农网剩余电流保护装置动作边界研究现状

邵利敏，杜松怀，苏 娟，关海鸥

(1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；2.河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071001)

剩余电流动作保护装置(Residual Current Operated Protective Device，RCD)简称剩余电流保护装置，由国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)命名。不同国家叫法不同，即便在我国，叫法也多种多样，如触电保安器、漏电保护器等[1]。GB 13955-2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》的发布意味着GB 13955-1992《漏电保护器安装和运行》的废止，“剩余电流动作保护装置”正式取代“漏电保护器”。农网改造大大提高了电网的供电能力、可靠性和网络绝缘强度，为电网的安全、稳定、经济运行提供了保证，但因漏电引起的火灾甚至人身触电伤亡事故依然时有发生[2]。IEC和不少国家都制定了相应的电气安装规程和用电规程，致力于在低压电网中推广使用剩余电流保护装置[3-7]。在低压电网中，加装剩余电流保护装置是防止人身电击伤亡和避免因泄露电流造成电气设备损坏的重要措施，有助于提高供电系统末端的可靠性和保护性能，是低压电网漏电事故最基本、最重要的保护手段，但并不意味着可以取消其他触电保护方法，二者应起到相辅相成的作用。1912年德国发明了电压型漏电保护器，1940年法国发明了电流型保护器，20世纪70年代各国开始制定规程以强制在某些场所安装剩余电流保护装置[8-10]。2007年以来，国家电网公司把各台区剩余电流保护装置投运率接近或达到100%作为新农村电气化建设验收合格与否的必要条件之一[11]。本文在介绍剩余电流保护装置基本原理的基础上，讨论了其关键技术动作边界的研究现状，并在课题组试验基础上提出了一系列的解决方法和措施。

1 RCD基本工作原理

剩余电流保护装置形式、结构和技术性能不尽相同，但工作原理基本相似，如图1所示[3,12-16]，主要由剩余电流互感器(Residual Current Transformer, RCT)、漏电脱扣器、主开关和试验装置等部分组成。其中，RA、RB和RT分别为设备接地、电源接地和试验装置用电阻。

图1 剩余电流保护装置结构原理图Fig.1 Principle diagram of residual current device

电网正常工作时，剩余电流保护装置所保护范围内的电路无漏电、触电和接地故障发生，剩余电流互感器一次侧电路的电流矢量和为零，在铁心中产生的磁通矢量和也为零。因此，剩余电流互感器二次线圈中没有感应电压输出，线路正常供电。一旦有人体触电等故障发生，设备接地电阻上流过接地电流，则通过剩余电流互感器的电流矢量和不再等于零，互感器二次回路有感应电压输出，且随故障电流的增长而增加。经信号处理后，当故障电流达到预设值时，脱扣器线圈中电流推动脱扣机构动作，切断供电回路，达到保护目的。

2 剩余电流保护装置分类与比较

电压动作型保护装置只能控制单台用电设备，用于检测电气设备金属外壳与大地之间的故障电压。由于不能作为直接接触电击保护且无法实现分级保护，供电可靠性低，鉴于其局限性以及某些无法克服的缺点，电压动作型保护装置逐渐被电流动作型所取代，目前已基本不再使用。

电流分离动作型剩余电流保护装置根据触电电流与电网三相不平衡剩余电流特征的不同设计而成。人体皮肤阻抗为时变网络，利用人体触电电流起始过程的非正弦性将其从总泄漏电流中分离出来，进而去控制保护装置的动作机构，以获得非常理想的触电保护特性，其原理框图如图2所示。作为剩余电流保护装置未来的方向，电流分离动作型具有很大的优越性。

表1 常见剩余电流保护装置性能比较Tab.1 Comparisons of the most common types of RCD

图2 电流分离动作型RCD原理框图Fig.2 Principle diagram of current separation type RCD

3 动作边界研究进展

剩余电流保护装置由传感元件、判别元件和执行元件等组成。各组成元件性能的优劣将直接影响保护装置的性能和工作可靠性。另外，合理的动作边界设计对消除保护装置误动作、拒动作等有极其重要的作用。

国内外很多学者对剩余电流保护装置的硬件结构进行了改进，文献[18-25]从传感元件材料工艺、结构的改进到判别、测控电路的优化等方面进行了研究，提高了灵敏度。但是，由于受安装场所等外界干扰原因，并不能真正的解决剩余电流保护装置普遍存在的误动作及投运率低等问题。要想从根本上解决剩余电流保护装置误动、拒动现象，避免人身电击事故发生，必须设计合理完善的动作边界，进而研制基于人体触电电流而动作的新型电流分离型剩余电流保护装置。

目前，国内外一致认为工频电流30 mA是在低压回路触电时人体所能忍受的极限值，世界各国普遍都将该值作为末级剩余电流保护装置的动作阈值。因此，当电网或用电设备中的漏电电流超过此阈值时，则认为发生了漏电故障，需要进行保护。该判据简单、易于实现，能够满足大部分场合的需要。

然而，电网中正常的泄漏电流随时间变化非常缓慢，两个稳定状态之间的变化可能高达数小时甚至更长，比如由于大气湿度而导致绝缘电阻变化所引起的漏电电流变化。故障漏电电流则不然，往往很短的几个周波，甚至几个ms即可发生状态的转移，可以采用窗口移动等方法得出漏电电流变化率，根据漏电电流的变化快慢来区分到底是故障漏电还是正常漏电。文献[26]提出了基于剩余电流变化量法的漏电保护理论，给出了突变和缓变漏电信号特征的数学识别方法，采用剩余电流和剩余电流变化量双重判据进行综合漏电保护。文献[27]从漏电负载阻抗的正负特征出发提出了基于剩余电流和漏电阻抗的保护方法。文献[28]认为电击和火灾主要由总泄露电流中阻性成分引起，剩余电流保护装置运行应以阻性成分为判据更为合理。文献[29]将漏电保护范围分成若干区间，根据漏电电流的变化情况，考虑温度、湿度等环境因素，修正漏电动作阈值，建立自适应漏电保护模型，设计了自适应漏电断路器。上述文献从不同角度对现行运行判据进行了改进，可靠性得到了不同程度的提高。这些新思想和技术方法，对保障用电安全和供电质量发挥了巨大作用，但仍然是基于剩余电流幅值的保护，依然无法真正解决剩余电流保护死区现象。

