一种基于漏电流的自取能漏电监测方法及系统与流程

本申请涉及电力系统在线监测的取电技术领域，尤其涉及一种基于漏电流的自取能漏电监测方法及系统。

背景技术：

我国低压配电网漏电事故频发，电气火灾、用电设备损坏和人体触电等漏电事故已经严重影响生产生活，威胁生命财产安全。现有的检测漏电流的方法有很多，例如小电阻采样法、霍尔传感器电流检测法、电流互感器测量法、电流比较器等。其中，较为常用的小电阻采样法的是在原回路中串联一个电阻，将电流信号转化为电压信号，通过直接测量电阻电压便可以得到漏电流信号，此种方法简便、经济，但是会对电路实际情况带来干扰，带来测量误差；霍尔传感器电流检测法、电流互感器测量法、电流比较器作为间接式测量方法，优点是隔离式测量电流信号，不需要接入原有电路进行测量，降低了测量系统对电路的额外干扰，可以有效的减少测量误差。目前主要的间接式测量方法是霍尔传感器电流检测法，利用霍尔效应实现电流检测，但其受温度变化影响大，产生干扰大，测量弱电流灵敏度比较低，不适于检测微弱电流。

目前低压漏电监测技术主要以安装传统的漏电保护器为主，灵敏度低、易发生误动作，引起频繁跳闸，影响供电可靠性。为了避免不可预估的因素对漏电保护器正常运行的干扰，漏电保护监测设备应运而生。漏电保护监测设备的应用在电能使用过程中对线路的电流安全运行实施检测，能够预防漏电引发的事故，但是目前产品级的漏电保护监测设备，主要采用外部电源供电，存在因外接电源漏电引发的触电和设备误动作风险，同时外部电源自身存在一定的损耗。

近年来，随着智能电网技术的不断发展，智能装备在电力设备中的应用日益普遍，而在线监测设备等智能装备必须解决的一个难点是电源供电问题，因此，电源设计成为了关注的焦点。目前主流的自供电方式有传统ct取电、电容分压取电、激光取电、光伏电池取电、超声波取电以及微波辐射式取电等。传统ct取电方式能量转换率高，易取电，但是取能不稳定；电容分压取电由于缺少电气隔离，存在一定的安全隐患；激光取电输出精度高、供能稳定，但成本较高；光伏电池是一种可再生能源，不产生温室气体，但易受外界环境的影响，不能实现持续供能；超声波取电较为安全可靠，但设备成本较高，并且超声波电能的转换率较低；微波辐射式取电能够实现远距离无线输电，定向性好，但传输效率低，成本高。

随着技术的不断创新和进步，取电装置及方法也在不断改进，其中，专利号为201810571411.4的一种大功率电容取电装置及方法，提出的分压电容取电法将pt去掉，采用电容取电，并用超级电容或蓄电池储能，该方法除了需要隔离取电电路和后续工作电路外，还受温度、湿度和杂散电容等多种因素的影响，并且输出功率有限。专利号为201910138276.9的一种基于罗氏线圈的输电线路感应取电装置，利用互感器原理把部分高压导线上的能量转换成电能输出，该方法难以在输电线路较大的电流范围内平稳地输出功率，通常输电线路电流较小时，输出功率不足，输电线路电流较大时，输出功率过高，取电装置发热严重。

综上所述，一方面，目前漏电监测设备主要采用外部电源供电，存在因外接电源漏电引发的触电和设备误动作风险，同时外部电源自身存在一定的损耗；另一方面，在线监测设备等智能装备的电源供电问题，现有技术中多是采用在输电线路上取电。本申请提供的一种基于漏电流的自取能漏电监测方法，将监测漏电和设备自供电相结合，将电力设备或输电线路的漏电流信号处理后，作为监测设备启动的电源，既节约能源又有效防止了因外接电源漏电引发的触电和设备误动作风险。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明了提供一种基于漏电流的自取能漏电监测方法及系统，无需外部电源供电，能够提供稳定直流电源为监测装置供电。

