漏电流与剩余电流

徐首旗

　　十几年前，当笔者刚跨入低压电气领域时，“漏电保护器”这个名词就困扰了我很久。因为，老工程师们告诉我，它叫“漏电保护器”，可是查看它对应的国家标准 GB16917.1-2003后（这里说明一下，这个版本现在已经作废，被更新的版本替代了），它又不叫“漏电保护器”了，它有了一个更深奥的名字“剩余电流断路器”，这个名称在国际电工协会的标准IEC61009.1-2010中（这个版本现在同样也被更新的版本替代了）对应的英文名称是Residual Current operated Circuit Breaker。后来，我又发现，类似的产品在北美的标准UL943中的名称是Ground Fault Circuit-Interrupters， 翻译过来是“接地故障断路器”。

　　（这里我又想多说几句，对比GB16917和IEC61009，很多人觉得国家标准就是翻译IEC标准来的，起初我也是这么理解的，可是多年后我才知道，其实由于中国是IEC协会的成员国，制定英文版的IEC61009时，中国对应的标准专家也是有参与其中的，当IEC标准成稿后，IEC所有成员国都会直接采用英文版本或者翻译成本国语言版本，并且还会根据自己国家的特点，在标准中加入特殊要求。）

　　有很多人说，漏电保护器就是剩余电流断路器，这种说法我觉得对也不对：对是因为目前这两种名称对应的产品确实是一样的；不对的原因是漏电和剩余电流不是一个维度的概念。漏电，指的是在应用端，由于直接或间距触电，或者是设备绝缘破损，造成有电流流入大地中，这部分电流是漏电流，这个和北美标准中说的“接地故障”比较类似；而剩余电流，并不是特指哪个电流，而是火线电流与零线电流的矢量和。下面，我们就来“较真”地分析一下，漏电流与剩余电流的区别。

图1：漏电流的发生

　　如上图，当一个人接触了火线后，由于火线对地存在电势差，那么就会有电流从火线来，通过人体流入大地，这个电流IG就是漏电流。而剩余电流是指，火线电流与零线电流的矢量和，IL+IN。这里我们要明白，交流电流的方向是周期性变化的，中国境内交流电的频率是50Hz，简单理解就是，某10ms，电流是从火线流向零线，下一个10ms，电流改变为零线流向火线。所以，当漏电流IG=0时，IL与IN总是大小相等，方向相反，所以剩余电流IL+IN=0；当IG≠0时，IL 与 IG+IN的矢量和为0，那IL与IN的矢量和IL+IN=- IG，也就是说，剩余电流等于- IG。

　　通过这样的描述，也许你也对漏电流和剩余电流的区别有了一定的概念。接下来，我们继续深入探讨一下剩余电流都会有哪些形态。

　　在标准GB/T 16917.1（对应IEC 61009.1）中，剩余电流的形态有以下几种，分别是：交流剩余电流（简称AC）、电流滞后角为0°的剩余电流（或称为半波剩余电流）（简称A0°）、电流滞后角为90°的剩余电流（简称A90°）、电流滞后角为135°的剩余电流（简称A135°）以及电流滞后角为0°同时叠加6mA平滑直流的剩余电流（简称A0°+6mA）。

　　在标准GB/T 22794（对应IEC 62423）中，又考虑了几种新的剩余电流形态，分别是：150Hz交流剩余电流、400Hz交流剩余电流、1000Hz交流剩余电流、交流叠加直流剩余电流（简称AC+DC）、两相供电整流电路产生的脉动直流剩余电流（简称2PDC）、三相供电整流电路产生的脉动直流剩余电流（简称3PDC）、平滑直流剩余电流（简称SDC）以及复合剩余电流（简称F型波）。

　　是不是难以想象，一个简单的漏电，怎么会有这么多种形态的剩余电流，接下来我们就探索一下这些电流的波形特征和产生的原因。

　　交流剩余电流（简称AC）：波形特征就是交流，产生的原理很简单，就是漏电发生在交流电压处。

　　电流滞后角为0°的剩余电流（简称A0°）：波形特征为半波整流后的脉动直流，对应的漏电发生在半波或全部整流后。

　　电流滞后角为90°的剩余电流（简称A90°）：波形特征为A0°波形的右半部分（90°~180°部分），对应的漏电发生在半波或全部整流后，整流滞后角为90°。

　　电流滞后角为135°的剩余电流（简称A135°）：波形特征为A90°波形的右半部分（135°~180°部分），对应的漏电发生在半波或全部整流后，整流滞后角为135°。

