继电知识|农网剩余电流动作总保护器的问题和展望

水暖之家讯：农网剩余电流动作总保护器的问题和展望中國電力科學研究院黄廼元1998年，全国农村电网开始了史无前例的改造工程。短短的几年，我国农村电网基本改变了过去几十年一直存在的网架薄弱、设备简陋、电能质量低、供电可靠性差的状况，中国农村电网旧貌换新颜。但是，在这一片锦绣的背后，却依然存在着一些难以克服的缺憾，花费大量资金安装于农网的剩余电流总保护器（以下称“漏电总保护开关”）的投运率、正确动作率依然低下就是其中之一。究其原因，竟然还是那句老话：没有适用产品。如何保证农村低压配电网的安全运行，保证农村居民的安全用电，使已经花费大量资金安装于农网的漏电总保护开关真正成为保证农村用电安全的可靠装置，再一次成为农电人急需解决的问题。本文将对这种状况作一简单分析。一、当前农网漏电总保护开关的基本情况国家电网公司农电系统按照“创一流县供电企业”的要求，在农村低压电网的安全措施上基本采用了分级保护配置方式。各省农电部门根据配电台区的大小因地制宜地为农网配置了大大小小的漏电总保护开关，少则分为两级，多则分为三级甚至四级。但是这些花去大量农网改造资金的设备是否真正起到保证农村电网安全运行的作用，各地答案却并不一样。最近，笔者对部分地区在农网改造后的漏电总保护开关的安装运行情况作了一些调查，发现很多地区新安装的漏电总保护开关仍然选用老旧型号产品，造成正常运行时频繁掉闸，村电工为保证连续供电必须连续合闸，每天疲于奔命；即使这样，仍难免用户怨声载道。万般无奈便采取用木块顶住开关、拆除开关内部接线等办法，使漏电总保护开关推出运行而成为装饰品，低压配电网失去了保护；末端家用保护的情况如何呢？由于中国农村的特殊情况，农户家中的低压配电设备和户内线路不能按期报废更新，导线超期服役情况十分普遍，绝缘老化，泄漏严重，雨季漏电甚至达到人体碰触墙壁会有麻电感觉的地步，农户家中的末端保护无法投入运行；有的农户还误认为配电变压器处“公家”已经安装了总保护开关，家里有没有漏电保护无所谓，于是纷纷将家中已经超期服役的保护退出运行或拆除，使这些农户家中大大超过末端保护整定值的漏电电流汇入总电路，同时也使他们的家庭失去了安全用电的最后一道保障。电力体制改革后，原来具有政府职能的县电力局变成了真正的供电企业，再也无权强制要求农户安装任何设备，为保障农村安全用电，只能在我们自己的产权范围内单方面采取加强技术手段来弥补这一缺陷，但终因相关技术不到位而收效甚微。农电体制改革和农村电网改造取得了巨大胜利，但是漏电总保护开关的选型、安装、运行和管理工作却依然存在很多困难。剩余电流动作保护器是60年代发展起来的一类低压电器，当时称为漏电保护器，即现在的“末端家用保护开关”，且只有用于低压配电网末端居民家中这一种。由于安装后确实避免了多起触电事故，经新闻媒体报道，被老百姓称为“触电保安器”，也被老百姓戏称为“保命器”。那时，这个“保命器”确实对防止人身触电起到很大作用。随着农村经济的发展，农村配电网迅速扩大，农村用电量急剧上升，低压电网仅仅安装家用保护开关已不能满足对安全运行的要求，于是逐渐研制出各种用于主干线上的漏电保护总开关，并逐渐形成分级保护的概念。因此，农村低压配电网中安装的漏电保护开关按其保护功能和结构特征大体可分为以下几种：1、普通家用漏电保护开关它的最基本部分是由零序电流互感器、漏电脱扣器和主开关组成的，在漏电电流达到30mA时，即可在极短的时间（例如0.1秒）内有效动作于跳闸。它还可根据需要加装对过负荷、过电压和短路进行保护的功能，主要用于居民住宅。2、漏电继电器实际就是零序电流继电器。它能够检测出线路上的漏电流，当达到其整定值时触点接通，启动接触器（断路器）切断电路，或按事先规定发出相应信号。主要用于配合接触器、断路器组成漏电保护开关，用于负荷较大的场合。3、漏电断路器是漏电继电器与接触器或断路器组合的保护装置，还可以根据运行需要加装过负荷保护、过电压保护和短路保护功能。一般用于负荷较大的场合作为总保护开关。