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低压设备运行参数检测与保护装置研制 研究生签字：职懈 指导教师签字：澎1 爱f 又 摘要 漏电保护是防止人身触电、电气火灾及电气设备损坏的一种有效的防护措施，被广泛 应用于电力、电子和建筑等领域。虽然目前对漏电触电的研究已经非常多，但是目前市面 上的漏电保护器仍然存在频繁误动作和拒动作以及灵敏度低等缺点，引起的重要电气设备 损坏、人畜伤亡和火灾等事故依然层出不穷，论文以过电压、过电流和漏电流这三个电气 参数为研究对象，以漏电死区和电网谐波干扰这两个事故发生的主要原因为剖析点，进行 研究。 针对论文的低压设备运行参数检测与保护系统，采用单片机技术进行了相应的算法研 究和相关的系统设计。分析比较了谐波的模拟滤波检测方法以及基于傅立叶变换和小波变 换的检测方法，提出了基于傅立叶变换的谐波检测方法；介绍了漏电保护的原理及相关检 测方法，从而确定利用逐值检测法来检测漏电参量；设计了检测装置的相关硬件电路，主 要包括电源系统、主控电路、过零点检测电路、动作执行电路等，同时编写了检测装置对 参数的检测和处理的相应软件实现程序，完成了参数的检测、快速处理、故障显示和报警 警示。 论文在m a t l a b 7 0 环境中对基于傅立叶变换和小波变换的谐波检测方法作了仿真分 析，验证了相关检测方法的可行性，同时对漏电触电进行了实验验证，基本达到预期效果； 对模拟的谐波电压信号进行了采样和处理，和m a t l a b 仿真结果基本保持一致。实验结果 表明，整个系统有较高的可靠性，基本可以实现三参数的有效检测和判断。 关键字：漏电保护；漏电死区；谐波检测；傅立叶变换；小波变换 d e t e c t i n go fl o w - v o l t a g ee q u i p m e n to p e r a t i o np a r a m e t e r sa n d d e v e l o p i n go fp r o t e c t i o nd e v i c e d i s c i p l i n e ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s t ud e n ts i g n a t u r e p s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 幽比恸锄 a b s t r a c t l e a k a g ep r o t e c t i o ni sa ne f f e c t i v em e a s u r et op r o t e c tp e o p l ea g a i n s tt h ee l e c t r i cs h o c k ， a v o i de l e c t r i cf i r ea n de l e c t r i c a le q u i p m e n t sd a m a g i n g i ti sw i d e l yu s e di nt h ee l e c t r i cp o w e r , t h ee l e c t r o n i cf i e l da n dt h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r y s of a r , t h e r ea r ea l r e a d ym a n y r e s e a r c h e so n e l e c t r i c i t yl e a k a g e ，b u ts t i l lal o to fa c c i d e n t sa b o u te q u i p m e n td a m a g i n g ，p e o p l ea n d a n i m a l s d e a t ha n de l e c t r i cf i r ea r eh a p p e n i n gh e r ea n dt h e r e ，b e c a u s e f r e q u e n ti n c o r r e c t o p e r a t i o n s ，f a i l u r ea c t i o n sa n dl o ws e n s i t i v i t ye x i s ti nt h ep r e s e n tl e a k a g ep r o t e c t i o n t h et h r e e e l e c t r i cp a r a m e t e r so v e r v o l t a g e ，o v e r c u r r e n ta n dl e a k a g ec u r r e n tw i l lb em a i n l ys t u d i e db a s e d o nt w oi m p o r t a n tr e a s o n sc a u s i n gt h ea b o v ea c c i d e n t s o n ei s n o