邵利敏，杜松懷，蘇 娟，關(guān)海鷗

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置(Residual Current Operated Protective Device，RCD)簡(jiǎn)稱剩余電流保護(hù)裝置，由國際電工委員會(huì)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(hù)器等[1]。GB 13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》的發(fā)布意味著GB 13955-1992《漏電保護(hù)器安裝和運(yùn)行》的廢止，“剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置”正式取代“漏電保護(hù)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(luò)絕緣強(qiáng)度，為電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保證，但因漏電引起的火災(zāi)甚至人身觸電傷亡事故依然時(shí)有發(fā)生[2]。IEC和不少國家都制定了相應(yīng)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(hù)裝置[3-7]。在低壓電網(wǎng)中，加裝剩余電流保護(hù)裝置是防止人身電擊傷亡和避免因泄露電流造成電氣設(shè)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(hù)性能，是低壓電網(wǎng)漏電事故最基本、最重要的保護(hù)手段，但并不意味著可以取消其他觸電保護(hù)方法，二者應(yīng)起到相輔相成的作用。1912年德國發(fā)明了電壓型漏電保護(hù)器，1940年法國發(fā)明了電流型保護(hù)器，20世紀(jì)70年代各國開始制定規(guī)程以強(qiáng)制在某些場(chǎng)所安裝剩余電流保護(hù)裝置[8-10]。2007年以來，國家電網(wǎng)公司把各臺(tái)區(qū)剩余電流保護(hù)裝置投運(yùn)率接近或達(dá)到100%作為新農(nóng)村電氣化建設(shè)驗(yàn)收合格與否的必要條件之一[11]。本文在介紹剩余電流保護(hù)裝置基本原理的基礎(chǔ)上，討論了其關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)作邊界的研究現(xiàn)狀，并在課題組試驗(yàn)基礎(chǔ)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(hù)裝置形式、結(jié)構(gòu)和技術(shù)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(guān)和試驗(yàn)裝置等部分組成。其中，RA、RB和RT分別為設(shè)備接地、電源接地和試驗(yàn)裝置用電阻。

圖1 剩余電流保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Principle diagram of residual current device

電網(wǎng)正常工作時(shí)，剩余電流保護(hù)裝置所保護(hù)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(cè)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(yīng)電壓輸出，線路正常供電。一旦有人體觸電等故障發(fā)生，設(shè)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(yīng)電壓輸出，且隨故障電流的增長而增加。經(jīng)信號(hào)處理后，當(dāng)故障電流達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，脫扣器線圈中電流推動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，切斷供電回路，達(dá)到保護(hù)目的。

2 剩余電流保護(hù)裝置分類與比較

電壓動(dòng)作型保護(hù)裝置只能控制單臺(tái)用電設(shè)備，用于檢測(cè)電氣設(shè)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(hù)且無法實(shí)現(xiàn)分級(jí)保護(hù)，供電可靠性低，鑒于其局限性以及某些無法克服的缺點(diǎn)，電壓動(dòng)作型保護(hù)裝置逐漸被電流動(dòng)作型所取代，目前已基本不再使用。

電流分離動(dòng)作型剩余電流保護(hù)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(shè)計(jì)而成。人體皮膚阻抗為時(shí)變網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)而去控制保護(hù)裝置的動(dòng)作機(jī)構(gòu)，以獲得非常理想的觸電保護(hù)特性，其原理框圖如圖2所示。作為剩余電流保護(hù)裝置未來的方向，電流分離動(dòng)作型具有很大的優(yōu)越性。

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

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

3 動(dòng)作邊界研究進(jìn)展

剩余電流保護(hù)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(hù)裝置的性能和工作可靠性。另外，合理的動(dòng)作邊界設(shè)計(jì)對(duì)消除保護(hù)裝置誤動(dòng)作、拒動(dòng)作等有極其重要的作用。

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

目前，國內(nèi)外一致認(rèn)為工頻電流30 mA是在低壓回路觸電時(shí)人體所能忍受的極限值，世界各國普遍都將該值作為末級(jí)剩余電流保護(hù)裝置的動(dòng)作閾值。因此，當(dāng)電網(wǎng)或用電設(shè)備中的漏電電流超過此閾值時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生了漏電故障，需要進(jìn)行保護(hù)。該判據(jù)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，能夠滿足大部分場(chǎng)合的需要。

然而，電網(wǎng)中正常的泄漏電流隨時(shí)間變化非常緩慢，兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間的變化可能高達(dá)數(shù)小時(shí)甚至更長，比如由于大氣濕度而導(dǎo)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(gè)周波，甚至幾個(gè)ms即可發(fā)生狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，可以采用窗口移動(dòng)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(xiàn)[26]提出了基于剩余電流變化量法的漏電保護(hù)理論，給出了突變和緩變漏電信號(hào)特征的數(shù)學(xué)識(shí)別方法，采用剩余電流和剩余電流變化量雙重判據(jù)進(jìn)行綜合漏電保護(hù)。文獻(xiàn)[27]從漏電負(fù)載阻抗的正負(fù)特征出發(fā)提出了基于剩余電流和漏電阻抗的保護(hù)方法。文獻(xiàn)[28]認(rèn)為電擊和火災(zāi)主要由總泄露電流中阻性成分引起，剩余電流保護(hù)裝置運(yùn)行應(yīng)以阻性成分為判據(jù)更為合理。文獻(xiàn)[29]將漏電保護(hù)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(dòng)作閾值，建立自適應(yīng)漏電保護(hù)模型，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)漏電斷路器。上述文獻(xiàn)從不同角度對(duì)現(xiàn)行運(yùn)行判據(jù)進(jìn)行了改進(jìn)，可靠性得到了不同程度的提高。這些新思想和技術(shù)方法，對(duì)保障用電安全和供電質(zhì)量發(fā)揮了巨大作用，但仍然是基于剩余電流幅值的保護(hù)，依然無法真正解決剩余電流保護(hù)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(fù)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(hù)裝置間的直接關(guān)系。復(fù)雜波形條件下生物體觸電故障時(shí)剩余電流信號(hào)的檢測(cè)識(shí)別在國內(nèi)外尚無成熟的技術(shù)方法和產(chǎn)品，無法滿足復(fù)雜因素下電力系統(tǒng)更加安全可靠的新要求。

