新型漏电保护理论及其方法的研究

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1、1 0 4 2 0 0 8 中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集 新型漏电保护理论及其方法的研究 李奎1 ，陆俭国1 ，岳大为1 ，王尧1 ，顾俏丽1 ，林岳洲2 ( 1 河北工业大学电气与自动化学院，天津3 0 0 13 0 ；2 浙江上力电器有限公司，浙江温州3 2 5 6 0 4 ) 摘要：在分析剩余电流保护技术基础上，指出其存在的原理性缺陷问题。设备发生故障漏电或有人触电，可能使剩余电流不 但不增加反而会减小，因此不能对故障漏电进行有效保护，存在动作死区。在对漏电保护原理分析的基础上，提出基于剩余 电流变化量的故障漏电信号检测方法，并推导了剩余电流变化量的三角公式计算法、正交分解计算

2、法和三相等效计算法。采 用连续移动变化量法和窗口移动变化量法，实现突变漏电、持续缓变漏电的识别与检测。根据剩余电流，突变漏电、持续缓 变漏电，进行漏电综合保护，可以减少漏电保护拒动作区，提高漏电保护的可靠性和有效性 荚键词：剩余电流变化量法、突变漏电、持续缓变漏电、动作死区 0 引言 漏电保护是低压用电保护中的一项重要保护 技术，广泛用于防止漏电火灾和防止人身触电伤亡 事故的发生。特别是随着电力的发展，漏电保护应 用的范围越来越广，要求也越来越高。在T N 系统 中采用剩余电流保护原理进行漏电保护，其形式有 两种：电子式和电磁式。不仅电磁式剩余电流动作 保护技术无法实现真止的漏电保护，即使是电

3、子式 的剩余电流动作保护技术中，在采用专用集成芯片 情况下，也无法实现真正的漏电保护。由于这些漏 电保护技术都是基于剩余电流的漏电保护技术，不 是真正的漏电保护，在某些情况下会拒动作，闵此 在正式场合人们将其称为“剩余电流动作保护”， 而不称为“漏电保护”。实际上人们仍沿用“漏电 保护”的说法。 随着科学新技术的发展，特别是电器智能化技 术的发展，为漏电保护技术的发展提供了广阔的空 间。近年来，人们提出漏电保护的新原理和新方法， 促进了漏电保护技术的发展【l 2 J 4 J 。有人提j J 根据触 电电流波形进行人身触电的保护方法，但触电电 流波形与一般漏电电流的区分与识别都存在问题， 其误动

4、作和拒动作都很高，无法实际应用。同时， 也有采用鉴相鉴幅漏电保护技术进行人身保护【4 1 ， 基金项目：国家自然科学基金项目( 5 0 4 7 7 0 17 ) 、新世纪优 秀人才支持计划( N C E T - 0 5 - 0 25 9 ) 、天津市科技支撑重点项 目( 0 7 Z C K F G X 0 0 6 0 0 ) 其保护正确牢得到提高，并在农网中广泛应用，但 其仍然存在误动作，也无法完全克服动作死区，其 应用受到限制。同时漏电保护的电磁兼容问题和可 靠性问题都得到广泛研究陋o J ，而漏电保护死区问题 一直没有很好的解决方法。所以能够克服漏电保护 死区或者减少漏电保护死区而又不会产

5、生误动作 和新的拒动作，成为人们研究的重要内容，也是漏 电保护技术的发展方向。 本文在分析基于剩余电流型的漏电保护技术 基础上，对T N 电网系统中的故障漏电和人身触电 的特征进行研究，提出基于剩余电流变化量法的漏 电保护理论，根据剩余电流变化量的特征识别漏电 电流。变化量法在电力系统的继电保护中得到广泛 应用1 7 8 i ，而在漏电保护领域还没有人研究。本文研 究突变漏电和缓变漏电特征的数学表示方法，建立 剩余电流、突变漏电、缓变漏电的保护体系，提高 了漏电保护的有效性和可靠性，而不会增加新的误 动作和拒动作。 1剩余电流保护技术存在的问题 在电网正常运行时有剩余电流，如果在某时 刻电网中

