配电网触电事故预防与快速精准保护关键技术及装备

李波，李锐海，李政洋，毛文奇，彭向阳，谢鹏康，吴传平，龙文德，陆佳政

(1.湖南防灾科技有限公司，湖南 长沙 410129；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510663；3.长沙信长电力科技有限公司，湖南 长沙 410009；4.国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙 410007；5.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；6.长沙理工大学，湖南 长沙 410114；7.广州白云电器设备股份有限公司，广东 广州 510460)

0 引言

人身触电严重威胁人民群众生命安全。据2016 年国家统计局数据，配电网10 kV 与低压400 V人身触电导致我国每年超8 000 人死亡，大于全球矿难死亡人数(约2 000 人)。人身触电事故酿成家庭惨剧，造成巨大经济损失和恶劣社会影响。尤其在农村，配电网复杂老化，触电成为农村意外伤亡主要因素。«中共中央 国务院关于实施乡村振兴战略的意见» 要求“健全农村公共安全体系，持续开展农村安全隐患治理”。因此，迫切需要开展防触电伤亡技术与装备研究。

人身触电主要原因及研究现状如下:1) 雷击造成10 kV 导线断线坠地、配电网中性点不接地、雷击断线带电运行，引发附近人员触电伤亡[1－8]；目前国内外配电网避雷器与绝缘子并联，受杆塔尺寸限制，难以安装；我国配电网无避雷线，雷击导线电流幅值高达上百千安；而我国现有的避雷器规程(DL/T 815—2012) 规定的10 kV 配电网用ZnO电阻片通流能力仅65 kA[9]，雷击损坏故障率高，导致雷击断线引发的人身触电事故频发。2) 吊车施工、钓鱼等意外触碰10 kV 导线造成触电伤亡，现有的10 kV 配电网通过各相电压幅值识别故障相序并引导开关动作，但单条10 kV 配电网线路供电面积达数十平方千米，线路接地、触及人身，接地阻抗几十到数兆欧姆不等，故障信号微弱，无法实现10 kV意外触电准确辨识与定位识别[10－15]。3)我国农村配电网400 V 线路普遍存在绝缘老化破损与漏电现象，低压400 V 线路正常漏电干扰信号高达100 mA，往往大于人身触电信号30 mA 左右；国内外现有漏电保护装置通过对地泄漏电流幅值判断400 V 触电事故，无法有效区分人体触电与干扰信号[16]，误动跳闸频繁，影响供电可靠性，在泄漏电流普遍偏高的农村地区被大量退出运行，触电时无保护，引发大量触电伤亡。

针对配电网触电伤亡事故原因，本文分别研究了大通流防雷击断线绝缘子、配电网10 kV 高压触电故障快速转移、400 V 触电精准动作等关键技术与装备，并在国内进行了大范围推广。结果表明，应用区域再未发生人身触电伤亡事故，有效提升了配电网安全用电水平。

1 大通流防雷击断线绝缘子

针对10 kV 雷击断线引发的人身触电伤亡问题，研制大通流防雷击断线绝缘子。

1.1 绝缘支撑与ZnO 防雷一体化结构

传统10 kV 避雷器与绝缘子并联，需额外增加外挂点，安装施工困难，因此设计绝缘支撑与ZnO防雷一体化结构。

如图1 所示，防雷绝缘子由ZnO 防雷段与绝缘段串联，环氧芯棒贯穿整支绝缘子，承受导线重力。雷击大电流下，ZnO 电阻小，限制雷击过电压，防止绝缘子击穿；雷击大电流过后，ZnO 电阻急剧增大，熄灭工频续流，防止导线烧断坠地。该结构可同时取代绝缘子与避雷器，安装方便，成本降低30%以上。

