農(nóng)網(wǎng)剩余電流保護裝置動作邊界研究現(xiàn)狀

邵利敏，杜松懷，蘇 娟，關海鷗

(1.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083；2.河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河北 保定 071001)

剩余電流動作保護裝置(Residual Current Operated Protective Device，RCD)簡稱剩余電流保護裝置，由國際電工委員會IEC(International Electrotechnical Commission)命名。不同國家叫法不同，即便在我國，叫法也多種多樣，如觸電保安器、漏電保護器等[1]。GB 13955-2005《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》的發(fā)布意味著GB 13955-1992《漏電保護器安裝和運行》的廢止，“剩余電流動作保護裝置”正式取代“漏電保護器”。農(nóng)網(wǎng)改造大大提高了電網(wǎng)的供電能力、可靠性和網(wǎng)絡絕緣強度，為電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了保證，但因漏電引起的火災甚至人身觸電傷亡事故依然時有發(fā)生[2]。IEC和不少國家都制定了相應的電氣安裝規(guī)程和用電規(guī)程，致力于在低壓電網(wǎng)中推廣使用剩余電流保護裝置[3-7]。在低壓電網(wǎng)中，加裝剩余電流保護裝置是防止人身電擊傷亡和避免因泄露電流造成電氣設備損壞的重要措施，有助于提高供電系統(tǒng)末端的可靠性和保護性能，是低壓電網(wǎng)漏電事故最基本、最重要的保護手段，但并不意味著可以取消其他觸電保護方法，二者應起到相輔相成的作用。1912年德國發(fā)明了電壓型漏電保護器，1940年法國發(fā)明了電流型保護器，20世紀70年代各國開始制定規(guī)程以強制在某些場所安裝剩余電流保護裝置[8-10]。2007年以來，國家電網(wǎng)公司把各臺區(qū)剩余電流保護裝置投運率接近或達到100%作為新農(nóng)村電氣化建設驗收合格與否的必要條件之一[11]。本文在介紹剩余電流保護裝置基本原理的基礎上，討論了其關鍵技術動作邊界的研究現(xiàn)狀，并在課題組試驗基礎上提出了一系列的解決方法和措施。

1 RCD基本工作原理

剩余電流保護裝置形式、結構和技術性能不盡相同，但工作原理基本相似，如圖1所示[3,12-16]，主要由剩余電流互感器(Residual Current Transformer, RCT)、漏電脫扣器、主開關和試驗裝置等部分組成。其中，RA、RB和RT分別為設備接地、電源接地和試驗裝置用電阻。

圖1 剩余電流保護裝置結構原理圖Fig.1 Principle diagram of residual current device

電網(wǎng)正常工作時，剩余電流保護裝置所保護范圍內(nèi)的電路無漏電、觸電和接地故障發(fā)生，剩余電流互感器一次側電路的電流矢量和為零，在鐵心中產(chǎn)生的磁通矢量和也為零。因此，剩余電流互感器二次線圈中沒有感應電壓輸出，線路正常供電。一旦有人體觸電等故障發(fā)生，設備接地電阻上流過接地電流，則通過剩余電流互感器的電流矢量和不再等于零，互感器二次回路有感應電壓輸出，且隨故障電流的增長而增加。經(jīng)信號處理后，當故障電流達到預設值時，脫扣器線圈中電流推動脫扣機構動作，切斷供電回路，達到保護目的。

2 剩余電流保護裝置分類與比較

電壓動作型保護裝置只能控制單臺用電設備，用于檢測電氣設備金屬外殼與大地之間的故障電壓。由于不能作為直接接觸電擊保護且無法實現(xiàn)分級保護，供電可靠性低，鑒于其局限性以及某些無法克服的缺點，電壓動作型保護裝置逐漸被電流動作型所取代，目前已基本不再使用。

電流分離動作型剩余電流保護裝置根據(jù)觸電電流與電網(wǎng)三相不平衡剩余電流特征的不同設計而成。人體皮膚阻抗為時變網(wǎng)絡，利用人體觸電電流起始過程的非正弦性將其從總泄漏電流中分離出來，進而去控制保護裝置的動作機構，以獲得非常理想的觸電保護特性，其原理框圖如圖2所示。作為剩余電流保護裝置未來的方向，電流分離動作型具有很大的優(yōu)越性。

表1 常見剩余電流保護裝置性能比較Tab.1 Comparisons of the most common types of RCD

圖2 電流分離動作型RCD原理框圖Fig.2 Principle diagram of current separation type RCD

3 動作邊界研究進展

剩余電流保護裝置由傳感元件、判別元件和執(zhí)行元件等組成。各組成元件性能的優(yōu)劣將直接影響保護裝置的性能和工作可靠性。另外，合理的動作邊界設計對消除保護裝置誤動作、拒動作等有極其重要的作用。

