許冠煒 鄭榮進(jìn) 鄧明在

低壓電網(wǎng)線性負(fù)載漏電流的特性分析

許冠煒 鄭榮進(jìn) 鄧明在

（福建工程學(xué)院，福州 350118）

本文針對(duì)低壓電網(wǎng)的漏電問(wèn)題，歸納了漏電流的類型及檢測(cè)手段，研究了漏電流故障等效負(fù)載的種類，建立了線性負(fù)載等效電路模型；針對(duì)TT接地系統(tǒng)的低壓電網(wǎng)，在電磁暫態(tài)仿真軟件中建立其模型，將TT接地系統(tǒng)中可能存在的漏電流模型加入電網(wǎng)，同時(shí)將等效負(fù)載電路模型也接入電網(wǎng)中，進(jìn)行接地故障漏電流仿真分析，證明了模型的可行性，并得到相應(yīng)的結(jié)論，可為漏電故障的檢測(cè)和定位等提供理論依據(jù)。

漏電流；線性負(fù)載等效電路模型；低壓電網(wǎng)模型；仿真分析

0 引言

我國(guó)是觸電事故的多發(fā)國(guó)，觸電事故造成的死亡率是發(fā)達(dá)國(guó)家的15～20倍。漏電流的存在對(duì)人身以及財(cái)產(chǎn)安全有著很大的危害，據(jù)調(diào)查，近幾年由電氣原因引起的火災(zāi)在我國(guó)各類火災(zāi)中高居首位[1-2]。

電流動(dòng)作型漏電流保護(hù)裝置，即漏電保護(hù)器，是低壓電網(wǎng)漏電事故最重要和最基本的保護(hù)手 段[3-4]。由于對(duì)漏電流的部分特性了解不足，現(xiàn)階段漏電流的檢測(cè)技術(shù)仍然存在缺陷。實(shí)踐表明，現(xiàn)階段的漏保，大多數(shù)都不能準(zhǔn)確辨別人體觸電時(shí)的電流信號(hào)特征，在線路中存在人體觸電等漏電事故而漏電保護(hù)器卻不主動(dòng)切斷電源（拒動(dòng)）的問(wèn)題；或因環(huán)境潮濕等原因使電氣設(shè)備及線路絕緣阻抗降低，漏電流增加至超過(guò)保護(hù)器動(dòng)作閾值而使漏保動(dòng)作（誤動(dòng)）[3-5]的問(wèn)題。因此針對(duì)漏電流進(jìn)行特性分析是十分必要的。

文獻(xiàn)[6-7]雖然分析漏電流的特性，但分別只針對(duì)電纜絕緣缺陷與發(fā)電機(jī)故障兩種情況，未考慮其他材質(zhì)的漏電流故障以及人身觸電時(shí)的漏電流特性。

本文針對(duì)電壓電網(wǎng)的漏電流，建立3種線性等效負(fù)載模型以及低壓電網(wǎng)模型，使用電磁暫態(tài)仿真軟件（power systems computer aided design, PSCAD）仿真，進(jìn)行波形特性分析，為漏電流的檢測(cè)和定位等技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 漏電流的類型及檢測(cè)技術(shù)

剩余電流是指供電線路的瞬時(shí)負(fù)載電流矢量和，也叫作漏電流[8]。隨著用電設(shè)備的種類不斷增加，當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，所產(chǎn)生的漏電流波形更加多樣。早年電力網(wǎng)絡(luò)負(fù)載多以線性為主，發(fā)生漏電故障時(shí)，主要出現(xiàn)工頻正弦交流信號(hào)；隨著整流裝置和大量電力電子器件的應(yīng)用，這一類非線性負(fù)載發(fā)生漏電故障時(shí)，可能出現(xiàn)脈動(dòng)直流和平滑直流漏電流信號(hào)[9]。

1.1 正弦交流漏電流

通常采用電磁式電流互感器進(jìn)行檢測(cè)[10]。其工作原理主要是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，互感器檢測(cè)電流信號(hào)，通過(guò)調(diào)整電路將信號(hào)濾波放大讓單片機(jī)進(jìn)行采樣，接著判別元件分析采樣信號(hào)是否大于動(dòng)作閾值，來(lái)決定保護(hù)器是否動(dòng)作。

