施工现场剩余电流动作保护电器选择分析

发布时间：2025-01-04 09:43:11 丨 文章来源：海湾电气火灾 | 作者：http://dq.gstxf.com/丨 浏览次数：98

>>>>  标准和术语溯源

剩余电流（residual current）指通过剩余电流保护电器主电路的电流瞬时值相量和的有效值。剩余电流动作保护电器在规定条件下,剩余电流达到或超过整定值时能自动分断电路的机械开关电器或组合电器。

剩余电流动作保护电器的第一个设计和测试规范是德国标准VDE 0664：1963 - 03《Bestimmungen für Fehlerstrom - Schutzschalter bis 500 V Wechselspannung und 63 A》；直到1983年，IEC 23E分委员会审议促成了第一个国际标准IEC 755：1983《Residual current operated protective devices》出版物的发布，这项标准也被称为所有RCD标准的“母规”，用于编制其他RCD产品标准的参考；直到20世纪90年代中期，IEC 61008（用于RCD）和IEC 61009（用于带过电流保护的RCD）等标准问世，对RCD的技术和试验提出了专门要求。

早期我国采用漏电保护器（或称漏电电流动作保护器）名称，例如IEC 755：1983转化为国家标准时被译为GB 6829 - 1986《漏电电流动作保护器》；直到1995年4月，IEC 755:1983 / AMD2:1992《General requirements for residual current operated protective devices》转化为GB 6829 - 1995《剩余电流动作保护器的一般要求》时，才正式出现“剩余电流”“剩余电流动作保护器”等术语。

>>>>  工作原理

剩余电流动作保护电器的工作原理是基于基尔霍夫第一定律，即任一瞬时流向某一节点的电流之和恒等于由该节点流出的电流之和，即所有涉及该节点的电流的代数和等于零。其组成元件一般包括：

a. 检测元件（剩余电流互感器）：用于检测线路中的剩余电流；

b. 判别元件（剩余电流脱扣器）：把检测到的剩余电流与预定值相比较，当剩余电流达到或超过预定值时，发出脱扣信号；

c. 执行元件（开关机构）：用于执行断开电路。

任何只能完成上述三个功能中一个或两个的附件、电器或设备都不能称为“剩余电流保护电器”全称或其缩写，在其产品上或技术文件中均不能标志“RCD”。RCD工作原理如图1所示。

>>>>  保护目标

1928年德国专利说明书指出：“到目前为止，我们尚无法提供防止接触带电导体（例如相线）的防护措施，许多家庭电气事故都可以追溯到这一点。这项发明旨在避免人或家畜接触相线而受伤”。从专利说明书中的插图也可以清楚地看出，主要关注点是裸露的相线，见图2。

可见，RCD最初的目标是人体或家畜直接接触带电导体的防护，即直接接触防护。

RCD发展至今，其主要功能或基础功能是提供故障防护。具有足够灵敏度的电器（即剩余动作电流不超过30 mA)还可以在其他防护措施失效时，对与带电导体直接接触的人或家畜提供附加防护。

>>>>  施工现场电击防护特点

RCD电击防护用途：

a. 故障防护：提供单一故障条件下的防护；

b. 附加防护：特殊情况下或风险较高时的防护。

RCD动作灵敏度较高，通常用于TT系统；当过电流保护电器不能满足自动切断电源时间要求时，也可用于TN系统的故障防护。

施工现场等特殊场所环境相对恶劣，人体的接触电阻较低，设备的绝缘性能下降，电击风险较高。对于固定设备，通常利用过电流保护兼作接地故障保护；当需要设RCD时，可选择I_Δn ≥100 mA，条件是RCD额定不脱扣电流应避开室外大功率设备(如塔吊、升降机、电焊机等)的自然泄漏电流。

移动式设备由插座供电，插头、插座在使用中易受损；设备延长线非固定敷设，可能磨损致绝缘损坏、带电导体外露；尤其是非熟练电气人员使用的场所和设备，使用者可能因“不安全行为”而直接接触带电部分。室外施工现场不大于32 A移动式设备应设置I_Δn ≤30 mA的RCD作为附加防护。