我们知道，通过人体的电流大于30mA时就会有生命危险；我们又知道，总保护的动作电流要远远大于30mA才有可能稳定运行；因此从一般意义上说，总保护根本无法对人身触电做出反应。怎么办？如果我们要鱼和熊掌兼得，就得让装设的总保护既对人身触电具有很高的灵敏度，又不会因居民正常用电产生的漏电流而频繁跳闸。为了研制具有这种功能的新型漏电总保护开关，广大农电职工和生产厂家从上个世纪八十年代即开始研制各种原理的产品，付出了艰辛的劳动，但是生产出的漏电总保护开关在原理上或多或少的存在着缺陷，越来越不能满足广大农村安全用电的需求。那时的产品体积大、结构粗、材质次、不阻燃，触头压力小、温升高、易烧融，触头开距小、灭弧性能差、分断能力低，控制电路多为模拟电路，动作不稳定；有的甚至不但没有促进安全用电，反而影响了供电可靠性。经过二十年的努力，虽然产品不断改进，却一直没有取得理想的成果。很多人渐渐沉默了，区分触电、漏电几乎被认为是不可能。面对农村用户发生的触电死亡事故，面对电力部门每年的巨额赔偿，我们不得不修改有关安全规程和低压电力规程，这就意味着研制漏电总保护开关有效保护人身触电工作的暂时失败。安装在农村低压配电网主干线上的漏电总保护开关，由于其动作原理的局限，使农村配电线路上的触电死亡事故时有发生，而农网改造工程花费巨资安装的大量（安装总数已超过500万台）总保护开关却对此无能为力，这种状况让广大农电工作者感到巨大压力。二、如何兼顾漏电总保护开关的灵敏性和稳定性为了具有对线路漏电或人身触电的灵敏性，要使开关的动作整定值尽量小；为了不使漏电总保护开关频繁跳闸，就要让漏电总保护开关具有较高的动作整定值；如果仅以漏电流的大小作为开关是否跳闸的依据，那么这是个相悖的问题，势必永远没有答案。我们通常使用的漏电总保护开关的动作整定值是一个矢量合成值，它是由ABC三相漏电流经矢量合成后的幅值。它“感觉”到的是经矢量合成后的三相总漏电电流，当这个电流快要达到动作整定值时，会出现两种极端的情况：1、最有利的情况：如新出现的漏电流的矢量方向恰好与原合成漏电流的矢量方向相同，那么新的合成电流立即达到漏电开关整定值而瞬时跳闸，此时漏电总保护开关的灵敏度最高；2、最不利的情况：如新出现的漏电流的矢量方向恰好与原合成漏电流的矢量方向相反，那么新出现的漏电流矢量就会与原有的漏电流矢量互相抵消，使漏电总保护开关“觉得”漏电流是在减少或消失而不会动作，这个新出现的漏电流矢量所代表的方向（或称相位），就是漏电总保护开关的动作不灵敏相位（即动作死区）；除非这个新出现的漏电流矢量的幅值达到甚至超过漏电总保护开关原来已经“感觉”到的ABC三相漏电流合成矢量幅值的两倍，这时新合成的漏电流矢量幅值才能大于漏电总保护开关的动作整定值。但是这么大的漏电流幅值如果是因为人身触电发生的，触电者早已死亡了，漏电总开关此时再跳闸已经毫无意义。在这种情况下，总保护根本不能保护人身触电，而一旦发生人身触电事故，电力部门却要承担责任，至少是无过错责任。因此，前些年曾风靡一时的突变缓变、鉴相鉴幅等类型的漏电总保护开关，由于其采样电流都是与原漏电电流相同的工频正弦波形，新发生的漏电电流都要参与这个矢量合成的过程，所以也都存在着动作不灵敏相位（即动作死区）的问题。对于幅值较大的漏电电流尚且不灵敏，对于幅值很小的触电电流更是可想而知了。为了克服这种现象，出现了这样一种漏电总保护开关，它的工作原理是：从零序电流互感器采集得到的正弦波形的漏电合成矢量中，取出一个半波A1，时值宽度10ms，将其储存起来作为基准波形，称为第一基准波形；然后继续采集新的半波A2，使之与第一基准波形A1进行比较，如果它在10ms内的幅值变化小于一个定值，例如150mA，则将新的漏电电流波形A2作为新的基准波形，称为第二基准波形，而将原来的第一基准波形A1舍弃；再将这个第二基准波形A2与随后采集到的半波A3进行比较，产生第三基准波形；依此类推，只要幅度变化值小于定值150mA，则不管其相位如何，不断比较，不断弃旧存新。