消除剩余电流动作继电器的动作死区研究

消除剩余电流动作继电器的动作死区研究

王俊吉

南京机电职业技术学院  南京市栖霞区  211306

摘  要

剩余电流断路器可以在检测到线路中存在漏电故障、产生漏电电流时，将供电线路断开，从而达到对设备和人身安全的保护，是防止剩余电流危害用电系统及人身和财产安全的最有效的办法。近年来，我国经济迅猛发展，用电量激增，用电安全也越来越被人们所重视，对剩余电流断路器的智能化程度也有了越来越高的要求。

本文在对普通的剩余电流保护原理进行分析的基础上，经过理论分析揭示了漏电动作死区存在的原因，并找到了使用剩余电流有效值和剩余电流变化量相结合的方法来消除漏电动作死区以实现更加完善的漏电保护功能。

1引言

通常剩余电流保护器（RCD）是保护电力系统配电网络和用电设备免受剩余电流故障危害的防护电器。本文所指的剩余电流断路器是一种安装在电网末端的保护装置，安装剩余电流断路器可以有效地防止人身触电事故的发生，也可以有效地防止因漏电引起的电气火灾和电气设备损坏事故。剩余电流断路器可以在检测到线路中存在漏电故障、产生漏电电流时，将线路断开，从而达到对设备和人身安全的保护，是防止剩余电流危害用电系统及人和财产安全的最有效的办法。传统剩余电流断路器广泛采用剩余电流动作保护技术实现漏电保护，其基本工作原理是：通过剩余电流互感器检测线路中的剩余电流，当剩余电流值大于动作整定值时，认为线路中出现漏电故障，断路器分闸，及时停止线路的供电，从而保护用电人员的人身财产安全。若线路中本身存在一定的剩余电流且幅值小于剩余电流断路器的动作阈值，这种保护方法就会存在漏电动作死区，无法正确检测的漏电信号，因此消除漏电动作死区是传统剩余电流断路器智能化的步骤之一。

2剩余电流断路器工作原理

剩余电流是指通过线路所有电流的矢量和。将 ABCN 相线路穿过剩余电流互感器，在正常情况下，线路中的电流矢量和为零，即

=0                           

此时，每相线路的电流都会在剩余电流互感器的铁芯中产生的相应的磁通，      

正常工作的线路产生的磁通矢量和也为零，即

因此，互感器二次侧感应电流为零。当线路发生人身触电或者设备漏电故障时，会有电流经过人体或接地电阻流入大地，使得互感器一次侧的电流矢量和不为零。

0                          

在剩余电流互感器的铁芯中产生的磁芯中磁通矢量和也不为零

因此，互感器二次侧产生感应电流，感应电流经过采样电阻，将电流信号转换为电压信号；通过运算放大器将该电压信号调整到合适的电压值；由控制器对放大后的电压信号采集，计算出对应的真实剩余电流值；若剩余电流大于设定的阈值，控制器件向脱扣器发出脱扣指令，断路器分闸，保护用电人员的人身财产安全。

3 剩余电流保护存在的问题及其解决方法

3.1 漏电动作死区产生原因

传统断路器普遍采用检测线路中的剩余电流的方法实现漏电保护，由于剩余电流互感器感应到二次侧的是线路中的剩余电流，而并非是实际漏电值，若线路中本身存在一定的剩余电流且幅值小于剩余电流断路器的动作阈值，按照检测剩余电流的大小进行漏电保护就会存在漏电动作死区。

如图2.1所示，对于剩余电流阈值为Iy的断路器，其剩余电流保护特性为实心圆。假设正常运行的线路本身带有的漏电电流为I1，当发生人身触电或设备故障时产生的漏电电流是I2，此时剩余电流为两个漏电电流的矢量和为I=I1+I2。由于系统本身漏电的影响，使得故障漏电保护特性发生了偏移，I1方向和大小不同，故障保护特性发生偏移的方向和大小也不同。

由线路漏电电流I1和故障漏电电流I2合成的剩余电流I在剩余电流保护特性内，它在剩余电流保护特性圆内，所以当发生电流为I2的漏电故障时断路器不会动作。只有故障漏电电流大于I2’，剩余电流I’在保护特性圆外时，剩余电流断路器才认为存在漏电故障。因此如果漏电电流在I2和I2’之间，本应保护的漏电故障却误以为在安全范围内而没有保护，由这样的漏电电流组成的区域为故障漏电动作死区，如图2.1阴影部分所示。

剩余电流是否落在漏电动作死区内与实际漏电电流的大小和方向有关。故障漏电保护特性和剩余电流保护特性存在两个交点，分别将这两个交点与线路本身漏电I1连接，连线与线路本身漏电I1的夹角定义为β。因此，当发生漏电故障时，故障漏电电流与线路本身漏电电流夹角α在(β,2π-β)内时，剩余电流可能落在故障漏电死区内。β的大小与线路本身漏电电流I1和断路器的漏电动作阈值Iy有关，关系如下

因此，

          ）                      

本章首先介绍剩余电流检测原理，对漏电动作死区进行说明，提出消除漏电动作死区的理论方法。然后对合闸前配电线路进行建模分析，提出一种断路器合闸前线路故障检测技术，并通过仿真分析证实该方法的有效性。

综上可知，当线路本身存在一定正常漏电时，通过检测剩余电流幅值来实现对故障漏电的保护总会出现故障漏电动作死区，因此需要消除或减小线路本身漏电对漏电故障检测的影响。

3.2 漏电动作死区消除原理

要实现漏电动作无死区，必须计算出实际故障漏电电流的大小，由于互感器直接感应到的是线路的剩余电流，因此可用剩余电流的变化量来间接表示故障漏电电流。定时采集线路中的剩余电流，通过计算的相邻时刻的剩余电流差值得到实际故障漏电流。以A 相电压为参考相位，检测剩余电流的幅值I和相角θ。如图2.3所示，将剩余电流进行分解，分别用ABC相上的等效电流Ia、Ib、Ic来表示。

剩余电流电流分解示意图

若剩余电流位于A、B 两相之间，由式（2.7）将剩余电流分解后，得到各相的剩余电流。同理也可计算检测到剩余电流位于B、C 两相之间和A、C两相之间的各相剩余电流。

对剩余电流进行一定频率的采样，分别将 Tn-1和Tn时刻的剩余电流矢量分解，得到各相等效剩余电流。用Tn时刻的等效剩余电流减去Tn-1时刻的等效剩余电流，得到各相剩余电流变化量。三相剩余电流变化量的矢量和就是新故障漏电电流。可由式（2.8）和式（2.9）得到新产生的漏电电流，其中IΔa、IΔb、IΔc是A、B、C 各相的漏电变化量。

4结论

通过利用剩余电流的变化量对线路进行保护，实现了故障漏电保护无死区。同时按照传统的剩余电流保护方案，采用剩余电流和剩余电流变化量双重判据，这样，漏电动作区为剩余电流保护区和故障漏电动作区合成的区域，扩大了漏电保护范围。

参考文献

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