上游的总RCD设于总配电箱内，人员接触机会少，发生接地故障几率低，当需要选择RCD作为故障防护电器时，应考虑上下游RCD之间的选择性，可选择I_Δn ≥300 mA的延时型RCD。

JGJ 46 - 1988《施工现场临时用电安全技术规范》于1988年发布，经历2005版修订，对于施工现场安全用电发挥了一定作用，但是也存在很多不规范的问题，尤其是和国际、国家标准之间存在很多不协调之处。JGJ / T 46 - 2024《建筑与市政工程施工现场临时用电安全技术标准》（以下简称《施工用电》）在征求意见稿和报批稿阶段，住建部电气标委会曾三次发函提出复核建议，部分正确意见仍未被接受。笔者作为参与讨论的专家之一，对《施工用电》中RCD相关条文试作分析，不当之处请批评指正。

>>>>  电击安全界限

>>“30 mA·s”溯源

《施工用电》规范3.3.3条：“总剩余电流动作保护器 …… 额定剩余动作电流与额定剩余动作时间的乘积不应大于30 mA·s”。这个条文存在很大问题。

早在20世纪60年代，为了获得电流对人体的影响，柯宾等人对几千例电击事故进行调查分析，并做了大量动物实验，获得电流范围和人体生理效应之间的关系，见图3。

柯宾等人考虑到引起呼吸停止的电流值，进一步绘出曲线c，当电流持续作用时间较长时也可能引起心室颤动。特性曲线c的电流时间值的峰值为70 mA·s(有效值为50 mA·s)。根据当时的实验结果，低于曲线c的作用电流，不会发生致死后果；但在电流值接近曲线c时，也将因电击而失去知觉。

因此，基于安全性和误差等考虑，在曲线c的基础上选取安全系数S = 7，从而推导出曲线d。该曲线的峰值达到10 mA·s，对应有效值7 mA·s，在较大的用电设备中接近其泄漏电流。考虑到RCD的最小脱扣电流为其额定剩余动作电流的1 / 2，为防止误动作，最终选取安全系数S = 1.67，得到具有足够安全性且能躲开泄漏电流的电流 - 时间曲线e（有效值30 mA·s），见图4和表1。

随后一段时期内，欧洲和日本等国曾以30 mA·s曲线作为人身电击防护的安全界限。

>> IEC 60479 - 1安全界限

IEC TC64技术委员会于1969年10月成立第4工作组，负责整理关于“电流对人体效应”的现有文件，并进行标准化评估。其第一份出版物于1974年出版，即IEC 479:1974《电流通过人体的效应》。

该标准以已知的技术和医学研究工作为基础，总结出国际公认的电流 - 时间效应区域（见图5），以曲线a～d划分5个电流 - 时间效应区域，从此结束了柯宾等人的电流（峰值）- 时间范围和30 mA·s曲线的历史使命。

后期，IEC TR 60479 - 1：1984《电流对人和家畜的效应指南 第1部分：通用部分》取消曲线d，修改了曲线c为曲线c1 ~ c3，但是都和30 mA·s曲线没有关联。

需要注意的是，无论c1曲线还是30 mA·s曲线，都是对于终端回路最严酷的直接接触防护要求，而不包括上游总剩余电流动作保护电器。

《施工用电》规范3.3.3条要求:“总配电箱中剩余电流动作保护器……，其额定剩余动作电流与额定剩余电流动作时间的乘积不应大于30 mA·s。”条文说明“安全界限值30 mA·s的确定主要来源于现行国家标准《电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分》GB / T 13870.1中的有关规定”，但GB / T 13870.1标准中并未提及30 mA·s。

>>>> “额定剩余电流动作时间不应大于0.1 s”溯源

《施工用电》规范3.3.4条要求“末端剩余电流动作保护器 …… 额定剩余电流动作时间不应大于0.1 s”，这也是错误的要求。

在早期RCD的应用中，日本研究比较突出，对我国影响很大。日本于1974年发布了JISC 8371 - 1974《剩余电流断路器》，列出一种特殊的快速型定时限RCD —— 动作时间不大于0.1 s，动作特性见图6 。

