借助剩余电流监测（RCM）提高消防安全
发布时间：
2025-07-08 15:36
来源：
借助剩余电流监测（RCM）提高消防安全
介绍
欧洲多个国家的研究表明，建筑物内部及周边火灾的最常见原因可分为两类：电气故障（占 30% 至 35%）和人为失误（占 15% 至 20%）。尽管采用了先进的电气安全系统，但建筑物火灾的报告仍屡见不鲜。供电系统中最常见的故障是由于绝缘故障导致的导体与地之间出现故障电流。本文探讨了剩余电流监测中可能出现的故障机制，并进行了概述。
建筑物内的电路由两种不同的断路器进行保护：
1. 过电流保护装置，也称为保险丝或过电流保护（OCP），如果电流在规定时间内超过规定的电流值，就会中断电路。过电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柜中。过电流装置可保护电缆或其他设备免受因长时间过电流而产生的过热损害。过电流可能是由过载或短路引起的。在大多数国家，根据建筑规范和电气装置标准，过电流保护是强制性的。
2. 漏电保护器（RCD）是一种能救命的装置，其设计目的是防止人们在直接接触带电导体（如裸线）时受伤。漏电保护器提供的个人保护水平是普通保险丝和断路器所无法比拟的。漏电断路器是一种灵敏的安全装置，一旦出现故障就会自动切断电源。漏电断路器旨在防范因接地故障导致的触电和火灾风险。例如， 如果有人在浴室触摸到台灯的裸露电线，而潮湿的地面又与接地的散热器相连。在过去的几年里，剩余电流保护装置（RCD）领域发生了重要的变化和发展。因此，下面将介绍这一领域的重大创新。正确选择现有的装置有可能将电气系统中的火灾风险降至最低。
剩余电流保护原理
漏电断路器的工作原理如图 1 所示。如果人体接触到未绝缘的导体，由于人体电阻约为 800 欧姆，电流的一部分会流经人体。在很多情况下，这种电阻相对于接地电阻而言相当低。电流通过大地回流至电压源（变压器的接地二次侧）。如果电流没有流经电流互感器，就会产生剩余电流。如果该值足够大，漏电断路器就会跳闸，切断整个电路。
图 1：用于个人防护的 RCD 原理图
国际标准规定，额定剩余电流的 50% 至 100% 之间发生漏电时应跳闸。如果 30 毫安的剩余电流保护装置跳闸，那么剩余电流应在 15 至 30 毫安之间。30 毫安这一阈值旨在确保人身安全，凡有可触及插座的地方都必须满足这一要求。
在工业环境中，除了用 30 毫安漏电保护器（RCD）保护的行政大楼外，我们通常还会发现用于生产的大型机器。即使这些机器没有任何可直接接触的插座，使用漏电保护器进行保护也是有意义的。机器中的绝缘故障也可能引发火灾或故障，这也是一种危险源。市场上有不同的漏电保护器，它们具有不同的跳闸值，因此具有不同的保护目的。以下是三种不同类型的保护及其对应的跳闸电流。
表 1：剩余电流动作保护器（RCD）及其不同用途
在导体与大地之间流动且至少产生60 瓦热量的电流可能会引发火灾。在230 伏的供电电压下，这相当于约300 毫安。因此，用于防火的漏电保护装置（RCD）的最大跳闸值为300 毫安。
适用于不同信号波形的 RCD
除了电流的大小之外，电流的波形如今对于漏电保护断路器（RCD）的正常工作也至关重要。如今，许多电气负载必须被标记为非线性负载，因为这些设备从电网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的曲线形状。为了确保 RCD 能够正常工作，在选择 RCD 时必须考虑所连接的负载。
表 2：RCD 的类型
例如，如果购买了一台新的洗衣机，而其使用手册规定应使用B 型个人保护电路断路器（30 毫安），但未予以考虑，那么可能会出现以下情况。
