CN112952750A - 基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于植物接地阻抗变化量漏电保护方法，克服了现有技术电桥法测量植物电阻的高误差的问题，包括对植物特性参数包含电阻、电阻率、电容、介电常数和损耗等参数分析，建立植物阻抗的模型；建立植物测定的测定方法的电路设计；剩余电流采样半周期作为启动元件方案；阻抗变化量的接地阻抗动作判断漏电还是触电问题。通过阻抗变化量来判断动作条件，实现剩余电流安全保护，提高了安全性。植物在交流电下既可以表现出电阻特性又可以表现出电容特性，本发明根据植物特性分析和建立了植物的阻抗模型，为植物剩余电流提供了一种稳定的判别方法，同时也可以判别生物体触电提高安全性。

Description

基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法

技术领域

本发明涉及漏电保护领域，尤其是涉及一种基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法。

背景技术

植物于细胞的生物化学结构非常的复杂，电子在植物中的转运十分复杂，其电压和电流特性难以描述，低频电流不能击穿细胞，而当高频电流通过时，通过击穿细胞壁和内液导电，可知植物存在电容效应。在交流电下既可以表现出电阻特性又可以表现出电容特性，根据这一特性分析和建立了植物的阻抗模型，根据大量文献可知当生物体触电呈现为电阻性。

剩余电流的处理方法主要是集中为以下三种形式为脉冲型、鉴幅鉴相从而动作或电流分离型。然而实际运行的系统实现表明，实际的电力系统相互影响，动作收到运行电压等级、电磁干扰、运行地点和环境状况等等。这就使得整定剩余电流变得很困难，甚至整定的值导致频繁的切换和拒动，这样就很大程度上影响运行。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种测量植物叶片电阻分布的方法及其应用”，其公告号CN106324357A，包括步骤1,制备微电极阵列板；步骤2,测量植物叶片电阻分布：将植物叶片夹持在两个步骤1制得的微电极阵列板之间,给其中一个微电极阵列板上的电极线施加电压或通入电流,在另一个微电极阵列板的电极线上采集相应的电响应信号,将采集到的电响应信号进行处理,得到两个微电极阵列板的电极线交叉点处叶片的电阻值,进而得到叶片电阻的点阵分布。该发明使用的是传统的植物电阻测量方法电桥法，将植物组织接在电桥的一个臂上，在平衡电桥上用可调电阻和电容并联，调整电阻和电容使得电桥平衡这样求得的就植物电阻，但是这种求得的数据易受外界影响，造成误差很大。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的特征值提取复杂的问题，提供一种数学方法的滤波器，方法简单并且能够很好的或者其滤波输出，从而成功判断处于容性或者阻性接地电阻。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法，包括如下步骤：

S1：对植物特性参数包含电阻、电阻率、电容、介电常数和损耗进行参数分析；

S2：建立植物阻抗的模型；

S3：建立植物测定的测定方法的电路设计；

S4：植物触电后剩余电流的采集和处理；

S5：根据阻抗变化量控制继电器动作切断线路保护安全。

本发明的目的是分析植物触电后的漏电流保护来区分是漏电保护还是动物体触电保护，采用简单可行的数学滤波和希尔伯变换对剩余电流的提取作为启动阻抗判别元件；当植物体触碰线路时候，接地电阻处于容性的状态，而绝缘损坏或者触电时接地电阻就判定为阻性状态，然后根据阻抗变化量判断继电器动作切断线路保护安全。

作为优选，所述S1中的植物是一种介于导电体和绝缘体之间的特殊固体介质。

作为优选，所述S2中植物阻抗包括实部和虚部，所述实部使用串联方法，所述虚部使用电阻和电容串联来表示植物的电阻抗关系。

作为优选，所述S2中模型为根据植物特性建立的植物物理模型，所述模型的电阻抗表达式为：

式中Re表示细胞外液等值电阻，Ce是细胞外液的并联电阻；细胞膜和内液等效阻抗与细胞外液阻抗并联；细胞膜表示为电阻Rm和电容Cm的并联，内液表示为Ri和Ci的并联，细胞膜和内液表示为串联。

作为优选，所述S3中设计电路的测量公式为：

运用上述电路来测量植物的阻抗，将Rx用植物组织来代替，调节输入的电压和调整电阻获得电阻值，其中U_in为输入电压，R₁,R₂,R₄为可调的测量电阻，R₃与R_X等效。

