電氣火災(zāi)阻性漏電電流檢測(cè)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法

摘要：本研究主要實(shí)驗(yàn)仿真法論證了傳統(tǒng)剩余電流檢測(cè)方法存在不足，提出了利用剩余電流做有功濾除容性泄漏電流干擾，可以得到阻性漏電電流的計(jì)算模型，并通過PSIM電路模擬仿真證實(shí)該方法的合理性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于當(dāng)前智慧用電探測(cè)器降低探測(cè)誤報(bào)率，真實(shí)反映配電系統(tǒng)的線路絕緣狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：阻性漏電電流；PSIM電路模擬仿真；線路絕緣

隨著各種電氣設(shè)備及家用電器的普及，電氣火災(zāi)事故發(fā)生率也在攀升。在電氣火災(zāi)成因調(diào)查中可以發(fā)現(xiàn)，短路故障占比接近55%，線路對(duì)地的絕緣水平低于線路間的絕緣水平，因此，接地故障短路發(fā)生的概率遠(yuǎn)高于帶電導(dǎo)體間的短路，是防短路火災(zāi)的重點(diǎn)工作。接地故障短路致災(zāi)因素包括配電線路或電氣設(shè)備的老化、機(jī)械損傷導(dǎo)致的絕緣性能下降，引發(fā)接地故障、電弧打火，導(dǎo)致電氣火災(zāi)事故。

在現(xiàn)有電氣火災(zāi)探測(cè)技術(shù)中，常用的方式是通過測(cè)量線路中存在的剩余電流反饋線路絕緣破損情況，也是電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)的判斷依據(jù)。然而，真實(shí)的市場(chǎng)情況反饋是大量的電氣火災(zāi)探測(cè)器存在誤報(bào)現(xiàn)象，主要原因包括：第一，配電系統(tǒng)中電線、電纜內(nèi)部構(gòu)造多采用鋁或銅線，使電纜相對(duì)于地面存在分布電容，且該分布電容隨著導(dǎo)線的長(zhǎng)度、粗度不同而不同。第二，配電線路中存在變頻器、開關(guān)電源等負(fù)載產(chǎn)生高次諧波，高次諧波流過電容時(shí)會(huì)導(dǎo)致容抗降低，分布電容產(chǎn)生的泄漏電流將增大。傳統(tǒng)漏電檢測(cè)方式中電流的探測(cè)不僅包括阻性漏電電流，還包括分布電容引起的正常泄漏電流，而這種正常的泄漏會(huì)導(dǎo)致生探測(cè)設(shè)備頻繁誤報(bào)的情況。

一、現(xiàn)有剩余電流檢測(cè)技術(shù)存在不足

以較常見的單相兩線制電源為例，包括火線和零線兩根電纜。從火線過來的電流會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一定范圍大小的磁場(chǎng)，電流越大，磁場(chǎng)越大。實(shí)際上，火線和零線兩根電纜是成對(duì)布置的，這兩根電纜在同一時(shí)刻的電流相同，方向相反，磁場(chǎng)相互抵消，剩余電流值為0，表明線路不漏電。

當(dāng)設(shè)備對(duì)地短路（即漏電），火線過來的電流有一部分經(jīng)地線泄放，而經(jīng)過零線回流的電流減少，兩線電流相抵后會(huì)出現(xiàn)剩余電流，剩余電流產(chǎn)生剩余磁場(chǎng)，此時(shí)線路存在剩余電流。但配電系統(tǒng)中的漏電電流由各種阻抗形成，一般由漏電電阻及電容引起。電線及電纜芯線為鋁線或銅線，金屬物體對(duì)地都存在分布電容，分布電容的存在必然會(huì)產(chǎn)生電流，這種電流被稱為容性電流或泄漏電流。數(shù)據(jù)量檢測(cè)示意圖如圖1所示。

也就是說，利用傳統(tǒng)剩余電流檢測(cè)漏電的方法具有局限性，Io不僅包含真正絕緣惡化產(chǎn)生的阻性漏電分量IR，還有容性泄漏電流IC（即使電網(wǎng)沒有發(fā)生接地故障，由于配電線路及電氣設(shè)備對(duì)地分布電容的存在而引起的泄漏電流）。IC對(duì)剩余電流檢測(cè)存在干擾，會(huì)導(dǎo)致漏電誤報(bào)。

