低壓配電線路剩余電流斷路器動作判據的研究*

李 軍，鄧 暉，蔡崢嶸，呂干云，劉克天

(南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京 211100)

0 引言

剩余電流斷路器是低壓安全用電的主要保護器之一。對于發生觸電故障的線路，要求剩余電流保護器能夠做到及時斷開線路，從而保護人體安全。然而，在實際應用上，保護器卻存在誤動的問題。由于傳統剩余電流斷路器是以動作電流超出剩余電流斷路器整定值的方法去判斷故障，而在部分臺區，其線路正常運行時漏電流較大，由于一些原因動作電流依然會超過整定值導致剩余電流斷路器的誤動作[1]。在這樣的情況之下，研究有效的觸電判據是眾多科研工作者們努力的方向。研究判據主要分為以下幾個過程：首先，需要從電流波形中檢測出觸電電流[2-3]；其次，則是觸電電流的特征提取，在這1階段，可以研究多種信號交織的特征提取方法，從不同的角度去提取特征[4-6]；最后，則是對判據的研究，文獻[7]提出接地阻抗變化率的判據，通過對不同裕度的劃分范圍判斷故障，但是針對人體觸電，人體阻抗值隨年齡的增長，會發生變化，不容易判斷人體阻抗大小。文獻[8]針對饋線層故障，提出采用功率參數k是否小于0的判據判斷保護是否啟動。然而在低壓端，由于負荷的復雜性，在發生故障時，無功功率仍然會大于0，此時判據會失效。文獻[9]通過分析故障前后各電氣量的變化，提出低壓配電網單相斷線故障判據。但是，經過流保護后，殘余電氣量太少，很難檢測出來，判據易失效。文獻[10]提出了1種基于序特性的多判據融合的單相接地故障辨識方法，以此來進行故障定位。文獻[11]通過對故障相電壓積分值與電容放電電壓積分值相比較判斷是否產生了故障，然而，在線路加裝硬件會使得成本增高，且沒有試驗基礎，無法驗證其可靠性。文獻[12]闡述了目前依舊主要應用3種剩余電流斷路器，但由于它們依舊以剩余電流整定值為判斷故障依據，因此也導致了它們的頻繁誤動。文獻[13]提出了1種電流分離型剩余電流斷路器，但是由于目前硬件技術及算法的不成熟，很難將2種電流徹底分離。

由于仿真環境的理想化,于是本文采用活體觸電試驗與人體觸電仿真2種方法研究人體觸電特性。首先從活體觸電試驗開始，然后根據觸電前后諧波特征并結合工程實際應用，提出3重組合判據，最后用仿真算例驗證判據的可行性。研究結果可為剩余電流斷路器的改進提供參考。

1 觸電試驗

本文中搭建自制試驗平臺。由于活體雞的細胞阻抗具有與人體阻抗相似的容抗特性[14]，為追求觸電試驗數據的合理性，選用活體雞作為觸電試驗對象。

1.1 試驗平臺搭建

如圖1所示，本試驗平臺包括主電路和輔助電路2個部分。主電路由交流電源、三相變壓器以及對稱負載構成。輔助電路由直流電源、接觸器、示波器、時間繼電器及觸發開關組成，示波器2號端口觸點1接互感器二次側電阻，觸點2接地?；铙w通過接觸器接到C相。觸電試驗時，按下觸發開關，繼電器延時t秒后斷開線路。

圖1 活體觸電試驗平臺Fig.1 Experimental platform of living body electric shock

活體觸電試驗中，采樣頻率為1 000 Hz。設采樣點數為r，采樣時間為t，則t=r/1 000。觸電開始時刻設置為0.4 s，而當繼電器經延時斷開線路的同時，示波器將顯示整個觸電過程的觸電電流波形。

1.2 不同部位觸電試驗波形

由于觸電事故發生前，無法預判活體觸電部位及其觸電電流的差異，故在試驗過程中分別進行翅-翅(15組)、腳-腳(15組)等部位之間的觸電試驗共計30組，并從30組不同試驗部位的觸電波形中挑選2組典型試驗波形加以說明。示波器觸電電流波形如圖2～3所示。

