電力系統(tǒng)中高頻漏電的產(chǎn)生及處理方法的探討

漏電保護(hù)裝置（RCD）一直是配電系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)部件，它的工作原理是當(dāng)電路的漏電在特定條件下達(dá)到其設(shè)定值時(shí)，內(nèi)部觸頭動(dòng)作從而斷開主電路進(jìn)行保護(hù)。為了確保個(gè)人人身的安全，在家庭用電系統(tǒng)中所使用的RCD的額定電流為30mA。國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定RCD在系統(tǒng)漏電為RCD額定漏電的50%~100%之間動(dòng)作。即若要使額定漏電為30mA的RCD動(dòng)作，則系統(tǒng)中必須要有15mA~30mA的漏電。

在工業(yè)用電環(huán)境中，除了有30mA的RCD保護(hù)人身安全外，對(duì)于生產(chǎn)所用的大型機(jī)器也采用了不同的閾值的RCD進(jìn)行了保護(hù)。不同的保護(hù)場景所對(duì)應(yīng)的RCD閾值如下表所示：

表1 RCD閾值保護(hù)場景對(duì)應(yīng)表

在工業(yè)生產(chǎn)中，用電系統(tǒng)的故障是不可避免的問題。使用RCD能在系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候及時(shí)動(dòng)作斷開電路，減少相關(guān)損失。然而RCD的這種動(dòng)作是不可預(yù)測無法控制的，這種不可控的跳閘停電會(huì)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)制造造成影響，特別是大型的企業(yè)產(chǎn)線，一旦停電會(huì)造成幾十萬乃至上百萬的財(cái)產(chǎn)損失。如何使得故障停電可控制，成為困擾企業(yè)生產(chǎn)的一大難題。

使用漏電監(jiān)測裝置（RCM）是完美的解決方案。通過RCM可以實(shí)時(shí)檢測并報(bào)告系統(tǒng)中的漏電的增加，企業(yè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并據(jù)此來計(jì)劃安排在非生產(chǎn)時(shí)間對(duì)設(shè)備的停機(jī)維修。大大降低了因?yàn)橥蝗还收隙C(jī)的概率，保障了企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃。

圖1 RCD與RCM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

上圖為RCD和RCM的原理對(duì)比圖，左側(cè)為RCD，右側(cè)為RCM。由上圖可以清楚地看出，與RCD相比，RCM只負(fù)責(zé)檢測和輸出電流值，不能獨(dú)立地中斷電源線。實(shí)際應(yīng)用中可以將RCM與繼電器相結(jié)合時(shí)，達(dá)到控制電路關(guān)斷的作用。

除了可以保障停機(jī)可控外，RCM還可以確保系統(tǒng)的安全性。日常的生產(chǎn)活動(dòng)中，對(duì)于企業(yè)的安全生產(chǎn)需要定期進(jìn)行安全檢查，而其中有一項(xiàng)檢查就是絕緣測試。在做絕緣測試時(shí)為了避免測試的高壓對(duì)于系統(tǒng)和設(shè)備的損害，因此測試時(shí)必須斷開整個(gè)系統(tǒng)。而使用漏電檢測裝置的系統(tǒng)，則無需單獨(dú)安排絕緣測試。在國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60364-6（版本2.0-2010-04）中明確規(guī)定，當(dāng)系統(tǒng)中使用符合IEC62020的漏電監(jiān)測裝置(RCM)實(shí)時(shí)監(jiān)測電流時(shí)，絕緣電阻就沒有必要再單獨(dú)進(jìn)行測試了。

RCM的第三個(gè)應(yīng)用場景是可以保護(hù)企業(yè)免受火災(zāi)，在所有已發(fā)生的火災(zāi)事故中，大約有30%的火災(zāi)是由于電氣系統(tǒng)的故障缺陷所引發(fā)的。使用RCM能在故障發(fā)生前，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并斷開電路進(jìn)行檢修，避免火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

