基于雙端剩余電流突變量的漏電保護(hù)方法

周超群，陳先凱，蓋午陽，劉術(shù)波，薛永端

（1.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東省 青島市 266000；2.中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東省 青島市 266580）

0 引言

0.4 kV低壓配電系統(tǒng)點(diǎn)多面廣，深入居民密集區(qū)，其結(jié)構(gòu)縱橫交錯、設(shè)備種類繁多、用戶需求多樣，存在較多漏電故障隱患[1-3]。漏電故障極易引起人身觸電和電氣火災(zāi)事故，造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失[4-6]。目前應(yīng)用較為廣泛的剩余電流過流保護(hù)方法，可靠性差、靈敏度低、需要延時配合，難以起到預(yù)期的保護(hù)效果，實際投運(yùn)率并不高[7-9]。為實現(xiàn)漏電故障的準(zhǔn)確檢測和快速切除，切實保障居民的用電安全，亟需提出更加安全有效的保護(hù)方法。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對漏電保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，涌現(xiàn)出諸多新方法、新技術(shù)。文獻(xiàn)[10]研究了鑒幅鑒相式保護(hù)方法，可減少剩余電流過流保護(hù)的動作死區(qū)，但仍較易誤動。文獻(xiàn)[11]對漏電電流變化情況進(jìn)行分析，提出基于浮動閾值的自適應(yīng)漏電保護(hù)方法，但整定過程較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[12]提出一種基于近似熵的觸電特征快速檢測方法，可縮短觸電特征檢測時間，但計算較為困難。文獻(xiàn)[13]提出基于局部均值分解的觸電故障信號瞬時參數(shù)提取方法，可用于生物體觸電總泄漏電流信號的特性分析和瞬時參數(shù)的提取，但對采樣精度要求較高。文獻(xiàn)[14]利用計算得到的標(biāo)度指數(shù)的變化趨勢實現(xiàn)觸電特征檢測，但實用性尚待進(jìn)一步完善。此外，還有基于觸發(fā)角識別[15]、漏電阻抗[16]、混沌理論[17]等方法。上述保護(hù)方法多利用單端（就地）電氣量，信息利用不夠充分。作為新時期電網(wǎng)建設(shè)的風(fēng)向標(biāo)，配電物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展與應(yīng)用給利用多端信息的保護(hù)方法提供了便利條件，為解決現(xiàn)有低壓配電系統(tǒng)漏電保護(hù)問題提供了新契機(jī)[18-19]。

文中建立了低壓配電系統(tǒng)模型，通過分析低壓配電線路單相漏電特征，結(jié)合新興的配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種基于雙端剩余電流突變量的新型漏電保護(hù)方法，給出了方法運(yùn)行流程并將其與傳統(tǒng)剩余電流保護(hù)方法進(jìn)行了性能比較，并利用仿真和試驗進(jìn)行了驗證。

1 低壓配電系統(tǒng)單相漏電故障特征分析

1.1 低壓配電系統(tǒng)等值模型

典型低壓配電系統(tǒng)等值模型如圖1所示。圖1中：L1為被保護(hù)區(qū)段，設(shè)其A相發(fā)生漏電故障，L2為L1所有下級出線的等效線路；S1、M1分別為安裝在L1首、末端的剩余電流監(jiān)測終端；K1、K2分別為區(qū)內(nèi)、區(qū)外漏電故障觸發(fā)開關(guān)；分別為A、B、C三相電壓；r1、r2分別為L1、L2單相對地絕緣電阻；C1、C2分別為L1、L2單相對地電容；RT、Rf分別為變壓器中性點(diǎn)接地電阻、故障漏電電阻；為故障點(diǎn)漏電電流；分別為流經(jīng)L1、L2固有對地阻抗的電流；為由末端負(fù)載雜散漏電等因素產(chǎn)生的下游泄漏電流；為與之和，即正常運(yùn)行時L1下游總泄漏電流。當(dāng)三相對地絕緣平衡時，為0，否則不為0。

