觸電回路的阻抗，避免漏／觸電電流達到危害值。ＩＴ供電系統(tǒng)一般采用設備外殼接地保護法，用特殊的檢漏繼電器進行漏電保護。因為ＩＴ供系統(tǒng)電源變壓器中性點不接地，所以當設備發(fā)生漏／觸電故障事故時，漏電流和電源變壓器二次側無法構成回路電流，其漏電流僅為非故障相對地構成的電容電流的相量和，流經(jīng)人體的漏電流很小，相對是安全的。人體單相觸電時，所處環(huán)境容抗大，流向大地的泄漏電流很小，電源變壓器二次側電壓平衡基本不會破壞，泄漏電流不會影響電氣設備的正常運行。由于漏阻抗較大，人體單相觸電時流經(jīng)人體的電流很小，漏電流小于１ｍＡ，因此不會造成人體傷害。因此，ＩＴ供電系統(tǒng)相對來說是一種比較安全的供電方式，其可靠性高，安全性好。但其缺點是該供電系統(tǒng)線路不宜過長，只能應用在一些特殊用電的小范圍的場合，使用范圍受到一定的限制。常規(guī)型的ＣＢＲ為電流動作式，需要故障點與電源變壓器二次側接地中性點構成漏電流回路，工作原理如圖１所示。在ＩＴ電網(wǎng)供電系統(tǒng)中電源變壓器二次側沒有中性點接地，因此該系統(tǒng)不能適應電流型的剩余電流動作斷路器。對于該鋼鐵廠早些年代建造的ＴＴ供電系統(tǒng)和ＴＮ供電系統(tǒng)，由于受當時經(jīng)濟條件和電器

設備技術發(fā)展的制約，低壓電網(wǎng)供電系統(tǒng)中部分設備仍然采用單一的接地接零保護方式，這種單一的接地接零保護方式已不能滿足安全保護要求。在電網(wǎng)系統(tǒng)中大部分沒有設計安裝ＣＢＲ，即使后續(xù)在一些電網(wǎng)系統(tǒng)改造中增加了ＣＢＲ，但由于ＣＢＲ類型和電網(wǎng)系統(tǒng)不匹配、ＣＢＲ的接線不合理、上級和下級漏電的保護參數(shù)設置不合理，導致剩余電流動作斷路器拒動和誤動作情況時有發(fā)生，沒有達到漏電保護的功能，反而造成了線路跳閘停電停工現(xiàn)象，給用電安全帶來一隱患。因此以下針對ＴＴ和ＴＮ供電系統(tǒng)中ＣＢＲ的正確設計、接線方案進行分析說明。

4應用方案分析

4.1ＴＴ系統(tǒng)保護方案

該鋼鐵廠部分用電設備供電距離較遠，負荷布局相對分散，因此部分電網(wǎng)供電系統(tǒng)線路采用了ＴＴ供電系統(tǒng)。ＴＴ供電系統(tǒng)中電源變壓器二次側中性點直接接地，設備外殼直接接地，采用三相三線制接線方式。三相三線制系統(tǒng)電源只引出三根相線，該電網(wǎng)供電系統(tǒng)中，沒有單獨引出中性線Ｎ，系統(tǒng)的負載側中性線Ｎ也全部直接接入大地，大地相當于Ｎ線，ＰＥ線也是直接接入大地。ＴＴ供電系統(tǒng)原理如圖２所示。

在ＴＴ供電系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)的中性點直接接地，電器設備的金屬部分直接接線漏／觸電保護，這個接地與電力系統(tǒng)中的中性點的接地沒有關系。當該供電系統(tǒng)線路中既有ＡＣ３８０Ｖ三相負載，又有ＡＣ２２０Ｖ單相負載時，混合負載導致ＣＢＲ負載端中性線Ｎ需要重復接地，當負載不平衡時，中性線Ｎ上的電流通過接地線流入大地，引起ＣＢＲ誤動作。該系統(tǒng)使用ＣＢＲ時，如果設計不當或安裝不合理，很容易造成ＣＢＲ誤動作跳閘故障。

ＴＴ供電系統(tǒng)中，三極ＣＢＲ和四極ＣＢＲ要根據(jù)實際線路負載情況進行設計接線，如存在單相ＡＣ２２０Ｖ負載，則選用二極漏電斷路器，如存在ＡＣ３８０Ｖ和單相ＡＣ２２０Ｖ混合負載，則選用四極ＣＢＲ。單相ＡＣ２２０Ｖ負載中性線Ｎ不能直接接入大地，否則ＣＢＲ頻繁跳閘無法合閘，中性線Ｎ接地從斷路器的進線端Ｎ極接入大地，不能從出線端接入大地。三極ＣＢＲ正確的接線設計方案如圖３所示。電網(wǎng)為三線制ＴＴ系統(tǒng)，設備為ＡＣ３８０Ｖ的單一負載，ＣＢＲ設計為三極ＣＢＲ，設備外殼接大地，當出現(xiàn)漏／觸電時，線路中出現(xiàn)電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩΔ＝ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ≠０電源變壓器側中性點和安全接地線ＰＥ形成漏電回路，剩余電流（漏電流）為ＩΔ，三極ＣＢＲ可以起到漏／觸電保護的作用。