在RCD的實(shí)際場景中，由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)有系統(tǒng)工作相關(guān)的漏電，這些漏電不是我們所要保護(hù)的故障漏電，但是他們的存在會(huì)被RCD采集到，從而導(dǎo)致RCD的誤動(dòng)作。

那么系統(tǒng)工作相關(guān)的漏電從哪里來呢？

在電力質(zhì)量領(lǐng)域，各種復(fù)雜的工況使得系統(tǒng)內(nèi)部存在各式各樣非工頻的電流，輸出的波形上會(huì)有很多高頻諧波分量。

圖2 三相系統(tǒng)構(gòu)成及波形圖

對(duì)于這些高頻諧波電流，往往采用濾波器和變頻器進(jìn)行過濾，以此減少高頻諧波對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的干擾。為了降低總諧波失真，在許多情況下，這些高頻諧波分量會(huì)被轉(zhuǎn)移到接地端(PE)上。許多實(shí)際的案例表明，這些被轉(zhuǎn)移到接地端的高頻諧波分量會(huì)被RCD采集到，并引起RCD的誤動(dòng)作，引起意外跳閘。

 

圖3 三相系統(tǒng)中漏電來源圖

由圖3可以清晰地得知，漏電會(huì)從電容濾波器和寄生電容間產(chǎn)生。這些容性電流便屬于恒定的系統(tǒng)相關(guān)漏電，不屬于我們所要保護(hù)的故障泄露電流。但這些系統(tǒng)相關(guān)的漏電與故障泄露電流會(huì)一起被RCD和RCM檢測到，從而觸發(fā)RCD動(dòng)作。這種系統(tǒng)相關(guān)漏電的成因是由于變頻器以PWM（脈沖調(diào)制寬度）的方式輸出，使得電機(jī)電纜與大地之間有長電纜的電容效應(yīng)，使用帶屏蔽層的電纜時(shí)，電容效應(yīng)更加明顯。在變頻器工作時(shí)，電容在充放電，便有了電流通過電容流入大地，并從進(jìn)線側(cè)的接地線再流回變頻器，形成電流回路。并且由于變頻器自身產(chǎn)生的高頻諧波分量，出現(xiàn)的高頻諧波電流會(huì)使RCD誤動(dòng)作，從而導(dǎo)致頻繁跳閘。

為了避免這種誤跳閘，西門子的變頻器產(chǎn)品使用說明書中有具體要求，這些要求都是為了避免或減少系統(tǒng)相關(guān)漏電對(duì)于漏電保護(hù)所產(chǎn)生的影響。

變頻器廠家POWTRAN在官網(wǎng)上對(duì)于系統(tǒng)相關(guān)的漏電也進(jìn)行了相關(guān)說明：在逆變控制系統(tǒng)中使用三相四線制系統(tǒng)漏電斷路器，變頻器工作時(shí)會(huì)頻繁跳閘。原因是由于逆變器運(yùn)行時(shí)輸出電壓所包含的高頻諧波分量，使電機(jī)繞組與殼體、導(dǎo)線與地之間的寄生電容通過導(dǎo)線與地、接地與機(jī)箱產(chǎn)生漏電流，當(dāng)漏電流大于斷路器漏電的電流值，漏電斷路器將誤動(dòng)作而跳閘。因此，在使用變頻器的控制系統(tǒng)中出現(xiàn)上述情況時(shí)，需要更換原來的漏電斷路器或重新設(shè)置漏電閾值。

再來看實(shí)際使用場景下的案例。如下圖4為一個(gè)標(biāo)稱電流150A，系統(tǒng)相關(guān)漏電為50~60mA的三相數(shù)控機(jī)床的漏電波形圖。

圖4 150A數(shù)控機(jī)床的漏電波形圖

如果我們把這個(gè)信號(hào)分解成它的高頻分量，就會(huì)出現(xiàn)下圖。

 

圖5 頻率分量的漏電波形圖

 

由圖可知，在50Hz和150到1050Hz間出現(xiàn)了較大的漏電。這些漏電會(huì)通過濾波器被轉(zhuǎn)移到接地端，最終出現(xiàn)在總的漏電流中。各頻率分量的來源見下表。