1.2 脈動(dòng)直流漏電流

一般在裝有不間斷電源以及變頻器的電路發(fā)生接地故障的情況下產(chǎn)生，主要包括半波、90°波和135°波三種波形[11]。

電磁式電流互感器法理論上也可作為檢測(cè)脈動(dòng)直流漏電流的方法，但是其檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有很大的誤差。存在兩個(gè)主要原因：①檢測(cè)脈動(dòng)直流漏電流時(shí)，電磁式電流互感器磁心磁化方向減少；②直流分量無(wú)法感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電流互感器二次側(cè)不會(huì)有電流產(chǎn)生[12]。

文獻(xiàn)[9]中提到，檢測(cè)該漏電流可采用電壓型磁調(diào)制式保護(hù)器，已知?jiǎng)?lì)磁電流波形對(duì)互感器的工作不會(huì)產(chǎn)生影響，故將漏電流與勵(lì)磁電流結(jié)合，通過(guò)檢測(cè)結(jié)合后的電流，可以檢測(cè)脈動(dòng)直流漏電流。

1.3 平滑直流漏電流

隨著電力電子器件的發(fā)展，直流電源得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在高層建筑的應(yīng)急電源。一旦它們出現(xiàn)漏電，會(huì)產(chǎn)生平滑直流漏電流。

霍爾電流傳感器法和磁調(diào)制式電流互感器法都可作為交直流電流檢測(cè)的方法。但霍爾電流傳感器的磁氣縫存在漏磁，容易受到外部的影響而使得檢測(cè)的誤差較大，故不適用于平滑直流的檢測(cè)[13]。

文獻(xiàn)[13]中提到了一種B型漏電流保護(hù)器，其利用了磁調(diào)制式電流互感器和零序電流互感器的結(jié)合，經(jīng)實(shí)踐測(cè)試，該檢測(cè)方式可檢測(cè)平滑直流漏電流。

2 漏電流故障線性負(fù)載等效電路模型

漏電流故障負(fù)載分為線性負(fù)載與非線性負(fù)載。

非線性負(fù)載是指負(fù)載阻抗在負(fù)載整流等裝置的作用下，阻抗值會(huì)隨著某些參數(shù)而變化，其電壓與電流不成正比[11]。常見(jiàn)的典型非線性負(fù)載有不間斷電源、逆變?cè)取?/p>

線性負(fù)載較為常見(jiàn)，人體等效負(fù)載、木材等效負(fù)載、水泥等效負(fù)載皆為線性等效負(fù)載，以這3種等效負(fù)載建立電路模型。

2.1 人體等效電路模型

安裝漏保的主要原因就是防止人體觸電。低壓電網(wǎng)中漏電保護(hù)器一般為三級(jí)安裝，分別是總保、中保和戶保。戶保的額定剩余動(dòng)作電流值一般為30mA，而人體對(duì)于電流值十分敏感，閾值皆在毫安級(jí)別。人體的擺脫閾值為10mA，室顫閾值為50mA，電流大于30mA，會(huì)對(duì)人身安全造成威脅，超過(guò)50mA則足以致命[14]，此時(shí)漏保如果不直接動(dòng)作，將有可能出現(xiàn)觸電事故。因此需要對(duì)人體等效負(fù)載電路進(jìn)行建模，分析觸電漏電流。

觸電時(shí)，人體阻抗由皮膚阻抗和體內(nèi)電阻組成。人體阻抗大小與頻率、皮膚的相對(duì)濕度、接觸面積等都有一定的關(guān)系[15]。常使用的的人體阻抗等效模型如圖1所示。

圖1 電灼傷人體阻抗等效電路模型

該人體阻抗網(wǎng)絡(luò)用來(lái)進(jìn)行電灼傷電流測(cè)試，稱為不加權(quán)人體阻抗模型，只考慮了人體阻抗模型，并沒(méi)有對(duì)高頻電流進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[15]中提到不同標(biāo)準(zhǔn)下人體阻抗也不盡相同，但都是只含有電阻和電容的串并聯(lián)電路模型。圖2為各類人體阻抗模型。

2.2 水泥等效電路模型

水泥是生活中最常見(jiàn)的建筑材料。圖3為硬化后的水泥電路電學(xué)等效電路，為孔容液電阻，為介質(zhì)電容，為法拉第阻抗，指的是電流經(jīng)過(guò)硬化水泥時(shí)發(fā)生電解，等效為一定的阻抗。