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

總之，機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)有著高效、穩(wěn)定和安全等優(yōu)勢(shì)，通過將其應(yīng)用到煤礦機(jī)械中，可以保證綜采效果實(shí)現(xiàn)提升，讓煤礦生產(chǎn)更具效率。同時(shí)還要將機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)與運(yùn)輸系統(tǒng)相集合，從而讓運(yùn)輸系統(tǒng)得到有效的優(yōu)化，讓煤礦生產(chǎn)每個(gè)環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的銜接。煤礦企業(yè)只有充分發(fā)揮出機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)的作用，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的不斷增長，滿足社會(huì)各界對(duì)煤炭資源的需求，也推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)的快速、穩(wěn)定發(fā)展。

圖3 剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 The experiment platform of physical electric shock

要從根本上消除剩余電流保護(hù)裝置誤動(dòng)作和拒動(dòng)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(hào)幅值的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新的低壓電網(wǎng)剩余電流保護(hù)裝置自適應(yīng)動(dòng)作判據(jù)，進(jìn)而開發(fā)和研制基于人體觸電電流而動(dòng)作的新型剩余電流保護(hù)裝置。在課題組已有研究成果基礎(chǔ)上，編制完善觸電電流檢測(cè)與識(shí)別算法，基于高速處理器芯片達(dá)到剩余電流保護(hù)裝置可靠性和速動(dòng)性要求，切實(shí)提高其智能化水平，才能保證低壓配電網(wǎng)的人身、設(shè)備安全和剩余電流保護(hù)裝置的正確投運(yùn)。

4 提高剩余電流保護(hù)裝置動(dòng)作可靠性的主要措施

針對(duì)目前剩余電流保護(hù)裝置運(yùn)行過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合課題組多年來所做的動(dòng)物觸電試驗(yàn)成果，在管理、維護(hù)和技術(shù)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(hù)裝置投運(yùn)率低等現(xiàn)象。

4.1 提高用戶安全用電意識(shí)

在農(nóng)村低壓電網(wǎng)分級(jí)裝設(shè)剩余電流保護(hù)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(zāi)、電氣設(shè)備損壞。加強(qiáng)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(hù)裝置的防觸電作用。即使安裝了剩余電流保護(hù)裝置后，也應(yīng)以預(yù)防為主。

4.2 提高管理維護(hù)水平，監(jiān)督裝置運(yùn)行

剩余電流保護(hù)裝置的運(yùn)行、維護(hù)和管理長期存在投運(yùn)難、維護(hù)難、管理難和考核難等問題[13]，提高其運(yùn)行管理維護(hù)水平具有極其重要的意義。

(1)加強(qiáng)剩余電流保護(hù)裝置質(zhì)量監(jiān)督，必須通過國家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證(即“3C”權(quán)威認(rèn)證)，滿足GB標(biāo)準(zhǔn)，安裝環(huán)境需遵循中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)村剩余電流動(dòng)作保護(hù)器安裝運(yùn)行規(guī)程》DL/T 736-2010[16]。

(2)供電企業(yè)應(yīng)對(duì)轄區(qū)總保、中保建立設(shè)備檔案，定期檢查、測(cè)試，做好運(yùn)行記錄和試驗(yàn)記錄；用戶需保證戶保的完好，并做好每月試跳記錄。

(3)加強(qiáng)供電企業(yè)員工的專業(yè)技能培訓(xùn)，利用高科技手段，通過自動(dòng)監(jiān)測(cè)和“四遙”方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化。

4.3 開發(fā)新技術(shù)，提高裝置可靠性

在保證宣傳、管理等方面的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步提高裝置技術(shù)水平，使剩余電流保護(hù)裝置動(dòng)作更加合理。

(1)減小供電半徑，提高臺(tái)區(qū)的絕緣水平，進(jìn)一步完善漏電保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)剩余電流分級(jí)保護(hù)，提高用電安全和供電可靠性。

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

(3)綜合考慮，設(shè)計(jì)數(shù)字式剩余電流保護(hù)芯片或裝置，通過數(shù)字延時(shí)電路等實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的高精度、高可靠性和高智能化。

5 結(jié) 語

本文在閱讀國內(nèi)外參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)剩余電流保護(hù)裝置動(dòng)作邊界的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和研究，主要結(jié)論如下：剩余電流保護(hù)裝置形式、結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能各有不同，但工作原理基本相同。要想從根本上消除動(dòng)作死區(qū)、完善運(yùn)行特性，不僅需要提高剩余電流保護(hù)裝置的運(yùn)行管理水平，更需采用新材料和新工藝，改進(jìn)剩余電流保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)，提高靈敏度。最重要的是要實(shí)現(xiàn)裝置的智能化和自適應(yīng)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(hào)，以此作為控制保護(hù)裝置動(dòng)作的依據(jù)，進(jìn)而利用高速處理器芯片結(jié)合高性能濾波器實(shí)現(xiàn)裝置的可靠性和速動(dòng)性要求。

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