摘要：本文就剩余电流动作保护继电器及其电流互感器回路的接触电阻的形成、影响及处理措施进行探讨，并提出相对简易的处理办法，供各位从事电气检修的同仁参考。
关键词：剩余电流动作保护继电器、电流互感器、接触电阻
引言
保护误动是电气设备严重的故障类型之一，轻则产生非预期的报警，重则产生经济损失甚至影响人身安全。检修人员对于剩余电流动作保护继电器（以下简称为RCD）的误动，大多着眼于定值匹配、安装规范等宏观角度，但此外RCD误动仍无法彻底杜绝时，可以从接触电阻这个角度加以关注。
1.RCD一般的误动情形
RCD在生产及住宅中被广泛使用，是防止直接接触电击事故和间接接触电击事故的有效措施[1]。但在实际使用过程中，RCD可能在负荷既无绝缘异常，也无超限的泄露电流，甚至在负荷设备停运期间也会出现动作的情况。笔者在从事低压配电设备检修的过程中，总结出RCD动作异常的原因主要有如下几方面：
1.RCD所配置的电流互感器（以下简称为CT）安装不合理，如：穿过CT的电缆相别错误、穿过CT的电缆未束中、CT选用的尺寸过小等，这些安装缺陷将导致CT测量产生误差，从而令RCD发生误动；
2.RCD与CT之间的测量电缆未设置有效屏蔽、电缆路径过长，以及与强电电缆平行放置等，也会增大CT二次信号受到干扰的可能性，导致RCD发生误动（关于测量电缆屏蔽方面的知识与标准，可以参考IEEE Std 1143-2012 Guide on Shielding Practice for Low Voltage Cables）；
3.电机类负荷启动过程中，因磁场畸变导致RCD的CT饱和，RCD发生误动（一种解决方案为在CT内侧安装分磁环，通过分流磁通以减少电机启动过程的瞬态影响）；
4.RCD的电流及延时定值偏小，无法满足负荷运行的需求，如：负荷绝缘及接线等均无异常，但测量线路存在真实剩余电流，在夏季或潮湿的环境下更为明显，这主要是由于在长电缆路径下，其对地分布电容产生的剩余电流；
5.RCD应用场合存在问题，如：当负荷为采用IGBTs的变频器等设备时，其运行期间会产生高频泄露电流，容易使RCD发生误动；此外，在一些存在多级配电关系，且无强制要求使用RCD的系统中滥用RCD，也可能由于级间无法有效实现配合而导致RCD误动甚至越级跳闸。
6.RCD本体故障，例如继电器内电解电容老化、CT回路测量电缆开路等。
2.接触电阻对RCD测量回路的影响
2.1故障及检测原理
前文所述的故障原因中，CT开路有时候并不容易测量其特征值，因为这里的“开路”并不一定是回路完全断开，也不一定是持续的故障，它是一种继电器对回路电阻异常的监测概念。得益于部分RCD设置了CT开路的报警点（如某品牌的RH*系列RCD，其报警灯闪亮时即为CT连接故障报警），在故障排查中维修人员可以有针对性的进行检查。
某电厂发生多起RCD动作导致的负荷停运故障，故障灯闪亮，确认为CT回路故障。经维修人员在维持故障态下检查发现，CT位于一次出线的电缆仓内，而RCD位于供电抽屉内，从CT的T1端子到RCD的T1端子之间需经过二次端子001BN等接点，路径长约1.5m。该RCD的CT回路检测功能（见图1）主要逻辑为：自检回路串有一个22.1kΩ的电阻，其向测量回路注入一个大约110µA的恒流信号，通过测量CT的端电压返回数值来判断CT回路连接情况。此RCD配套使用的CT内阻约为22Ω，测量回路的内阻约为29.52Ω。命名R0为CT外回路总电阻，RCT为CT内阻，RJC为测量回路接触电阻，则R0=RCT+RJC。当回路接触良好时，可以认为RJC≈0，则R0≈22Ω。RCD中用于测量CT回路状态的节点“Meas+”和“Meas-”此时测得的电压应为：
Vmeas=110µA×R0×29.52/（R0+29.52）=110µA×29.52/（1+29.52/R0）=1.39mV
由式可知，当CT回路电阻R0增大时，Vmeas是增大的。当CT完全开路，即R0趋于无穷大时，Vmeas约为3.25mV。也从该数据可以看出，CT端电压在正常和故障开路情况下的数值变化很小，需要检修人员仔细测量、分辨，同时应注意使用精度及档位满足要求的测量仪器。
