提高殘余電流監(jiān)測（RCM）幫助下的消防安全

引言

多個歐洲國家的幾項研究表明，建筑物內(nèi)外火災常見的原因分為兩類：電力（30-35%）和人為錯誤（15-20%）。盡管有先進的電氣安全系統(tǒng)，但建筑物火災的報告仍然不斷。電氣供應系統(tǒng)中常見的故障是絕緣故障導致的導線與地之間的故障電流。本文探討了殘余電流監(jiān)測中可能的故障機制，并提供了一個概述。

建筑物中的電路由兩種不同的斷路器保護。

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

過載裝置保護電纜或其他設(shè)備免受過電流引起的過度加熱造成的損害，這種損害會因過電流持續(xù)較長時間而發(fā)生。過電流可能是由于過載或短路引起的。根據(jù)大多數(shù)國家的建筑法規(guī)和電氣安裝標準，過載保護是強制性的。

2. 殘余電流裝置（RCD）是一種救生裝置，旨在防止人們在直接接觸帶電導線（如裸露導線）時受傷。RCD提供了普通保險絲和斷路器無法提供的一種個人保護水平。

RCD是一種敏感的安全裝置，如果發(fā)生故障，會自動切斷電源。RCD旨在防止由接地故障引起的觸電和火災風險。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)域的重要創(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)中火災的風險。

RCD的原理

RCD的原理如下圖所示。如果一個人觸摸到一個未絕緣的導體，一部分電流可以通過人體流動，因為人體的電阻大約是800歐姆。在許多情況下，這種電阻對地來說是一個相當?shù)偷碾娮琛＿@部分電流通過地面返回到電壓源（變壓器接地的二次側(cè)）。如果電流沒有通過總和電流互感器流回，就會發(fā)生殘余電流。如果這個值足夠高，RCD就會跳閘并中斷整個電路。

國際標準規(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人保護，這是在任何可以自由訪問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保護的行政大樓外，我們通常還會發(fā)現(xiàn)用于生產(chǎn)的較大機器。即使這些機器沒有任何可以自由訪問的插座，使用RCD進行保護也是有意義的。機器中的絕緣故障也可能導致火災或故障，這也代表了一種危險源。市場上有不同跳閘值的RCD，因此追求不同的保護目的。有三種不同類型的保護及其相應的跳閘電流，如下表所示。

表1：殘余電流裝置（RCD）及其不同用途

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

不同信號波形的RCD

除了電流值之外，電流的信號形式現(xiàn)在對于RCD的正確運作也至關(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)備從主電源中吸取非正弦波電流。因此，RCD檢測到的殘余電流通常具有非正弦曲線形狀。為確保RCD正確運作，必須考慮連接的負載與將要使用的RCD的關(guān)系。

表2：RCD的類型

例如，如果購買了一臺新洗衣機，手冊指定使用B型個人電路斷路器（30毫安），而這一點沒有被考慮，可能會出現(xiàn)以下情況。

由于故障，洗衣機產(chǎn)生了8毫安的直流作為殘余電流。然而，配電柜中的各個電路只由A型RCD保護。A型RCD沒有指定直流電流。至少6毫安的直流電流會推動安裝在A型中的小型電流互感器進入磁飽和狀態(tài)。然后吹風機掉入充滿水的浴缸中。在這里，差分電流現(xiàn)在通過浴水流入電氣接地，然后返回到公用事業(yè)公司的變壓器接地的二次繞組。這個殘余電流現(xiàn)在具有脈沖或正弦波形，實際上被A型RCD覆蓋。如果這個殘余電流現(xiàn)在是40毫安，例如，A型RCD應該跳閘。然而，在這種情況下，RCD沒有跳閘，因為電流互感器的鐵芯已經(jīng)被8毫安的直流電流完全磁化，以至于電流互感器無法將40毫安轉(zhuǎn)換到次級側(cè)。如果在電氣配電系統(tǒng)中安裝了B型或B+型RCD，RCD肯定會跳閘，因為殘余電流值已經(jīng)超過了48毫安的跳閘閾值。

機器和RCD

如果在工業(yè)系統(tǒng)中沒有可以自由訪問的插座，操作員沒有義務(wù)用RCD保護系統(tǒng)。從安全角度來看，總是建議保護免受殘余電流的影響。然而，通常在電機或其他感性設(shè)備的啟動過程中出現(xiàn)的電流峰值可能導致誤跳閘，這可能對生產(chǎn)過程產(chǎn)生有害影響。

也可能存在與系統(tǒng)相關(guān)的殘余電流。電流信號中的高頻分量可以通過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)的殘余電流肯定會達到一定水平，以至于不能再使用RCD進行防火保護（300毫安）。

殘余電流監(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不能獨立切斷供電線路。殘余電流只通過適當?shù)慕涌谶M行測量和輸出。此外，RCM有一個或多個繼電器輸出，這些輸出反過來可以用來控制斷路器。

Danisense解決方案

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

通過PLC進行殘余電流監(jiān)測

在復雜的工業(yè)機器中，各種各樣的電氣組件形成一個通過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，以下值來自一個額定電流為235安培的生產(chǎn)工廠。

圖5：一個額定電流為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）

即使由于國際標準化，連續(xù)的殘余電流監(jiān)測可以取代絕緣測試，但通過上述測量值分析絕緣電阻并不簡單。在工廠中，各種各樣的單個消費者被控制，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的機器標準信號的殘余電流傳感器。通過在啟動后和成功的安全測試后將各種機器狀態(tài)與測量的殘余電流水平直接關(guān)聯(lián)，可以在PLC中保存一個“健康”的RC基線。有了這些數(shù)據(jù)，可以對生產(chǎn)工廠進行可靠和有意義的監(jiān)測。

結(jié)論

總的來說，RCM可以用作早期預警系統(tǒng)，因為許多絕緣故障會導致殘余電流緩慢增加。因此，這些設(shè)備被歸類為預測性維護措施。在許多情況下，可以避免進行許多監(jiān)管機構(gòu)要求的定期安全檢查中的絕緣測試。RCM設(shè)備已經(jīng)在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的財產(chǎn)中成為強制性的，如數(shù)據(jù)中心和醫(yī)院。在工業(yè)應用中，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，因為意外的機器故障是一個問題。