1 引言
在電氣設(shè)備的正常運行過程中，一部分電流沿著保護(hù)接地導(dǎo)體流入大地。這些電流稱為漏電流，是用戶的一個安全隱患，因此，大多數(shù)產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)均對漏電流進(jìn)行了限制。人們越來越多地使用剩余電流設(shè)備或者漏電流斷路器，當(dāng)檢測到漏電流過高時，這些設(shè)備將斷開電源。
電源線路濾波器，或者emc濾波器，通過它們的對地電容器影響設(shè)備的總漏電流。當(dāng)今的技術(shù)已使噪聲抑制濾波器的使用成為必需，這樣，漏電流對于最終用戶更為重要。客戶經(jīng)常對漏電流的額定值感到困惑，因為濾波器制造商不使用統(tǒng)一的方法進(jìn)行計算。因此，采用相同的電路，但是由不同制造商制造的濾波器的漏電流不能直接比較。本文敘述了關(guān)于漏電流的基本內(nèi)容，包括計算和測量方法等。
2 標(biāo)準(zhǔn)中的要求
保護(hù)接地器在電氣設(shè)備出現(xiàn)故障或發(fā)生短路時，保護(hù)用戶不會受到危險接觸電壓的傷害。為確保此基本功能，對保護(hù)接地線上的電流必須加以限制，這是為什么大多數(shù)產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)中包含漏電流測量和限制條款的原因。對辦公室設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)備的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)en 60950-1進(jìn)行了相關(guān)說明。
盡管都使用漏電流這個術(shù)語進(jìn)行描述，但是標(biāo)準(zhǔn)在實際上對接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流進(jìn)行了區(qū)分。接觸電流是人在接觸電氣裝置或設(shè)備時，流過人體的所有電流。另一方面，保護(hù)導(dǎo)體電流是在設(shè)備或裝置正常運行時，流過保護(hù)接地導(dǎo)體的電流。此電流也稱為漏電流。
所有電氣設(shè)備的設(shè)計都必須避免產(chǎn)生危及用戶的接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流。一般來說，接觸電流不得超過3.5ma，采用下文所述的測量方法進(jìn)行測量。
3.5ma的極限值并不適用于所有設(shè)備，因此，在標(biāo)準(zhǔn)中，還對配備工業(yè)型電源接線器（b型可插拔設(shè)備）和保護(hù)接地器的設(shè)備進(jìn)行了補充規(guī)定。如果保護(hù)接地電流不超過輸入電流的5％，那么接觸電流可以超過3.5ma。另外，等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的最小截面積必須符合en 60950-1的規(guī)定。最后，但不是最不重要的，制造商必須在電氣設(shè)備上附帶下述警告標(biāo)簽之一。
“警告！強(qiáng)接觸電流。先接地。”；“警告！強(qiáng)漏電流。先接地。”
除了普通的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)之外，還有關(guān)于無源emi濾波器的安全標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，新頒布了en 60939，自2006年1月1日起代替了當(dāng)時現(xiàn)行的en 133200。然而，此標(biāo)準(zhǔn)沒有關(guān)于濾波器漏電流的附加要求。美國的emi濾波器標(biāo)準(zhǔn)，ul 1283，與此不同。不僅需要進(jìn)行所有常規(guī)安全試驗，還需要確認(rèn)濾波器的漏電流。在默認(rèn)情況下，此漏電流不允許超過0.5ma。否則，濾波器必須附帶一個安全警告，說明濾波器不適用于住宅區(qū)。必須提供接地連接器以防觸電，另外濾波器必須連接到接地電源引出線或接頭上。
3 漏電流的計算
本節(jié)將說明計算漏電流的方法。因為元件存在誤差，并且電網(wǎng)（對于三相供電網(wǎng)）的不平衡只能估計，所以實際結(jié)果不一定等于測量結(jié)果。另一方面，對連續(xù)生產(chǎn)的每一個濾波器都進(jìn)行漏電流測量是不合理的，所以一般來說，制造商提供的漏電流都是根據(jù)計算值。
對于所有的計算，磁性元件的寄生元件及保護(hù)接地器的阻抗均忽略不計。計算時只考慮濾波器電容的誤差。emi濾波器電容一般用來抑制差模和共模干擾。對于前者，在相位之間，以及相位和中性導(dǎo)體之間，連接有所謂的x電容。對于共模抑制，相位和接地之間采用y電容。
電容器對于頻率和電壓的依存關(guān)系也沒有考慮。這對于陶瓷電容器是非常重要的，因為這種電容器會受到電壓和頻率的明顯影響。因此，采用陶瓷電容器的濾波器的漏電流也比計算結(jié)果更大。
3.1 三相供電網(wǎng)中的漏電流