n p r o t e c t i v ea r e ao fe l e c t r i c l e a k a g e ，t h eo t h e ri sh a r m o n i ci n t e r f e r e n c e a c c o r d i n gt ot h el o w v o l t a g ee q u i p m e n to p e r a t i o np a r a m e t e r sd e t e c t i n ga n dp r o t e c t i o n s y s t e m ，r e l a t e da l g o r i t h m sa r ea n a l y z e da n dt h es y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h em i c r o c o n t r o l l e r t e c h n o l o g y t h ea n a l o gf i l t e rd e t e c t i o nm e t h o df o rh a r m o n i ca n do t h e rm e t h o d sb a s e do n f o u r i e rt r a n s f o r ma n dw a v e l e tt r a n s f o r ma r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d ，t h e nh a r m o n i cd e t e c t i n g m e t h o db a s e do nf o u r i e rt r a n s f o r mi sp r o p o s e di nt h ep a p e r t h el e a k a g ep r o t e c t i o np r i n c i p l e a n dr e l a t e dd e t e c t i n gm e t h o d sa r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e dw i t he a c ho t h e r ；t h eo n e b vo n e p o i n td e t e c t i n gm e t h o di su s e df o rl e a k a g ep r o t e c t i o n t h es y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ti sf i n i s h e d ， w h i c hi n c l u d e st h ep o w e rc i r c u i t ，t h em a i nc o n t r o lc i r c u i t ，t h ez e r o c r o s s i n gc i r c u i t ，m er e l a v a c t u a t i n gc i r c u i ta n ds oo n t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ep r o g r a m m i n gf o rt h es y s t e mi s c o m p i l e d s o ，t h ep a r a m e t e r sd e t e c t i n g ，f a s tp r o c e s s i n g , t r o u b l ed i s p l a ya n da l a r mw a r n i n ga r e r e a l i z e d t h ed e t e c t i n gm e t h o d sb a s e do nf o u r i e rt r a n s f o r ma n dw a v e l e tt r a n s f o r ma r es i m u l a t e d a n da n a l y z e di nm a t l a b 7 0 t h ef e a s i b i l i t yo ft h et w o d e t e c t i n gm e t h o d si sv e r i f i e d t h e p r a c t i c a lh a r m o n i cv o l t a g es i g n a l sa r ep r o c e s s e dw h o s er e s u l ti s n e a r l yi na c c o r dw i t ht h e s i m u l a t i n gr e s u l t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mm a d ei nt h ep a p e rh a sr e l a t i v e l y h i g hr e l i a b i l i t