CN105027377A - 接地故障电流接口 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种接口，允许针对Id≤300毫安的全部故障电流来切断电源，使得：Id≥IPE+k.Ih或IPE，其中IPE表示通过把地线连接到大地的保护导体返回电源的电流，Ih(≤10或30毫安)表示通过除保护导体或有效导体之外路径返回电源的电流。电流Ih因此易于通过人体。而且，本发明保证了人员和财产不受接地绝缘故障和独立于地线接地端和外部干扰环境的一些直接接触的损害。本发明还在故障情况下使用相同接地端来在邻近保护损坏的情况下保护人员。

Description

接地故障电流接口
技术领域
本发明涉及开关装置领域，能够在低压接地电绝缘故障的情况下保证防火和保证人员不会间接接触。
本发明涉及接地故障电流接口；为此，在接地绝缘故障的情况下，无论接地端阻值为多少和无论环境(干燥、潮湿、浸水)和皮肤状况如何，本发明能够按照常规安全曲线保证防火和保证人员不会间接接触。
因此，接地插座不再一定呈现保护链路而是舒适部件，以通过增大阻抗来导致差动装置敏感性的增加，从而在这种情况下保证人员和财产的安全性。本发明还能够保证防止在有源导线和地端之间产生人员直接接触，或所有无关导线不被连接到根据本发明实施要求的正常接地的设备的接地端。
背景技术
I/保护规范的设立
在国际上，在低压配电方面，三种接地方案(SLT，schémas de liaison àlaterre)被标准化：
-TN：以三种版本实施中性端(TN-C；TN-S；TN-C-S)；
-TT：中性端接地；
-IT：中性端绝缘。
在2005年12月颁布的标准CEI 60364-4-41(现行)中，国际电工委员会的第64研究委员会提出了针对SLT的三种基本公用要求，以在接地绝缘故障情况下保证人员安全。
这些要求如下：
1-保护接地和等电位连接；
2-在(绝缘)故障的情况下在与安全传统曲线相兼容的时间自动切断电源；
3-在一些外部影响条件下和在一些地点实施补充保护(“对特定装置或场所的要求”的标准CEI 60364-7)。
根据与所考虑的地端相关的方案执行在地线绝缘故障情况下对电源切断装置的选择。
II/差动保护和其限制
虽然防止火灾风险的差动装置的有效性是不可否认的，但在故障情况下，它们的实施对防止人员受电击被证明具有其局限性。
事实上，在保护系统中，差动功能仅为“保护链”链环。在绝缘故障情况下，根据TT和IT方案，在相位端和接地端之间，如果满足如下保护条件：RA×Ia≤50伏特，则差动装置不保证防止人员非间接接触的安全性；其中，RA为地端插座和地端接地导体的电阻之和，Ia为在与传统安全曲线相兼容的时间上保证保护差动装置的自动切断的电流。
在标准CEI 60364的第4-41部分的规范要求中，注意：
-该条件不应用于公寓楼中，其中尽管遵守RA，但由于楼房地线的等电势连接，同时在两个或多个住所位置处产生小于Ia的故障电流可相加地在所有楼房地线位置处形成危险接触电压；
-条件UL≤50V仅在干燥场所是有效的；
-接地端装置的电阻应适当并且随时间保持；
-应保证地端接地导体的连续性。
这些约束条件使国际电工委员会的第64研究委员会接受使用残余差动电流装置(DDR)，其正常工作电流值小于或等于30毫安，如尤其在标准CEI 60364的第7部分所阐述的一些情况下防止间接接触的补充保护措施。
实际上，在大多欧洲国家中，该保护措施扩展到带所有电源电路，无论接地方案如何。
然而，CEI的第64研究委员会不认识到把这种装置用作本身构成完整保护措施，并对三个SLT共用基本规范要求推荐设备一致性，以在地线绝缘故障、尤其关于接地端、保护等电势连接和电源切断的地线绝缘故障的情况下进行保护。
为了很好处理在地线绝缘故障的情况下保护人员不受电击的问题，研究针对两个问题的答案：
1.为什么CEI的第64研究委员会判断(通过高灵敏度DDR)补充保护本 身是不足的和为什么要求将其接地端装置和等电势保护连接与故障切断装置相 关联？
