諧波對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的影響及其應(yīng)對(duì)措施

李哲 宋忠友 王瑞妙 劉厚云

摘 要：漏電保護(hù)設(shè)備在農(nóng)村電網(wǎng)用電安全中發(fā)揮重要作用，但在電網(wǎng)諧波逐漸增多的背景下，漏電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作的可靠性難以保證，從而降低了漏電發(fā)生時(shí)該設(shè)備對(duì)人身及財(cái)物的保護(hù)能力。為了降低諧波對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的影響，本文詳細(xì)分析了漏電保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作原理，明確了不同頻率諧波對(duì)保護(hù)設(shè)備的主要影響因素，并提出了具體的應(yīng)對(duì)措施，有助于提高其在農(nóng)網(wǎng)使用中的可靠性。

關(guān)鍵詞：漏電保護(hù)；用電安全；諧波

1 前言

一般對(duì)人體和財(cái)物安全有直接危害的是線路或電氣設(shè)備的故障性漏電。故障性漏電是不該帶電的帶了電，不該導(dǎo)電的導(dǎo)了電，對(duì)人體危險(xiǎn)性大，在有可燃物的場所，還可能引發(fā)火災(zāi)。而漏電保護(hù)設(shè)備可以在漏電情況出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的整定值及時(shí)切斷故障回路。因此漏電保護(hù)裝置作為繼電保護(hù)的一個(gè)重要組成部分在我國農(nóng)村電網(wǎng)被廣泛推廣使用[1]。

然而隨著農(nóng)網(wǎng)中水泵、變頻空調(diào)、計(jì)算機(jī)等非線性設(shè)備的廣泛使用，諧波污染問題越來越嚴(yán)重，三次諧波含量可達(dá)基波的30%，其他高次諧波含量也會(huì)顯著升高，帶來的電流畸變可能會(huì)造成保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)或拒動(dòng)[2]。特別是漏電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作值為毫安級(jí)，相比其他保護(hù)設(shè)備更為靈敏，更易受到諧波影響，造成設(shè)備可靠性降低。當(dāng)漏電保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)時(shí)會(huì)降低各臺(tái)區(qū)的供電可靠性，而當(dāng)保護(hù)設(shè)備拒動(dòng)時(shí)無法有效保障人身及財(cái)物安全，引發(fā)安全事故。為了明確諧波造成漏電保護(hù)設(shè)備可靠性降低的作用機(jī)理，本文在闡述漏電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作原理的基礎(chǔ)上分析了諧波對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備可能造成的影響，并提出了應(yīng)對(duì)措施，以提高該設(shè)備的實(shí)際使用中的可靠性，有利于漏電保護(hù)設(shè)備在農(nóng)網(wǎng)的迅速推廣。

2 漏電保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作原理

如圖1所示TA 為漏電流流互感器；QF 為主開關(guān)；T 為主開關(guān)的分勵(lì)脫扣器線圈；T 為試驗(yàn)元件，試驗(yàn)回路中的RT為限流電阻；iA、iB、iC、iN分別為相線A、B、C和中性線N中流過的電流，漏電流出現(xiàn)在A相中，ip為經(jīng)大地流入中性點(diǎn)的泄漏電流[3]。漏電保護(hù)設(shè)備通常是由漏電流互感器、機(jī)電式繼電器、觸頭和彈簧構(gòu)成。

根據(jù)有無圖1中所示EC電子元件，可將漏電流保護(hù)設(shè)備分為電磁式和電子式兩種。電磁式漏電流保護(hù)設(shè)備不包含電子組件，其漏電流互感器二次側(cè)直接與機(jī)電式繼電器相連，即由漏電流互感器二次回路電流直接驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。電子式漏電流保護(hù)裝置與電磁式的區(qū)別在于其中間環(huán)節(jié)使用了電子電路，用來對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行放大、處理和比較，再驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作[4]。

根據(jù)圖1所示設(shè)備結(jié)構(gòu)，在被保護(hù)電路工作正常，沒有發(fā)生漏電或觸電的情況下，由基爾霍夫定律可知，通過TA一次側(cè)的電流相量和等于零，即：

（1）

這使得TA鐵芯中的磁通的相量和也為零，即：

（2）

這樣TA的二次側(cè)不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，漏電保護(hù)器不動(dòng)作，系統(tǒng)保持正常供電。

當(dāng)被保護(hù)電路發(fā)生漏電或有人觸電時(shí)，由于漏電電流的存在，通過TA一次側(cè)各相電流的相量和不再等于零，產(chǎn)生了漏電電流Ip。

