CN112838564B - 基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法及剩余电流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低压线路漏电保护领域，公开了一种基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法及剩余电流断路器，根据台区剩余电流分布特点，研究触电故障时电流谐波幅值变化规律，定义偶次谐波变化率和工频变化量两大指标，提出以偶次谐波变化率最小值阈值、工频变化量阈值以及剩余电流整定值三者结合的组合判据。本发明提出的三重组合判据不仅适用于检测故障发生，也能检测故障消失的情形，当三级线路发生故障时，三级剩余电流断路器动作断开支线线路，此时二级剩余电流断路器经过一定的时间检测到故障消失而不动作，能够更好地识别触电故障，减少剩余电流断路器频繁误动，使电网系统能够更可靠地运行。

Description

基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法及剩余电流 断路器

技术领域

本发明涉及低压线路漏电保护领域，具体的说是一种基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法及剩余电流断路器。

背景技术

剩余电流断路器是低压安全用电的主要保护器之一。对于发生触电故障的线路，要求剩余电流保护器能够做到及时断开线路，从而保护人体安全。然而，在实际应用上，断路器却存在误动的问题。由于传统剩余电流断路器是以动作电流超出剩余电流断路器整定值的方法去判断故障，而在一些台区，其线路本身漏电流就很大，导致在正常线路下，由于一些原因动作电流依然会超过整定值导致剩余电流断路器的误动作，这样会增加线路运维成本。因此，剩余电流断路器如何更准确地判断故障是一个很大的问题。

目前，农村和城市装设剩余电流断路器大致三种，它们分别是电流动作型剩余电流断路器，脉冲电流动作型剩余电流断路器，电流鉴相鉴幅型剩余电流断路器。然而它们稳定性差，很容易受环境气候的影响，由于它们依旧以剩余电流整定值为判断故障依据，因此也导致了它们的频繁误动。还有一种为电流分离型剩余电流断路器，由于漏电流与触电电流在故障发生时的一到两个周期内，触电电流有异常突变，而漏电流保持相对稳定的波动。因此，断路器设计思路为：将两种电流由于这样的特性完全分离开来，从而能够绝对准确地判断出触电故障。然而，这样的断路器虽有试点，但是由于算法和硬件的不够成熟，直到今天也没有普及。所以，单纯以剩余电流整定值去判断线路故障一时间很难避免断路器误动问题。

发明内容

技术目的：本发明提出了一种基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法及剩余电流断路器，旨在判断电网触电故障以及改善剩余电流断路器误动等问题。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法，其特征在于，电流经过剩余电流断路器，断路器通过计算得出了1-10次谐波幅值，计算获得以下三个判据：

判据一：前后周期相比较，偶次谐波变化率最小值是否满足判据阈值区间，如果满足输出为0；

判据二：前后周期比较，工频变化量是否满足判据阈值区间，如果满足输出为0；

判据三：动作电流值是否超出剩余电流断路器整定值，如果满足则输出为0。

根据以上三个判据形成对应的逻辑指令，并根据对应的逻辑指令判断出低压线路触电故障的类型。

优选地，根据以上三个判据判断低压线路触电故障的类型，具体包括以下四种情况：

(1)满足判据一，但是不满足判据二和判据三，此时逻辑输出为0+1+1＝1；此时判断为正常负荷投切的情况；

(2)满足判据一和判据二不满足判据三，此时逻辑输出为0+0+1＝1；此时判断为人体触电；

(3)仅满足判据三，判据一和判据二不满足，此时逻辑输出为1+1+0＝1；发生在漏电流较大的台区或是家用电气设备漏电；

(4)满足判据一、判据二和判据三，此时逻辑输出为0+0+0＝0；此时判断为人体触电，且其产生的触电电流能够威胁到人体生命安全，断路器收到断路指令，断开线路。

优选地，判据的获得方法包括步骤：

(1)当电流经过剩余电流断路器时，提取谐波幅值，计算前后一个周期内、1-10次谐波之内的偶次谐波变化率最小值记为α_min，当α_min满足区间(θ₁,θ₂)，此时剩余电流断路器告警，故障为人体触电或小负荷投切情况；