本申请的第一方面，提供一种基于漏电流的自取能漏电监测方法，所述方法包括：

步骤一：电极的选择；

根据监测设备类型不同，电极可为条形、弧形和环形三种形状；所述电极具有较好的抗腐蚀性、导电性能、抗压强度，以及具有优良的焊接性能；

条形电极选择公式如下：

其中，l为电极长度，i为电力设备或输电线路的漏电流，rs和xs为隔离变压器短路阻抗，rl为监测装置电阻，p1为漏电监测系统所需能量，ρ1为电极的电阻率；

环形或者弧形电极选择公式如下：

其中，环形电极的宽度a，环形电极的厚度t，电极的电阻率ρ1已知，r为环形电极的半径；

步骤二：电极的布置；

当电力设备或输电线路发生漏电时，漏电流从带电体向周围介质扩散时会形成一定的电位分布，所述电能采集装置的电极ⅰ和电极ⅱ处于不同的电位分布下，形成电位差，采集漏电流信号，提取监测装置启动所需的能量；

电极ⅰ与漏电点距离为r1，电极ⅱ与漏电点距离为r2，根据电流扩散原理，为保证两电极取出的电能足够大，布置两电极时，r1应尽量靠近漏电点，r2尽量远离漏电点，先固定r1的位置，r2的确定公式如下：

其中，ρ为电流扩散介质的电阻率；

步骤三：计算所述电能采集装置两电极采集到的电压u12；

步骤四：计算自取能漏电监测系统取出的能量p；

漏电流扩散介质的电阻率ρ，漏电流i，两电极间电阻r，电极距漏电点距离r1和r2，负载rl已知，短路阻抗rs，xs可由短路试验求出，通过以上公式可以得到自取能漏电监测系统的输出功率。

本申请的第二方面，所述方法应用于基于漏电流的自取能漏电监测系统，所述系统包括：电能采集装置、隔离变压器、整流滤波装置和监测装置。所述电能采集装置包括电极ⅰ和电极ⅱ，用于采集电力设备或输电线路的漏电流信号，所述电能采集装置与隔离变压器的一次侧串联，所述电能采集装置采集到的交变电流经过隔离变压器、整流滤波装置后，为监测装置提供稳定的驱动电源，所述隔离变压器的二次侧、所述整流滤波装置和所述监测装置依次并联。

所述电能采集装置的输入端为漏电流在介质(大地、树木、铁塔、水泥杆、水等)表面所产生的电压，输出端与所述隔离变压器的一次侧串联，所述隔离变压器的二次侧、所述整流滤波装置和所述监测装置依次并联。

本申请的有益效果：本申请具有实施方法简单，适用性强等特点，且提出了基于漏电流的自取能漏电监测方法，利用电力设备或输电线路的自身漏电流，实现监测设备的无源自启动，节省能量，同时可避免设备外部电源产生漏电触电的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种基于漏电流的自取能漏电监测方法的流程图；

图2为本申请提供的一种基于漏电流的自取能漏电监测系统采用条形电极取能的结构示意图；

图3为本申请提供的一种基于漏电流的自取能漏电监测系统采用弧形电极取能的结构示意图；

图4为本申请提供的一种基于漏电流的自取能漏电监测系统采用环形电极取能的结构示意图；

图5为本申请提供的一种基于漏电流的自取能漏电监测系统的等效电路图；

图6为本申请提供的一种基于漏电流的自取能漏电监测系统的简化等效电路图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1，为本申请提供的一种基于漏电流的自取能漏电监测方法的流程图，步骤如下：

s101，电极的选择：确定电极形状以及电极的电阻和尺寸；

s102，电极的布置：确定两电极距离漏电点的距离；

s103，计算所述电能采集装置两电极采集到的电压u12；

s104，计算自取能漏电监测系统取出的能量p。

参阅图2、图3、图4，为一种基于漏电流的自取能漏电监测系统的结构示意图，所述系统包括：电能采集装置1、隔离变压器2、整流滤波装置3和监测装置4。所述电能采集装置1包括电极ⅰ5和电极ⅱ6，用于采集电力设备或输电线路的漏电流信号，所述取能系统将电能采集装置采集到的交变电流经过隔离、整流滤波后，为监测装置提供稳定的驱动电源。