该类RCD以人身电击防护为主要目标，装设在危险性较高的场所，如接地困难场所，接地线容易断线或不完整场所，潮湿场所、室外、屋檐下等。

切断时间为定时限0.1 s的RCD对于防电击死亡比较有利，但是可靠性较低，由脉冲电流引起误跳闸的可能性很大。

IEC标准均采用反时限特性，当通过人体的电流越小，跳闸时间越长，有利于防误动作；当通过人体的电流越大，跳闸时间越短，利于更快速跳闸，见图7。

我国是IEC的会员国，IEC的RCD标准被等同采用为我国国家标准，早在1986年将IEC 755 - 1983转化为GB / T 6829 - 1986时，RCD即为反时限特性；后期我国一系列RCD产品技术和试验标准（如GB / T 16916、GB / T 16917、GB / T 14048等）均为反时限特性。日本定时限型和我国GB / T 6829 - 2024 / IEC 60755：2017《剩余电流动作保护电器（RCD）的一般安全要求》反时限型RCD对于交流剩余电流最大分断时间标准值比较见表2。

从表2可知，反时限型RCD额定剩余动作电流时，动作时间不大于0.3 s，而不是0.1 s。

可见，我国标准中不应再出现“额定剩余电流动作时间不应大于0.1 s”这样的要求，否则我国的RCD产品均不符合要求。据不完全考证，JGJ 46 - 1988率先提出该项要求，导致其他标准屡屡上套，如GB 13955 - 2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》、JGJ 16 - 2008《民用建筑电气设计标准》和GB 50194 - 2014《建设工程施工现场供用电安全规范》等，造成了不好的影响。

>>>>  剩余电流动作保护电器之间的选择性

《施工用电》3.3.3条要求总剩余电流动作保护器应满足3个条件：① 额定剩余动作电流应大于30 mA；② 额定剩余电流动作时间应大于0.1 s；③ 额定剩余动作电流与额定剩余动作时间的乘积不应大于30 mA·s”。以上要求很不严谨，且存在错误。

相对而言，GB / T 16895.22 - 2022 / IEC 60364 - 5 - 53:2020《低压电气装置 第5 - 53部分：电气设备的选择和安装 用于安全防护、隔离、通断、控制和监测的电器》和GB / Z 22721 - 2008 / IEC 62350：2005《正确使用家用和类似用途剩余电流动作保护电器(RCD)的指南》等国家标准对上下游RCD之间的选择性要求更加清晰、明确，相关差别见表3。

《施工用电》3.3.3条中，条件①项含糊不清，造成选择困难，而国家标准更加清晰，方便选择；对于条件 ②，GB / T 16895.22 - 2022要求“应根据IEC 61008（所有部分）,IEC 61009（所有部分）,IEC 62423的S型或GB / T 14048.2 - 2020的延时型来选择”。例如，根据GB / T 16916.1或GB / T 16917.1，S型RCD最小不驱动时间50 ms，大于下游RCD最大分断时间40 ms，满足了时间选择性；与GB / Z 22721 - 2008 / IEC 62350：2005要求一致，见图8。

图8中，上游RCD动作时间覆盖了50 ~ 150 ms，相对而言，标准中只提“大于0.1 s”没有实际意义和应用价值；对于条件③，当选择上游总RCD的I_Δn = 100 mA（I_Δn = 30 mA上一级标准值）、延时型（为满足时间选择性）时，其最大分断时间已经超出了30 mA·s曲线，即不能满足I_Δn·t_Δ ≤30 mA·s条件，见图8。其他I_Δn ＞ 100 mA（如I_Δn = 300 mA）的延时型RCD更不可能满足I_Δn·t_Δ ≤ 30m A·s。

实际上，上游RCD选择I_Δn≥ 300 mA的延时型RCD和下游I_Δn = 30 ~ 100 mA瞬动型RCD之间能形成很好的选择性配合，但是不符合上述条件 ③ 要求，即按照《施工用电》3.3.3条规定，选不出“二级剩余电流动作保护系统”中满足“I_Δn·t_Δ ≤30 mA·s”的总RCD。

>>>>  额定剩余动作电流不应大于15 mA的RCD

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>>>>  IEC标准及其他发达国家对RCD的要求