基于剩余电流和漏电阻抗的漏电保护方法的研究

第 39 卷 第 12 期 电 力 系 统 保 护 与 控 制 Vol.39 No.12 2011年 6 月 16 日 Power System Protection and Control Jun. 16, 2011 基于剩余电流和漏电阻抗的漏电保护方法的研究 蔡志远，庞 佳，陈廷辉 （沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870） 摘要： 根据剩余电流的保护原理， 分析了剩余电流保护中不能够区分由于投入漏电负载和切除漏电负载产生的漏电信号的缺陷， 提出了一种基于剩余电流和漏电阻抗的保护方法。 该方法通过观察漏电负载阻抗的实部正负特征来加以区分这两种信号，在原有的剩余电流保护方法的基础上， 在理论上消除了切除漏电负载引起的剩余电流变化导致的误动作。 提出了一种基于三角函数的两点法测定向量参数，易于编程化，能够快速地提取出计算漏电阻抗所需要的向量参数。 关键词： 剩余电流；漏电电抗；误动作；向量；三角函数 Research on method of leakage current protection based on residual current and leakage impedance CAI Zhi-yuan, PANG Jia, CHEN Ting-hui (School of Electrical Engineering ， Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China) Abstract: Shortage of residual current protection method which can not distinguish the signals caused by switching on the leakage current impedance from those by switching it off is analyzed according to residual current protection theory. A new method based on residual current and leakage current impedance is proposed, which distinguishes the two signals through metering that the real part of impedance is positive or negative, and it can theoretically eliminate the fault performance caused by residual current change due to cutting off leakage current impedance based on original residual current protection. Based on the trigonometric functions, a new method using two points in wave signal to figure out the vector is also proposed. The method is easy for programming and with which the vector parameter needed for computing the leakage impedance can be quickly gotten. Key words ： residual current； leakage current impedance； fault performance； vector； trigonometric functions 中图分类号： TM77 文献标识码： A 文章编号： 1674-3415(2011)12-0061-040 引言 剩余电流保护器在诞生以来得到了广泛应用，在漏电火灾、人身触电方面都起到了积极的作用。起初的剩余电流型的漏电保护器是基于剩余电流的幅值来进行保护的，而且以电磁式剩余电流保护器居多，但成本较贵。目前电子式剩余电流保护器大部分都转向电子芯片作为主控制单元的剩余电流保护器。由于基于剩余电流幅值的保护方法存在漏电保护死区，为克服死区现象漏电保护开始向鉴幅鉴相式保护方法发展，近年来由于电子芯片技术的发展，鉴幅鉴相式剩余电流保护方法得到了应用，有效地消除漏电保护器的死区问题。虽然这种保护方法能够消除保护死区现象，但是它的保护特性主要是依赖剩余电流的变化，并不能任何情况下都能准确地反应现实中剩余电流变化的原因和选取漏电线路 [1-5] 。1 剩余电流保护的工作原理 按原理来讲，剩余电流的大小可以看成是所有的漏电电流的向量和，因此可知，剩余电流的幅值是小于等于漏电电流的幅值加和。而且当且仅当所有的剩余电流的向量为同相位时才有剩余电流的幅值与漏电电流的幅值加和相等。进而可以看出，仅仅采用剩余电流幅值保护的方法不能够有效地反映出漏电流的大小， 这就是剩余电流保护的死区现象。