如在2005年11月的标准CEI 60364-1的第314-1条(现行)中所规定的，补充保护措施规定设备划分，以减小高灵敏度差动装置的由于保护导体PE中的过多漏电流(且不是由于故障电流)造成的不期望触发可能性。
在接地端装置不匹配、缺少或保护导体断裂的情况下，这些过多的漏电流可存在触电风险，甚至电击与地线和地面接触或与地线和与地端非绝缘外部导线相接触的所有人员。
而且，在公寓楼中，应当考虑到除了由于其专属设备的漏电流产生的风险之外，还有可能非来自电源并且由于公寓楼地线的等电势的漏电流使人员触电或者遭受电击，这加剧危险性。
这种情况还可产生在TT和TN以及IT方案(在与两个不同地端插座相连接的两根地线位置处产生两起故障的情况下)中。
在本文中，关注于在CEI 60364-5-53标准的第531.2.1.5条中涉及的风险，其中提及：“在未设置保护导体的设备中使用具有残余差动电流小于或等于30毫安的DDR不应认为是防止间接接触的充分保护措施”。
因此我们可确定该保护措施本身是不充足的，并且标准CEI 60364-4-41规定的接地和故障切断装置与保护等电势的连接的基本笫一要求是强制性的，以保护人员防止不间接接触。
2.在公寓楼中实施当前规范保护措施可在地线绝缘故障的情况下总是保证 人员安全吗？
在存在绝缘故障的附近区域保护失效的情况下，所有建筑的地线由于相互连接而可能被加到危险电势上。
在该情况下，补充等电势连接(L.E.S)还在导线接地的情况下参与保护该电势。
此外，当前规范保护措施未提供任何针对这种情况的应对，应当考虑到人员可能经由不是来自他们自家电源的电流触电甚至被电击。
III/在使用带高灵敏度残余差动电流(小于或等于30毫安)的装置时由设 备划分产生的约束
如果实行设备划分，以由于保护导体[PE]中过多的漏电流而减小高灵敏度DDR的不必要触发的可能性，其产生新的我们如下列举的约束：
-需要使用多个高灵敏度DDR，这通常要求在现有住房中安置新的电子设备；
-由于小于或等于30毫安的故障引起的不期望的触发流经保护导体而流入地端并且因此不对人员和财产产生任何风险；
-通常使用的水平选择性可通过“感应触发”，现象而产生故障。该情况通常在产生过压现象的并行启动的保护断开时观察到。该瞬时过压可导致平稳启动的断开，包括通过PE被关联到接地端的过滤功能。在该情况下使用具有强抗干扰性的DDR是必需的。
发明内容
本发明的目的在于改进对人员和财产的保护，使其不受低压地线绝缘故障伤害。
本发明包括可整合在高灵敏度差动装置中的电磁接口，其目的在于：
1/-一旦小于或等于300毫安(根据规范要求而定)的故障电流流经与地线接地端相连的保护导体而返回电源，则通过切断电源来保证防火；接下来，将该电流标示为IPE。
2/-一旦小于或等于10或30毫安(根据预计保护而定)的电流通过除保护导体[PE]或供应相关设备的电源的有效导体之外的路径返回电源，则通过切断电源来保证人员安全。因此，该电流被认为是能够流经人体的；接下来，将该电流标示为Ih。
3/-一旦出现故障残余电流Id，则切断电源，其中Id使得：Id≥IpE+k×Ih。其中：Id≤300毫安；IpE≤300毫安；如果k＝10，则Ih≤30毫安；如果k＝30，Ih≤10毫安。
4/-存在危险绝缘故障时在邻近保护失效的情况下，保证保护在公寓楼住宅中的人员。
事实上，该绝缘故障可在所有建筑地线(由于它们相互连接)和地面或所有设备外部导电元件之间形成危险电压。
在该情况下，通过在开关保护装置中加设磁极来保证安全。该磁极通过随后触发开关保护装置来绝缘主保护导电地线。
该触发由小于或等于10或(30)毫安(根据预计保护而定)的总电流引起，总电流通过与可允许电流返回电源的地线和地面或所有导电元件相接触而能够流经人体。
该保护要求所保护住宅的可接近导电元件(除地线之外)应绝缘于其它住宅的元件。
事实上，尤其通过在水回路中逐步使用塑料(聚乙烯)管和采用介电绝缘管件以导通气体来实施该绝缘。
5/-由于无论接地端欧姆电阻如何并且独立于环境(干燥、潮湿、浸水)和皮肤条件都要保证保护人员不间接接触，所以需将接地端装置变换成代替保护链环的舒适链环。
