低壓配電線路剩余電流斷路器動(dòng)作判據(jù)的研究*

李 軍，鄧 暉，蔡崢嶸，呂干云，劉克天

(南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引言

剩余電流斷路器是低壓安全用電的主要保護(hù)器之一。對(duì)于發(fā)生觸電故障的線路，要求剩余電流保護(hù)器能夠做到及時(shí)斷開(kāi)線路，從而保護(hù)人體安全。然而，在實(shí)際應(yīng)用上，保護(hù)器卻存在誤動(dòng)的問(wèn)題。由于傳統(tǒng)剩余電流斷路器是以動(dòng)作電流超出剩余電流斷路器整定值的方法去判斷故障，而在部分臺(tái)區(qū)，其線路正常運(yùn)行時(shí)漏電流較大，由于一些原因動(dòng)作電流依然會(huì)超過(guò)整定值導(dǎo)致剩余電流斷路器的誤動(dòng)作[1]。在這樣的情況之下，研究有效的觸電判據(jù)是眾多科研工作者們努力的方向。研究判據(jù)主要分為以下幾個(gè)過(guò)程：首先，需要從電流波形中檢測(cè)出觸電電流[2-3]；其次，則是觸電電流的特征提取，在這1階段，可以研究多種信號(hào)交織的特征提取方法，從不同的角度去提取特征[4-6]；最后，則是對(duì)判據(jù)的研究，文獻(xiàn)[7]提出接地阻抗變化率的判據(jù)，通過(guò)對(duì)不同裕度的劃分范圍判斷故障，但是針對(duì)人體觸電，人體阻抗值隨年齡的增長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生變化，不容易判斷人體阻抗大小。文獻(xiàn)[8]針對(duì)饋線層故障，提出采用功率參數(shù)k是否小于0的判據(jù)判斷保護(hù)是否啟動(dòng)。然而在低壓端，由于負(fù)荷的復(fù)雜性，在發(fā)生故障時(shí)，無(wú)功功率仍然會(huì)大于0，此時(shí)判據(jù)會(huì)失效。文獻(xiàn)[9]通過(guò)分析故障前后各電氣量的變化，提出低壓配電網(wǎng)單相斷線故障判據(jù)。但是，經(jīng)過(guò)流保護(hù)后，殘余電氣量太少，很難檢測(cè)出來(lái)，判據(jù)易失效。文獻(xiàn)[10]提出了1種基于序特性的多判據(jù)融合的單相接地故障辨識(shí)方法，以此來(lái)進(jìn)行故障定位。文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)故障相電壓積分值與電容放電電壓積分值相比較判斷是否產(chǎn)生了故障，然而，在線路加裝硬件會(huì)使得成本增高，且沒(méi)有試驗(yàn)基礎(chǔ)，無(wú)法驗(yàn)證其可靠性。文獻(xiàn)[12]闡述了目前依舊主要應(yīng)用3種剩余電流斷路器，但由于它們依舊以剩余電流整定值為判斷故障依據(jù)，因此也導(dǎo)致了它們的頻繁誤動(dòng)。文獻(xiàn)[13]提出了1種電流分離型剩余電流斷路器，但是由于目前硬件技術(shù)及算法的不成熟，很難將2種電流徹底分離。

由于仿真環(huán)境的理想化,于是本文采用活體觸電試驗(yàn)與人體觸電仿真2種方法研究人體觸電特性。首先從活體觸電試驗(yàn)開(kāi)始，然后根據(jù)觸電前后諧波特征并結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，提出3重組合判據(jù)，最后用仿真算例驗(yàn)證判據(jù)的可行性。研究結(jié)果可為剩余電流斷路器的改進(jìn)提供參考。

1 觸電試驗(yàn)

本文中搭建自制試驗(yàn)平臺(tái)。由于活體雞的細(xì)胞阻抗具有與人體阻抗相似的容抗特性[14]，為追求觸電試驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性，選用活體雞作為觸電試驗(yàn)對(duì)象。

