【IBE】深度剖析 | 剩余电流故障分析与快速排查
前言
电气火灾监控探测器报警无法消除问题在各项目中较为常见。电气火灾监控探测器报警归根结底是剩余电流值超过设定值引起的，从项目整体看剩余电流值超过设定值问题成因多、涉及回路多、相互影响多、随末端负荷应用情况变化快、排查难度大，在项目交付后遗留问题多，是较难根治的电气问题之一。
本人结合某项目剩余电流故障排查工作，深入浅出地对剩余电流的成因、分析、排查及预防进行阐述，建立排查典型模型及快速故障排查及快速故障解决工作流程，便于读者后续更好地开展好剩余电流故障的预防与排查工作。
一、项目背景
某国际项目地上8层，地下1层，建筑类型为精装住宅，主要设备房设置地下1层，每层10~12户。户内设总开关（2P）、照明回路（1P）、分体空调（室内是卧式暗装管道式内机）回路（1P）、浴霸回路（2P带剩余电流保护）、厨房区插座回路（2P带剩余电流保护）、生活区插座回路（2P带剩余电流保护）；照明回路在床头及入户处按主灯、灯带分回路双控。非消防回路在低压配电室出线处设电气火灾监控探测器，报警定值每回路不大于300mA。配电室至竖井供电每4层一回路，T接供层箱后箱12户分别采用单项220V供电，项目竣工阶段发现漏电报警装置多处报警，剩余电流值很大（10A），层箱总开关关闭后,层箱处仍可测到2A的剩余电流值，多户剩余电流值较大，排查难度大。
二、剩余电流的产生
剩余电流是指低压配电线路中各相(含中性线)电流矢量和不为零的电流。其产生的原因通常包括设备、线路的正常泄漏电流、设备、线路因绝缘故障产生的电流，供电系统中由于非全相整流负荷等原因引起的直流分量也会表现为剩余电流。
2.1设备线路产生的正常泄漏电流
用电设备因生产工艺、调压变频等原因会存在剩余电流，典型泄漏电流限值详见下表1-4[1]。
表1:≤1kHzPE导体交流泄漏电流的限值
表3:220/380V单相及三相线路穿管敷设电线泄漏电流参考值单位:mA/km
表4:电动机的泄漏电流参考值
因此，应结合设备负荷分布情况合理设置剩余电流互感器位置，以避免不必要的误报；《火灾自动报警系统设计规范》GB50116[2]也明确规定，剩余电流式电气火灾监控探测器应以设置在低压配电系统首端为基本原则，宜设置在第一级配电柜（箱）的出线端。在供电线路泄漏电流大于500mA时，宜在其下一级配电柜（箱）设置。选择剩余电流式电气火灾监控探测器时，应计及供电系统自然漏流的影响，并应选择参数合适的探测器；探测器报警值宜为300mA～500mA。
因此结合本项目情况，从设备总体数量、允许限制及后续故障检修与排查角度考虑，电气火灾监控探测器应设置在层箱为宜，探测器报警值宜为300mA。
2.2设备线路绝缘受损产生的接地故障电流
在供电系统线路敷设过程中，线路在穿管、沿桥架敷设中刮伤线缆、接线盒盖板安装中螺丝压破线缆及电线电缆头制作过程中绝缘恢复不合格如图1-5。设备绝缘损坏可能造成回路剩余电流值超过限制，当设备、线路泄漏电流超出限值后属于产品质量、安装质量问题，需要进行维修、更换，确保剩余电流指标合格。
绝缘恢复不合格图示（图1-图5）▼
2.3接线错误造成的剩余电流（N、PE混接）超过限制如图6
图6L、N导体混接
三结合项目问题的具体分析
故障电流可能产生的回路部位主要集中在如图7中①-⑥所示，各故障点为故障表现如下：
图7回路中常见剩余电流产生的位置
3.1绝缘损坏发生在点①
3.1.1 MCB保护特性：
当①接地电阻或回路阻抗≤
，照明回路C型MCB短路保护跳闸；
当①接地电阻或回路阻抗＞
，＜
时，照明回路C型MCB可能工作在短路保护跳闸，也可能工作在过载保护；
当①接地电阻或回路阻抗＞1.1
时，照明回路C型MCB工作仍工作在过载保护；
当①接地电阻或回路阻抗≤
时，照明回路C型MCB工作将正常工作，回路中存在大小为
（
为①点的接地电阻）的故障电流,回路能耗增加Q=
t；
3.1.2 消防隐患风险：故障电流值＞300mA时，即