圖1 低壓配電系統(tǒng)等值模型Fig.1 Equivalent model of LV(low voltage)distribution system

設(shè)S1、M1所測剩余電流分別為二者突變量分別為突變量為。由于線路固有對地阻抗較大且變化較緩慢，故突變量較小，可忽略不計，因此主要由及產(chǎn)生。

1.2 低壓配電系統(tǒng)單相漏電故障特征

由于低壓配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)荷等變化緩慢，因此對圖1系統(tǒng)，無故障發(fā)生時，有：

因此：

發(fā)生L1區(qū)內(nèi)故障時，有：

發(fā)生L2區(qū)內(nèi)故障時，有：

因此：

分析式（2）、（4）、（6）可知：對被保護(hù)區(qū)段L1，無漏電故障發(fā)生時，首、末端剩余電流突變量相同；發(fā)生區(qū)內(nèi)單相漏電故障時，首端突變量約為，其值與故障電阻大小有關(guān)，阻值越小，漏電電流越大，則突變量越大，末端突變量約為0；發(fā)生下游區(qū)外單相漏電故障時，首、末端突變量均約為。3種情形下被保護(hù)區(qū)段雙端剩余電流突變情況各不相同，區(qū)別明顯，因此可將雙端剩余電流突變量作為漏電故障的判據(jù)。

2 基于雙端剩余電流突變量的漏電保護(hù)

2.1 保護(hù)原理與整定

如圖1所示，利用監(jiān)測終端實時測量被保護(hù)區(qū)段雙端剩余電流，并將所測雙端剩余電流相量值分別與各自整數(shù)周波前的相量值相減，得到突變量、，利用二者幅值構(gòu)造保護(hù)方法的綜合判據(jù)。其中：利用判斷是否有漏電故障發(fā)生，利用判斷漏電故障是否發(fā)生在區(qū)內(nèi)。方法具體保護(hù)原理為：若達(dá)到首端整定閾值且未達(dá)到末端整定閾值，則判定發(fā)生區(qū)內(nèi)漏電故障，保護(hù)動作；否則判定為無區(qū)內(nèi)漏電故障發(fā)生，保護(hù)不動作。保護(hù)的動作條件為

式中：Iset1、Iset2分別為首、末端整定閾值。考慮測量誤差等因素的影響，兼顧保護(hù)的可靠性和靈敏性，由下式整定Iset1及Iset2：

式中：Krel為可靠系數(shù)，取值為2；IZmax為無故障時被保護(hù)區(qū)段泄漏電流的最大值，一般取10 mA；Id1、Id2為直流偏置量，分別取10 mA、50 mA。因此Iset1、Iset2分別取30 mA、50 mA。

2.2 保護(hù)方法基于配電物聯(lián)網(wǎng)平臺的實現(xiàn)

配電物聯(lián)網(wǎng)是電力物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)在配電領(lǐng)域深度融合的產(chǎn)物?；谂潆娢锫?lián)網(wǎng)平臺提供的邊緣計算[20]、智能感知[21]、信息存儲、設(shè)備互聯(lián)等關(guān)鍵技術(shù)條件，通過設(shè)備的即插即用和遠(yuǎn)程控制，可實現(xiàn)更加安全化、自動化、信息化、智能化的漏電保護(hù)?；谂潆娢锫?lián)網(wǎng)的低壓配電系統(tǒng)架構(gòu)可由圖2表示。圖2中：S1～Sn、S1-1～S1-n、M1～Mn、M1-1～M1-n為剩余電流監(jiān)測終端，虛線表示設(shè)備通信。設(shè)備之間的信息交換利用配電物聯(lián)網(wǎng)提供的有線或無線通信條件實現(xiàn)。

圖2 基于配電物聯(lián)網(wǎng)的低壓配電系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 LV distribution system architecture based on distribution internet of things

