梁 棟，王 瑋，孫中玉，徐丙垠，翟國亮

TN-C-S系統(tǒng)雙突變量電流分離漏電保護方法

梁 棟1，王 瑋1，孫中玉2，徐丙垠1，翟國亮1

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250000)

針對低壓配網(wǎng)TN-C-S系統(tǒng)固有剩余電流大、多級剩余電流漏電保護難以投入的問題，提出一種基于剩余電流和不平衡電流突變向量的電流分離漏電保護方法。首先，分析TN-C-S系統(tǒng)剩余電流成分，提出負(fù)荷投切不影響剩余電流向量與不平衡電流向量之比，而單相接地故障發(fā)生時刻會導(dǎo)致值突變。其次，利用低壓配網(wǎng)負(fù)荷投切頻繁的特點連續(xù)更新值，實時計算系統(tǒng)漏電流突變幅值，以漏電流突變幅值越限作為故障判據(jù)。仿真和實測數(shù)據(jù)表明，所提方法對50 mA以上漏電故障的正確識別率達99%以上，變壓器出口處可靠動作閾值可低至70 mA，能夠滿足TN-C-S系統(tǒng)多級漏電保護的靈敏度要求。

漏電保護；電流分離；剩余電流；不平衡電流；雙突變量

0 引言

國家統(tǒng)計局有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國每年因觸電死亡的人數(shù)約8000人，年用電量與觸電死亡人數(shù)比約8億kWh/人，相比美國的每年約400人和100億kWh/人還有較大差距。超過85%的觸電事故發(fā)生在低壓配網(wǎng)，因此，提高低壓配網(wǎng)漏電保護能力是減少觸電事故的重要途徑[1-2]。

目前國內(nèi)外主要采用剩余電流保護裝置(ResidualCurrent protection Device, RCD)實現(xiàn)漏電保護。國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC 60364-5-53規(guī)定，TT系統(tǒng)電源進線處必須裝設(shè)RCD[3]；TN系統(tǒng)電源進線處也應(yīng)裝設(shè)，用以切斷電弧性接地故障。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13955-2017《剩余電流動作保護裝置安裝與運行》規(guī)定，低壓配電線路應(yīng)裝設(shè)分級剩余電流保護[4]。

現(xiàn)有RCD普遍采用基于剩余電流幅值的保護原理，即幅值比較法[5-9]。從基本原理上，該方法適用于正常工作時近似完全封閉的系統(tǒng)，即正常工作電流完全經(jīng)由相線和零線返回電源中性點。然而實際系統(tǒng)中，線路和用電器存在對地電容和電導(dǎo)，會產(chǎn)生一部分固有剩余電流。在我國當(dāng)前大量新建或由舊系統(tǒng)改造的TN-C-S接地系統(tǒng)中，除電源側(cè)系統(tǒng)接地外，還存在負(fù)荷側(cè)保護接地，也會產(chǎn)生固有剩余電流[10]。幅值比較法判據(jù)需要躲過正常運行時的固有剩余電流，不可避免地會存在保護死區(qū)，因此僅適用于固有剩余電流小的TT系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)[11]。

近年來，為克服固有剩余電流的影響，提高觸電保護的靈敏度，電流脈沖法、鑒相鑒幅法[12-13]、電流分離法相繼被提出。電流脈沖法利用剩余電流幅值的突變量進行判斷，由于故障電流相角的隨機性，同樣存在較大的保護死區(qū)。鑒相鑒幅法同時利用剩余電流幅值和相角的突變量進行判斷，計算復(fù)雜，在實際應(yīng)用中存在保護誤動和拒動現(xiàn)象，保護效果并不理想。電流分離法主要基于生物體觸電時的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，從剩余電流中將觸電電流分離出來，根據(jù)觸電電流進行動作判定從而消除保護死區(qū)。電流分離法是目前觸電保護的主流研究方法，部分學(xué)者提出了基于小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14-15]、小波包分析和混沌理論[16]、BRF-FNN[17]、支持向量機[18]、希爾伯特-黃變換[19]、半波真有效值[20]、循環(huán)譜和聚類分析[21]、奇異值差分譜熵復(fù)雜度[22]、橢圓域分割[23]等觸電電流分離方法，但尚無一種方法能夠確保其保護效果的普適性。