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

如圖1所示，本試驗(yàn)平臺(tái)包括主電路和輔助電路2個(gè)部分。主電路由交流電源、三相變壓器以及對(duì)稱負(fù)載構(gòu)成。輔助電路由直流電源、接觸器、示波器、時(shí)間繼電器及觸發(fā)開(kāi)關(guān)組成，示波器2號(hào)端口觸點(diǎn)1接互感器二次側(cè)電阻，觸點(diǎn)2接地?；铙w通過(guò)接觸器接到C相。觸電試驗(yàn)時(shí)，按下觸發(fā)開(kāi)關(guān)，繼電器延時(shí)t秒后斷開(kāi)線路。

圖1 活體觸電試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform of living body electric shock

活體觸電試驗(yàn)中，采樣頻率為1 000 Hz。設(shè)采樣點(diǎn)數(shù)為r，采樣時(shí)間為t，則t=r/1 000。觸電開(kāi)始時(shí)刻設(shè)置為0.4 s，而當(dāng)繼電器經(jīng)延時(shí)斷開(kāi)線路的同時(shí)，示波器將顯示整個(gè)觸電過(guò)程的觸電電流波形。

1.2 不同部位觸電試驗(yàn)波形

由于觸電事故發(fā)生前，無(wú)法預(yù)判活體觸電部位及其觸電電流的差異，故在試驗(yàn)過(guò)程中分別進(jìn)行翅-翅(15組)、腳-腳(15組)等部位之間的觸電試驗(yàn)共計(jì)30組，并從30組不同試驗(yàn)部位的觸電波形中挑選2組典型試驗(yàn)波形加以說(shuō)明。示波器觸電電流波形如圖2～3所示。

圖2 翅-翅觸電電流波形Fig.2 Current waveform of wing-wing electric shock

圖3 腳-腳觸電電流波形Fig.3 Current waveform of foot-foot electric shock

1.3 基于S變換的觸電試驗(yàn)特征提取

相較于STFT，S變換可以根據(jù)頻率變化自適應(yīng)調(diào)整時(shí)寬，并提供直觀時(shí)頻特征；相較于小波變換，S變換不僅可以調(diào)整時(shí)寬而且其逆變換無(wú)損可逆。S變換用于觸電電流諧波特性分析，可以確定觸電電流各次諧波幅值，同時(shí)能夠進(jìn)行觸電前后時(shí)頻特性的對(duì)比。電流I(t)的特征提取過(guò)程如式(1)～(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中：I(t)為采集的觸電電流信號(hào)，A；g(τ,f)為高斯窗函數(shù)；τ為時(shí)移因子(0～1.2),其表征控制窗口在時(shí)間軸上位置；σ為高斯函數(shù)方差，是關(guān)于t的時(shí)變參數(shù)。S(τ,f)是通過(guò)變換得到的時(shí)頻譜矩陣，表征觸電信號(hào)從低頻到高頻，其頻率成分隨時(shí)間變化情況，傅里葉頻譜形式如式(4)所示：

(4)

式中：β≠0。由式(4)得到的電流離散型號(hào)表現(xiàn)形式如式(5)所示:

(5)

式中：k為離散時(shí)間點(diǎn)，T為采樣時(shí)間間隔，s；N為離散信號(hào)長(zhǎng)度，k=0，1，…，N-1。

(6)

式中:n≠0，表示頻譜矩陣中的行數(shù)，m為列數(shù)。

定義模時(shí)頻矩陣諧波幅值函數(shù)為Yx(t)。該函數(shù)為S變換后的模時(shí)頻矩陣Sq中對(duì)應(yīng)諧波幅值隨時(shí)間變化情況，其表達(dá)式如式(7)所示：

Yx(t)=Sq(t,fx)

(7)

式中:t為采樣時(shí)刻,x為1～10內(nèi)的整數(shù)。根據(jù)式(6)和式(7)對(duì)活體翅-翅，腳-腳諧波特征進(jìn)行描述，如圖4～7所示。

圖4 翅-翅膀各次諧波幅值變化情況Fig.4 Variation of harmonic amplitude of wing-wing

分析結(jié)論1：觸電時(shí)高次諧波幅值增長(zhǎng)明顯，最大達(dá)到0.27 A左右。然而，在觸電前和觸電過(guò)程中由于達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，高次諧波幅值接近于0。

分析結(jié)論2：基波幅值也有波動(dòng)，與高次諧波特征不同的是，基波幅值在觸電過(guò)程中仍維持觸電時(shí)的幅值，且只有在觸電結(jié)束之后才會(huì)恢復(fù)到未觸電時(shí)的起始值。