作为优选，所述S4中采用数学形态滤波器对植物触电剩余电流信号处理，再对处理后的信号采用希尔伯变换提取植物剩余电流的瞬时幅值和剩余电流的相位。

作为优选，所述S5中具体过程包括以下步骤：

S501：判断阻抗区域是否处于正常状态下；

S502：处于正常状态下，接地植物阻抗处于容性区，选择60度区间：

若不处于正常状态下，则处于绝缘故障或人体触电状态，接地阻抗处于阻性区，选择60度区间：

其中，

为采集到的剩余电流瞬时幅值及其相位值，

为零序电压瞬时幅值及其相位值；

S503：根据阻抗变化量区分漏电类型,当植物体触碰线路时候，接地电阻处于容性的状态，而绝缘损坏或者触电时接地电阻就判定为阻性状态；

S504：根据阻抗变化量判断是否动作继电器。

因此，本发明有如下有益效果：

1.分析植物的特性阻抗参数，对植物可以进行数学模型的建立和准确的解释。

2.采用本发明设计的测量植物电阻来代替传统的电桥法测量，较为准确和简单。

3.采用数学形态滤波对剩余电量处理和希尔伯变换对特征值进行提取。

4.设定容性阻抗区域和阻性阻抗区域，用于区分植物体和动物体的触电形式，并根据阻抗变化量判断继电器动作。

附图说明

图1是本发明的植物复阻抗和复电容电路图；

图2是本发明的植物阻抗等效电路图；

图3是本发明的植物阻抗测量电路图；

图4是本发明的数学形态算法滤波流程图；

图5是本发明的等效触电电路图；

图6是本发明的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

本实施例一种基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法，如图1所示，植物是一种固体，也是一种非均匀的固体类，它是一种介于固体导体和绝缘体之间的状态。本发明从植物这一特性出发，将植物阻抗看做电阻和电容并联的复数形式来考虑这一电特性，植物阻抗的实部Z*看做串联，虚部C*看做为并联，表达式为：

式中ε是介电常数，ε^/为介质损耗因子。

其中介电常数为

图2中，根据植物的特性采用的植物物理模型，细胞外液用等值电阻Re表示，Ce是细胞外液的并联电阻；细胞膜和内液等效阻抗与细胞外液阻抗并联；细胞膜表示为电阻Rm和电容Cm的并联，内液表示为Ri和Ci的并联，细胞膜和内液表示为串联状态；在低频频率(<1KHZ)时，细胞膜电阻很大表现出开路状态，此时细胞内液和外液的电容很小，也看作是开路。推导出植物阻抗的模型电阻抗表达式

图3中，植物常用的电阻测定方法多采用的是电桥法，将植物组织接在电桥的一个臂上，在平衡电桥上用可调电阻和电容并联，调整电阻和电容使得电桥平衡这样求得的就植物电阻，但是这种求得的数据误差很大，因此本发明从新设计求得测量公式为：

如设置R1R4＝R2R3，简化上述公式可得：

由上述，可知测量的阻抗和输入电压和电阻值R3相关，这样就可以运用上的电路来测量植物的阻抗，将Rx用植物组织来代替，调节输入的电压和调整电阻就可以获得电阻值，其中U_in为输入电压，R₁,R₂,R₄为可调的测量电阻，R₃与R_X等效。

图4中，数学形态的滤波算子被称为膨胀和腐蚀算子，则有：

膨胀

腐蚀

其中f(n)是定义域D[f]的时间序列，g(n)是定义域D(g)的结构元素。

m＝0,....,M-1；n＝0,....,N-M-1,N>M。

其衍生的开运算法和闭运算法：

开运算

闭运算

由于单独使用开运算或者闭运算都不能够获得很好的效果本文采用是如图4所示的两者的平均值使得处理后的结果接近元信号，其中f(n)是初始的含有噪声的原始输出信号，y(n)是输出剩余电流可以提取的信号。

对于能够快速获得剩余电流信号特征值的算法，本发明采用的是希尔伯变换算法提取瞬时幅值和相位：

其中

是希尔伯变换，z(t)是x(t)的解析信号，*为卷积。

本发明为使得抗干扰能力更强，采用基于采样值半周积分的启动元件。就是将剩余电流当前采样点的半周积分值与前一周波对应采样点的半周积分值之差的绝对值作为启动判据，当检测到剩余电流变化率不小于整定值时，进行滤波处理，进行阻抗判别:

