安科瑞 徐浩竣

江蘇安科瑞電器制造有限公司

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摘要:單相接地故障是造成城市路燈設(shè)施漏電隱患的主要原因。通過(guò)研究剩余電流保護(hù)器 (RCD)的工作原理, 找到了利用鉗表快速地測(cè)量回路中剩余電流的方法, 從現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的角度出發(fā), 提高人工排查漏電隱患的效率。

關(guān)鍵詞: 路燈; 剩余電流; 漏電隱患; 維護(hù)作業(yè)

0引言

路燈是指給道路提供照明功能的一種用電設(shè)備,其特點(diǎn)是分布廣、 燈桿基本使用鋼鐵材料, 燈桿頂部的燈具、 燈桿內(nèi)的電纜線都帶電。 由于路燈桿較多分布于人行道或綠化帶, 燈桿與人很容易接觸到,因此, 當(dāng)漏電發(fā)生時(shí), 很容易引起人體觸電的事故。

近年來(lái), 隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大, 城市人口與日俱增, 城市照明范圍也隨著日益擴(kuò)大, 市民也對(duì)城市照明提出了更高的要求。 在這個(gè)背景下, 路燈設(shè)施的數(shù)量和密度在不斷增加, 這也給城市照明設(shè)施的管理增加了難度。 而時(shí)有發(fā)生的路燈漏電傷人事件, 也給城市照明設(shè)施的管理者提出了一個(gè)難題: 如何做到既能保證照明的效果, 又能把安全隱患消除。

本文將主要探討漏電現(xiàn)象的原理、 如何快速排查隱患并分享實(shí)際工作中的一些經(jīng)驗(yàn)。

1 漏電原因分析

路燈設(shè)施漏電分為 “燈桿帶電” 和 “ 電纜漏電”, 這兩類現(xiàn)象產(chǎn)生的場(chǎng)景有以下幾種:

1) 路燈桿內(nèi)電纜絕緣損壞導(dǎo)致電線與燈桿接觸, 使燈桿帶電。

2) 燈頭漏電。 照明燈頭雖然設(shè)計(jì)有防水功能,但絕緣發(fā)生變化或者線路被雷擊后, 燈頭存在漏電的可能。

3) 路面積水侵入燈桿內(nèi)部導(dǎo)致漏電。 城市內(nèi)澇時(shí), 路燈桿若淹沒(méi)于水中, 水位超過(guò)燈門高度,接線頭防水措施不足會(huì)導(dǎo)致漏電。

4) 電纜絕緣變化。 路燈供電線路比較長(zhǎng), 有的線路可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里, 并且都埋于地下, 時(shí)間久了會(huì)受侵蝕發(fā)生絕緣變化, 或受外力影響導(dǎo)致電纜皮破損, 電纜絕緣降低就可能導(dǎo)致漏電。

在電路分析中, 以上漏電現(xiàn)象多為單相接地故障。 《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB / T 50054—2011) 第5.2.9 條規(guī)定 “TN 系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器切斷故障回路的時(shí)間, 應(yīng)符合下列規(guī)定: 配電線路或僅供給固定式電氣設(shè)備用電的末端線路, 不宜大于 5 s”。 假設(shè)某一段路燈線路長(zhǎng) 1 km, 采用 VV - 1kV 4 × 25 mm2 + 1 × 16 mm2 電纜, 當(dāng)線路末端發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí), 故障電流Id = 122.3A, 對(duì)于常用的額定電流為 63 A 的斷路器, 很難在5 s 內(nèi)切斷電路。 如果發(fā)生單相非金屬性接地故障, 現(xiàn)有的斷路器更可能是根本無(wú)法切斷故障回路[1]。

單相接地故障中, 故障點(diǎn)電壓會(huì)下降, 另外兩相電壓會(huì)升高, 但是由于 LED 路燈電源大多數(shù)是寬范圍設(shè)計(jì), 電壓低至 90 V 也可以正常工作, 因此無(wú)法通過(guò)肉眼觀察亮燈情況來(lái)發(fā)現(xiàn)故障。 路燈線路由于電纜與大地接觸, 且距離很長(zhǎng), 電纜的對(duì)地分布電容所產(chǎn)生的漏電容易超過(guò)一般漏電保護(hù)器的整定范圍, 導(dǎo)致無(wú)法合閘, 常規(guī)的漏電保護(hù)器也無(wú)法加裝。

