一种双突变量的电流分离漏电保护方法

摘要

一种双突变量的电流分离漏电保护方法，属于漏电保护技术领域。其特征在于：包括如下步骤：步骤a，得到电流突变相量；步骤b，判断是否为首次执行，首次执行则执行步骤e，否则执行步骤c；步骤c，得到故障电流突变相量；步骤d，判断步骤故障电流突变相量是否大于判定阈值，大于执行步骤h，否则执行步骤e；步骤e，未发生故障；步骤f，不平衡电流突变相量是否大于最小有效测量阈值，如果大于执行步骤g，否则步骤a；得到常复系数M的值，并返回步骤a；步骤h，线路发生故障。在本双突变量的电流分离漏电保护方法中，利用剩余电流和零序电流工频量进行故障判断，不依赖生物触电的独有电学特征，具有很高的检测灵敏性和很强的普遍适用性。

说明书

技术领域

一种双突变量的电流分离漏电保护方法，属于漏电保护技术领域。

背景技术

国家统计局有关数据显示，中国每年因触电死亡的人数约8000人，年用电量与触电死亡人数比约8亿kWh/人，相比美国的每年约400人和100亿kWh/人还有较大差距。触电事故中超过85％发生在低压配电网中，因此，提高低压配网漏电保护能力是减少触电死亡事故的重要途径。

国内外低压配电网漏电保护主要采用剩余电流保护装置(residual currentprotection device，RCD)，又称剩余电流保护器或漏电保护器。目前，RCD普遍采用基于剩余电流幅值的保护原理，即幅值比较法。从基本原理上，该法适用于正常工作时近似完全封闭的系统，即正常工作电流完全经由相线和零线返回电源中性点。然而实际系统中，线路和用电器不可避免的存在对地电容和电导，会产生一部分固有剩余电流；在我国当前应用较多的TN-C-S接地系统中，除电源中性点外，还存在重复接地点，也会产生固有剩余电流。由于需要躲过线路正常运行时的固有剩余电流，幅值比较法适用于固有剩余电流小的TT系统和TN-S系统以及TN-C-S系统中的局部TN-S系统(即末级保护的范围)，在包含重复接地点、固有剩余电流大的TN-C-S系统中应用效果不佳。

近年来，为克服固有剩余电流的影响，提高触电保护的灵敏度，电流脉冲法、鉴相鉴幅法、电流分离法被相继提出。电流脉冲法利用剩余电流幅值的突变量进行判断，同样存在较大的保护死区。鉴相鉴幅法除利用剩余电流幅值和角度的突变量进行判断，在实际应用中，仍存在保护拒动现象。电流分离法主要基于生物体触电时的暂稳态特性，从剩余电流中将触电电流分离出来，根据触电电流进行动作判定从而消除保护死区。电流分离法是目前触电保护的主流研究方法，学者提出了基于小波分析和神经网络、小波包分析和混沌理论、支持向量机、希尔伯特-黄变换、半波真有效值等的触电电流分离方法。由于生物触电的暂稳态特征具有较强的随机性，该类基于触电波形特征的方法难以确保其保护效果的普遍适用性。

事实上，在低压配网，尤其是农村配网中，还普遍存在RCD安装不规范、接地点设置错误、末级保护人为关闭等现象，同时各种电力电子设备的使用也使得固有剩余电流特征越发复杂，一方面，这使得仅依靠剩余电流幅值、相角或者时频特征完成触电故障的识别在原理上难以可靠实现；另一方面，使中保和总保难以投入，触电保护完全依赖用户侧的末级保护，可靠性难以保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用剩余电流和零序电流工频量进行故障判断，不依赖生物触电的独有电学特征，仅基于其基本的工频阻抗特性完成触电检测，算法清晰明确，具有很高的检测灵敏性和很强的普遍适用性的双突变量的电流分离漏电保护方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该双突变量的电流分离漏电保护方法，其特征在于：包括保护装置，保护装置包括连接在线路中的互感器，互感器的输出端接入信号处理模块的输入端，信号处理模块的输出端连接三相继电器，三相继电器接入线路中，还包括如下步骤：

