梁 棟，王 瑋，孫中玉，徐丙垠，翟國(guó)亮

TN-C-S系統(tǒng)雙突變量電流分離漏電保護(hù)方法

梁 棟1，王 瑋1，孫中玉2，徐丙垠1，翟國(guó)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(jì)南 250000)

針對(duì)低壓配網(wǎng)TN-C-S系統(tǒng)固有剩余電流大、多級(jí)剩余電流漏電保護(hù)難以投入的問(wèn)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(hù)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(shí)刻會(huì)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(diǎn)連續(xù)更新值，實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，所提方法對(duì)50 mA以上漏電故障的正確識(shí)別率達(dá)99%以上，變壓器出口處可靠動(dòng)作閾值可低至70 mA，能夠滿足TN-C-S系統(tǒng)多級(jí)漏電保護(hù)的靈敏度要求。

漏電保護(hù)；電流分離；剩余電流；不平衡電流；雙突變量

0 引言

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)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(guó)的每年約400人和100億kWh/人還有較大差距。超過(guò)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(hù)能力是減少觸電事故的重要途徑[1-2]。

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

現(xiàn)有RCD普遍采用基于剩余電流幅值的保護(hù)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(shí)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(diǎn)。然而實(shí)際系統(tǒng)中，線路和用電器存在對(duì)地電容和電導(dǎo)，會(huì)產(chǎn)生一部分固有剩余電流。在我國(guó)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(hù)接地，也會(huì)產(chǎn)生固有剩余電流[10]。幅值比較法判據(jù)需要躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)的固有剩余電流，不可避免地會(huì)存在保護(hù)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(lái)，為克服固有剩余電流的影響，提高觸電保護(hù)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(jìn)行判斷，由于故障電流相角的隨機(jī)性，同樣存在較大的保護(hù)死區(qū)。鑒相鑒幅法同時(shí)利用剩余電流幅值和相角的突變量進(jìn)行判斷，計(jì)算復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中存在保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)現(xiàn)象，保護(hù)效果并不理想。電流分離法主要基于生物體觸電時(shí)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(lái)，根據(jù)觸電電流進(jìn)行動(dòng)作判定從而消除保護(hù)死區(qū)。電流分離法是目前觸電保護(hù)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(jī)[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(wú)一種方法能夠確保其保護(hù)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(diǎn)設(shè)置錯(cuò)誤、末級(jí)保護(hù)人為關(guān)閉等現(xiàn)象，同時(shí)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(shí)頻特征的漏電保護(hù)方法難以滿足應(yīng)用需求。

目前的漏電保護(hù)方法研究過(guò)多注重?cái)?shù)學(xué)工具的應(yīng)用，在保護(hù)基本原理上挖掘不夠深入，方法可操作性也沒(méi)有達(dá)到足夠?qū)嵱玫某潭?。故本研究針?duì)單一重復(fù)接地點(diǎn)TN-C-S系統(tǒng)的漏電回路進(jìn)行了分析，研究了接地故障發(fā)生前后電源進(jìn)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(hù)方法，為未來(lái)相關(guān)研究提供新的思路和方向。

1 TN-C-S系統(tǒng)漏保無(wú)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(hù)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(diǎn)P1?？偙Ｗo(hù)(簡(jiǎn)稱總保)的保護(hù)范圍為一個(gè)臺(tái)區(qū)，由于RCD原理限制，變壓器出口處不能安裝總保，只進(jìn)行短路過(guò)流保護(hù)；中級(jí)保護(hù)(簡(jiǎn)稱中保)保護(hù)一棟或多棟建筑，一般安裝在建筑物的重復(fù)保護(hù)接地點(diǎn)之后，動(dòng)作定值以30 mA、50 mA、100 mA為標(biāo)準(zhǔn)；末級(jí)保護(hù)(簡(jiǎn)稱末保)為住宅配電保護(hù)(戶保)或單臺(tái)用電設(shè)備的保護(hù)，動(dòng)作閾值不高于30 mA，特別潮濕的場(chǎng)所動(dòng)作值不高于6 mA。

圖1 TN-C-S系統(tǒng)原理圖

然而在實(shí)際TN-C-S系統(tǒng)中，總保無(wú)法正常投入。除中保與總保之間存在接地點(diǎn)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(diǎn)的現(xiàn)象十分普遍(如圖1的P2處)，這類中保也無(wú)法投入。為分析中保、總保無(wú)法投入的原因，給定以下簡(jiǎn)化場(chǎng)景。