圖2 各類人體阻抗模型

而水泥具有一定的頻率特性，頻率高于10Hz時(shí)，電路阻抗以電阻為主[16]。工頻交流電頻率一般為50Hz，因此可將水泥等效電路模型等效為一個(gè)電阻。

圖3 水泥等效電路阻抗模型

2.3 木材等效電路模型

木材是樹(shù)木砍伐后，經(jīng)加工供給建筑、家裝和制作各種器件所用材料，其發(fā)生漏電現(xiàn)象也十分危險(xiǎn)，所以對(duì)木材進(jìn)行等效電路建模也是必要的。

木材的原材料就是樹(shù)木，其本質(zhì)上屬于植物。圖4為植物的等效電路模型。

圖4 植物等效電路模型

圖4中，1、1為細(xì)胞膜組織的等效電路模型，2、3分別為細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液的電阻值。可以看出植物細(xì)胞膜具有電阻和電容二性，當(dāng)細(xì)胞死亡時(shí)，電容特性將會(huì)消失，因此可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中把純電阻作為木材的阻抗網(wǎng)絡(luò)電路模型。

3 低壓電網(wǎng)正常漏電流

低壓電網(wǎng)中存在著一些微小的漏電流，即正常漏電流。在建立低壓電網(wǎng)模型時(shí)需要將該電流模型加入其中，提高仿真的準(zhǔn)確性。

3.1 線路對(duì)地分布電容產(chǎn)生的漏電流

兩個(gè)極板之間存在的電容值為

式中：為介電常數(shù)；為板間距；為極板面積。在多芯電纜中，每?jī)筛鶎?dǎo)線之間相互絕緣，可以當(dāng)作兩個(gè)極板，那么它們之間便會(huì)有分布電容存在，如圖5所示。

對(duì)于多芯電纜單線路的分布電容可通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算

通過(guò)上述公式，可以計(jì)算出某段線路存在的分布電容對(duì)系統(tǒng)漏電流的影響。因此本次設(shè)計(jì)將在低壓電網(wǎng)每相電路中加入一定的對(duì)地分布電容模型，模擬漏電流。

3.2 家用電器電容性及電阻性漏電

一般的家用電器，帶電部分與外殼、外殼與地之間，都存在一定的電容與絕緣電阻值。

電器中的分布電容會(huì)產(chǎn)生一定的漏電流，當(dāng)金屬外殼接地時(shí)，該電流流入大地，這便是電器的電容性漏電。容抗計(jì)算公式為

家用電器中的分布電容一般都很小，根據(jù)式（5）可知其容抗將會(huì)很大，因此漏電流相對(duì)較小，不會(huì)對(duì)人體造成危害，屬于正常的漏電流。

家用電器中的絕緣電阻不可能為理想的無(wú)窮大，因此會(huì)出現(xiàn)漏電流，稱為電阻性漏電流。由于絕緣電阻一般都很大，該漏電流近似為零，故也不會(huì)對(duì)人體造成危害，屬于正常的漏電流。

雖然單個(gè)家用電器正常的漏電流很小，所有家用電器漏電流的總和則能達(dá)到10mA以上[4]。本次設(shè)計(jì)在低壓電網(wǎng)每相并入大絕緣電阻和小分布電容模型，來(lái)模擬家用電器的電阻性和電容性漏電流。

4 低壓電網(wǎng)建模與漏電流仿真分析

4.1 低壓電網(wǎng)建模

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國(guó)最主要的兩個(gè)低壓電網(wǎng)接地方式為T(mén)T接地系統(tǒng)與TN系統(tǒng)，其中農(nóng)村及鄉(xiāng)鎮(zhèn)以TT系統(tǒng)作為主要的接地系統(tǒng)[17]，至于IT系統(tǒng)則主要使用于各類工廠之中，不計(jì)入考慮范圍。因此本次低壓電網(wǎng)模型采用中性點(diǎn)直接接地的TT接地系統(tǒng)，系統(tǒng)只引出N線。

