考慮相角特征的無(wú)死區(qū)新型觸/漏電保護(hù)技術(shù)

陳義剛，李 浩，范康林，羅明才

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065;3.自貢電業(yè)局，四川 自貢 643000)

電流動(dòng)作型剩余電流保護(hù)裝置(residual current devices，RCDs)，俗稱漏電保護(hù)器，是廣泛應(yīng)用于低壓農(nóng)村電網(wǎng)的剩余電流保護(hù)裝置之一，是防止人身觸電傷亡事故和因漏電事故引起的電氣火災(zāi)等最基本、最重要的保護(hù)手段［1-3］。1928年，德國(guó)人提出的剩余電流動(dòng)作型觸/漏電分?jǐn)啾Ｗo(hù)方法奠定了剩余電流動(dòng)作型漏電保護(hù)器的理論基礎(chǔ)［4］。隨著技術(shù)發(fā)展，在最初的電流動(dòng)作型基礎(chǔ)上，相繼出現(xiàn)了電流脈沖動(dòng)作型、電流鑒相動(dòng)作型等剩余電流保護(hù)裝置，并取得了一定的應(yīng)用成果。但現(xiàn)有漏電保護(hù)器通常是根據(jù)總剩余電流的幅值或幅值變化量大于某個(gè)規(guī)定值而動(dòng)作。就動(dòng)作特性而言，現(xiàn)有剩余電流保護(hù)裝置大多對(duì)觸/漏電故障電流信號(hào)的選擇性不強(qiáng)，均存在一定的保護(hù)死區(qū)。因此，結(jié)合觸/漏電故障電流的固有屬性和特征，研究無(wú)保護(hù)死區(qū)的新型術(shù)難題［1］，具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

漏電保護(hù)裝置，是當(dāng)前工程實(shí)踐中面臨的理論和技針對(duì)漏電保護(hù)裝置的選擇性和動(dòng)作可靠性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究。學(xué)者李奎等分析了觸/漏電故障電流與剩余電流之間的相角關(guān)系，提出了各相剩余電流及其變化量的計(jì)算公式，提出用剩余電流及其變化量作為判據(jù)，進(jìn)行觸/漏電故障保護(hù)的方法［7，8］。學(xué)者李春蘭等在人體觸電電流信號(hào)檢測(cè)方法上開(kāi)展了研究，提出了基于小波變換、混沌理論和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)算法［9，10］。學(xué)者蔡志遠(yuǎn)提出基于剩余電流和漏電阻抗保護(hù)方案，在理論上可避免負(fù)荷投切對(duì)保護(hù)的影響［11］。文獻(xiàn)［12］通過(guò)在線監(jiān)測(cè)泄漏電流和環(huán)境因素變化，自動(dòng)調(diào)整保護(hù)裝置的動(dòng)作閾值，提高保護(hù)裝置的動(dòng)作可靠性。文獻(xiàn)［13］用MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式漏電保護(hù)器。這些研究在算法、特征量和硬件實(shí)現(xiàn)等方面取得一些進(jìn)展，但保護(hù)可靠性、選擇性等方面問(wèn)題仍需深入研究。

剩余電流是指流過(guò)剩余電流保護(hù)裝置主回路的電流瞬時(shí)值的矢量和(用有效值表示)［5］。因電網(wǎng)與設(shè)備的絕緣水平不可能絕對(duì)理想，均存在對(duì)地絕緣電阻和分布電容，因此必然存在一定的泄漏電流。當(dāng)三相泄漏電流不平衡時(shí)，就存在自然剩余電流I0。當(dāng)發(fā)生觸/漏電故障時(shí)，故障電流Ir匯入正常自然剩余電流，形成總剩余電流Ih=I0+Ir，該電流即為裝置檢測(cè)到的電流。可見(jiàn)，現(xiàn)有裝置檢測(cè)到的剩余電流與觸/漏電故障電流是兩個(gè)不同物理量的總和。因三相線路絕緣水平、所接設(shè)備、漏電狀態(tài)可能不同，自然剩余電流的相角是任意的，觸/漏電事故又可能發(fā)生在任意一相，因此，觸/漏電流與自然剩余電流之間的相位差是任意的。觸/漏電流與自然剩余電流間的相位關(guān)系具有不確定性，導(dǎo)致檢測(cè)到的總剩余電流并不一定必然增大。因此，僅檢測(cè)剩余電流幅值或其變化量難以確保保護(hù)裝置正確動(dòng)作，必須考慮相位關(guān)系。