6/-由于其纯电磁设计，需提供可靠持久的保护部件。
附图说明
图1表示通过将接地故障电流接口(10)整合到高灵敏度差动装置中获得的断路系统连接模式。
注意：接地故障电流接口被整合到用于单相设备中的双极差动装置中和整合到用于多相设备中的多极差动装置中。
图2表示包含灵敏度降低绕组(11)的所述接口的第一变型，绕组匝数与高灵敏度差动装置的相位端初级绕组(4)和中性端初级绕组(5)的匝数不同。
图3表示包含灵敏度降低绕组的所述接口的第二变型，灵敏度降低绕组由不同剖面导线实施的两个线圈(12)和(13)组成，其磁极性是反向的(相反的线圈方向)并且每一个的匝数等于高灵敏度差动装置的相位端初级绕组(4)和中性端初级绕组(5)的匝数。这两个线圈的电磁场相抵消。
图4表示包含灵敏度降低绕组(14)的所述接口(10)的第三变型，灵敏度降低绕组(14)与高灵敏度差动装置的相位端初级绕组(4)和中性端初级绕组(5)相同，但区别是一部分匝数分路。
图5表示通过将所述接口整合到30mA高灵敏度差动装置中获得的断路系统响应曲线。
具体实施方式
总之，本发明将通过如下的描述被更好地理解：参照图1，高灵敏度差动装置最初由被连接到初级绕组(4)和(5)的功率触点(1)和(2)、磁芯(3)、初级绕组(4)和(5)和它们的输出端(6)和(7)、以及次级绕组(8)和触发继电器(9)组成。
通过整合包含灵敏度降低绕组(10)的接口，高灵敏度差动装置被变换成保护装置，其功能特性被表示于图5中。
因此，参照图1和图5，考虑Id表示由电流Ih(mA)和IPE(mA)的代数和组成的残余差动电流(毫安)，其中：
-IPE(mA)表示由绝缘故障产生的和经灵敏度降低绕组返回电源的电流；
-Ih(mA)表示在下面的1-和3-中描述的故障条件中能够流经人体的电流；该保护装置使得能够：
1-通过使用高灵敏度差动装置的初始性能保证时人员的保护。
所述装置还通过在存在小于或等于10(或30)毫安(根据所考虑的保护而定)的总电流Ih的情况下切断电源来保证人员安全，该电流来自初级绕组的输出端(6)或(7)中的一个输出端并且通过保护导体(16)之外或初级绕组的输出端(6)或(7)中的一个之外的路径返回电源。该电流因此被认为能够穿过人体。
对人员的保护还保证了：
-防止间接接触，无论接地地线的电阻值如何并且无论环境(干，潮湿，浸水)和皮肤的状况。
-防止直接接触，其产生于任何有效导体和任何地线或任何待安装的外部导线之间从而允许故障电流在通过除保护导体(16)或者通过初级绕组的输出端(6)或(7)中的一个之外的路径返回电源。
2-通过在小于或等于300毫安(根据规范要求而定)的全部电流IPE的情况下切断电源来保证防止火灾，电流由地线(18)的绝缘故障生成并流经所述灵敏度降低绕组(10)返回电源，灵敏度降低绕组(10)一方面通过保护导体(15)被连接到地线(18)，另一方面通过保护导体(16)被连接到地线(17)的接地端。还保证了防止火灾。
3-通过将地线的接地端变换成舒适性链环来代替保护链环，保证了对人员和财产的保护。
事实上，根据图5的功能特征，并且独立于绝缘故障的成立条件，接口使得保护设备能够在由如以下那样组成的任何残余电流的情况下通过切断电源来使保证人员和财产的安全：
Id≥IpE+k×Ih(1)；其中-Id≤300毫安；IpE≤300毫安；
如果k＝10，则Ih≤30毫安；如果k＝30，则Ih＜10毫安
因此，如果在公式(1)(表示曲线Id)中，电流Ih(能流经人体)占主导(这由表现为触发高灵敏度保护装置)；这是由于：
a-在干燥环境但在存在地线接地端的较大值的情况下、在不存在地线的情况下或者在保护导体断裂的情况下，人员在皮肤干燥的条件下与故障地线相接触；
b-或者在地线接地端的正常值的情况下的潮湿或浸水的条件下，人员与故障地线相接触；
c-或者人员与有效导体或全部地线或全部待安装的外部导线相接触，有效导体或全部地线或全部待安装的外部导线允许通过保护导体(16)之外或初级绕组输出端(6)或(7)中的一个之外的路径将故障电流返回电源。
