低壓線路泄漏電流監測與漏電保護技術研究

威勝信息技術股份有限公司 陳 崗 蔣鑫偉 張武娟

當前，人們對漏電保護認識不到位，容易出現忽視漏電保護裝置安裝使用的重要性，不僅容易發生安全事故，還會影響整個電網的運行可靠性和安全性。因此，必須在提升居民用電安全意識的同時，從根本上預防漏電觸電事故發生，重視低壓漏電監測及漏電保護技術的應用。

1 低壓線路電流泄漏的危害及漏電原因

1.1 低壓線路電流泄漏的危害

低壓線路電流泄漏是漏電的一種，主要是因為低壓線路中線路、設備等絕緣層受損以后引發的周圍物質的帶電現象。常見的帶電物體包括潮濕木質、金屬物等。漏電問題發生，會產生嚴重的危害，一般而言可以將其危害性歸納為以下三點：一是損壞電氣設備。因為線路漏電可能引起線路內部出現過壓、過流、過熱等現象，這些現象對設備不利，可能引發設備損壞甚至損毀。二是引發觸電事故，損壞人身安全。線路的絕緣層損壞以后，如果與各類家用電器等電氣設備外殼相觸，能夠引發金屬外殼帶電現象。一旦有人接觸設備外殼就會出現觸電事故，嚴重時可能造成死亡[1]。三是引發火災，威脅生命安全并造成財產損失。漏電過程中一般都伴隨著電弧或過熱現象發生，如果周圍有易燃物，則容易引發火災。

1.2 漏電的主要原因

漏電發生的根本原因是由于電氣線路、設備絕緣層損壞以后電流出現泄漏問題。而造成絕緣層損壞的原因有很多種，主要分為人為破壞、自然損壞、線路老化及周圍環境影響四個方面的原因。首先，人為破壞線路。人為破壞不僅是指某些情況下為了個人利益去盜竊線路乃至損壞線路的行為，還包括因為缺乏對應的安全用電知識而造成的無意識破壞。無論是有無意識，都有可能因為人為的操作造成線路絕緣破壞，進而出現漏電問題。

其次，自然因素的破壞[2]。電壓線路大多都敷設在戶外環境中，而戶外環境中難免遭遇日曬、雨淋、風吹的侵蝕。甚至還可能遭遇野獸侵害、鼠咬等外界損壞，造成線路絕緣破壞現象，降低線路的絕緣性。

再次，線路自身問題。線路自身問題包括線路老化及過載等。一方面低壓線路具有一定的使用年限，長時間使用會導致線路絕緣層老化、破損的問題出現，導致線路漏電。另一方面，線路長時間處于過載狀態，易使絕緣層老化。

最后，環境問題影響。如果線路身處不良環境中，環境中有潮濕、酸堿性氣體等，也會對線路產生侵蝕作用，引發漏電。

2 開展低壓線路泄漏電流監測與漏電保護技術研究的重要性

首先，低壓配電網出現事故較多。尤其是隨著用電設備的增多，人身觸電事故及電氣火災事故時有發生，嚴重影響供電的安全性與可靠性。而漏電保護是一項系統工程，是現代社會發展過程中產生的一項安全技術，對于電氣領域而言具有重要意義。漏電保護實質就是電氣安全裝置，即漏電保護器。將漏電保護器安裝在低壓線路中，面對電流泄漏過程中出現破壞二相電流的平衡時，引發的有零序電流出現現象及金屬外殼發生對地電壓現象，一旦線路中電流達到設定值，就會跳閘，立即切斷電源，起到保護人身安全的作用[3]。

實際應用過程中，對其技術產品具有嚴格的要求，必須符合國家對應的技術標準，實際應用中主要涉及剩余電流保護技術與多種低壓系統接地方式的配合問題。因此，加強這方面研究可以提升漏電檢測及保護效果，避免因為漏電而造成的觸點、火災等問題發生，進而達到保護人們生命財產安全的目的。