2 暫態(tài)觸電判據(jù)

2.1 偶次諧波變化率判據(jù)

由于觸電時(shí)刻前后諧波含量特征變化明顯，據(jù)此可探討判據(jù)。同時(shí)需避免受到正常運(yùn)行時(shí)，諧波擾動(dòng)的影響。根據(jù) 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549—1993)規(guī)定[15]，380 V低壓線路各次諧波中奇次諧波含量為偶次諧波的2倍，分別為4%和2%,意味著在低壓線路奇次諧波擾動(dòng)較為嚴(yán)重。另外，偶次諧波含量很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于故障時(shí)偶次諧波含量。計(jì)算偶次諧波變化率最小值如式(8)所示:

圖5 翅-翅觸電試驗(yàn)結(jié)果分析Fig.5 Analysis chart of wing-wing electric shock test results

(8)

式中:amin為偶次諧波變化率最小值；t為采樣時(shí)刻，s；T為采樣時(shí)間間隔，s。經(jīng)多組活體觸電試驗(yàn)所得觸電電流諧波數(shù)據(jù)計(jì)算得出其閾值區(qū)間為(?1,?2)。

2.2 負(fù)荷投切擾動(dòng)影響

在2.1節(jié)中通過(guò)觸電電流的諧波特征，推導(dǎo)了偶次諧波變化率閾值區(qū)間作為可用判據(jù)的結(jié)論。為了與正常負(fù)荷投切所引起的擾動(dòng)進(jìn)行區(qū)分，需要引入判斷方式將負(fù)荷投切與活體觸電區(qū)分開(kāi)來(lái)，如式(9)所示：

圖6 腳-腳各次諧波幅值變化情況Fig.6 Variation of harmonic amplitudes of foot-foot

圖7 腳-腳觸電試驗(yàn)結(jié)果分析Fig.7 Analysis chart of foot-foot electric shock test results

β=Y1(t+T)-Y1(t)

(9)

式中：β為工頻變化量。經(jīng)計(jì)算得出當(dāng)β滿足閾值區(qū)間(ζ1,ζ2),此時(shí)為非投切情況，輸出為0。據(jù)此，在用戶端實(shí)現(xiàn)負(fù)載的投切與活體觸電情形的相互區(qū)分。

3 人體觸電仿真

3.1 觸電仿真模型

為了進(jìn)一步研究觸電電流的諧波特征，本文擬采用仿真分析模式來(lái)探索人體觸電存在的諧波分布規(guī)律。仿真模型以臺(tái)區(qū)-線路-用戶3層拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行搭建，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置變壓器參數(shù)及線路阻抗參數(shù),并對(duì)觸電仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。臺(tái)區(qū)拓?fù)鋵雨P(guān)系如圖8所示。

圖8 臺(tái)區(qū)—線路—用戶拓?fù)銯ig.8 Substation-line-user topology

本文中觸電仿真采用文獻(xiàn)[16]描述的醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)人體阻抗等效模型,模擬用戶在偶然觸碰帶有漏電流的插座，導(dǎo)致觸電而危及生命。仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為1 s，故障時(shí)長(zhǎng)區(qū)間段設(shè)置為0.5～1 s。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)人體觸電Fig.9 Medical standard of human body electric shock

觀察電流波形，相較于從活體試驗(yàn)提取的電流波形，有著相似的波動(dòng)，觸電前1個(gè)周期與觸電后1個(gè)周期，電流小幅度增長(zhǎng)。

3.2 觸電電流諧波特征

提取觸電電流信號(hào)中0.48～0.52 s部分(觸電前后各1個(gè)周期)加以諧波分析，如圖10～11所示，0～10次諧波變化情況。

圖10 觸電前頻譜Fig.10 Spectrum before electric shock

圖11 觸電后頻譜Fig.11 Spectrum after electric shock

通過(guò)頻譜圖可以觀察到：1)相較于觸電前，觸電后的THD(波形畸變率)增大。2)觸電前1個(gè)周期縱坐標(biāo)量級(jí)為10-5A，觸電時(shí)的1個(gè)周期與之相比，高次諧波幅值量級(jí)增長(zhǎng)了1 000倍左右，這個(gè)分析結(jié)果和在活體觸電試驗(yàn)中得出的高次諧波幅值在觸電前后增長(zhǎng)規(guī)律相似。