因此, 在實(shí)際的維護(hù)管理中, 我們需要增加人工排查故障的方式, 提高線路的安全性。 單相接地故障發(fā)生時(shí), 保護(hù)導(dǎo)體 ( PE) 線內(nèi)會(huì)流過(guò)漏電電流, 我們可以通過(guò)測(cè)量出漏電電流來(lái)排查出故障回路[2]。

2 不同類型電流產(chǎn)生的原理

2.1 不平衡電流產(chǎn)生的原理

三相五線制中時(shí), 任何一相中的單相負(fù)荷都有兩個(gè)回路。 一是和零線組成 220 V 回路, 二是和另一相串聯(lián)構(gòu)成 380 V 回路。當(dāng)三相平衡的時(shí)候, 電源相間的線電壓與每一相回路的相電壓之間會(huì)形成一個(gè)和諧的回路, 而此時(shí)零線上是沒(méi)有電流的。 當(dāng)負(fù)荷不平衡的時(shí)候, 串聯(lián)在線電壓之間的兩相負(fù)荷就不一樣大了, 而由于串聯(lián)電路中電流相等, 于是負(fù)荷大的一相多余的電流就從零線流走了。 這個(gè)電流就是不平衡電流[3] 。

如圖 1 所示, 假設(shè) L1 相接了一個(gè)燈, L2 相接了兩個(gè)燈, L3 相接了三個(gè)燈, L1 相的一個(gè)燈通過(guò)零線和L2相兩個(gè)燈串聯(lián)接于 L1L2 線電壓, L1 相的一個(gè)燈也通過(guò)零線和 L3 相三個(gè)燈串聯(lián)接于L1L3線電壓, 此時(shí)系統(tǒng)處于不對(duì)稱狀態(tài), 三相不平衡。在線電壓與L1相L2相共三個(gè)燈的回路中, 電流處處相等, 而 L1 相和 L2 相各自回路的負(fù)載電流卻不等, 而系統(tǒng)之所以還可以運(yùn)行, 是因?yàn)長(zhǎng)1L2相多余負(fù)荷的電流從零線走了。因 此, 此時(shí)的N線是帶電的。

圖 1 三相五線制原理圖

2.2 零序電流產(chǎn)生的原理

三相系統(tǒng)的電壓、 電流都可以分解為正序、 負(fù)序和零序分量, 在三相平衡且無(wú)故障發(fā)生時(shí), 系統(tǒng)處于對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài), 沒(méi)有負(fù)序零序分量, 只有正序分量。 若出現(xiàn)了負(fù)序或零序分量, 則說(shuō)明系統(tǒng)存在問(wèn)題[4]。單相接地故障會(huì)產(chǎn)生零序電流, 假設(shè)三相 平衡, 當(dāng)電路中發(fā)生觸電或漏電故障時(shí), 回路中有漏電電流流過(guò), 這時(shí)三相電流相量和不等于零, 其相量和為 Ia + Ib+ Ic = I (I 即零序電流)[5] 。

雖說(shuō)單相接地故障會(huì)產(chǎn)生零序電壓和零序電流, 但是, 在實(shí)際工作中我們發(fā)現(xiàn), 由于路燈低壓設(shè)施數(shù)量龐大、 線路長(zhǎng)、 接線不規(guī)范等諸多問(wèn)題, 導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中, 三相不平衡的情況較為常見(jiàn), 線路中經(jīng)常有不平衡電流。 因此我們難以通過(guò)直接測(cè)量零序電流的方式去排查單相接地故障。

2.3漏電電流產(chǎn)生的原理

我們?cè)谟^察剩余電流保護(hù)器的工作原理時(shí)發(fā)現(xiàn), 可以模仿剩余電流保護(hù)器的原理, 用人工的方法快 速檢測(cè)線路中的剩余電流。 既然如此, 我們就可以通過(guò)測(cè)量剩余電流的方式快速方便地排查出單相接地故障。

