提高殘余電流監(jiān)測(cè)（RCM）幫助下的消防安全

引言

多個(gè)歐洲國(guó)家的幾項(xiàng)研究表明，建筑物內(nèi)外火災(zāi)常見(jiàn)的原因分為兩類：電力（30-35%）和人為錯(cuò)誤（15-20%）。盡管有先進(jìn)的電氣安全系統(tǒng)，但建筑物火災(zāi)的報(bào)告仍然不斷。電氣供應(yīng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障是絕緣故障導(dǎo)致的導(dǎo)線與地之間的故障電流。本文探討了殘余電流監(jiān)測(cè)中可能的故障機(jī)制，并提供了一個(gè)概述。

建筑物中的電路由兩種不同的斷路器保護(hù)。

1. 過(guò)載保護(hù)裝置，也稱為電氣保險(xiǎn)絲或過(guò)電流保護(hù)（OCP），如果電流超過(guò)特定電流值超過(guò)特定時(shí)間，則中斷電路。有各種類型的過(guò)載保護(hù)裝置，如保險(xiǎn)絲或斷路器。房屋或公寓中的所有電氣保險(xiǎn)絲通常與其他斷路器一起安裝在配電盤內(nèi)。

過(guò)載裝置保護(hù)電纜或其他設(shè)備免受過(guò)電流引起的過(guò)度加熱造成的損害，這種損害會(huì)因過(guò)電流持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間而發(fā)生。過(guò)電流可能是由于過(guò)載或短路引起的。根據(jù)大多數(shù)國(guó)家的建筑法規(guī)和電氣安裝標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)載保護(hù)是強(qiáng)制性的。

2. 殘余電流裝置（RCD）是一種救生裝置，旨在防止人們?cè)谥苯咏佑|帶電導(dǎo)線（如裸露導(dǎo)線）時(shí)受傷。RCD提供了普通保險(xiǎn)絲和斷路器無(wú)法提供的一種個(gè)人保護(hù)水平。

RCD是一種敏感的安全裝置，如果發(fā)生故障，會(huì)自動(dòng)切斷電源。RCD旨在防止由接地故障引起的觸電和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果有人在浴室觸摸裸露的電線，而潮濕的地板與接地的散熱器有電氣連接。

在過(guò)去幾年中，RCD領(lǐng)域發(fā)生了重要的變化和發(fā)展。因此，下面描述了這一領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新。正確選擇已經(jīng)提供的設(shè)備可能最小化電氣系統(tǒng)中火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

RCD的原理

RCD的原理如下圖所示。如果一個(gè)人觸摸到一個(gè)未絕緣的導(dǎo)體，一部分電流可以通過(guò)人體流動(dòng)，因?yàn)槿梭w的電阻大約是800歐姆。在許多情況下，這種電阻對(duì)地來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)?shù)偷碾娮琛＿@部分電流通過(guò)地面返回到電壓源（變壓器接地的二次側(cè)）。如果電流沒(méi)有通過(guò)總和電流互感器流回，就會(huì)發(fā)生殘余電流。如果這個(gè)值足夠高，RCD就會(huì)跳閘并中斷整個(gè)電路。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在額定殘余電流的50%到1之間跳閘。如果30毫安的RCD跳閘，必須有15到30毫安的殘余電流。30毫安的閾值旨在確保個(gè)人保護(hù)，這是在任何可以自由訪問(wèn)的插座可用的地方都需要的。

在工業(yè)環(huán)境中，除了使用30毫安RCD保護(hù)的行政大樓外，我們通常還會(huì)發(fā)現(xiàn)用于生產(chǎn)的較大機(jī)器。即使這些機(jī)器沒(méi)有任何可以自由訪問(wèn)的插座，使用RCD進(jìn)行保護(hù)也是有意義的。機(jī)器中的絕緣故障也可能導(dǎo)致火災(zāi)或故障，這也代表了一種危險(xiǎn)源。市場(chǎng)上有不同跳閘值的RCD，因此追求不同的保護(hù)目的。有三種不同類型的保護(hù)及其相應(yīng)的跳閘電流，如下表所示。

表1：殘余電流裝置（RCD）及其不同用途

在導(dǎo)體和地面之間流動(dòng)并至少以60瓦的熱能發(fā)出的電流可能會(huì)引起火災(zāi)。在230伏的供電電壓下，這相當(dāng)于大約300毫安。因此，用于防火的RCD的最大跳閘值為300毫安。

不同信號(hào)波形的RCD

除了電流值之外，電流的信號(hào)形式現(xiàn)在對(duì)于RCD的正確運(yùn)作也至關(guān)重要。如今，許多電氣負(fù)載必須被標(biāo)記為非線性負(fù)載，因?yàn)檫@些設(shè)備從主電源中吸取非正弦波電流。因此，RCD檢測(cè)到的殘余電流通常具有非正弦曲線形狀。為確保RCD正確運(yùn)作，必須考慮連接的負(fù)載與將要使用的RCD的關(guān)系。

表2：RCD的類型

例如，如果購(gòu)買了一臺(tái)新洗衣機(jī)，手冊(cè)指定使用B型個(gè)人電路斷路器（30毫安），而這一點(diǎn)沒(méi)有被考慮，可能會(huì)出現(xiàn)以下情況。