圖2 翅-翅觸電電流波形Fig.2 Current waveform of wing-wing electric shock

圖3 腳-腳觸電電流波形Fig.3 Current waveform of foot-foot electric shock

1.3 基于S變換的觸電試驗特征提取

相較于STFT，S變換可以根據頻率變化自適應調整時寬，并提供直觀時頻特征；相較于小波變換，S變換不僅可以調整時寬而且其逆變換無損可逆。S變換用于觸電電流諧波特性分析，可以確定觸電電流各次諧波幅值，同時能夠進行觸電前后時頻特性的對比。電流I(t)的特征提取過程如式(1)～(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中：I(t)為采集的觸電電流信號，A；g(τ,f)為高斯窗函數；τ為時移因子(0～1.2),其表征控制窗口在時間軸上位置；σ為高斯函數方差，是關于t的時變參數。S(τ,f)是通過變換得到的時頻譜矩陣，表征觸電信號從低頻到高頻，其頻率成分隨時間變化情況，傅里葉頻譜形式如式(4)所示：

(4)

式中：β≠0。由式(4)得到的電流離散型號表現形式如式(5)所示:

(5)

式中：k為離散時間點，T為采樣時間間隔，s；N為離散信號長度，k=0，1，…，N-1。

(6)

式中:n≠0，表示頻譜矩陣中的行數，m為列數。

定義模時頻矩陣諧波幅值函數為Yx(t)。該函數為S變換后的模時頻矩陣Sq中對應諧波幅值隨時間變化情況，其表達式如式(7)所示：

Yx(t)=Sq(t,fx)

(7)

式中:t為采樣時刻,x為1～10內的整數。根據式(6)和式(7)對活體翅-翅，腳-腳諧波特征進行描述，如圖4～7所示。

圖4 翅-翅膀各次諧波幅值變化情況Fig.4 Variation of harmonic amplitude of wing-wing

分析結論1：觸電時高次諧波幅值增長明顯，最大達到0.27 A左右。然而，在觸電前和觸電過程中由于達到了穩態，高次諧波幅值接近于0。

分析結論2：基波幅值也有波動，與高次諧波特征不同的是，基波幅值在觸電過程中仍維持觸電時的幅值，且只有在觸電結束之后才會恢復到未觸電時的起始值。

2 暫態觸電判據

2.1 偶次諧波變化率判據

由于觸電時刻前后諧波含量特征變化明顯，據此可探討判據。同時需避免受到正常運行時，諧波擾動的影響。根據 《電能質量 公用電網諧波》(GB/T 14549—1993)規定[15]，380 V低壓線路各次諧波中奇次諧波含量為偶次諧波的2倍，分別為4%和2%,意味著在低壓線路奇次諧波擾動較為嚴重。另外，偶次諧波含量很低，遠遠低于故障時偶次諧波含量。計算偶次諧波變化率最小值如式(8)所示:

圖5 翅-翅觸電試驗結果分析Fig.5 Analysis chart of wing-wing electric shock test results

(8)

式中:amin為偶次諧波變化率最小值；t為采樣時刻，s；T為采樣時間間隔，s。經多組活體觸電試驗所得觸電電流諧波數據計算得出其閾值區間為(?1,?2)。

2.2 負荷投切擾動影響

在2.1節中通過觸電電流的諧波特征，推導了偶次諧波變化率閾值區間作為可用判據的結論。為了與正常負荷投切所引起的擾動進行區分，需要引入判斷方式將負荷投切與活體觸電區分開來，如式(9)所示：

圖6 腳-腳各次諧波幅值變化情況Fig.6 Variation of harmonic amplitudes of foot-foot

圖7 腳-腳觸電試驗結果分析Fig.7 Analysis chart of foot-foot electric shock test results

β=Y1(t+T)-Y1(t)

(9)

式中：β為工頻變化量。經計算得出當β滿足閾值區間(ζ1,ζ2),此時為非投切情況，輸出為0。據此，在用戶端實現負載的投切與活體觸電情形的相互區分。

3 人體觸電仿真

3.1 觸電仿真模型

為了進一步研究觸電電流的諧波特征，本文擬采用仿真分析模式來探索人體觸電存在的諧波分布規律。仿真模型以臺區-線路-用戶3層拓撲關系進行搭建，根據實際情況設置變壓器參數及線路阻抗參數,并對觸電仿真數據進行分析。臺區拓撲層關系如圖8所示。