步骤a，所述互感器将采集到的数据送入信号处理模块，信号处理模块对互感器送入的数据进行提取，提取得到两个电流突变相量：剩余电流突变相量

步骤b，信号处理模块判断是否为首次执行，如果是首次执行，跳过步骤c～步骤d，直接执行步骤e，如果不是首次执行，执行步骤c；

步骤c，信号处理模块计算得到故障电流突变相量

步骤d，信号处理模块判断步骤c中计算得到的故障电流突变相量

步骤e，当故障电流突变相量

步骤f，信号处理模块判断步骤a中采集到的不平衡电流突变相量

步骤g，通过步骤a中提取到的剩余电流突变相量

步骤h，当故障电流突变相量

优选的，在所述的步骤g中，常复系数M的计算公式为：

其中，

优选的，在所述的步骤c中，故障电流突变相量

其中，

优选的，所述的互感器包括剩余电流互感器和零序电流互感器，剩余电流互感器和零序电流互感器同时安装在电源进线上，剩余电流互感器和零序电流互感器的输出端分别接入信号处理模块的输入端。

优选的，所述的信号处理模块包括信号调理电路与数字采样电路，其中信号调理电路至少包含滤波电路、信号放大电路、共模抑制电路、过压保护电路。

优选的，所述的信号调理电路还包括加法电路。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本双突变量的电流分离漏电保护方法中，利用剩余电流和零序电流工频量进行故障判断，不依赖生物触电的独有电学特征，仅基于其基本的工频阻抗特性完成触电检测，算法清晰明确，具有很高的检测灵敏性和很强的普遍适用性。

2、通过本双突变量的电流分离漏电保护方法，能够克服重复接地点对剩余电流的影响，填补TN-C-S系统的总保护和中级保护的空缺，提高触电故障检测的可靠性。

3、在本双突变量的电流分离漏电保护方法基于工频量进行检测，不需要测量故障的高频暂态信号，对采样频率和CPU算力等硬件要求低，易于低成本实现。

附图说明

图1为双突变量的电流分离漏电保护方法流程图。

图2为实施例1双突变量的电流分离漏电保护方法漏电保护系统结构示意图。

图3为TN-C-S系统简化电路原理图。

图4为剩余电流相量幅值随负荷和故障的突变情况示意图。

图5为剩余电流相量角度随负荷和故障的突变情况示意图。

图6为典型故障电流计算值示意图。

图7为实施例2双突变量的电流分离漏电保护方法漏电保护系统结构示意图。

其中：1、剩余电流互感器 2、零序电流互感器 3、三相继电器 4、信号处理模块 5、电源模块。

具体实施方式

图1～6是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～7对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种双突变量的电流分离漏电保护方法，包括如下步骤：

步骤1001，开始；

开始执行双突变量的电流分离漏电保护方法。结合图2，在本实施例中，设置有剩余电流互感器1和零序电流互感器2，剩余电流互感器1和零序电流互感器2同时安装在电源进线上，其中A、B、C三相相线和零线N同时穿过剩余电流互感器1，A、B、C三相相线穿过零序电流互感器2，剩余电流互感器1和零序电流互感器2的输出端分别接入信号处理模块4的输入端。在A、B、C三相相线上还安装有三相继电器3，信号处理模块4的输出端接入三相继电器3中，为三相继电器3提供工作电源和动作时的触发信号。电源模块5为信号处理模块4供电，其输入端为任意相线和零线，输出为信号处理模块4所需的单个或多个直流电压。

信号处理模块4，包括信号调理电路与数字采样电路，用于对剩余电流互感器1和零序电流互感器2输入的信号进行调理和采样。信号调理电路用于将剩余电流互感器1、零序电流互感器2的输出信号调理至满足后侧数字采样电路输入信号要求，至少包含滤波电路、信号放大电路、共模抑制电路、过压保护电路。

