基于双端剩余电流突变量的漏电保护方法

周超群，陈先凯，盖午阳，刘术波，薛永端

（1.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东省 青岛市 266000；2.中国石油大学（华东）新能源学院，山东省 青岛市 266580）

0 引言

0.4 kV低压配电系统点多面广，深入居民密集区，其结构纵横交错、设备种类繁多、用户需求多样，存在较多漏电故障隐患[1-3]。漏电故障极易引起人身触电和电气火灾事故，造成严重的生命财产损失[4-6]。目前应用较为广泛的剩余电流过流保护方法，可靠性差、灵敏度低、需要延时配合，难以起到预期的保护效果，实际投运率并不高[7-9]。为实现漏电故障的准确检测和快速切除，切实保障居民的用电安全，亟需提出更加安全有效的保护方法。

近年来，国内外学者对漏电保护技术进行了大量研究，涌现出诸多新方法、新技术。文献[10]研究了鉴幅鉴相式保护方法，可减少剩余电流过流保护的动作死区，但仍较易误动。文献[11]对漏电电流变化情况进行分析，提出基于浮动阈值的自适应漏电保护方法，但整定过程较为复杂。文献[12]提出一种基于近似熵的触电特征快速检测方法，可缩短触电特征检测时间，但计算较为困难。文献[13]提出基于局部均值分解的触电故障信号瞬时参数提取方法，可用于生物体触电总泄漏电流信号的特性分析和瞬时参数的提取，但对采样精度要求较高。文献[14]利用计算得到的标度指数的变化趋势实现触电特征检测，但实用性尚待进一步完善。此外，还有基于触发角识别[15]、漏电阻抗[16]、混沌理论[17]等方法。上述保护方法多利用单端（就地）电气量，信息利用不够充分。作为新时期电网建设的风向标，配电物联网的高速发展与应用给利用多端信息的保护方法提供了便利条件，为解决现有低压配电系统漏电保护问题提供了新契机[18-19]。

文中建立了低压配电系统模型，通过分析低压配电线路单相漏电特征，结合新兴的配电物联网技术，提出了一种基于双端剩余电流突变量的新型漏电保护方法，给出了方法运行流程并将其与传统剩余电流保护方法进行了性能比较，并利用仿真和试验进行了验证。

1 低压配电系统单相漏电故障特征分析

1.1 低压配电系统等值模型

典型低压配电系统等值模型如图1所示。图1中：L1为被保护区段，设其A相发生漏电故障，L2为L1所有下级出线的等效线路；S1、M1分别为安装在L1首、末端的剩余电流监测终端；K1、K2分别为区内、区外漏电故障触发开关；分别为A、B、C三相电压；r1、r2分别为L1、L2单相对地绝缘电阻；C1、C2分别为L1、L2单相对地电容；RT、Rf分别为变压器中性点接地电阻、故障漏电电阻；为故障点漏电电流；分别为流经L1、L2固有对地阻抗的电流；为由末端负载杂散漏电等因素产生的下游泄漏电流；为与之和，即正常运行时L1下游总泄漏电流。当三相对地绝缘平衡时，为0，否则不为0。

图1 低压配电系统等值模型Fig.1 Equivalent model of LV(low voltage)distribution system

设S1、M1所测剩余电流分别为二者突变量分别为突变量为。由于线路固有对地阻抗较大且变化较缓慢，故突变量较小，可忽略不计，因此主要由及产生。

1.2 低压配电系统单相漏电故障特征

由于低压配电系统拓扑结构和负荷等变化缓慢，因此对图1系统，无故障发生时，有：

因此：

发生L1区内故障时，有：

发生L2区内故障时，有：

因此：

分析式（2）、（4）、（6）可知：对被保护区段L1，无漏电故障发生时，首、末端剩余电流突变量相同；发生区内单相漏电故障时，首端突变量约为，其值与故障电阻大小有关，阻值越小，漏电电流越大，则突变量越大，末端突变量约为0；发生下游区外单相漏电故障时，首、末端突变量均约为。3种情形下被保护区段双端剩余电流突变情况各不相同，区别明显，因此可将双端剩余电流突变量作为漏电故障的判据。

2 基于双端剩余电流突变量的漏电保护

2.1 保护原理与整定

如图1所示，利用监测终端实时测量被保护区段双端剩余电流，并将所测双端剩余电流相量值分别与各自整数周波前的相量值相减，得到突变量、，利用二者幅值构造保护方法的综合判据。其中：利用判断是否有漏电故障发生，利用判断漏电故障是否发生在区内。方法具体保护原理为：若达到首端整定阈值且未达到末端整定阈值，则判定发生区内漏电故障，保护动作；否则判定为无区内漏电故障发生，保护不动作。保护的动作条件为

式中：Iset1、Iset2分别为首、末端整定阈值。考虑测量误差等因素的影响，兼顾保护的可靠性和灵敏性，由下式整定Iset1及Iset2：

式中：Krel为可靠系数，取值为2；IZmax为无故障时被保护区段泄漏电流的最大值，一般取10 mA；Id1、Id2为直流偏置量，分别取10 mA、50 mA。因此Iset1、Iset2分别取30 mA、50 mA。