由于单片机的运行速度越来越快，对于该问题可以通过用单片机采集相角和幅值两个参数来确定漏电流的大小是比较方便和可行的，这就是鉴幅鉴相式剩余电流保护方法。剩余电流保护不是没有缺点的。对于单相漏电，如果采用直接剩余电流保护会存在保护死区，而采用鉴幅鉴相式剩余电流保护，当漏电负载被切除时也会被认为是一次漏电，虽然消除了死区但是- 62 - 电力系统保护与控制又增加了新的干扰源。而这一点在三相四线制的剩余电流保护中显得尤为突出。因为三相漏电流合成向量的角度范围是 0～ 2π ，发生的任何剩余电流变化是由单相漏电引起的还是由于三相引起的是无法知道的，也不可能知道是因为切除了漏电负载引起的剩余电流变化还是因为有新的漏电负载接入了线路。这时当剩余电流变化时，仅由剩余电流幅值和相角这两个参数是不能够判断出漏电负载是如何变化的，而只是能够给出曾发生了一次漏电变化。由图 1（ a） 、 （ b）对比可以看出当 B 相阻性负载切除部分漏电负载后， 在剩余电流方向上使 I rc 的幅值增大。如果该值达到剩余电流动作的门限值就会引起一次误动作。 I la、 I lb、 I lc 分别为 ABC 三相的漏电流，I rc 为三相合成的剩余电流， I rc＇ 、 I lb＇ 分别为变化后的三相合成的剩余电流和 B 相变化后的漏电流。图 1 剩余电流的向量图 Fig.1 Residual current vector 2 基于剩余电流和漏电阻抗的漏电保护方法 2.1 单相保护 对于漏电阻抗的大小在理论上是比较好计算的。在式（ 1）中 U 是取自火线与大地之间的电压，I rc 是用零序电流互感器取自火线与零线的剩余电流， Yrc就是漏电阻抗。当有剩余电流变化 I rc△ 产生时，则说明有 Yrc△ 接入线路。对于 Yrc△ 来说，除非是人为接地，否则 Yrc△ 的实部是存在的。而且对于漏电故障来说是比较好检测出 Yrc△ 的实部的。rc rc=I UY ? rcΔ rcΔ=I UY （ 1）当 Yrc△ 的实部为正则说明有漏电接入，则 Yrc△为接入的负载，如果漏电值达到了保护动作值，保护器跳闸。如果说 Yrc△ 的实部是负数，说明线路中切除了某一漏电负载，即使是达到了漏电保护动作值也没有必要动作。再有，电力系统中电压是存在波动的，笔者认为可以将 I rc△ 整定到额定电压下，这样即使由于某些原因引起电压降低也能对漏电负载在恢复到额定电压下产生的漏电做出预判。2.2 三相保护 对于三相四线制的保护要准确判断出故障原因要比单相复杂得多。在三相四线制中剩余电流是三相的剩余电流的向量和，而要直接测出各个相的剩余电流是没有办法办到的。这给三相剩余电流保护也带来很多干扰因素，不能够准确地动作，甚至是不动作。 因此准确判断漏电故障的原因十分重要，不仅关系到生命财产安全，也关系到配电网络的安全稳定运行。在三相四线制系统中，只通过线路电压与电流是不能够测出每一相的漏电阻抗的，但是对线路稍作改动后 （如图 2） ， 在不影响运行的情况下是可以测出三相的并联漏电阻抗的。图 2 基于剩余电流和漏电阻抗的保护原理图 Fig.2 Structure of protection based on residual current and leakage current impedance 该测量方法实现的原理如下： Zl1 、 Zl2、 Zl3 代表的是漏电阻抗， Zd 是接地电阻， U1、 U 2、 U3 代表的是三相电源的 ABC 三相的电动势。 图 2 电路中 T的存在主要改变电路的状态从而可以得到一个建立方程的条件。 T 的这种接法改变了中性点的电压，也改变了漏电阻抗两端的电压，而对于单相和三相的用电负载的端电压而言并没有改变。根据剩余电流等于各个分支漏电的向量和可以得出式 （ 2） 和式（ 3）两个等式。K 闭合前1 d 2 d 3 dl1 l2 l3+ + ++ + =rcU U U U U U IZ Z Z （ 2）K 闭合后1 d 2 d 3 drcl1 l2 l3 + + ++ + =U U U U U U IZ Z Z （ 3）由式（ 3） - 式（ 2）得式（ 4） ：dΔ dΔ dΔrcΔl1 l2 l3+ + =U U U IZ Z Z （ 4） 蔡志远，等 基于剩余电流和漏电阻抗的漏电保护方法的研究 - 63 - 由式（ 4）可以得出dΔ rcΔl1 l3 l1 l2 l3l2rcΔ dΔ= ? = + +U IZ Z Z Y Y YI U （ 5） 发生漏电时有dΔl1 l3 Δl2rcΔU Z Z Z ZI = ?rcΔl1 l2 l3 ΔdΔI Y Y Y YU = + + + （ 6）式中： dU 、 d U 是 K 闭合前后 Z d 两端的电压， Ud△是 Z d 在 K 闭合前后的电压差。 在图 2 中， T 的二次侧一端与中性线相连，另一端与地相连， Z 是接地阻抗，则通过式（ 7）可以求出所需参数 U dΔ 、 U d。( )d d rcd K rc d =??? = + ??Z U IU I I Z （ 7）Ud可以通过高内阻抗传感器在中性线与 Z 的一端相连测出， 而 I k 可以直接测出。 