(2)当电流流经剩余电流断路器时，提取基波幅值，计算前后一个周期工频变化量，记为β，当β满足(σ₁,σ₂)时判断为触电情况；

(3)当电流流经剩余电流断路器时，设置剩余电流断路器整定值。

优选地，偶次谐波变化率和工频变化量获取过程包括如下步骤：

S1、基于台区-线路-用户三层拓扑关系以及台区剩余电流分布特点，构造5种人体触电仿真模型，分别是电灼烧人体触电仿真模型、感知与反应人体触电模型、医用设备人体触电仿真模型、摆脱电流人体触电模型和UL1536标准人体触电模型；

S2、分析5种人体触电仿真模型在发生触电故障前后高次谐波幅值变化情况，并记录下各个触电模型偶次谐波变化率最小值，得到这5种人体触电仿真模型偶次谐波变化率最小值阈值记为(δ₁,δ₂)；

S3、为了线路负荷投切与触电故障，引入工频变化量；

S4、从5种人体触电模型所得频谱中提取触电前后工频变化量；

S5、将家用电器等效成阻感或是纯电阻模型并模拟投切，计算投切前后工频变化量,其阈值记为(μ₁,μ₂)；

S6、搭建活体触电实验平台，对活体不同部位进行多组触电实验，得到触电电流波形I(t)，然后采用S变换提取电流谐波特征，进一步计算S变换下触电电流离散表达式、偶次谐波变化率最小值以及工频变化量；

S7，记录实现中每一组触电前后偶次谐波变化率及工频变化量的值，并将每一组数据从大到小排序，分别得到偶次谐波变化率最小值阈值(θ₁,θ₂)、工频变化量阈值(σ₁,σ₂)。

优选地，S变换采用高斯窗函数且窗宽与频率的倒数成正比，电流I(t)的谐波特征提取过程如下：

式中I(t)为采集的触电电流信号，g(τ,f)为高斯窗函数，τ为时间，控制窗口在时间轴上的位置，σ为高斯函数方差，S(τ,f)是通过变换得到的时频谱矩阵。

优选地，触电电流时域转化为触电电流频谱形式表达式为：

式中，β≠0；

S变换利用FFT进行快速运算，得到的电流离散表现形式为：

其中k为离散时间点，T为采样时间间隔，N为离散信号长度，其中k＝0，1……N-1。

优选地，令

最终离散信号的S变换可以表示为：

式中n≠0；

定义模时频矩阵谐波幅值函数为Y_m(t)，表达式如下所示：

Y_m(t)＝S_q(t,f_m)

其中t为采样时刻,m为1到5内的整数；

偶次谐波变化率最小值表达式如下：

式中，α_min为偶次谐波变化率最小值；

工频变化量由如下表达：

β＝Y₁(t+T)-Y₁(t)

式中，β≠0。

优选地，所述偶次谐波变化率最小值区间限值0.25≤θ₁≤0.35，1.23≤θ₂≤1.5；工频变化量区间限值0.05≤σ₁≤0.1，0.14≤σ₂≤0.17。

一种剩余电流断路器，其特征在于：设有剩余电流断路器检测模块，剩余电流断路器检测模块根据以下三种判据形成对应的逻辑指令，并根据对应的逻辑指令判断出相应的故障：

判据一、前后周期相比较，偶次谐波变化率最小值是否满足判据阈值区间，如果满足输出为0；

判据二、前后周期比较，工频变化量是否满足判据阈值区间，如果满足输出为0；

判据三、动作电流值是否超出剩余电流断路器整定值，如果满足则输出为0；

剩余电流断路器采取与判断结果对应的动作。

优选地，剩余电流断路器采取与判断结果对应的动作，具体包括以下四种情况：

(1)满足判据一，但是不满足判据二和判据三，此时逻辑输出为0+1+1＝1；此时判断为正常负荷投切的情况；

(2)满足判据一和判据二不满足判据三，此时逻辑输出为0+0+1＝1；此时判断为人体触电；

(3)仅满足判据三，判据一和判据二不满足，此时逻辑输出为1+1+0＝1；发生在漏电流较大的台区或是家用电气设备漏电；

(4)满足判据一、判据二和判据三，此时逻辑输出为0+0+0＝0；此时判断为人体触电，且其产生的触电电流能够威胁到人体生命安全，断路器收到断路指令，断开线路。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下技术效果：