d-或者人员在存在危险绝缘故障的情况下在邻近保护功能失效的情况下与地线相接触(公寓楼住房的情况)。该情况为“发明内容”中的一部分。
因此，通过实施所述接口，地线接地端故障或保护导体断裂仅影响舒适链环，在所描绘情况下仍然保证人员和财产的安全。
参照图5，常用差动装置的“工作或不工作”区域被认为是“不工作区域”。
因此，参照图5，注意到：
-区域(19)为保护设备的不工作区域；
-曲线(20)表示仿射函数：
IPE＝30010×Ih；(Ih在0到30mA之间变化)；
-区域(21)为保护设备的工作或不工作区域；
-曲线Id表示保护设备的指定工作差动电流。
本发明的实施方式
参照图1，所述接口包括灵敏度阵低绕组(10)。可根据图2、3和4表示的至少三种变型来实施所述灵敏度降低绕组。
-在图2所示且对应于第一变型的实施方式中，所述接口包括灵敏度降低绕组(11)。
该变型能够使高灵敏度差动装置灵敏度降低，以使全部故障电流流经被连接到地线接地端(17)的保护导体(16)而返回电源。
该灵敏度降低以比例P实施，使得：
如果N2＜N1，P＝N2÷NI，或如果NI＜N2，P＝NI÷N2，其中：
-N1为高灵敏度差动装置的相位端或中性端的初级绕组的匝数；
-N2为灵敏度降低绕组匝数。
例如，如果接口被整合到30毫安灵敏度的差动装置中，则保证了针对以下项防止火灾(IPE≤300毫安)：30mA＝300mA×(l-P)，其中P＝0.9；灵敏度降低在90％进行，因此：N2＝0.9×N1或N1＝0.9×N2。
在图3所示且对应于第二变型的实施方式中，接口包括由两个线圈(12)和(13)组成的灵敏度降低绕组，这两个线圈由不同剖面的导线实施，其磁极是反向的(绕线方向相反)且每一个的匝数等于高灵敏度差动装置的相位端(4)或中性端(5)的初级绕组的匝数。
该变型使得能够降低高灵敏度差动装置的灵敏度，以使所有故障电流流经被连接到地线接地端(17)的保护导体(16)返回电源。
以比例P实施该灵敏度降低，使得：
P＝(S1-S2)÷(S1+S2)其中S1＞S2；其中：
-S1为灵敏度降低线圈的导线剖面，其磁极性与高灵敏度差动装置的相位端或中性端的初级绕组方向相同；
-S2为灵敏度降低线圈的导线剖面，其磁极性与高灵敏度差动装置的相位端或中性端的初级绕组方向相反；
例如，如果接口被整合在灵敏度为30毫安的差动装置中，则保证了针对以下条件防止火灾(IPE≤300毫安)：30mA＝300mA×(1-P)其中P＝0.9。灵敏度降低在90％进行，因此：
S1-S2＝0.9×(S1-S2)，这给出：S1＝19×S2
在图4所示且对应于第三变型的实施方式中，接口包括与高灵敏度差动装置的相位端或中性端的绕组相同的灵敏度降低绕组(14)，但其一部分匝数被分路。
该变型使得能够降低高灵敏度差动装置的灵敏度，以使得所有故障电流流经被连接到地线接地端(17)的保护导体(16)返回电源。
以比例P实施该灵敏度降低，使得：
P＝[N2×(1-z)]÷N2
其中：
-N2为灵敏度降低绕组的匝数；
-z为系数，取决于被分路的匝数量和分路特性。
如果接口被整合在灵敏度为30毫安的差动装置中，针对以下条件保证了防止火灾(IPE≤300毫安)：
30mA＝300mA×(l-P)其中P＝0.9
该灵敏度降低在90％进行，因此：
N2(1-z)＝0.9×N2或z＝0.1。

Claims (15)

1.一种接地故障电流接口，通过保护导体(15)和(16)被设置在地线(18)和地线接地端(17)之间，该接口的特征在于，针对在追求防火保护的情况下小于或等于300毫安以及能够在未追求防火保护的情况下大于300毫安的全部故障残余电流Id，该接口通过由次级绕组(8)供电的触发继电器(9)来控制高灵敏度差动装置的功率触点(1)和(2)的断开，并且使得如果Ih＝0则Id≥IPE+k×Ih以及如果IPE＝0则Id＝k×Ihmax，IPE表示流经保护导体(15)和(16)返回电源的电流，如果追求防火保护，则IPE的值应小于或等于300毫安，如果未追求防火保护，则IPE的值能够大于300毫安；Ih表示通过除保护导体(15)和(16)或通过电源有效导体(6)或(7)之外的路径返回电源的全部故障电流，根据所追求的人员保护电流，该全部故障电流的值应小于或等于30毫安，并且k表示系数，使得k＝IPEmax÷Ihmax。