一旦在某个10ms内出现了变化幅度大于整定值150mA的波形，即相临两个采样漏电电流波形的幅值差额│An 1│－│An│≥150mA时，则不管相位如何，装置即输出跳闸脉冲，切断电源或发出信号。采用这种原理的漏电总保护开关有望消除动作不灵敏相位（即动作死区），兼顾灵敏性和稳定性，一些厂家还在这个原理的基础上进行了改进，本刊这期的产品广告中介绍的就是其一。三、如何解决漏电总保护开关范围内的人身触电问题这个问题长期困扰着农电系统。人们曾以区分漏电电流幅值的突变、缓变试图分别对普通漏电和人体触电做出不同反应，但终以存在动作不灵敏相位（即动作死区）而告失败。如上节所述，我们已经成功地使漏电总保护开关能够准确地辨别并捕捉到即使相位相反、但漏电突变量的绝对值已经达到动作整定值的新的漏电电流，这就可以消除动作不灵敏相位（即动作死区），迈出解决问题的第一步。下一步就是解决如何在大量漏电电流波形中捕捉到人身触电产生的畸变电流波形，而对普通突变漏电电流波形不做任何反应。人体触电到底有什么特点？IEC64报告中曾对人体触电后的变化作过如下描述：“……由于人体的阻抗是随着所接触电压变化的，所以电流和电压的关系也是非线性的……。”这段话的意思是说，人体触电时所承受的电压是电源电压的一部分，它是人体自身阻抗与人身附加阻抗分压的结果。所谓人体自身阻抗，就是人体皮肤（包括表皮、真皮）、肌肉、骨骼等组织器官的综合阻抗；所谓人身附加阻抗，就是人体穿着的鞋、袜、衣服、手套等身外之物的阻抗和与地面接触电阻的综合阻抗。人身触电时承受的电压，基本上就是这两部分阻抗分压的结果，例如：1、如果附加阻抗大大高于自身阻抗，例如穿着绝缘良好的胶鞋、戴着绝缘良好的手套（例如穿着带电作业绝缘服）或地表干燥绝缘良好，就会使人体分得的电压接近于零，皮肤、肌肉就会安然无恙甚至毫无感觉；2、相反，如果附加阻抗几乎为零，例如人在浴室淋浴、赤脚在水田劳作，这时几乎全部电源电压都要加于人体，人体皮肤的表皮、角质层会被立即击穿，触电电流很快通过全身肌肉组织后入地，人体在经过一段极短时间的抽搐后，即因较大的电流流过心脏而死亡。以上是两种极端的情况。介乎中间的情况也有两种：1、人体经绝缘一般的普通皮鞋接通电源时会有小电流流过，例如只有5mA，这时人体会产生“麻电”的感觉，但此时人的大脑神经还可以控制自己的身体，通过反射动作摆脱电源；2、当人体分压得到的电压达到或超过50伏时，人体就要经历皮肤被击穿、身体被电击的过程，虽然这个过程比淋浴时被电击要慢一些，但人体却要经受一段稍长时间的抽搐，在触电电流不断变大的过程中，在较短时间内被电击死亡。从上述人体触电过程可以发现，人体被电击时会有表皮阻抗下降、角质膜击穿和肌肉痉挛的过程。这个过程会使人体触电电流的波形不再保持正弦波特征而发生畸变，成为人体触电特有的非正弦、非线性、非对称的电流波形，而触电电流的幅值也是逐渐增大的。与人类“血缘关系”比较接近的哺乳类动物在遭到电击时,也会产生与人类相似的身体抽搐、肌肉痉挛的过程；哺乳类动物触电后产生的电流波形也是非正弦、非线性、非对称波形，而且不同活体由于身体健康状况不同、表皮粗糙程度不同、身体发育情况不同等原因，触电波形并不完全一样；甚至同一活体的不同部位的触电电流也不完全相同。正是基于人体或哺乳动物触电后的这个不规则的变化过程，我们可以归纳出触电电流波形的两个特征：1、皮肤角质膜击穿时会产生非线性、非对称波形；2、触电时肌肉痉挛会产生不规则波形。只要出现这两个特征中的任意一个，我们就可以快速判断出：发生人身触电事故了。据此，可以研制出新型漏电总保护开关。如上所述，漏电保护总开关在不断取样、不断比较、不断弃旧存新，一旦在某个10ms内出现了非正弦、非线性、非对称的漏电波形，则立即将其与贮存的触电电流基准波形进行逻辑比较；确认符合触电波形任一特征时，再判断其幅值是否达到触电电流动作整定值（例如30mA），一旦达到，则不管相位如何，立即发出跳闸信号，切断电源。