半周积分值：

启动判据为：

|I_gnhk-I_g(n-1)hk|≥I_qz+1.2I_g(n-1)hk

其中I_gnhk是第k个周期采样点半周积分值，I_g(n-1)hk是前一个周期采样的半周值号，I_qz为剩余电流启动元件整定值。

首先根据接地触电接地阻抗类型分为两种判据类型：

(1)处于正常状态下，接地植物阻抗处于容性区，选择60度区间：

(2)处于绝缘故障或人体触电状态，接地阻抗处于阻性区，选择60度区间：

其中，

为采集到的剩余电流瞬时幅值及其相位值，

为零序电压瞬时幅值及其相位值；然后根据电路图可知，在触电发生前可本发明测出植物的等效阻抗，由图可知U₀是零序电压，Z_g1是植物等效阻抗，I_g1是触电前剩余电流，I_g2为触电后剩余电流，Z_g1是动物体等效阻抗。

根据上式可求得触电后剩余电流突变量，则突变前后植物绝缘Z_g1和接地阻抗变化量Z_g1。由文献可知，植物此类的漏电抗多为容性且较为很定，不会使得继电器动作，但生物接触后触电是一种下降的阻抗性质，根据这一特性可有效区分是植物或者动物体触电，则离散化接地阻抗判据为：

其中Z_g(k)是当前接地阻抗，|Z_g(k-N/2)|是距当前采样点1/2周波接地阻抗，Z_qz是阻抗变化率整定值。

根据流程图根据此方法可有效的判定触电的类型，并根据阻抗变化率来选择继电器动作，使得剩余电流得到安全的保护，提高了生物体安全性。

本发明并不限于上文描述的实施方式，以上所述只仅是本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质所作的任何修改、等同变换、改进等，均属于本发明所要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法，其特征是，包括如下步骤：

S1：对植物特性参数包含电阻、电阻率、电容、介电常数和损耗进行参数分析；

S2：建立植物阻抗的模型；

S3：建立植物测定的测定方法的电路设计；

S4：植物触电后剩余电流的采集和处理；

S5：根据阻抗变化量控制继电器动作切断线路保护安全。

2.根据权利要求1所述的基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法，其特征在于：所述S1中的植物是一种介于导电体和绝缘体之间的特殊固体介质。

3.根据权利要求1所述的基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法，其特征在于：所述S2中植物阻抗包括实部和虚部，所述实部使用串联方法，所述虚部使用电阻和电容串联来表示植物的电阻抗关系。

4.根据权利要求1所述的基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法，其特征在于：所述S2中模型为根据植物特性建立的植物物理模型，所述模型的电阻抗表达式为：

式中Re表示细胞外液等值电阻，Ce是细胞外液的并联电阻；细胞膜和内液等效阻抗与细胞外液阻抗并联；细胞膜表示为电阻Rm和电容Cm的并联，内液表示为Ri和Ci的并联，细胞膜和内液表示为串联。

5.根据权利要求1所述的基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法，其特征在于：所述S3中设计电路的测量公式为：

运用上述电路来测量植物的阻抗，将Rx用植物组织来代替，调节输入的电压和调整电阻获得电阻值，其中U_in为输入电压，R₁,R₂,R₄为可调的测量电阻，R₃与R_X等效。

6.根据权利要求1所述的基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法，其特征在于：所述S4中采用数学形态滤波器对植物触电剩余电流信号处理，再对处理后的信号采用希尔伯变换提取植物剩余电流的瞬时幅值和剩余电流的相位。

7.根据权利要求1所述的基于植物接地阻抗变化量的漏电保护方法，其特征在于：所述S5中具体过程包括以下步骤：

S501：判断阻抗区域是否处于正常状态下；

S502：处于正常状态下，接地植物阻抗处于容性区，选择60度区间：

若不处于正常状态下，则处于绝缘故障或人体触电状态，接地阻抗处于阻性区，选择60度区间：

其中，

为采集到的剩余电流瞬时幅值及其相位值，

为零序电压瞬时幅值及其相位值；

S503：根据阻抗变化量区分漏电类型,当植物体触碰线路时候，接地电阻处于容性的状态，而绝缘损坏或者触电时接地电阻就判定为阻性状态；

S504：根据阻抗变化量判断是否动作继电器。

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