＜733Ω时，存在电气火灾风险（规范50116第9.2.3条文说明指出，泄漏电流达到300mA可能引起火灾的特性[2]）；
3.1.3 特点：MCB分断后故障电流才能被消除，故障电流与各分路开关的开合状态无关；
3.2绝缘损坏发生在点②
3.2.1 MCB保护特性、消防隐患风险同①：
3.2.2 特点：回路剩余电流值是否被消除受照明回路MCB、照明回路总开关及故障点②分回路开关决定，无故障照明分回路开关状态对剩余电流值无影响；
3.3绝缘损坏发生在点③
3.3.1 MCB保护特性同①；
3.3.2 消防隐患风险：
③处绝缘受损存在接地故障时，照明回路产生的剩余电流值表现为分流效应，分流值为
（
为③处的总接地电阻）;其他回路（空调、浴霸、插座）的正常电流在中性线上除可按正常通道经上级中性线回到电源测中性点外，还可以经故障点③形成剩余电流,最终经③处流出的剩余电流值为
（R2.5+10+185为回路中各规格导线电阻之和），当
≥300mA时，存在电气火灾风险。户内总箱总功率为5.5kW，
=25A,户内部分N导体与PE导体等截面，按2.5mm毫米导线计算【
=7.41Ω/km=0.44Ω（60米）；
=1.83Ω/km=0.09Ω（50米）；
=0.0991Ω/km=0.06Ω（60米）】，取
=0.44Ω，
≤
=36.76Ω时剩余电流会超过300mA；因此，当采用照明回路剩余电流定性分析时，如果照明回路③处的剩余电流值
≥1.185%
（将计算求得的可使故障电流大于300mA的
电阻值36.76Ω带入
），回路存在电气火灾风险（300mA剩余电流时对应的
值代入照明回路漏电分流值：根据并联电路分流公式，
），本项目照明回路工作电流约2A，即照明回路漏电大于23.67mA（
≥1.185%
）时，存在电气火灾风险；可以看到，N导体接地故障点电阻大于36.76Ω时即可保证照明回路剩余电流值小于23.66mA，因此根据照明回路的剩余电流值较低（仅23.66mA）就认为中性线N只是绝缘破损并不严重的判断是错误的。
3.3.3 特点：
1)单独开照明回路，剩余电流值不大，但房间内所有回路的启停都会按负荷电流的一定比例影响剩余电流值的大小；
2)对于
≤36.76Ω的故障点，当主干线N导体有10A工作电流时，层箱会有反向分流，N线电流方向为从层箱至户箱再到故障点③的反向电流，故障点分流约0.006/（0.006+36.67+0.44+0.44+0.09）=0.0198%,分流值为1.59mA；
3)此时如断开照明回路的中性线，照明回路仍有L-灯具-故障点-等效PE的回路，最终形成灯具与故障点的串联回路，照明回路全开式等效电阻
，此时照明驱动电源处的分压为220*110/（110+36.67）=165V，小于驱动电源的最小工作电压170V，照明回路无法点亮；
4)了解了③处的分流特性后，可以演化出主干线存在较大分流时的反向侦测手段；层总开关断电后，干线中性线存在三相不平衡电流为10A时，如可在图8测量点II处测到层总箱进线中性线存在100mA的反向剩余电流，即1%分流，对应以上电流模型可计算出等效接地电阻为R=0.008*100-（0.008+0.2）=0.5Ω；即本层存在一个仅0.5Ω或多个并联等效电阻为0.5Ω的接地故障点;这种回路还表现出如下特点：单独开照明回路剩余电流值较大，断开户箱内照明回路中性线后，灯具仍能被点亮；
图8层总箱与分箱布置图
5)④⑥处绝缘受损同③处，⑤处绝缘受损同①处，再出不再赘述。
3.4剩余电流的平衡归零现象
在剩余电流的检查和测试中还有一个现象，例如某配电箱有20个回路，每个回路都有20mA的剩余电流值，总剩余电流值为90mA，而非400mA；再如某配电箱有20个回路，每个回路在开启浴霸、空调后均约有300mA的剩余电流值，总剩余电流值为500mA，而非6000mA；归根结底是因为在三相电源系统中，剩余电流在测量处因三相平衡效应而无法检测到；但这并不说明剩余电流不存在；（例如2.2中的图2、图3、图4处如存在足以引发电气火灾的300mA以上的剩余电流；1处测量点因平衡效应无法检测到）
