一种基于谐波特征的剩余电流断路器暂态故障判据

摘要

本发明公开了一种基于谐波特征的剩余电流断路器暂态故障判据，包括以下步骤：包括以下步骤：S1、通过对活体实验和Simulink仿真得到触电波形，通过FFT频谱发现触电时的谐波特征；S2、根据S1～S2得到的数据编写算法，计算触电时刻的谐波变化率具体数值。S3、进一步剖析触电时刻，建立时间—谐波次数—幅值三维图并进行分析，验证数据的合理性。本发明基于偶次谐波变化率最小值的范围作为判据，经实验与仿真最后得出的最小值范围将作为判据实施的核心依据。作为新型判据，该判据针对异常波形进行判断，将减少台区因漏电流很大而导致的误动情况。

说明书

技术领域

本发明涉及电力低压线路配电领域，尤其涉及一种基于谐波特征的剩余电流断路器暂 态故障判据。

背景技术

随着社会电气化程度不断提高，由于电网线路损坏，电气设备漏电等原因带来的人体 触电事故，电气火灾频频发生。造成人体触电事故的原因有很多，如电气设备老化，电气线 路损坏等等。绝大部分的触电事故发生在低压电网中，农村因触电事故而死亡的人数比城市 高得多。目前，我国使用的剩余电流断路器包含以下几种类型：(1)电流动作型剩余电流断路 器：目前，在低压电网中仍然大量使用着这类保护装置。长期运行表明，当电网电压波动或 线路存在剩余电流时，此类装置的动作性能不够稳定，容易发生误动或拒动。(2)电流脉冲动 作型剩余电流保护装置：当突变电流达到一定数值时，很可能导致剩余电流保护装置的误动 作，并且这类装置的测控环节多，成本高，并没有大量推广。(3)电流鉴相鉴幅型剩余电流 断路器：存在保护死区，保护装置体积很大，很难做成家用小型断路器，一般作为漏电继电 器使用，结构单调，电子电路复杂，成本最高。(4)电流分离型剩余电流断路器：由于人体触 电时刻，两到三个周期人体阻抗为一个时变网络，其阻抗值由大变小，后转为非时变网络， 这样就可以利用触电起始的非正弦性将触电电流从总的漏电电流剥离出来。但是，此类装置 主要是由于算法的不成熟硬件要求高，目前停留在研究与开发阶段。总的来说，目前市面上 的剩余电流断路器共有的缺陷是难以区分漏电流与触电电流，这也是剩余电流断路器误动作 的根本原因。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中剩余电流断路器容易误动，难以区分漏电和触电的 问题，提出一种基于谐波特征的剩余电流断路器暂态故障判据

本发明所采用的技术方案为：一种基于谐波特征的剩余电流断路器暂态故障判据，具体包括 以下步骤：

S1、通过对活体实验和Simulink仿真得到触电波形，通过FFT频谱发现触电时的谐波特征；

S2、根据S1～S2得到的数据编写算法，计算触电时刻的谐波变化率具体数值。

S3、进一步剖析触电时刻，建立时间—谐波次数—幅值三维图并进行分析，验证数据 的合理性。

作为优选，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、根据不同台区的情况，明确台区剩余电流分布特点；

S12、在MATLAB/Simulink环境下搭建仿人体触电模型，通过分析触电波形得到仿真时偶次 谐波变化率最小值的范围；

S13、搭建墙体漏电模型，经墙体漏电仿真，得到仿真时的偶次谐波变化率阈值；由于农村墙 体阻值大小不一，考虑到这一点，取了近似墙体阻值的最小值进行仿真，随着墙体阻值的变 大，其偶次谐波变化率最小值范围也会变小。于是乎，经墙体漏电仿真，得到了此时的偶次 谐波变化率阈值；

S14、查阅资料，得到植物体电阻随含水量的增加而增大的曲线图，取含水量最低时刻的植物 体阻值，通过仿真得到此时侧柏的触电波形，分析触电时刻谐波幅值变化情况得到此时的偶 次谐波变化率最小值范围；