國內(nèi)外很多學者對剩余電流保護裝置的硬件結構進行了改進，文獻[18-25]從傳感元件材料工藝、結構的改進到判別、測控電路的優(yōu)化等方面進行了研究，提高了靈敏度。但是，由于受安裝場所等外界干擾原因，并不能真正的解決剩余電流保護裝置普遍存在的誤動作及投運率低等問題。要想從根本上解決剩余電流保護裝置誤動、拒動現(xiàn)象，避免人身電擊事故發(fā)生，必須設計合理完善的動作邊界，進而研制基于人體觸電電流而動作的新型電流分離型剩余電流保護裝置。

目前，國內(nèi)外一致認為工頻電流30 mA是在低壓回路觸電時人體所能忍受的極限值，世界各國普遍都將該值作為末級剩余電流保護裝置的動作閾值。因此，當電網(wǎng)或用電設備中的漏電電流超過此閾值時，則認為發(fā)生了漏電故障，需要進行保護。該判據(jù)簡單、易于實現(xiàn)，能夠滿足大部分場合的需要。

然而，電網(wǎng)中正常的泄漏電流隨時間變化非常緩慢，兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間的變化可能高達數(shù)小時甚至更長，比如由于大氣濕度而導致絕緣電阻變化所引起的漏電電流變化。故障漏電電流則不然，往往很短的幾個周波，甚至幾個ms即可發(fā)生狀態(tài)的轉移，可以采用窗口移動等方法得出漏電電流變化率，根據(jù)漏電電流的變化快慢來區(qū)分到底是故障漏電還是正常漏電。文獻[26]提出了基于剩余電流變化量法的漏電保護理論，給出了突變和緩變漏電信號特征的數(shù)學識別方法，采用剩余電流和剩余電流變化量雙重判據(jù)進行綜合漏電保護。文獻[27]從漏電負載阻抗的正負特征出發(fā)提出了基于剩余電流和漏電阻抗的保護方法。文獻[28]認為電擊和火災主要由總泄露電流中阻性成分引起，剩余電流保護裝置運行應以阻性成分為判據(jù)更為合理。文獻[29]將漏電保護范圍分成若干區(qū)間，根據(jù)漏電電流的變化情況，考慮溫度、濕度等環(huán)境因素，修正漏電動作閾值，建立自適應漏電保護模型，設計了自適應漏電斷路器。上述文獻從不同角度對現(xiàn)行運行判據(jù)進行了改進，可靠性得到了不同程度的提高。這些新思想和技術方法，對保障用電安全和供電質量發(fā)揮了巨大作用，但仍然是基于剩余電流幅值的保護，依然無法真正解決剩余電流保護死區(qū)現(xiàn)象。

另外，目前研究多集中于50/60 Hz正弦交流電情況，沒有涉及到諧波電流、接地故障電流、PWM變頻調(diào)速等復雜波形條件，且沒有研究觸電電流提取等問題，也就無法從根本上解決觸電電流與剩余電流保護裝置間的直接關系。復雜波形條件下生物體觸電故障時剩余電流信號的檢測識別在國內(nèi)外尚無成熟的技術方法和產(chǎn)品，無法滿足復雜因素下電力系統(tǒng)更加安全可靠的新要求。

針對目前存在的問題，課題組搭建了剩余電流動作保護裝置試驗平臺，如圖3所示，并開展了相關動物觸電試驗，研究了低壓電網(wǎng)剩余電流暫態(tài)過程特征提取與識別方法，相關研究成果見文獻[30-35]，將小波變換、BP神經(jīng)網(wǎng)絡、混沌算法和最小二乘支持向量機等智能處理算法應用于觸電電流檢測，通過智能計算進而取代傳統(tǒng)幅值比較方法，能夠從總泄漏電流中檢測出觸電電流信號，這些針對剩余電流保護中出現(xiàn)的新問題展開的關鍵技術研究為開發(fā)新型電流分離型剩余電流保護裝置提供了依據(jù)，具有重要的理論意義和應用價值。