剩余電流保護(hù)的原理, 是讓三相線路及中性線 共同穿過(guò)一個(gè) CT (電流互感器), 如下圖, 三相線路與中性線的電流矢量和為 IA + IB + IC + IN, 當(dāng)線路 正常沒(méi)有發(fā)生單相接地故障時(shí),此電流矢量和為 0 (忽略正常泄漏電流); 當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí), PE 線會(huì)流過(guò)接地故障電流 ID, 則電流矢量和為 IA+ IB + IC + IN = ID [6]。

圖 2 剩余電流保護(hù)器原理圖

3 漏電電流的檢測(cè)

在實(shí)際操作時(shí), 我們?cè)诼窡粝渥兊牡蛪撼鼍€端, 任選一個(gè)回路, 用鉗形表把 A 相、 B 相、 C 相和零線用鉗形表同時(shí)鉗住, 此時(shí)測(cè)得的電流數(shù)值就是 IA + IB + IC + IN, 而這個(gè)數(shù)值也等于 ID, 也就是故障電流 (漏電電流), 在這個(gè)過(guò)程中, 不對(duì)稱分量被抵消, 因此測(cè)得的剩余電流, 由單相接地故障所產(chǎn)生的漏電電流[7]。圖3是現(xiàn)場(chǎng)操作的圖片。

圖 3 現(xiàn)場(chǎng)操作圖

4 實(shí)際應(yīng)用

我們用這個(gè)方法對(duì) 133 臺(tái)箱變進(jìn)行了剩余電流的檢測(cè), 表 1 和表 2 是部分測(cè)量數(shù)據(jù), 其中 N1 ~ N10 代表回路編號(hào)。

表 1 中, 有一臺(tái)箱變 NS3-100 的 N5 回路的數(shù)值達(dá)到了 20． 2 A, 明顯超出正常范圍。 經(jīng)過(guò)排查后, 我們?cè)谝惶師魲U內(nèi)找到了故障原因。 如圖 4 所示, 該燈桿燈門內(nèi)的接線端, 被外力拉入至底下的燈盤位置。 我們猜測(cè), 可能是臺(tái)風(fēng) “ 山竹” 襲來(lái)時(shí), 倒伏樹(shù)木牽扯了路燈電纜, 導(dǎo)致接線端被拉到低位。 而該燈桿內(nèi)低位非常潮濕, 導(dǎo)致接線頭絕緣老化加速, 潮濕的環(huán)境使線頭產(chǎn)生放電現(xiàn)象, 使燈桿帶上漏電壓, 其電壓達(dá)到了 103 V。 由于只是其中一相的絕緣老化, 擊穿空氣通過(guò)燈桿與大地連接, 產(chǎn)生的漏電流只有十幾安培, 空氣開(kāi)關(guān)無(wú)法跳閘, 導(dǎo)致此燈桿可以 “帶病工作”, 且能正常亮燈, 常 規(guī)巡查難以發(fā)現(xiàn)故障。

表 2 中, 也有一臺(tái)箱變 NS3-125 的 N2 回路數(shù)值 明顯較大, 達(dá)到了23A。我們對(duì)該回路進(jìn)行排查后, 找到了故障點(diǎn)。 故障點(diǎn)也在一處燈桿內(nèi), 該燈桿的燈門內(nèi)電纜接線頭絕緣膠布燒斷, 導(dǎo)致電纜頭散開(kāi), 電纜頭與燈桿金屬表面直接接觸, 造成了單相接地故障。

表 1 和表 2 中, 除兩個(gè)故障回路外, 其余大部分回路測(cè)得的數(shù)值相對(duì)較低。 由于路燈線路長(zhǎng), 且每個(gè)回路的總長(zhǎng)度差異較大, 電纜對(duì)地的分布電容也會(huì)產(chǎn)生些許的漏電流, 因此并不是說(shuō)測(cè)出了剩余電流數(shù)值, 就說(shuō)明回路存在故障, 正常的線路也可能被檢測(cè)出輕微的剩余電流。 在這個(gè)基礎(chǔ)上, 我們暫時(shí)無(wú)法給出一個(gè)準(zhǔn)確的安全數(shù)值, 只能在維護(hù)作業(yè)時(shí), 從數(shù)值較大的回路開(kāi)始逐個(gè)排查。

