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漏電流與剩余電流

--上海盛位電子技術(shù)有限公司

--研發(fā)部 徐首旗

十幾年前，當(dāng)筆者剛跨入低壓電氣領(lǐng)域時(shí)，“漏電保護(hù)器”這個(gè)名詞就困擾了我很久。因?yàn)?，老工程師們告訴我，它叫“漏電保護(hù)器”，可是查看它對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 16917.1-2003后（這里說(shuō)明一下，這個(gè)版本現(xiàn)在已經(jīng)作廢，被更新的版本替代了），它又不叫“漏電保護(hù)器”了，它有了一個(gè)更深?yuàn)W的名字“剩余電流斷路器”，這個(gè)名稱在國(guó)際電工協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)IEC61009.1-2010中（這個(gè)版本現(xiàn)在同樣也被更新的版本替代了）對(duì)應(yīng)的英文名稱是Residual Current operated Circuit Breaker。后來(lái)，我又發(fā)現(xiàn)，類似的產(chǎn)品在北美的標(biāo)準(zhǔn)UL943中的名稱是Ground Fault Circuit-Interrupters, 翻譯過(guò)來(lái)是“接地故障斷路器”。

（這里我又想多說(shuō)幾句，對(duì)比GB16917和IEC61009，很多人覺(jué)得國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)就是翻譯IEC標(biāo)準(zhǔn)來(lái)的，起初我也是這么理解的，可是多年后我才知道，其實(shí)由于中國(guó)是IEC協(xié)會(huì)的成員國(guó)，制定英文版的IEC61009時(shí)，中國(guó)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)專家也是有參與其中的，當(dāng)IEC標(biāo)準(zhǔn)成稿后，IEC所有成員國(guó)都會(huì)直接采用英文版本或者翻譯成本國(guó)語(yǔ)言版本，并且還會(huì)根據(jù)自己國(guó)家的特點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)中加入特殊要求。）

有很多人說(shuō)，漏電保護(hù)器就是剩余電流斷路器，這種說(shuō)法我覺(jué)得對(duì)也不對(duì)：對(duì)是因?yàn)槟壳斑@兩種名稱對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品確實(shí)是一樣的；不對(duì)的原因是漏電和剩余電流不是一個(gè)維度的概念。漏電，指的是在應(yīng)用端，由于直接或間距觸電，或者是設(shè)備絕緣破損，造成有電流流入大地中，這部分電流是漏電流，這個(gè)和北美標(biāo)準(zhǔn)中說(shuō)的“接地故障”比較類似；而剩余電流，并不是特指哪個(gè)電流，而是火線電流與零線電流的矢量和。下面，我們就來(lái)“較真”地分析一下，漏電流與剩余電流的區(qū)別。

圖1：漏電流的發(fā)生

如上圖，當(dāng)一個(gè)人接觸了火線后，由于火線對(duì)地存在電勢(shì)差，那么就會(huì)有電流從火線來(lái)，通過(guò)人體流入大地，這個(gè)電流I_G就是漏電流。而剩余電流是指，火線電流與零線電流的矢量和，I_L+I_N。這里我們要明白，交流電流的方向是周期性變化的，中國(guó)境內(nèi)交流電的頻率是50Hz，簡(jiǎn)單理解就是，某10ms，電流是從火線流向零線，下一個(gè)10ms，電流改變?yōu)榱憔€流向火線。所以，當(dāng)漏電流I_G=0時(shí)，I_L與I_N總是大小相等，方向相反，所以剩余電流I_L+I_N=0；當(dāng)I_G≠0時(shí)，I_L 與 I_G+I_N的矢量和為0，那I_L與I_N的矢量和I_L+I_N=- I_G，也就是說(shuō)，剩余電流等于- I_G。

通過(guò)這樣的描述，也許你也對(duì)漏電流和剩余電流的區(qū)別有了一定的概念。接下來(lái)，我們繼續(xù)深入探討一下剩余電流都會(huì)有哪些形態(tài)。