4 工程判據(jù)的設(shè)置及其驗(yàn)證

4.1 三重判據(jù)的確立及優(yōu)勢(shì)

通過(guò)活體觸電試驗(yàn)與人體觸電仿真2種方法，分析活體在觸電時(shí)的高次諧波幅值變化特征，確立偶次諧波變化率最小值閾值區(qū)間及工頻變化量閾值區(qū)間。

1)以偶次諧波變化率最小值閾值區(qū)間為判據(jù)1，優(yōu)點(diǎn)是，在電流流經(jīng)剩余電流斷路器時(shí)，由于觸電引發(fā)的高頻分量波動(dòng)比之未故障時(shí)高次諧波幅值分量增大1 000倍，電流中的高次諧波幅值分量波動(dòng)通過(guò)閾值區(qū)間的判別，可有效識(shí)別人體觸電故障。

2)以工頻變化量閾值區(qū)間作為判據(jù)2，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)線路發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，其所產(chǎn)生的的高次諧波幅值波動(dòng)會(huì)影響判據(jù)1對(duì)于觸電故障的識(shí)別。然而，觸電產(chǎn)生的工頻波動(dòng)與負(fù)荷擾動(dòng)產(chǎn)生的工頻波動(dòng)相比還是小很多，因此判據(jù)2的設(shè)立可有效區(qū)分負(fù)荷擾動(dòng)與觸電故障。

3)傳統(tǒng)的以動(dòng)作電流基準(zhǔn)值作為判據(jù)3，與判據(jù)1和2相結(jié)合，優(yōu)點(diǎn)是可以減少斷路器故障誤判斷，使得準(zhǔn)確地識(shí)別出人體觸電故障。

以三重組合判據(jù)的故障判斷流程如圖12所示。

圖12 故障判斷流程Fig.12 Flow chart of fault judgement

4.2 判據(jù)的驗(yàn)證

以醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)人體觸電仿真算例為例。假設(shè)在正常線路運(yùn)行過(guò)程中，0.4 s時(shí)負(fù)荷投入運(yùn)行，0.6 s時(shí)人體觸碰導(dǎo)電體發(fā)生觸電。通過(guò)式(8)～(9)計(jì)算流經(jīng)剩余電流斷路器電流，得到觸電時(shí)刻偶次諧波變化率最小值和工頻變化量。下面展示該偶次諧波變化率和工頻幅值在整個(gè)過(guò)程中的變化情況如圖13～圖14所示：

圖13 偶次諧波變化率的增幅情況Fig.13 Amplification of even harmonic change rate

圖14 工頻變化量增幅情況Fig.14 Amplification of power frequency variation

在整個(gè)過(guò)程中可以看到，無(wú)論是負(fù)荷投切還是人體觸電，都會(huì)產(chǎn)生諧波增幅。但是通過(guò)三重組合判據(jù)加持下的剩余電流斷路器之后，電流波形如下圖15所示：

圖15 流經(jīng)斷路器的電流波形Fig.15 Current waveform flowing through circuit breaker

斷路器成功識(shí)別出了觸電故障，并及時(shí)斷開(kāi)線路。實(shí)際上由于活體皮膚組織與人體皮膚組織類(lèi)似，在發(fā)生觸電故障時(shí)，三重組合判據(jù)可以準(zhǔn)確區(qū)分正常負(fù)荷投切與人體觸電故障。

5 結(jié)論

1)由于人體觸電電流存在高次諧波特性，提出以偶次諧波變化率閾值、工頻變化量閾值及剩余電流斷路器動(dòng)作電流整定值相結(jié)合的三重判據(jù)，并通過(guò)仿真算例驗(yàn)證判據(jù)不受負(fù)荷擾動(dòng)的影響，可有效識(shí)別人體觸電故障。

2)傳統(tǒng)的剩余電流斷路器由于動(dòng)作整定值的設(shè)定往往無(wú)法滿足實(shí)際需求，造成斷路器的誤動(dòng)作。而判據(jù)1，2動(dòng)作條件是根據(jù)觸電電流的高次諧波特性，其本身不受漏電流變化影響，與判據(jù)3結(jié)合進(jìn)行故障綜合的邏輯判斷可以有效減少斷路器誤動(dòng)情況。