根據(jù)上述內(nèi)容，建立低壓電網(wǎng)電路模型。如 圖6所示。

圖6 TT系統(tǒng)低壓電網(wǎng)電路模型

在低壓電網(wǎng)中加入線路分布電容模型，每相對(duì)地分布電容值根據(jù)式（2）可得

低壓電纜采用YJV-395+150[18]，電纜參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 YJV電纜參數(shù)

計(jì)算可得每相電阻線路阻抗，即

每相接入的用電器皆為阻性負(fù)載，取50W，三相平衡，無(wú)諧波；負(fù)載接地取大電阻為0.5MW，接地電容取小電容為0.06mF。低壓電網(wǎng)建立完成，此時(shí)將建立好的漏電故障等效負(fù)載模型接入系統(tǒng)，便可進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

4.2 木材與水泥等效電路漏電流仿真分析

使用PSCAD仿真軟件建立低壓電網(wǎng)電路模型，如圖7所示。木材和水泥的等效電路模型可近似成一個(gè)電阻，在0.2s時(shí)將純電阻接入電路模型A相中，模擬對(duì)地漏電等效實(shí)驗(yàn)。為了更好比較阻值不同對(duì)電路模型的影響，分別取3kW和12kW接入，進(jìn)行仿真。

圖7中，將故障支路接入A相入戶線路中，利用加法器件將三相及N線電流矢量相加，模擬系統(tǒng)的漏電流。調(diào)出示波器可以觀察漏電流波形，進(jìn)行漏電流波形特性分析。

將3kW電阻接入系統(tǒng)A相，進(jìn)行仿真，波形如圖8所示。

由圖8（a）可知，在0.2s接入故障負(fù)載后，A相用電戶的漏電流由正常的數(shù)值躍升至上百毫安，此時(shí)該戶漏保應(yīng)該動(dòng)作，否則將會(huì)使上一級(jí)漏電保護(hù)器動(dòng)作，影響其他用戶，甚至使A相用電斷開(kāi)。此時(shí)B、C相用戶用電幾乎不受影響。

圖8（d）中低壓電網(wǎng)漏電流波形在0.2s前為零，是由于在低壓電網(wǎng)建立時(shí)，將三相中各相的漏電流模型取值相同，此時(shí)三相對(duì)稱，使得電流矢量和為零。

其波形圖如圖9所示，為0.2s后漏電流的幅值。

圖9 調(diào)整后低壓電網(wǎng)漏電流波形圖

將圖7中漏電故障電路模型換為12kW接入系統(tǒng)，進(jìn)行仿真，波形如圖10所示。

由圖8與圖10對(duì)比可知，當(dāng)A相接入漏電故障，產(chǎn)生漏電流，導(dǎo)致A相電流升高，其他相不受影響；并且隨著接入電阻的增大，系統(tǒng)漏電流幅值變化程度降低，波形的變化特征越不明顯。

4.3 人體等效電路模型漏電流仿真分析

將2.1節(jié)中建立的多種人體等效電路模型設(shè)置在0.2s時(shí)接入A相的用戶入戶火線，進(jìn)行仿真，波形圖如圖11所示。

由圖11可知，4種人體阻抗網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)后，都產(chǎn)生了一定的漏電流。在電流變化的瞬間，即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之前，波形皆產(chǎn)生一定程度的振蕩，在漏電保護(hù)器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可利用這一變化特點(diǎn)，快速辨別和處理人體觸電事故，進(jìn)而降低人體觸電發(fā)生率。

將電灼傷電流人體阻抗0.2s時(shí)接入A相入戶線上，進(jìn)行仿真，其變化規(guī)律與阻性故障電路相似，只有A相電流因漏電流的產(chǎn)生而增大，其余兩相不受影響。

5 結(jié)論

本文通過(guò)仿真得到了多種故障負(fù)載等效電路模型的漏電流波形圖，其結(jié)果與現(xiàn)實(shí)漏電流波形情況相符，證明了模型的可行性；觀測(cè)與對(duì)比仿真波形圖可知，當(dāng)故障等效電路接入電網(wǎng)中時(shí)，故障相漏電流激增，非故障相幾乎沒(méi)有變化；且隨著接入故障相的電阻阻值的增加，電網(wǎng)漏電流的幅值以及其畸變程度變??；將多種人體阻抗網(wǎng)絡(luò)接入電網(wǎng)中，發(fā)現(xiàn)觸電瞬間電流波形發(fā)生振蕩，可以利用這一特性，設(shè)計(jì)在人體觸電或發(fā)生接地漏電故障時(shí)利用暫態(tài)波形變化信號(hào)而動(dòng)作的漏電保護(hù)器，為漏電故障的檢測(cè)和定位等提供理論依據(jù)。

[1] 時(shí)永喆. 農(nóng)村室內(nèi)線纜漏電檢測(cè)定位裝置的研究[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 2017.