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16917.1（對(duì)應(yīng)IEC 61009.1）中，剩余電流的形態(tài)有以下幾種，分別是：交流剩余電流（簡(jiǎn)稱AC）、電流滯后角為0°的剩余電流（或稱為半波剩余電流）（簡(jiǎn)稱A0°）、電流滯后角為90°的剩余電流（簡(jiǎn)稱A90°）、電流滯后角為135°的剩余電流（簡(jiǎn)稱A135°）以及電流滯后角為0°同時(shí)疊加6mA平滑直流的剩余電流（簡(jiǎn)稱A0°+6mA）。

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22794（對(duì)應(yīng)IEC 62423）中，又考慮了幾種新的剩余電流形態(tài)，分別是：150Hz交流剩余電流、400Hz交流剩余電流、1000Hz交流剩余電流、交流疊加直流剩余電流（簡(jiǎn)稱AC+DC）、兩相供電整流電路產(chǎn)生的脈動(dòng)直流剩余電流（簡(jiǎn)稱2PDC）、三相供電整流電路產(chǎn)生的脈動(dòng)直流剩余電流（簡(jiǎn)稱3PDC）、平滑直流剩余電流（簡(jiǎn)稱SDC）以及復(fù)合剩余電流（簡(jiǎn)稱F型波）。

是不是難以想象，一個(gè)簡(jiǎn)單的漏電，怎么會(huì)有這么多種形態(tài)的剩余電流，接下來(lái)我們就探索一下這些電流的波形特征和產(chǎn)生的原因。

交流剩余電流（簡(jiǎn)稱AC）：波形特征就是交流，產(chǎn)生的原理很簡(jiǎn)單，就是漏電發(fā)生在交流電壓處。

電流滯后角為0°的剩余電流（簡(jiǎn)稱A0°）：波形特征為半波整流后的脈動(dòng)直流，對(duì)應(yīng)的漏電發(fā)生在半波或全部整流后。

電流滯后角為90°的剩余電流（簡(jiǎn)稱A90°）：波形特征為A0°波形的右半部分（90°~180°部分），對(duì)應(yīng)的漏電發(fā)生在半波或全部整流后，整流滯后角為90°。

電流滯后角為135°的剩余電流（簡(jiǎn)稱A135°）：波形特征為A90°波形的右半部分（135°~180°部分），對(duì)應(yīng)的漏電發(fā)生在半波或全部整流后，整流滯后角為135°。

電流滯后角為0°同時(shí)疊加6mA平滑直流的剩余電流（簡(jiǎn)稱A0°+6mA）：波形特征為A0°波形被直流抬升6mA，這種情況一般是漏電發(fā)生在了多負(fù)載上，一個(gè)負(fù)載上漏電發(fā)生在整流后，一個(gè)負(fù)載漏電發(fā)生在濾波后。

150Hz交流剩余電流：波形特征為交流，頻率是150Hz，對(duì)應(yīng)的漏電發(fā)生在變頻器輸出端交流處。

400Hz交流剩余電流：波形特征為交流，頻率是400Hz，對(duì)應(yīng)的漏電發(fā)生在變頻器輸出端交流處。

1000Hz交流剩余電流：波形特征為交流，頻率是1000Hz，對(duì)應(yīng)的漏電發(fā)生在變頻器輸出端交流處。

交流疊加直流剩余電流（簡(jiǎn)稱AC+DC）：波形特征是交流波形被直流抬升，這種情況一般是漏電發(fā)生在了多負(fù)載上，一個(gè)負(fù)載上漏電發(fā)生在交流電壓處，一個(gè)負(fù)載漏電發(fā)生在濾波后。

兩相供電整流電路產(chǎn)生的脈動(dòng)直流剩余電流（簡(jiǎn)稱2PDC）：波形特征是一個(gè)周期（20ms）有兩個(gè)半波整流波峰，有0點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的漏電發(fā)生在兩相供電整流后。

