低壓漏電保護新技術研究

歐陽麗

(國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510530)

低壓漏電保護新技術研究

歐陽麗

(國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510530)

從漏電保護和漏電保護器的基本概念入手，簡要介紹了漏電保護器的工作原理，針對現有低壓漏電保護技術的局限性，對漏電保護新技術進行了探討，并且提出了低壓漏電保護技術的發展方向。

低壓漏電保護；選擇性保護；新技術

0 引言

隨著社會經濟的跨越式發展，對能源的利用變得越來越多，而電力在能源中占據著不可忽視的重要地位。隨著經濟全球化和人們物質生活的不斷改善，人們對于家用電器的需求也越來越大，因此便出現了很多的不安全因素，電氣事故的發生也會帶來生命和財產損失。由此可見，保障用電安全是必須重視的問題，并且需要專門的工作人員參與到用電安全的理論和實踐研究當中，通過應用最新的科學技術，達到安全、經濟、科學、低碳用電的目的。漏電保護工作是保障用電安全的重中之重，因為漏電是一個非常普遍的現象，我國面臨著嚴重的漏電安全的威脅，無論是理論方面的研究，還是漏電保護設備的生產，甚至相關的制度建設都是急需推進和改善的。

1 漏電保護和漏電保護器的基本概念

由于某種原因電氣設備的外殼和火線連接在了一起，特別是那些金屬外殼的用電設備，很容易和大地形成一個未知的電勢差，這種由于其他非正常原因導致用電設備外殼和大地形成未知電壓的現象，就叫做漏電。導致漏電的因素有很多，可能的原因包括有些用電設備的制造故障或者零火線反接，也有可能是電路板處在一個潮濕、灰塵較多的環境所致，針對這樣的一種現象，設置恰當的保護裝置，監測漏出電流(剩余電流)的變化，當其達到最大值時通過該裝置切斷電源，可保護整個電路的安全，避免人為的觸電。像這種遇到較大的漏電電流時能及時切斷主線和支線開關的裝置就叫做漏電保護器。隨著電氣設備的增多，漏電保護器扮演著非常重要的角色，因此我國某些地方在20世紀70年代中期曾強制用電單位或者家庭用電安裝漏電保護器，以保證用電安全。漏電保護器可以運用在很多領域，比如民用住宅、變電站、煤礦低壓漏電系統等，一般我們將其分為漏電保護開關、漏電保護插座、漏電保護繼電器3種類型。

2 漏電保護器的工作原理

對于我國民用低壓用電系統來說，漏電保護器就是在家電設備運行過程中發生較大漏電事故時能在規定時間內切斷電源的設備，其具體的工作原理是：首先安裝漏電保護器，使得某一段線路或者特定的電網被保護，在被保護的電網內如果發生漏電現象，會在第一時間被漏電保護器監測到漏電信號，每一個漏電保護器都有一個額定動作電流，如果監測到的漏電電流小于這個額定的動作電流，那么漏電保護器不會發生任何動作，但是如果監測到的漏電電流超過了額定的電流，這樣的漏電電流會流過漏電保護器中的感應線圈(零序電流互感器)并產生電動勢，根據此電動勢的大小和變化情況可判斷漏電電流的大小，如漏電電流超過額定的動作電流且保持一定的時間，漏電保護器就會及時切斷總開關，保護整個電網的安全。

3 現有低壓漏電保護技術的局限性

當前，低壓漏電保護器的保護功能是通過分級保護來實現的，第一級漏電保護器安裝在總線上，用于防止電源附近發生短路引起火災；第二級漏電保護器安裝在支路上，比如民用建筑的插座上，用于防止人為觸電事故的發生。為了有選擇性地實現電網漏電保護，在總線開關上安裝的漏電保護器是一種“檢漏繼電器”，而在支線開關上安裝的漏電保護器是一種“漏電保護單元”，當總線或者支線發生漏電現象時，放置在總線附近的“檢漏繼電器”會使得總線開關跳閘，當只有支線發生漏電現象時，就會通過“漏電保護單元”有選擇性地打開支路開關。把“檢漏繼電器”和“漏電保護單元”放在同一個電網系統中工作，在實際應用中，2個漏電保護器監測漏電電流的方式不一，前者可以保證準確測量，后者卻可在保證監測速度的前提下弱化監測精度，因此在同一個系統中工作，由于測量的精度不一，往往會表現出漏電電流已經超過額定電流但卻拒動的現象以及沒有超過額定電流卻誤動的情況。

4 低壓漏電保護新技術

4.1 低壓漏電保護理論的創新

現有的低壓漏電保護器在實際使用中出現一些問題，即在監測漏電電流(剩余電流)時會出現較大的失誤，導致在低壓漏電保護器拒動的情況下依然發生人為的觸電事故和較為明顯的故障漏電。在排除低壓漏電保護器本身計算誤差的前提下，就需要重新審視傳統的漏電保護技術的原理，分析剩余電流的計算方法，提高低壓漏電保護器的靈敏度，進而提高低壓漏電保護的質量。分析原有的剩余電流算法可知，低壓漏電保護器只能監測到剩余電流I=I1+I2，而此時I1是設備在正常工況下的剩余電流，I2是設備在發生漏電故障時的電流，所以即使I2超過了漏電保護器的額定電流，但經過矢量求和的方式計算的I也有可能依然在額定電流之內，從而導致漏電保護器的拒動。