1) 變壓器僅有1條出線，且線路中無(wú)分支線路。

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

3) 線路利用T模型進(jìn)行描述。

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

圖2 TN-C-S系統(tǒng)等效電路

對(duì)變壓器中性點(diǎn)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(diǎn)流入大地的泄漏電流；為正常運(yùn)行時(shí)的固有剩余電流。

整理得

式中，是一個(gè)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(diǎn)接地阻抗和零線阻抗為確定值，且區(qū)內(nèi)無(wú)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(gè)突變量的漏電保護(hù)方法，其基本構(gòu)成和故障判定方法如下：

1) 按式(15)實(shí)時(shí)計(jì)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(gè)突變量進(jìn)行保護(hù)的方法，即為雙突變量電流分離漏電保護(hù)方法，簡(jiǎn)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(cè)量的基準(zhǔn)相位轉(zhuǎn)過(guò)相角時(shí)，由式(15)易知，計(jì)算值不變，式(14)變?yōu)?/p>

3 雙突變量漏電保護(hù)算法

3) 首次計(jì)算值時(shí)，系統(tǒng)中無(wú)故障。

構(gòu)建如圖4所示的雙突變量保護(hù)算法。

算法以一個(gè)工頻周期為時(shí)間步長(zhǎng)，邏輯如下。

1) 算法首次運(yùn)行時(shí)，狀態(tài)標(biāo)志量=0，默認(rèn)為無(wú)故障，進(jìn)入值計(jì)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(cè)量誤差對(duì)M值計(jì)算的影響越大，尤其當(dāng)趨于0時(shí)，計(jì)算的M值將完全不可信。因此，需要設(shè)置最小有效測(cè)量閾值，以保證M值及后續(xù)計(jì)算的可信性。

4 仿真和試驗(yàn)驗(yàn)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(duì)剩余電流幅值的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)漏電保護(hù)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(wú)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(wú)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(jìn)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(lái)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(shí)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(jì)算幅值分布

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

表1 仿真故障電流幅值分布統(tǒng)計(jì)

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

4.2 實(shí)驗(yàn)室仿真系統(tǒng)試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建封閉試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)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(yàn)環(huán)境，以100 kW三相可調(diào)負(fù)荷的隨機(jī)投切模擬線路負(fù)荷變化情況。

圖7 試驗(yàn)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(shí)故障投入的相位變化、波形特征與負(fù)荷投切沒(méi)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(shí)別的電流分離方法均無(wú)法可靠完成故障檢測(cè)。

圖8 典型實(shí)測(cè)波形

圖9 剩余電流實(shí)測(cè)幅值和DMM計(jì)算故障電流幅值

表2 實(shí)測(cè)故障檢出次數(shù)占比

4.3 實(shí)境試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)測(cè)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(dòng)。圖10測(cè)量時(shí)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(shí)測(cè)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(yǔ)

本文針對(duì)TN-C-S系統(tǒng)固有剩余電流幅值較大、漏電保護(hù)難以投入使用的問(wèn)題，提出了基于剩余電流和不平衡電流測(cè)量的DMM漏電保護(hù)方法，能夠克服固有剩余電流對(duì)漏電保護(hù)的影響，實(shí)現(xiàn)大幅值固有剩余電流下單一重復(fù)接地點(diǎn)系統(tǒng)的高靈敏度漏電保護(hù)。仿真結(jié)果表明，所提方法對(duì)接地電流30 mA的故障正確識(shí)別率可達(dá)約97%，50 mA以上故障正確識(shí)別率可達(dá)99%。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，保證不發(fā)生誤動(dòng)作條件下，過(guò)渡電阻小于6.67 kW故障的正確識(shí)別率為100%，10 kW故障正確識(shí)別率可達(dá)93.3%。兩棟樓的實(shí)境試驗(yàn)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(hù)靈敏度，滿足三級(jí)漏電保護(hù)對(duì)總保和中保動(dòng)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(dú)有的暫態(tài)和時(shí)變特征，相比目前基于剩余電流測(cè)量的其他漏電保護(hù)方法，在檢測(cè)原理上更加完備，因此DMM方法的可靠性和普適性更強(qiáng)。

本文僅對(duì)DMM方法原理及可行性進(jìn)行了初步探索，實(shí)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(guò)程、串并聯(lián)電弧故障等對(duì)故障檢測(cè)的影響尚未完全明晰。后續(xù)將在TN-C-S系統(tǒng)保護(hù)靈敏度和可靠性、多級(jí)保護(hù)配合、潛伏性故障辨識(shí)、線路絕緣監(jiān)測(cè)等方面對(duì)DMM方法繼續(xù)進(jìn)行深入研究，推動(dòng)方法實(shí)用化。

[1] 李天友, 郭峰. 低壓配電的觸電保護(hù)技術(shù)及其發(fā)展[J]. 供用電, 2019, 36(12): 2-8.

