剩余電流保護(hù)器的應(yīng)用與分析

徐歐珺，呂 欽，陳 靚，王 晟

（浙江省麗水市蓮都供電公司，浙江 麗水 323000）

1 剩余電流保護(hù)器的種類和工作原理

1.1 剩余電流保護(hù)器的分類及使用范圍

目前，市場上剩余電流保護(hù)器的型號和種類繁多，但工作原理基本一致。根據(jù)其動作特性與電源電壓是否有關(guān)，分為電磁式剩余電流保護(hù)器和電子式剩余電流保護(hù)器兩種。

一般動作特性與電源電壓無關(guān)的剩余電流保護(hù)裝置，通常被稱作電磁式剩余電流保護(hù)器。該剩余電流保護(hù)器通常被使用在農(nóng)村、城鄉(xiāng)結(jié)合部、動力和照明混用的線路。該類型的剩余電流保護(hù)器理論使用的是電流的平均值算法。

動作特性與電源電壓有關(guān)的剩余電流保護(hù)裝置，通常被稱作電子式剩余電流保護(hù)器。該類型的剩余電流保護(hù)裝置是在原有剩余電流保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上改進(jìn)算法、改進(jìn)制造工藝而來。以前農(nóng)村、城鄉(xiāng)結(jié)合部、動力和照明混用的線路中的負(fù)載性為線性負(fù)載，電阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載，諧波源極少。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的更新疊代，冶金工業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電氣化鐵路的建設(shè)，為了工業(yè)化生產(chǎn)的穩(wěn)定，大量使用UPS、整流器、逆變器、IGPT以及硅整流等非線性元件，使負(fù)載性質(zhì)從線性負(fù)載轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性負(fù)載，使得電磁型剩余電流保護(hù)器在新的環(huán)境下無法正確動作，于是設(shè)計(jì)了新型的電子式剩余電流保護(hù)器。

1.2 剩余電流保護(hù)器工作原理

1.2.1 電磁型剩余電流保護(hù)器工作原理

電磁型剩余電流保護(hù)器的接線原理如圖1所示。在接線正常的情況下，電路中沒有發(fā)生人身觸電、設(shè)備裝置漏電、線路單相接地故障時，剩余電流保護(hù)器的電流互感器一次側(cè)中通過的一次電流矢量和等于0（三相極度平衡狀態(tài)），計(jì)算為IL1+IL2+IL3+IN=0。L1、L2、L3和N在電流互感器中產(chǎn)生的磁通矢量和等于0（實(shí)際中三相不平衡其值不為0，零序電流小于瞬時脫扣電流值），此時電流互感器二次側(cè)輸出為零或較小值，二次電流值小于瞬時脫扣值，不足以脫扣，此時剩余電流保護(hù)器處于正常供電狀態(tài)[1]。

當(dāng)發(fā)生人身觸電、設(shè)備裝置漏電、保護(hù)線路單相接地故障時，L1、L2、L3和N在電流互感器中產(chǎn)生的磁通的矢量和不等于0，即IL1+IL2+IL3+IN≠0，此時在電流互感器二次側(cè)電流輸出值達(dá)到瞬時脫扣值，剩余電流保護(hù)器動作，斷開所保護(hù)線路。

1.2.2 智能型電子式剩余電流保護(hù)器工作原理

智能型剩余電流保護(hù)器的算法采用有效值計(jì)算，核心計(jì)算公式為：

IRMS為電流的有效值，為電流的平均值，i(t)為時刻電流的瞬時值，Kf為正弦波波形因數(shù)，T為周期。

式（1）經(jīng)過離散化和傅里葉變換，得到：

從式（2）中可以明顯發(fā)現(xiàn)，電流的有效值不單單與線性負(fù)載有直接關(guān)系，也與非線性負(fù)載有著密不可分的關(guān)系，與各次諧波的有效值有著直接聯(lián)系。該算法與傳統(tǒng)的計(jì)算方法對比，更加精確，提高了保護(hù)的可靠性。

智能型電子式剩余電流保護(hù)器通過電子采樣設(shè)備進(jìn)行電壓、電流、零序電流的采樣，然后使用整流電路、濾波電路、信號放大電路以及AD轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)電流有效值的判斷，最后做出反饋。

當(dāng)采樣信號計(jì)算I小于電流脫扣值時，剩余電流保護(hù)器不動作，設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)；反之，保護(hù)器動作，被保護(hù)線路斷電。

圖1 電磁型剩余電流保護(hù)器接線原理圖

2 實(shí)例應(yīng)用于分析

2019年8月13日漏電保護(hù)監(jiān)察系統(tǒng)預(yù)警，蓮都區(qū)供電公司管轄下陳寮村配變發(fā)生漏電保護(hù)跳閘，要求分析跳閘原因。

配變型號S9-100 kVA，接線組別Yyn0，In額定電流144.3 A，漏電保護(hù)GRM1L-250。

系統(tǒng)記錄參數(shù)（以平均值為代表）：IA為51.9A，IB為137.1 A，IC為59.1 A；漏電流376 mA；線路空載時，漏電流72 mA。