ya n db a s i c a l l yr e a l i z e st h ee f f e c t i v ed e t e c t i n go ft h et h r e ep a r a m e t e r s k e yw o r d s ：l e a k a g ep r o t e c t i o n ；n o n p r o t e c t i v ea r e ao fe l e c t r i cl e a k a g e ；h a r m o n i c d e t e c t i n g ；f o u r i e rt r a n s f o r m ；w a v e l e tt r a n s f o r m 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：髁 指导教师签名：盘：门文f 炙 日期： 郦，呖，。9 ， 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 7 碱沫 剐炭，久 w p p 。牛 6 7 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 电是现代经济的命脉，它与工农业生产以及人们日常生活密切相关，是一种便于传输、 使用方便、最为洁净的能源。随着我国经济建设规模的不断扩大和人民生活水平的提高， 各经济、政治、文化部门重要用电设备不断增加，尤其是工矿企业、航空航天等。这些重 要用电设备和人畜的保护已成为一项至关重要的任务，其因素包括三个方面：过电压、过 电流和漏电触电。根据不完全统计，我国每年有数千人死于触电事故，因漏电引起的火灾 和重要电气设备损坏造成的经济损失达数亿元，防止因漏电而引起人身触电以及因接地故 障而导致的设备损坏甚至发生火灾已成为当务之急，建立科学完善的触电、漏电保护体系 己迫在眉睫。所以在检测低压设备的三个电气参数中，电压电流的谐波检测和漏电触电是 本文研究的重点和难点。 目前国内外普遍采用剩余电流动作的保护方法，但其设定动作值较大，误动作较多， 影响了设备的连续工作。且在有些情况下仍然存在死区问题n 2 1 ，导致漏电保护系统发生 拒动作，因此无法实现正确的漏电保护，还存在极大的安全隐患。究其原因，主要在于漏 电死区的存在和电网谐波造成的干扰，这些问题在国内外尚未有效地解决，需要研究新的 漏电保护原理，本文就以这两个方面为切入点，提高漏电保护器工作的可靠性和安全性。 随着电子技术的发展和单片机应用领域的拓展，在国内外低压电器领域，单片机技术 已经取得了长足的应用和发展，将单片机技术应用到剩余电流保护器使得其保护特性更准 确、更可靠，取得了较大的社会效益和经济效益。因此，采用单片机技术的漏电保护系统 在功能的实现方面具有较强的优势，解决了以往不能或不易解决的问题。 同时，近年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、 交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重，产生谐波的设备类型及数 量均已剧增，如：电源本身谐波、铁磁饱和型设备和用电设备产生的谐波。对断路器而言， 无论其构成元件为电磁的、热磁的、还是电子的，都可能受谐波的影响而误动作。对于漏 电保护器来说，由于谐波汇入漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或拒动 作。谐波还会使电磁接触器、热继电器额定电流降低，有可能造成误动作。为了使漏电检 测能更加有效准确，我们有必要检测、区分并提取谐波信号的相关信息，然后检测其他干 扰漏电的因素，判断是干扰还是漏电，进一步增强漏电保护的可靠性和安全性，有利于在 故障初期及早采取措施使系统恢复正常。 1 2 漏电保护的原理 漏电保护器( 剩余电流动作保护器) 是指能同时完成检测剩余电流，将剩余电流与基准 两安t 业人学硕+ 学位论文 值相比较，以及当剩余电流超过基准值时断丌被保护电路的装置。 漏电保护器主要包括检测元件( 零序电流互感器) 、中间环节( 包括放大器、比较器、 脱扣器等) 、执行元件( 主开关) 三个基本环节。 图1 1 是三相四线制供电系统的漏电保护器工作原理示意图。t a 为漏电电流互感器， g f 为主开关，t l 为主开关的分励脱扣器线圈n 1 。 图1 1 漏电保护原理图 在被保护电路工作j 下常，没有发生漏电或触电故障的情况下，由克希荷夫定律可知， 通过漏电电流互感器t a 一次侧的电流相量和等于零，即： i n + i l 2 + ll 3 + i a , = 0 这使得t a 铁中心的磁通的相量和也为0 ，即： l + 2 + 3 + ，20 这样电流互感器的二次侧没有感应电动势产生，漏电保护器不动作，系统保持正常供 电3 1 。 当被保护电路发生漏电故障或有人触电时，由于漏电电流的存在，使得通过电流互感 器一次侧各相电流的相量和不再等于零，产生了漏电电流，。 i n + i l 2 + i l 3 + i n = i x 这使得t a 铁中心的磁通的相量和也不等于o ，即： l + ( i ) l 2 + 3 + ，= x 在铁心中出现了交变磁通。