其次，當前社會低壓配電網中具有配網內部設備數目增多、內部設備接線方式多樣、設備線路分布廣等特點，所以一些線路和設備不免被長期忽視，處于日常監管的盲區中，對配網的穩定安全運行不利。因此，需要進一步開展研究工作，提升低壓配網內部漏電監管及漏電保護的先進性和智能性，提升低壓電網線路漏電技術應用效果，滿足現代社會低壓配網發展運行需求。

3 低壓線路泄漏電流監測技術

對低壓配電網單相接地引起的故障漏電機理和特征進行深入研究可以發現，傳統依靠單端電氣量數值配合的剩余電流保護裝置，并不能滿足低壓配電網中多種工作環境需求。隨著社會的發展，物聯網技術獲得飛速發展，物聯網與低壓配電網也逐步實現了融合，逐步研發出一類基于Hausdorff 距離的剩余電流波形匹配度算法，這一檢測方法可以完美解決傳統保護裝置中靈敏度低、檢測盲區范圍大等問題，并且這種故障監測方法識別測量靈敏度高，其識別結果不會受下游正常剩余電流和負荷電流的影響，具有一定的獨立性。目前，常用的先進低壓線路泄漏電流檢測技術，是基于Hausdorff 距離的漏電流故障監測方法[4]。

3.1 基于Hausdorff 距離的漏電流故障監測方法概述

每個低壓智能終端單元都存有低壓饋線實時拓撲，這是該檢測方法得以正常應用的一個必要提前。開展漏電監測工作及供電恢復控制過程中，均需要確定聯絡開關位置。但是低壓配電網中可能會發生故障跳閘、負荷轉移等問題，進而導致開關開合位置發生變化，所以還應保證及時更新低壓配電網絡，要確保其網絡信息更新的實時性。除此之外，這種檢測方法在應用前還需要確保采取高精度的時鐘同步技術，進而可以保障剩余電流監測的正確性。

因此，本文提出了適用于低壓配電網的低成本網絡拓撲自動識別技術，以及基于電力載波的精準時鐘同步技術作為關鍵支撐技術，使用提出的基于Hausdorff 距離的剩余電流波形匹配度算法，實現監測網絡的絕緣破壞性故障漏電流點。除上述兩個關鍵技術之外，在基于Hausdorff 距離的漏電流故障監測方法應用時，相關人員必須提前深入了解低壓配電系統線路剩余電流波形特征，掌握Hausdorff 距離算法原理、制定科學合理監測判據及監測判據的流程。

3.2 拓撲自動識別技術

低壓配電網內部的網絡交叉分布廣泛，具有分支多、形式多樣的特點，同時實際低壓電網運行過程中，經常會有臨時拓撲結構改變的情況，而漏電故障的檢測前提是確定拓撲結構。所以，必須滿足低壓網絡拓撲關系的自動識別要求。而工業物聯網與低壓配電網在融合過程中，低壓配電網中的各個關鍵節點中需要配置更多的低壓智能終端單元，同時還需要將低壓側及線路側LTU 作為電氣量及開關量接入終端及控制信號下發終端[5]。進而達到承載電氣量監測、故障錄波等多種相關的智能操作。按照實際的功能需求，還可以通過在低壓用戶一側設置LTU 來達到對電力用戶電力箱的管理。同時，還可以實現對光伏等新型用電電器的辨別和管理，低壓配電物聯網的融合可以提升信息感知的全面性，進而為低壓配電網的拓撲自動識別技術奠定基礎。

低壓配電網拓撲識別實現過程中存在兩個問題，一個是戶變關系的校核，另一個就是完成“配—線—戶”之間的拓撲關系判別。其中，戶變關系校核中，常發生識別到其他臺區的錯誤。對應的排查工作不夠智能，需要通過人工來實現，這種方式的排查具有速度慢、準確率低的問題，整體效率低下。相關研究表明，在同一配電變壓器供電區域內的變壓器出線節點、低壓出線節點、分支節點等與用戶節點成并聯連接時，低壓電網中由負荷變化引發的電壓隨著時間波動的規律具有高度一致性。同時，不在同一配變壓器供電范圍內兩個節點電壓變化規律則一致性不高。所以能夠根據某些時段內各節點LTU 的電壓變化一致性，來分辨是否在同一變壓器供電范圍內，即辨別低壓用戶是否屬于同一臺區。而完成“配—線—戶”之間的拓撲關系判別也是一個關鍵。整個過程中也會判別配電變壓器出線節點、低壓出線節點、分支節點、用戶節點之間的連接關系。