2.2 保护方法基于配电物联网平台的实现

配电物联网是电力物联网与智能电网在配电领域深度融合的产物。基于配电物联网平台提供的边缘计算[20]、智能感知[21]、信息存储、设备互联等关键技术条件，通过设备的即插即用和远程控制，可实现更加安全化、自动化、信息化、智能化的漏电保护。基于配电物联网的低压配电系统架构可由图2表示。图2中：S1～Sn、S1-1～S1-n、M1～Mn、M1-1～M1-n为剩余电流监测终端，虚线表示设备通信。设备之间的信息交换利用配电物联网提供的有线或无线通信条件实现。

图2 基于配电物联网的低压配电系统架构Fig.2 LV distribution system architecture based on distribution internet of things

基于配电物联网平台的双端剩余电流突变量漏电保护方法运行流程如图3所示，具体运行流程如下。

图3 基于配电物联网平台的保护方法运行流程Fig.3 Operation process of the method in this paper based on distribution internet of things platform

1）在被保护区段首、末端安装智能监测终端，实时测量双端剩余电流相量信息，并计算剩余电流突变量幅值（真有效值）。

2）被保护区段双端终端实时比较各自突变量幅值与对应整定值。

3）当末端终端检测到末端突变量幅值越限时，立即持续将越限信息报送至首端终端。

4）当首端终端检测到首端突变量幅值越限时，立即开启一个时长为数个周波的时间窗口，等待末端终端向其发送越限信息。

5）在时间窗口内，若首端终端未收到末端终端上报的越限信息，则判断发生区内漏电故障，立即控制保护装置动作，切除故障区段；否则保护返回。

该方法原理类似于闭锁保护，在首端突变量越限时，若其收到末端越限信号，则保护闭锁，否则保护动作，因此该方法不需实现精确对时。当存在通信故障时，可将保护方案调整为传统多级保护。

3 与传统单端漏电保护方法的性能比较

1）可靠性。由于低压配电线路不平衡电容电流及末端设备杂散泄漏电流的存在，线路首端剩余电流监测装置总会检测到一定数值的剩余电流，即线路本身对地不平衡泄漏电流与下游正常泄漏电流之和，由于，故为影响保护可靠性的主要因素。

图4 文中方法与传统方法动作特性对比Fig.4 Comparison of action characteristics between the method in this paper and traditional method

2）选择性。传统单端漏电保护采用多级保护配合的方式实现选择性，但多级保护的整定配合存在一定困难，若配合不当，易发生越级跳闸事故，扩大停电范围。应用文中方法时可采用分段保护方式，自然保证了保护的选择性，可提高系统供电连续性，缩小停电范围，减少停电事故造成的经济损失和不良影响。例如在图2所示系统中，分支线1-1发生故障时，采用传统保护需实现多级配合，若配合不当导致干线1保护越级动作，会扩大停电范围；采用文中保护不需多级配合，由分支线1-1的保护直接动作，保证选择性。

3）速动性。传统单端漏电保护中各级保护装置的动作时间必须协调配合，上、下级保护装置的动作时间差不得低于0.2 s。这延长了漏电持续时间，无法及时消除漏电隐患，增大了人身触电和发生电气火灾的可能性。文中方法采用分段保护方式，不需要多级延时配合，其动作时长主要取决于数据计算和信息传输时间，一般小于0.2 s[22]。因此，相比传统保护方法，文中方法大幅提高了保护的速动性，可迅速切除故障，及时终止对触电者的伤害，降低漏电故障的危险性。例如在图2所示系统中，采用传统保护时，其中级保护和一级保护的延时时间分别为0.2 s、0.4 s；采用文中保护时，动作时间一般小于0.2 s。

4）灵敏性。为克服正常运行时线路下游泄漏电流的影响，传统漏电保护的整定电流值较高，总保一般为500 mA，中保一般为200～300 mA，这就导致其灵敏性较差，难以有效判别高阻漏电故障。漏电故障多表现为高阻故障，因此传统方法难以起到理想保护作用。根据第2.1节，文中方法的首端整定阈值Iset1仅为30 mA，远低于传统方法的整定值，因此其保护灵敏性得以大幅提高，在漏电电阻较高时仍具有较好的故障判别能力。相电压取220 V时，其理论耐高阻能力可达220 V/30 mA=7.3 kΩ。

4 仿真及试验录波数据验证

4.1 仿真验证

4.1.1 仿真模型

利用MATLAB建立0.4 kV低压配电系统仿真模型，如图5所示。图中S1～S7、M1～M7为剩余电流监测终端，F1、F2分别为位于L1、L2中间位置的故障点，仿真参数如表1所示。针对不同接地系统分别进行仿真，故障时刻为0.02 s，仿真时长为0.08 s。