以上分析可見(jiàn)，如果能在檢測(cè)到的總剩余電流中將觸/漏電故障電流與自然剩余電流有效地分離開(kāi)來(lái)，就可能提高保護(hù)的可靠性和選擇性。在研究現(xiàn)有剩余電流保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析剩余電流幅值與相位的關(guān)系，提出了觸/漏電故障電流的分離方法和有效值計(jì)算公式，以及基于DSP技術(shù)的新型觸/漏電保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)方法，仿真證明，該方法可有效地提高漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作可靠性和選擇性。

1 剩余電流保護(hù)原理與保護(hù)死區(qū)

圖1為中國(guó)低壓供電系統(tǒng)采用的三相四線制中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中的電流動(dòng)作型剩余電流保護(hù)原理圖［1］。當(dāng)無(wú)觸/漏電故障時(shí)，電流互感器TA一次側(cè)電流矢量和為零。當(dāng)任意一相有觸/漏電故障發(fā)生時(shí)，有

式中，I為剩余電流，即保護(hù)裝置檢測(cè)到的電流。

從原理上看，剩余電流保護(hù)裝置實(shí)際檢測(cè)到的電流并非觸/漏電故障電流本身，而是包含自然漏電電流在內(nèi)的總剩余電流。如果Irn為保護(hù)裝置動(dòng)作整定電流值，Irp為驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)作的故障電流臨界值，φ為Ir與I0的相位差，則裝置動(dòng)作臨界條件為

圖1 電流動(dòng)作型保護(hù)器原理

根據(jù)式(2)可作出電流動(dòng)作型保護(hù)裝置運(yùn)行特性曲線，如圖2。由圖可見(jiàn)，存在保護(hù)死區(qū)，且存在欠靈敏易拒動(dòng)區(qū)(II區(qū))和過(guò)靈敏易誤動(dòng)區(qū)(III區(qū))，僅在很小范圍內(nèi)滿足保護(hù)特性(I區(qū))［6］。

圖2 電流動(dòng)作型保護(hù)運(yùn)行特性曲線

電流脈沖動(dòng)作型保護(hù)裝置，根據(jù)觸/漏電故障電流為突變信號(hào)的特點(diǎn)，用剩余電流變化量ΔI=|Ih|-|I0|作動(dòng)作判據(jù)，其臨界動(dòng)作條件為

由此可作出電流脈沖動(dòng)作型的運(yùn)行特性曲線，如圖3。與電流動(dòng)作型相比，脈沖動(dòng)作型裝置增加了一個(gè)第2動(dòng)作區(qū)，減小了但未完全消除保護(hù)死區(qū)［4］。

圖3 電流脈沖動(dòng)作型保護(hù)運(yùn)行特性曲線

圖4 電流鑒相型保護(hù)運(yùn)行特性曲線

電流鑒相型保護(hù)裝置，通過(guò)鑒別觸電電流對(duì)剩余電流相位的改變來(lái)獲取信號(hào)，在一定條件下提高了運(yùn)行特性。但該方法假設(shè)人體阻抗為純阻性，觸電電流與觸電相電壓同相位［6］。如果偏離該條件，運(yùn)行特性非理想，如圖4，φD為觸電電流與標(biāo)準(zhǔn)電壓間的相位差。當(dāng)φD在±90°左右時(shí)，觸電動(dòng)作電流非常大，保護(hù)器往往拒動(dòng)。

2 觸/漏電流分離技術(shù)

電流分離型保護(hù)裝置利用觸/漏電流與自然剩余電流的不同特征，將觸電電流從總剩余電流中提取出來(lái)，提取出的信號(hào)僅與觸電電流有關(guān)，從而具有較好的選擇性和更高的可靠性［1，6］。

如圖5，在工頻下，設(shè)故障前后剩余電流間的相角差為θ，由余弦定理可得電流幅值間的關(guān)系為

圖5 合成剩余電流矢量圖

現(xiàn)有保護(hù)裝置不能直接測(cè)量觸/漏電流Ir，而故障前后的剩余電流I0、Ih可直接通過(guò)零序電流互感器測(cè)量。由式(4)可知，如果能確定等式右邊第三項(xiàng)，就可求得Ir的幅值。設(shè)故障前剩余電流為

