谐波对漏电保护设备的影响及其应对措施

李哲 宋忠友 王瑞妙 刘厚云

摘 要：漏电保护设备在农村电网用电安全中发挥重要作用，但在电网谐波逐渐增多的背景下，漏电保护设备动作的可靠性难以保证，从而降低了漏电发生时该设备对人身及财物的保护能力。为了降低谐波对漏电保护设备的影响，本文详细分析了漏电保护设备的动作原理，明确了不同频率谐波对保护设备的主要影响因素，并提出了具体的应对措施，有助于提高其在农网使用中的可靠性。

关键词：漏电保护；用电安全；谐波

1 前言

一般对人体和财物安全有直接危害的是线路或电气设备的故障性漏电。故障性漏电是不该带电的带了电，不该导电的导了电，对人体危险性大，在有可燃物的场所，还可能引发火灾。而漏电保护设备可以在漏电情况出现时，根据预先设定的整定值及时切断故障回路。因此漏电保护装置作为继电保护的一个重要组成部分在我国农村电网被广泛推广使用[1]。

然而随着农网中水泵、变频空调、计算机等非线性设备的广泛使用，谐波污染问题越来越严重，三次谐波含量可达基波的30%，其他高次谐波含量也会显著升高，带来的电流畸变可能会造成保护设备的误动或拒动[2]。特别是漏电保护设备动作值为毫安级，相比其他保护设备更为灵敏，更易受到谐波影响，造成设备可靠性降低。当漏电保护设备误动时会降低各台区的供电可靠性，而当保护设备拒动时无法有效保障人身及财物安全，引发安全事故。为了明确谐波造成漏电保护设备可靠性降低的作用机理，本文在阐述漏电保护设备动作原理的基础上分析了谐波对漏电保护设备可能造成的影响，并提出了应对措施，以提高该设备的实际使用中的可靠性，有利于漏电保护设备在农网的迅速推广。

2 漏电保护设备的动作原理

如图1所示TA 为漏电流流互感器；QF 为主开关；T 为主开关的分励脱扣器线圈；T 为试验元件，试验回路中的RT为限流电阻；iA、iB、iC、iN分别为相线A、B、C和中性线N中流过的电流，漏电流出现在A相中，ip为经大地流入中性点的泄漏电流[3]。漏电保护设备通常是由漏电流互感器、机电式继电器、触头和弹簧构成。

根据有无图1中所示EC电子元件，可将漏电流保护设备分为电磁式和电子式两种。电磁式漏电流保护设备不包含电子组件，其漏电流互感器二次侧直接与机电式继电器相连，即由漏电流互感器二次回路电流直接驱动继电器动作。电子式漏电流保护装置与电磁式的区别在于其中间环节使用了电子电路，用来对漏电信号进行放大、处理和比较，再驱动继电器动作[4]。

根据图1所示设备结构，在被保护电路工作正常，没有发生漏电或触电的情况下，由基尔霍夫定律可知，通过TA一次侧的电流相量和等于零，即：

（1）

这使得TA铁芯中的磁通的相量和也为零，即：

（2）

这样TA的二次侧不产生感应电动势，漏电保护器不动作，系统保持正常供电。

当被保护电路发生漏电或有人触电时，由于漏电电流的存在，通过TA一次侧各相电流的相量和不再等于零，产生了漏电电流Ip。

（3）

这使得TA铁芯中的磁通相量和也不等于零，即：

（4）

漏电保护设备的动触头受力情况如图2所示。

其中：Fr为永久磁铁与交变磁通对动触头的作用合力；Fm和Fem分别为永久磁铁磁通和交变磁通对动触头的作用力；Fs为弹簧拉力。

对电磁式漏电保护设备而言，漏电流互感器二次侧直接连接机电式继电器，由机电继电器上的磁铁和弹簧共同作用，控制动触头与支架的接触与分离。根据前面的分析结果，在正常情况下，三相电流与中性线电流处于平衡状态，一次侧电流的矢量和为零，漏电流互感器的铁芯中不产生磁通，二次侧也沒有电压产生。一旦漏电情况出现，相电流与中性线电流不再平衡，一次侧的漏电流产生的磁通使互感器二次侧感应出电压，并在继电器所在回路中产生电流，这个电流将在半个周波内加强永久磁铁的磁场而在另半个周波内削弱其磁场，当漏电流有效值超过整定值，所产生的磁通大到足以削弱永久磁铁磁场使其对动触头的吸引力小于弹簧拉力时，动触头与支架脱离，漏电保护器继而断开主回路[3]。

电子式漏电保护设备只是在漏电互感器二次回路与机电式继电器之间增加了电子分析处理装置，再利用分析装置的输出信号驱动机电式继电器动作，其他原理与电磁式漏电保护设备相同，这里不再赘述。

3 谐波对漏电保护设备的影响分析

漏电流中的谐波对漏电保护设备动作特性的影响机理十分复杂，不同的情况下，主导谐波电流对漏电保护设备动作可靠性的因素也不相同，本文主要探讨谐波波形对漏电保护设备动作可靠性的影响。这里不考虑铁芯饱和作用和磁滞效应的影响，假定一次侧漏电流波形可以准确传递到二次侧，分别分析低次谐波和高次谐波对漏电保护设备的影响。设各次谐波的谐波含量为A，谐波初相角为α。