所以在這種情況下會存在一個設備發生故障漏電的盲區。因此，不能簡單地通過剩余電流的大小來判斷其是否達到了漏電保護器額定動作電流值，還應該考慮剩余電流和泄漏電流的相位，可以利用正交分量計算法來求解漏電電流的大小。分別在a時刻和b時刻監測剩余電流的幅值，通過公式(1)計算剩余電流的正交分量，再將正交分量相減得到剩余電流的變化量，間接達到監測剩余電流的目的，如公式(2)所示。

(1)

(2)

式中，Ix，Iy為剩余電流在x和y方向的正交分量；IΔx，IΔy為正交分量在a時刻和b時刻的變化量；IΔr，θΔ為剩余電流的變化量，即新產生的故障漏電電流。

4.2 自適應低壓漏電保護技術

在實際使用中發現，現有的低壓漏電保護器的額定動作電流如果固定，并不能滿足實際的用電需求，因為在實際工況中，電氣設備的用電情況和很多因素有關，所以如果能夠使得低壓漏電保護器的額定電流(閾值)隨著環境的變化而變化，就能最大限度地在防止漏電事故的前提下達到較高的用電效率。首先我們可以通過剩余電流的變化率判斷是正常漏電還是故障漏電，如果判斷結果是正常漏電，那么可以通過一系列的算法，建立相應的自適應動態閾值模型，使得自適應模型在依據更加具體的情況設計出的極大值和極小值之間波動。還可通過和濕度感應器連接，建立一定的濕度—剩余電流閾值模型，在濕度較小的情況下，設備的正常剩余電流較低，可以適當地降低低壓漏電保護器的額定電流動作值，對這一方面可以進行較為深入細致的研究，讓低壓漏電保護器在漏電保護中變得更加智能化和自動化，滿足各種情況下用電設備安全和高效運行的需求。

4.3 一種新型漏電保護裝置的應用

實踐中，低壓漏電保護器從監測到故障漏電到停止總閘需要超過0.2 s的時間，這樣的延遲對于人觸電來說很容易造成較為嚴重的后果，因此本文提出了一種和現有的較為普遍的低壓漏電保護器電路原理不同的漏電保護器，旨在克服現有的低壓漏電保護器的不足，提高人們在低壓系統下的用電安全。新型的漏電保護器中加入了高阻抗的電子元件，當發生故障漏電事故時，可以第一時間將人和火線隔離開來，保障人觸電之后的安全。

該裝置電路圖如圖1所示。

圖1 新型低壓漏電保護器電路圖

4.4 低壓漏電保護技術在煤礦井下的創新應用

煤礦井下的用電安全是一件非常關鍵的事情，因為煤礦內含有易燃易爆氣體，而且空間狹小，極易發生人為的觸電事故。上文已經提到過傳統的低壓漏電保護器存在2個保護單元，即“檢漏繼電器”和“漏電保護單元”，但由于測量原理不同，導致漏電保護器的精度無法保證，在這里可以使用集中控制模式解決該問題，具體原理是把電網中被保護的各支線剩余電流信號收集到一個設備之內，這個裝置可以控制總線開關和各支線開關，也就是說把“檢漏繼電器”和“漏電保護單元”2個單元合并為一個，通過這個集中控制裝置來監測剩余電流的變化率，判斷漏電事故的發生。利用這個原理來實現漏電保護，由于利用的是同一種測量方法，可大大提高判斷效率，同時還可為實現有選擇性的漏電保護提供更大的方便。

5 結語

本文介紹了低壓系統下漏電保護的基本知識，通過分析現有的漏電保護器所存在的部分問題，提出了能改善現有缺陷的新技術。首先提出了一種理論上的創新算法，能更加精確地計算出電氣設備剩余電流的大小，其次為了解決漏電保護器固定閾值的問題提出了一種自適應的漏電保護裝置，最后提出了在煤礦中如何利用集中控制原理精確測量故障漏電的大小。當前，社會建設的步伐不斷加快，低壓漏電保護裝置在我國居民住宅中的應用會愈發廣泛，因此公眾應集體關注漏電保護方面的知識，不斷提高自身的安全用電意識。

[1]何瑞華.我國低壓電器現狀及國內外發展趨勢[J].低壓電器，1998(3)

[2]談文華，萬載揚.實用電氣安全技術[M].北京：機械工業出版社，1998

[3]GB6829—2008 剩余電流動作保護電器的一般要求[S]

2014-05-30

歐陽麗(1986—)，女，湖南人，實習研究員，研究方向：緊急保護電路。