（3）

這使得TA鐵芯中的磁通相量和也不等于零，即：

（4）

漏電保護(hù)設(shè)備的動(dòng)觸頭受力情況如圖2所示。

其中：Fr為永久磁鐵與交變磁通對(duì)動(dòng)觸頭的作用合力；Fm和Fem分別為永久磁鐵磁通和交變磁通對(duì)動(dòng)觸頭的作用力；Fs為彈簧拉力。

對(duì)電磁式漏電保護(hù)設(shè)備而言，漏電流互感器二次側(cè)直接連接機(jī)電式繼電器，由機(jī)電繼電器上的磁鐵和彈簧共同作用，控制動(dòng)觸頭與支架的接觸與分離。根據(jù)前面的分析結(jié)果，在正常情況下，三相電流與中性線電流處于平衡狀態(tài)，一次側(cè)電流的矢量和為零，漏電流互感器的鐵芯中不產(chǎn)生磁通，二次側(cè)也沒有電壓產(chǎn)生。一旦漏電情況出現(xiàn)，相電流與中性線電流不再平衡，一次側(cè)的漏電流產(chǎn)生的磁通使互感器二次側(cè)感應(yīng)出電壓，并在繼電器所在回路中產(chǎn)生電流，這個(gè)電流將在半個(gè)周波內(nèi)加強(qiáng)永久磁鐵的磁場而在另半個(gè)周波內(nèi)削弱其磁場，當(dāng)漏電流有效值超過整定值，所產(chǎn)生的磁通大到足以削弱永久磁鐵磁場使其對(duì)動(dòng)觸頭的吸引力小于彈簧拉力時(shí)，動(dòng)觸頭與支架脫離，漏電保護(hù)器繼而斷開主回路[3]。

電子式漏電保護(hù)設(shè)備只是在漏電互感器二次回路與機(jī)電式繼電器之間增加了電子分析處理裝置，再利用分析裝置的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)電式繼電器動(dòng)作，其他原理與電磁式漏電保護(hù)設(shè)備相同，這里不再贅述。

3 諧波對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的影響分析

漏電流中的諧波對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作特性的影響機(jī)理十分復(fù)雜，不同的情況下，主導(dǎo)諧波電流對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作可靠性的因素也不相同，本文主要探討諧波波形對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作可靠性的影響。這里不考慮鐵芯飽和作用和磁滯效應(yīng)的影響，假定一次側(cè)漏電流波形可以準(zhǔn)確傳遞到二次側(cè)，分別分析低次諧波和高次諧波對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的影響。設(shè)各次諧波的諧波含量為A，諧波初相角為α。

3.1 低次諧波的影響

其中：Fr為磁場力對(duì)動(dòng)觸頭的作用合力；Fr（without3）為無諧波作用是的磁場力合力；Fem（3）為3次諧波對(duì)動(dòng)觸頭的作用力；Fm為永久磁鐵對(duì)動(dòng)觸頭吸引力；Fs為彈簧拉力。

對(duì)比圖3和圖4可以看出，低次諧波的諧波相位和幅值都會(huì)對(duì)總波形振幅因數(shù)產(chǎn)生顯著影響，振幅因數(shù)越大波形越凸出，反之波形扁平。漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作值是根據(jù)基波有效值整定的。圖3所示情況下，漏電流基波未達(dá)到動(dòng)作值，由于相位為0°的三次諧波加入使波形具有更大的尖峰，即諧波使漏電流的振幅因數(shù)增大，繼電器動(dòng)觸頭上受力越過平衡點(diǎn)，動(dòng)觸頭與支架脫離，斷開控制回路，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)誤動(dòng)作；圖4所示情況下，在不含諧波成分時(shí)，漏電流基波已達(dá)到動(dòng)作值，然而疊加相位為180°的三次諧波后總波形更加扁平，振幅因數(shù)減小，雖然此時(shí)漏電流總有效值大于圖3情況，但是并不會(huì)引起繼電器動(dòng)觸頭動(dòng)作，這種情況屬于漏電保護(hù)設(shè)備拒動(dòng)。從圖3和圖4所示波形以及分析結(jié)果可見，低次諧波的相位和幅值都會(huì)對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的實(shí)際動(dòng)作值產(chǎn)生較大影響。

3.2 高次諧波的影響

其中：Fr為磁場力對(duì)動(dòng)觸頭的作用合力；Fr（without49）為無諧波作用時(shí)的磁場力合力；Fem（49）為49次諧波對(duì)動(dòng)觸頭的作用力；Fm為永久磁鐵對(duì)動(dòng)觸頭吸引力；Fs為彈簧拉力。

