谐波对漏电保护装置的误动影响研究

2011-09-13徐丽杰倪平浩

华北电力大学学报(自然科学版) 2011年4期

何川，徐丽杰，王玮，倪平浩，刘斌

(1.北京交通大学电气工程学院，北京 100044;2.白山市供电公司，吉林白山 134300)

0 引言

目前低压配电系统中为防止发生人体触电事故，主要采用漏电保护装置 (RCD)，也称剩余电流保护装置，其主要作用就是在发生人体触电或设备导电部分接地事故时，能够灵敏的诊断出故障线路并快速跳闸，达到保护人身和设备安全的目的。但由于系统中存在诸多干扰因素，如谐波、雷电冲击电流、开关转换的暂态过渡过程、三相不平衡负荷等，造成RCD的频繁误动作，如在系统未发生故障时切断线路，导致大面积供电中断。这些干扰因素使得RCD的投运率较低，用户对装置的信任度也受到很大影响［1］。

本文基于理论分析和MATLAB仿真，系统阐述了谐波对RCD的误动影响，并依此提出了合理的解决方案，为改善装置的可靠性提供了充分的理论依据。

1 漏电保护装置的工作原理

目前电力系统中采用最为普遍的是动作电流值IΔn为30 mA，动作时间小于或等于0.1 s的电流型漏电保护装置［2］，本文将着重讨论这种装置。民用住宅普遍采用三相四线制的供电方式，如图1所示。

图1 三相不平衡泄露电流等值电路Fig.1 The equivalent circuit of three－phase unbalanced leakage current

系统所带负荷分别为LA，LB，LC，A，B，C和 N 4 条线路的对地泄露电容为 CΔA，CΔB，CΔC和CΔ0，设流过 4 条线路的泄露电流分别为 IΔA，IΔB，IΔC，IΔN。理想状态下，当系统以标准三相电源供电，三相负荷和对地泄露阻抗均平衡且未发生触电事故时，流过RCD的电流为

此时IΔn≪30 mA，RCD不会动作，流回电源中性点的三相泄露电流之和 IΔ0=0，人体触电电流IΔbody=0。

当发生人体触电事故时，IΔbody≠0，IΔ0≠0，流过RCD的电流为

由于N线电压UN远小于相电压UP，忽略N线的对地泄露电流 IΔN，当 |IΔn| ≈ |IΔbody| ≥30 mA时，RCD应在小于或等于0.1 s的时间内可靠动作［3］。

但实际系统中的干扰因素会使装置产生误动作。当供电侧有谐波或者三相负荷不平衡时，会引起负荷侧三相电压UA，UB，UC的幅值不等，造成中性点漂移，导致输电线上的泄露电流之和不为零，即

当 |IΔn|=|IΔ0| ≥30 mA 时，即使系统中未发生触电事故，RCD也会跳开，产生误动作。当系统总谐波畸变率或者三相不平衡度过大时，将导致RCD无法正常投运。

此外，装设RCD时需考虑配电网的接线型式。如TN－C系统，整个系统的PEN线采用重复接地，因而不能使用;电力工作人员在装设RCD时采用错误的安装方式也是导致其投运率较低的一个主要因素。

2 人体等值电路和三相不平衡负荷

2.1 人体等值电路

目前在理论界，人体等值电路的模型有多种不同的表示方法，如弗莱贝尔加等值电路模型和毕格麦亚模型，但普遍认为在工频或直流电压作用下，均可视人体为一无感阻抗［4］。

IEEE Std 80－2000中建议人体等值阻抗取1 000 Ω，因此，后面的仿真中将人体直接取为1 000 Ω的纯电阻电路。

2.2 三相不平衡负荷

理论计算中，通常需要知道三相负荷之间的差别有多大，为方便计算，此处引入三相负荷不平衡度γ的概念。由于负荷电流直接反应负荷的大小，据此，负荷不平衡度γ的定义如式 (4):

式中:Ipmax为三相负荷不平衡时最大相电流有效值;Ip为三相负荷平衡时相电流有效值。

研究表明，三相负荷不平衡度γ的值越大，系统中的泄露电流幅值越大，RCD越容易产生误动作，以下的仿真将会涉及到在不同γ值时谐波的影响程度。

3 谐波对RCD的误动影响

3.1 谐波

电力系统中，电压和电流波形总是有不同程度的畸变，因此，对于周期的非正弦电压u(t)或电流i(t)，在满足狄里赫利条件下都可以展开成傅里叶级数，即

式中:c1sin(ωt+θ1) 为基波分量;cnsin(ωt+θn)为第n次谐波分量。由 (5)可知，所谓谐波就是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍，目前主要研究电网中的奇次谐波。