基于配電物聯(lián)網(wǎng)平臺的雙端剩余電流突變量漏電保護(hù)方法運(yùn)行流程如圖3所示，具體運(yùn)行流程如下。

圖3 基于配電物聯(lián)網(wǎng)平臺的保護(hù)方法運(yùn)行流程Fig.3 Operation process of the method in this paper based on distribution internet of things platform

1）在被保護(hù)區(qū)段首、末端安裝智能監(jiān)測終端，實時測量雙端剩余電流相量信息，并計算剩余電流突變量幅值（真有效值）。

2）被保護(hù)區(qū)段雙端終端實時比較各自突變量幅值與對應(yīng)整定值。

3）當(dāng)末端終端檢測到末端突變量幅值越限時，立即持續(xù)將越限信息報送至首端終端。

4）當(dāng)首端終端檢測到首端突變量幅值越限時，立即開啟一個時長為數(shù)個周波的時間窗口，等待末端終端向其發(fā)送越限信息。

5）在時間窗口內(nèi)，若首端終端未收到末端終端上報的越限信息，則判斷發(fā)生區(qū)內(nèi)漏電故障，立即控制保護(hù)裝置動作，切除故障區(qū)段；否則保護(hù)返回。

該方法原理類似于閉鎖保護(hù)，在首端突變量越限時，若其收到末端越限信號，則保護(hù)閉鎖，否則保護(hù)動作，因此該方法不需實現(xiàn)精確對時。當(dāng)存在通信故障時，可將保護(hù)方案調(diào)整為傳統(tǒng)多級保護(hù)。

3 與傳統(tǒng)單端漏電保護(hù)方法的性能比較

1）可靠性。由于低壓配電線路不平衡電容電流及末端設(shè)備雜散泄漏電流的存在，線路首端剩余電流監(jiān)測裝置總會檢測到一定數(shù)值的剩余電流，即線路本身對地不平衡泄漏電流與下游正常泄漏電流之和，由于，故為影響保護(hù)可靠性的主要因素。

圖4 文中方法與傳統(tǒng)方法動作特性對比Fig.4 Comparison of action characteristics between the method in this paper and traditional method

2）選擇性。傳統(tǒng)單端漏電保護(hù)采用多級保護(hù)配合的方式實現(xiàn)選擇性，但多級保護(hù)的整定配合存在一定困難，若配合不當(dāng)，易發(fā)生越級跳閘事故，擴(kuò)大停電范圍。應(yīng)用文中方法時可采用分段保護(hù)方式，自然保證了保護(hù)的選擇性，可提高系統(tǒng)供電連續(xù)性，縮小停電范圍，減少停電事故造成的經(jīng)濟(jì)損失和不良影響。例如在圖2所示系統(tǒng)中，分支線1-1發(fā)生故障時，采用傳統(tǒng)保護(hù)需實現(xiàn)多級配合，若配合不當(dāng)導(dǎo)致干線1保護(hù)越級動作，會擴(kuò)大停電范圍；采用文中保護(hù)不需多級配合，由分支線1-1的保護(hù)直接動作，保證選擇性。

3）速動性。傳統(tǒng)單端漏電保護(hù)中各級保護(hù)裝置的動作時間必須協(xié)調(diào)配合，上、下級保護(hù)裝置的動作時間差不得低于0.2 s。這延長了漏電持續(xù)時間，無法及時消除漏電隱患，增大了人身觸電和發(fā)生電氣火災(zāi)的可能性。文中方法采用分段保護(hù)方式，不需要多級延時配合，其動作時長主要取決于數(shù)據(jù)計算和信息傳輸時間，一般小于0.2 s[22]。因此，相比傳統(tǒng)保護(hù)方法，文中方法大幅提高了保護(hù)的速動性，可迅速切除故障，及時終止對觸電者的傷害，降低漏電故障的危險性。例如在圖2所示系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)保護(hù)時，其中級保護(hù)和一級保護(hù)的延時時間分別為0.2 s、0.4 s；采用文中保護(hù)時，動作時間一般小于0.2 s。