表1 仿真模型参数Table 1 Simulation model parameters

图5 低压配电系统仿真模型Fig.5 Simulation model of LV distribution system

4.1.2 TT系统仿真

设置系统接地方式为TT方式。设置故障点为F1，故障相为A相，故障电阻为2 kΩ，所得L1双端剩余电流突变量波形如图6所示。

图6 F1故障点2 kΩ A相漏电故障时L1双端剩余电流突变量Fig.6 Mutations of residual current at both ends of L1 when 2 kΩ A-phase leakage fault occurs in F1

由图6可知，故障前L1双端剩余电流突变量均较小，接近于0；故障后首端突变量迅速增大，末端突变量仍较小，这与第1.2节结论一致。经测量，故障前首、末端剩余电流突变量幅值均为0，即不满足保护动作条件；故障后二者分别为109.96 mA、0.23 mA，即保护动作。因此文中方法在无区内故障时不会误动，发生区内故障时可靠动作。

设置故障点为F2，其他条件不变，所得L1双端剩余电流突变量波形如图7所示。

图7 F2故障点2 kΩ A相漏电故障时 L1 双端剩余电流突变量Fig.7 Mutations of residual current at both ends of L1 when 2 kΩ A-phase leakage fault occurs in F2

由图7可知，故障前L1双端剩余电流突变量均很小，接近于0；故障后二者均迅速增大，这与第1.2节结论一致。经测量，故障前首、末端剩余电流突变量幅值均为0，即不满足保护动作条件；故障后二者分别为103.94 mA、104.02 mA，即不满足保护动作条件。因此文中方法在发生下游区外故障时不会误动。

为进一步验证方法的有效性，设置不同故障点和故障电阻，故障相为A相，实施大量仿真，部分结果如表2所示。

表2 TT系统不同情形下的仿真结果Table 2 Simulation results under different conditions of TT system

续表

仿真结果表明：该方法对TT系统不同情形下的阻性漏电故障均具有较好的判别能力，且可实现高阻漏电故障的有效保护。

4.2 现场录波数据验证

利用试验故障录波数据对算法进行了验证。图8为试验所用0.4 kV低压配电试验系统结构，系统接地方式为TT方式。图中S1～S3、M1～M3为剩余电流监测终端，F1、F2分别为位于L1、L2中间位置的故障点，故障时刻为0.09 s，L1下游正常泄漏电流为70 mA。

图8 0.4 kV低压配电试验系统结构Fig.8 Structure of 0.4 kV LV distribution test system

设置故障点为F1，故障相为A相，故障电阻为1.1 kΩ，进行试验，S1、M1所测原始剩余电流波形如图9所示。

将所测剩余电流相量与其各自5个周波前的相量值相减（故障后5个周波剩余电流达到稳定），所得L1首末端剩余电流突变量波形如图10所示。

经测量，故障前L1首、末端剩余电流突变量幅值分别为11.20 mA、11.16 mA，即不满足保护动作条件；发生故障且稳定后二者分别为187.97 mA、10.54 mA，即保护动作。

设置故障点为F2，故障相为A相，故障电阻为1.1 kΩ，进行试验，S1、M1所测原始剩余电流波形如图11所示。

图11 F2故障点1.1 kΩ A相漏电故障时S1、M1所测剩余电流Fig.11 Residual current measured by S1 and M1 when 1.1 kΩ A-phase leakage fault occurs in F2

将所测剩余电流相量与其各自5个周波前的相量值相减，所得L1首末端剩余电流突变量波形如图12所示。

图12 F2故障点1.1 kΩ A相漏电故障时L1双端剩余电流突变量Fig.12 Mutations of residual current at both ends of L1 when 1.1 kΩ A-phase leakage fault occurs in F2

经测量，故障前L1首、末端剩余电流突变量幅值分别为7.56 mA、7.27 mA，即不满足保护动作条件；发生故障且稳定后二者分别为183.79 mA、183.86 mA，即不满足保护动作条件。

为进一步验证方法的有效性，设置不同故障点和故障电阻，故障相为A相，部分结果如表3所示。

表3 TT系统不同情形下的试验结果Table 3 Test results under different conditions of TT system

试验结果表明，该方法对TT系统不同情形下的阻性漏电故障均具有较好的判别能力。

同时进行了间歇性电弧接地故障录波试验，设置故障点为F1，所得L1首末端剩余电流突变量波形如图13所示。

图13 F1故障点间歇性电弧接地故障时L1双端剩余电流突变量Fig.13 Mutations of residual current at both ends of L1 when intermittent arc grounding fault occurs in F1

5 结论

针对传统单端漏电保护方法的局限性，文中提出一种基于双端剩余电流突变量的漏电保护方法，将被保护区段双端剩余电流突变量幅值作为综合保护判据，可充分利用故障时电气量信息，有效克服传统方法的缺陷，提高漏电保护的可靠性。与传统单端漏电保护方法相比，文中方法可依托配电物联网提供的便捷条件，实现更加安全智能的漏电保护；可减少保护误动和拒动，可靠性高；避免多级保护配合，选择性高，动作速度快；动作阈值低，高阻漏电故障判别能力强，灵敏性好。文中方法为新型漏电保护方法与技术的研究提供了新思路。