混合負載中三極ＣＢＲ錯誤的接線設計方案如圖４所示。電網(wǎng)為三線制ＴＴ系統(tǒng)，設備為ＡＣ３８０Ｖ和ＡＣ２２０Ｖ的混合負載，選用三極ＣＢＲ，中性線Ｎ接大地。線路中的問題就是中性線Ｎ錯誤地接入大地，錯誤地選用了三極ＣＢＲ，在無漏／觸電情況下，線路中出現(xiàn)了沒有經(jīng)過三極ＣＢＲ的旁路電流，線路中出現(xiàn)的剩余電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ≠０，負載端接地、安全線ＰＥ和電源變壓器中性點接地構成了剩余電流ＩΔ的回路電路，因此三極ＣＢＲ跳閘無法正常運行?；旌县撦d改正設計后正確的接線設計方案如圖５所示。該線路中三極ＣＢＲ跳閘設計更改為四極ＣＢＲ，在無漏／觸電情況下，系統(tǒng)線路中電流矢量和ＩΔ始終為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ＝０，當有漏／觸電故障發(fā)生時，線路中出現(xiàn)的電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ≠０，負載端接地、安全線ＰＥ和電源變壓器中性點接地構成了剩余電流ＩΔ的回路電路，四極ＣＢＲ快速跳閘斷開線路電源，起到漏／觸電保護作用。

四極ＣＢＲ進出端錯誤接地的設計接線方案

如圖６所示，電網(wǎng)為三線制ＴＴ系統(tǒng)，設計為四極ＣＢＲ，負載為ＡＣ３８０Ｖ和ＡＣ２２０Ｖ的混合負載。線路中出現(xiàn)了單相ＡＣ２２０Ｖ負載的中性線Ｎ多點接地的錯誤設計，在無漏／觸電情況下，線路中的中性線Ｎ電流ＩＮ從旁路流入大地，負載端接地和電源變壓器中性點接地構成了剩余電流ＩΔ的回路電路，導致線路中出現(xiàn)電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ≠０，因此四極ＣＢＲ會出現(xiàn)跳閘誤動作情況。更改正確的設計方案是將四極ＣＢＲ的出線端Ｎ線不接地，只保留四極ＣＢＲ的進線端Ｎ線接地，正確接地的設計接線方案如圖５所示。

中性線Ｎ錯誤接地的接線設計方案如圖７所示。電網(wǎng)為三線制ＴＴ系統(tǒng)，通過ＣＢＲ對線路進行分級保護，一級漏電保護采用三極ＣＢＲ、二級漏電保護采用三極ＣＢＲ和二極ＣＢＲ，設備為ＡＣ３８０Ｖ和ＡＣ２２０Ｖ的混合負載，線路中的單相ＡＣ２２０Ｖ負載的中性線Ｎ接入大地。在無漏電情況下，當單相ＡＣ２２０Ｖ負載工作時，單相ＡＣ２２０Ｖ負載中性線Ｎ相電流ＩＮ２從一級漏電保護端的三極ＣＢＲ旁路流入大地，ＩＮ２流回到電源變壓器的中性點，形成了漏電電流，導致線路中出現(xiàn)電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＝ＩΔ≠０，因此一級線路保護端的三極ＣＢＲ會出現(xiàn)頻繁跳閘故障，造成線路無法正常工作供電。

混合負載中多點接地的錯誤設計方案如圖８所示。設備為ＡＣ３８０Ｖ和ＡＣ２２０Ｖ的混合負載，ＣＢＲ對線路進行分級保護，一級采用三極ＣＢＲ、末端采用三極ＣＢＲ和二極ＣＢＲ，線路中的中性線Ｎ錯誤地進行多點接地，在無漏／觸電情況下，當ＡＣ２２０Ｖ負載工作時，四極ＣＢＲ和二極ＣＢＲ會出現(xiàn)對地的旁路電流ＩΔ１和ＩΔ２，負載端大地和電源變壓器中性點大地之間形成了漏電電流，在負載無漏／觸電情況下，線路中形成的電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ≠０、ＩＣ２＋ＩＮ２≠０，因此四極ＣＢＲ和二極ＣＢＲ會出現(xiàn)頻繁跳閘，出現(xiàn)線路無法正常供電故障。

