TN-C-S系统双突变量电流分离漏电保护方法

梁 栋，王 玮，孙中玉，徐丙垠，翟国亮

TN-C-S系统双突变量电流分离漏电保护方法

梁 栋1，王 玮1，孙中玉2，徐丙垠1，翟国亮1

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000；2.山东大学电气工程学院，山东 济南 250000)

针对低压配网TN-C-S系统固有剩余电流大、多级剩余电流漏电保护难以投入的问题，提出一种基于剩余电流和不平衡电流突变向量的电流分离漏电保护方法。首先，分析TN-C-S系统剩余电流成分，提出负荷投切不影响剩余电流向量与不平衡电流向量之比，而单相接地故障发生时刻会导致值突变。其次，利用低压配网负荷投切频繁的特点连续更新值，实时计算系统漏电流突变幅值，以漏电流突变幅值越限作为故障判据。仿真和实测数据表明，所提方法对50 mA以上漏电故障的正确识别率达99%以上，变压器出口处可靠动作阈值可低至70 mA，能够满足TN-C-S系统多级漏电保护的灵敏度要求。

漏电保护；电流分离；剩余电流；不平衡电流；双突变量

0 引言

国家统计局有关数据显示，中国每年因触电死亡的人数约8000人，年用电量与触电死亡人数比约8亿kWh/人，相比美国的每年约400人和100亿kWh/人还有较大差距。超过85%的触电事故发生在低压配网，因此，提高低压配网漏电保护能力是减少触电事故的重要途径[1-2]。

目前国内外主要采用剩余电流保护装置(ResidualCurrent protection Device, RCD)实现漏电保护。国际电工标准IEC 60364-5-53规定，TT系统电源进线处必须装设RCD[3]；TN系统电源进线处也应装设，用以切断电弧性接地故障。我国国家标准GB/T 13955-2017《剩余电流动作保护装置安装与运行》规定，低压配电线路应装设分级剩余电流保护[4]。

现有RCD普遍采用基于剩余电流幅值的保护原理，即幅值比较法[5-9]。从基本原理上，该方法适用于正常工作时近似完全封闭的系统，即正常工作电流完全经由相线和零线返回电源中性点。然而实际系统中，线路和用电器存在对地电容和电导，会产生一部分固有剩余电流。在我国当前大量新建或由旧系统改造的TN-C-S接地系统中，除电源侧系统接地外，还存在负荷侧保护接地，也会产生固有剩余电流[10]。幅值比较法判据需要躲过正常运行时的固有剩余电流，不可避免地会存在保护死区，因此仅适用于固有剩余电流小的TT系统和TN-S系统[11]。

近年来，为克服固有剩余电流的影响，提高触电保护的灵敏度，电流脉冲法、鉴相鉴幅法[12-13]、电流分离法相继被提出。电流脉冲法利用剩余电流幅值的突变量进行判断，由于故障电流相角的随机性，同样存在较大的保护死区。鉴相鉴幅法同时利用剩余电流幅值和相角的突变量进行判断，计算复杂，在实际应用中存在保护误动和拒动现象，保护效果并不理想。电流分离法主要基于生物体触电时的暂态和稳态特性，从剩余电流中将触电电流分离出来，根据触电电流进行动作判定从而消除保护死区。电流分离法是目前触电保护的主流研究方法，部分学者提出了基于小波分析和神经网络[14-15]、小波包分析和混沌理论[16]、BRF-FNN[17]、支持向量机[18]、希尔伯特-黄变换[19]、半波真有效值[20]、循环谱和聚类分析[21]、奇异值差分谱熵复杂度[22]、椭圆域分割[23]等触电电流分离方法，但尚无一种方法能够确保其保护效果的普适性。

在低压配网尤其是农村配网中，还普遍存在RCD安装不规范、接地点设置错误、末级保护人为关闭等现象，同时各种电力电子设备的使用也使得固有剩余电流谐波特征越发复杂[24-28]，使得依靠剩余电流幅值、相角或者时频特征的漏电保护方法难以满足应用需求。