二、PSIM仿真驗(yàn)證線路分布電容對(duì)剩余電流的干擾

為了驗(yàn)證線路分布電容對(duì)剩余電流測(cè)量存在干擾，可以利用PSIM軟件設(shè)計(jì)電路模擬仿真圖，例如，配電系統(tǒng)使用AC220V交流用電，設(shè)備負(fù)載為R3，線路絕緣電阻為R4，線路分布電容為C2，如圖2所示。

第一，假設(shè)設(shè)備負(fù)載R3為120Ω，線路絕緣電阻R4為0.1MΩ，線路分布電容C2為1μf，通過仿真可以得出剩余電流Io的波形和有效值。

第二，假設(shè)設(shè)備負(fù)載R3為120Ω，線路絕緣電阻R4為0.1MΩ，線路分布電容C2為5μf，通過仿真可以得出剩余電流Io的波形和有效值。

第三，假設(shè)設(shè)備負(fù)載R3為120Ω，線路絕緣電阻R4為0.1MΩ，線路分布電容C2為∞，通過仿真可以得出剩余電流Io的波形和有效值。

由此可得出測(cè)量數(shù)據(jù)，如表1所示。

從測(cè)量數(shù)據(jù)分析，可以得出兩個(gè)結(jié)論：第一，在線路分布電容為∞，即無干擾的情況下，配電系統(tǒng)真實(shí)的線路絕緣情況（該情況下測(cè)量的剩余電流是純阻性漏電電流）為0.00219A。第二，在線路分布電容存在的情況下，配電系統(tǒng)真實(shí)的絕緣情況會(huì)受到分布電容大小干擾，其規(guī)律是線路分布電容值越大，剩余電流測(cè)量值越大，會(huì)導(dǎo)致許多應(yīng)用場(chǎng)景下漏電頻繁誤報(bào)的情況發(fā)生。因此，要去除容性電流干擾，得到阻性漏電電流，真實(shí)反映配電系統(tǒng)的線路絕緣情況。

三、純阻性漏電電流計(jì)算模型

容性電流是不做功的，分布電容引起的是正常泄漏電流。因此，可以采用有功電能理論解決。為了驗(yàn)證這一想法，本研究搭建了仿真環(huán)境，對(duì)剩余電流進(jìn)行有功電能計(jì)算。

通過表2可知，有功電能計(jì)算的方式可以有效去除線路分布電容的干擾。在仿真環(huán)境中，調(diào)整線路電容C2波動(dòng)變化，有功電能是不變化的，通過有功電能理論模型，可以排除線路電容C2的干擾。

具體技術(shù)方案如下：在周期T內(nèi)，對(duì)剩余電流互感器檢測(cè)到的感應(yīng)電流IO與被測(cè)線路電壓U進(jìn)行微積分運(yùn)算處理得出有功功率P和有功電能WP。通過有功電能WP反向推導(dǎo)出被測(cè)線路絕緣阻性漏電電流IR 。

考慮電壓、感應(yīng)電流（剩余電流）畸變的非理想狀態(tài)下，電壓有效值URMS、剩余電流有效值IORMS、有功功率P和有功電能WP按照其定義積分式計(jì)算，算法公式如下：

進(jìn)一步地，被測(cè)線路絕緣阻性漏電電流計(jì)算算法為：

通過上述理論計(jì)算，得到有功電能WP為0.484ws，理論計(jì)算純阻性漏電電流為0.0022A，實(shí)際測(cè)量的純阻性漏電電流為0.00219A，二者的相對(duì)誤差僅為0.4%，滿足要求。

四、結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明，與傳統(tǒng)剩余電流檢測(cè)方法相比，剩余電流做功計(jì)量方法檢測(cè)的精度更高、可靠性更強(qiáng)。該技術(shù)可以準(zhǔn)確計(jì)算配電系統(tǒng)在線的絕緣電阻參數(shù)為真正有害的電流分量，有利于大幅度降低目前市場(chǎng)上通用的火災(zāi)報(bào)警裝置的誤報(bào)情況，特別是當(dāng)前各種電子設(shè)備使用導(dǎo)致的諧波干擾，傳統(tǒng)檢測(cè)方法檢測(cè)的漏電電流存在較大誤差的應(yīng)用場(chǎng)景。

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作者簡(jiǎn)介：曾定（1991），男，碩士研究生，中級(jí)職稱，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。