零序电流保护与剩余电流保护

为了防止人身间接触电以及配电线路由于各种原因而遭损坏，引起火灾等事故，保证设备和线路的热稳定性，我国现行的电气设计、施工等有关规范都提出了在低压配电线路中需设置接地故障保护。在国家标准GB50054－95《低压配电设计规范》第4.4.10条明确指出了采用接地故障保护的两种方法，零序电流保护与剩余电流保护（亦称漏电电流保护）。这两种电流保护的基本工作原理相同，但使用范围、安装等要求却有所不同）。
零序电流保护具体应用可在三相线路上各装一个电流互感器（C.T），或让三相导线一起穿过一零序C.T，也可在中性线N上安装一个零序C.T，利用这些C.T来检测三相的电流矢量和，即零序电流Io，IA+IB＋IC=IO，当线路上所接的三相负荷完全平衡时（无接地故障，且不考虑线路、电器设备的泄漏电流），IO=0；当线路上所接的三相负荷不平衡，则IO=IN，此时的零序电流为不平衡电流IN；当某一相发生接地故障时，必然产生一个单相接地故障电流Id，此时检测到的零序电流IO=IN+Id，是三相不平衡电流与单相接地电流的矢量和。
剩余电流保护的具体做法是在被测的三相导线路上与中性N上各装一个C.T，或让三相导线与N线一起穿过一个零序C.T，得到三相导线与中性线N的电流矢量和IA＋IB＋IC＋IN，当没有发生单相接地故障时，无论三相负荷平衡与否，则此矢量和为零（严格讲为线路与设备的正常泄漏电流）；当发生某一相接地故障时，故障电流中会通过保护线PE及与地相关连的金属构件，即IA＋IB＋IC＋IN≠0，此时数值为接地故障电流Id加正常泄漏电流。
从以上分析可看出，零序电流保护和剩余电流保护两者的基本原理都是基于基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零，即ΣI=0，并且都用零序C.T作为取样元件。在线路与电器设备正常情况下，各相电流的矢量和等于零（对零序电流保护假定不考虑不平衡电流），因此，零序C.T的二次侧绕组无信号输出（零序电流保护时躲过不平衡电流），执行元件不动作。当发生接地故障是地，各相电流的矢量和不为零，故障电流的零序C.T的环形铁芯中产生磁通，零序C.T的二次侧感应电压使执行元件动作，带动脱扣装置，切换供电网络，达到接地故障保护的目的。
零序电流保护一般适合使用于TN接地系统。因为当发生一相接地时，对TN-S系统Id回路阻抗包括相线阻抗Z1，PE线阻抗ZPE和接触阻抗Zf，即Zs＝Z1+ZPE+Zf；对于TN-C系统，Id回路阻抗包括相线阻抗Z1，PEN线阻抗ZPEN和接触电阻Zf，即ZS＝Z1+ZPEN+Zf；对于TN-C-S系统，Id回路阻抗包括相线阻抗Z1，PEN线阻抗ZPEN，PE线阻抗ZPE和接触电阻Zf，即ZS＝Z1+ZPEN+ZPE+Zf，产生的单相接地故障电流Id＝220/ZS，明显大于无故障时的三相不平衡电流，只要整定合适，就可检测出发生接地故障时的零序电流，以切断故障回路。而对IT系统，一般均是使用对供电可靠性要求较高、对单相接地不必要立即切断供电回路、但需发出绝缘破坏监察信号、以维持继续供电一段时间的工矿企业内的不配出中性线的三相三线配电线路。当单相接地时，该故障线路上流过的零序电流是全系统非故障系统电容电流之和，因而容易检测出接地故障电流，故可用零序电流保护装置来监察相对地第一次接地故障。TT接地系统常应用于工农业、民用建筑的照明、动力混合供电的三相四线配电系统中，常发现三相不平衡电流较大，当发生一相接地时，Id回路阻抗包括相线阻抗Z1，PE线阻抗ZPE，负载侧接地电阻RA和电源侧接地电阻RB，接触阻抗Zf，即ZS=Z1+ZPE+RA+RB+Zf，接地故障电流Id=220/ZS，由于RA+RB＞＞Z1+ZPE+Zf，且RA+RB数值一般均较大，很明显TT系统的故障环路阻抗大，产生的单接故障电流Id，远远小于不平衡电流，很难检测出故障电流，故不适用于TT接地系统。