LI Tianyou, GUO Feng. Electric shock protection technology and its development of low-voltage distribution[J]. Distribution & Utilization, 2019, 36(12): 2-8.

[2] 李天友, 徐丙垠, 薛永端, 等. 配電網(wǎng)觸電保護(hù)技術(shù)[R]. 北京: 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì), 2018.

LI Tianyou, XU Bingyin, XUE Yongduan, et al. Electric shock protection technology of distribution network[R]. Beijing: Chinese Society for Electrical Engineering, 2018.

[3] Low-voltage electrical installations-part 5-53: selection and erection of electrical equipment-devices for protection for safety, isolation, switching, control and monitoring: IEC 60364-5-53—2019[S]. Geneva: International Electro- technical Commission, 2019.

[4] 剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝與運(yùn)行: GB/T 13955—2017[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2017.

Installation and operation of residual current operated protective devices: GB/T 13955—2017[S]. Beijing: China Standards Press, 2017.

[5] 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.

XIA Yue, DU Songhuai, LI Chunlan, et al. Development tendency of residual current protection technology and device in China[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(S2): 151-155.

[6] 李奎, 陸儉國(guó), 武一, 等. 自適應(yīng)漏電保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 23(10): 53-57.

LI Kui, LU Jianguo, WU Yi, et al. Adaptive technology of leakage current operation protection and its application[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(10): 53-57.

[7] MITOLO M. Shock hazard in the presence of protective residual-current devices[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, 46(4): 1552-1557.

[8] LI Rui. Analysis and realization method of selective leakage protection technology of self-adaptive full compensation domain[C] // 2020 5th International Conference on Power and Renewable Energy (ICPRE), September 12-14, 2020, Shanghai, China: 471-475.

[9] HARID N, BOGIAS A C, GRIFFITHS H, et al. A wirelesssystem for monitoring leakage current in electrical substation equipment[J]. IEEE Access, 2016, 4: 2965-2975.

[10] ZHANG M, QIN P, CHEN Y, et al. Study on the detection method of leakage in TN-C area of low-voltage distribution network[C] // 2021 International Conference on Power System Technology (POWERCON), December 8-9, 2021, Haikou, China: 378-381.

[11] 蔡志遠(yuǎn), 龐佳, 陳廷輝. 基于剩余電流和漏電阻抗的漏電保護(hù)方法的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(12): 61-64.

CAI Zhiyuan, PANG Jia, CHEN Tinghui. Research on method of leakage current protection based on residual current and leakage impedance[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(12): 61-64.

[12] LI Kui, LIN Jingyi, NIU Feng, et al. A novel fault leakage current detection method with protection deadzone elimination[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2021, 70: 1-9.

[13] 武一, 李奎, 岳大為, 等. 消除剩余電流保護(hù)動(dòng)作死區(qū)的理論與方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 23(6): 44-49.

WU Yi, LI Kui, YUE Dawei, et al. Theory and method of eliminating operating dead zone of residual current protection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(6): 44-49.

[14] 李春蘭, 蘇娟, 杜松懷, 等. 基于小波分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的觸電信號(hào)檢測(cè)模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(增刊2): 130-134.

LI Chunlan, SU Juan, DU Songhuai, et al. Detecting model of electric shock signal based on wavelet analysis and BP neural network[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(S2): 130-134.

[15] ZHANG X, LIU Z, WANG Y, et al. Residual current detection method based on variational modal decomposition and dynamic fuzzy neural network[J]. IEEE Access, 2021, 9: 142925-142937.

[16] 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.

LI Chunlan, DU Songhuai, SU Juan, et al. A novel detecting method of electric shock signal based on wavelet transform and chaotic theory[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(10): 47-52, 154.

[17] 關(guān)海鷗, 杜松懷, 蘇娟, 等. 一種觸電信號(hào)的自動(dòng)快速檢測(cè)模型[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(8): 2328-2335.