圖5、圖6所示波形表明，當(dāng)漏電流基波中混入高次諧波，如果高次諧波含量較高，如A49=0.2，可能會(huì)增大漏電流振幅，引起漏電保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)。實(shí)際電網(wǎng)中一般諧波幅值會(huì)隨著諧波頻率的上升而下降，這里不考慮高次諧波含量過大的情況。另外高次諧波在一個(gè)工頻周期內(nèi)變化多次，因此不會(huì)使漏電流畸變?yōu)楸馄讲ǎ簿筒粫?huì)導(dǎo)致漏電保護(hù)設(shè)備拒動(dòng)得情況發(fā)生。對(duì)比圖5和圖6中Fr所代表的合力曲線，在初始相角分別為0°和180°情況下，保護(hù)的動(dòng)作電流基本相同，因此可見高次諧波的相位對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作值的影響可以忽略，對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作值起關(guān)鍵作用的因素是諧波幅值。

3.3 總結(jié)

低次諧波與高次諧波均會(huì)對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的可靠動(dòng)作產(chǎn)生影響，但影響的主要因素存在差別。低次諧波的影響包括諧波幅值和諧波相位兩個(gè)方面。諧波相位和幅值的變化都會(huì)導(dǎo)致漏電流波形發(fā)生明顯畸變，改變漏電流波形的振幅因數(shù)，引起保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)。而高次諧波由于波形變化迅速，以本文分析示例而言，高次諧波一個(gè)工頻周期內(nèi)可以周期性變化49次，相位因素對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作值影響較小，但與低次諧波相同其幅值都會(huì)對(duì)保護(hù)產(chǎn)生影響。

漏電保護(hù)設(shè)備類型（電子式、電磁式）不同，諧波對(duì)其影響程度也有差異。電子式漏電保護(hù)設(shè)備得益于其中電子元件中的濾波單元可以濾除漏電流互感器二次側(cè)的諧波，再把經(jīng)過處理后的漏電流信號(hào)施加到繼電器上，因而可以有效地降低諧波對(duì)漏電流保護(hù)設(shè)備動(dòng)作靈敏度的影響，使用時(shí)相比電磁式裝置更加可靠。

4 應(yīng)對(duì)措施

本文提出一些可以降低電網(wǎng)中諧波電流對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備影響的實(shí)用措施，以提高其動(dòng)作可靠性。

（1）單相電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間和運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波干擾，其諧波的幅值、諧波的持續(xù)時(shí)間，既與單相電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的端電壓的初相角有關(guān)，也與單相電動(dòng)機(jī)距低壓配電箱距離的遠(yuǎn)近有關(guān)，還與某相所接單相電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)的多少有關(guān)。消除或減少保護(hù)器因諧波干擾誤動(dòng)主要有以下方法：

1）將單相電動(dòng)機(jī)負(fù)載盡量均勻地分布在三相上，避免某相線路中諧波含量過大。

2）適當(dāng)提高保護(hù)器的額定剩余動(dòng)作電流值，可以大大減少單相電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)由于諧波干擾而引起的保護(hù)器誤動(dòng)。

（2）對(duì)于農(nóng)村低壓電網(wǎng)中使用變頻設(shè)備產(chǎn)生諧波對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的影響，可以提高漏電流總保護(hù)裝置的動(dòng)作電流整定值和延長動(dòng)作時(shí)間，以抑制變頻設(shè)備產(chǎn)生諧波的干擾。通過對(duì)脈沖型漏電流總保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間和電流動(dòng)作整定值進(jìn)行調(diào)整，利用總保護(hù)和末級(jí)保護(hù)在動(dòng)作時(shí)間還是在電流動(dòng)作整定值上相互配合分級(jí)保護(hù)，可有效避免保護(hù)裝置的越級(jí)動(dòng)作跳閘。

（3）除以上方法外，通過諧波治理，減少線路電流中的諧波含量，也可以降低電網(wǎng)中的諧波對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的影響。

1）農(nóng)網(wǎng)中已安裝電磁式漏電保護(hù)器，由于其內(nèi)部沒有電子濾波單元，諧波對(duì)保護(hù)動(dòng)作可靠性的影響較大，宜在保護(hù)出口端加設(shè)濾波設(shè)備，減少流入漏電保護(hù)設(shè)備的諧波電流；

2）農(nóng)網(wǎng)中即將加裝漏電保護(hù)設(shè)備的區(qū)域，加大電子式漏電保護(hù)設(shè)備的使用比例，利用電子式漏電保護(hù)設(shè)備內(nèi)部自帶濾波單元的優(yōu)勢，降低諧波對(duì)保護(hù)的影響。

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