图1 绝缘支撑与ZnO 防雷一体化结构

1.2 120 kA 小尺寸大通流ZnO 电阻片

依据雷电定位系统统计全国雷电幅值分布特性(如图2 所示)，发现仍有10%雷电流超过65 kA。

图2 雷电流幅值分布特性

在PSCAD 仿真软件中建立了配电网雷击电磁暂态仿真模型(如图3 所示)，获得雷击过电压与过电流分布规律，揭示配电网65 kA 避雷器雷击炸裂与导线雷击断线事故频发原因。突破原规程，率先提出配电网防雷绝缘子ZnO 电阻100 kA 大通流能力参数指标(多雷区和高供电可靠性线路的避雷器通流能力应达到100 kA 以上)，为防止配电网雷击跳闸断线提供设计依据。

图3 配电网雷击暂态仿真模型

配电网点多面广，设备量巨大，经济性要求高。110 kV 以上主网用ZnO 电阻直径高达85 mm，成本高昂，难以应用于配电网。目前ZnO 电阻片的研究主要聚焦于提升电位梯度，应用于超/特高压领域，尚未研制出配电网用大通流小尺寸ZnO电阻片。现有配电网用ZnO 电阻微观结构不均匀、孔隙率高，通流能力极难提升。为此，发明了ZnO电阻大通流熔融配方，增强烧结时Bi2O3液态流动性，促进晶粒均匀分布；两种晶体表面能差越小，结合越紧密，Bi2O3存在四种晶格，其中α－Bi2O3与ZnO 晶粒之间表面能最接近。提出α－Bi2O3烧结形成曲线，增大Bi2O3与ZnO 晶体接触面积，促进晶界层与晶粒紧密结合，降低微观孔隙率(如图4所示)，率先攻克配电网用52 mm 直径120 kA 大通流环形小尺寸ZnO 电阻片难题。

图4 电子扫描显微镜放大100 万倍下的ZnO 电阻微观结构

发明4/10 μs、120 kA 大通流防雷击断线人身伤亡绝缘子。2014 年以来，在湖南、广东、海南等多省多雷区上千条配电网线路应用五十多万支，应用线路未再发生雷击断线引发的人身触电伤亡事故，保证了人民生命安全与可靠供电，攻克了预防雷击断线引发的触电伤亡难题。

2 10 kV 故障转移防触电装置

施工等意外触碰高压导线造成人员触电伤亡，10 kV 配网线路点多面广，10 kV 触电信号辨识与快速开关动作难度极大。

针对以上问题，提出变电站内触电故障相快速接地—转移故障电流防触电新思路，检测10 kV 单相暂态接地触电故障，判断故障相/线，将10 kV变电站对应故障相短路接地(如图5 所示)，使得故障点电压电流降低至近零安全值，防止10 kV 意外碰线触电伤亡。

图5 10 kV 触电故障转移装置结构

人身触电属于高阻接地，配网经常不对称运行，电压最低相不一定是故障相，传统通过电压幅值识别故障相的选相方法精度低。

开展不同接地电阻下的单相接地试验，获得了各相电压幅值与变化率的变化趋势。

由图6 可知，当C 相发生单相接地时，在0～500 Ω 的低阻抗范围内，故障相电压的幅值最低。随着接地电阻升高至500 Ω 以上，故障相的滞后相UA幅值最低。因此，通过相电压幅值确定故障相的方法并不适合高阻接地运行的情况。对电压幅值求积分，得到单相接地时各相电压变化率随接地电阻变化趋势，如图7 所示，在不同接地电阻下，故障相电压变化率始终保持最大。

图6 单相接地相电压幅值变化趋势

图7 单相接地故障各相电压幅值变化率

发明独特的配电网触电故障电压变化率精准选相方法:1) C 相为单相接地故障相，故障相前一相UB的相电压幅值始终最高；2) 在接地电阻大于500 Ω 时，高阻接地故障相电压幅值的变化率最大。

基于以上技术，研制10 kV 触电故障电流转移防触电装置。在配电网智能化实验室开展10 kV 动物活体触电试验，2 000 次试验全部精准快速切除，试验动物未出现伤残。10 kV 故障转移防触电装置在湖南、江西等省份应用300 多套，成功避免千余起10 kV 触电意外事故。

