剩余電流動作保護電器(英文名稱：Residual Current operated protective Device，縮寫為RCD)，簡稱剩余電流保護電器，是一種漏電保護裝置，被廣泛地應(yīng)用在低壓配電系統(tǒng)中，是低壓電網(wǎng)防止電擊事故、電氣設(shè)備漏電損壞和電氣火災(zāi)的有效防護措施。
低壓配電系統(tǒng)的漏電保護裝置是20世紀(jì)40年代從歐洲開始發(fā)展起來的，在發(fā)展初期有兩種型式：電壓動作型漏電保護裝置和電流動作型漏電保護裝置。剩余電流保護電器屬于電流動作型漏電保護裝置。
電壓動作型漏電保護裝置是通過電壓線圈檢測設(shè)備外露金屬外殼與大地之間的故障電壓，當(dāng)檢測到的故障電壓超過預(yù)定的危險極限值時，推動脫扣機構(gòu)使主開關(guān)觸頭斷開，切除故障電壓進行保護。根據(jù)其工作原理，電壓動作型漏電保護裝置只能用于單臺用電設(shè)備漏電保護；不能應(yīng)用于整個配電系統(tǒng)，并實現(xiàn)選擇性的分級保護；遇到感應(yīng)雷擊或較大的操作過電壓時，電壓線圈易燒毀損壞；只能用于間接接觸保護，不能用于直接接觸保護。由于電壓動作型漏電保護裝置這些固有的缺點，從20世紀(jì)60年代以后逐漸被剩余電流保護電器(即電流動作型漏電保護裝置)取代。當(dāng)前世界各國在低壓配電系統(tǒng)中使用的漏電保護裝置基本上都是剩余電流保護電器。
剩余電流保護電器的主要功能
1 間接接觸保護
間接接觸保護又稱為故障保護，剩余電流保護電器的主要功能是間接接觸電擊保護。在GB13955-2005《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》中，對間接接觸電擊事故防護的規(guī)定：“間接接觸電擊事故防護的主要措施是采用自動切斷電源的保護方式，以防止由于電氣設(shè)備絕緣損壞發(fā)生接地故障時，電氣設(shè)備的外露可接近導(dǎo)體持續(xù)帶有危險電壓而產(chǎn)生電擊事故或電氣設(shè)備損壞事故。當(dāng)電路發(fā)生絕緣損壞造成接地故障，其故障電流值小于過電流保護電器的動作電流值時，應(yīng)安裝剩余電流保護電器。”
該規(guī)定明確了間接接觸電擊保護的含義和保護方式。在很多場合下，接地故障電流遠小于過電流保護動作值，過電流保護裝置不會動作。在這種情況下，采用剩余電流保護電器自動切斷電源是一種非常有效的間接接觸電擊保護方式。
剩余電流保護電器用于間接接觸保護的示意圖如圖1所示，電氣設(shè)備上出現(xiàn)絕緣故障時，外殼出現(xiàn)故障電壓，通過PE保護導(dǎo)線(TN系統(tǒng)，圖1a)或設(shè)備的接地極(TT系統(tǒng)，圖1b)產(chǎn)生一個故障電流，剩余電流保護電器在人還未觸及帶電的金屬外殼前已將故障切斷，防止人體觸及危險的接觸電壓。如出現(xiàn)故障時正好有人觸及因故障而帶電的設(shè)備外殼，則觸電者的接地回路與設(shè)備故障的接地回路相并聯(lián)。根據(jù)保護導(dǎo)線(或接地回路)和人體的電阻比例(正常情況下，人體電阻要比保護導(dǎo)線或接地回路的電阻大得多)，大部分的電流流經(jīng)保護導(dǎo)線或接地回路，剩余電流保護電器立即切斷電源，對人體也不會造成致命危險。
剩余電流保護電器用于間接接觸電擊事故防護時，應(yīng)正確地與電網(wǎng)的系統(tǒng)接地型式相配合。
1）TN系統(tǒng)
剩余電流保護電器用于TN系統(tǒng)時，剩余電流保護電器負載側(cè)中性線(N線)和保護導(dǎo)線(PE線)不能共用。因此，在TN-C系統(tǒng)使用剩余電流保護電器時，應(yīng)根據(jù)電擊防護措施具體情況，將電氣設(shè)備外露可接近導(dǎo)體獨立接地，形成局部TT系統(tǒng)。或?qū)N-C系統(tǒng)改造為TNC-S或TNS系統(tǒng)后，才可安裝使用剩余電流保護電器。在TN-C-S系統(tǒng)中，剩余電流保護電器只能使用在N線與PE線分開部分。根據(jù)GB16895.21-2004《建筑物電氣裝置第441部分：安全防護電擊防護》的規(guī)定，間接接觸保護時，TN系統(tǒng)的最大分斷時間應(yīng)符合表1的規(guī)定。
并應(yīng)符合
式中：
Zs—包括電源、電源到故障點之間的帶電導(dǎo)體、以及故障點到電源之間的保護導(dǎo)體的阻抗在內(nèi)的阻抗(Ω);