目前的漏电保护方法研究过多注重数学工具的应用，在保护基本原理上挖掘不够深入，方法可操作性也没有达到足够实用的程度。故本研究针对单一重复接地点TN-C-S系统的漏电回路进行了分析，研究了接地故障发生前后电源进线处电流变化情况，根据电流的突变关系构建了一种原理上足够可靠的漏电保护方法，为未来相关研究提供新的思路和方向。

1 TN-C-S系统漏保无法投入原因分析

理想的TN-C-S系统及其三相剩余电流保护如图1虚线框以外部分所示，除变压器处接地外，线路上还存在重复接地点P1。总保护(简称总保)的保护范围为一个台区，由于RCD原理限制，变压器出口处不能安装总保，只进行短路过流保护；中级保护(简称中保)保护一栋或多栋建筑，一般安装在建筑物的重复保护接地点之后，动作定值以30 mA、50 mA、100 mA为标准；末级保护(简称末保)为住宅配电保护(户保)或单台用电设备的保护，动作阈值不高于30 mA，特别潮湿的场所动作值不高于6 mA。

图1 TN-C-S系统原理图

然而在实际TN-C-S系统中，总保无法正常投入。除中保与总保之间存在接地点外(如图1的P1处)，由于线路结构复杂、安装不规范等因素，中保与末保之间存在重复接地点的现象十分普遍(如图1的P2处)，这类中保也无法投入。为分析中保、总保无法投入的原因，给定以下简化场景。

1) 变压器仅有1条出线，且线路中无分支线路。

2) 线路中共有两处接地，一为变压器中性点，二为负荷处零线(对应图1中接地点P2)，此时变压器出口处保护既是总保也是中保。

3) 线路利用T模型进行描述。

图2所示电路结构具有一定的对称性，但在低压配网中三相线路和零线参数对称性差，三相负荷随机性强，因此以对称分量法转化为序分量并不能有效降低问题的复杂度。为进一步分析，对图2所示电路进行简化。

图2 TN-C-S系统等效电路

对变压器中性点O作KCL分析易知，剩余电流为

又有

式中：为三相线路和负荷的正常漏电流；为由重复接地点流入大地的泄漏电流；为正常运行时的固有剩余电流。

整理得

式中，是一个常复系数。

2 双突变量电流分离原理

由式(5)、式(6)可知，故障前剩余电流为

故障后剩余电流为

则故障前后的剩余电流突变量为

由式(8)、式(14)可见，若接地点接地阻抗和零线阻抗为确定值，且区内无接地故障，则有

基于以上分析，可得出一种利用剩余电流和不平衡电流两个突变量的漏电保护方法，其基本构成和故障判定方法如下：

1) 按式(15)实时计算并更新复常系数；

这种利用剩余电流和不平衡电流两个突变量进行保护的方法，即为双突变量电流分离漏电保护方法，简称双突变量法(Double Mutation Method, DMM)。

值得一提的是，在以上分析中，并不涉及剩余电流和不平衡电流的相位，当测量的基准相位转过相角时，由式(15)易知，计算值不变，式(14)变为

3 双突变量漏电保护算法

3) 首次计算值时，系统中无故障。

构建如图4所示的双突变量保护算法。

算法以一个工频周期为时间步长，逻辑如下。

1) 算法首次运行时，状态标志量=0，默认为无故障，进入值计算步骤。

3)维持0值，直至值完成首次更新后，值变为1。

由式(17)可知，不平衡电流幅值越小，测量误差对M值计算的影响越大，尤其当趋于0时，计算的M值将完全不可信。因此，需要设置最小有效测量阈值，以保证M值及后续计算的可信性。

4 仿真和试验验证

4.1 仿真

剩余电流相量幅值、相角随负荷和故障的突变情况如图5所示，由图5(a)可见，正常情况下，负荷的突变可导致剩余电流幅值产生0～20 A的突变以及任意相角的突变。

图5 仿真剩余电流相量幅值、相角突变分布

在幅值方面，负荷投切对剩余电流幅值的影响远远超过漏电保护所要求的30～100 mA，传统阈值方法失效。

在幅值突变量方面，故障造成的剩余电流幅值突变远小于负荷投切造成的剩余电流幅值突变，即剩余电流幅值突变量无法判断故障的存在性，则电流脉冲法失效。

在相角突变量方面，负荷投切可造成任意相角的剩余电流突变，故障造成的剩余电流相角突变与负荷投切无法区分，即剩余电流突变相角不能用于故障判定。综上，分析剩余电流幅值突变量和相角突变量可知，利用剩余电流相量突变量进行故障判别的鉴相鉴幅法的可靠性不足。