GUAN Haiou, DU Songhuai, SU Juan, et al. An automatic and quick detection model of electric shock signals[J]. Power System Technology, 2013, 37(8): 2328-2335.

[18] 韓曉慧, 杜松懷, 蘇娟, 等. 基于參數(shù)優(yōu)化的最小二乘支持向量機(jī)觸電電流檢測(cè)方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014, 30(23): 238-245.

HAN Xiaohui, DU Songhua, SU Juan, et al. Determination method of electric shock current based on parameter- optimized least squares support vector machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(23): 238-245.

[19] 關(guān)海鷗, 李偉凱, 杜松懷, 等. 基于Hilbert-Huang變換的生物觸電電流檢測(cè)模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2017, 33(14): 202-209.

GUAN Haiou, LI Weikai, DU Songhuai, et al. Detection model of biological electric shock current based on Hilbert-Huang transform[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(14): 202-209.

[20] 左金威, 趙恒, 陳重佑, 等. 基于半波真有效值的觸/漏電故障電流檢測(cè)[J]. 四川電力技術(shù), 2017, 40(3): 66-72.

ZUO Jinwei, ZHAO Heng, CHEN Chongyou, et al. Touch/leakage fault current detection based on half-wave true RMS[J]. Sichuan Electric Power Technology, 2017, 40(3): 66-72.

[21] 李春蘭, 羅杰, 王長(zhǎng)云, 等. 基于循環(huán)譜特征和聚類分析的觸電識(shí)別[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(22): 4677-4687.

LI Chunlan, LUO Jie, WANG Changyun, et al. Electric shock recognition method based on cyclic spectrum features and cluster analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(22): 4677-4687.

[22] 王陽(yáng), 許志紅, 郭清滔. 基于奇異值差分譜熵復(fù)雜度的生物觸電信號(hào)識(shí)別研究[J]. 供用電, 2019, 36(12): 9-16, 21.

WANG Yang, XU Zhihong, GUO Qingtao. Analysis of transferred overvoltage of low-voltage system in medium-voltage system ground fault[J]. Distribution & Utilization, 2019, 36(12): 9-16, 21.

[23] 李春蘭, 夏蘭蘭, 王成斌, 等. 基于橢圓域分割的觸電電流混沌檢測(cè)方法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2017, 45(15): 69-76.

LI Chunlan, XIA Lanlan, WANG Chengbin, et al. Study on chaos detection method of electric shock current based on elliptic domain segmentation[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(15): 69-76.

[24] 邵振國(guó), 許昊鉑, 肖頌勇, 等. 新能源電網(wǎng)中的諧波問(wèn)題[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(4): 178-187.

SHAO Zhenguo, XU Haobo, XIAO Songyong, et al. Harmonic problems in a new energy power grid[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(4): 178-187.

[25] 謝榮斌, 杜帆, 程湘, 等. 三相不平衡及諧波對(duì)三相四線低壓配電網(wǎng)線損的影響[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(21): 22-30.

XIE Rongbin, DU Fan, CHENG Xiang, et al. Influence of three-phase imbalance and harmonic on line loss of three-phase four-wire low-voltage distribution network[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(21): 22-30.

[26] 韋莉珊, 賈文超, 焦彥軍. 基于5次諧波與導(dǎo)納不對(duì)稱度的配電網(wǎng)單相接地選線方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(15): 77-83.

WEI Lishan, JIA Wenchao, JIAO Yanjun. Single-phase fault line selection scheme of a distribution system based on fifth harmonic and admittance asymmetry[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(15): 77-83.

[27] LI R, WONG P, WANG K, et al. Power quality enhancement and engineering application with high permeability distributed photovoltaic access to low-voltage distribution networks in Australia[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2020, 5(3): 183-189.

[28] 孫立明, 楊博. 蓄電池/超導(dǎo)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)非線性魯棒分?jǐn)?shù)階控制[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(22): 76-83.

SUN Liming, YANG Bo. Nonlinear robust fractional-order control of battery/SMES hybrid energy storage systems[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(22): 76-83.

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?yàn)殡娏€路故障行波測(cè)距、配電線路故障檢測(cè)；E-mail: greache@ foxmail.com

王 瑋(1983—)，男，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)榕潆娋€路故障檢測(cè)技術(shù)；E-mail: wwsdut@163.com

孫中玉(1996—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏€路故障監(jiān)測(cè)。E-mail: sun_zy@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(52077221)

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

(編輯 許 威)