借助剩余電流監(jiān)測（RCM）提高消防安全

介紹
歐洲多個國家的研究表明，建筑物內(nèi)部及周邊火災(zāi)的最常見原因可分為兩類：電氣故障（占 30% 至 35%）和人為失誤（占 15% 至 20%）。盡管采用了先進的電氣安全系統(tǒng)，但建筑物火災(zāi)的報告仍屢見不鮮。供電系統(tǒng)中最常見的故障是由于絕緣故障導(dǎo)致的導(dǎo)體與地之間出現(xiàn)故障電流。本文探討了剩余電流監(jiān)測中可能出現(xiàn)的故障機制，并進行了概述。

建筑物內(nèi)的電路由兩種不同的斷路器進行保護：
1. 過電流保護裝置，也稱為保險絲或過電流保護（OCP），如果電流在規(guī)定時間內(nèi)超過規(guī)定的電流值，就會中斷電路。過電流保護裝置有多種類型，如保險絲或斷路器。房屋或公寓中的所有保險絲通常與其他斷路器一起安裝在配電柜中。過電流裝置可保護電纜或其他設(shè)備免受因長時間過電流而產(chǎn)生的過熱損害。過電流可能是由過載或短路引起的。在大多數(shù)國家，根據(jù)建筑規(guī)范和電氣裝置標準，過電流保護是強制性的。

2. 漏電保護器（RCD）是一種能救命的裝置，其設(shè)計目的是防止人們在直接接觸帶電導(dǎo)體（如裸線）時受傷。漏電保護器提供的個人保護水平是普通保險絲和斷路器所無法比擬的。漏電斷路器是一種靈敏的安全裝置，一旦出現(xiàn)故障就會自動切斷電源。漏電斷路器旨在防范因接地故障導(dǎo)致的觸電和火災(zāi)風險。例如， 如果有人在浴室觸摸到臺燈的裸露電線，而潮濕的地面又與接地的散熱器相連。在過去的幾年里，剩余電流保護裝置（RCD）領(lǐng)域發(fā)生了重要的變化和發(fā)展。因此，下面將介紹這一領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。正確選擇現(xiàn)有的裝置有可能將電氣系統(tǒng)中的火災(zāi)風險降至最低。

剩余電流保護原理
漏電斷路器的工作原理如圖 1 所示。如果人體接觸到未絕緣的導(dǎo)體，由于人體電阻約為 800 歐姆，電流的一部分會流經(jīng)人體。在很多情況下，這種電阻相對于接地電阻而言相當?shù)汀ｋ娏魍ㄟ^大地回流至電壓源（變壓器的接地二次側(cè)）。如果電流沒有流經(jīng)電流互感器，就會產(chǎn)生剩余電流。如果該值足夠大，漏電斷路器就會跳閘，切斷整個電路。

圖 1：用于個人防護的 RCD 原理圖

國際標準規(guī)定，額定剩余電流的 50% 至 100% 之間發(fā)生漏電時應(yīng)跳閘。如果 30 毫安的剩余電流保護裝置跳閘，那么剩余電流應(yīng)在 15 至 30 毫安之間。30 毫安這一閾值旨在確保人身安全，凡有可觸及插座的地方都必須滿足這一要求。

在工業(yè)環(huán)境中，除了用 30 毫安漏電保護器（RCD）保護的行政大樓外，我們通常還會發(fā)現(xiàn)用于生產(chǎn)的大型機器。即使這些機器沒有任何可直接接觸的插座，使用漏電保護器進行保護也是有意義的。機器中的絕緣故障也可能引發(fā)火災(zāi)或故障，這也是一種危險源。市場上有不同的漏電保護器，它們具有不同的跳閘值，因此具有不同的保護目的。以下是三種不同類型的保護及其對應(yīng)的跳閘電流。

表 1：剩余電流動作保護器（RCD）及其不同用途

在導(dǎo)體與大地之間流動且至少產(chǎn)生60 瓦熱量的電流可能會引發(fā)火災(zāi)。在230 伏的供電電壓下，這相當于約300 毫安。因此，用于防火的漏電保護裝置（RCD）的最大跳閘值為300 毫安。

適用于不同信號波形的 RCD
除了電流的大小之外，電流的波形如今對于漏電保護斷路器（RCD）的正常工作也至關(guān)重要。如今，許多電氣負載必須被標記為非線性負載，因為這些設(shè)備從電網(wǎng)中獲取的是非正弦電流。因此，RCD 檢測到的剩余電流通常具有非正弦的曲線形狀。為了確保 RCD 能夠正常工作，在選擇 RCD 時必須考慮所連接的負載。

表 2：RCD 的類型

例如，如果購買了一臺新的洗衣機，而其使用手冊規(guī)定應(yīng)使用B 型個人保護電路斷路器（30 毫安），但未予以考慮，那么可能會出現(xiàn)以下情況。

