漏電保護器與地線有什麼關係?

選自:機械工業出版社E視界

首先,先給出結論:漏電保護器與地線是從屬關係。有了地線,才具有安裝漏電保護器的可能;反過來,若沒有地線,安裝了漏電保護器毫無用處。

為了能夠明確其中的道理,我們從最簡單的直流電路開始談起。

漏電保護器與地線有什麼關係?

圖1是直流電路,它有電源E,也有電源內阻r,還有外接的電阻箱R。注意到外接電阻箱R有一個金屬外殼。

設從電源E的正端流向電阻R的電流是I+,流出電阻R並返回電源的電流是I-。由於電路屬於串聯電路,因此這兩個電流大小相等,方向相反。令兩者之和為Id,於是有:

漏電保護器與地線有什麼關係?

例如,電池電壓為6V,它的內阻r=0.1歐,外電阻R=10歐,於是有:

漏電保護器與地線有什麼關係?

我們令I+的方向為正方向,則有:

漏電保護器與地線有什麼關係?

我們來看圖2,它依然是直流電路。圖中把電阻箱的金屬外殼通過接地電阻Rg接到電源負極,也即接地。

當電源的正極未與電阻箱的外殼相接時,什麼也不會發生。

現在,我們讓電源正極引線與電阻箱外殼相接(以下簡稱碰殼事故)。仔細看圖,我們會發現接地電阻Rg其實是與負載電阻R並聯的。於是我們發現了一個關鍵現象:

漏電保護器與地線有什麼關係?

也就是說,此時的I+和I-雖然方向依然相反,但已經不再是大小相等了。(提示:從現在開始,漏電電流就用它的標準符號Ig來描述了)。

由於Rg的值往往很小,因此Ig的值很大,近似於電源正負極之間的短路電流,因此在電路中需要配備熔斷器來保護。

注意1:由於圖2中的接地電流很大,近似等於電源短路電流,所以我們把這種接地系統叫做大電流接地系統。

注意2:大電流接地系統的線路保護依靠過電流保護裝置,即熔斷器或者斷路器。

我們來看圖3:圖3其實就是把圖1中的直流電源(電池)換成交流電源。與圖1一樣,我們也可以做出結論:IL與IN大小相等方向相反。

漏電保護器與地線有什麼關係?

和圖2的結論一致,儘管是交流電流。

我們來看圖4:我們發現圖4與圖2類似,我們也可以推出完全類似的結論:

漏電保護器與地線有什麼關係?

由於正常狀態下,IL與IN大小相等方向相反,故Ig=0;一旦發生電阻箱碰殼事故,則Ig不等於零,說明發生了漏電。

國家標準規定,Rg的值不得大於4歐,而一般狀態下Rg的值在0.2歐到0.8歐之間,因而接地電流很大,接近電源相線對零線的短路電流。也因此,它被稱為大電流接地系統。

前面說過,對於大電流接地系統,一般依靠電路前端的斷路器或者熔斷器來保護線路。

這種交流電路中的接地屬於TN-C、TN-S和TN-C-S接地系統。下圖是國際電工委員會IEC給出來的TN-C接地系統標準圖:

漏電保護器與地線有什麼關係?

看,和我給出來的圖4何其相似。

不過,到目前為止,我們還沒有談到漏電保護器。我們馬上就要講到它了。

漏電保護器與地線有什麼關係?

圖5中,我們看到用電設備的外殼直接接地,碰殼事故的接地電流並沒有通過電源提供的N線返回電源,而是走地網再返回電源。

我們當然知道,地網的電阻Rg遠遠大於PEN線或者PE線的電阻。這是第一個問題。

其次,我們發現不知道該如何同時測量IL與IN。若不同時測量這兩個電流,我們就沒法得知兩個電流之差。這是第二個問題。

如何解決這兩個問題?

對於第二個問題,我們採用零序電流互感器來同時測量IL與IN。

漏電保護器與地線有什麼關係?

將圖6與圖5對照著看,立刻就明白了。

由於Ig=IL-IN,且當IL與IN的值相等而方向相反時,兩者平衡,零序電流互感器沒有輸出;當IL與IN的值不相等時,Ig不等於零,於是零序電流互感器輸出到操動機構中,產生脫扣力驅動前端的斷路器執行跳閘操作。

這個裝置就叫做RCD,器件名稱是:漏電保護器或者剩餘電流保護器。

對於第一個問題,在IEC60364《接地系統》中規定,若電力變壓器的中性點直接接地,而用電設備的外殼也直接接地,兩者之間沒有導線連接,這種接地系統叫做TT。

漏電保護器與地線有什麼關係?

圖中我們看到了電力變壓器(左上側)的中性點直接接地,用電設備(中下)的外殼直接接地(PE線),兩個接地極依靠地網連接。

IEC規定,TT接地系統必須使用RCD。

至此,我們應當明白了:

(1)用電設備的外露導電部分(外殼)直接接地線PE;

(2)在上條得到滿足的條件下,使用RCD漏電保護器,就能在發生單相接地故障(用電設備的碰殼事故)時,RCD將驅動斷路器跳閘,以保護人身安全;

(3)對於TT系統,IEC和國家標準強制性地要求必須使用RCD。

最後的結論就是開頭的那句話:

漏電保護器與地線是從屬的關係:地線是安裝漏電保護器的充分條件。也就是說,安裝了漏電保護器,可以推斷系統中一定有地線;但反過來,若僅有地線,未安裝漏電保護器也行。事實上,在大電流接地系統TN下,可由普通開關的過電流保護裝置來執行線路的漏電保護。

知道原因是什麼?大電流接地系統下,漏電流已經被放大為相對N或者相對零的短路電流,故可以用過電流保護裝置來執行保護操作。

至於TT小電流接地的系統,必須安裝RCD,這是IEC和國標強制要求的!

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