S15、搭建活体触电实验平台并进行实验分析，得出活体触电阈值；

S16、将S12～S14中仿人体触电时得出的触电阈值与S15中活体触电阈值进行比较，验证阈 值的合理性；

S17、进行多组活体触电实验，得到触电数据。

作为优选，所述步骤S1中谐波特征提取的具体方法为：将触电电流进行FFT变换，观察触电后的频谱特征：

谐波幅值由下列公式计算出：

其中：I(t)表示触电电流，n＝(1,2,3…10),a

作为优选，不仅可以在频域表达判据的特征，在时域也可以进行特征提取，建立以S 变换为基底的触电波形时变函数：

Y

其中g(τ，f)为高斯窗函数，τ为时间，σ为高斯函数方差，f为控制窗口在时间轴上的位置，S(τ，f) 是通过变换得到的时频谱矩阵，Y

作为优选，无论是时域分析还是频域分析，最后都能得到相同的结论，即偶次谐波变 化率最小值的范围大致相同，当发生触电时，如果触电电流波形经FFT变换或S变换得到偶 次谐波变化率最小值满足阈值范围并且此时的电流超过了剩余电流断路器电流整定值，则可 以判断发生了触电故障。

作为优选，所述判据需要确定偶次谐波变化率最小值范围，频域上偶次谐波变化最小 值

其中F

时域上的表达为：

其中τ为相连时间段的差值。

作为优选，通过电流波动异常来判断是否发生了触电故障，在漏电流较大的台区，通 过区分墙体漏电和人体触电偶次谐波变化率最小值范围，最后可以实现减少剩余电流断路器 误动的情况。

本发明产生的有益效果是：本发明基于偶次谐波变化率最小值的范围作为判据，经实 验与仿真最后得出的最小值范围将作为判据实施的核心依据。作为新型判据，该判据针对异 常波形进行判断，将减少台区因漏电流很大而导致的误动情况。

附图说明

图1是电灼烧人体触电仿真波形图。

图2是加判据以后的电灼烧人体触电波形图。

图3是墙体漏电仿真波形图。

图4是侧柏触电仿真波形图。

图5是翅-翅触电FFT频谱。

图6是脚-脚触电FFT频谱。

图7是腿-腿触电FFT频谱。

图8是翅-翅触电S变换三维图。

图9是脚-脚触电S变换三维图。

图10是腿-腿触电S变换三维图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实 施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体技术方案为，在MATLAB/Simulink环境下搭建电灼烧人体触电模型，医用电气设备人体触电仿真模型，感知与反应人体触电模型，摆脱电流人体触电模型，UL1536 标准人体触电模型等5种仿人体触电模型，得到偶次谐波变化率最小值范围为(ε

搭建墙体漏电模型，由于农村墙体阻值大小不一，考虑到这一点，取了近似墙体阻值 的最小值进行仿真，随着墙体阻值的变大，其偶次谐波变化率最小值范围也会变小。如图3 所示为墙体漏电仿真波形图，通过计算墙体漏电偶次谐波变化率最小值范围为(0,ε

查阅资料，得到植物体电阻随含水量的增加而增大的曲线图，取含水量最低时刻的植 物体阻值，通过仿真得到此时侧柏的触电波形图如图4所示，通过计算侧柏触电偶次谐波变 化率为(0,ε

搭建活体触电实验平台并进行实验分析，为防止偶然性，对活体三部分进行触电试验， 得到如图5、图6和图7所示的活体各部位触电FFT频谱，0.2-0.9s为触电前，中，后三个时 期。通过计算得出偶次谐波变化率最小值范围为(ε

进一步剖析触电时刻，建立时间—谐波次数—幅值三维图并进行分析经计算，如图8、 图9和图10分别为S变换下对应图5、图6和图7三个部位触电三维图。经计算S变换下，偶次谐波变化率最小值范围为(ε

本发明提出的基于谐波特征的剩余电流断路器暂态故障判据，适用于低压台区。与剩 余电流断路器动作电流整定值形成双重判据。逻辑表达为，当电流波形经谐波计算满足偶次 谐波变化率最小值范围，同时电流超过剩余电流整定值，此时断路器内部系统给予剩余电流 断路器的逻辑表达为0+0＝0，意味着线路中发生了触电故障，线路要断开。而电流波形经谐 波计算不满足偶次谐波变化率最小值范围，然而电流仍然超过了整定值，此时系统给予剩余 电流断路器逻辑表达为1+0＝1。这样的情况之下，避免了剩余电流断路器的误动，同时也减 少了运维成本。