諧波對漏電保護設備的影響及其應對措施

李哲 宋忠友 王瑞妙 劉厚云

摘 要：漏電保護設備在農村電網用電安全中發揮重要作用，但在電網諧波逐漸增多的背景下，漏電保護設備動作的可靠性難以保證，從而降低了漏電發生時該設備對人身及財物的保護能力。為了降低諧波對漏電保護設備的影響，本文詳細分析了漏電保護設備的動作原理，明確了不同頻率諧波對保護設備的主要影響因素，并提出了具體的應對措施，有助于提高其在農網使用中的可靠性。

關鍵詞：漏電保護；用電安全；諧波

1 前言

一般對人體和財物安全有直接危害的是線路或電氣設備的故障性漏電。故障性漏電是不該帶電的帶了電，不該導電的導了電，對人體危險性大，在有可燃物的場所，還可能引發火災。而漏電保護設備可以在漏電情況出現時，根據預先設定的整定值及時切斷故障回路。因此漏電保護裝置作為繼電保護的一個重要組成部分在我國農村電網被廣泛推廣使用[1]。

然而隨著農網中水泵、變頻空調、計算機等非線性設備的廣泛使用，諧波污染問題越來越嚴重，三次諧波含量可達基波的30%，其他高次諧波含量也會顯著升高，帶來的電流畸變可能會造成保護設備的誤動或拒動[2]。特別是漏電保護設備動作值為毫安級，相比其他保護設備更為靈敏，更易受到諧波影響，造成設備可靠性降低。當漏電保護設備誤動時會降低各臺區的供電可靠性，而當保護設備拒動時無法有效保障人身及財物安全，引發安全事故。為了明確諧波造成漏電保護設備可靠性降低的作用機理，本文在闡述漏電保護設備動作原理的基礎上分析了諧波對漏電保護設備可能造成的影響，并提出了應對措施，以提高該設備的實際使用中的可靠性，有利于漏電保護設備在農網的迅速推廣。

2 漏電保護設備的動作原理

如圖1所示TA 為漏電流流互感器；QF 為主開關；T 為主開關的分勵脫扣器線圈；T 為試驗元件，試驗回路中的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，漏電流出現在A相中，ip為經大地流入中性點的泄漏電流[3]。漏電保護設備通常是由漏電流互感器、機電式繼電器、觸頭和彈簧構成。

根據有無圖1中所示EC電子元件，可將漏電流保護設備分為電磁式和電子式兩種。電磁式漏電流保護設備不包含電子組件，其漏電流互感器二次側直接與機電式繼電器相連，即由漏電流互感器二次回路電流直接驅動繼電器動作。電子式漏電流保護裝置與電磁式的區別在于其中間環節使用了電子電路，用來對漏電信號進行放大、處理和比較，再驅動繼電器動作[4]。

根據圖1所示設備結構，在被保護電路工作正常，沒有發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的二次側不產生感應電動勢，漏電保護器不動作，系統保持正常供電。

當被保護電路發生漏電或有人觸電時，由于漏電電流的存在，通過TA一次側各相電流的相量和不再等于零，產生了漏電電流Ip。

（3）

這使得TA鐵芯中的磁通相量和也不等于零，即：

（4）

漏電保護設備的動觸頭受力情況如圖2所示。

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

對電磁式漏電保護設備而言，漏電流互感器二次側直接連接機電式繼電器，由機電繼電器上的磁鐵和彈簧共同作用，控制動觸頭與支架的接觸與分離。根據前面的分析結果，在正常情況下，三相電流與中性線電流處于平衡狀態，一次側電流的矢量和為零，漏電流互感器的鐵芯中不產生磁通，二次側也沒有電壓產生。一旦漏電情況出現，相電流與中性線電流不再平衡，一次側的漏電流產生的磁通使互感器二次側感應出電壓，并在繼電器所在回路中產生電流，這個電流將在半個周波內加強永久磁鐵的磁場而在另半個周波內削弱其磁場，當漏電流有效值超過整定值，所產生的磁通大到足以削弱永久磁鐵磁場使其對動觸頭的吸引力小于彈簧拉力時，動觸頭與支架脫離，漏電保護器繼而斷開主回路[3]。

電子式漏電保護設備只是在漏電互感器二次回路與機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驅動機電式繼電器動作，其他原理與電磁式漏電保護設備相同，這里不再贅述。