總之，機電一體化數(shù)控技術有著高效、穩(wěn)定和安全等優(yōu)勢，通過將其應用到煤礦機械中，可以保證綜采效果實現(xiàn)提升，讓煤礦生產(chǎn)更具效率。同時還要將機電一體化數(shù)控技術與運輸系統(tǒng)相集合，從而讓運輸系統(tǒng)得到有效的優(yōu)化，讓煤礦生產(chǎn)每個環(huán)節(jié)能夠實現(xiàn)有效的銜接。煤礦企業(yè)只有充分發(fā)揮出機電一體化數(shù)控技術的作用，才能實現(xiàn)經(jīng)濟效益的不斷增長，滿足社會各界對煤炭資源的需求，也推動國民經(jīng)濟的快速、穩(wěn)定發(fā)展。

圖3 剩余電流動作保護裝置試驗平臺Fig.3 The experiment platform of physical electric shock

要從根本上消除剩余電流保護裝置誤動作和拒動作現(xiàn)象，防止發(fā)生人身電擊事故發(fā)生，必須在提取觸電電流信號幅值的基礎上，設計新的低壓電網(wǎng)剩余電流保護裝置自適應動作判據(jù)，進而開發(fā)和研制基于人體觸電電流而動作的新型剩余電流保護裝置。在課題組已有研究成果基礎上，編制完善觸電電流檢測與識別算法，基于高速處理器芯片達到剩余電流保護裝置可靠性和速動性要求，切實提高其智能化水平，才能保證低壓配電網(wǎng)的人身、設備安全和剩余電流保護裝置的正確投運。

4 提高剩余電流保護裝置動作可靠性的主要措施

針對目前剩余電流保護裝置運行過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，結合課題組多年來所做的動物觸電試驗成果，在管理、維護和技術層面提出了一系列的措施，希望能夠從根本上消除剩余電流保護裝置投運率低等現(xiàn)象。

4.1 提高用戶安全用電意識

在農(nóng)村低壓電網(wǎng)分級裝設剩余電流保護裝置能夠有效的防止人身觸電傷亡事故以及由漏電引起電氣火災、電氣設備損壞。加強宣傳，消除用戶所謂“搗蛋器”和“保命器”的誤區(qū)，客觀公正的宣傳剩余電流保護裝置的防觸電作用。即使安裝了剩余電流保護裝置后，也應以預防為主。

4.2 提高管理維護水平，監(jiān)督裝置運行

剩余電流保護裝置的運行、維護和管理長期存在投運難、維護難、管理難和考核難等問題[13]，提高其運行管理維護水平具有極其重要的意義。

(1)加強剩余電流保護裝置質量監(jiān)督，必須通過國家強制性產(chǎn)品認證(即“3C”權威認證)，滿足GB標準，安裝環(huán)境需遵循中華人民共和國電力行業(yè)標準《農(nóng)村剩余電流動作保護器安裝運行規(guī)程》DL/T 736-2010[16]。

(2)供電企業(yè)應對轄區(qū)總保、中保建立設備檔案，定期檢查、測試，做好運行記錄和試驗記錄；用戶需保證戶保的完好，并做好每月試跳記錄。

(3)加強供電企業(yè)員工的專業(yè)技能培訓，利用高科技手段，通過自動監(jiān)測和“四遙”方式實現(xiàn)遠程自動化。

4.3 開發(fā)新技術，提高裝置可靠性

在保證宣傳、管理等方面的基礎上，應進一步提高裝置技術水平，使剩余電流保護裝置動作更加合理。

(1)減小供電半徑，提高臺區(qū)的絕緣水平，進一步完善漏電保護系統(tǒng)，實現(xiàn)剩余電流分級保護，提高用電安全和供電可靠性。

(2)設計性能優(yōu)良的濾波器，濾除外界干擾信號；設計合理的電流分離算法，在盡可能短的時間內(nèi)將觸電電流信號從總泄漏電流中提取出來。

(3)綜合考慮，設計數(shù)字式剩余電流保護芯片或裝置，通過數(shù)字延時電路等實現(xiàn)保護裝置的高精度、高可靠性和高智能化。

5 結 語

本文在閱讀國內(nèi)外參考文獻的基礎上，對剩余電流保護裝置動作邊界的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析和研究，主要結論如下：剩余電流保護裝置形式、結構和技術性能各有不同，但工作原理基本相同。要想從根本上消除動作死區(qū)、完善運行特性，不僅需要提高剩余電流保護裝置的運行管理水平，更需采用新材料和新工藝，改進剩余電流保護裝置硬件結構，提高靈敏度。最重要的是要實現(xiàn)裝置的智能化和自適應發(fā)展，采用智能算法，利用人體觸電電流起始過程的非正弦性，從總剩余電流中分離觸電電流信號，以此作為控制保護裝置動作的依據(jù)，進而利用高速處理器芯片結合高性能濾波器實現(xiàn)裝置的可靠性和速動性要求。

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