电气火灾监控系统固有漏电流追踪算法

　　电气火灾监控系统固有漏电流追踪算法

　　摘要：提出了一种电气火灾监控系统中对配电线路剩余电流进行分析的方法，用于追踪配电线路固有漏电流成分的变化。定义了对地泄漏电流(TICE)中固有对地漏电流IICE、下级开关后对地漏电流TLCES及突发性对地漏电流BLCE三种成分;分析这三种成分各自的性质和特点，提出一种智能自动漏电报警门限值调节算法，可弥补配电线路固有漏电流随时间变化对电气火灾报警的影响，支持低压配电的安全保护及电气火灾监控系统设计理论与应用。

　　关键词：剩余电流;漏电流;电气火灾;零序互感器

　　固有漏电流值既是监控电网线路老化程度的重要参数，也是电气火灾监控系统(EFPS，ElectricFirePreventionSystem)根据国标GB14287.2—2005《电气火灾监控系统第2部分：《剩余电流式电气火灾监控探测器》判断报警的重要参数。追踪并计算漏电电流，对于电气火灾的防控具有重要意义。

　　1、电气火灾监控中的固有漏电流及已有研究

　　根据IEC60364，空气中单点300mA的泄漏电流就可能造成电弧，并引起火灾。

　　理想的漏电防护，其监控系统不仅需要在配电线路发生电弧时给出报警信号，同时由于配电系统长期运行条件下线路老化，造成固有漏电流值的升高。也应对系统的漏电报警门限值进行调节。基于这种概念，新国家标准GB50116《火灾自动报警系统设计规范》在2009年送审稿的13.1节提出：应考虑供电系统自然漏流，探测器报警值宜在自然漏流基础上设置300～500mA。

　　由于电气火灾监控系统将自2013年1月起实施3C市场强制认证准入制度，因而近年来出现了很多研究电气火灾监控系统设计的文献，这些文献从协议集成、传感器设计等角度探讨了电气火灾监控系统的设计，但对于算法及检测机理方面的相关文献较少。文献Elo~N用神经网络对温度、气体及烟雾采集信号进行融合处理，减少误报警的机理，对于电气火灾系统温度和漏电的互耦信号处理有借鉴意义;文献[11]研究了剩余电流改进交流采样算法，缺点在于算法较为复杂，不利于现场单片机处理。对于GB14287.4《电气火灾监控系统第4部分：故障电弧探测装置》(送审稿)所描述的故障电弧，上述两种算法可能存在电弧信号误检测的问题。文献[13]从数理统计的角度分析了三相配电漏电开关报警门限的设置关系。文献[14]~1l在MATLAB环境下对零序互感器的漏电检测做了仿真研究。文献[15]研究了零序漏电流随负荷变化的周期性规律，强调周期性调节漏电流报警门限值，以适应负荷变化，而如何在研究固有漏电流变化机理的基础上调节漏电流报警门限值则没有考虑。文献[16]提出一种漏电动作阈值的浮动技术，同时提出了环境温湿度对报警门限值的修正系数，已经部分考虑了供电系统的自然漏流影响，但较为局限的地方是：报警门限值固定，同时没有考虑支路分断串弧对漏电检测的影响，这种基于经验值的算法不利于配电系统长期监控的需求。

　　在已有的研究中，均是将零序电流互感器的检测值作为单一检测的信号来处理的。笔者认为，零序电流互感器的检测值实际上包含了多种影响因素成分在内，可以对零序电流互感器的检测值在成分上加以细分，进而研究电力系统漏电流构成的本质。笔者从配电系统的结构出发，深入分析并定义零序剩余电流的检测值成分，继而寻求一种电力系统固有漏电流智能追踪算法。

　　2、零序电流探测中的对地漏电流成分定义

　　配电系统中通常使用零序电流互感器(ResidualCurrentSensor，简称RC)来监控对地漏电流.也称为剩余电流。RC的原理基于基尔霍夫电流定律(KCI)：流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零。因此，将供电线缆一起穿过零序互感器时，在线路与电气设备无任何漏电的理想情况下，各相电流的矢量和等于零.即流入的电流等于流出的电流。

　　典型的低压输配电系统的拓扑结构，如图1所示。在区域A处的零序电流互感器，其检测到的剩余电流为配电线路总体对地的漏电流矢量和。由于配电线路的上相与相间的泄漏电流(包含并弧)对于零序电流互感器来说是平衡电流，因此不影响零序电流互感器的检测值。考虑到市场上漏电检测使用零序电流互感器的低成本和普遍性，笔者不讨论相与相之间的泄漏电流。

