低压电网线性负载漏电流的特性分析

　　摘要本文针对低压电网的漏电问题，归纳了漏电流的类型及检测手段，研究了漏电流故障等效负载的种类，建立了线性负载等效电路模型;针对TT接地系统的低压电网，在电磁暂态仿真软件中建立其模型，将TT接地系统中可能存在的漏电流模型加入电网，同时将等效负载电路模型也接入电网中，进行接地故障漏电流仿真分析，证明了模型的可行性，并得到相应的结论，可为漏电故障的检测和定位等提供理论依据。

　　关键词：漏电流;线性负载等效电路模型;低压电网模型;仿真分析

　　0引言

　　我国是触电事故的多发国，触电事故造成的死亡率是发达国家的15～20倍。漏电流的存在对人身以及财产安全有着很大的危害，据调查，近几年由电气原因引起的火灾在我国各类火灾中高居首位[1-2]。电流动作型漏电流保护装置，即漏电保护器，是低压电网漏电事故最重要和最基本的保护手段[3-4]。由于对漏电流的部分特性了解不足，现阶段漏电流的检测技术仍然存在缺陷。实践表明，现阶段的漏保，大多数都不能准确辨别人体触电时的电流信号特征，在线路中存在人体触电等漏电事故而漏电保护器却不主动切断电源(拒动)的问题;或因环境潮湿等原因使电气设备及线路绝缘阻抗降低，漏电流增加至超过保护器动作阈值而使漏保动作(误动)[3-5]的问题。

　　电网论文范例:配电网工程施工阶段技术研究

　　因此针对漏电流进行特性分析是十分必要的。文献[6-7]虽然分析漏电流的特性，但分别只针对电缆绝缘缺陷与发电机故障两种情况，未考虑其他材质的漏电流故障以及人身触电时的漏电流特性。本文针对电压电网的漏电流，建立3种线性等效负载模型以及低压电网模型，使用电磁暂态仿真软件(powersystemscomputeraideddesign,PSCAD)仿真，进行波形特性分析，为漏电流的检测和定位等技术提供理论依据。

　　1漏电流的类型及检测技术剩余电流是指供电线路的瞬时负载电流矢量和，也叫作漏电流[8]。随着用电设备的种类不断增加，当发生漏电故障时，所产生的漏电流波形更加多样。早年电力网络负载多以线性为主，发生漏电故障时，主要出现工频正弦交流信号;随着整流装置和大量电力电子器件的应用，这一类非线性负载发生漏电故障时，可能出现脉动直流和平滑直流漏电流信号[9]。

　　1.1正弦交流漏电流通常采用电磁式电流互感器进行检测[10]。其工作原理主要是根据电磁感应定律，互感器检测电流信号，通过调整电路将信号滤波放大让单片机进行采样，接着判别元件分析采样信号是否大于动作阈值，来决定保护器是否动作。

　　1.2脉动直流漏电流一般在装有不间断电源以及变频器的电路发生接地故障的情况下产生，主要包括半波、90°波和135°波三种波形[11]。电磁式电流互感器法理论上也可作为检测脉动直流漏电流的方法，但是其检测结果与实际情况会有很大的误差。存在两个主要原因：①检测脉动直流漏电流时，电磁式电流互感器磁心磁化方向减少;②直流分量无法感应电动势，电流互感器二次侧不会有电流产生[12]。文献[9]中提到，检测该漏电流可采用电压型磁调制式保护器，已知励磁电流波形对互感器的工作不会产生影响，故将漏电流与励磁电流结合，通过检测结合后的电流，可以检测脉动直流漏电流。

　　1.3平滑直流漏电流随着电力电子器件的发展，直流电源得到了广泛的应用，尤其在高层建筑的应急电源。一旦它们出现漏电，会产生平滑直流漏电流。霍尔电流传感器法和磁调制式电流互感器法都可作为交直流电流检测的方法。但霍尔电流传感器的磁气缝存在漏磁，容易受到外部的影响而使得检测的误差较大，故不适用于平滑直流的检测[13]。文献[13]中提到了一种B型漏电流保护器，其利用了磁调制式电流互感器和零序电流互感器的结合，经实践测试，该检测方式可检测平滑直流漏电流。