 

    表2 系統(tǒng)中各頻率電流分量來源表

一般對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)，我們會(huì)使用300mA的RCD來保護(hù)。在德國標(biāo)準(zhǔn)DIN VDE 0100-530 (2010-04) 531.3.3中指出：系統(tǒng)中的系統(tǒng)相關(guān)漏電的值不大于0.4倍漏電斷路器的額定值，以避免斷路器的誤跳閘。

已知此系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)測得的系統(tǒng)相關(guān)漏電為50到60 mA，低于0.4倍的RCD額定值(0.4×300 mA=120 mA)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但開關(guān)的瞬態(tài)電流值可達(dá)到150 mA，總漏電將達(dá)到200到210mA。而300mA的RCD在150-300mA間動(dòng)作，總漏電達(dá)到了其動(dòng)作電流的要求，因此系統(tǒng)的誤跳閘還是可能出現(xiàn)。

讓我們來看看另一個(gè)可以檢測到開關(guān)瞬態(tài)電流的系統(tǒng)，這也是一個(gè)配備了變頻器的生產(chǎn)設(shè)備。

圖6 基頻為150Hz系統(tǒng)的漏電波形圖

如圖在20ms的時(shí)間內(nèi)，可以看到三個(gè)幾乎正弦的基本震蕩。由此我們可以得出它的頻率約為150Hz。圖中的大諧波分量在變頻器中大于18kHz的部分會(huì)被EMC濾波器和寄生電容傳導(dǎo)到對(duì)地端，這部分系統(tǒng)相關(guān)的漏電也會(huì)被RCD檢測到。系統(tǒng)相關(guān)的漏電有效值約為250~260mA，大于90mA(0.4×300 mA=120 mA)，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此300mA的RCD不適合在此情境下使用。

我們?cè)賮砜醋钊菀滓疱e(cuò)誤報(bào)警的開關(guān)瞬態(tài)電流，下圖為變頻器的瞬態(tài)電流波形圖，它的開啟瞬態(tài)電流高達(dá)1800毫安。

圖7 變頻器的開啟瞬態(tài)電流波形圖

 

   系統(tǒng)中變頻器的開關(guān)瞬態(tài)高頻漏電不僅會(huì)引起錯(cuò)誤報(bào)警，還可能會(huì)導(dǎo)致RCD中電流互感器的磁性工作點(diǎn)發(fā)生改變，從而使得RCD提前或滯后動(dòng)作，引發(fā)更大的電氣危害。

   因此，需要一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測交流和直流漏電并且能夠?qū)倬瘓?bào)進(jìn)行相關(guān)抑制的傳感器。Magtron的RCMU101系列傳感器完美符合這個(gè)需求。

   Magtron的RCMU系列傳感器使用ifluxgate®磁通門原理技術(shù)，可以同時(shí)檢測交流、脈動(dòng)直流、復(fù)合電流、平滑直流。此外，還可以在控制引腳上進(jìn)行各種信號(hào)處理，以抑制測量結(jié)果由于系統(tǒng)相關(guān)漏電和瞬態(tài)開關(guān)電流的影響。

相比于傳統(tǒng)器件，Magtron的RCMU系列漏電流傳感器(ifluxgate®)擁有更小體積尺寸（體積僅為傳統(tǒng)解決方案的1/4）、更輕的重量和更高的能量密度， 并且具有全球首家獨(dú)創(chuàng)的Self-Check自檢功能。公司自主研發(fā)的SoC芯片技術(shù)也可以為客戶提供專有的高性價(jià)比技術(shù)解決方案。Magtron RCMU系列漏電流傳感器(ifluxgate®) 基于市場實(shí)時(shí)的最新需求，不斷升級(jí)完善，致力于解決工業(yè)類，電動(dòng)汽車類等各項(xiàng)漏電問題，為各行業(yè)電力設(shè)備保駕護(hù)航。

 

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