低压交流电源系统剩余电流检测的研究

低压交流电源系统剩余电流检测的研究

刘超

国网能源哈密煤电有限公司大南湖电厂 新疆哈密市 839000

1. 概述

剩余电流，是指低压配电系统中各相（包含中性线）电流的矢量和不为零的电流，即我们熟知的漏电电流，当用电侧发生了事故，电流会由事故本体流过然后经由大地行成回路，而正常情况下，相线电流和零线电流的矢量和是为零的，配电系统中，交流由三根相线和一根零线组成，用电负荷也分单相和三相的区分，在单相负荷中，电流由相线流出，经由负荷后和零线构成一个完整的回路，三相负荷中，在三相电流平衡^[1]的情况下，零线中是不存在电流的，但在实际运行中，三相电流很难达到平衡，因此，不平衡的电流就会经过负荷和与零线构成回路，而当故障发生或者产生漏电现象后，相线电流与零线的电流的矢量和就不会为零，而我们要研究的就是在复杂的实际运行中，如何根据实际运行情况准确的对剩余电流^[2]进行检测。

关键词：剩余电流，矢量合成，不平衡电流

2. 低压交流电源系统的介绍

我们大多数人知道的交流电源即为民用的220V交流电压或380V交流电压，我们此处不对此进行论述，我们今天要研究主要是站用低压交流电源系统。

站用低压交流电源系统由3台变压器进行供电，1号和2号变压器输出的电压到配电柜中分为I段和II段，0号变压器作为备用变压器存在。根据不同的设计方案，站用低压交流电源系统分为TN-S系统、TN-C系统、TN-CS系统，我们主要针对TN-S系统进行剩余电流检测的研究，其他两个系统不适合剩余电流检测的原因在下面进行论述。TN-S系统：在整个交流电源系统中，有单独的PE线和N线，并且N线在变压器侧一点接地；TN-C系统：在整个交流电源系统中，PE线和N线合二为一，N线除了变压器侧接地以外，在后级供电线路中存在多点接地的情况；TN-CS系统：在整个交流电源系统中，前部分的N线和PE线有单独的接线，但是在后级供电回路中PE线和N线合二为一的系统。

图1 双电源TN-S系统

图1所示的为双电源的TN-S系统，从图中我们可以看出，N线只在变压器侧一点接地，两台变压器的N线在配电柜中连接在一起，在整个系统中，N线不经过开关，并且双电源供电的回路（两个电源互为备用使用），在负荷侧，因为采用的是三极断路器或三极切换装置，只能控制相线的通断，不能控制N线的通断，并且在负荷侧两个供电单元的N线是连接在一起的，这种回路我们称之为双电源共零回路。

3. 低压交流电源系统现状

当前，站用低压交流电源系统主要按照以下两个标准进行设计，《GB/T 50065-2011交流电气装置的接地设计规范》，^[3]该标准规定全站PEN线或N线只在总配电屏上一点接地，后面不再重复接地，PE线做重复接地。这便是TN-S系统；《DL/T 5155-2016 220kV~1000kV变电站站用电设计技术规程》，^[4]该标准规定PEN线在后端分出N线和PE线，在分开点N线和PE线一起重复接地，这个标准衍生出了TN-C和TN-CS系统。

对于TN-S系统，在供电过程中，三相不平衡电流会通过N线流回到变压器形成供电回路，从而达到相电流与N线电流的矢量和为零；但是在TN-C和TN-CS系统，由于N线和PE线在后级合二为一，如图2所示，三相不平衡电流会在N线和接地线上形成分流，通过地排和N线回流至变压器中性点形成供电回路，不平衡电流以大地为通路返回电源，可能腐蚀地网、地下钢筋或金属管道等金属部分，此外，也会造成电气装置内的剩余电流火灾报警器拒动或误动，因此，对于这两种系统，我们不作剩余电流的检测。