电流互感器的二次侧在交变磁通作用下，就有感应电动势产生， 此漏电信号经中间环节进行处理和比较，当达到预定值时，使主开关分励脱扣器线圈t l 通电，驱动主开关g f 自动跳闸，切断故障电路，从而实现保护。 用于单相回路的漏电保护的工作原理与此相同，不再赘述。 2 1 绪论 1 3 漏电保护技术的发展与现状 1 3 1 国外漏电保护技术的发展 漏电保护技术是从二十世纪初在西欧国家发展起来的。漏电保护器的发展大约经历了 三个阶段，即初始阶段、发展阶段和成熟阶段。1 9 2 1 年德国正式发明了电压动作型漏电 保护器，主要保护设备外壳漏电，自此，德国的v d e 规程及英国的b s 规程均制定了有 关电压动作型漏电保护器的标准。1 9 3 0 年欧洲国家开始采用电压型保护器。电压型保护 器有不可克服的缺点，只能保护单台用电设备，且过电压容易损坏漏电保护器，现在已经 被淘汰使用了。电力系统的谐波问题在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代才引起了人们的注意， 所以人们对谐波影响漏电检测的这一意识还比较模糊。 根据1 9 2 8 年提出的专利，法国人在1 9 4 0 年制成了世界上第一台灵敏度为1 0 m a ，切 断时间为o 1 s 的电流型漏电保护器。但由于当时磁性材料的发展尚未达到一定的水平， 并且制造灵敏的脱扣机构的技术也不完善。因此在第二次世界大战之前，漏电保护器未能 大批量生产并用于工程实际中去。 第二次世界大战以后，随着电气化进程的加快，电气设备用量日趋增加，触电及电气 火灾的可能性也与日俱增。因此，人们对漏电保护器寄予很大的希望。 西德在5 0 年代就开始批量生产漏电开关，但是将漏电保护器真正作为触电保护手段 用于实际工程，则是在6 0 年代以后的事情阳1 。1 9 5 6 年德国开始批量生产电流型保护器， 1 9 6 2 年美国研制成功了灵敏度为5 m a 的电流型保护器，英国生产了额定漏电动作电流为 3 0 m a ，额定动作时间为3 0 m s 高灵敏度快速型漏电保护器。6 0 年代后期，西欧各国漏电 保护器的发展已趋于完善。n - - 十世纪七十年代各国开始制定规程强制在一些场所安装漏 电保护器。 1 3 2 国内各种剩余电流保护器的性能及发展动向 我国研究漏电保护器起步迟于国外。进入二十世纪七十年代，我国用电量逐年增加， 触电事故也逐年增加，因此引起了各部门的高度重视。在各部门的努力下，开始研制漏电 保护器。1 9 8 6 年制定了国家标准g b 6 8 2 9 漏电电流动作保护器( 剩余电流动作保护器) 4 4 1 ，1 9 9 5 年进行了重新修订，明确规定了漏电保护器产品的质量要求、工作条件和实 验方法，从此我国漏电保护器产品的设计和生产进入科学化、规范化阶段，产品系列逐步 齐全，产品质量稳步提高，并逐步强制规定用户安装漏电保护器。我国漏电保护器的生产 和应用起步较晚，从7 0 年代中期开始发展，并首先在农村低压电网中推广应用。经过8 0 年代和9 0 年代的自行研制、开发，引进国外先进技术，取得了较大的进展，己形成一个 品种完善，规格齐全，符合i e c 国际标准的漏电电流保护器的产品系列口1 。在低压电网的 安全保护中，尤其是农村低压电网的安全保护中发挥了重要的作用。我国生产的剩余电流 保护器绝大部分为电子式的，约占剩余电流保护器总产量的9 0 左右。电磁式剩余电流 3 两安工业大学硕十学位论文 保护器因制造成本高、价格贵，使用量较少，目前仅占1 0 左右陋1 。主要种类有：家用及 类似用途剩余电流断路器、剩余电流断路器( 主要由低压塑壳断路器派生而成) 、移动式剩 余电流保护器和剩余电流继电器等呻1 。 1 ) 家用及类似用途剩余电流断路器 家用及类似用途剩余电流断路器可分为带过电流保护和不带过电流保护两种，适合于 非专业人员使用。主要使用在商店、办公楼、饭店及城乡居民住宅等建筑物中，对低压线 路和用电设备进行保护。 2 ) 剩余电流断路器 由低压塑壳断路器派生的剩余电流断路器，适合于专业人员使用，基本上都是电子式 的剩余电流断路器。这类产品额定电流较大，除了漏电保护外，还具有过载和短路保护， 可作为工厂车间、农村等配电装置主干线、分支线的漏电和过载短路保护装置。 3 ) 剩余电流继电器 a 、一般型剩余电流继电器 b 、脉冲型剩余电流继电器 脉冲型保护器的诞生曾经在我国漏电保护开关行业产生了巨大的影响，其原理的先进 性及现场的方便性、适应性确立了它在我国现阶段农村电网中广泛使用的地位，为我国保 护器行业的发展发挥了积极的作用。 c 、鉴相鉴幅型剩余电流继电器 继脉冲型剩余电流继电器后出现的鉴相、鉴幅型保护器在解决动作死区方面从原理上 又前进了一步。 d 、基于单片机的剩余电流保护继电器 这种剩余电流保护继电器以单片机为平台，在检测判断的速度和精度上更胜于前几种 类型的继电器。 综上所述，我国目前剩余电流继电器主要是在农村低压电网中使用，剩余电流继电器 与交流接触器组合成剩余电流保护器作为主干线或分支线路的漏电保护装置。 