本发明的方法根据台区剩余电流分布特点，研究触电故障时电流谐波幅值变化规律，定义偶次谐波变化率，工频变化量两大指标。提出以偶次谐波变化率最小值阈值，工频变化量阈值以及剩余电流整定值三者结合的组合判据。该判据不仅适用于检测故障发生，也能检测故障消失。当三级线路发生故障时，三级剩余电流断路器动作断开支线线路，此时二级剩余电流断路器经过一定的时间检测到故障消失而不动作。

附图说明

图1是本发明根据台区-用户-线路拓扑关系装设剩余电流断路器示意图；

图2是电灼烧人体触电仿真电流波形图；

图3是感知与反应人体触电仿真电流波形图；

图4是医用电气设备人体触电仿真电流波形图；

图5是摆脱电流人体触电仿真电流波形图；

图6是UL1536标准人体触电仿真电流波形图；

图7是感知与反应人体触电前频谱图；

图8是感知与反应人体触电后频谱图；

图9是触电实验平台；

图10是活体脚-脚触电电流波形图；

图11是活体腿-腿触电电流波形图；

图12是S变换下活体脚-脚触电三维图；

图13是S变换下活体腿-腿触电三维图；

图14是以感知与反应人体触电仿真为例，在判据施加后整个过程的偶次谐波变化率最小值变化情况；

图15是以感知与反应人体触电仿真为例，在判据施加后整个过程的工频变化量变化情况；

图16是以感知与反应人体触电仿真为例，施加判据之后，通过剩余电流断路器电流波形图；

图17是在三重组合判据下的剩余电流断路器识别故障的流程；

图18是根据三重组合判据下的逻辑输出判断低压线路故障类型的示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明内容，下面将结合图例对本发明做进一步解释。

如图17和图18所示，本发明提出一种基于三重组合判据下低压线路触电故障判断方法，包括如下步骤：

S1、在传统剩余电流断路器的基础上，添加偶次谐波变化率最小值阈值、工频变化量阈值两种判据，当线路电流流经剩余电流断路器时，如果通过计算满足三重组合判据所列阈值条件，断路器即刻动作断开线路。

S2、将三重组合判据按照规定阈值要求编写控制算法并且输入到剩余电流断路器的检测模块中。

作为其中的一种优选例，一种三重组合判据其偶次谐波变化率最小值阈值、工频变化量阈值确定方法，包括如下步骤：

1、人体触电仿真波形：

如图1所示，模拟具有台区-线路-用户三层拓扑关系的低压线路，在MATLAB/SIMULINK中搭建人体触电平台。图2到图6分别为电灼烧人体触电、感知与反应人体触电、医用电气设备人体触电、摆脱电流人体触电、UL1536标准人体触电情况下的电流波形图。仿真设置触电开始时刻t_start＝0.5s，触电结束时刻t_off＝1s。

2、触电前后电流谐波幅值变化情况：

由于这5种人体触电仿真模型仿真得出的谐波规律相似，这里以感知与反应人体触电仿真结果为例加以说明。如图7所示，未发生触电时，电流中几乎只含基波分量，高次谐波幅值几乎为0。如图8所示，触电之后，由于触电故障使得电流波形产生了瞬时的畸变，电流中除了基波幅值，其余高次谐波幅值相较于触电前增长了好几倍。