由剩余电流保护工作原理分析可知，它的保护动作整定电流可以从mA级到A级，有相当高的动作灵敏性，因此剩余电流保护装置对于TN、TT、IT接地系统均可适用。但剩余电流保护适用于TN接地系统中的TN﹣S系统，不能用于TN﹣C接地系统的馈电主干线保护。因为TN﹣C接地系统中保护线PE和中性线N合用一根线PEN、PEN在正常工作时流过三相不平衡电流，当单相接地时产生的接地故障电流Id也从PEN线上流过，剩余电流保护装置根本无法检测出是不平衡电流还是接地故障电流，也就是说，已丧失单相接地故障的检测功能。当用于分干线及末端线中时，如果是TN-C接地系统，则应按TN-C-S或局部TT接地处理，剩余电流保护的动作电流整定值（IΔn）一定要躲开正常漏电电流，才可避免误动作。我们在选用时，对于IΔn数值可根据JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》第14.3.11条进行选择，以适合各种场合和使用要求。
按《低压配电设计规范》要求，对于相线对地标称电压为220V的TN系统三相四线制配电线路接地故障保护，当用过电流保护不能满足人身遭受电击所允许的最大切断故障时间时，宜采用零序电流保护，但保护整定值不应小于该供电线路中最大不平衡电流，当用过电流保护与零序电流保护均不能满足上述要求时，应采用剩余电流保护。 对于TT系统的低压配电线路接地故障保护，当用过电流保护电器不能满足动作特性ZSIA≤50V时，应采用剩余电流保护。
对于IT系统的低压配电线路接地故障保护，当外露可导电部分单独接地时，发生第二次异相接地故障时，故障回路的切断应符合TT系统接地故障保护的要求，当外露可导电部分为共同接地，则发生第二次异相接地故障时，故障回路的切断应符合TN系统接地故障保护的要求。
对于零序电流保护的零序C.T安装，一定要符合有关工艺标准。对于IT接地系统，由于发生单相接地故障时，接地电流不仅可能沿着发生故障电缆的导体表面流回，而且也可能沿着非故障电缆的导体表面流回，故安装时必须将电缆头经零序C.T接地，这样才能保证故障相和非故障相的电容电流通过接地点，即能防止区外故障时保护装置误动作，又能保证故障时装置可靠动作。对于IT接地系统，一般采用在中性线N上安装零序C.T，对在低压侧母排的零序C.T必须安装于中性线N与工作接地点（或重复接地）之间的母排上。如零序C.T安装于配电屏的N线母排上，由于配电屏金属外壳一般直接与接地极相联，当母线发生接地短路时，产生的故障电流Id将沿着配电屏金属外壳→接地线→变压器中性点流动，而不经过零序C.T，达不到所要求实现的保护功能，这一点在现场施工时很容易蔬忽。
从保护的动作灵敏性与使用安全性来说，剩余电流保护高于零序电流保护，并且零序电流保护不能像剩余电流保护应用在单相配电线路上，因此对于三相供配电系统如果零序电流保护灵敏度足够，并且也适合选用该保护装置的场合，为节约资金，可采用零序保护。对于TN�C系统，单相接地故障一般是在PEN上安装零序电流保护装置。由于保护电流整定应躲过PEN上的最大不平衡电流，即在单相接地故障电流小于该整定电流时，零序电流保护装置拒动，有可能引起人身电击和火灾，从这一点上考虑，实际上有关低压配电线路接地保护在IEC标准中已取消了零序电流保护，而我国现行规范还是引入了此保护。不管是零序电流保护，还是剩余电流保护，都是接地保护的措施之一，还必须与等电位联结结合使用，才能起到完善的防电击作用。