混合負載正確的接線計方案如圖９所示。圖７和圖８可按圖９改進設計方案。圖９中將四極ＣＢＲ的進線端中性線Ｎ接大地，其出線端中性線Ｎ不允許接入大地，并要求一級線路中的ＣＢＲ的漏電動作值要大于二級線路中ＣＢＲ的漏電動作值，否則將造成越級跳閘故障。在無漏／觸電正常情況下，線路中電流ＩＮ始終從四極ＣＢＲ和三極ＣＢＲ的中性線Ｎ中流入和流出，ＣＢＲ無旁路電流產(chǎn)生，四極ＣＢＲ線路中的電流矢量和ＩΔ為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ＝０；三極ＣＢＲ線路中的電流矢量和ＩΔ為零，即ＩＡ１＋ＩＢ１＋ＩＣ１＝ＩΔ＝０；二極ＣＢＲ線路中的電流矢量和ＩΔ為零，即ＩＣ２＋ＩＮ２＝ＩΔ＝０。當三極ＣＢＲ保護的支路發(fā)生漏／觸電時，線路中出現(xiàn)電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＡ１＋ＩＢ１＋ＩＣ１＝ＩΔ≠０，三極ＣＢＲ跳閘保護；當二極ＣＢＲ保護的支路發(fā)生漏／觸電時，線路中出現(xiàn)電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＣ＋ＩＮ２＝ＩΔ≠０，二極ＣＢＲ迅速跳閘斷開線路，起到漏電保護的作用。當一級保護和二級末端支路之間發(fā)生漏／觸電時，線路中出現(xiàn)電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ≠０，四極ＣＢＲ跳閘動作。

4.2ＴＮ系統(tǒng)防護方案

該電網(wǎng)供電系統(tǒng)的中性線接地，電氣裝備的金屬外殼通過ＰＥ保護線與該接地中性點連接。該系統(tǒng)有工作零線Ｎ和保護零線ＰＥ，工作零線Ｎ和保護零線ＰＥ可以合并使用，可分離使用，ＴＮ?Ｃ系統(tǒng)，保護零線ＰＥ和工作零線Ｎ合并為一起；ＴＮ?Ｓ系統(tǒng)中工作零線Ｎ和保護零線ＰＥ嚴格分離；ＴＮ?Ｃ?Ｓ系統(tǒng)中部分線路工作零線Ｎ和保護零線ＰＥ合并為一，部分線路的工作零線Ｎ和保護零線ＰＥ分離。ＴＮ?Ｃ系統(tǒng)中不正確接線設計方案如圖１０所示。電網(wǎng)為三相四線制ＴＮ?Ｃ系統(tǒng)，設備為ＡＣ３８０Ｖ和ＡＣ２２０Ｖ混合負載，系統(tǒng)線路中將保護線ＮＰＥ接到四極ＣＢＲ的出線端，當線路設備發(fā)生漏電時，漏電流ＩΔ經(jīng)過保護線ＮＰＥ和四極ＣＢＲ的Ｎ極流入電源變壓器的中性線端，四極ＣＢＲ中線路中的電流矢量和ＩΔ始終為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ＝０，造成四極ＣＢＲ拒動跳閘，失去漏電保護作用，會造成安全事故。對圖１０的方案進行更改后，ＴＮ?Ｃ系統(tǒng)中正確接線設計方案如圖１１所示。

當線路中設備發(fā)生漏電時，漏電流ＩΔ經(jīng)過安全線ＮＰＥ經(jīng)四極ＣＢＲ旁路流回到電源變壓器的中性端，四極ＣＢＲ線路中電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ≠０，當漏電電流達到動作值時，四極ＣＢＲ跳閘斷開線路電源，起到漏電保護作用。

ＴＮ?Ｓ系統(tǒng)中正確的接線設計方案如圖１２所示。電網(wǎng)為三相五線制ＴＮ?Ｓ系統(tǒng)，設備為ＡＣ３８０Ｖ和ＡＣ２２０Ｖ混合負載，設備金屬外殼通過保護線ＰＥ連接到電源變壓器中性端線路，當線路設備發(fā)生漏電時，四極ＣＢＲ線路中的電流矢量和ＩΔ不為零，即ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＮ＝ＩΔ≠０，四極ＣＢＲ跳閘斷開電源，起到漏電保護作用。

5安科瑞ASJ系列產(chǎn)品介紹

安科瑞ASJ系列剩余電流動作繼電器和多回路剩余電流監(jiān)測儀可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式剩余電流保護裝置，主要適用于交流50Hz，額定電壓400V及以下的TT和TN系統(tǒng)配電線路，用來對電氣線路進行接地故障保護，防止接地故障電流引起的設備損壞和電氣火災事故，也可用來對人身觸電危險提供間接接觸保護。

ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器

ASJ60系列剩余電流監(jiān)測儀

5.1功能介紹

ASJ10/20系列剩余電流動作繼電器具有以下功能：A型或者AC型剩余電流測量，剩余電流越限報警指示，額定剩余動作電流可設定，極限不驅動時間可設定，兩組繼電器輸出，具有就地，遠程“測試"、“復位"功能；

ASJ60系列剩余電流監(jiān)測儀具有以下功能：16路剩余電流監(jiān)測，1路預警繼電器輸出，16路報警繼電器輸出，2路DI輸入，自動重合閘功能，遠程通訊功能，遠程分合閘功能。