从剩余电流突变波形来看，阻性负荷投切可造成与故障极其相似的波形变化，因此基于剩余电流波形突变特征识别的小波分析、人工智能等方法难以应用。

图6 典型故障电流计算幅值分布

在该组仿真中，当故障过渡电阻为7333W时，实际故障电流约30 mA，其计算值中值为19 mA；当故障过渡电阻为4400W时，实际故障电流约50 mA，其计算值中值为31 mA；当故障过渡电阻为2200W时，实际故障电流约为100 mA，其计算值中值为62 mA。故障电流计算值约为实际值的60%。

表1 仿真故障电流幅值分布统计

注：NC表示无故障，7333W、4400W、2200W分别表示投入的故障阻值。

4.2 实验室仿真系统试验

在实验室环境中搭建封闭试验系统进行试验，以验证方法的可行性。为确保安全性以及参数的可控性，按图7所示电路搭建封闭的试验环境，以100 kW三相可调负荷的随机投切模拟线路负荷变化情况。

图7 试验电路

负荷投切造成的突变量约为150 mA，故障投入造成的剩余电流幅值突变约为33 mA，同时故障投入的相位变化、波形特征与负荷投切没有显著差异。幅值比较方法、电流脉冲方法、鉴相鉴幅方法或基于波形特征识别的电流分离方法均无法可靠完成故障检测。

图8 典型实测波形

图9 剩余电流实测幅值和DMM计算故障电流幅值

表2 实测故障检出次数占比

4.3 实境试验

根据实测结果，B1楼不平衡电流和剩余电流中均包含大量谐波成分，不平衡电流真有效值大多在50 A以上且有约30 A的波动。图10测量时段内，不平衡电流工频分量幅值约5～10 A，剩余电流中工频分量幅值约1.6～2.4 A。

图10 典型B1楼实测结果

图11 K6异常突变处不平衡电流和剩余电流波形

5 结语

本文针对TN-C-S系统固有剩余电流幅值较大、漏电保护难以投入使用的问题，提出了基于剩余电流和不平衡电流测量的DMM漏电保护方法，能够克服固有剩余电流对漏电保护的影响，实现大幅值固有剩余电流下单一重复接地点系统的高灵敏度漏电保护。仿真结果表明，所提方法对接地电流30 mA的故障正确识别率可达约97%，50 mA以上故障正确识别率可达99%。实验室环境中，保证不发生误动作条件下，过渡电阻小于6.67 kW故障的正确识别率为100%，10 kW故障正确识别率可达93.3%。两栋楼的实境试验结果表明，DMM方法能够有效克服固有剩余电流的影响，具备最高约70 mA的保护灵敏度，满足三级漏电保护对总保和中保动作电流的要求。

DMM方法利用的是漏电故障的工频阻抗特性，而不依赖生物体触电独有的暂态和时变特征，相比目前基于剩余电流测量的其他漏电保护方法，在检测原理上更加完备，因此DMM方法的可靠性和普适性更强。

本文仅对DMM方法原理及可行性进行了初步探索，实际应用中固有剩余电流连续缓慢变化、整条分支线路的投切、分布式电源、非线性负荷、生物体触电暂态过程、串并联电弧故障等对故障检测的影响尚未完全明晰。后续将在TN-C-S系统保护灵敏度和可靠性、多级保护配合、潜伏性故障辨识、线路绝缘监测等方面对DMM方法继续进行深入研究，推动方法实用化。

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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 ‘amplitude 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 栋(1988—)，男，博士，讲师，研究方向为电力线路故障行波测距、配电线路故障检测；E-mail: greache@ foxmail.com

王 玮(1983—)，男，博士研究生，副教授，研究方向为配电线路故障检测技术；E-mail: wwsdut@163.com

孙中玉(1996—)，男，博士研究生，研究方向为电力线路故障监测。E-mail: sun_zy@163.com

国家自然科学基金项目资助(52077221)

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

(编辑 许 威)