3、偶次谐波变化率最小值阈值与工频变化量阈值的确立(仿真部分)：

综合5种人体触电仿真模型得出偶次谐波变化率最小值阈值为(δ₁,δ₂)，工频变化量阈值为(μ₁,μ₂)。

4、活体触电实验平台的搭建：

如图9所示，本实验分主电路和辅助电路两个部分，主电路包括220v交流电源、变比为220:36的三相变压器，600欧姆的对称负载。辅助电路包括直流电源、总闸、示波器、继电器及触发开关。活体通过总闸接到C相，当进行触电实验时，按下触发开关，继电器延时t秒后断开线路，此时示波器显示互感器二次侧触电电压。通过一次侧与二次侧4:1的匝数比转化到一次侧。进而除以固定阻值R得到触电电流波形。

5、活体脚-脚、腿-腿触电电流波形：

图10和图11分别为活体脚-脚触电、腿-腿触电电流波形图，从图中可以看到除了触电开始时刻和触电结束时刻，其余时刻并无明显波形畸变情况。

6、S变换下脚-脚、腿-腿谐波幅值变化情况：

图12和图13分别为S变换下脚-脚、腿-腿触电电流谐波幅值三维图，从图中可以看到，基波幅值略有变化，其变化幅度不是很明显。然而，高次谐波幅值相比较触电前，触电后有很明显的增长。这个规律与人体触电仿真中得出的触电前后电流谐波幅值变化规律类似。

7、偶次谐波变化率最小值阈值与工频变化量阈值的确立(实验部分)：

与仿真不同的是，实验数据需要先采用S变换提取,电流I(t)的提取过程如下：

式中I(t)为采集的触电电流信号，g(τ,f)为高斯窗函数，τ为时间，控制窗口函数在时间轴上的位置，σ为高斯函数方差，控制窗口在时间轴上的位置。S(τ,f)是通过变换得到的时频谱矩阵。

下一步，电流时域与频域的转化：

式中β为频移参数，β≠0。

m是一个参数。

触电电流电流离散形式表达：

式中k为离散时间点，T为采样时间间隔，N为离散信号长度，其中k＝0，1……N-1。

令

τ＝jT,最后得到S变换下触电电流离散表达式：

式中n≠0。T是采样时间间隔，j是周期个数。

定义模时频矩阵谐波幅值函数为Y_m(t)，该函数定义经S变换后的模时频矩阵S_q中对应谐波幅值随时间变化情况，其表达式如下所示：

Y_m(t)＝S_q(t,f_m)

其中t为采样时刻,m为1到5内的整数。

偶次谐波变化率最小值表达式如下：

式中，α_min为偶次谐波变化率最小值

工频变化量由如下表达:

β＝Y₁(t+T)-Y₁(t)

将每一组活体触电实验按照上述流程计算，记录下每一组触电前后偶次谐波变化率及工频变化量的值，并将每一组数据从大到小排序，最后得到偶次谐波变化率最小值阈值(θ₁,θ₂)，工频变化量阈值(σ₁,σ₂)。其中偶次谐波变化率最小值区间限值0.25≤θ₁≤0.35，1.23≤θ₂≤1.5。而工频变化量区间限值0.05≤σ₁≤0.1，0.14≤σ₂≤0.17。

8、偶次谐波变化率最小值阈值与工频变化量阈值的确立(综合)：

实验部分与仿真部分所得结果差异为：

(δ₁,δ₂)＝(θ₁±ε₁,θ₂±ε₂)

(μ₁,μ₂)＝(σ₁±ρ₁,σ₂±ρ₂)

ε₁，ε₂，ρ₁，ρ₂均为千分位误差小数。

由于误差不是很大，并且活体触电实验具有随机性和实际应用代表性，故最终偶次谐波变化率最小值阈值为(θ₁,θ₂)，θ₁、θ₂分别为偶次谐波变化率的最小阈值和最大阈值，工频变化量阈值(σ₁,σ₂)。