由于故障，洗衣机产生8 毫安的直流剩余电流。然而，配电柜中的各个电路仅由A 型漏电断路器保护。A 型漏电断路器并未规定对直流电的防护。至少6 毫安的直流电会使安装在A 型漏电断路器中的小电流互感器进入磁饱和状态。此时，吹风机掉入装满水的浴缸中。此时，差动电流通过浴缸中的水流入电气接地，再回到供电公司的变压器的接地二次绕组。此时的剩余电流具有脉冲波形或正弦波形，实际上在A 型漏电断路器的防护范围内。假如此时剩余电流为40 毫安，A 型漏电断路器应跳闸。然而，由于8 毫安直流电已使电流互感器的铁芯完全磁化，所以40 毫安的电流无法使电流互感器产生变化，漏电断路器也就不会跳闸。
如果在配电系统中安装了B 型或B+型剩余电流动作保护器（RCD），那么该保护器肯定会跳闸，因为剩余电流值已超过跳闸阈值，总值达到48 毫安。
机器和漏电断路器
如果工业系统中没有可自由使用的插座，操作人员没有义务用漏电断路器（RCD）来保护系统。从安全角度来看，防范剩余电流始终是明智之举。然而，电机或其他感性设备在启动过程中电流峰值常常会导致误跳闸，这会对生产流程造成不利影响。也可能存在与系统相关的残余电流。电流信号中的高频成分可通过滤波器或电缆电容流向大地。在下图中，以变频器为例示意性地展示了这些与系统相关的残余电流。
图 2：具有系统相关剩余电流和不同电路故障电流的变频器
这些与系统相关的剩余电流肯定能达到这样的程度，以至于用于防火安全的 RCD（300 毫安）保护措施将不再适用。
剩余电流监测器可以为这种情况提供解决方案。下图3 显示，与RCD 不同，RCM 本身不能独立切断供电线路。剩余电流仅通过合适的接口进行测量和输出。此外，RCM 还有一个或多个继电器输出，这些继电器输出又可用于控制断路器。
图 3：RCD 与 RCM 对比
Danisense 解决方案
Danisense RCM解决方案具有继电器输出和真有效值（TRMS），该值可转换为4-20毫安直流标准机器信号，可轻松由可编程逻辑控制器（PLC）或通用测量设备处理。若要进行更深入的分析，可将 USB 接口连接到装有 SRCM 软件工具的笔记本电脑。通过这种配置，可以更详细地分析电流信号。该软件提供示波器视图和快速傅里叶变换（FFT）分析等功能。
图4：Danisense SRCM + 软件接口
通过 PLC 进行剩余电流监测
在复杂的工业机器中，各种各样的电气元件构成一个通过 PLC 控制的系统。因此，这些工厂的剩余电流水平可能高于上述表格中的数值。例如，以下数值来自一个额定电流为 235 A的生产工厂。
图 5：额定电流为 235 A 的生产工厂的系统相关剩余电流（这些值由 Danisense 软件工具为 SRCM 进行保存）
即使由于国际标准化，连续剩余电流监测能够取代绝缘测试，但通过上述测量值来分析绝缘电阻并非易事。在工厂中，控制着各种各样的单个消费者，它们总体上会产生不同的剩余电流水平。
出于这个原因，一些可编程逻辑控制器（PLC）制造商已经在其产品组合中提供剩余电流传感器，这些传感器可以通过机器标准信号连接到 PLC。在启动后以及成功完成安全测试后，将各种机器状态与测量到的剩余电流水平直接关联起来，即可在 PLC 中保存一个“健康”的剩余电流基线。利用这些数据，可以对生产设施进行可靠且有意义的监测。
结论
一般来说，剩余电流监测器（RCM）可用作早期预警系统，因为许多绝缘故障会导致剩余电流缓慢增加。正因如此，这些设备被归类为预测性维护措施。在许多情况下，可以省去绝缘测试，而绝缘测试是许多监管机构要求的定期安全检查的一部分。在诸如数据中心和医院等属于关键基础设施的场所，RCM设备已经是强制安装的。在工业领域，对于那些机器意外故障会造成问题的应用场景，也能从中受益。RCM 是在绝缘故障情况下提高安全性和系统可用性的终极解决方案。
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