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剩余電流保護裝置（Residual Current Protection Device, RCD）被廣泛應用于末級電網(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的危害，同時也作為預防生物觸電的主要保護裝置。但運行結果表明，目前使用的剩余電流保護裝置普遍存在誤動、拒動現(xiàn)象。

通過對剩余電流保護裝置的保護特性研究發(fā)現(xiàn)，剩余電流保護裝置檢測到的剩余電流，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，檢測值仍小于整定值的拒動情況。相關學者就此提出開發(fā)基于觸電電流動作的新型剩余電流保護裝置。

目前對生物觸電事故的研究，主要集中于觸電信號的特征識別及觸電電流提取兩個方面。但是，針對觸電特征識別和觸電電流檢測的研究算法復雜度高，尚無法滿足觸電事故對保護裝置實時動作的要求，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，國內(nèi)學者羅利春、王洪就其數(shù)學原理及物理意義做了相關研究，因其具有在展示信號傅里葉頻率的同時提供一個信號廣義倍頻與自混頻的優(yōu)勢，被廣泛應用于通信信號的檢測和調制識別，近年來信號一階、二階循環(huán)平穩(wěn)特性的研究被用于機械故障特征識別和醫(yī)學信號的特征識別。

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

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

圖1 生物觸電實驗電路原理圖

研究人員首先利用循環(huán)功率譜分析獲得觸電前、后剩余電流信號的循環(huán)功率譜三維圖，對剩余電流中150Hz成分對應的循環(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聚類分析對不同維度的循環(huán)頻譜組合特征進行聚類，提出了觸電識別判據(jù)，同時提出加偏置修正的歐式距離測度提高了聚類識別準確率。

圖2 改進后的聚類分析識別結果

他們的研究結果表明：

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

2）對單一和組合循環(huán)譜特征進行了聚類分析，其中單相電路分析結果表明特征2、3、4三維組合特征下的聚類識別率最高為94.67%，提取的單相電路時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]；另三相電路時的最佳識別特征為特征4，識別率為100%，提取的三相電路時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）利用對歐式距離加偏置項的修正距離測度進行觸電識別，其分辨率提高到了99.33%，偏置項設定閾值為0.2919。

本文編自2021年第22期《電工技術學報》，論文標題為“基于循環(huán)譜特征和聚類分析的觸電識別”，作者為李春蘭、羅杰 等。