三相不平衡对剩余电流保护器误动的影响分析

吕新东，单 强，刘 辉，尹 涛，施金志

(1.国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.西安交通大学，陕西 西安710049)

0 引言

当电网发生漏电或者人身触电时，需要及时切断电源，但是由于电网中的自动开关、熔断器等设备的整定值都在几十、上百甚至上千安培，而一般触电电流的大小都在毫安级别(50 mA的工频电流就足以对人的生命造成威胁)，这样的电流不足以使自动开关、熔断器等设备发生动作。因此，就需要相应的设备对人身触电进行防护。而剩余电流保护器，简称为RCD(Residual Current Device)，又产以及系统的安全受到严重的威胁。 称漏电保护器，当人身触电时能快速切除故障，保障人身安全。但是，由于电网中存在各种干扰因素如谐波、三相不平衡、过电压、过电流等等[1-9]，使RCD产生误动作。误动作不仅会导致大范围的供电中断，降低供电的可靠性，还可能使人的生命、财产以及系统的安全受到严重威胁。

虽然配电网采取了许多措施，但是三相不平衡的现象还是普遍存在的[10-12]。研究表明，三相不平衡对剩余流保护器的动作特性有一定的影响，文献[13]分析了电网不平衡漏电流与人体触电电流间的相位角对漏电保护器灵敏性的影响；文献[14～15]分析了漏阻抗对剩余电流保护器的影响；文献[16]研究了谐波与三相不平衡对于剩余电流保护器误动的影响；文献[17]分析了三相不平衡对于RCD动作整定值设定的影响。该文综合考虑了三相阻抗、漏阻抗及负荷的不平衡性，通过建立漏电流仿真模型，研究了阻抗、负荷及其不平衡度等综合因素与漏电流的关系。结果表明，三相不平衡负荷是引起剩余电流保护器误动的主要原因之一，为解决剩余电流保护器误动问题提供了理论依据。

1 三相不平衡对剩余电流保护器误动的影响

考虑配电网三相线路阻抗、漏阻抗及负荷的不平衡，建立漏电流仿真模型如图1所示。

图1 配电网三相不平衡系统漏电流仿真模型

(1)

(2)

由(1)可得通过剩余电流保护器的漏电流：

(3)

由(3)式可见，通过剩余电流保护器的漏电流不仅仅取决于三相不平衡漏电流、零线漏电流的幅值，还与二者之间的相位差有关。

=IΔLcosθa1-IΔ0cosθa2+jIΔLsinθa1-jIΔ0sinθa2

(4)

(5)

(6)

由(6)式得剩余电流保护器的临界动作条件为：

(7)

根据配电网理论，在实际系统中，由于各种因素使三相系统产生不同程度的不平衡度，IΔ0≠0。当IΔ0过大时，会导致动作电流过大。此时，即使系统未发生人身触电事故，RCD也会跳开，即RCD发生误动。当三相不平衡程度较严重时，甚至会导致RCD无法正常投运。以阿克苏地区拜城县10 kV 政府开闭站电网为例，研究配电网三相不平衡对RCD的影响。

2 低压配电网三相不平衡系统漏电流分析

2.1 低压配电网三相不平衡系统漏电流仿真模型

基于阿克苏地区拜城县10 kV 政府开闭站电网，建立模型[18]如图2所示。

图2 低压配电网三相不平衡系统漏电流仿真模型

康镇二线采用ZR-YJV-10 kV-3*240铜缆。根据IEEE Std 80-2000建议将人体的等值阻抗设置为1000 Ω。

2.2 三相不平衡对剩余电流保护器的影响

2.2.1 三相阻抗不平衡对剩余电流保护器的影响

为研究三相阻抗不平衡对剩余电流的影响，设置三相阻抗如表1所示。

表1 几种不同的三相不平衡线路阻抗

其中：ZLA，ZLB，ZLC分别为A，B，C三相阻抗。

为了便于描述，定义三相阻抗不平衡度为：

(8)