另外，目前研究多集中于50/60 Hz正弦交流电情况，没有涉及到谐波电流、接地故障电流、PWM变频调速等复杂波形条件，且没有研究触电电流提取等问题，也就无法从根本上解决触电电流与剩余电流保护装置间的直接关系。复杂波形条件下生物体触电故障时剩余电流信号的检测识别在国内外尚无成熟的技术方法和产品，无法满足复杂因素下电力系统更加安全可靠的新要求。

针对目前存在的问题，课题组搭建了剩余电流动作保护装置试验平台，如图3所示，并开展了相关动物触电试验，研究了低压电网剩余电流暂态过程特征提取与识别方法，相关研究成果见文献[30-35]，将小波变换、BP神经网络、混沌算法和最小二乘支持向量机等智能处理算法应用于触电电流检测，通过智能计算进而取代传统幅值比较方法，能够从总泄漏电流中检测出触电电流信号，这些针对剩余电流保护中出现的新问题展开的关键技术研究为开发新型电流分离型剩余电流保护装置提供了依据，具有重要的理论意义和应用价值。

总之，机电一体化数控技术有着高效、稳定和安全等优势，通过将其应用到煤矿机械中，可以保证综采效果实现提升，让煤矿生产更具效率。同时还要将机电一体化数控技术与运输系统相集合，从而让运输系统得到有效的优化，让煤矿生产每个环节能够实现有效的衔接。煤矿企业只有充分发挥出机电一体化数控技术的作用，才能实现经济效益的不断增长，满足社会各界对煤炭资源的需求，也推动国民经济的快速、稳定发展。

图3 剩余电流动作保护装置试验平台Fig.3 The experiment platform of physical electric shock

要从根本上消除剩余电流保护装置误动作和拒动作现象，防止发生人身电击事故发生，必须在提取触电电流信号幅值的基础上，设计新的低压电网剩余电流保护装置自适应动作判据，进而开发和研制基于人体触电电流而动作的新型剩余电流保护装置。在课题组已有研究成果基础上，编制完善触电电流检测与识别算法，基于高速处理器芯片达到剩余电流保护装置可靠性和速动性要求，切实提高其智能化水平，才能保证低压配电网的人身、设备安全和剩余电流保护装置的正确投运。

4 提高剩余电流保护装置动作可靠性的主要措施

针对目前剩余电流保护装置运行过程中所发现的问题，结合课题组多年来所做的动物触电试验成果，在管理、维护和技术层面提出了一系列的措施，希望能够从根本上消除剩余电流保护装置投运率低等现象。

4.1 提高用户安全用电意识

在农村低压电网分级装设剩余电流保护装置能够有效的防止人身触电伤亡事故以及由漏电引起电气火灾、电气设备损坏。加强宣传，消除用户所谓“捣蛋器”和“保命器”的误区，客观公正的宣传剩余电流保护装置的防触电作用。即使安装了剩余电流保护装置后，也应以预防为主。

4.2 提高管理维护水平，监督装置运行

剩余电流保护装置的运行、维护和管理长期存在投运难、维护难、管理难和考核难等问题[13]，提高其运行管理维护水平具有极其重要的意义。

(1)加强剩余电流保护装置质量监督，必须通过国家强制性产品认证(即“3C”权威认证)，满足GB标准，安装环境需遵循中华人民共和国电力行业标准《农村剩余电流动作保护器安装运行规程》DL/T 736-2010[16]。

(2)供电企业应对辖区总保、中保建立设备档案，定期检查、测试，做好运行记录和试验记录；用户需保证户保的完好，并做好每月试跳记录。

(3)加强供电企业员工的专业技能培训，利用高科技手段，通过自动监测和“四遥”方式实现远程自动化。

4.3 开发新技术，提高装置可靠性

在保证宣传、管理等方面的基础上，应进一步提高装置技术水平，使剩余电流保护装置动作更加合理。

(1)减小供电半径，提高台区的绝缘水平，进一步完善漏电保护系统，实现剩余电流分级保护，提高用电安全和供电可靠性。

(2)设计性能优良的滤波器，滤除外界干扰信号；设计合理的电流分离算法，在尽可能短的时间内将触电电流信号从总泄漏电流中提取出来。

(3)综合考虑，设计数字式剩余电流保护芯片或装置，通过数字延时电路等实现保护装置的高精度、高可靠性和高智能化。

5 结 语

本文在阅读国内外参考文献的基础上，对剩余电流保护装置动作边界的研究现状和发展趋势进行了分析和研究，主要结论如下：剩余电流保护装置形式、结构和技术性能各有不同，但工作原理基本相同。要想从根本上消除动作死区、完善运行特性，不仅需要提高剩余电流保护装置的运行管理水平，更需采用新材料和新工艺，改进剩余电流保护装置硬件结构，提高灵敏度。最重要的是要实现装置的智能化和自适应发展，采用智能算法，利用人体触电电流起始过程的非正弦性，从总剩余电流中分离触电电流信号，以此作为控制保护装置动作的依据，进而利用高速处理器芯片结合高性能滤波器实现装置的可靠性和速动性要求。

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