U0—對地標(biāo)稱交流電壓有效值(V)；
Ia—保證保護電器在表1規(guī)定的相應(yīng)時間內(nèi)自動斷開電流(對剩余電流保護電器即為l△n (A)。
因此，當(dāng)剩余電流保護電器用于間接接觸保護時，動作電流與故障回路或接地極和保護導(dǎo)線的阻抗有關(guān)。在TN系統(tǒng)中，因為故障回路的阻抗較小，即使在線路較長且截面積較小的配電線路中，選用幾百毫安至幾十安的剩余電流保護電器均能滿足式ZsIa≤U0的要求。在TN系統(tǒng)中，分斷時間必須符合表1的要求，如相對地電壓為230V時，則分斷時間不應(yīng)大于0.4s。
2)TT系統(tǒng)
TT系統(tǒng)的電氣線路或電氣設(shè)備應(yīng)裝設(shè)剩余電流保護電器作為防電擊事故的保護措施。
按GB16895.21-2004規(guī)定，對TT系統(tǒng)的間接接觸保護應(yīng)滿足條件：
式中：
R—接地極和外露可導(dǎo)電部分的保護導(dǎo)體電阻之和(Ω);
la—使保護電器自動斷開電流(對剩余電流保護電器即為l△n)(A)；
50V—在一般干燥的情況下，允許的接觸電壓極限值。
在TT系統(tǒng)中，接地極的阻抗按規(guī)程的要求應(yīng)小于4Ω，但實際上很難做到�？紤]到較為惡劣的使用條件，接地電阻要保持在幾十歐至幾百歐以下是沒有困難的，因此要滿足式
的要求，可以選用l△n為100~500mA的剩余電流保護電器。在TT系統(tǒng)中，為了滿足選擇性保護的要求，允許分斷時間不超過1s。
2 直接接觸電擊保護
直接接觸電擊保護又稱為基本保護。直接接觸電擊保護的基本措施應(yīng)是絕緣、隔離距離、設(shè)置護欄等，例如帶電導(dǎo)線外面應(yīng)有絕緣層保護，用電設(shè)備應(yīng)有適當(dāng)?shù)慕^緣外殼，防止人觸及帶電部件發(fā)生電擊事故。當(dāng)基本電擊保護措施失效時，例如絕緣損壞，或因疏忽而觸及帶電部分發(fā)生電擊事故時，額定剩余動作電流小于等于30mA的剩余電流保護電器也可以作為直接接觸電擊的補充保護或后備保護措施。用于直接接觸電擊保護時應(yīng)選用一般型(無延時)的剩余電流動作保護電器。但剩余電流保護電器不能對相線與相線之間或相線與N線之間產(chǎn)生的電擊事故進行保護。直接接觸電擊保護如圖2所示。
在發(fā)生直接接觸電擊事故時，剩余電流流過人身，容易發(fā)生致命的觸電危險。根據(jù)國際電工委員會IEC/TS604791:2005《電流對人和家畜的效應(yīng)第1部分：通用部分》的研究結(jié)果，電流路徑為左手到雙腳(該電流路徑電流對人體影響最為嚴重)的15~100Hz交流電流對人體的效應(yīng)，可分為四個電流區(qū)域，如圖3所示。
其中區(qū)域AC-1(0.5mA的曲線a的左側(cè))：有感知的可能性，但通常人沒有被驚嚇的反應(yīng)；區(qū)域AC-2(曲線a至曲線b)：可能有感知和不自主地肌肉收縮，但通常沒有有害的電生理學(xué)效應(yīng)；區(qū)域AC-3(曲線b至曲線c1)：可強烈地不自主的收縮，呼吸困難，可逆性的心臟功能障礙，可能出現(xiàn)活動抑制，通常沒有預(yù)期的器官破壞；區(qū)域AC-4(曲線c1以上)：可能產(chǎn)生生病理-生理效應(yīng)，如心博停止、呼吸停止以及燒傷或其他細胞的破壞，心室纖維性顫動的概率隨著電流的幅度和時間增加(AC4.1區(qū)域的心室纖維性顫動的概率約為5%AC-4.2區(qū)域約為50%、AC-4.3區(qū)域超過50%)。該項區(qū)域的電流-時間值是最危險的，因為這個區(qū)域會出現(xiàn)心室纖維性顫動，心臟的搏動節(jié)律受阻，影響大腦的血液流通而引發(fā)死亡。因此直接接觸電擊保護的目的是要防止電流對人體的作用和影響落入AC-4，為此必須選用l△n≤30mA及動作時間為一般型（無延時）的剩余電流保護電器。