脉冲型、鉴相鉴幅型剩余电流继电器专门适应于我国农村低压电网泄漏电流比较大的 情况，把缓变的动作电流值设定在2 0 0 3 0 0 m a 之间，避开电网正常泄漏电流的误动作； 把突变的动作电流值设定在4 0 m a 左右，这在一定程度上提高了农村低压电网剩余电流保 护器的投运率。既保证在较大漏电流情况下正常运行，大漏电故障时动作，又能对突发的 触电信号实行可靠动作，满足了现场的要求。目前在农村电网中有一定的市场，但相应地 带来误动作增多，影响了供电的连续性，降低了供电质量，因而在城市电网中至今未见使 用。 工业生产中剩余电流继电器的使用主要是在石油化工、钢铁企业等需要连续供电的场 所，作为漏电报警或绝缘监视用。 4 1 绪论 1 4 谐波简介及其研究意义 随着经济建设的不断发展，电力系统负荷越来越大，冲击性负荷也急剧增加，各类非 线性用电设备和各类铁心电抗器如电力电子装置、电弧炉、家用电器、高新技术应用等， 产生的谐波危害在电网中日益严重，对电力系统构成了严重的“污染 。这些“污染”会 对各种用电设备、继电保护装置、计算机、测量仪表以及通信系统设备等产生破坏性的影 响。谐波对各种用电设备和继电保护的影响具体表现为：谐波严重影响电力系统的运行， 会导致某些不正常的运行状态。高次谐波电流使电力线路的电能损耗增加。谐波电流通过 线路阻抗时的谐波电压降落，产生谐波的有功功率和无功功率损耗。高次谐波还可能使电 力系统发生电压谐振，从而在线路上引起过电压，有可能击穿用电设备的绝缘n 引；谐波常 常会引起继电保护和遥控装置，特别是整流型和晶体管型电子设备误动或拒动，使其动作 失去选择性，可靠性降低，造成系统事故。如果零序电流过大，则可能引起接地保护误动 作。此外，谐波分量很容易导致晶闸管触发系统及控制装置误动作。所以，对于谐波的检 测，有利于提早发现谐波对电力线路，和重要电力电子设备的损坏，减小漏电保护装置的 误动作，降低漏电触电伤亡事故，提高继电保护装置运行的可靠性，提高经济效率。 1 5 安装低压设备运行参数检测与保护装置的意义和重要性 党的十一届二中全会后工农业生产的快速发展，使电气设备和家用电器数量增加，随 之带来了与安全用电的矛盾。据不完全统计，7 0 年代中期每年都有数千人伤亡于触电事 故，1 9 7 5 年我国触电死亡人数高达6 0 0 0 多人，按用电量统计平均为2 8 7 人千万k w h 。 触电死亡事故在各类伤亡事故中占相当大的比重，当时与先进国家及发展中国家相比，我 国安全用电都处于低水平。从各种原因分析，大都缺乏安全用电知识及用电设备保护装置 不完善。高压电的危害性人们还比较清楚，而对于3 8 0 v ，2 2 0 v 这些常用工作电压却往往 有不正确的认识，如认为这类“低 压电不易电死人。然而试验数据告诉我们：人体通过 频率为5 0 h z 、大小为5 0 m a 的交流电，就开始失去自动脱离电源的能力，呼吸也变得困 难；通过1 0 0 m a 电流，就会使心室纤颤，血液循环停止，最终导致死亡。所以说即使2 2 0 v 的电压在绝缘条件一般的环境中往往也非常危险，因为人体电阻通常约为l k f l ( 当个人 防护措施较差时，电阻还会更小) ，当人触及2 2 0 v 电压，其流过人体电流由欧姆定律可 知为：i = 2 2 0 v l k q = 2 2 0 m a ，远远超过人体能承受的电流值。 面对安全用电的严峻形势，经国内外的实践证明，安装使用剩余电流动作保护器，对 于防止触电伤亡，避免设备因接地故障损坏和漏电引起火灾事故，以及减少漏电引起的电 能损耗，具有明显的效果n 。从1 9 7 6 1 9 8 5 的1 0 年间，剩余电流动作保护器在我国经济 发达的农村和东南沿海地区的城市，为适应安全用电形势的需要，得到了推广，形成大批 量的生产、安装和使用的局面。据不完全统计，目前在农村电网中己装有剩余动作电流保 护器3 0 0 0 多万台，到1 9 9 8 年农村触电死亡事故己降到1 6 7 起。 5 两安工业人学硕十学位论文 漏电保护器在实践中已经使用多年，效果明显。安装了保护器，触电事故中死亡人数 明显减少，如表1 1 所示。 表1 1 有无保护器事故对照表 总之，低压设备运行参数检测与保护装置具有在检n - n 危险后能够自动切断电源以预 防重要设备的损坏，维护电子设备的安全并且保障人身安全的重要功能。它不仅具备漏电 保护器的功能，而且减小了过压过流对设备的损坏和人身的伤害，构成了一道安全的屏障， 保证了人们用电的安全性和可靠性。其应用既有可观的经济效益，又有其广泛的社会效益： 1 ) 提高了设备使用操作的安全性和可靠性。 2 ) 能有效地切断漏电电流、短路电流，防止重要设备被损坏。 3 ) 建立了一个确保人身触电伤亡的保护屏障，基本上杜绝了人身触电伤亡事故的发 生。 4 ) 减小了经济损失，提高了工作生活的保障。 1 6 论文结构安排 第一章论述了研究课题的背景、概述了漏电保护系统的发展历程及其分类，简述了 谐波来源、危害及研究意义，强调了安装设备运行电气参数检测与保护装置的重要性，最 后提出了论文结构安排。 第二章介绍了漏电检测的的理论和各种检测处理算法，理论分析了漏电死区的存在， 介绍了谐波检测主要理论和谐波干扰处理有关算法，建立了谐波的四种信号模型，对其作 了基于傅立叶变换和小波变换的谐波检测方法仿真分析，确定了本系统的谐波检测方案。 