3 400 V 人体触电电流波形特征识别的新型精准漏电保安器

3.1 人体触电波形特征识别技术

传统漏电保安器将工频漏电流幅值作为动作判据，误动频繁。开展动物活体与本项目研究人员的触电模拟实验，获取活体触电电流波形，发现触电电流基波与高次谐波变化规律，如图8 所示。将提取得到的线路零序电流进行分解，如公式(1) 所示，I表示漏电电流，I0表示泄漏电流的直流，I1表示基波，I2表示2 次谐波幅值，In表示n次谐波幅值，ω表示泄漏电流角速度，Φ1、Φ2、Φn分别表示1、2、n次谐波的相位角。

图8 活体触电典型电流波形

在人体触电的前3 个周期内，人体漏电电流的基波幅值不断上升，3～7 次谐波呈现出先上升后下降的趋势，因此提出矢量合成的人体触电电流波形识别算法:求取触电前后基波和各次谐波突变量并进行比较，若I1上升后基本稳定不变，I3—I7谐波电流先上升后下降，则判断人身触电事故发生。

3.2 人体触电特征识别的新型漏电保护动作装置

目前一部分漏电保安器在农村应用中频繁误动，为保障供电，被大量退出运行。人员触电时得不到保护，导致低压400 V 人身触电伤亡事故频发。研发了人体特征电流精准动作漏电保安器，正常漏电流不误动，保证供电；人身触电时精准识别并切除故障，防止低压人身触电伤亡事故。

低压400 V 精准动作漏电保安器于湖南等省应用4 万余套，应用区域投运率达100%，未发生400 V 低压触电伤亡事故，攻克低压400 V 防人身触电难题。

4 优势分析

人身触电伤亡防治关键技术与系列装备突破大通流防雷击断线绝缘子、10 kV 单相接地故障转移防触电装置、400 V 触电精准动作等系列难题，在小尺寸防雷ZnO 通流能力、高压触电选相正确率与开关接地动作时间、低压400 V 触电信号识别准确率等方面均优于国内外同类先进技术，同时经济性能好，发展前景广阔，具有很强的市场竞争力。

1) 10 kV 防雷击断线能力。国内外配网避雷器通流能力 65 kA，每年雷击跳闸率 0.68次/100 km，雷击断线故障频发；与绝缘子并联安装，施工复杂。本文所研发的装备在相同尺寸与成本下通流能力120 kA，性能提升85%，雷击跳闸率降至每年0.06 次/100 km；安装施工简便，经济性能好。

2) 10 kV 意外碰线触电防护。高阻选相准确率低，难以防止触碰高压导线的人身伤亡。本文所研发装备在2 000 余次试验中全部准确动作，有效防止触碰10 kV 导线的触电伤亡，优于国内外同类产品。

3) 400 V 低压触电防护。国内外漏电保安器拒动/误动频繁，投运率低，触电时无法动作，导致伤亡多。本文所研发的设备一般漏电流不动作，投运率100%，保证正常供电；人身触电时精准识别切除，防止低压400 V 人身触电伤亡，属于国内外首创。

5 结语

本文针对低压400 V 与10 kV 人身触电伤亡事故，分析了事故发生原因，研制了相应的防治技术与装备。

1) 针对10 kV 雷击断线易造成人身触电伤亡，提出了绝缘支撑与ZnO 防雷一体化结构，研制100 kA以上大通流ZnO 电阻，大幅降低雷击跳闸率的同时，有效防止了10 kV 雷击断线引发的人身触电伤亡。

2) 率先提出变电站触电故障相快速接地—转移故障处电流防触电新思路，试验揭示高压触电各相电压变化规律，发明独特的触电电压变化率精准选相方法，准确辨识与切除触电故障，大幅降低了意外触碰10 kV 高压导线引发的人身触电伤亡风险。

3) 提出人体触电特征识别漏电保护方法，揭示人体触电电流特征，发明触电电流矢量合成精准识别方法，漏电干扰信号不误动，确保装置投运率100%，减少了400 V 人身触电伤亡事故。

现场运行经验表明，系列防人身触电装置可有效预防与快速精准切除配电网触电事故，应用线路未再发生人身触电伤亡，有效提升了配电网运行的安全性与可靠性。