6、设备产生故障漏电( 或有人触电) ，该故 障漏电电流为1 2 ，这时合成的剩余电流为，见图1 。 在图1 中，剩余电流保护特性园内为不动作 区，圃外为动作区。当存在剩余电流j I ( 在剩余电 流保护特性同内，小于动作债) 时，产生故障漏电 电流1 2 ( 在故障漏电保护特性园外) ，其值大于动 作值，应当进行故障漏电保护，但由于互感器只能 2 0 0 8 中围电力系统保护与控制学术研讨会论文集 1 0 5 检测出剩余电流，而剩余电流J 在剩余电流保护 特性园内( 远小于动作值) ，所以不会进行保护。 只有故障电流达到，：( 远大于动作值时) 时，检测 出的剩余电流，才位于剩余电流保护特性园外

7、，进 行故障电流的保护，所以图l 中虚线阴影部分为故 障漏电动作死区。 一 、上7 髟 故障漏电动作死区 图1 漏电保护动作死区产生示意图 根据幅值法进行漏电保护时，故障漏电电流如 满足式( 1 ) 时漏电保护动作。 r - J ，I d ( l K2 s i n2 曰一K c o s 8 )( 1 ) 式中：J o ，l ，d ，口为，2 和，l 的相角差。 从式( 1 ) 叮以看出，产生故障漏电前电网中没 有剩余电流，采用幅值法町以对故障漏电进行正确 保护。而电网中存在剩余电流时，故障漏电1 呆护特 性不仪与故障漏电的幅值有关，还与它的相角有 关。存在剩余电流时，故障漏电保护特性曲线如图

8、2 所示。 ( b ) l l = I a 一 图2 漏电保护动作死区示意图 图2 a 是已经存在剩余电流，1 _ 0 5 I d 情况下的故 障漏电动作特性，实线一I ：部( 、部分) 为故障 漏电动作区，实线下部( 、部分) 为不动作区。 在故障漏电动作区中，虽然第部分中的故障漏电 电流小于漏电保护动作值，但此时的剩余电流幅值 大于漏电保护动作值l d ，所以漏电保护动作。而在 故障漏电不动作区中，虽然第部分中的故障漏电 电流大于漏电保护动作值，但由于剩余电流小于漏 电保护动作值，所以不动作，为故障漏电动作死区。 故障漏电动作夕匕区随着电网中已存在剩余电流，l 的 变化而改变。当I i =

9、 I d 时，即电网中已存在的剩余电 流，接近漏电保护动作值时，产生的故障漏电动作 死l x 最大，如图2 b 所示，最大故障漏电动作值达 到2 I d 。 图l 和图2 足一致的，在图1 中，剩余电流J l 在极华标中位置不同，故障漏电保护区域也4 i 同， 但保护特性是以剩余电流 为圆心的一个圆。当剩 余电流，为零时，故障漏电保护特性与剩余电流保 护特性重合，没有故障漏电动作死区；当剩余电流 f 。接近剩余动作电流时，故障漏电动作死区最大， 且当剩余电流J l 与故障漏电电流J 2 相位相反时，其 动作电流最大，可达2 倍的动作值。 2 剩余电流变化量的计算模型 2 1 剩余电流变化量的计

10、算 在剩余电流保护技术中，人们普遍采用剩余电 流幅值的大小作为漏电保护的依据，然而，存电网 中的漏电电流不仅有幅伉的大小之分，还有柏角的 差别。在电网和用电设备正常工作时，存在i F 常漏 电电流，而这蝗正常漏电电流受各种因素的影响。 由于存在正常的漏电电流，当电网或用电设备因故 障产牛漏电电流时，单纯通过榆测剩余电流的幅值 是无法进行正确保护的，会产牛漏电保护死区。 可以直接检测剩余电流，而不能直接检测漏电 电流，需要根据剩余电流的变化量进行计算。以电 源的周波为检测单位，对剩余电流检测的数据足： j 。，J ，J ，。任意f 时刻的剩余电 流变化量可以用式( 2 ) 表示。 ，A i =

11、，f _ ，。 ( 2 ) 式中J 茁是i 时刻剩余电流变化量，i 是i 时 1 0 6 2 0 0 8 中国电力系统保护与摔制学术研讨会论文集 刻剩余电流，。为i 时刻前m 时刻的剩余电流。 2 2 剩余电流变化量的三角公式计算方法 选择一个参考相位，般选择A 相电压的相 位为参考相位，如图3 所示，对剩余电流进行检测。 可以检测出剩余电流的幅值J ，同时也町以检测 B 相角0 。 C 图3 漏电电流的计算 在m 时刻检测的剩余电流为，。，其幅值为，。， 幅角为瓯。在f 时刻榆测的剩余电流为，j ，其幅 值为，幅角为谚。根据三角函数计算公式，可以 计算m 剩余电流变化量。 ( 3 ) 以一t