　　电流滞后角为0°同时叠加6mA平滑直流的剩余电流（简称A0°+6mA）：波形特征为A0°波形被直流抬升6mA，这种情况一般是漏电发生在了多负载上，一个负载上漏电发生在整流后，一个负载漏电发生在滤波后。

　　150Hz交流剩余电流：波形特征为交流，频率是150Hz，对应的漏电发生在变频器输出端交流处。

　　400Hz交流剩余电流：波形特征为交流，频率是400Hz，对应的漏电发生在变频器输出端交流处。

　　1000Hz交流剩余电流：波形特征为交流，频率是1000Hz，对应的漏电发生在变频器输出端交流处。

　　交流叠加直流剩余电流（简称AC+DC）：波形特征是交流波形被直流抬升，这种情况一般是漏电发生在了多负载上，一个负载上漏电发生在交流电压处，一个负载漏电发生在滤波后。

　　两相供电整流电路产生的脉动直流剩余电流（简称2PDC）：波形特征是一个周期（20ms）有两个半波整流波峰，有0点，对应的漏电发生在两相供电整流后。

　　三相供电整流电路产生的脉动直流剩余电流（简称3PDC）：波形特征是一个周期（20ms）有三个半波整流波峰，无0点，对应的漏电发生在三相供电整流后。

　　平滑直流剩余电流（简称SDC）：波形特征是平滑直流，对应的漏电发生在整流滤波后，由于滤波电容的存在，漏电呈直流。

　　复合剩余电流（简称F型波）：波形特征是多个交流的混合波形，如图2。

　　通过上述的描述，我们可以想象，剩余电流的波形，有一些是应用中确实会出现的，如AC、A0°，2PDC、3PDC，一旦类似应用漏电发生时，波形特征与描述一致。有一些是模拟现实应用中的一些典型应用，如150Hz、400Hz、1000Hz、A90°、A135°、SDC、F型波形等，这些在现实应用中，应用漏电发生时，不一定与这些描述一模一样，如频率可能不是150Hz、400Hz或者1000Hz，整流滞后角不一定是90°或135°，整流滤波后不一定是纯平滑直流，电动机启动时，波形特征不一定与图2一致。所以，我们可以想象，漏电波形可能是无穷多种，且与负载有直接关系。

　　下面，我们一起看一下通过某仿真软件模拟的部分漏电情况和波形特征。

　　说了这么多剩余电流波形特征，你是不是会担心漏电保护器真的都能起到保护作用？是否有一台设备能够全面测试漏电保护器的保护特性呢？答案当然是肯定的。

　　图3所示的就是能够全覆盖GB/T 16917.1 （IEC 61009.1）和GB/T 22794 （IEC 62423）等标准中关于剩余动作电流测试的设备，eMorse剩余电流测试台，由上海盛位电子技术有限公司设计和制造。

　　从面板上你就能看到，它覆盖的波形有AC、A0°、A90°、A135°、2PDC、3PDC、SDC和F型复合波，它覆盖的频率有50Hz、60Hz、150Hz、400Hz、600Hz、700Hz、1kHz、2kHz和3kHz，同时支持可调直流叠加，根据剩余电流大小有最大500mA、5A、10A和30A等不同的产品。

图3：eMorse剩余电流测试台

　　对于自动化测试，这台测试台也是支持的，通过eMorse配套软件自动控制测试台硬件的上电及剩余电流加载，以及对自动重合闸等工装的全面控制，可以实现高速全自动测试，尤其对于A型及B型剩余电流保护产品这种测试条目较多的，相比传统纯手工测试可以提高2—3倍以上的效率。同时，软件控制的全自动测试可以保存每次测试的详细内容，方便质量追溯及故障原因分析。

　　由于测试台的卓越性能，目前已被众多低压电气制造企业、充电桩制造企业以及权威认证机构采用，作为他们的研发、生产和实验室内不可或缺的关键设备。

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