由于故障，洗衣機產(chǎn)生8 毫安的直流剩余電流。然而，配電柜中的各個電路僅由A 型漏電斷路器保護。A 型漏電斷路器并未規(guī)定對直流電的防護。至少6 毫安的直流電會使安裝在A 型漏電斷路器中的小電流互感器進入磁飽和狀態(tài)。此時，吹風機掉入裝滿水的浴缸中。此時，差動電流通過浴缸中的水流入電氣接地，再回到供電公司的變壓器的接地二次繞組。此時的剩余電流具有脈沖波形或正弦波形，實際上在A 型漏電斷路器的防護范圍內(nèi)。假如此時剩余電流為40 毫安，A 型漏電斷路器應(yīng)跳閘。然而，由于8 毫安直流電已使電流互感器的鐵芯完全磁化，所以40 毫安的電流無法使電流互感器產(chǎn)生變化，漏電斷路器也就不會跳閘。

如果在配電系統(tǒng)中安裝了B 型或B+型剩余電流動作保護器（RCD），那么該保護器肯定會跳閘，因為剩余電流值已超過跳閘閾值，總值達到48 毫安。

機器和漏電斷路器
如果工業(yè)系統(tǒng)中沒有可自由使用的插座，操作人員沒有義務(wù)用漏電斷路器（RCD）來保護系統(tǒng)。從安全角度來看，防范剩余電流始終是明智之舉。然而，電機或其他感性設(shè)備在啟動過程中電流峰值常常會導(dǎo)致誤跳閘，這會對生產(chǎn)流程造成不利影響。也可能存在與系統(tǒng)相關(guān)的殘余電流。電流信號中的高頻成分可通過濾波器或電纜電容流向大地。在下圖中，以變頻器為例示意性地展示了這些與系統(tǒng)相關(guān)的殘余電流。

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

這些與系統(tǒng)相關(guān)的剩余電流肯定能達到這樣的程度，以至于用于防火安全的 RCD（300 毫安）保護措施將不再適用。

剩余電流監(jiān)測器可以為這種情況提供解決方案。下圖3 顯示，與RCD 不同，RCM 本身不能獨立切斷供電線路。剩余電流僅通過合適的接口進行測量和輸出。此外，RCM 還有一個或多個繼電器輸出，這些繼電器輸出又可用于控制斷路器。

圖 3：RCD 與 RCM 對比

Danisense 解決方案
Danisense RCM解決方案具有繼電器輸出和真有效值（TRMS），該值可轉(zhuǎn)換為4-20毫安直流標準機器信號，可輕松由可編程邏輯控制器（PLC）或通用測量設(shè)備處理。若要進行更深入的分析，可將 USB 接口連接到裝有 SRCM 軟件工具的筆記本電腦。通過這種配置，可以更詳細地分析電流信號。該軟件提供示波器視圖和快速傅里葉變換（FFT）分析等功能。

圖4：Danisense SRCM + 軟件接口

通過 PLC 進行剩余電流監(jiān)測
在復(fù)雜的工業(yè)機器中，各種各樣的電氣元件構(gòu)成一個通過 PLC 控制的系統(tǒng)。因此，這些工廠的剩余電流水平可能高于上述表格中的數(shù)值。例如，以下數(shù)值來自一個額定電流為 235 A的生產(chǎn)工廠。

圖 5：額定電流為 235 A 的生產(chǎn)工廠的系統(tǒng)相關(guān)剩余電流（這些值由 Danisense 軟件工具為 SRCM 進行保存）

即使由于國際標準化，連續(xù)剩余電流監(jiān)測能夠取代絕緣測試，但通過上述測量值來分析絕緣電阻并非易事。在工廠中，控制著各種各樣的單個消費者，它們總體上會產(chǎn)生不同的剩余電流水平。

出于這個原因，一些可編程邏輯控制器（PLC）制造商已經(jīng)在其產(chǎn)品組合中提供剩余電流傳感器，這些傳感器可以通過機器標準信號連接到 PLC。在啟動后以及成功完成安全測試后，將各種機器狀態(tài)與測量到的剩余電流水平直接關(guān)聯(lián)起來，即可在 PLC 中保存一個“健康”的剩余電流基線。利用這些數(shù)據(jù)，可以對生產(chǎn)設(shè)施進行可靠且有意義的監(jiān)測。

結(jié)論
一般來說，剩余電流監(jiān)測器（RCM）可用作早期預(yù)警系統(tǒng)，因為許多絕緣故障會導(dǎo)致剩余電流緩慢增加。正因如此，這些設(shè)備被歸類為預(yù)測性維護措施。在許多情況下，可以省去絕緣測試，而絕緣測試是許多監(jiān)管機構(gòu)要求的定期安全檢查的一部分。在諸如數(shù)據(jù)中心和醫(yī)院等屬于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的場所，RCM設(shè)備已經(jīng)是強制安裝的。在工業(yè)領(lǐng)域，對于那些機器意外故障會造成問題的應(yīng)用場景，也能從中受益。RCM 是在絕緣故障情況下提高安全性和系統(tǒng)可用性的終極解決方案。