12、 g 篙若筹 2 3 剩余电流变化量的正交分解计算方法 将剩余电流分解为两个币交的电流分量，可以 通过式( 5 ) 计算出剩余电流的正交分量。 f ，= c o s 0 任：触目 ( 5 ) 检测到i 时刻和卅时刻的剩余电流，通过式( 5 ) 分别计算 j 正交电流分量，正交电流分量之间直接 相减侨得到正交分量的变化量。设币交分鼍的变化 量为，缸和，则町以通过式( 6 ) 和式( 7 ) 计算此时 刻新产生的故障漏电电流，即计算出剩余电流变化 量。 o 正孓 以= a r c 鸣乏 2 4 剩余电流变化量的三相等效计算方法 剩余电流是由各相漏电电流相叠加得到的。以 A 相电压的相位为参考相位，

13、对剩余电流幅值和相 角进行检测。当C 相剩余电流I c 为零时，根据I 和0 ，可以得到A 相和B 相的剩余电流I a 和I b ， 从而实现了各相漏电电流的检测。当三相均有漏电 时，检测m 的漏电电流是抵消最小相的漏电电流 后，其余两相不甲衡的剩余电流。 当检测到的剩余电流位于A 相与B 相之间，C 相的剩余电流最小，抵消后为0 ，可以通过式( 8 ) 对 各相等效剩余电流进行计算。 。t l c o s O + 警3 0 ，* = 赢s i n O ( 。护 1 2 0 0 ) 。( 8 ) ，。= 0 当检测到的剩余电流位于B 相与C 相之间， 抵消后I a 为0 ，可以通过式( 9 )

14、 对各相等效剩余电流 进行计算。 1 。= 0 川( e o s ( O - 1 2 0 ) + 骂产 眦一c ( 9 ) ，：，s i n ( O ；- 1 2 0 ) 1 3 2 当检测到的剩余电流位于C 相与A 相之间， 抵消后I b 为0 ，可以通过式( 1 0 ) 对各相等效剩余电 流进行计算。 L ：，型警竺“ 3 2 ， 2 0 ( 2 4 0 。0 3 6 0 。) ( 1 0 ) 卜，c o s ( O - 圳，+ 丁s i n ( O - 2 4 0 ) j 检测到i 时刻和m 时刻的剩余电流，由式( 8 ) 、 式( 9 ) 、式( 1 0 ) 计算出各相剩余电流，将当前

15、时刻的 各相剩余电流和此时刻的的各相剩余电流相减，得 到各相剩余电流的变化量，并可计算出此时刻新产 生的故障漏电电流，即剩余电流变化量。 如果三相等效剩余电流同时变化，即A 相变化 ( 6 ) 量为，血，B 相变化量为，b ，C 相变化量为，垃， 2 0 8 中田电力系统保护与控制学术研讨会论史集 1 0 7 当J 血为最小债时，则此时刻的剩余电流变化量町 以通过式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 计算。 IAr(10 一t g 老赫况下然勰嚣张滁蝴 情 ( o 。! 以_ 1 2 0 。) ( 1 2 ) 当，A b 为最小时，则此时刻的剩余电流变化量 可以通过式( 1 3 ) 和式( 1

16、 4 ) 计算。 k = 厄蓊可i 瓦F 瓦瓦丽 ( 1 3 ) 幺一a r c 瞎若 ( 一1 2 0 。s 以卯。) ( 1 4 ) 当J f 厶a 为最小时，则此时刻的剩余电流变化量 可以通过式0 5 ) 和式0 6 ) 计算。 I 。= 拓i 石瓦i 了i i 五而 ( 1 5 ) 纠2 。g d 糯 ( 1 2 0 。以 _ 2 4 0 。) ( 1 6 ) 当电网及用电设符的对地阻抗为阻性时，则式 ( 1 1 ) 、式( 1 3 ) 、式( 1 5 ) 计算的剩余电流为各相的剩余 电流。当电网及用电设备的对地5 H 抗为非阻性时， 虽然计算的剩余电流不代表各相的剩余电流，f E l 计 算的剩余电流变化量足完全丁F 确的，仍能实现对新 产生的漏电电流进行榆测。