最后给出了计算交流电流( 电压) 有效值的方法。 第三章阐述了软件设计的一些原则，主要介绍了系统软件设计的总流程，阐述了各个 功能模块的设计。 第四章为本系统的总体硬件设计部分。分析了各功能模块电路的设计原理，确定了相 关设计参数，并给出了各模块电路原理图，包括系统电源电路、信号过零点检测电路、复 位电路、调试接口电路和人机接口电路等，最后介绍了系统硬件抗干扰的措施。 第五章介绍了硬件调试，电源电路调试分析，给出了漏电保护的实验结果和电压保护 的实验结果。 第六章为课题总结和展望部分，总结了前面所做的工作，对未来工作进行了展望，并 分析了本系统需要改进的地方。 6 2 漏电和谐波等参数处理方法 2 漏电和谐波等参数处理方法 2 1 漏电流检测分析法 我国的低压电网主要采用中性点直接接地的三相四线制电网。当a 、b 、c 三相电压 相等，且三相漏电阻抗完全对称时，三相对地漏电电流的矢量和为零。通常漏电阻抗是不 平衡的，故漏电流总是存在的。漏电流随气候变化、设备老化或其他条件变化而发生的变 化是比较缓慢的，漏电流从一个值过渡到另一个值需要较长的时间，即缓变电流，其额定 动作值k 一般整定为1 0 0 - 2 2 0 m a n 2 q 引。而突变电流总是突然变化，在人畜触电或设备 突然损坏时产生，它在瞬间达到其额定动作值i n ，i n 一般设定在3 0 m a 。由于缓变电 流和突变电流的额定动作值不同( i a i n ) ，在漏电保护时就需要对这两者区分处理，保证 漏电保护的可靠性和安全性。 2 1 1 脉冲鉴幅法 针对这种缓变电流和突变电流的额定动作值不同的情况，电流脉冲鉴幅漏电保护方式 是比较可取的，机械式的脉冲鉴幅漏电保护器通常设有两个漏电检测通道，一路用来检测 突变电流，另一路用来检测缓变电流，两路的动作整定值不同，缓变动作电流一般整定为 1 0 0 2 0 0 m a ，突变动作电流一般整定为3 0 m a 。但是，从整定值我们却不难看出这种机械 式漏电保护的一个不足，整定值过大，我们国家标准中规定：一般条件下，交流允许安全 电流值为1 0 m a 。由于机械式保护受灵敏度、机械脱扣延时、保证不误动作和死区问题等 因素的影响，导致其理论整定值远大于交流允许安全电流，从而使人身伤亡依然以大概率 出现。另外一个不足在于保护死区问题： 线路总的缓变电流五是三相缓变电流的矢量和。若三相电压的相电压的相角为伽= o ， 伽；1 2 0 。，驴。一2 4 0 。，由于各相漏电电流的大小是随机的，因而合成的总漏电流的大小和 相位也是随机的，其相位角可处于0 3 6 0 。间的任一角度。漏电流合成矢量图如图2 1 所 示。 图2 1 合成漏电流矢量图 我们知道，漏电流互感器检测到的信号电流为电网缓变电流，和突变电流，的相量 和，即 ，a = i ，+ i l = i l p 吼+ i r e 讳 设触电发生在a 相，并以a 相电压u 一为参考相量，设突变电流，与线路总缓变电 7 两安t 业大学硕十学位论文 流，工间的相位差角为驴，就有够= 0 ，讫= 妒，所以 i | l 崞+ ir | i lc o s q ，+ l s i n c p + ir = ( i lc o s p + ir 、) + i i l s i n 妒 大小为i a = ( + i lc o s q 0 2 + ( ts i n 垆) 2 广= 一 = ，2 + t 2 + 2 ，i 工c o s p( 2 1 ) 对于电流脉冲鉴幅式漏电保护，当触电发生时，突变电流，与线路总缓变电流五叠 加形成新的漏电电流，其f j 后的变化量为： ，；l ，a - i l l( 2 2 ) 取这个变化量作为漏电保护的动作信号，当达到整定值时，推动保护装置动作。 将式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) 得 i 心i ? + i l 2 七2 l i zc o s p i l 从而解出 i t s 2 = 序+ a z 一2 h a & c o s ( 1 8 0 。一驴) 这样，存在以下几种情况： ( 1 ) 理想情况下，电路中无触电、漏电等接地故障时，漏电电流矢量和为厶= o ，由触 电产生的脉冲突变电流址= o ，则合成漏电电流：血；五+ 址。0 。 ( 2 ) 若有漏电，且屁与址同相，即9 - 0 ，触电体为纯阻性负载，则有 加2 = 序+ 埘+ 强衄一伍+ a h ) 2 ，即加一五+ 址，漏电电流值增大此。 ( 3 ) 若有漏电，且，工与址反相，即驴= 1 8 0 。，则有：i t s 2 * 斤+ 脯一2 五衄= m a l ) 2 ， 即，埘一五一此，漏电电流值减小此。 从以上分析可以看出，由脉冲漏电引起的漏电幅值变化在+ 此和一衄之间，当两者 相位差处于某一特殊角度时，幅值变化可能为零，即： i t s 2z 1 0 + 亡一2 b a h c o s ( 1 8 0 0 一心= 1 0 此时 尼一2 h a h c o s ( 1 8 0 。