　　为避免误解，作如下定义：

　　定义1：总对地漏电流(TotalIeakageCurrenttoEarth，TLCE)：总对地漏电流定义为零序电流互感器上检测到下方配电系统对地泄漏电流值。

　　理想状态下，总对地漏电流(TICE)矢量和等于零序电流互感器上的剩余电流检测Ir值，并满足式(1)。

　　Ir=IrA+IrB+IrC+IrN

　　式中：IrA，IrB，IrC，IrN为配电系统相应每一相上的对地泄漏电流。

　　定义2：固有对地漏电流(InherenceIeakageCurrenttoEarlh，IICE)：在无突发性漏电流、电火花及下级开关浪涌电流的条件下，由零序电流检测点到下级开关问的电力配电线上的对地泄漏电流的矢量和定义为固有对地泄漏电流IICE。

　　定义2的关键之处在于，将固有对地泄漏电流定义局限在检测点至下级开关间，其原因：一是输电线路的长度一般远长于负载连接线;二是这种定义限制可排除下级开关支路随机分断闭合以及下级分布电阻电容的漏电，对定义中检测点至下级开关间固有对地泄漏电流的影响，简化分析汁算。这种定义对于多层级配电系统的漏电理论分析是有利的，可以做多层级计算分析。

　　根据定义2，固有对地泄漏电流(IICE)的矢量等于所有相上对地分布电阻及分布电容上泄漏电流的矢量和，见式(2)。

　　Iilce=ILA+ILB+ILC+ILN(2)

　　式中：ILA+ILB+ILC+ILN为流过图1中分布电阻(RLA，RLB，RLC，RLN)及分布电容(CLA，CLB，CLN)上泄漏电流的矢量和。

　　定义3：下级开关后对地漏电流(TotalIeakageCur—renttoEarthafterSubswitch，TICES)：在无突发性漏电流、电火花及下级开关浪涌电流的条件下，所有下级开关后电力系统所有配电设施及负载的对地泄漏电流总和。

　　下级开关后对地漏电流(TICES)，标记为∑J其成分包含了下级开关后的配电系统正常对地泄漏电流、负载设备接地Y电容的泄漏电流等成分。满足式(3)。

　　定义4：突发性对地漏电流(BurstIeakageCurrenttoEarth，BICE)：突发性对地漏电流定义为在零序电流互感器下方整个电力系统对地产生电弧造成的泄漏电流的突然上升值。

　　突发性对地漏电流可以发生在电力系统L11的任意一处，包括下级开关之后的配电线路或是用电设备。与下级开关正常分断闭合所造成冲击电流不同，突发性对地漏电流(BICE，标记为k)的持续时间会长一些。而且大多数情况下，突发性对地漏电流的成分将大于300mA。通常突发性对地漏电流是造成电气火灾的主因。

　　由以上定义及公式，可以归结出图t中A区域总对地漏电流的检测值满足式(4)。

　　3对地漏电流成分分析

　　追踪固有对地泄漏电流值是更新RC漏电检测设备报警值的关键。在图1中该问题可描述为：如何利用A区域的零序互感器检测值来计算固有对地泄漏电流值并相应地调节漏电报警门限值。大多数情况下，整个电力系统平稳运行时小会出现突发性对地泄漏电流(即IBLCE=0)，因此有式(5)。

　　式(5)的含义是：对于A区域的总对地漏电流Ir的分析中，如果能够收集到所有下级开关后对地漏电流值就可以很方便地计算出该段线路的固有对地泄漏电流值。但在很多应用场合，出于数据采集成本及配电系统支路繁复的原因，收集所有下级开关后对地漏电流值非常困难。在只有A区域总对地漏电流，的历史纪录情况下，如果能关闭所有下级开关，利用IiLCE=Ir也可以测量出该段线路的固有对地泄漏电流值，但是除了配电线路铺设调试期以外，这样的机会很少，而且固有对地泄漏电流值J是随时间变化的量值。

　　力安科技研究的问题可转变为：如何利用单剩余电流传感器检测点RC上的历史数据来判断追踪配电线路上的线路固有对地泄漏电流值IiLCE。

　　为解释固有对地泄漏电流值追踪算法，笔者对图l中A区域的总对地漏电流的三种成分进行分析。

　　(1)区域A的剩余电流检测值等于探测器后的总对地漏电流值Ir。根据式(4)，总对地漏电流值等于其三种成分(ILCE、TLCES、BICE)组成的矢量和。显然，对于长期运行的配电系统而言，采集并记录总对地漏电流值I的历史数据是比较方便的。