因此可以得出这样的结论，即只有在消除了动作不灵敏相位（即动作死区）后，漏电总保护开关才能确保触电电流不受漏电电流相位干扰，做到只要其幅值达到30mA保证立即切断电源。根据以上理论分析，有人研制出捕捉人体触电波形的电路。为了检验实际效果，厂家采用活体大白兔做过上万次的模拟实验，（因此被人谑称“兔子保护器”）。据笔者多次观察，只要操作（包括体毛剃净度、接线位置等）正确，该开关都能正确动作，大白兔仅在通电瞬间发生一下抽搐，之后便随着电源被切断而安然无恙。但是笔者认为：无论用大白兔做过多少次成功实验，这一性能依然不能称为“可以有效防止人身触电”，依然不能作为“可靠防止人身触电的有效措施”；然而，笔者也认为，该开关极有可能成为防止（或部分防止）人身触电死亡的漏电保护总开关。四、新型漏电总保护开关的前景产品创新是企业发展的唯一选择。但是，生产此类产品的厂家都是规模较小的公司，经济、技术实力十分有限，研发工作进展十分缓慢。我们认为，这项工作如果仅仅停留在个别厂家的小范围试验上，很难适应农电系统的发展速度，甚至会拖住农村配电网发展的后腿。我们认为，电力系统应该发挥超大型企业在经济、技术方面实力雄厚的优势，由各省农电部门开展有组织、有计划的小批量实验运行，尤其在发生人身触电事故较多的县、乡、村，可以选择一些配变台区进行试运行，迅速发现缺点，取得经验，尽快改进或完善这一新型总保护开关；有条件的省还可与厂家联合开展研究，为这些厂家提供更多的试验机会，开发出更有效、更灵敏的漏电总保护开关，共同实现农电系统能够运行全能总保护的梦想，为农村安全用电撑起一片绿伞。农网改造取得了巨大的成功，农村用电量快速增长。此时此刻更要狠抓安全管理，加强农电职工的安全责任心，严格执行有关总保护的运行规程。这次农网改造中各省统筹规划、合理布点，配电台区的建设采取了小容量、密布点的办法，供电质量改善了，可靠性提高了。但随之而来的产权变化也给供电部门带来不小的麻烦。一旦发生触电事故，动则几十万、几百万的赔偿要求，电力部门需耗费大量的人力物力处理事故、对簿法庭。虽然我们的规程明文规定总保护不对人身触电进行保护，但是法院却往往以无过错责任要求电力部门进行赔偿。安全生产和安全用电一直是建设和谐社会的重要因素，总保护开关尤其成为保障农村安全用电的重要装备。技术进步也不可避免地遇到现行制度的羁绊。虽然很多用户都希望在总保护开关中增加触电保护功能，但现行标准中却无此项目，也没有这类产品的相关标准，检测单位无法为其进行认证，造成该产品的这一功能变成不合法功能，因此大大阻碍了该产品投入低压配电网进行试验运行，无法得到实践的检验，无法改进产品的性能。笔者多年参与低压配电系统的技术管理及农网安全管理工作，多次参与或执笔相关国家标准、行业标准及有关规程的制、修订工作，对当前存在的状况深感忧虑。如前所述，我们曾建议农电标委会修改了相关规程，使现行规程中漏电总保护开关不再具有触电保护功能。但这只是权宜之计，我们期待着早日研发出对触电、漏电具有良好选择性和很高灵敏度的漏电总保护开关投入农电系统使用。我们还是这个观点：任何新产品首先应满足国家或行业标准的一切要求并通过3C认证，而对于附加的其它功能（如触电保护功能）则应按照企业标准给予检测。鼓励厂家积极研发具有其它功能（如触电保护功能）的新产品，即使这种功能只有千分之一的准确度，我们也要为他能从触电死亡线上多拉回一人而喝彩！！我们这些号称专家的人的责任，应该是对这种产品进行分析，指出产品缺点，提出改进意见，积极帮助他们寻找试验运行的地点，为农村安全用电贡献力量，为建设和谐社会贡献力量。社会利益高于一切，社会和谐高于一切。我们希望能通过这篇文章的发表，通过刊登相关产品的广告，引起大家对漏电总保护开关的关注，发表更多文章，介绍更多产品，为农村安全用电做出应有的贡献。水暖之家是专注于电气,电气工程,水暖,电气设备等装饰材料的各种新闻资讯和电气,电气工程,水暖,电气设备各十大品牌的装修效果图与网络营销服务,敬请登陆水暖之家http://m.ju31.com/