2.根据权利要求1所述的接地故障电流接口，其特征在于，该接口被整合在高灵敏度差动装置中，所述高灵敏度差动装置能够是高灵敏度差动断路器或高灵敏度差动开关，所分配的工作差动电流等于30毫安。
3.根据权利要求1或2所述的接地故障电流接口，其特征在于，该接口由围绕高灵敏度差动装置的磁芯(3)实施的一个或更多个灵敏度降低绕组构成。
4.根据权利要求1所述的接地故障电流接口，其特征在于，该接口通过由次级绕组(8)供电的触发继电器(9)来控制高灵敏度差动装置的功率触点(1)和(2)的断开，以使全部故障残余电流小于或等于300毫安并且使得Id≥IPE+10×Ih。
5.根据权利要求1或4中的一项所述的接地故障电流接口，其特征在于，表示流经保护导体(15)和(16)返回电源的故障电流的电流IPE小于或等于300毫安。
6.根据权利要求1所述的接地故障电流接口，其特征在于，表示通过除保护导体(15)和(16)或者通过电源的有效导体(6)或(7)外的其它路径返回电源的故障电流的电流Ih小于或等于30毫安。
7.根据权利要求1所述的接地故障电流接口，其特征在于，系数k等于10。
8.根据权利要求1或3中的一项所述的接地故障电流接口，其特征在于，所述接口的第一变型由具有匝数N2的灵敏度降低绕组(11)构成，匝数N2与高灵敏度差动装置的相位端的初级绕组(4)的匝数N1不同，比例P使得：
如果N2＜N1，则P＝N2÷N1＝0.9，或者如果N1＜N2，则P＝N1÷N2＝0.9。
9.根据权利要求1或3中的一项所述的接地故障电流接口，其特征在于，所述接口的第二变型由从两个线圈组成的灵敏度降低绕组构成，即剖面为S1的线圈(12)和剖面为S2的线圈(13)，这两个线圈彼此并联耦接且以彼此相反的方向进行缠绕；这两个线圈中的每一个具有的匝数等于高灵敏度差动装置的相位端的初级绕组(4)的匝数，这两个线圈具有的剖面S1和S2的比例使得：P＝(S1-S2)÷(S1+S2)＝0.9并且：S1＞S2。
10.根据权利要求1或3中的一项所述的接地故障电流接口，其特征在于，所述接口的第三变型由从匝数N2组成的灵敏度降低绕组(14)构成，匝数N2与高灵敏度差动装置的相位端的初级绕组(4)的匝数相同，匝数N2的一部分被分路，该分路用于以比例P使高灵敏度差动装置的灵敏度降低，使得：P＝[N2×(1-z)]÷N2＝0.9，这表明：z＝0.1，即匝数N2的十分之一被分路。
11.根据权利要求3所述的接地故障电流接口，其特征在于，灵敏度降低绕组的剖面或灵敏度降低绕组的剖面总和应该至少等于所使用的高灵敏性差动装置的相位端的初级绕组(4)的剖面。
12.根据权利要求2所述的接地故障电流接口，其特征在于，所使用的高灵敏性差动装置是多极的。
13.根据权利要求1或2中的一项所述的接地故障电流接口，其特征在于，所述接口允许保证在接地绝缘故障的情况下保护财产免受火灾。
14.根据权利要求1或2中的一项所述的接地故障电流接口，其特征在于，该接口允许保证在故障地线和地面之间、在故障地线和所有待安装的外部导电元件之间、以及在所有有效导体和地面之间、和在所有有效导体和待安装的所有外部元件之间接触的情况下保护人员不受电击。
15.根据权利要求1或2之一所述的接地故障电流接口，其特征在于，该接口允许保证在使用相同地线插座的邻近保护失效的情况下保护人员不与地线相接触；这种保护通过相对于待电气安装的外部导电元件进行地线电流隔离并且使用在所用的高灵敏度差动断路器或高灵敏度差动开关的位置处的附加极来进行调节，因此允许相对于故障邻近地线对由接口保护的安装地线进行电流隔离。
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