在低壓配網(wǎng)尤其是農(nóng)村配網(wǎng)中，還普遍存在RCD安裝不規(guī)范、接地點設(shè)置錯誤、末級保護人為關(guān)閉等現(xiàn)象，同時各種電力電子設(shè)備的使用也使得固有剩余電流諧波特征越發(fā)復(fù)雜[24-28]，使得依靠剩余電流幅值、相角或者時頻特征的漏電保護方法難以滿足應(yīng)用需求。

目前的漏電保護方法研究過多注重數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用，在保護基本原理上挖掘不夠深入，方法可操作性也沒有達到足夠?qū)嵱玫某潭?。故本研究針對單一重?fù)接地點TN-C-S系統(tǒng)的漏電回路進行了分析，研究了接地故障發(fā)生前后電源進線處電流變化情況，根據(jù)電流的突變關(guān)系構(gòu)建了一種原理上足夠可靠的漏電保護方法，為未來相關(guān)研究提供新的思路和方向。

1 TN-C-S系統(tǒng)漏保無法投入原因分析

理想的TN-C-S系統(tǒng)及其三相剩余電流保護如圖1虛線框以外部分所示，除變壓器處接地外，線路上還存在重復(fù)接地點P1?？偙Ｗo(簡稱總保)的保護范圍為一個臺區(qū)，由于RCD原理限制，變壓器出口處不能安裝總保，只進行短路過流保護；中級保護(簡稱中保)保護一棟或多棟建筑，一般安裝在建筑物的重復(fù)保護接地點之后，動作定值以30 mA、50 mA、100 mA為標(biāo)準(zhǔn)；末級保護(簡稱末保)為住宅配電保護(戶保)或單臺用電設(shè)備的保護，動作閾值不高于30 mA，特別潮濕的場所動作值不高于6 mA。

圖1 TN-C-S系統(tǒng)原理圖

然而在實際TN-C-S系統(tǒng)中，總保無法正常投入。除中保與總保之間存在接地點外(如圖1的P1處)，由于線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝不規(guī)范等因素，中保與末保之間存在重復(fù)接地點的現(xiàn)象十分普遍(如圖1的P2處)，這類中保也無法投入。為分析中保、總保無法投入的原因，給定以下簡化場景。

1) 變壓器僅有1條出線，且線路中無分支線路。

2) 線路中共有兩處接地，一為變壓器中性點，二為負(fù)荷處零線(對應(yīng)圖1中接地點P2)，此時變壓器出口處保護既是總保也是中保。

3) 線路利用T模型進行描述。

圖2所示電路結(jié)構(gòu)具有一定的對稱性，但在低壓配網(wǎng)中三相線路和零線參數(shù)對稱性差，三相負(fù)荷隨機性強，因此以對稱分量法轉(zhuǎn)化為序分量并不能有效降低問題的復(fù)雜度。為進一步分析，對圖2所示電路進行簡化。

圖2 TN-C-S系統(tǒng)等效電路

對變壓器中性點O作KCL分析易知，剩余電流為

又有

式中：為三相線路和負(fù)荷的正常漏電流；為由重復(fù)接地點流入大地的泄漏電流；為正常運行時的固有剩余電流。

整理得

式中，是一個常復(fù)系數(shù)。

2 雙突變量電流分離原理

由式(5)、式(6)可知，故障前剩余電流為

故障后剩余電流為

則故障前后的剩余電流突變量為

由式(8)、式(14)可見，若接地點接地阻抗和零線阻抗為確定值，且區(qū)內(nèi)無接地故障，則有

基于以上分析，可得出一種利用剩余電流和不平衡電流兩個突變量的漏電保護方法，其基本構(gòu)成和故障判定方法如下：

1) 按式(15)實時計算并更新復(fù)常系數(shù)；

這種利用剩余電流和不平衡電流兩個突變量進行保護的方法，即為雙突變量電流分離漏電保護方法，簡稱雙突變量法(Double Mutation Method, DMM)。