综合三重组合判据如下：

列出其中几个三重判据下的综合判断情形及其对应的逻辑指令：

(1)满足判据1，但是不满足判据2和3，此时逻辑输出为0+1+1＝1。这样的情况之下可以判断为正常负荷投切的情况。

(2)满足判据1和2不满足判据3，此时逻辑输出为0+0+1＝1；此时可判断为人体触电，但是其电流对人体没有多少伤害，人体尚能摆脱带电体。

(3)仅满足判据3，判据1和2不满足。此时逻辑输出为1+1+0＝1。这样的情况大多发生在漏电流较大的台区或是家用电气设备漏电。

(4)满足判据1,2和3，此时逻辑输出为0+0+0＝0；，此时可判断为人体触电，且其产生的触电电流能够威胁到人体生命安全，断路器收到断路指令，断开线路。

与传统剩余电流断路相比其优点在于：三重组合判据加持下的剩余电流断路器只根据逻辑指令而确认是否动作，也就是说，当台区漏电流较大时，此时有可能动作电流大于整定值，然而却不满足其余两条判据的要求。这样一来，便从根本上减少了剩余电流断路器的频繁误动作。其次，由于工频变化量的影响，断路器可有效区分负荷投切与触电故障，使断路器准确动作。

以感知与反应人体触电仿真为例，此时应用三重组合判据。假设0.4s有电灯投切，0.5s发生了触电故障，动作电流超出了整定值。如图14为使用判据之后触电前后偶次谐波变化率最小值的变化情况，图15为工频变化量在整个过程中的变化情况。可以看到，投切和触电故障都能产生线路谐波扰动。然而，如图16所示，断路器成功识别出了触电故障，并断开了线路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法，其特征在于，电流经过剩余电流断路器，断路器通过计算得出了1-10次谐波幅值，计算获得以下三个判据：

判据一：前后周期相比较，偶次谐波变化率最小值是否满足判据阈值区间，如果满足输出为0；

判据二：前后周期比较，工频变化量是否满足判据阈值区间，如果满足输出为0；

判据三：动作电流值是否超出剩余电流断路器整定值，如果满足则输出为0；

根据以上三个判据形成对应的逻辑指令，并根据对应的逻辑指令判断出低压线路触电故障的类型。

2.根据权利要求1所述的基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法，其特征在于，根据以上三个判据判断低压线路触电故障的类型，具体包括以下四种情况：

(1)满足判据一，但是不满足判据二和判据三，此时逻辑输出为0+1+1＝1；此时判断为正常负荷投切的情况；

(2)满足判据一和判据二不满足判据三，此时逻辑输出为0+0+1＝1；此时判断为人体触电；

(3)仅满足判据三，判据一和判据二不满足，此时逻辑输出为1+1+0＝1；发生在漏电流较大的台区或是家用电气设备漏电；

(4)满足判据一、判据二和判据三，此时逻辑输出为0+0+0＝0；此时判断为人体触电，且其产生的触电电流能够威胁到人体生命安全，剩余电流断路器收到断路指令，断开线路。

3.根据权利要求1所述的基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法，其特征在于，判据的获得方法包括步骤：

(1)当电流经过剩余电流断路器时，提取谐波幅值，计算前后一个周期内、1-10次谐波之内的偶次谐波变化率最小值记为α_min，当α_min满足区间(θ₁，θ₂)，此时剩余电流断路器告警，故障为人体触电或小负荷投切情况；

(2)当电流流经剩余电流断路器时，提取基波幅值，计算前后一个周期工频变化量，记为β，当β满足(σ₁，σ₂)时判断为触电情况；

(3)当电流流经剩余电流断路器时，设置剩余电流断路器整定值。

4.根据权利要求1所述的基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法，其特征在于，偶次谐波变化率和工频变化量获取过程包括如下步骤：

S1、基于台区-线路-用户三层拓扑关系以及台区剩余电流分布特点，构造5种人体触电仿真模型，分别是电灼烧人体触电仿真模型、感知与反应人体触电模型、医用设备人体触电仿真模型、摆脱电流人体触电模型和UL1536标准人体触电模型；