电网中常用总谐波畸变率 (THD)来判断谐波的大小［5］:

式中:cn表示第n次谐波幅值;c1表示基波幅值。

3.2 用MATLAB仿真谐波对RCD的误动影响

(1)仿真参数设置

本仿真基于民用住宅内长度为100 m的输电线，其线路阻抗和对地泄露电容采用集中参数模式。由于民用住宅内多采用铜芯导线，其相间电容很小，故仿真中忽略相间电容的影响。将100 m的线路均分为两段等值电路以提高仿真的精准度，参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置Tab.1 Simulation parameters

(2)MATLAB仿真未发生触电事故时谐波的影响

本文主要讨论未发生触电事故时，谐波对RCD的误动影响，仿真图如图2所示，图中的动作电流元件所测值就是流经RCD的动作电流值［8］。

图2 未发生触电事故时谐波影响仿真图Fig.2 The simulation diagram for harmonic impact when electric shock accident did not occur

仿真结果如图3所示，当系统的三相负荷平衡时，随着THD的增加，泄露电流幅值很小，不足以使RCD产生误动;当系统的三相负荷不平衡时，泄露电流幅值随着THD的增大而增大。同理，当THD一定时，泄露电流幅值随着γ的增大而增大。

由此可知，谐波对于泄露电流幅值的影响在三相负荷不平衡时才能明显的表现出来，且随着γ的变化，其影响程度也会随之变化。当γ和THD均较大时，流过RCD的泄露电流幅值在系统未发生触电事故时也可能超过30 mA。如γ=29.923，总谐波畸变率 THD=0.335时，动作电流|IΔn|=32.80 mA，此时，RCD就会误动作，引发正常供电中断事故。

(3)MATLAB仿真发生触电事故时谐波的影响

仿真图如图4所示，仿真中将人体的等值电阻接到A相，当发生触电事故时会有触电电流流经人体电阻Rbody，此时RCD会检测到部分流过人体的触电电流。RCD检测到的动作电流波形如图5所示。当电源中不含谐波时，动作电流为标准的正弦波，其值若超过30 mA，装置可靠动作;当电源中含有谐波时，随着THD的增加，其动作电流的波形会发生畸变，逐渐趋近于方波，但它的幅值始终大于30 mA，装置能够迅速、可靠的动作。因此，谐波对于发生触电事故时RCD的拒动影响不大。

4 谐波误动影响的治理措施

基于上述分析可知，谐波对RCD动作特性的影响程度与该系统的三相负荷不平衡度密切相关。因此，治理谐波的误动影响可以从以下两个方面进行。

(1)减小三相负荷不平衡度γ。

(2)减小总谐波畸变率THD。

4.1 减小三相负荷不平衡度γ的措施

由于系统中负荷大多数负荷采用单相供电，导致三相负荷之间会产生很大差别。减小三相负荷不平衡度γ的主要措施为［9］:

(1)合理分配三相负荷，使三相所带负荷功率基本相等，负荷类型基本相同。

(2)采用三相轮换的方法保持负荷平衡。

(3)采用新型三相负荷不平衡补偿装置，实行就地补偿，减小三相负荷不平衡度。

4.2 减小总谐波畸变率THD的措施

根据GB/T 14549《电能质量—公用电网谐波》的要求，必须对各种非线性负荷注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。电力系统常用的谐波治理措施为［10］:

(1)加大系统短路容量。

(2)增加变流装置的脉动数。

(3)改善系统的运行方式。

(4)设置交流滤波器。

低压配电系统通常采用TN－S接线型式，这就为三次谐波提供了流通回路，导致系统泄露电流增大。所以主要考虑滤除三次谐波，图6为加装了LC三次滤波器的仿真电路图。滤波器安装在电源与RCD之间，为三次谐波提供低阻通道，使其不能注入到负荷侧，从而减少三次谐波产生的泄露电流，RCD测得的动作电流也随之减少［11］。

图6 装置LC滤波器的仿真图Fig.6 Simulation diagram with LC filter

加装LC三次滤波器的仿真结果如图7所示。

比较图3和图7可知，装设滤波器后，虽然只滤掉三次谐波，但在相同的THD和γ作用下，线路的泄露电流幅值明显减小，如γ=29.923，总谐波畸变率 THD=0.335时，动作电流|IΔn|=20.80 mA。并且泄露电流幅值随THD增大的趋势也变得平缓，大于30 mA的情况只有在三相严重不平衡或者总谐波畸变率很大时才会发生。因此，LC滤波器对于抑制谐波干扰有明显的效果。