借助剩余 电流 监测(RCM) 加强消防安全
导言
欧洲各国的多项研究表明，建筑物内部和周围最常见的火灾原因分为两类：电力（30%-35%）和 人为失误（15%-20%）。尽管采用了最先进的电气安全系统，但建筑火灾的报告仍时有发生。供电 系统中最常见的故障是导体与大地之间因绝缘故障而产生的故障电流。本文探讨了剩余电流监控中可能出现的故障机制，并提供了相关概述。
建筑物内的电路由两个不同的断路器保护。
- 过流保护装置又称电气保险丝或过流 保护（OCP），当电流在规定时间内超过规定的电流值时，过流保护装置就会中断电路。过流保护装置有多种类型，如保险丝或断路器。房屋或公寓中的所有保险丝通常与其他断路器一起安装在配电盘中。过流保护装置可保护电缆或其他设备免受因过热而造成的损坏，过热会导致过电流在较长时间内流动。过流可能由过载或短路引起。根据建筑法规和电气装置标准，过流保护在大多数国家都是强制性的。
- 剩余 电流 装置（RCD）是一种救生设备，旨在防止人们在直接接触裸电线等带电导体时受到伤害。RCD 可提供普通保险丝和断路器无法提供的人身保护。RCD 是一种灵敏的安全装置，在发生故障时会自动断电。RCD 旨在防止接地故障引起的触电和火灾风险。例如，如果有人触碰浴室灯具中的裸线，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 领域发生了重大变化和发展。因此，下文将介绍该领域的重要创新。 正确选择已选定的设备可以最大限度地降低电气系统中的火灾风险。
RCD 的原理
RCD 的原理如下图 1 所示。如果人接触到非绝缘导体，由于 人体电阻约为 800 欧姆，因此部分电流可以流过人体。在许多情况下，这一电阻对大地的阻抗相当低。这部分电流通过大地流回电压源 （变压器二次侧接地）。如果电流没有流回电流互感器，则会产生剩余电流。如果该值足够大，RCD 就会跳闸并中断整个电路。
国际标准规定，在额定剩余电流的 50 % 至 100 % 之间跳闸。 如果 30 mA RCD 跳闸，则必须有 15 至 30 mA 的剩余电流。 30 mA 的阈值旨在确保个人保护，只要有可自由接入的插座，就需要个人保护。
在工业环境中，除了使用 30 mA RCD 保护的行政大楼外，我们通常还能看到用于 生产的大型机器。即使这些机器没有任何可自由触及的插座，使用 RCD 进行保护也是合理的。机器中的绝缘故障也可 引起火灾或故障，这也是一个危险源。市场上有多种不同的 RCD，其跳闸值各不相同，因此保护目的也不同。下表列出了三种不同类型的保护及其相应的跳闸电流。
电流在导体和大地之间流动，并发出至少 60 W 的热量，可导致火灾。在 230 V 电源电压下，相当于 约 300 mA。因此，消防用 RCD 的最大跳闸值为 300 mA。
用于不同信号波形的 RCD
除了电流值之外，电流的信号形式对于 RCD 的正确运行也至关重要。如今，许多电气负载都必须在 上标注为非线性负载，因为这些设备从市电中获取的是非正弦电流。因此，RCD 检测到的剩余电流通常具有非正弦曲线形状。为确保 RCD 正常工作，在使用 RCD 时必须考虑所连接的负载。
例如，如果购买了一台新洗衣机，而手册中规定使用 B 型个人断路器（30 mA），但没有考虑到这一点，则可能会出现 以下情况。
由于故障，洗衣机会产生 8 mA 的直流残余电流。然而，配电柜中的单个电路仅由 A 型 RCD 保护 。A 型 RCD 没有规定直流电流。至少 6 mA 的直流电流会将安装在 A 型 RCD 中的小型电流互感器 推入磁饱和状态。然后，吹风机落入装满水的浴缸中。此时，差分电流通过浴缸中的水流入 大地，并返回到公用事业公司变压器的接地二次绕组。该残余电流现在具有脉冲或正弦波形 ，实际上已被 A 型 RCD 所覆盖。例如，如果现在的剩余电流为 40 mA，则 A 型 RCD 应跳闸。但在这种情况下，RCD 不会跳闸，因为电流互感器的铁芯已被 8 mA 直流电流完全磁化，因此电流互感器无法再将 40 mA 电流转换到二次侧。如果在配电系统中安装了 B 型或 B+ 型 RCD，RCD 肯定会跳闸，因为剩余电流值已超过跳闸阈值，总值达到 48 毫安。
机器和 RCD
如果工业系统中没有可自由触及的插座，则操作人员没有义务使用 RCD 保护系统。从安全角度考虑， 剩余电流保护装置始终是可取的。然而，电机或其他电感设备在接通过程中的电流峰值往往会导致误跳闸，从而对生产过程产生有害影响。
还可能存在与系统相关的残余电流。电流信号中的高频成分会通过滤波器或电缆电容流向大地。下图以变频器为例，对这些与系统相关的残余电流进行了示意性说明。
这些与系统有关的残余电流肯定会达到一定水平，以至于无法再使用用于消防安全的 RCD（300 mA）进行保护。
剩余电流监控器可以解决这种情况。下图 3 显示，与 RCD 不同，RCM 无法独立中断供电线路。残余电流只能通过一个合适的接口进行测量和输出。 此外，RCM 还具有一个或多个继电器输出，可用于控制断路器。
达尼森解决方案
达尼森 RCM 解决方案有一个继电器输出和一个 TRMS 值，该值被转换成 4-20 mA 直流标准机器信号，可由可编程 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，可将 USB 接口连接到装有 SRCM 软件工具的笔记本电脑上。通过这种配置可以更详细地分析电流信号。除其他外，该软件还提供示波器视图和 FFT 分析。
通过 PLC 监控剩余电流
在复杂的工业设备中，各种电气元件组成了一个通过 PLC 控制的系统。因此，这些设备的剩余电流值可能高于上述表格中的值。例如，额定电流为 235 A 的生产设备会产生以下数值。
即使连续的剩余电流监测可以取代绝缘测试，但由于国际标准化的原因，通过上述 测量值对绝缘电阻进行分析并非易事。在发电厂中，有各种各样的单个用电设备需要控制，它们总共会产生不同的剩余电流水平。
因此，一些 PLC 制造商已经在其产品组合中提供了可通过机器标准信号连接到 PLC 的剩余电流传感器。通过 将各种机器状态与启动和成功安全测试后测量到的剩余电流水平直接联系起来，就可以在 PLC 中保存一个 "健康 "的剩余电流基线。有了这些数据，就可以对生产设备进行可靠而有意义的监控。
结论
一般来说，RCM 可用作早期预警系统，因为许多绝缘故障都会导致剩余电流缓慢增加。因此，这些设备被 归类为预测性维护措施。在许多情况下，可以避免进行绝缘测试，而绝缘测试是许多监管 机构所要求的定期安全检查的一部分。在数据中心和医院等重要基础设施中，RCM 设备已成为强制性设备。在工业领域，不可预见的机器故障也是一个问题。RCM 是在绝缘故障情况下提高安全性和系统可用性的最终解决方案。