提高残余电流监测（RCM）帮助下的消防安全

引言

多个欧洲国家的几项研究表明，建筑物内外火灾常见的原因分为两类：电力（30-35%）和人为错误（15-20%）。尽管有先进的电气安全系统，但建筑物火灾的报告仍然不断。电气供应系统中常见的故障是绝缘故障导致的导线与地之间的故障电流。本文探讨了残余电流监测中可能的故障机制，并提供了一个概述。

建筑物中的电路由两种不同的断路器保护。

1. 过载保护装置，也称为电气保险丝或过电流保护（OCP），如果电流超过特定电流值超过特定时间，则中断电路。有各种类型的过载保护装置，如保险丝或断路器。房屋或公寓中的所有电气保险丝通常与其他断路器一起安装在配电盘内。

过载装置保护电缆或其他设备免受过电流引起的过度加热造成的损害，这种损害会因过电流持续较长时间而发生。过电流可能是由于过载或短路引起的。根据大多数国家的建筑法规和电气安装标准，过载保护是强制性的。

2. 残余电流装置（RCD）是一种救生装置，旨在防止人们在直接接触带电导线（如裸露导线）时受伤。RCD提供了普通保险丝和断路器无法提供的一种个人保护水平。

RCD是一种敏感的安全装置，如果发生故障，会自动切断电源。RCD旨在防止由接地故障引起的触电和火灾风险。例如，如果有人在浴室触摸裸露的电线，而潮湿的地板与接地的散热器有电气连接。

在过去几年中，RCD领域发生了重要的变化和发展。因此，下面描述了这一领域的重要创新。正确选择已经提供的设备可能最小化电气系统中火灾的风险。

RCD的原理

RCD的原理如下图所示。如果一个人触摸到一个未绝缘的导体，一部分电流可以通过人体流动，因为人体的电阻大约是800欧姆。在许多情况下，这种电阻对地来说是一个相当低的电阻。这部分电流通过地面返回到电压源（变压器接地的二次侧）。如果电流没有通过总和电流互感器流回，就会发生残余电流。如果这个值足够高，RCD就会跳闸并中断整个电路。

国际标准规定，在额定残余电流的50%到1之间跳闸。如果30毫安的RCD跳闸，必须有15到30毫安的残余电流。30毫安的阈值旨在确保个人保护，这是在任何可以自由访问的插座可用的地方都需要的。

在工业环境中，除了使用30毫安RCD保护的行政大楼外，我们通常还会发现用于生产的较大机器。即使这些机器没有任何可以自由访问的插座，使用RCD进行保护也是有意义的。机器中的绝缘故障也可能导致火灾或故障，这也代表了一种危险源。市场上有不同跳闸值的RCD，因此追求不同的保护目的。有三种不同类型的保护及其相应的跳闸电流，如下表所示。

表1：残余电流装置（RCD）及其不同用途

在导体和地面之间流动并至少以60瓦的热能发出的电流可能会引起火灾。在230伏的供电电压下，这相当于大约300毫安。因此，用于防火的RCD的最大跳闸值为300毫安。

不同信号波形的RCD

除了电流值之外，电流的信号形式现在对于RCD的正确运作也至关重要。如今，许多电气负载必须被标记为非线性负载，因为这些设备从主电源中吸取非正弦波电流。因此，RCD检测到的残余电流通常具有非正弦曲线形状。为确保RCD正确运作，必须考虑连接的负载与将要使用的RCD的关系。

表2：RCD的类型

例如，如果购买了一台新洗衣机，手册指定使用B型个人电路断路器（30毫安），而这一点没有被考虑，可能会出现以下情况。

由于故障，洗衣机产生了8毫安的直流作为残余电流。然而，配电柜中的各个电路只由A型RCD保护。A型RCD没有指定直流电流。至少6毫安的直流电流会推动安装在A型中的小型电流互感器进入磁饱和状态。然后吹风机掉入充满水的浴缸中。在这里，差分电流现在通过浴水流入电气接地，然后返回到公用事业公司的变压器接地的二次绕组。这个残余电流现在具有脉冲或正弦波形，实际上被A型RCD覆盖。如果这个残余电流现在是40毫安，例如，A型RCD应该跳闸。然而，在这种情况下，RCD没有跳闸，因为电流互感器的铁芯已经被8毫安的直流电流完全磁化，以至于电流互感器无法将40毫安转换到次级侧。如果在电气配电系统中安装了B型或B+型RCD，RCD肯定会跳闸，因为残余电流值已经超过了48毫安的跳闸阈值。

机器和RCD

如果在工业系统中没有可以自由访问的插座，操作员没有义务用RCD保护系统。从安全角度来看，总是建议保护免受残余电流的影响。然而，通常在电机或其他感性设备的启动过程中出现的电流峰值可能导致误跳闸，这可能对生产过程产生有害影响。

也可能存在与系统相关的残余电流。电流信号中的高频分量可以通过滤波器或电缆电容流向地面。在下图中，使用变频器的例子，以示意图形式展示了这些与系统相关的残余电流。

图2：具有系统相关残余电流和不同电路中的故障电流的变频器

这些系统相关的残余电流肯定会达到一定水平，以至于不能再使用RCD进行防火保护（300毫安）。

残余电流监测器可以为这种情况提供解决方案。下图3显示，与RCD不同，RCM不能独立切断供电线路。残余电流只通过适当的接口进行测量和输出。此外，RCM有一个或多个继电器输出，这些输出反过来可以用来控制断路器。

Danisense解决方案

Danisense的RCM解决方案具有继电器输出和一个TRMS值，该值被转换成4-20毫安的直流标准机器信号，可以被可编程逻辑控制器（PLC）或通用测量设备轻松处理。为了进行更深入的分析，可以连接USB接口到装有SRCM软件工具的笔记本电脑。通过这种配置，可以更详细地分析电流信号。该软件提供了示波器视图和FFT分析等功能。

通过PLC进行残余电流监测

在复杂的工业机器中，各种各样的电气组件形成一个通过PLC控制的系统。因此，这些工厂的残余电流水平可能高于上文提到的表格中的值。例如，以下值来自一个额定电流为235安培的生产工厂。

图5：一个额定电流为235安培的生产工厂的系统相关残余电流（值由Danisense软件工具为SRCM保存）

即使由于国际标准化，连续的残余电流监测可以取代绝缘测试，但通过上述测量值分析绝缘电阻并不简单。在工厂中，各种各样的单个消费者被控制，总体上产生不同的残余电流水平。

因此，一些PLC制造商已经在他们的产品组合中提供了可以连接到PLC的机器标准信号的残余电流传感器。通过在启动后和成功的安全测试后将各种机器状态与测量的残余电流水平直接关联，可以在PLC中保存一个“健康”的RC基线。有了这些数据，可以对生产工厂进行可靠和有意义的监测。

结论

总的来说，RCM可以用作早期预警系统，因为许多绝缘故障会导致残余电流缓慢增加。因此，这些设备被归类为预测性维护措施。在许多情况下，可以避免进行许多监管机构要求的定期安全检查中的绝缘测试。RCM设备已经在关键基础设施的财产中成为强制性的，如数据中心和医院。在工业应用中，RCM也是提高绝缘故障情况下的安全性和系统可用性的解决方案，因为意外的机器故障是一个问题。