人在直接觸及帶電導(dǎo)體時，流過人體的電流值取決于人體內(nèi)部電阻和站立地點的接觸電阻。對觸電死亡事故的研究表明，可認為最不利的情況時，站立點的接觸電阻接近于零，例如赤腳站在潮濕的地上。這時流過人體的電流僅取決于人體的電阻。試驗研究表明，人體電阻主要是決定于接觸部位上的皮膚狀態(tài)與電流途徑。測量結(jié)果得出，例如在接觸電壓為200V時，電流途徑為左手至腳或左手至右手，在最惡劣條件下，人體總阻抗可大于1000Ω。考慮到對地故障電壓為220V，則此時的電流值可達22mA左右。這時如使用l△n≤30mA的一般型剩余電流保護電器，則在22mA時能在40ms內(nèi)動作。由下圖可以看出，這時時間電流對應(yīng)的點A是落在區(qū)域AC-3，這區(qū)域一般不會產(chǎn)生器官損傷，在短時間內(nèi)脫離電源也不會發(fā)生心室纖維性顫動，因此一般情況下，不會發(fā)生電擊傷亡事故。
圖3中還畫出了額定剩余動作電流10mA和30mA的般型(無延時)剩余電流保護電器的脫扣動作時間電流特性曲線帶，從圖3可以看出，脫扣時間-電流特性曲線帶大部分位于區(qū)域AC-2，一小部分位于區(qū)域AC-3，因此不會發(fā)生致命的電擊危險事故。而使用額定剩余動作電流大于0mA的剩余電流保護電器，時間-電流特性曲線帶將要進人區(qū)域AC-4，有可能產(chǎn)生電擊傷亡事故。
圖3 電流途徑為左手到雙腳的交流電流（15~100Hz）對人效應(yīng)的約定的時間/電流區(qū)域和30mA及以下的剩余電流保護電器的保護區(qū)域
此外，根據(jù)試驗結(jié)果和實際的電擊事故表明，較大的電流流過人體時，電流途徑中的肌肉會發(fā)生痙攣，使觸電者握住帶電的導(dǎo)體而不能自行擺脫。IEC/TS60479-1的研究結(jié)果又表明，擺脫電流與頻率有關(guān)，在電網(wǎng)頻率60Hz及10mA電流時，成年男人有99%的被試人員能擺脫，成年女人有60%能擺脫,5mA的電流極大部分人(包括兒童)均能擺脫。因此，通常認為在50/60Hz交流時，擺脫電流極限為10mA。由此可見，在直接接觸電擊保護中，如要考慮能自行擺脫帶電導(dǎo)體，應(yīng)選用I△n小于等于10mA的剩余電流保護電器。如直接接觸電擊保護的對象主要是小孩、婦女或病人，擺脫電流的閾值較低，也容易發(fā)生心室顫動，這時應(yīng)選用6mA的剩余電流保護電器。
3 電氣火災(zāi)的防護
電氣火災(zāi)大部分是由于絕緣老化造成的電氣短路或接地故障引起的。對相與相之間或相與N線之間的短路，或較大的接地故障電流，可用過電流保護或短路保護裝置來保護。而當(dāng)接地故障回路具有較高的電阻或電弧性接地故障時，故障電流較小，過電流保護電氣（如熔斷器或斷路器等）就不能排出這類故障，在這種情況下，可采用剩余電流保護電器來防止電氣火災(zāi)。
剩余電流保護電器對由于過電流保護電器不動作而持續(xù)存在的接地故障電流引起的火災(zāi)危險也能提供保護。因為在過電流保護電器不動作的情況下，剩余電流保護電器能有效地切斷接地故障電流，防止火災(zāi)事故的發(fā)生。
根據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)絕緣故障產(chǎn)生的泄漏電流的發(fā)熱功率達到60~100W，并釋放在幾個平方毫米面積上，該能量所產(chǎn)生的溫度就會引燃絕緣，此時只要周圍有可燃材料就會引起火災(zāi)。采用額定動作電流不超過500mA的剩余電流保護電器，可以在出現(xiàn)引燃火災(zāi)所需的能量前，就分斷電路排除故障。
圖4所示的供電線路包含有火災(zāi)危險的絕緣故障，用電設(shè)備通過故障回路的電阻R流過一個故障電流l，供電線路采用過電流保護電器(小型斷路器、熔斷器等)或剩余電流保護電器進行保護。當(dāng)應(yīng)用不同的保護電器時，可能出現(xiàn)的最大持續(xù)電流l，以及在額定電壓下發(fā)熱功率P的比較見表2。
從表2可以看出，采用額定剩余動作電流小于等于所50maA的剩余電流斷路器，可以確保在接地故障電流的發(fā)熱功率達到60~100W以前切斷電路(或發(fā)出報警信號)，有效地防止電氣火災(zāi)的發(fā)生因此，應(yīng)用剩余電流保護電器來防止電氣火災(zāi)，必須正運確選擇額定剩余動作電流。在GB16895.2-2005《建筑物電氣裝置第442部分：安全防護熱效應(yīng)保護》中規(guī)定：“在有火災(zāi)危險的場所，要防止故障電流引起火災(zāi)，必須在分線路中裝設(shè)額定剩余動作電流不超過500mA的剩余電流保護電器，或裝設(shè)絕緣監(jiān)察裝置，在絕緣故障時發(fā)出警報。”