3 諧波對漏電保護設備的影響分析

漏電流中的諧波對漏電保護設備動作特性的影響機理十分復雜，不同的情況下，主導諧波電流對漏電保護設備動作可靠性的因素也不相同，本文主要探討諧波波形對漏電保護設備動作可靠性的影響。這里不考慮鐵芯飽和作用和磁滯效應的影響，假定一次側漏電流波形可以準確傳遞到二次側，分別分析低次諧波和高次諧波對漏電保護設備的影響。設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為磁場力對動觸頭的作用合力；Fr（without3）為無諧波作用是的磁場力合力；Fem（3）為3次諧波對動觸頭的作用力；Fm為永久磁鐵對動觸頭吸引力；Fs為彈簧拉力。

對比圖3和圖4可以看出，低次諧波的諧波相位和幅值都會對總波形振幅因數產生顯著影響，振幅因數越大波形越凸出，反之波形扁平。漏電保護裝置的動作值是根據基波有效值整定的。圖3所示情況下，漏電流基波未達到動作值，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增大，繼電器動觸頭上受力越過平衡點，動觸頭與支架脫離，斷開控制回路，進而導致開關誤動作；圖4所示情況下，在不含諧波成分時，漏電流基波已達到動作值，然而疊加相位為180°的三次諧波后總波形更加扁平，振幅因數減小，雖然此時漏電流總有效值大于圖3情況，但是并不會引起繼電器動觸頭動作，這種情況屬于漏電保護設備拒動。從圖3和圖4所示波形以及分析結果可見，低次諧波的相位和幅值都會對漏電保護設備的實際動作值產生較大影響。

3.2 高次諧波的影響

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

圖5、圖6所示波形表明，當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，可能會增大漏電流振幅，引起漏電保護設備誤動。實際電網中一般諧波幅值會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工頻周期內變化多次，因此不會使漏電流畸變為扁平波，也就不會導致漏電保護設備拒動得情況發生。對比圖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，保護的動作電流基本相同，因此可見高次諧波的相位對漏電保護設備動作值的影響可以忽略，對漏電保護設備動作值起關鍵作用的因素是諧波幅值。

3.3 總結

低次諧波與高次諧波均會對漏電保護設備的可靠動作產生影響，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方面。諧波相位和幅值的變化都會導致漏電流波形發生明顯畸變，改變漏電流波形的振幅因數，引起保護的誤動或拒動。而高次諧波由于波形變化迅速，以本文分析示例而言，高次諧波一個工頻周期內可以周期性變化49次，相位因素對漏電保護設備的動作值影響較小，但與低次諧波相同其幅值都會對保護產生影響。

漏電保護設備類型（電子式、電磁式）不同，諧波對其影響程度也有差異。電子式漏電保護設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的諧波，再把經過處理后的漏電流信號施加到繼電器上，因而可以有效地降低諧波對漏電流保護設備動作靈敏度的影響，使用時相比電磁式裝置更加可靠。

4 應對措施

本文提出一些可以降低電網中諧波電流對漏電保護設備影響的實用措施，以提高其動作可靠性。

（1）單相電動機在啟動瞬間和運行中產生的諧波干擾，其諧波的幅值、諧波的持續時間，既與單相電動機啟動瞬間的端電壓的初相角有關，也與單相電動機距低壓配電箱距離的遠近有關，還與某相所接單相電動機臺數的多少有關。消除或減少保護器因諧波干擾誤動主要有以下方法：

1）將單相電動機負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）適當提高保護器的額定剩余動作電流值，可以大大減少單相電動機啟動時由于諧波干擾而引起的保護器誤動。

（2）對于農村低壓電網中使用變頻設備產生諧波對漏電保護設備的影響，可以提高漏電流總保護裝置的動作電流整定值和延長動作時間，以抑制變頻設備產生諧波的干擾。通過對脈沖型漏電流總保護裝置的動作時間和電流動作整定值進行調整，利用總保護和末級保護在動作時間還是在電流動作整定值上相互配合分級保護，可有效避免保護裝置的越級動作跳閘。

（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，也可以降低電網中的諧波對漏電保護設備的影響。

1）農網中已安裝電磁式漏電保護器，由于其內部沒有電子濾波單元，諧波對保護動作可靠性的影響較大，宜在保護出口端加設濾波設備，減少流入漏電保護設備的諧波電流；

2）農網中即將加裝漏電保護設備的區域，加大電子式漏電保護設備的使用比例，利用電子式漏電保護設備內部自帶濾波單元的優勢，降低諧波對保護的影響。

參考文獻：

[1]楊俊杰.電氣設備漏電保護相關問題探討[J].電力電子與軟件工程，2014：148.

[2]陳黎來.電流互感器對電能計量的影響[J].電力自動化設備，2011，31（01）：138-141.

[3]Stanislaw Czapp. The Impact of Higher-order Harmonics on Tripping of Residual Current Devices[J]. 2008 13th International Power Electronics and Motion Control Conference（EPE-PEMC 2008）， 2008：2059-2065.