表 1 部分測(cè)量數(shù)據(jù)

表 2 部分測(cè)量數(shù)據(jù)

5安科瑞安全用電云平臺(tái)及選型

5.1安科瑞安全用電云平臺(tái)介紹

Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κＳ嚯娏鳌⒃O(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、記錄，并且通過(guò)云端的遠(yuǎn)程控制。設(shè)備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透?jìng)髦噶睿r(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)上傳至云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為用戶提供火災(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并實(shí)時(shí)排查，避免火災(zāi)的發(fā)生。另一方面，云平臺(tái)提供超大容量的信息儲(chǔ)存及穩(wěn)定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對(duì)用戶的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過(guò)集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊(duì)，從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。

具體功能如下：

（1）安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺(tái)、電腦終端顯示系統(tǒng)、手機(jī)APP、漏電探測(cè)器、漏電互感器、電流互感器等。

（2）安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)等，能實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報(bào)警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護(hù)等數(shù)據(jù)，監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。

（3）手機(jī)APP軟件同時(shí)具有IOS版本和安卓版本，能通過(guò)手機(jī)APP對(duì)每條報(bào)警記錄進(jìn)行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。

（4）能對(duì)各個(gè)單位及設(shè)備的電氣安全運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析評(píng)估，并隨時(shí)展示電氣安全運(yùn)行分析報(bào)告。

（5）監(jiān)控探測(cè)終端產(chǎn)品滿足國(guó)家法律法規(guī)和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB14287.2《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》和GB14287.3《測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》）的要求，并通過(guò)國(guó)家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)中心提供的消防3C認(rèn)證。

（6）漏電探測(cè)器能同時(shí)探測(cè)剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過(guò)無(wú)線以移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)。

5.2產(chǎn)品選型

5.2.1漏電火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器

5.2.2故障電弧探測(cè)器

安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號(hào)代碼為AAFD，共有兩種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路故障電弧的發(fā)生，并及時(shí)預(yù)警，提醒用戶處理，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。

AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái)，該產(chǎn)品不可在同一臺(tái)AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：

5.2.3限流式保護(hù)器

安科瑞限流式保護(hù)器型號(hào)代碼為ASCP200-1，有三種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路短路過(guò)載等故障信息，發(fā)生故障時(shí)預(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。

ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái)，也能夠通過(guò)插入SIM卡直接上傳到平臺(tái)。

以下是ASCP200-1的主要功能：

短路保護(hù)功能。保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

過(guò)載保護(hù)功能。當(dāng)被保護(hù)線路的電流過(guò)載且過(guò)載持續(xù)時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3…60秒可設(shè)）時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

表內(nèi)超溫保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

過(guò)、欠壓保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器檢測(cè)到線路電壓過(guò)壓或欠壓時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

配電線纜溫度監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)線纜溫度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

漏電流監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的線路漏電超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

保護(hù)器具有1路RS485接口，1路2G無(wú)線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5.2.4剩余電流互感器

5.2.5 AF-GSM400-2G/4G無(wú)線上傳模塊

AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無(wú)線模塊，該無(wú)線模塊為安全用電云平臺(tái)專用模塊。

AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個(gè)模塊可以接入30塊儀表。默認(rèn)上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報(bào)警，會(huì)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。

5.2.6溫度傳感器

溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監(jiān)控基準(zhǔn)，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護(hù)。

6結(jié)束語(yǔ)

我們使用的這種快速檢測(cè)剩余電流的方法, 可以在路燈維護(hù)作業(yè)過(guò)程中, 提高人工排查故障回路的效率, 快速發(fā)現(xiàn)漏電安全隱患。 通過(guò)一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn), 確定了該方法的可操作性。 但是我們還無(wú)法整定出安全數(shù)值, 使得檢測(cè)的過(guò)程還存在瑕疵。未來(lái), 我們還將對(duì)回路長(zhǎng)度與電纜對(duì)地分布電容造成的泄漏電流之間的關(guān)系進(jìn)行研究, 完善通過(guò)檢測(cè)剩余電流排查路燈漏電隱患的方法。