S2、分析5种人体触电仿真模型在发生触电故障前后高次谐波幅值变化情况，并记录下各个触电模型偶次谐波变化率最小值，得到这5种人体触电仿真模型偶次谐波变化率最小值阈值记为(δ₁，δ₂)；

S3、为了线路负荷投切与触电故障，引入工频变化量；

S4、从5种人体触电模型所得频谱中提取触电前后工频变化量；

S5、将家用电器等效成阻感或是纯电阻模型并模拟投切，计算投切前后工频变化量，其阈值记为(μ₁，μ₂)；

S6、搭建活体触电实验平台，对活体不同部位进行多组触电实验，得到触电电流波形I(t)，然后采用S变换提取电流谐波特征，计算S变换下触电电流离散表达式、偶次谐波变化率最小值以及工频变化量；

S7，记录实现中每一组触电前后偶次谐波变化率及工频变化量的值，并将每一组数据从大到小排序，分别得到偶次谐波变化率最小值阈值(θ₁，θ₂)、工频变化量阈值(σ₁，σ₂)。

5.根据权利要求4所述的基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法，其特征在于，S变换采用高斯窗函数且窗宽与频率的倒数成正比，电流I(t)的谐波特征提取过程如下：

式中I(t)为采集的触电电流信号，g(τ，f)为高斯窗函数，τ为时间，控制窗口在时间轴上的位置，σ为高斯函数方差，S(τ，f)是通过变换得到的时频谱矩阵。

6.根据权利要求5所述的基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法，其特征在于，触电电流时域转化为触电电流频谱形式表达式为：

式中，β≠0；

S变换利用FFT进行快速运算，得到的电流离散表现形式为：

其中k为离散时间点，T为采样时间间隔，N为离散信号长度，其中k＝0，1......N-1。

7.根据权利要求4所述的基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法，其特征在于，令

τ＝jT，最终离散信号的S变换可以表示为：

式中n≠0；

定义模时频矩阵谐波幅值函数为Y_m(t)，表达式如下所示：

Y_m(t)＝S_q(t，f_m)

其中t为采样时刻，m为1到5内的整数；

偶次谐波变化率最小值表达式如下：

式中，α_min为偶次谐波变化率最小值；

工频变化量由如下表达：

β＝Y₁(t+T)-Y₁(t)

式中，β≠0。

8.根据权利要求6所述的基于三重组合判据的低压线路触电故障判断方法，其特征在于：所述偶次谐波变化率最小值区间限值0.25≤θ₁≤0.35，1.23≤θ₂≤1.5；工频变化量区间限值0.05≤σ₁≤0.1，0.14≤σ₂≤0.17。

9.一种剩余电流断路器，其特征在于：设有剩余电流断路器检测模块，剩余电流断路器检测模块根据以下三种判据形成对应的逻辑指令，并根据对应的逻辑指令判断出相应的故障：

判据一、前后周期相比较，偶次谐波变化率最小值是否满足判据阈值区间，如果满足则输出为0；

判据二、前后周期比较，工频变化量是否满足判据阈值区间，如果满足输出为0；

判据三、动作电流值是否超出剩余电流断路器整定值，如果满足则输出为0；

剩余电流断路器采取与判断结果对应的动作。

10.根据权利要求9所述的一种剩余电流断路器，其特征在于：剩余电流断路器采取与判断结果对应的动作，具体包括以下四种情况：

(1)满足判据一，但是不满足判据二和判据三，此时逻辑输出为0+1+1＝1；此时判断为正常负荷投切的情况；

(2)满足判据一和判据二不满足判据三，此时逻辑输出为0+0+1＝1；此时判断为人体触电；

(3)仅满足判据三，判据一和判据二不满足，此时逻辑输出为1+1+0＝1；发生在漏电流较大的台区或是家用电气设备漏电；

(4)满足判据一、判据二和判据三，此时逻辑输出为0+0+0＝0；此时判断为人体触电，且其产生的触电电流能够威胁到人体生命安全，断路器收到断路指令，断开线路。

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