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图1 RH*型RCD的CT连接检测原理
在该电厂内，001BN使用的是国外知名端子品牌的产品，型式为插接式，应用十分广泛。将故障的二次端子取下后发现，其插子接触面有黑色物质。经化验分析，插子主要的成分为Cu-Zn-Sn合金，其中锡为主要导电材料，碳、氧、硅等主要以二氧化硅、碳酸钙等形式存在（见图2）。
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图2 二次端子电子图像及组份分析结果
2.2接触电阻的成因及处理建议
锡及其合金具有良好的导电性，但锡在大气环境下容易被氧化为氧化锡，而氧化锡属于绝缘性质的物质，其质地薄而脆，也是热的不良导体[2]。锡合金导体表面进行插拔操作时会产生磨损，这样磨损的结果未必完全是负面的：适当的操作磨擦会消除导体表面的氧化层，使膜层内部的基体金属暴露出来，而暴露出的基体仍可保持良好的导电性能，因此一般强度的正常插拔操作对端子导电性的影响较小。
相对于滑动磨损，微动磨损对于插子接触电阻的影响更大：滑动磨损仅发生于插子接触面插拔操作时，而微动磨损几乎时时刻刻都在进行，且频率非常高，是研究插子磨损的主要关注点[3]。
电厂环境中，大量的电动机、管道、干式变压器等设备运行时，会产生频率很高的背景震动，这种震动会导致接合的插子接触面高频摩擦，而在导体表面氧化膜不断破碎脱落到从新生成氧化膜的过程中，脱落的氧化物又混合着灰尘中的碳酸钙、二氧化硅等电和热的不良导体形成黑色的堆积物，久而久之使得底层基体无法可靠暴露出来，对插子的导电性能就逐渐产生了明显的影响。对于CT测量回路这样要求毫伏级精度的元器件，接触电阻的影响表现得尤为突出。
针对导体磨损，有行业专家提出一种解决方案，即在插子导体表面涂以润滑保护剂，以延缓磨损及氧化的发生进程。但在实际应用中，涂覆保护剂可能存在以下问题：
1.插子的接口大小仅约1.5mm×1.5mm，一般工具难以深入覆盖整个插子导体部分，不易进行涂覆操作；
2.大型多机组电厂使用二次端子以万计，批量处理较为困难，人力及生产成本较高；
3.保护剂有一定的粘性，易吸附端子内的灰尘，反而导致接触不良。
由于端子磨损在生产环境下是难以避免的，所以从实用角度出发，可以将CT移至抽屉内与RCD直接相连，通过减少RCD到CT之间的测量电缆接口及路径，从根本上减少回路电阻对RCD运行的影响。该方法与其它方案相比，使用材料少，只要抽屉空间允许放置CT，基本可以做到一劳永逸。目前，该方案已在该电厂的部分系统中实施，暂无异常反馈。
3.结束语
CT二次开路的危害众所周知，因此选用带CT开路相关报警的RCD对于设备安全稳定运行还是有积极意义的。另外，虽然CT二次回路中使用接线端子有利于在线维修CT，但应仅限于螺钉式接线端子，而非是本例中插接式端子。从维修经验看，CT回路使用类似端子存在一定隐患，建议进行改造。
此外，考虑到RCD是电子类设备，且其信号注入及测量回路是微安和毫伏级变量，维修人员也应注意设备的防尘清洁工作，尤其在干燥季节，还应做好防静电措施（如盘柜保持接地连续性，配电间地面刷涂防静电地坪等），以免外界微环境对电子板件的干扰。
参考文献：
[1]国家标准化管理委员会.GB/T 13955-2017 剩余电流动作保护装置安装和运行[S].2018：1
[2]张宝根.在镀锡及其合金表面上涂敷润滑剂的保护作用[J].机电元件，1992，12（2）：31-33
[3]袁栋等.电接触材料锡及其合金镀层[J].电子工艺技术，2009，9（30）
作者简介
王德宽（1989年4月），男，汉族，辽宁省大连市，工程师，本科，主要负责发电机组配电设施维护工作。现供职于辽宁红沿河核电有限公司。
论文作者:王德宽
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：回路论文; 测量论文; 电阻论文; 端子论文; 磨损论文; 故障论文; 电流论文; 《基层建设》2019年第28期论文;