4）靈敏性。為克服正常運(yùn)行時線路下游泄漏電流的影響，傳統(tǒng)漏電保護(hù)的整定電流值較高，總保一般為500 mA，中保一般為200～300 mA，這就導(dǎo)致其靈敏性較差，難以有效判別高阻漏電故障。漏電故障多表現(xiàn)為高阻故障，因此傳統(tǒng)方法難以起到理想保護(hù)作用。根據(jù)第2.1節(jié)，文中方法的首端整定閾值Iset1僅為30 mA，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法的整定值，因此其保護(hù)靈敏性得以大幅提高，在漏電電阻較高時仍具有較好的故障判別能力。相電壓取220 V時，其理論耐高阻能力可達(dá)220 V/30 mA=7.3 kΩ。

4 仿真及試驗錄波數(shù)據(jù)驗證

4.1 仿真驗證

4.1.1 仿真模型

利用MATLAB建立0.4 kV低壓配電系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。圖中S1～S7、M1～M7為剩余電流監(jiān)測終端，F(xiàn)1、F2分別為位于L1、L2中間位置的故障點(diǎn)，仿真參數(shù)如表1所示。針對不同接地系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真，故障時刻為0.02 s，仿真時長為0.08 s。

表1 仿真模型參數(shù)Table 1 Simulation model parameters

圖5 低壓配電系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of LV distribution system

4.1.2 TT系統(tǒng)仿真

設(shè)置系統(tǒng)接地方式為TT方式。設(shè)置故障點(diǎn)為F1，故障相為A相，故障電阻為2 kΩ，所得L1雙端剩余電流突變量波形如圖6所示。

圖6 F1故障點(diǎn)2 kΩ A相漏電故障時L1雙端剩余電流突變量Fig.6 Mutations of residual current at both ends of L1 when 2 kΩ A-phase leakage fault occurs in F1

由圖6可知，故障前L1雙端剩余電流突變量均較小，接近于0；故障后首端突變量迅速增大，末端突變量仍較小，這與第1.2節(jié)結(jié)論一致。經(jīng)測量，故障前首、末端剩余電流突變量幅值均為0，即不滿足保護(hù)動作條件；故障后二者分別為109.96 mA、0.23 mA，即保護(hù)動作。因此文中方法在無區(qū)內(nèi)故障時不會誤動，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時可靠動作。

設(shè)置故障點(diǎn)為F2，其他條件不變，所得L1雙端剩余電流突變量波形如圖7所示。

圖7 F2故障點(diǎn)2 kΩ A相漏電故障時 L1 雙端剩余電流突變量Fig.7 Mutations of residual current at both ends of L1 when 2 kΩ A-phase leakage fault occurs in F2

由圖7可知，故障前L1雙端剩余電流突變量均很小，接近于0；故障后二者均迅速增大，這與第1.2節(jié)結(jié)論一致。經(jīng)測量，故障前首、末端剩余電流突變量幅值均為0，即不滿足保護(hù)動作條件；故障后二者分別為103.94 mA、104.02 mA，即不滿足保護(hù)動作條件。因此文中方法在發(fā)生下游區(qū)外故障時不會誤動。

為進(jìn)一步驗證方法的有效性，設(shè)置不同故障點(diǎn)和故障電阻，故障相為A相，實施大量仿真，部分結(jié)果如表2所示。

表2 TT系統(tǒng)不同情形下的仿真結(jié)果Table 2 Simulation results under different conditions of TT system