3.1 低次谐波的影响

其中：Fr为磁场力对动触头的作用合力；Fr（without3）为无谐波作用是的磁场力合力；Fem（3）为3次谐波对动触头的作用力；Fm为永久磁铁对动触头吸引力；Fs为弹簧拉力。

对比图3和图4可以看出，低次谐波的谐波相位和幅值都会对总波形振幅因数产生显著影响，振幅因数越大波形越凸出，反之波形扁平。漏电保护装置的动作值是根据基波有效值整定的。图3所示情况下，漏电流基波未达到动作值，由于相位为0°的三次谐波加入使波形具有更大的尖峰，即谐波使漏电流的振幅因数增大，继电器动触头上受力越过平衡点，动触头与支架脱离，断开控制回路，进而导致开关误动作；图4所示情况下，在不含谐波成分时，漏电流基波已达到动作值，然而叠加相位为180°的三次谐波后总波形更加扁平，振幅因数减小，虽然此时漏电流总有效值大于图3情况，但是并不会引起继电器动触头动作，这种情况属于漏电保护设备拒动。从图3和图4所示波形以及分析结果可见，低次谐波的相位和幅值都会对漏电保护设备的实际动作值产生较大影响。

3.2 高次谐波的影响

其中：Fr为磁场力对动触头的作用合力；Fr（without49）为无谐波作用时的磁场力合力；Fem（49）为49次谐波对动触头的作用力；Fm为永久磁铁对动触头吸引力；Fs为弹簧拉力。

图5、图6所示波形表明，当漏电流基波中混入高次谐波，如果高次谐波含量较高，如A49=0.2，可能会增大漏电流振幅，引起漏电保护设备误动。实际电网中一般谐波幅值会随着谐波频率的上升而下降，这里不考虑高次谐波含量过大的情况。另外高次谐波在一个工频周期内变化多次，因此不会使漏电流畸变为扁平波，也就不会导致漏电保护设备拒动得情况发生。对比图5和图6中Fr所代表的合力曲线，在初始相角分别为0°和180°情况下，保护的动作电流基本相同，因此可见高次谐波的相位对漏电保护设备动作值的影响可以忽略，对漏电保护设备动作值起关键作用的因素是谐波幅值。

3.3 总结

低次谐波与高次谐波均会对漏电保护设备的可靠动作产生影响，但影响的主要因素存在差别。低次谐波的影响包括谐波幅值和谐波相位两个方面。谐波相位和幅值的变化都会导致漏电流波形发生明显畸变，改变漏电流波形的振幅因数，引起保护的误动或拒动。而高次谐波由于波形变化迅速，以本文分析示例而言，高次谐波一个工频周期内可以周期性变化49次，相位因素对漏电保护设备的动作值影响较小，但与低次谐波相同其幅值都会对保护产生影响。

漏电保护设备类型（电子式、电磁式）不同，谐波对其影响程度也有差异。电子式漏电保护设备得益于其中电子元件中的滤波单元可以滤除漏电流互感器二次侧的谐波，再把经过处理后的漏电流信号施加到继电器上，因而可以有效地降低谐波对漏电流保护设备动作灵敏度的影响，使用时相比电磁式装置更加可靠。

4 应对措施

本文提出一些可以降低电网中谐波电流对漏电保护设备影响的实用措施，以提高其动作可靠性。

（1）单相电动机在启动瞬间和运行中产生的谐波干扰，其谐波的幅值、谐波的持续时间，既与单相电动机启动瞬间的端电压的初相角有关，也与单相电动机距低压配电箱距离的远近有关，还与某相所接单相电动机台数的多少有关。消除或减少保护器因谐波干扰误动主要有以下方法：

1）将单相电动机负载尽量均匀地分布在三相上，避免某相线路中谐波含量过大。

2）适当提高保护器的额定剩余动作电流值，可以大大减少单相电动机启动时由于谐波干扰而引起的保护器误动。

（2）对于农村低压电网中使用变频设备产生谐波对漏电保护设备的影响，可以提高漏电流总保护装置的动作电流整定值和延長动作时间，以抑制变频设备产生谐波的干扰。通过对脉冲型漏电流总保护装置的动作时间和电流动作整定值进行调整，利用总保护和末级保护在动作时间还是在电流动作整定值上相互配合分级保护，可有效避免保护装置的越级动作跳闸。

（3）除以上方法外，通过谐波治理，减少线路电流中的谐波含量，也可以降低电网中的谐波对漏电保护设备的影响。

1）农网中已安装电磁式漏电保护器，由于其内部没有电子滤波单元，谐波对保护动作可靠性的影响较大，宜在保护出口端加设滤波设备，减少流入漏电保护设备的谐波电流；

2）农网中即将加装漏电保护设备的区域，加大电子式漏电保护设备的使用比例，利用电子式漏电保护设备内部自带滤波单元的优势，降低谐波对保护的影响。

参考文献：

[1]杨俊杰.电气设备漏电保护相关问题探讨[J].电力电子与软件工程，2014：148.

[2]陈黎来.电流互感器对电能计量的影响[J].电力自动化设备，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.