在GB50096-2011《住宅設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：“每幢住宅的總電源進線應(yīng)設(shè)剩余電流動作保護或剩余電流動作報警”，其功能主要就是作為電氣火災(zāi)監(jiān)控和接地故障保護。當(dāng)每幢住宅的戶數(shù)較多時，考慮到正常的泄漏電流，應(yīng)選用100300mA的剩余電流保護電器，可采用剩余電流切斷方式或報警方式，采用切斷方式時，應(yīng)采用延時型剩余電流斷路器。前面所述的用于直接接觸和間接接觸保護剩余電流保護電器，只要符合這個要求，均具有防止電氣火災(zāi)的功能。
4 接地故障保護
接地故障是帶電導(dǎo)體和大地、接地的金屬外殼或與地有聯(lián)系的構(gòu)件之間的接觸。例如，架空導(dǎo)線斷裂接地、電源線絕緣損壞碰金屬外殼等。如接地故障不及時排除，有人碰到落地的帶電導(dǎo)線或金屬外殼，或接地故障電流持續(xù)存在，有可能發(fā)生觸電傷亡和設(shè)備事故，或發(fā)生電氣火災(zāi)事故。
接地故障保護過去經(jīng)常采用過電流保護電器(例如熔斷器或斷路器等)進行保護，當(dāng)接地故障電流大于過電流保護電器動作電流整定值時，由過電流保護電器切斷電路。在TT系統(tǒng)中，對額定電流較大的線路，并且配電線路較長時，發(fā)生接地故障的故障電流有可能小于保護電器的動作整定電流，這時過電流保護電器就不會動作。這種情況下，應(yīng)采用剩余電流保護電器(或帶接地故障保護的斷路器)進行接地故障保護。
在TN系統(tǒng)中，發(fā)生帶電導(dǎo)線落地的接地故障或不完全的金屬性接地故障或電弧性接地故障時，情況與TT系統(tǒng)相似。TN系統(tǒng)即使發(fā)生金屬性對保護導(dǎo)線(PE線)短路，在線路較長和額定電流較大時，過電流保護電器也有可能不動作。此時也只有采用剩余電流保護電器或帶接地故障保護的斷路器，才能可靠地進行接地故障保護。
剩余電流保護電器僅用于接地故障保護時，根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的形式和容量大小，額定剩余動作電流或接地故障電流可以從幾百毫安至幾十安，甚至幾百安。為防止瞬時性故障引起不必要的誤動作，分斷時間一般應(yīng)采用延時型。
剩余電流保護電器用于接地故障保護又要考慮間接接觸保護時，動作特性應(yīng)按間接接觸保護的要求選擇。
剩余電流保護電器在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用剩余電流保護電器作為一種防止人身觸電、設(shè)備漏電和電氣火災(zāi)事故的重要安全保護電器，在國內(nèi)外的低壓配電系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，對配電系統(tǒng)的安全運行發(fā)揮了巨大的作用。世界各國均通過制定相應(yīng)的電氣安裝規(guī)程強制規(guī)定剩余電流保護裝置在配電系統(tǒng)中的安裝和使用，我國主要的與剩余電流保護電器安裝使用相關(guān)的電氣安裝規(guī)程如下:
1) GB13955-2005《剩余電流保護裝置的安裝和運行》;
2) DL/T736-2010《農(nóng)村電網(wǎng)剩余電流保護器的安裝運行規(guī)程》
3) GB50054-2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》；
4) GB16895.2-2005 《建筑物電氣裝置第442部分：安全防護熱效應(yīng)保護》；
5) GB16895.21-2004《建筑物電氣裝置第441部分：安全防護電擊防護》；
6) GB50096-2011《住宅設(shè)計規(guī)范》；
7) SL445-2009《漏電保護器農(nóng)村安裝運行規(guī)程》。
為了提高電擊保護和漏電保護的可靠性，同時縮小發(fā)生事故時切斷電源造成的停電范圍，剩余電流保護電器在配電系統(tǒng)中應(yīng)用一般采用分級保護。分級保護方式的選擇應(yīng)根據(jù)用電負載和線路具體情況的需要，一般可分為兩級或三級保護。各級剩余電流保護電器的動作電流值與動作時間應(yīng)協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)具有動作選擇性的分級保護。