續(xù)表

仿真結(jié)果表明：該方法對TT系統(tǒng)不同情形下的阻性漏電故障均具有較好的判別能力，且可實現(xiàn)高阻漏電故障的有效保護(hù)。

4.2 現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)驗證

利用試驗故障錄波數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行了驗證。圖8為試驗所用0.4 kV低壓配電試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)接地方式為TT方式。圖中S1～S3、M1～M3為剩余電流監(jiān)測終端，F(xiàn)1、F2分別為位于L1、L2中間位置的故障點(diǎn)，故障時刻為0.09 s，L1下游正常泄漏電流為70 mA。

圖8 0.4 kV低壓配電試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of 0.4 kV LV distribution test system

設(shè)置故障點(diǎn)為F1，故障相為A相，故障電阻為1.1 kΩ，進(jìn)行試驗，S1、M1所測原始剩余電流波形如圖9所示。

將所測剩余電流相量與其各自5個周波前的相量值相減（故障后5個周波剩余電流達(dá)到穩(wěn)定），所得L1首末端剩余電流突變量波形如圖10所示。

經(jīng)測量，故障前L1首、末端剩余電流突變量幅值分別為11.20 mA、11.16 mA，即不滿足保護(hù)動作條件；發(fā)生故障且穩(wěn)定后二者分別為187.97 mA、10.54 mA，即保護(hù)動作。

設(shè)置故障點(diǎn)為F2，故障相為A相，故障電阻為1.1 kΩ，進(jìn)行試驗，S1、M1所測原始剩余電流波形如圖11所示。

圖11 F2故障點(diǎn)1.1 kΩ A相漏電故障時S1、M1所測剩余電流Fig.11 Residual current measured by S1 and M1 when 1.1 kΩ A-phase leakage fault occurs in F2

將所測剩余電流相量與其各自5個周波前的相量值相減，所得L1首末端剩余電流突變量波形如圖12所示。

圖12 F2故障點(diǎn)1.1 kΩ A相漏電故障時L1雙端剩余電流突變量Fig.12 Mutations of residual current at both ends of L1 when 1.1 kΩ A-phase leakage fault occurs in F2

經(jīng)測量，故障前L1首、末端剩余電流突變量幅值分別為7.56 mA、7.27 mA，即不滿足保護(hù)動作條件；發(fā)生故障且穩(wěn)定后二者分別為183.79 mA、183.86 mA，即不滿足保護(hù)動作條件。

為進(jìn)一步驗證方法的有效性，設(shè)置不同故障點(diǎn)和故障電阻，故障相為A相，部分結(jié)果如表3所示。

表3 TT系統(tǒng)不同情形下的試驗結(jié)果Table 3 Test results under different conditions of TT system

試驗結(jié)果表明，該方法對TT系統(tǒng)不同情形下的阻性漏電故障均具有較好的判別能力。

同時進(jìn)行了間歇性電弧接地故障錄波試驗，設(shè)置故障點(diǎn)為F1，所得L1首末端剩余電流突變量波形如圖13所示。

圖13 F1故障點(diǎn)間歇性電弧接地故障時L1雙端剩余電流突變量Fig.13 Mutations of residual current at both ends of L1 when intermittent arc grounding fault occurs in F1

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)單端漏電保護(hù)方法的局限性，文中提出一種基于雙端剩余電流突變量的漏電保護(hù)方法，將被保護(hù)區(qū)段雙端剩余電流突變量幅值作為綜合保護(hù)判據(jù)，可充分利用故障時電氣量信息，有效克服傳統(tǒng)方法的缺陷，提高漏電保護(hù)的可靠性。與傳統(tǒng)單端漏電保護(hù)方法相比，文中方法可依托配電物聯(lián)網(wǎng)提供的便捷條件，實現(xiàn)更加安全智能的漏電保護(hù)；可減少保護(hù)誤動和拒動，可靠性高；避免多級保護(hù)配合，選擇性高，動作速度快；動作閾值低，高阻漏電故障判別能力強(qiáng)，靈敏性好。文中方法為新型漏電保護(hù)方法與技術(shù)的研究提供了新思路。