故障后剩余電流為

將兩者相乘可得

對(duì)式(7)的結(jié)果進(jìn)行平均，有

在數(shù)字式保護(hù)裝置中，對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，積分運(yùn)算可由式(9)實(shí)現(xiàn)。設(shè)檢測(cè)到的剩余電流為i，在發(fā)生觸/漏電故障以前i為自然剩余電流i0，故障后i變?yōu)楹|/漏電流的總剩余電流ih。因此有

其中，M為觸/漏電故障起始點(diǎn);N為一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。有效值平方和為

將式(9)～(11)的計(jì)算結(jié)果代入式(3)，可得觸/漏電流有效值為

3 無(wú)死區(qū)漏電保護(hù)器技術(shù)方案

基于上述原理的新型保護(hù)裝置原理如圖6，由檢測(cè)元件、中間環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和試驗(yàn)裝置構(gòu)成。檢測(cè)元件為零序電流互感器，將剩余電流轉(zhuǎn)換為中間環(huán)節(jié)可以接收的電壓或功率信號(hào)。中間環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。DSP芯片讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)受中間環(huán)節(jié)的指令控制，用以切斷主回路電源。試驗(yàn)裝置用以檢驗(yàn)保護(hù)器能否正常動(dòng)作。核心部分是中間環(huán)節(jié)，關(guān)鍵在于對(duì)采樣信號(hào)的數(shù)字處理。為進(jìn)行如式(9)的乘法運(yùn)算，以某采樣時(shí)刻前一周期數(shù)據(jù)與后一周期數(shù)據(jù)相乘。采用滑動(dòng)窗口計(jì)算，每次滑動(dòng)步長(zhǎng)設(shè)為H。H設(shè)置為大于DSP芯片單次計(jì)算觸/漏電流有效值的時(shí)間(主要由DSP芯片的計(jì)算速度決定)。

圖6 漏電保護(hù)裝置組成框圖

圖7 漏電保護(hù)裝置工作流程圖

圖7為保護(hù)裝置工作流程圖，步驟如下。

①對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行初始化設(shè)置，包括額定動(dòng)作值Irn、單次相乘周期數(shù)、滑動(dòng)步長(zhǎng)H等;②采集剩余電流波形，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將所采集的波形轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并送入緩存器暫時(shí)存儲(chǔ);③當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于2倍單次相乘周期數(shù)時(shí)開(kāi)始計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果大于額定動(dòng)作值，發(fā)保護(hù)動(dòng)作信號(hào);否則，進(jìn)入步驟4);④以相同計(jì)算窗口長(zhǎng)度延后步長(zhǎng)H繼續(xù)計(jì)算。

表1 仿真結(jié)果及誤差

表2 對(duì)比結(jié)果

圖8 觸電電流的檢測(cè)

4 仿真驗(yàn)證

4.1 檢測(cè)精度

在通用PSCAD/EMTDC中進(jìn)行低壓電網(wǎng)人體觸電仿真，得數(shù)據(jù)樣本，然后在Matlab提取人體觸電電流有效值。仿真中采用 IEC 60990推薦模型［14］;采樣頻率為5 kHz，即每周期采樣N=100點(diǎn);前后相乘周期數(shù)取為1;滑動(dòng)步長(zhǎng)H取0.2 ms，即一個(gè)采樣間隔。

圖8給出了兩個(gè)觸電電流檢測(cè)算例。圖8(a)、(b)中，第一圖為觸電電流Ir，第二圖為剩余電流I，第三圖為所提方法檢測(cè)出的觸電電流有效值Irms變化波形。當(dāng)有觸電發(fā)生時(shí)，Irms開(kāi)始上升，經(jīng)一個(gè)前后相乘周期數(shù)達(dá)到最大值(檢測(cè)結(jié)果)。Ir越大，Irms上升越快，越早達(dá)到額定動(dòng)作值，具有反時(shí)限特性。仿真結(jié)果如表1，表中以C相電壓相位為參考相位。可見(jiàn)，無(wú)論自然剩余電流、觸電電流、觸電后總剩余電流三者之間相位關(guān)系如何，所提方法均能準(zhǔn)確檢測(cè)觸電電流，相對(duì)誤差不超過(guò)10%。樣本2和3誤差較大主要是由于該樣本觸電電流的尖峰較大，加入適當(dāng)?shù)臑V波環(huán)節(jié)消除高頻分量或增大前后相乘周期數(shù)平均電流尖峰的影響，可進(jìn)一步減小誤差。