三相供電整流電路產(chǎn)生的脈動(dòng)直流剩余電流（簡(jiǎn)稱3PDC）：波形特征是一個(gè)周期（20ms）有三個(gè)半波整流波峰，無(wú)0點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的漏電發(fā)生在三相供電整流后。

平滑直流剩余電流（簡(jiǎn)稱SDC）：波形特征是平滑直流，對(duì)應(yīng)的漏電發(fā)生在整流濾波后，由于濾波電容的存在，漏電呈直流。

復(fù)合剩余電流（簡(jiǎn)稱F型波）：波形特征是多個(gè)交流的混合波形，如圖2。

圖2：F型波形

通過(guò)上述的描述，我們可以想象，剩余電流的波形，有一些是應(yīng)用中確實(shí)會(huì)出現(xiàn)的，如AC、A0°，2PDC、3PDC，一旦類似應(yīng)用漏電發(fā)生時(shí)，波形特征與描述一致。有一些是模擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的一些典型應(yīng)用，如150Hz、400Hz、1000Hz、A90°、A135°、SDC、F型波形等，這些在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，應(yīng)用漏電發(fā)生時(shí)，不一定與這些描述一模一樣，如頻率可能不是150Hz、400Hz或者1000Hz，整流滯后角不一定是90°或135°，整流濾波后不一定是純平滑直流，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，波形特征不一定與圖2一致。所以，我們可以想象，漏電波形可能是無(wú)窮多種，且與負(fù)載有直接關(guān)系。

下面，我們一起看一下通過(guò)某仿真軟件模擬的部分漏電情況和波形特征。

表1：部分剩余電流波形與產(chǎn)生的原理

說(shuō)了這么多剩余電流波形特征，你是不是會(huì)擔(dān)心漏電保護(hù)器真的都能起到保護(hù)作用？是否有一臺(tái)設(shè)備能夠全面測(cè)試漏電保護(hù)器的保護(hù)特性呢？答案當(dāng)然是肯定的。

圖3所示的就是能夠全覆蓋GB/T 16917.1 (IEC 61009.1)和GB/T 22794 (IEC 62423)等標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于剩余動(dòng)作電流測(cè)試的設(shè)備，eMorse剩余電流測(cè)試臺(tái)，由上海盛位電子技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)和制造。

從面板上你就能看到，它覆蓋的波形有AC、A0°、A90°、A135°、2PDC、3PDC、SDC和F型復(fù)合波，它覆蓋的頻率有50Hz、60Hz、150Hz、400Hz、600Hz、700Hz、1kHz、2kHz和3kHz，同時(shí)支持可調(diào)直流疊加，根據(jù)剩余電流大小有最大500mA、5A、10A和30A等不同的產(chǎn)品。

圖3：eMorse剩余電流測(cè)試臺(tái)

對(duì)于自動(dòng)化測(cè)試，這臺(tái)測(cè)試臺(tái)也是支持的，通過(guò)eMorse配套軟件自動(dòng)控制測(cè)試臺(tái)硬件的上電及剩余電流加載，以及對(duì)自動(dòng)重合閘等工裝的全面控制，可以實(shí)現(xiàn)高速全自動(dòng)測(cè)試，尤其對(duì)于A型及B型剩余電流保護(hù)產(chǎn)品這種測(cè)試條目較多的，相比傳統(tǒng)純手工測(cè)試可以提高2-3倍以上的效率。同時(shí)，軟件控制的全自動(dòng)測(cè)試可以保存每次測(cè)試的詳細(xì)內(nèi)容，方便質(zhì)量追溯及故障原因分析。

由于測(cè)試臺(tái)的卓越性能，目前已被眾多低壓電氣制造企業(yè)、充電樁制造企業(yè)以及權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)采用，作為他們的研發(fā)、生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。