　　(2)对于Ir的固有对地漏电流j成分，其特性是在长期的使用中随着配电系统老化而逐渐增加，且增加是非常缓慢的。因此，在总对地漏电流值Ir的海量历史数据中，对于很短的一个时间段，固有对地漏电流的影响可以看成是一个常数。

　　(3)对于J的下级开关后对地漏电流∑，成分，其特点是下级开关后对地漏电流为一个随机变化的量值，由于下级开关的随机分合，通常TLCES下级开关后对地漏电流对r是不确定的。但对于海量数据而言，其随机量的变化符合贝努利大数中心极限定理，因此下级开关后对地漏电流∑j对总对地漏电流值的影响可以看成是一个随机误差量。

　　(4)对于I的突发性对地漏电流I成分，也是个随机变化的量值。但是，该随机量的发生意味着需要防范的电弧火灾隐患，并不符合贝努利大数中心极限定理。通常，突发性对地漏电流在配电系统下级开关之前或之后各点均可能发生，其特点是量值比较大，远大于对地泄漏电流保护的门限设定值。IBLCE值要么是0，要么很大。基于此特点，在统计决策样本空间中，突发性对地漏电流IBLCE对总对地漏电流值Ir海量数据的影响可以看成是粗大误差量。

　　4、固有对地漏电流(ILCE)智能追踪计算

　　电气火灾监控系统的目的是预防突发性漏电流，因此，在配电系统初次安装电气火灾监控系统时即需要设置对地漏电流报警值。基于以上定义与对地漏电流成分分析，可设计一种自动追踪固有漏电流的方法，用于在电气火灾监控系统中自动调节对地漏电流报警门限值。其流程如下：

　　步骤1：根据配电系统经验或检测值估算出初始固有对地漏电流ILCE，下级开关后对地漏电流TLCES，并考虑所需要控制的突发性漏电流，在图1中A区域可将第一次对地漏电流报警值设置，见式(6)。

　　式中：(O)表示设置初始值;I为漏电流报警门槛值设定值;I为需要限制的突发性漏电流值，在下级开关配置不变的情况下，开关后对地漏电流∑Iri值不需要进行调整;为需要追踪其变化并调节的固有对地漏电流值。

　　同时，在图1中A区域可以定时记录总对地漏电流(如10min/次)，则在此基础上可进行后续计算。

　　步骤2：定期对所记录总对地漏电流样本数据进行处理。处理周期可为一个月或一个季度。在本周期内，对所记录的N个TLCE值j(i=1，…，N)取平均值，见式(7)

　　步骤3：计算所有记录值J与平均值Ir-mon。间的N个残差。见式(8)。

　　步骤4：用贝赛尔公式计算样本的标准差，见式(9)。

　　步骤5：如前所述，由于下级开关后对地漏电流∑Iri成分对总对地漏电流值I的影响可看成随机误差量，符合贝努利大数中心极限定理;而突发性对地漏电流IBLCF.成分在，记录值中的影响可以看成粗大误差量，因此可以利用莱特准则剔除掉包含突发性对地漏电流r成分的样本值。设置误差因数k=3，若残差fVl≥3S，则认为对应样本j包含突发性对地漏电流成分，应从样本空间中予以剔除。这样可以得到新的样本集，包含个总对地漏电流I(≤N)，见式(10)。

　　D={lj满足：ll≤3s，i一1，…，n≤N}(10)

　　步骤6：重复步骤2至步骤5直至步骤5中样本集里没有可剔除的样本值。计算样本均值，并作为本处理周期的正常对地泄漏电流值加以存储，见式(11)。

　　步骤7：追踪固有漏电流变化并调节漏电流报警门限值：在第个处理周期(>1)里计算周期正常对地泄漏电流值，并按式(12)计算本处理周期固有对地泄漏电流值的增量。

　　则新周期固有对地泄漏电流值依式(13)计算。

　　据此可以凋节新的对地漏电流报警门限值，见式(14)。

　　*终，式(14)完成配电系统对地固有漏电流ILCE的自动智能追踪计算。

　　此方法在的ABB电气火灾监控系统设计中进行了试验验证。结果表明，方法简单可行。目前，该系统产品已通过3C认证型式试验。可以预见，配电系统的复杂性推动着智能电网的发展，对于对地固有漏电流IICE的自动智能追踪计算方法将越来越先进可靠。

　　5、结语

　　定义了零序互感器检测的剩余电流各个成分并对其进行分析，提出了一种配电系统中对地固有漏电流IICE的自动智能追踪计算方法，可在零序漏电电流互感器探测对地漏电流系统的电气火灾监控系统中自动调节报警门限值，同时也可以为配电电缆老化的监控起决策支持作用。