值得一提的是，在以上分析中，并不涉及剩余電流和不平衡電流的相位，當(dāng)測量的基準(zhǔn)相位轉(zhuǎn)過相角時，由式(15)易知，計算值不變，式(14)變?yōu)?/p>

3 雙突變量漏電保護算法

3) 首次計算值時，系統(tǒng)中無故障。

構(gòu)建如圖4所示的雙突變量保護算法。

算法以一個工頻周期為時間步長，邏輯如下。

1) 算法首次運行時，狀態(tài)標(biāo)志量=0，默認(rèn)為無故障，進入值計算步驟。

3)維持0值，直至值完成首次更新后，值變?yōu)?。

由式(17)可知，不平衡電流幅值越小，測量誤差對M值計算的影響越大，尤其當(dāng)趨于0時，計算的M值將完全不可信。因此，需要設(shè)置最小有效測量閾值，以保證M值及后續(xù)計算的可信性。

4 仿真和試驗驗證

4.1 仿真

剩余電流相量幅值、相角隨負(fù)荷和故障的突變情況如圖5所示，由圖5(a)可見，正常情況下，負(fù)荷的突變可導(dǎo)致剩余電流幅值產(chǎn)生0～20 A的突變以及任意相角的突變。

圖5 仿真剩余電流相量幅值、相角突變分布

在幅值方面，負(fù)荷投切對剩余電流幅值的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過漏電保護所要求的30～100 mA，傳統(tǒng)閾值方法失效。

在幅值突變量方面，故障造成的剩余電流幅值突變遠(yuǎn)小于負(fù)荷投切造成的剩余電流幅值突變，即剩余電流幅值突變量無法判斷故障的存在性，則電流脈沖法失效。

在相角突變量方面，負(fù)荷投切可造成任意相角的剩余電流突變，故障造成的剩余電流相角突變與負(fù)荷投切無法區(qū)分，即剩余電流突變相角不能用于故障判定。綜上，分析剩余電流幅值突變量和相角突變量可知，利用剩余電流相量突變量進行故障判別的鑒相鑒幅法的可靠性不足。

從剩余電流突變波形來看，阻性負(fù)荷投切可造成與故障極其相似的波形變化，因此基于剩余電流波形突變特征識別的小波分析、人工智能等方法難以應(yīng)用。

圖6 典型故障電流計算幅值分布

在該組仿真中，當(dāng)故障過渡電阻為7333W時，實際故障電流約30 mA，其計算值中值為19 mA；當(dāng)故障過渡電阻為4400W時，實際故障電流約50 mA，其計算值中值為31 mA；當(dāng)故障過渡電阻為2200W時，實際故障電流約為100 mA，其計算值中值為62 mA。故障電流計算值約為實際值的60%。

表1 仿真故障電流幅值分布統(tǒng)計

注：NC表示無故障，7333W、4400W、2200W分別表示投入的故障阻值。

4.2 實驗室仿真系統(tǒng)試驗

在實驗室環(huán)境中搭建封閉試驗系統(tǒng)進行試驗，以驗證方法的可行性。為確保安全性以及參數(shù)的可控性，按圖7所示電路搭建封閉的試驗環(huán)境，以100 kW三相可調(diào)負(fù)荷的隨機投切模擬線路負(fù)荷變化情況。

圖7 試驗電路

負(fù)荷投切造成的突變量約為150 mA，故障投入造成的剩余電流幅值突變約為33 mA，同時故障投入的相位變化、波形特征與負(fù)荷投切沒有顯著差異。幅值比較方法、電流脈沖方法、鑒相鑒幅方法或基于波形特征識別的電流分離方法均無法可靠完成故障檢測。