一驴) 一0 故 c o s ( 1 8 0 “一们一l | 2 h 从而 甲= 1 8 0 0 a r c c o s ( a h 2 o 这样对于漏电流脉冲衄，由于妒角不同，因而合成的漏电流对于原漏电流幅值变化 量可为_ a h 间的任何值，当妒一a r c c o s ( a l 2 h ) 时，幅值不发生变化，但却引起了漏电流 相位的变化。而实际上，由于漏电保护器有一定的保护灵敏度，所以在 妒= 1 8 0 。一a r c c o s ( a h 2 h ) 附近一定范围内保护器都不会动作，即在这一范围内漏电保护器 r 2 漏电和谐波等参数处理方法 不起保护作用，称这一区域为保护死区。动作整定值越大，死区越小，脉冲鉴幅型保护器 的灵敏度和死区之间存在矛盾，要想弥补这一缺陷，必须对漏电保护器从原理上进行改造。 2 1 2 脉冲鉴幅鉴相法 由前可知，在保护死区，h 与址合成矢量i l u 的大小可能与厶相同，合成的漏电流 对原漏电流的幅值变化量可能为0 ，但合成的h n 的相位不会等于厶的相位，即出现了相 位变化，基于这种考虑，在漏电保护器中加入鉴相电路。鉴相型保护器的工作原理可参照 图2 1 ，三相漏电电流h 的相位角为o ，设铭为触电产生的漏电电流她的相位角，仍为厶 与址合成山的相位角。显然不会等于0 ，即存在相位角的变化，这就是说，此种脉冲 漏电流引起了原漏电流相位的变化。鉴相器识别出这种相位的变化，即可驱动保护器动作， 切断电源，起到漏电保护的作用。脉冲鉴幅鉴相式保护器工作原理如图2 2 所示，可以看 出这种漏电保护组合了脉冲鉴幅法漏电保护和鉴相法漏电保护，有效地解决了保护死区的 问题。 图2 2 脉冲鉴幅鉴相式保护器的工作原理 由于鉴幅器和鉴相器的同步误差大、抗干扰能力弱，且鉴相器自身灵敏度不高等，使 这种方法在实现时有待改进。尤其是出现大量电网谐波时，这种方法的误差更大。 2 1 3 峰值检测电流法 峰值检测法是基于单片机实现的。漏电信号分析模块根据a d 转换的结果，运用此 法分析计算其中突变电流和缓变电流的大小。 如图2 3 的( a ) 、( b ) 、( c ) 图所示，漏电流互感器检测到的信号( 包括缓变电流和突变电 流) 总是在峰值时翔j ( 5 m s ，即1 4 周期的时刻) 达到很大值，此时是发生危险最严重的时刻。 峰值检测方法就是具有针对性地在最有可能发生漏电危险的峰值时刻5 n ( n = l ，3 ，5 ， 7 ，) m s 来检测判断，具体是指在检测到信号的过零点后延时5 m s 再进行检测，所得到 信号值即峰值( 电网供电周期为2 0 m s ) 。其优点在于采样的数据少，占用存储空间小，但 是只检测峰值时刻，然后作比较来判断是否大于突变或缓变电流设定值，这在精度上是不 够的，会出现拒动作的现象，因为在过零点和5 m s 之间，假设在2 m s 、3 m s 、4 m s 已经出 现了漏电流，但这种方法检测不到漏电发生的第一时刻( 此时刻的漏电流可能已超过人体 和设备能承受的电流值) ，不能在第一时刻做出判断，使继电器切断设备电源；另外，实 际电网周期不稳定、集成运放电路检测电流信号过零点时存在误差等因素对峰值时刻的判 9 两安t 业大学硕十学位论文 断影响很大，这样会导致某一周期零点过5 m s 后的时刻并非峰值出现的时刻，要检测的 值也可能并非峰值，从而影响装置中漏电保护模块的正常分析判断，导致人体和设备未能 得到保护。 2 m s3 m s4 m s ( a ) 2 m s 时( b ) 3 m s 时( c ) 4 m s 时 图2 3 漏电流出现在不同时刻的示意 2 1 4 逐值检测法 这种方法也是基于单片机进行漏电流检测的，是针对上述峰值检测方法存在的问题提 出来的。逐值检测法是指整流后的信号在一个周期( 1 0 m s ) 内 点采样信号值，利用各点幅 值和相角的变化来判定缓变电流和突变电流的情况，从而正确动作，解决上述问题。详细 分析如下： 具体来讲，找准信号过零点的时刻而且解决电网周期不稳定等问题后，在每个周期内 确定的时刻采样得到有效的信号值，然后进行处理。这里已第二个采样点为例作以阐述： 如图2 4 的( a ) 图当前采样时刻t 2 1 值与前一周期相应采样值相减，然后与设定值作比较， 大于设定的差值i n ( 突变电流额定动作值) ，若此时再采样后续两个周期相对应时刻t 2 2 和 t 2 3 的信号值，均大于突变电流设定动作值，则确定是突变电流，发出执行信号，使继电 器动作；若再采样后续两个周期相对应时刻t 2 2 和t 2 3 的信号值，如图2 4 的( b ) 图，均小于 突变电流设定动作值，则确定为缓变电流，更新原来缓变电流的记录a 为( a + h 2 ) ，而差 值h 1 是干扰信号。一直这样进行下去，记录的缓变电流值达到设定额定值k 时，应发 出执行信号，继电器动作，否则危及被保护的设备。此检测方案是每三个周期进行一次比 较和处理的，事实上，比较的周期数越多，判断的准确性越高，但是这会使触电动作时间 更长，人体经受电击的时间加长，对人身保护起到反作用，所以三个周期共3 0 m s 的时间 是比较合理的。这种方案的缺点在于占用空间较大，在一些要求设备重量不能太大的场合， 会有一点不便。 