其中：IΔLmax和IΔLmin分别表示最大和最小的相线电流。

在表1所示的三相阻抗及2.55 kW的三相平衡负荷下，三相阻抗不平衡度与漏电流及中线电流如表2所示。

表2 三相线路阻抗不平衡度与漏电流

由表2可以看出，漏电流随着三相阻抗不平衡度的增加而增加。但漏电流较小，仅为微安级，而一般户保剩余电流保护器的整定值为30 mA。这说明低压配电网三相阻抗不平衡不会导致剩余电流保护器误动。

2.2.2 三相不平衡漏阻抗对剩余电流保护器的影响

设置配电网三相漏阻抗如表3所示。

表3 几种不同的三相不平衡漏阻抗

定义三相漏阻抗不平衡度η：

(9)

其中：IΔρmax和IΔρmin分别表示最大和最小的相漏电流。

在表3所示的三相漏阻抗及2.55 kW三相平衡负荷下，三相漏阻抗不平衡度与各相漏电流如表4所示。

表4 三相漏阻抗不平衡度与漏电流值

由表4可知，随着三相漏阻抗不平衡度的增加，漏电流也在增大，但漏电流仍处于一个较低的水平(微安级)，也不足以使RCD发生误动。但由于三相漏电流是由寄生电容引起的，当线路中出现高次谐波时，寄生电容的影响会加重；此外当线路的工作环境温、湿度条件较为恶劣时，也会对漏电流产生较大的影响。限于篇幅，这个问题以后研究。

2.3 三相负荷不平衡对剩余电流保护器的影响

三相负荷如表5所示。

表5 几种不同的三相负荷

定义三相负荷不平衡度:

(10)

其中：Iρmax和Iρmin分别表示最大和最小的相电流有效值。

在表5所示三相负荷下的相电流、漏电流如表6所示。同时，图3也示出了三相不平衡度与漏电流的关系。其中IA，IB，IC，I0分别表示A，B，C三相线及中性线上的电流值。

表6 三相负荷不平衡度与漏电流

由表6和图3可知，随着三相负荷不平衡度的增加，中性线电流及漏电流都在增大。当三相负荷不平衡度达到24.71 %时，相电流仅差0.75 A，但漏电流达到了28.43 mA，已接近了户保剩余电流保护器30 mA的动作电流；当不平衡度为33.13 %，漏电流达到了42.94 mA，已足以使户保剩余电流保护器动作；特别地，当系统缺相运行时，漏电流值分别已达到344.97 mA和172.65 mA，不仅达到了户保、也达到了中保甚至总保的动作电流。可见，三相负荷不平衡度对于漏电流的影响较大，极大增加了剩余电流保护器误动的几率。

图3 漏电流大小与三相负荷不平衡度的关系

由于实际电网中三相负荷的随机性大，尤其在夏季等用电高峰期，用电负荷高，对剩余电流保护器的影响更大。三相负荷如表7所示，该负荷下的漏电流如表8所示。

表7 几种不同的三相负荷

表8 高负荷下三相负荷不平衡度与漏电流

由表8可以看出，三相负荷增大，漏电流值显著增大。当负荷不平衡度为24.94 %时，漏电流为57.50 mA，较表6在相同不平衡度下的漏电流增加了约200 %。三相负荷越高，漏电流越大，剩余电流保护器的误动几率也增大。

3 结论

该文通过建立低压配电网三相不平衡系统漏电流仿真模型，综合考虑了低压配电网三相不平衡线路阻抗、线路漏阻抗及负荷等对剩余电流保护器误动的影响。研究表明，三相线路阻抗和三相线路漏阻抗不平衡产生的漏电流很小，对剩余电流保护器的影响也很小；三相负荷及其不平衡度对剩余电流保护器影响很大，不平衡度越大，漏电流越大。三相负荷及其不平衡度是引起剩余电流保护器误动作的主要原因之一。