由于故障，洗衣機(jī)產(chǎn)生了8毫安的直流作為殘余電流。然而，配電柜中的各個(gè)電路只由A型RCD保護(hù)。A型RCD沒(méi)有指定直流電流。至少6毫安的直流電流會(huì)推動(dòng)安裝在A型中的小型電流互感器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。然后吹風(fēng)機(jī)掉入充滿水的浴缸中。在這里，差分電流現(xiàn)在通過(guò)浴水流入電氣接地，然后返回到公用事業(yè)公司的變壓器接地的二次繞組。這個(gè)殘余電流現(xiàn)在具有脈沖或正弦波形，實(shí)際上被A型RCD覆蓋。如果這個(gè)殘余電流現(xiàn)在是40毫安，例如，A型RCD應(yīng)該跳閘。然而，在這種情況下，RCD沒(méi)有跳閘，因?yàn)殡娏?a data-mid="283" href="http://www.hkfuge.com/a/341.html">互感器的鐵芯已經(jīng)被8毫安的直流電流完全磁化，以至于電流互感器無(wú)法將40毫安轉(zhuǎn)換到次級(jí)側(cè)。如果在電氣配電系統(tǒng)中安裝了B型或B+型RCD，RCD肯定會(huì)跳閘，因?yàn)闅堄嚯娏髦狄呀?jīng)超過(guò)了48毫安的跳閘閾值。

機(jī)器和RCD

如果在工業(yè)系統(tǒng)中沒(méi)有可以自由訪問(wèn)的插座，操作員沒(méi)有義務(wù)用RCD保護(hù)系統(tǒng)。從安全角度來(lái)看，總是建議保護(hù)免受殘余電流的影響。然而，通常在電機(jī)或其他感性設(shè)備的啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的電流峰值可能導(dǎo)致誤跳閘，這可能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生有害影響。

也可能存在與系統(tǒng)相關(guān)的殘余電流。電流信號(hào)中的高頻分量可以通過(guò)濾波器或電纜電容流向地面。在下圖中，使用變頻器的例子，以示意圖形式展示了這些與系統(tǒng)相關(guān)的殘余電流。

圖2：具有系統(tǒng)相關(guān)殘余電流和不同電路中的故障電流的變頻器

這些系統(tǒng)相關(guān)的殘余電流肯定會(huì)達(dá)到一定水平，以至于不能再使用RCD進(jìn)行防火保護(hù)（300毫安）。

殘余電流監(jiān)測(cè)器可以為這種情況提供解決方案。下圖3顯示，與RCD不同，RCM不能獨(dú)立切斷供電線路。殘余電流只通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌谶M(jìn)行測(cè)量和輸出。此外，RCM有一個(gè)或多個(gè)繼電器輸出，這些輸出反過(guò)來(lái)可以用來(lái)控制斷路器。

Danisense解決方案

Danisense的RCM解決方案具有繼電器輸出和一個(gè)TRMS值，該值被轉(zhuǎn)換成4-20毫安的直流標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器信號(hào)，可以被可編程邏輯控制器（PLC）或通用測(cè)量設(shè)備輕松處理。為了進(jìn)行更深入的分析，可以連接USB接口到裝有SRCM軟件工具的筆記本電腦。通過(guò)這種配置，可以更詳細(xì)地分析電流信號(hào)。該軟件提供了示波器視圖和FFT分析等功能。

通過(guò)PLC進(jìn)行殘余電流監(jiān)測(cè)

在復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器中，各種各樣的電氣組件形成一個(gè)通過(guò)PLC控制的系統(tǒng)。因此，這些工廠的殘余電流水平可能高于上文提到的表格中的值。例如，以下值來(lái)自一個(gè)額定電流為235安培的生產(chǎn)工廠。

圖5：一個(gè)額定電流為235安培的生產(chǎn)工廠的系統(tǒng)相關(guān)殘余電流（值由Danisense軟件工具為SRCM保存）

即使由于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，連續(xù)的殘余電流監(jiān)測(cè)可以取代絕緣測(cè)試，但通過(guò)上述測(cè)量值分析絕緣電阻并不簡(jiǎn)單。在工廠中，各種各樣的單個(gè)消費(fèi)者被控制，總體上產(chǎn)生不同的殘余電流水平。

因此，一些PLC制造商已經(jīng)在他們的產(chǎn)品組合中提供了可以連接到PLC的機(jī)器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的殘余電流傳感器。通過(guò)在啟動(dòng)后和成功的安全測(cè)試后將各種機(jī)器狀態(tài)與測(cè)量的殘余電流水平直接關(guān)聯(lián)，可以在PLC中保存一個(gè)“健康”的RC基線。有了這些數(shù)據(jù)，可以對(duì)生產(chǎn)工廠進(jìn)行可靠和有意義的監(jiān)測(cè)。

結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，RCM可以用作早期預(yù)警系統(tǒng)，因?yàn)樵S多絕緣故障會(huì)導(dǎo)致殘余電流緩慢增加。因此，這些設(shè)備被歸類為預(yù)測(cè)性維護(hù)措施。在許多情況下，可以避免進(jìn)行許多監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的定期安全檢查中的絕緣測(cè)試。RCM設(shè)備已經(jīng)在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的財(cái)產(chǎn)中成為強(qiáng)制性的，如數(shù)據(jù)中心和醫(yī)院。在工業(yè)應(yīng)用中，RCM也是提高絕緣故障情況下的安全性和系統(tǒng)可用性的解決方案，因?yàn)橐馔獾臋C(jī)器故障是一個(gè)問(wèn)題。