由公式 （ 5） 、 （ 6） 、（ 7） 可以计算出刚刚接入线路的漏电导纳 Y△（ Z△ ） 。因此可以知道导纳角大小。当分别用三相电压与该导纳相乘，得到的漏电电流与实测剩余电流变化量相位和幅值最为接近，则认为漏电即为该相产生，否则认为是非单相漏电。与单相保护的识别方法一样， 得到的 Y△ 实部如果为正则是有漏电产生， 而为负时则说明线路中切除了漏电负载。当漏电同时发生在两相时， 如 A 与 B 两相时， 还可以通过平行四边形法则分别求得该两相的漏电阻抗大小，进而可以求出这两相各自的剩余电流大小。具体的实现方法如方程组（ 8）的推导过程。rc 1 1 2 2Δ 1 1 2 21 121 1 12 2 2( j) ( j)jjjI =U Y +U YYUUYYa b a bUα βa ba b?? = + + +?? =??? = +?? = +? = +??1 rc11 rc12 Δ2 Δreal( )0imag( )0real( )1 0 1 0imag( )0 1 0 1IIYYaUbUabα ββ α- ? ? ? ?? ?? ? ? ?? ?? ? ? ?? ? =? ? ? ?? ?? ? ? ?? ?? ?? ? ? ?（ 8）方程中 U1 直接代入幅值 U1 是因为本文取该向量为坐标系的参考零角度向量。如果系数行列式的值不为零该方程就会有唯一解，而通过计算得出，只要 U 1、 U2 不等则方程组一定有唯一解。应该注意的是， 当计算结果中出现了 Y1、 Y2 的向量角度任何一个超出了－ π /2～ π /2 范围则说明合成向量并不在 U1、 U2 的夹角之间，所以要换下一个电压向量区间，直到两个导纳值都满足要求。对于三相同时漏电而言，采用该方法也是可以检测出漏电并联阻抗的变化的，但是由于缺少独立条件所以并不能用方程求解出各相的漏电值的大小。2.3 开关 K 的操作动作与保护逻辑分析 漏电开关在投入运行后，所保护的故障类型大多是突发性的。如人体触电，树枝等异物搭接在裸露线路上。这类故障的暂态过程不会很长，一般在2～ 5 周波时就基本稳定。 因此采集漏电信息应选在3 个周波以上 [6] 。在标准中规定，直接接触保护最大分段时间为 0.1 s ，而直接保护使用在单相线路中，选用三个周波后采集信息仍是满足要求的。对于间接接触保护，大多是用在三相系统中，与单相保护不同的是需要动作一次开关 K，但是对于间接保护要求在给定的保护剩余电流值动作时间小于0.2 s，这样的要求即使 K 动作时间也是完全可以达到要求的。 2 倍的额定动作漏电流标准中规定应小于 0.1 s， 5 倍的额定剩余电流时动作时间小于 0.04 s， 这两种情况的剩余电流值都很大， 不可能是由于切除漏电负载而引起的，因此可以不做判断直接采取分断动作。3 向量参数的采集方法 在计算中电压电流是通过传感器采集得到的。但是采集的时候得到的数据都是波形的瞬时值（如图 3） ， 不能直接用于计算。 以往向量参数的采集最常用的方法是捕捉过零点和波形的幅值，通过这两个参数就构成了一个向量。该方法简单，需要找过零点，增加了硬件电路的复杂度，响应速度较慢，当波形变化后不能及时地修正采集结果。这里采用的是三角函数两点采样法，只需稍做计算便可以实现采集向量参数的功能，具体实现方法如下。第一采样时间UI rc第二采样时间π /2图 3 电压电流采集方法图 Fig.3 Method of collecting voltage and current - 64 - 电力系统保护与控制21cos( )cos( π / 2)jII iI ia bθθ? =?? ? - = ??? = +?2 1 jI i i= + （ 9）同理2 1 jU u u? = + （ 10）式中： U 为电流电压的幅值； I 、 U 为电流电压的向量值； i1， u1 是第一采样时间的电流和电压瞬时值；i2， u2 是第二采样时间的电流和电压瞬时值，由公式 （ 9） 可以得出当测定一个已知频率的正弦波， 只需要采集该波形上相隔 π /2 两点就可以确定一个向量。当以电压为参考向量（即使电压的向量的角度为零）则有式（ 11）成立。rel U=IIU （ 11）式中， I rel 为电流相对电压的向量。 这样按照式 （ 10）的计算方法可以得到上面用到的所有的参数相对参考向量 U 的向量值。4 结论 （ 1） 本文分析了剩余电流保护的原理， 并从原理入手分析了可能发生误动和拒动的原因。（ 2）提出了基于剩余电流和漏电阻抗的方法，在理论上克服了鉴幅鉴相式保护方法中不能分辨负载投切状态的弊端，能够进一步减小剩余电流保护的误动作，从而在理论上达到了只针对接入性剩余电流产生而动作，而对切除剩余电流保持不动作。（ 3） 该方法能够测出三相的并联阻抗， 给配电网络维护提供了绝缘参数信息，为电力工作人员检修提供参考。（ 4）本文采用了基于三角函数的向量数据采集方法，方法简单且计算量小，易于编程计算。参考文献[1] 田萍果 , 刘文汉 . 解决漏电保护的死区问题 [J]. 生命科学仪器 , 2008, 6(4): 37-39．TIAN Ping-guo, LIU Wen-han. 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