4.2 與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比

假設(shè)某低壓配電網(wǎng)中自然剩余電流為I0，如圖9(a)。若A相人體觸電，觸電電流為Ir，α為Ir與觸電相電壓間的相角差，則此時(shí)總剩余電流Ih幅值增大，如圖9(b)。如果發(fā)生B相或C相人體觸電，此時(shí)Ir與I0夾角較大，如果兩者幅值又相差不大，Ih很可能在幅值上變化不大甚至無(wú)變化，如圖9(c);也可能Ih不僅不增大，反而減小，如圖9(d)。這里針對(duì)這幾種可能分別進(jìn)行仿真，用所提方法和現(xiàn)有方法進(jìn)行檢測(cè)并比較。

圖9 I0、Ir、Ih可能分布情況向量圖

仿真與比較結(jié)果如表2。可見(jiàn)，現(xiàn)有方法的誤差較大，且均存在誤動(dòng)和(或)拒動(dòng)現(xiàn)象。電流動(dòng)作型，當(dāng)I0超過(guò)額定動(dòng)作值時(shí)，無(wú)法投入運(yùn)行;當(dāng)Ir與I0夾角較小時(shí)，即使Ir幅值未達(dá)到動(dòng)作值，Ih可能已經(jīng)超過(guò)動(dòng)作值，可能誤動(dòng)，如樣本7;當(dāng)Ir與I0夾角較大時(shí)，即使Ir已經(jīng)超過(guò)動(dòng)作值，Ih可能小于動(dòng)作值，導(dǎo)致拒動(dòng)，如樣本9。脈沖動(dòng)作型，當(dāng)觸電事故前后剩余電流幅值不變或變化不大時(shí)，檢測(cè)失效;如果此時(shí)實(shí)際觸電電流Ir超過(guò)動(dòng)作值，可能拒動(dòng)，如樣本9和11。電流鑒相型，當(dāng)Ir與標(biāo)準(zhǔn)電壓的相角差為±90°左右時(shí)，即使Ir幅值很大，檢測(cè)結(jié)果也很小，易拒動(dòng)，如樣本12;而當(dāng)Ir與 I0夾角為180°左右時(shí)，易發(fā)生誤動(dòng)，如樣本10。比較可見(jiàn)，所提方法檢測(cè)精度高，誤差小于1%，無(wú)論自然剩余電流大小、相位關(guān)系、總剩余電流幅值變化大小，均能準(zhǔn)確檢測(cè)出觸電電流有效值，可避免拒動(dòng)、誤動(dòng)，無(wú)保護(hù)死區(qū)，保護(hù)選擇性和可靠性好。

5 結(jié)論

1)揭示了自然剩余電流與觸/漏電故障電流間存在的相位關(guān)系是導(dǎo)致保護(hù)裝置存在保護(hù)死區(qū)的重要原因之一。為此提出了基于觸/漏電流分離方法進(jìn)行保護(hù)的思想，具有先進(jìn)性和可行性。

2)提出的基于相角關(guān)系的觸/漏電流分離技術(shù)和基于DSP的觸/漏電電流有效值提取方法，無(wú)論觸/漏電電流與自然剩余電流間的相角關(guān)系如何，也無(wú)論故障后總剩余電流幅值增大還是減小，所提方法均能準(zhǔn)確檢測(cè)出觸/漏電流，消除了保護(hù)死區(qū)，可避免誤動(dòng)或拒動(dòng)問(wèn)題。

3)仿真表明，所提方法對(duì)觸/漏電故障電流的檢測(cè)精度高，算法簡(jiǎn)單，可更好地滿足實(shí)際漏電保護(hù)器要求。

結(jié)合工程應(yīng)用的實(shí)際需要，利用所提方法開(kāi)發(fā)新型漏電保護(hù)裝置是下一步的研究?jī)?nèi)容。

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