[2] 周清平. 安全用電監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(7): 62-66, 73.

[3] 夏越, 杜松懷, 李春蘭, 等. 中國(guó)剩余電流保護(hù)技術(shù)與裝置的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(增刊2): 151-155.

[4] 張冠英, 楊曉光, 李奎, 等. 剩余電流互感器的設(shè)計(jì)與特性分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 44(6): 547-552.

[5] 張振宇. 軌道交通車(chē)站電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)誤報(bào)診斷探討[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(10): 106-107, 111.

[6] 黃光磊, 李喆, 楊豐源, 等. 直流交聯(lián)聚乙烯電纜泄漏電流試驗(yàn)特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(1): 192-201.

[7] 牛峰, 曹石然, 王堯, 等. PWM電機(jī)系統(tǒng)漏電流分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(8): 1599-1606.

[8] 李春蘭, 杜松懷, 蘇娟, 等. 一種新的基于小波變換和混沌理論的觸電信號(hào)檢測(cè)方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(10): 47-52, 154.

[9] 張軍偉. 復(fù)雜波形剩余電流綜合保護(hù)器的設(shè)計(jì)與研究[D]. 天津: 河北工業(yè)大學(xué), 2012.

[10] LEE T M, CHAN T W. The effects of harmonics on the operational characteristics of residual-current circuit breakers[C]//Proceedings 1995 International Conference on Energy Management and Power Delivery EMPD '95, 6, 1995: 548-553.

[11] LUO Xiang, DU Yaping, WANG X H, et al. Tripping characteristics of residual current devices under non- sinusoidal currents[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 47(3): 1515-1521.

[12] 中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì). GB/T 7260.3—2003. 不間斷電源設(shè)備(UPS) 第3部分: 確定性能的方法和試驗(yàn)要求[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2003.

[13] 曾峰, 鮑光海. B型剩余電流保護(hù)器設(shè)計(jì)[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2019(18): 31-36.

[14] 趙秋生. 從人體電流效應(yīng)解讀人體觸電的安全閾值[J]. 安全, 2012, 33(5): 10-13.

[15] 李燕, 李東. 采用單一人體阻抗網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)多標(biāo)準(zhǔn)泄露電流測(cè)試[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2010, 36(12): 95-98.

[16] 史美倫, 陳志源. 混凝土阻抗譜的低頻特性[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 1996(6): 97-100, 9.

[17] 朱淑娟. 福建低壓配電網(wǎng)TT接地系統(tǒng)三級(jí)漏電保護(hù)模式探討[J]. 電工技術(shù), 2019(7): 35-37.

[18] 黃超藝, 陳宏, 王晨. 低壓配電網(wǎng)接地方式及三級(jí)剩余電流保護(hù)應(yīng)用實(shí)踐[J]. 供用電, 2019, 36(12): 29-34.

Characteristic analysis of linear load leakage current in low voltage power grid

XU Guanwei ZHENG Rongjin DENG Mingzai

(Fujian University of Technology, Fuzhou 350118)

This paper aims at the problem of leakage current in low voltage power network, the types and detection methods of leakage current are summarized, the types of equivalent load of leakage current fault are studied, and the equivalent circuit model of linear load is established. Aiming at the low voltage network of TT grounding system, the model is established in power systems computer aided design simulation software, and the leakage current model which may exist in TT grounding system is added to the power grid. At the same time, the equivalent load circuit model is also connected to the power grid, and the simulation analysis of grounding fault leakage current is carried out. The feasibility of the model is proved, and the corresponding conclusions are obtained, which can provide theoretical basis for leakage current fault detection and location.

leakage current; linear load equivalent circuit model; low voltage power network model; simulation analysis

福建省福州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018-G-30）

2020-06-30

2020-07-19

許冠煒（1995—），男，福建省漳州市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡妷弘娋W(wǎng)漏電流監(jiān)測(cè)技術(shù)工作。