3.3 時鐘同步技術

實際低壓配電網電流泄漏故障檢測過程中，需要進行多點電壓和電流的測量。而測量工作開展需要保證測量時間點的準確性。因此，各個部分的時鐘需要同步，實際監測過程中必須采取相應措施來提升配電網絡內部各個部分的精確時鐘同步技術。這也是故障檢測、瞬時線損等很多工作開展的基礎。

目前，常見的時鐘同步方法包括采樣時刻調整法、采樣數據修正法、時鐘校正法、乒乓算法、GPS 同步法等。這些方法的應用可以起到一定的調整作用，但是都有其應用的不足之處。例如，采樣數據修正法、采樣時刻調整法、時鐘校正法等方法應用中，還需要借助專用通道才能完成。而乒乓算法及GPS 同步法應用的前提是通信條件完好，實現數據同步。實際低壓配電網中，有不具備對應通信條件的區域，因此并不能實現全域通用。同時，這些方法應用過程中還會有應用成本高的問題，不能滿足實際需求。鑒于此，相關人員進一步探究發現了一種基于電力載波的精確時鐘同步方法，該方法在應用過程中，只依靠載波通信的方式就可以實現，不需要專用通道，同時同步效果不會受通道延時影響，可以滿足低壓配網應用需求，具有精度高、成本投入低、簡單易行等特點。

4 低壓線路漏電保護技術

我國低壓配電系統中應用的保護接地方式一般分為三個類別。即IT 系統、TT 系統和TN 系統，其中在接地的TN 系統中又可以分為TN-S、TN-C 和TN-C-S 系統，這是低壓電力系統的基本接地形式。

4.1 傳統漏電保護技術的應用

4.1.1 接地保護技術

接地保護技術是指在保證電氣設備正常運行的前提下，通過接地裝置將不帶電的金屬框架、外殼等與大地相連，以避免觸電事故發生。實踐研究發現，各類電流中，不同頻率的電流對人體的傷害性不同。其中，頻率在50Hz 到60Hz 的工頻交流電流對人體的傷害性最大，工頻交流電流一旦超過了50mA，就會對人體產生傷害，同時超過100mA 的情況下則可能致人死亡。同時，電流對人的傷害不僅跟其頻率、大小等有關，還與觸電人員與電流的接觸時間及人員體重等有關，一般而言，體重越輕，接觸時間越短，傷害程度越輕。同時，接地保護結束雖然有一定的分壓作用，對觸電者形成一定的保護。但是實際研究表明，接地保護技術的應用智能減輕一部分觸電電壓，而并不能將所有的觸電電壓降低為零。因此，應用了接地保護技術的配電網中也不是絕對安全的，仍然存在觸電風險。

4.1.2 接零保護技術

接零保護技術是指將正常運行的電氣線路中的不帶電金屬框架、外殼與低壓供電系統零線相互連接，并以此來起到防護人體觸電的技術。這種接零保護技術應用的原理是，一旦電氣設備內絕緣出現絕緣損壞問題，就可能出現短路故障，產生短路電流。對應的保護元件感受到這一電流后立即切斷設備電源。當前，我國對接地或接零保護技術的應用并無明確規定，因此實際線路中這兩種技術都會被應用。但是在多數電力用戶采取接地保護技術時，其他用戶同時采用接零保護技術，就可能引發電氣設備外殼危險電壓的出現。