如合上图8层总箱中1号分箱回路开关，检测到300mA∠0°的剩余电流值，送上2号分箱回路开关后，增加300mA∠120°的剩余电流值，最终表现为300mA∠60°的剩余电流值，如继续闭合3号分箱回路开关，增加300mA∠240°的剩余电流值，其值与2、3回路和向量300mA∠60大小相等、方向相反，最终表现为0mA，从数值上造成3个回路剩余电流值最终为0的误判，未能有效排查出问题回路；且容易造成测试者对表具精度产生怀疑和疑惑，放弃进一步检查。
因此消除剩余电流不利影响，必须逐回路测试，逐回路消除风险的同时，也避免平衡效应对测试回路的影响。
四剩余电流的快速排查与抽查验收
了解了上述剩余电流的成因和原理后结合不同故障点处的技术特点，本人总结了一套快速有效的故障分析排查流程，需要使用的检查设备详见表5；
表5：剩余电流故障排查常用设备
4.1排查特大的剩余电流（N导体存在对地金属短接的故障）：
层箱拉总闸（3P，MCCB），单测进线中性线电流值，如中性线有电流（800mA），用二分法测量所有出线回路N导体，具体方法如下，快速确定有电流的出线回路（假设本层配电箱共有12路中性线出线）；
7、8、9回路故障类型对应为图7中，③⑥⑧处金属性接地故障，表现为中性线断开时照明可正常点亮；关段7回路对应户内总开关（2P），剩余电流消失，说明7回路故障点在③⑥处；闭合7回路户内总开关采用钳形电流表经V处测试，如测到345mA说明7回路故障点在③、如在VI处到345mA，说明7回路故障点在⑥，如在V处测到245mA，VI处测到100mA，说明7回路在③⑥均存在故障；关段9回路对应户内总开关（2P），剩余电流不消失，说明9回路故障点在层总箱至户箱之间的线路上；
以上故障点故障点的电阻很低（0-50Ω）的故障点，故障电流大，应立即进行修复；
第8回路的中性线经摸排为非本配电箱供电回路的中性线错接至本箱，这也是一类引起剩余电流报警器误报的主要原因。
对于层箱总开关为4P进线的，可对总开关送电，将所有分开关断电测试结论与以上测试结果基本一致，但对于发生在层箱总开关与层箱出线开关之间的故障点可能存在检查盲区，应注意专项排查。
4.2排查较大的剩余电流：
排除或断开以上故障回路与系统的中性线连接后，总开关断电时，进线L1、L2、L3、N电流均归0，将层箱总开关送电，确认将所有房间照明全部打开（照明负荷为稳定负荷，在断电回复供电可正常工作，空调、浴霸等设备断电后通常无法自动进入工作状态）后，将所有出线开关断电，逐个回路逐一送，测量每个回路的剩余电流值，并记录剩余电流值。此时最好2人带对讲机协同操作，1人送电记录，另1人找到被送电户后依次开启空调、浴霸，五层排查详见表6；
表6：5层总箱剩余电流排查
4.2.1表中房间501的漏电类型为：剩余电流值较小，受照明开关控制，不受其他回路负载影响的①型剩余电流故障，短期内无电气火灾风险；但测定该回路所有灯具泄漏电流之和为2mA，剩余15mA均来自导线绝缘损伤，经计算可知，该回路线路绝缘故障点等效电阻约为0.0146MΩ，远低于规范要求的线路绝缘电阻值不低于0.5MΩ的要求，随着时间的推移绝缘故障可能随发热、绝缘老化等原因加剧；因此该回路的剩余电流仍应进一步监督并及时维修。
4.2.2表中房间507的漏电类型为：剩余电流值较大，受照明开关控制，不受其他回路负载影响的①型剩余电流故障，存在电气火灾风险，需立即修复；
4.2.3表中房间510的漏电类型为：剩余电流值较大，不照明开关控制，受其他回路负载影响的③型剩余电流故障，存在电气火灾风险，需立即修复；
4.2.4表中房间512的漏电类型为：仅照明回路剩余电流值较小，其他回路送电后剩余电流值上升明显，存在电气火灾风险，需立即修复。
4.3打开问题户箱门，对户箱处剩余电流值问题回路进行进一步测试
闭合户内总开关采用钳形电流表经图7，V处测试到剩余电流，表明①③点可能存在故障；如在VI处测到剩余电流值，表明⑤⑥点可能存在故障；
仅给照明回路供电，如果剩余电流值随照明回路翘板开关的通断而显著变化，说明①处存在故障（含设备处的N与PE反接）；