圖8 典型實測波形

圖9 剩余電流實測幅值和DMM計算故障電流幅值

表2 實測故障檢出次數(shù)占比

4.3 實境試驗

根據(jù)實測結(jié)果，B1樓不平衡電流和剩余電流中均包含大量諧波成分，不平衡電流真有效值大多在50 A以上且有約30 A的波動。圖10測量時段內(nèi)，不平衡電流工頻分量幅值約5～10 A，剩余電流中工頻分量幅值約1.6～2.4 A。

圖10 典型B1樓實測結(jié)果

圖11 K6異常突變處不平衡電流和剩余電流波形

5 結(jié)語

本文針對TN-C-S系統(tǒng)固有剩余電流幅值較大、漏電保護難以投入使用的問題，提出了基于剩余電流和不平衡電流測量的DMM漏電保護方法，能夠克服固有剩余電流對漏電保護的影響，實現(xiàn)大幅值固有剩余電流下單一重復(fù)接地點系統(tǒng)的高靈敏度漏電保護。仿真結(jié)果表明，所提方法對接地電流30 mA的故障正確識別率可達約97%，50 mA以上故障正確識別率可達99%。實驗室環(huán)境中，保證不發(fā)生誤動作條件下，過渡電阻小于6.67 kW故障的正確識別率為100%，10 kW故障正確識別率可達93.3%。兩棟樓的實境試驗結(jié)果表明，DMM方法能夠有效克服固有剩余電流的影響，具備最高約70 mA的保護靈敏度，滿足三級漏電保護對總保和中保動作電流的要求。

DMM方法利用的是漏電故障的工頻阻抗特性，而不依賴生物體觸電獨有的暫態(tài)和時變特征，相比目前基于剩余電流測量的其他漏電保護方法，在檢測原理上更加完備，因此DMM方法的可靠性和普適性更強。

本文僅對DMM方法原理及可行性進行了初步探索，實際應(yīng)用中固有剩余電流連續(xù)緩慢變化、整條分支線路的投切、分布式電源、非線性負(fù)荷、生物體觸電暫態(tài)過程、串并聯(lián)電弧故障等對故障檢測的影響尚未完全明晰。后續(xù)將在TN-C-S系統(tǒng)保護靈敏度和可靠性、多級保護配合、潛伏性故障辨識、線路絕緣監(jiān)測等方面對DMM方法繼續(xù)進行深入研究，推動方法實用化。

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A current separation leakage protection method using double mutations for TN-C-S systems

LIANG Dong1, WANG Wei1, SUN Zhongyu2, XU Bingyin1, ZHAI Guoliang1

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China; 2. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250000, China)

To solve the problem that multi-level residual current (RC) leakage protection cannot be used in LV TN-C-S distribution systems because of the large inherent RC, a current separation leakage protection method based on RC and unbalanced current mutation vectors is constructed. First, the RC in TN-C-S systems is analyzed. It is proposed that load switching without faults does not affect, the ratio of the RC vector to the unbalanced current vector, and single-phase grounding faults will lead to sudden changes of. Then,is continuously updated using the characteristics of frequent load switching in the LV systems, and the leakage current mutation amplitude of the system is calculated in real time. The ‘a(chǎn)mplitude exceeding limit’ is used as the fault criterion. Simulations and field tests show that the proposed method has a correct recognition ratio of over 99% for leakage faults above 50 mA, and the reliable action threshold at the outlet of the transformers can be as low as 70mA. This meets the sensitivity requirements for the multi-level leakage protection of TN-C-S systems.

leakage protection; current separation; residual current; unbalanced current; double mutations

10.19783/j.cnki.pspc.211293

2021-09-21；

2022-02-22

梁 棟(1988—)，男，博士，講師，研究方向為電力線路故障行波測距、配電線路故障檢測；E-mail: greache@ foxmail.com

王 瑋(1983—)，男，博士研究生，副教授，研究方向為配電線路故障檢測技術(shù)；E-mail: wwsdut@163.com

孫中玉(1996—)，男，博士研究生，研究方向為電力線路故障監(jiān)測。E-mail: sun_zy@163.com

國家自然科學(xué)基金項目資助(52077221)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077221).

(編輯 許 威)