線路負(fù)載：單相居民用戶，單相1.5 kW電動機(jī)4臺，三相15 kW電動機(jī)2臺，帶星三角啟動的20 kW電動機(jī)1臺。

通過以上已知參數(shù)，對陳寮村配變發(fā)生漏電保護(hù)器跳閘事件從漏電保護(hù)的選型、脫扣電流的整定、三相不平衡電流的計(jì)算、星三角啟動電流4個方面，對漏電保護(hù)器的影響進(jìn)行詳細(xì)分析。

配變低壓側(cè)額定電流為144.3 A，而配置的GRMIL-250的智能漏電保護(hù)器的額定電流為250 A，其配比系數(shù)為1.73倍（國網(wǎng)配網(wǎng)低壓規(guī)程配比要求1.5～2.5，根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)選擇配比），以此判斷該型號GRMIL-250漏電保護(hù)器選型正確[2]。

GRMIL-250漏電保護(hù)器其瞬動脫扣器用于保護(hù)時，首先應(yīng)躲過線路的尖峰電流，計(jì)算如下：

Ir3為斷路器瞬動脫扣整定電流；Krel3為斷路器瞬動脫扣器的可靠系數(shù)，取1.2；IrtM1為線路中最大一臺電動機(jī)的全啟動電流，包括電流周期分量和非周期分量，考慮到諧波設(shè)備引起的電流變化，該值通常取最大一臺電動機(jī)的全啟動電流的2倍；Ijs(n-1)為除了最大電動機(jī)的全部負(fù)載電流。

電動機(jī)三角啟動電流為電機(jī)額定電流的4～7倍，這里Kf取5。

通過計(jì)算，該環(huán)境下斷路器脫扣電流只要大于153.6 A即可。反向檢查GRMIL-250瞬動脫扣器的整定檔位，判斷該GRMIL-250漏電保護(hù)器其脫扣整定值設(shè)置合理（瞬動脫扣為2 500 A檔）。

漏電保護(hù)器當(dāng)發(fā)生三相極度不平衡時，其電流超過脫扣電流時，有概率引起漏電保護(hù)器動作。在此通過實(shí)際參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，以判斷該技術(shù)參數(shù)下保護(hù)器是否會發(fā)生跳閘。計(jì)算如下：

通過三相不平衡獲得的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，理論情況下零序電流可以達(dá)到81 A，與瞬時脫扣電流153.6 A有一定的差距，不會引起漏電保護(hù)器的脫扣動作。計(jì)算此時的負(fù)載率可以發(fā)現(xiàn)，A相為36%，B相最高為95%，C相為41%。通過系統(tǒng)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，該配變的不平衡度大于20%的時候占35%的時間，說明該情況下有大量零序電流流過。

在星三角啟動電動機(jī)時，電機(jī)的啟動電流對電網(wǎng)的沖擊與電機(jī)直接啟動的電流有所區(qū)別。雖然星三角啟動電動機(jī)時電流為三角啟動電流的1/3，但是其時間繼電器動作間隙對電網(wǎng)的沖擊比電動機(jī)本身要大得多。

為了分析該情況和對應(yīng)參數(shù)是否真的對漏電保護(hù)有較大沖擊，班組作業(yè)人員在100 kVA變臺下直接接帶星三角啟動器的75 kW的電動機(jī)，額定電流142.44 A，功率因數(shù)按0.8計(jì)算，配置GRMIL-250型號智能漏電保護(hù)器。它的脫扣器整定電流在8In檔位，2 000 A星三角啟動器的時間繼電器有0.05 s、0.1 s、0.25 s和0.5 s四擋配置[3]。

經(jīng)過15次的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其中有4次跳閘情況。表1為在漏電保護(hù)下樁頭上測得的電流參數(shù)與繼電器切換時間的對應(yīng)關(guān)系。

表1 繼電器時間切換與其產(chǎn)生的浪涌關(guān)系表

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，星三角啟動器切換時間越大，產(chǎn)生的浪涌值越高，對線路沖擊越大。檔位在0.25 s時，頻繁發(fā)生跳閘，繼電器工作在0.05 s檔時形成浪涌與額定電流比為5.96，在0.1 s檔為9.15，在0.25 s檔為16.5。以此換算至額定電流為7.99 A的電動機(jī)上，其浪涌沖擊值47 A（0.05 s）、73 A（0.1 s）、131 A（0.25 s），因此應(yīng)將其設(shè)置在0.05或0.1檔。

通過計(jì)算可知，目前參數(shù)在0.1 s檔時，線路漏電保護(hù)器過流脫扣。因此，應(yīng)將時間繼電器設(shè)置在0.05 s檔。

檢查漏電保護(hù)器其漏電指示檔位，其設(shè)置在500 mA檔，實(shí)際系統(tǒng)監(jiān)控最高值為376 mA，該保護(hù)跳閘不是漏電引起的。

3 結(jié) 論

班組人員通過從漏電保護(hù)的選型、脫扣電流的整定、三相不平衡電流的計(jì)算、星三角啟動電流4個方面，對漏電保護(hù)器的跳閘可能進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)了星三角啟動中的切換器的時間選擇檔對漏電保護(hù)器的影響，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時分析出該配變也是由該原因引起的跳閘。