圖8 臺區—線路—用戶拓撲Fig.8 Substation-line-user topology

本文中觸電仿真采用文獻[16]描述的醫用標準人體阻抗等效模型,模擬用戶在偶然觸碰帶有漏電流的插座，導致觸電而危及生命。仿真時長設置為1 s，故障時長區間段設置為0.5～1 s。仿真結果如圖9所示。

圖9 醫用標準人體觸電Fig.9 Medical standard of human body electric shock

觀察電流波形，相較于從活體試驗提取的電流波形，有著相似的波動，觸電前1個周期與觸電后1個周期，電流小幅度增長。

3.2 觸電電流諧波特征

提取觸電電流信號中0.48～0.52 s部分(觸電前后各1個周期)加以諧波分析，如圖10～11所示，0～10次諧波變化情況。

圖10 觸電前頻譜Fig.10 Spectrum before electric shock

圖11 觸電后頻譜Fig.11 Spectrum after electric shock

通過頻譜圖可以觀察到：1)相較于觸電前，觸電后的THD(波形畸變率)增大。2)觸電前1個周期縱坐標量級為10-5A，觸電時的1個周期與之相比，高次諧波幅值量級增長了1 000倍左右，這個分析結果和在活體觸電試驗中得出的高次諧波幅值在觸電前后增長規律相似。

4 工程判據的設置及其驗證

4.1 三重判據的確立及優勢

通過活體觸電試驗與人體觸電仿真2種方法，分析活體在觸電時的高次諧波幅值變化特征，確立偶次諧波變化率最小值閾值區間及工頻變化量閾值區間。

1)以偶次諧波變化率最小值閾值區間為判據1，優點是，在電流流經剩余電流斷路器時，由于觸電引發的高頻分量波動比之未故障時高次諧波幅值分量增大1 000倍，電流中的高次諧波幅值分量波動通過閾值區間的判別，可有效識別人體觸電故障。

2)以工頻變化量閾值區間作為判據2，其優點是當線路發生負荷擾動時，其所產生的的高次諧波幅值波動會影響判據1對于觸電故障的識別。然而，觸電產生的工頻波動與負荷擾動產生的工頻波動相比還是小很多，因此判據2的設立可有效區分負荷擾動與觸電故障。

3)傳統的以動作電流基準值作為判據3，與判據1和2相結合，優點是可以減少斷路器故障誤判斷，使得準確地識別出人體觸電故障。

以三重組合判據的故障判斷流程如圖12所示。

圖12 故障判斷流程Fig.12 Flow chart of fault judgement

4.2 判據的驗證

以醫用標準人體觸電仿真算例為例。假設在正常線路運行過程中，0.4 s時負荷投入運行，0.6 s時人體觸碰導電體發生觸電。通過式(8)～(9)計算流經剩余電流斷路器電流，得到觸電時刻偶次諧波變化率最小值和工頻變化量。下面展示該偶次諧波變化率和工頻幅值在整個過程中的變化情況如圖13～圖14所示：

圖13 偶次諧波變化率的增幅情況Fig.13 Amplification of even harmonic change rate

圖14 工頻變化量增幅情況Fig.14 Amplification of power frequency variation

在整個過程中可以看到，無論是負荷投切還是人體觸電，都會產生諧波增幅。但是通過三重組合判據加持下的剩余電流斷路器之后，電流波形如下圖15所示：

圖15 流經斷路器的電流波形Fig.15 Current waveform flowing through circuit breaker

斷路器成功識別出了觸電故障，并及時斷開線路。實際上由于活體皮膚組織與人體皮膚組織類似，在發生觸電故障時，三重組合判據可以準確區分正常負荷投切與人體觸電故障。

5 結論

1)由于人體觸電電流存在高次諧波特性，提出以偶次諧波變化率閾值、工頻變化量閾值及剩余電流斷路器動作電流整定值相結合的三重判據，并通過仿真算例驗證判據不受負荷擾動的影響，可有效識別人體觸電故障。

2)傳統的剩余電流斷路器由于動作整定值的設定往往無法滿足實際需求，造成斷路器的誤動作。而判據1，2動作條件是根據觸電電流的高次諧波特性，其本身不受漏電流變化影響，與判據3結合進行故障綜合的邏輯判斷可以有效減少斷路器誤動情況。