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剩余電流保護(hù)裝置（Residual Current Protection Device, RCD）被廣泛應(yīng)用于末級(jí)電網(wǎng)，其主要作用是減小電器不正常接地及其他故障事故帶來(lái)的危害，同時(shí)也作為預(yù)防生物觸電的主要保護(hù)裝置。但運(yùn)行結(jié)果表明，目前使用的剩余電流保護(hù)裝置普遍存在誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)剩余電流保護(hù)裝置的保護(hù)特性研究發(fā)現(xiàn)，剩余電流保護(hù)裝置檢測(cè)到的剩余電流，受泄漏電流與觸電電流相位差的影響，存在觸電電流大于人體觸電安全電流30mA時(shí)，檢測(cè)值仍小于整定值的拒動(dòng)情況。相關(guān)學(xué)者就此提出開發(fā)基于觸電電流動(dòng)作的新型剩余電流保護(hù)裝置。

目前對(duì)生物觸電事故的研究，主要集中于觸電信號(hào)的特征識(shí)別及觸電電流提取兩個(gè)方面。但是，針對(duì)觸電特征識(shí)別和觸電電流檢測(cè)的研究算法復(fù)雜度高，尚無(wú)法滿足觸電事故對(duì)保護(hù)裝置實(shí)時(shí)動(dòng)作的要求，因此目前仍僅限于理論研究方面。

循環(huán)平穩(wěn)理論最早由W. A. Gardner提出，國(guó)內(nèi)學(xué)者羅利春、王洪就其數(shù)學(xué)原理及物理意義做了相關(guān)研究，因其具有在展示信號(hào)傅里葉頻率的同時(shí)提供一個(gè)信號(hào)廣義倍頻與自混頻的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于通信信號(hào)的檢測(cè)和調(diào)制識(shí)別，近年來(lái)信號(hào)一階、二階循環(huán)平穩(wěn)特性的研究被用于機(jī)械故障特征識(shí)別和醫(yī)學(xué)信號(hào)的特征識(shí)別。

由于個(gè)體差異，不同觸電個(gè)體的觸電信號(hào)頻譜圖存在明顯差異；即使同一個(gè)體在不同時(shí)間觸電，其相關(guān)頻譜差異仍然存在，傳統(tǒng)頻譜分析方法很難提取觸電時(shí)刻的特殊頻率或頻段來(lái)識(shí)別觸電事故的發(fā)生與否。

鑒于此，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位的科研人員提出利用循環(huán)譜相關(guān)理論對(duì)觸電信號(hào)進(jìn)行循環(huán)頻譜特性分析，提取生物觸電特征，為研發(fā)基于觸電電流動(dòng)作的剩余電流保護(hù)裝置提供理論依據(jù)。

圖1 生物觸電實(shí)驗(yàn)電路原理圖

研究人員首先利用循環(huán)功率譜分析獲得觸電前、后剩余電流信號(hào)的循環(huán)功率譜三維圖，對(duì)剩余電流中150Hz成分對(duì)應(yīng)的循環(huán)譜切面分析，提取特征循環(huán)頻率1200Hz的線譜占比，定義四種循環(huán)頻譜特征；然后利用K-means聚類分析對(duì)不同維度的循環(huán)頻譜組合特征進(jìn)行聚類，提出了觸電識(shí)別判據(jù)，同時(shí)提出加偏置修正的歐式距離測(cè)度提高了聚類識(shí)別準(zhǔn)確率。

圖2 改進(jìn)后的聚類分析識(shí)別結(jié)果

他們的研究結(jié)果表明：

1）單相、三相兩種電路結(jié)構(gòu)下的觸電前、后剩余電流信號(hào)循環(huán)頻譜切片差異均表現(xiàn)為f=150Hz頻率對(duì)應(yīng)的alpha=1200Hz線譜占比差異，據(jù)此提出了四種觸電信號(hào)循環(huán)譜特征。

2）對(duì)單一和組合循環(huán)譜特征進(jìn)行了聚類分析，其中單相電路分析結(jié)果表明特征2、3、4三維組合特征下的聚類識(shí)別率最高為94.67%，提取的單相電路時(shí)觸電后剩余電流聚類中心為[20.597，57.682，4.773]，正常剩余電流聚類中心為[4.102，11.387，0.923]；另三相電路時(shí)的最佳識(shí)別特征為特征4，識(shí)別率為100%，提取的三相電路時(shí)觸電后剩余電流聚類中為[16.136]，正常剩余電流聚類中心為[2.197]。

3）利用對(duì)歐式距離加偏置項(xiàng)的修正距離測(cè)度進(jìn)行觸電識(shí)別，其分辨率提高到了99.33%，偏置項(xiàng)設(shè)定閾值為0.2919。

本文編自2021年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于循環(huán)譜特征和聚類分析的觸電識(shí)別”，作者為李春蘭、羅杰 等。