1 0 2 漏电和谐波等参数处理方法 h i i t 2 1 t 2 2 1 2 3 t 2 1 1 2 2t 2 3 ( a ) 漏电情况一 ( b ) 漏电情况二 图2 4 连续三周期漏电检测示意 最终可以得到一条漏电流曲线，如图2 5 所示：，是测得的缓变电流，。是触电发 生时的合成电流曲线，其每一时刻的电流值都是缓变电流和突变电流的矢量和，由于在较 短的一段时间内，缓变电流是相对不变的，大小可以等于前一时刻的缓变电流k l ，即图 2 5 虚线所示，所以在t l 到t 3 的每时刻电流突增值即突变电流就可以计算出来，等于址， ，从而绘制出一条电流突增的曲线。重要的一点就是要设计过零点测电路，准确检测 相位差。一般触电体是纯阻性体时，漏电流和工作电压之间的相位差为零，即同时出现信。 号过零点；一旦触电体为非纯阻性体时，漏电流和电压之间的相位差非零，漏电流的过零： 点可能是突变电流和缓变电流在这个时刻的矢量和恰好为零形成的，那么必须检测到这两 者先后过零点的时间差，然后计算出相位差，应用公式r - 世，一，：得到此刻的突变电流 值，进行判断。 这种检测方法提高了安全运行保护装置的可靠性和安全性，并解决了死区问题。出于 安全可靠和应用场合的考虑，此法是比较可取的，可以预先检测到重大设备和人身处于危 险状态，使设备免于受损，减少经济损失。 图2 5 漏电流分析示意图 西安f t 业大学硕士学位论文 2 1 5 漏电检测方案的确定 综合以上几种漏电检测方法：脉冲鉴幅法，存在漏电保护死区；脉冲鉴幅鉴相法在出 现电网谐波时存在较大同步误差，基于单片机系统的峰值检测法可以克服上述问题，但是 只在峰值出现时刻做出判断，采样点数过少，会出现漏检漏判而发生拒动作现象，而逐值 漏电检测法，也基于单片机系统，反映速度快，采样点数多，对死区范围内的漏电流可以 给出准确的判断，实现了漏电保护动作无死区，本文将采用逐值检测法进行漏电流检测。 2 2 谐波检测相关方法 由第一章介绍可知，为了准确分析工作电压、工作电流和漏电流，我们必须考虑电网 存在的各种扰动现象，然而人们最为关注的只是其中的四种现象，分别是：电压骤降、低 频振荡暂态、谐波和闪变，由于这四种扰动占电网扰动总数的8 0 以上，因此本课题以 这四种扰动为重点来研究，以下先介绍几种谐波分析方法，然后根据实际电网中的谐波情 况和仿真分析的需要，构建信号模型以便分析和比较。 2 2 1 模拟滤波器测量谐波法 最早的谐波测量是采用模拟滤波器n 4 1 实现的。图2 6 为模拟并行滤波式谐波测量装置 框图。由图2 6 可见，输入信号经放大后送入一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心 频率n 、亿、伍是固定的，为工频的整数倍，且f l 娥 m ( 其中n 是谐波的最高 次数) ，然后送至多路显示器显示被测量信号所含谐波成分及其幅值。 一滤波器1h 检波器l 卜呻 多 输 一滤波器2h 检波器l _ 斗 路 入 放 - 显 一 大 不 器 器 滤波器n 检波器1 图2 6 并行谐波测量装置框图 该监测方法的优点是电路结构简单，造价低，输出阻抗低，能滤除一些固有频率的谐 波。但该方法也有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响 较大，难以获得理想的幅频和相频特性，当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而 且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量，要求有源补偿器的容量大，运行损耗也大。 2 2 2 基于傅立叶变换的谐波检测法 1 ) 傅立叶变换 由傅立叶级数的定义可知，任何周期函数在满足狄氏条件的前提下，均可展开成正交 1 2 2 漏电和谐波等参数处理方法 基( 正交的正弦函数) 的线性组合形式。而对于连续的非周期函数则存在着傅立叶变换。 设( f ) 是一个连续时间信号，若厂( f ) 属于r ( 尺) 空间，即e l 厂( f ) 1 2 出 2 l ( l 为信号的最高频率，e l 也称为奈奎斯特频率) ，这样才可能从采样后的数字信号， 恢复原来的模拟信号而保证信号原始信息不丢失，且避免产生频谱混叠n 5 1 。 离散傅立叶变换( d f t ) 是信号频谱分析的经典算法。但对于f ( k ) 的每一个k 值，直接 按式( 2 2 ) 计算需要n 次复数乘法，n 1 次复数加法。对于n 个k 值，共需计算n 2 次复数 乘法和n ( n 1 ) 次复数加法。因此，当n 较大时，运算量将相当大。 19 6 5 年图基( ( j w t u k y ) 矛l ：l 库利( ( t w c o o l y ) 提出的快速傅立叶变换算法( f f t ) 成功地 克服了d f t 算法在运算量上的缺陷。由于n 点d f t 的复数乘法次数为n 2 ，因此将一个 n 点的d f t 分解为几个较短的d f t 就可使乘法次数大大减少，这就是快速傅立叶变换算 法的基本思想。下面以基2 f f t 算法为例加以说明。 旋转因子具有周期性和对称性，周期性表现为： w ；刊n = e 胡嘶n 1 捕= e - j 2 栅孙= w ： t 2 6 对称性表现为： k ”= 吲1 (