数字采样电路用于对剩余电流、不平衡电流时域测量连续模拟波形进行等间隔数字采样，转化为离散数字量，以便后侧进行数字计算。

信号调理与数字采样电路需相互配合。当互感器为电流输出型、采样电路为电压输入型时，调理电路应包含电流电压转换电路。当三相线路采用相电流互感器方案时，可令信号调理电路增设加法电路，对三相电流测量信号进行加和得到不平衡电流，数字采样电路输入为两路；或信号调理电路不对三相电流测量信号进行模拟加和处理，数字采样电路输入为四路。

步骤1002，得到电流突变相量；

由上述的信号处理模块4，对剩余电流互感器1和零序电流互感器2送入的测量数据进行提取，得到两个电流突变相量：剩余电流突变相量

步骤1003，判断是否为首次执行；

信号处理模块4判断是否为首次执行本双突变量的电流分离漏电保护方法，如果是首次执行本双突变量的电流分离漏电保护方法，执行步骤1006，如果不是首次执行本双突变量的电流分离漏电保护方法，执行步骤1004；

步骤1004，计算得到故障电流突变相量；

信号处理模块4计算得到故障电流突变相量

以图3所示的TN-C-S系统简化电路原理图，对故障电流突变相量

图3中，L

对变压器中性点O作KCL分析得，剩余电流为：

式中：

又有：

式中：

可见，剩余电流中除包含故障电流

由于零线阻抗Z

整理得：

式中M是一个常复系数。

可见，

式中，

一个台区的负荷改变通常意味着负荷投入数量变化，以A相负荷增大为例，A相投入的用电器增多、负荷增大，则A相用电器的对地漏电通路增加，对地总阻抗Z

由公式(1)、公式(2)得到故障前剩余电流为：

故障后剩余电流为：

则故障前后的剩余电流突变量为：

由于单一负荷投切造成的相电压波动很小，而一个低压配电台区或一个中保的保护范围内，用电器数目有限，正常情况下，同一工频周期内用电器投切数量较少，故由负荷投切导致的正常漏电流突变量

由公式(4)、公式(9)得，故障电流突变相量

其中，

由公式(4)、公式(10)可见，若接地点接地阻抗和零线阻抗为确定值，且区内无接地故障，则：

当三相不平衡电流发生变化，

步骤1005，故障电流突变相量是否大于预设阈值；

信号处理模块4判断步骤1004中计算得到的故障电流突变相量

步骤1006，线路未发生故障；

当故障电流突变相量

在以上分析中，默认给定了剩余电流和零序电流的参考相位，即A相电压的相位，事实上，当电流测量的基准相位与A相相位相差θ时，由公式(11)可知，M计算值不变，式(10)变为：

即计算的

结合上述步骤1003，当首次执行本双突变量的电流分离漏电保护方法时，默认线路中为发生故障，因此跳过上述的步骤1004～步骤1005，直接执行步骤1006及后续步骤。

步骤1007，不平衡电流突变相量是否大于预设阈值；

信号处理模块4判断上述步骤1002中采集到的不平衡电流突变相量

设置最小有效测量阈值I

可见不平衡电流幅值越小，测量误差

步骤1008，计算得到常复系数M的值。

由上述公式(11)可知，常复系数M的计算公式为：

其中，

由上述可知，在首次执行本双突变量的电流分离漏电保护方法，跳过步骤1004～步骤1005，直接执行步骤1006的原因在于：在算法启动后，M值为设定的默认初始值，由上述公式(11)可知，M值与线路参数和接地点阻抗有关，不同线路或同一线路不同环境条件(如季节、天气等)下，M值不同，以默认的M初始值计算的

每次执行步骤1008结束之后，返回步骤1002，即在每一次执行步骤1004时，将上一次执行本双突变量的电流分离漏电保护方法计算得到的M值，以及本次执行步骤1002得到的剩余电流突变相量