图2 负荷侧N线接地不平衡电流示意图

4. 剩余电流的检测

对于TN-S系统，我们有两种方案对低压交流电源系统的剩余电流进行检测：变压器侧中性点接地线电流检测和所有馈线回路的剩余电流进行检测。对于第一种方法，根据低压交流电源系统的设计图，在系统正式运行过程中，N线在变压器侧实行单点接地的方式，系统正常情况下，该接地线上不会产生任何电流，但是当系统中存在绝缘故障，即我们熟知的系统产生漏电，那么在该接地线上就能够检测到电流值，该电流值的大小即为我们系统故障产生的泄漏电流大小，因此，简便的方式就是在该处增加一个剩余电流互感器即可对整个系统的剩余电流进行检测，但是该方案虽然简便，但是当系统发生故障时，我们无法第一时间清楚的了解到是哪条回路发生的故障；第二种方法相较于第一种方法会复杂很多，需要在所有馈出回路上加装剩余电流互感器对剩余电流进行检测，这种方法的好处就是当系统发生故障时，我们能够第一时间知道发生故障的所在回路，并及时对故障进行处理，缺点就是加装成本较高。

在实际运用中，110KV以上的变电站，其低压交流电源系统的低压配电开关采用的是抽屉式的，并且馈出的接线都是采用3+1（即三根相线经过开关，N线直接接到N线排上）的形式

^[5]，因此，在加装剩余电流互感器的时候一条馈出无法使用一个互感器进行检测，加之很多的馈出回路使用的是双电源共零回路，这就造成了一条馈出回路需要通过该负荷的两段母线的馈出进行合成计算。如图3所示，根据现场实际运行情况，一般采用的是每条馈出回路使用两个剩余电流互感器进行剩余电流的检测。

图3 剩余电流互感器的安装方式

图3中列出了双电源共零回路的3种剩余电流互感器的安装方式，最左侧的是相线与N线一起使用一个剩余电流互感器；中间的则为在一段的馈出使用两个剩余电流互感器，二段馈出使用一个剩余电流互感器；最右侧的即为上文提到的两段的馈出回路分别使用两个剩余电流互感器进行检测。单电源回路的检测方式与图3中的一致。

根据现场情况进行分析，采用一条馈出回路加装两个剩余电流互感器进行检测，两个互感器的数据进行矢量合成后得到该馈出回路的剩余电流值大小；在双电源回路中，必须要四个互感器的数据一起矢量合成才行，因为在交流电源系统中，相线中的不平衡电流和N线中的电流是具有角度的，因此不能单纯的作加减法得出数据。

此外，采用这种方式的安装，可以有效的检测到馈出回路中的不平衡电流大小，对一些重要的用电回路，不平衡电流过大也会影响使用安全，因此，及时了解回路中的不平衡电流对系统的安全运行也有帮助。

5. 剩余电流监测的意义

对于低压交流系统，剩余电流的监测主要是对系统安全稳定运行的一个保障，通过对系统总的剩余电流和各个馈出回路的剩余电流进行长期监测并进行数据分析，能够得出系统和各馈出回路的绝缘情况趋势，我们通过该趋势能够提前发现问题并解决。虽然低压交流电源系统的电压等级不高，但是同为交流系统，当发生绝缘故障时，会在故障点产生交流电弧^[6]，从而造成火灾，一旦发生火灾，势必会把事故扩大，造成不可估量的损失，因此，低压交流电源系统的剩余电流的监测很有必要。

6. 总结

通过上述论述，当前国内的低压交流电源系统类型众多，不同的设计图纸造就了当下不同的电源系统，而实际建造过程中，又由于接线方式的不同，造成本就不富裕的配电柜空间更加狭窄，这为剩余电流互感器的加装增加了难度。因此，在实际安装运用中，需要根据现场情况采用不同的安装方案，不同的安装方案对应不同的剩余电流检测方案。

参考文献

1. 赵云龙. 低压配电网三相不平衡治理技术的研究[D].山东大学,2021.

2. 赵宁.剩余电流原理在火灾报警探测器中的应用[J].集成电路应用,2021,38(12):214-215.

3. GB/T 50065-2011, 交流电气装置的接地设计规范[S].

4. DL/T 5155-2016, 220kV～1000kV变电站站用电设计技术规程[S].

5. 李传东,李海波.剩余电流动作保护装置的正确接线分析[J].电世界,2018,59(10):40-43.

6. 郭鹏亮.电气火灾监控系统的探讨[J].智能建筑,2019(07):42-44.