同時，一旦電力用戶發生電氣設備單相碰殼漏電問題時，可能因為保護元件容量太大而無法動作。因此，上一級的保護元件需要發生斷電動作，導致停電范圍擴大，同時在公用的電網線路較長的情況下，線路內部的零線電阻值也相對較大，在漏電事故發生后也并不能使保護元件動作，而這時的接地電流會很大，容易出現中性點位移問題發生，破壞三相電壓平衡。因此，就普通電力用戶而言，使用接零保護技術具有不安全性。

4.1.3 斷路器技術

斷路器漏電保護技術，是指通過安裝斷路器的方式開展漏電保護工作。該技術的應用，即在低壓電路中安裝檢測漏電元件的塑殼式斷路器，一旦電路中有漏電及過載等異常問題發生時，可自動檢測到，并立即將線電路切斷，通過斷路器的安裝來保護電路安全。實際應用過程中斷路器的安裝位置是固定，可根據實際需要被安裝在多個位置上，例如安裝在插座的支路上。但是實際安裝時既要考慮線路斷電需求，又要做好每一步的安裝工作，確保安裝方法的正確性。斷路器的主要功能性質主要包括三類，即過載保護、過流保護和短路保護，實際保護動作時間為0.1s、電流大小為30mA，可以實現對人身安全的保護作用。

實際應用過程中，漏電斷路器結構具有一定的復雜性，漏電斷路器內部的元件和內部線路連接較多，因此應用過程中斷路器內部可能發生故障，為確保斷路器的正常運行，并起到應有的保護作用，相關人員必須定期對斷路器進行試驗檢查。實際試驗是需要通過試驗按鈕操作來模擬漏電狀況下的工作開展，看其能否正常工作。一旦發現問題要立即維修或更換，并且要及時查找具體的元件問題或接線問題，并立即開展更換、維修等工作，更換維修以后就再次開展試驗檢查，直至漏電斷路器正常工作。

總而言之，必須確保漏電斷路器的可靠性。同時，值得注意的是試驗檢查過程中也并不能及時發現漏電斷路器的故障問題，而采取措施來解決這些問題。同時，試驗檢查工作也是階段性的，不能隨時進行，可能有斷路器帶病作業的情況發生，試驗過程及日常應用過程中，并不能及時發現漏電斷路器的故障問題，因此日常應用中不能完全依靠斷路器的保護，應持有“預防為主”的心態，做好線路環境中線路的質量及運行情況檢查，發現老化及破損等問題時要及時采取措施處理。同時，漏電斷路器的作用具有一定的局限性，僅能夠滿足大地與火線之間的漏電保護，而零線和火線間的漏電過程保護，則需要有很大的短路或過載電流，才能使保護元件正常動作。

4.2 自適應低壓漏電保護技術

實際應用過程中，如果現有低壓漏電保護技術的額定動作電流是固定的，則不能滿足電力用戶的用電需求。因為，電氣設備運行能夠受到很多因素的影響，只有低壓漏電保護器額定電流閾值滿足不同環境調換的需求，即隨之不發生變化，才能滿足實際生活中的用電需求，防止不同情況下的漏電問題發生，提高用電效率。在實際應用過程中，依據剩余電流變化率，來判斷系統內部具體是故障漏電還是正常漏電，然后根據判斷采取不用的解決方式。如果屬于正常漏電，則需要通過基于算法建立自適應動態閾值模型，然后依據實際情況來進行極小值、極大值設計，然后再依靠濕度感應器來實現兩者波動的連接，建造濕度和剩余電流的閾值模型。但是，在具體應用中還應注意，濕度較小時，電氣設備正常剩余電流也小，需要根據實際情況來降低低壓漏電保護器額定電流動作值。

5 結語

低壓電流泄漏事故作為引發觸電事故的重要因素，理應受到社會和人民的重視，必須采取措施進行預防和管理。而漏電監測和漏電保護則是一個重要的途徑，作為設計和使用人員必須認識到這方面措施的重要性，根據實際情況應用對應的技術，或者進一步探索和研究開發更新的技術來滿足用電安全需求，保障各類電力用戶的用電安全，預防觸電事故發生，推動社會有序發展。