步骤1009，线路发生故障；

当故障电流突变相量

下面针对图3所示的TN-C-S系统简化电路原理图，对本双突变量的电流分离漏电保护方法进行仿真验证。

三相线路和零线的单位长度参数相同，每相线路的长度在0～2km范围内随机取值。每确定一种三相线路长度组合，进行4组仿真，分别对应情况分别为：无故障，有故障且故障过渡电阻分别为7333Ω、4400Ω、2200Ω，对应30mA、50mA、100mA的故障电流。每组仿真100次，三相负荷均为阻感性，每次仿真中三相负荷阻抗独立随机取值，电阻和感抗取值范围为1～10Ω，每次仿真得到一个

每种线路长度组合共计获得400个I

对每个线路长度组合的仿真数据处理时，以无故障组的任意两个不同的I

剩余电流相量幅值随负荷和故障的突变情况，以及剩余电流相量角度随负荷和故障的突变情况分别如图4、5所示。可见，正常情况下，负荷的突变可导致剩余电流幅值产生0～20A的突变，该量级远大于漏电保护的30mA量级。同时，是否存在故障对剩余电流幅值突变量的影响极其微弱，仅以剩余电流幅值突变量而言，无法用以判断故障的存在性，即表明电流脉冲法失效。

从剩余电流相角突变量来看，在正常无故障状态下，负荷的波动可造成剩余电流相角突变量为任意角度，故障对剩余电流相角突变量也没有明显影响，故利用剩余电流幅值突变量和相角突变量进行故障判别的鉴相鉴幅法失效。

从剩余电流突变波形来看，触电故障一般呈阻性，其引入的剩余电流突变量相位应与故障相的相电压相近，而负荷波动(如阻性负荷的投切)可能造成极类似的波形变化，使二者难以区分，因此基于剩余电流波形突变特征识别的小波分析等方法的难以应用。

按本双突变量的电流分离漏电保护方法，以无故障组数据进行M值计算，再以计算的M值对无故障、有故障时的接地故障电流幅值进行计算，得到故障电流计算值。对于一组确定的线路长度组合，典型的故障电流计算值分布如图6所示，可见在无故障、故障电阻不同时，故障电流计算值具有明显不同的分布特征。

在该组仿真中，故障过渡电阻为7333Ω时，实际故障电流约30mA，其计算值中值为12mA；故障过渡电阻为4400Ω时，实际故障电流约50mA，其计算值中值为20mA；故障过渡电阻为2200Ω时，实际故障电流约100mA，其计算值中值为40mA。可见故障电流计算值约为实际值的40％。

若将保护动作阈值设定为5mA，则对于图6所示的结果而言，能够完全区分无故障和有故障的情况。

对全部的399万个仿真结果进行统计，故障电流计算值分布如表1所示：

表1仿真故障电流幅值分布统计

由表1统计结果可见，若动作阈值设定为5mA，则无故障保护误动次数所占比例约2.43％，有99.9％以上的7333Ω故障能够正确动作，4400Ω故障和2200Ω故障正确动作率达到100％；动作阈值提高至10mA时，保护误动率降为0.011％，此时7333Ω故障正确动作动作率下降至96.96％，4400Ω故障和2200Ω故障正确动作率仍保持在99.9％以上。

进一步分析发现，无故障而漏电流预测值超过10mA的仿真组别，均为线路长度极端不平衡的情况，如A相1.76km、B相1.98km、C相0.001km或A相1.31km、B相0.22km、C相1.87km等，在实际低压配网中，这样的情况极少出现，即无故障情况下，故障电流计算值达到10mA的可能性还要低于0.011％，故实际应用中，系统三相线路长度差别不太大时，I

仿真结果表明，本双突变量的电流分离漏电保护方法不受固有剩余电流影响，具有极高的保护灵敏性和可靠性。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：如图7所示，在本实施例中，保护的线路由三相线路变为单相线路(如图7所示的A相)，零序电流互感器2等同于相电流互感器。其他设备安装、算法流程与实施例1相同，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。