根据监测设备类型不同，选择不同形状的电极，其中图4所示环形电极应设有小开口，防止电磁感应产生环流，影响电极性能。

电极ⅰ的选择与布置：

电极ⅰ的尺寸和位置，决定于系统需要电极采集到多大的电流。漏电流i以漏电点为中心，在平面介质上向四周扩散，当系统需要电极采集到的电流为i'时，有如下关系式：

其中，s'为电极ⅰ与介质的接触面积，s为漏电流的扩散面积，i为漏电流。

可得电极ⅰ与介质的接触面积

因为取能系统侧的负载阻抗远小于电极ⅰ和电极ⅱ之间的过渡电阻，所以电极ⅰ采集到的电流i'经过过渡电阻分流后大部分都流入系统侧，为监测装置启动提供能量。

两电极布置时，靠近漏电点的电极ⅰ的选择尤为重要，直接决定了系统中的电流大小。当电极ⅰ根据电流取值布置完成后，再根据系统所需的功率，计算出两电极间的电压值，从而确定远离漏电点的电极ⅱ的位置，而电极ⅱ的尺寸对于系统的取能影响并不大。

电极ⅱ的选择与布置：

根据电流扩散原理，求得两电极间电压为：

根据欧姆定律及电流分压，求得两电极间电压为：

由式(1)(2)可得：

系统取出的能量为：

系统取出的能量用以启动监测装置，令p＝5w，有：

由式(3)(4)得：

其中，z为系统侧阻抗，若r1已知，则r2的表达式如下：

式中，电极ⅰ与漏电点距离为r1，电极ⅱ与漏电点距离为r2，根据电流扩散原理，为保证两电极取出的电能足够大，布置两电极时，r1应尽量靠近漏电点，r2尽量远离漏电点；ρ为电流扩散介质的电阻率；i为电力设备或输电线路的漏电流，rs和xs为隔离变压器短路阻抗，rl为监测装置电阻。

同时，由式(3)(4)可得电极电阻为：

参阅图2，条形电极电阻表达式为：其中ρ1为电极的电阻率，l为电极长度，s为电极的横截面积；

采集电流时，电极越长，能够采集到的能量越多，所以这里电极的横截面积s取值远小于电极长度值，可以忽略不计，r近似等于ρ1l。

可得电极ⅱ长度为：

其中，l为电极ⅱ长度，i为电力设备或输电线路的漏电流，rs和xs为隔离变压器短路阻抗，rl为监测装置电阻，ρ1为电极的电阻率。

参阅图4，为确保取出足够大的电能，当环形电极ⅰ位置固定时，环形电极ⅱ应尽可能远离电极ⅰ，所以环形电极ⅱ的半径和电阻远大于环形电极ⅰ的半径和电阻，环形电极ⅱ电阻表达式为：

进而求得：环形电极ⅱ的半径

其中，环形电极ⅱ的宽度a，环形电极ⅱ的厚度t，电极的电阻率ρ1已知，r为环形电极ⅱ的半径。

参阅图5，为图2-4的等效电路图，图中，漏电流i等效为电流源；两电极间电阻r为电流源内阻；r1，x1为隔离变压器2一次绕组的电阻和漏抗；r2，x2为隔离变压器2二次绕组的电阻和漏抗；rm，xm为隔离变压器2励磁绕组的电阻和感抗；rl为监测装置4负载；其中整流滤波装置3的电阻很小，可忽略不计。

参阅图6，为图5的等效简化电路图，图中rs为短路电阻，xs为短路电抗，且rs＝r1+r2，xs＝x1+x2。

下面对自取能漏电监测系统的输出功率进行推导：

电极ⅰ与漏电点距离为r1，此时电极ⅰ上的电位为：

电极ⅱ与漏电点距离为r2，此时电极ⅱ上的电位为：

两电极间电压u12为：

由上式可以看出，为确保电极取出的电压足够大，则u1尽可能大，u2应尽量小，故布置两电极时，r1应尽可能的靠近漏电点，r2尽可能的远离漏电点。

系统侧的电流为：

系统输出功率为：

漏电流扩散介质的电阻率ρ，漏电流i，两电极间电阻r，电极距漏电点距离r1和r2，负载rl已知，短路阻抗rs，xs可由短路试验求出，通过以上公式可以得到自取能漏电监测系统的输出功率。