给照明回路供电后，仅增加打开浴霸，因浴霸回路设有30mA，0.1S的剩余电流保护器，如浴霸回路开关未动作，但引起户箱剩余电流显著增加，说明图7中③点；
以上操作可同理用于确定空调回路的故障点。
4.4线路检查，故障点位的确定
如锁定的剩余电流产生在设备、线路，应优先检查设备剩余电流值是否正常、接线是否存在N\PE错接的问题（如图6）；排除设备及接线问题后，使用导线临时替换掉疑似故障处导线（替线法），如故障消失即可锁定该段线缆存在问题；对问题导线进行绝缘检查，如问题发生在导线连接处（如图1~2），可重新恢复绝缘，如线缆发生破损的如图（3~5），应更换问题线路，以绝后患。
如锁定的剩余电流产生在中性线（N），因所有设备的中性线均相互连通管，排查难度较大；以照明回路为例，应采用二分法，取照明回路的中点断开，以确定故障点在分点前后；配合合理使用替线法，可逐步锁定问题接头或导线，对问题接头绝缘回复或更换问题导线。
利用二分法后确定绝缘故障的技术方法可采用绝缘摇测法和剩余电流法，两种方法应互为补充使用，各方法的特点详见表7；
表7：故障点确认方法对比
五剩余电流故障的质量预控措施
故障的排查和处理属于事后处理，不应成为解决问题的主要手段，做好预控管理，避免故障的发生才是质量管理的正确方式，具体方法如下：
5.1保证线缆、导线接头处的绝缘质量
5.1.1布管应与穿线梳理规格匹配，线路较长或转弯增多时应加设过线盒；加强管口毛刺清理，特别是现场加工断开管路处（图9）；同时镀锌管内部因加工工艺造成的毛刺也需要特别关注（图10），可采用螺纹钢穿入钢管内做打磨处理；金属管路应确保管路的等电位体系可靠，便于在绝缘摇测环节发现线路的绝缘故障；
图9：管道切管后的毛刺未清理
图10：镀锌钢管内壁毛刺
5.1.2桥架敷设中应尽量采用成品三通，在转弯处采用倒角、圆弧角转弯，不采用直角转弯避免挂上导线，现场加工的弯头及桥架断面应注意毛刺清理，避免划伤导线；桥架与支架间的固定螺栓应采用圆头螺栓，螺母应设置桥架外侧。
5.1.3布线的质量要求
1）检查线缆的绝缘质量，确保合格后方可使用；
2）导线敷设前应对管口安装护口进行防护；
3）配电箱安装时应将回路的N线、PE线对应做好回路标签，以便后续线路检查中快速获取同一回路的L、N、PE线；
4）新型装配式管线一体化线缆（减少穿线造成的线缆绝缘破损），如图11，及已纳入建筑业10项新技术[3]中的导线连接器[4]（减少导线连接处的绝缘破损）、可挠金属管（减少导管焊瘤毛刺，过多短管接长处毛刺造成的线缆绝缘破损）有利于减少布线系统绝缘受损的发生，建议推广使用。
图11：装配式管线一体化线缆
5.2
绝缘摇测的真实、有效开展
5.2.1绝缘摇测对线路绝缘检查至关重要，应加强现场设备安装前及送电前的绝缘摇测；按照《建筑电气与智能化通用规范》GB55024[9]要求，低压线路送电前的绝缘电阻值应不小于1MΩ，对应线路剩余电流值仅为
=0.22mA；因此正确有效的绝缘摇测可以满足剩余电流的安全管理。
图9：线路绝缘摇测
5.2.2现场发现绝缘破损多发生在导线与管路或桥架之间，绝缘摇测中只按规范要求进行相间、L-N、L-PE、N-PE检查，无法发现此类故障，因此还应增加各相对金属导管、PE对金属导管、N对金属导管的绝缘摇测，以检验各导线与金属导管之间的破损。
5.3
剩余电流测试的有效开展
剩余电流的平衡归零效应可以看出，剩余电流报警器不报警并不意味着不存在问题回路，因此剩余电流的检查不应是遇到消防系统报警后的整改排查，而应像绝缘摇测一样作为过程中的一个检查验收环节，从末端一个个回路逐步逐级排查，这样才能切实保证项目的电气消防安全；
5.4
插座回路应进行带负载测试
插座回路为开端回路，当没有设备使用时，没有工作电流的产生，进而也无法验证回路是否存在随工作电流增加的分流式的剩余电流检验，因此应对插座回路接入负载（如电烧水壶）进行测试，如果引起了回路剩余电流保护器的动作，说明插座回路存在剩余电流故障，应立即维修。