　　2漏电流故障线性负载等效电路模型

　　漏电流故障负载分为线性负载与非线性负载。 非线性负载是指负载阻抗在负载整流等装置的作用下，阻抗值会随着某些参数而变化，其电压与电流不成正比[11]。常见的典型非线性负载有不间断电源、逆变元件等。线性负载较为常见，人体等效负载、木材等效负载、水泥等效负载皆为线性等效负载，以这3种等效负载建立电路模型。

　　2.1人体等效电路模型

　　安装漏保的主要原因就是防止人体触电。低压电网中漏电保护器一般为三级安装，分别是总保、中保和户保。户保的额定剩余动作电流值一般为30mA，而人体对于电流值十分敏感，阈值皆在毫安级别。人体的摆脱阈值为10mA，室颤阈值为50mA，电流大于30mA，会对人身安全造成威胁，超过50mA则足以致命[14]，此时漏保如果不直接动作，将有可能出现触电事故。因此需要对人体等效负载电路进行建模，分析触电漏电流。触电时，人体阻抗由皮肤阻抗和体内电阻组成。人体阻抗大小与频率、皮肤的相对湿度、接触面积等都有一定的关系[15]。该人体阻抗网络用来进行电灼伤电流测试，称为不加权人体阻抗模型，只考虑了人体阻抗模型，并没有对高频电流进行补偿。文献[15]中提到不同标准下人体阻抗也不尽相同，但都是只含有电阻和电容的串并联电路模型。

　　2.2水泥等效电路模型

　　水泥是生活中最常见的建筑材料。硬化后的水泥电路电学等效电路，R为孔容液电阻，C为介质电容，Z为法拉第阻抗，指的是电流经过硬化水泥时发生电解，等效为一定的阻抗。而水泥具有一定的频率特性，频率高于10Hz时，电路阻抗以电阻为主[16]。工频交流电频率一般为50Hz，因此可将水泥等效电路模型等效为一个电阻。

　　2.3木材等效电路模型木材是树木砍伐后，经加工供给建筑、家装和制作各种器件所用材料，其发生漏电现象也十分危险，所以对木材进行等效电路建模也是必要的。

　　3低压电网正常漏电流低压电网中存在着一些微小的漏电流，即正常漏电流。在建立低压电网模型时需要将该电流模型加入其中，提高仿真的准确性。

　　4低压电网建模与漏电流仿真分析4.1低压电网建模据调查统计，我国最主要的两个低压电网接地方式为TT接地系统与TN系统，其中农村及乡镇以TT系统作为主要的接地系统[17]，至于IT系统则主要使用于各类工厂之中，不计入考虑范围。因此本次低压电网模型采用中性点直接接地的TT接地系统，系统只引出N线。

　　5结论

　　本文通过仿真得到了多种故障负载等效电路模型的漏电流波形图，其结果与现实漏电流波形情况相符，证明了模型的可行性;观测与对比仿真波形图，当故障等效电路接入电网中时，故障相漏电流激增，非故障相几乎没有变化;且随着接入故障相的电阻阻值的增加，电网漏电流的幅值以及其畸变程度变小;将多种人体阻抗网络接入电网中，发现触电瞬间电流波形发生振荡，可以利用这一特性，设计在人体触电或发生接地漏电故障时利用暂态波形变化信号而动作的漏电保护器，为漏电故障的检测和定位等提供理论依据。

　　参考文献

　　[1]时永喆.农村室内线缆漏电检测定位装置的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2017.

　　[2]周清平.安全用电监控系统的研究与应用[J].电气技术,2019,20(7):62-66,73.

　　[3]夏越,杜松怀,李春兰,等.中国剩余电流保护技术与装置的发展趋势[J].农业工程学报,2010,26(增刊2):151-155.

　　[4]张冠英,杨晓光,李奎,等.剩余电流互感器的设计与特性分析[J].天津大学学报,2011,44(6):547-552.

　　[5]张振宇.轨道交通车站电气火灾监控系统误报诊断探讨[J].电气技术,2018,19(10):106-107,111.

　　作者：许冠炜郑荣进邓明在

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