要計算三相供電網(wǎng)中的漏電流，需要確定電源中性點mq和負(fù)載中性點ml之間的電壓。在電源端，是3個相電壓ul1、ul2和ul3，與中性點mq相連接。在負(fù)載端，是3個阻抗z1、z2和z3，也與一個星形相連接，如圖1所示。兩個中性點mq和ml通過阻抗zql相連，此阻抗上的壓降為uql。
供電網(wǎng)（源）：supply network(source)
圖1 電源和負(fù)載和星型連接
阻抗zql的實際電壓uql可以使用下述公式計算：
（1）
無源三相濾波器的一種常見配置是3個x電容器的中性點連接，并通過y電容器與地電位或者濾波器的外殼相連接，如圖2所示。對于平衡電容電網(wǎng)，漏電流可以忽略。另一方面，當(dāng)相位之間達(dá)到最高的不平衡時，電網(wǎng)達(dá)到最高的漏電流值。不平衡的原因包括電容器值的公差，以及供電網(wǎng)的電壓不平衡。
供電網(wǎng)（源）：supply network(source)
圖2 三相濾波器的典型電容器配置
因此，漏電流的關(guān)鍵要素是電容器cx1、cx2和cx3的不平衡產(chǎn)生的電壓uql。對于大多數(shù)濾波器，額定值是相同的，但是也存在制造公差的影響。電容器cy處的壓降uql產(chǎn)生的漏電流ileak,max可以根據(jù)下式確定：
（2）
(當(dāng)
時)
大多數(shù)制造商在確定無源濾波器中的電容器的額定值時，公差為±20%。cy的最高壓降發(fā)生在兩個x電容器具有最小的公差，而一個電容器具有最大公差的時候。另外，假設(shè)cy的公差值最大。將這些假設(shè)代入方程(1)和(2)，則漏電流為：
（3）
為更好地了解此理論，可以提供一個480v三相濾波器的計算實例。電容器值為cx=4.4μf、cy=1.8μf；所有電容器的公差均為制造商規(guī)定的±20%。不考慮電源電壓的不平衡，計算出的漏電流大約為23ma。
實踐經(jīng)驗表明電容器的公差差距不會如此之大。比較真實的公差范圍從-20％至0％。根據(jù)此假設(shè)，上述計算得出的漏電流大約為10ma。應(yīng)該指出：不同制造商采用的濾波器漏電流計算方法并不統(tǒng)一。因此，即使兩個濾波器的電路圖和元件值相同，但是漏電流也可能不同。
到目前為止，在計算中并沒有考慮供電網(wǎng)的電壓不平衡。在實際應(yīng)用中，供電網(wǎng)確實存在不平衡。為在計算中考慮進(jìn)此因素，采用了供電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)en 50160，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公共供電網(wǎng)的狀態(tài)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，地區(qū)供電網(wǎng)的電壓不平衡應(yīng)該不超過3％。將此條件代入前述計算，當(dāng)電容器公差為±20%時，漏電流上升到26ma，當(dāng)公差為+0/-20%時，漏電流為13ma。
3.2 單相供電網(wǎng)中的漏電流
與三相供電網(wǎng)相比，單相供電網(wǎng)中的漏電流計算要容易的多。在電壓和頻率給定之后，漏電流只取決于總電容。圖3所示是單相濾波器的典型電容器回路。
圖3 單相濾波器的典型電容器配置
在正常工作時，漏電流由電容器cyl和cyn決定。總電流值由下式給出：
（4）
當(dāng)cx=100nf、cy=2.2nf，并且給定的公差為±20%時，漏電流為190μa。最壞的情形發(fā)生在中性導(dǎo)體斷開的時候。此時，總電容由兩個平行電容器組成：一邊是cyl，另一邊是串聯(lián)的cx和cyn。圖4是等效電路圖。
圖4 中性導(dǎo)體斷開時的總電容
總電容根據(jù)下述公式計算：
（5）
在發(fā)生故障時，最大漏電流可以高達(dá)377μa。
4 漏電流的測量
計算漏電流是一回事，進(jìn)行測量又是另外一回事。各種產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了必要的測量方法。盡管不同標(biāo)準(zhǔn)之間存在差異，基本方法是類似的。下文將詳細(xì)敘述根據(jù)en 60950進(jìn)行計算。
我們在“標(biāo)準(zhǔn)中的要求”中提到：en 60950使用術(shù)語“接觸電流”和“保護(hù)接地電流”而不是“漏電流”。測得的電流總是接觸電流。因為單相和三相供電網(wǎng)所用的方法非常類似，所以只敘述單相設(shè)備所用的方法。
基本測量設(shè)置如圖5所示。測量設(shè)備的輸出b與系統(tǒng)的接地中性導(dǎo)體相連接。輸出a通過開關(guān)stest與設(shè)備的接地端子相連接。開關(guān)spe打開。
圖5 接觸電流的測量設(shè)置
圖５中： 接電源（power connection）
被測設(shè)備（eut）
測量設(shè)備（measurement equipment）
測量必須采用反極性。為此，電路使用了開關(guān)spol。許可漏電流取決于設(shè)備的類型，并在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了規(guī)定。
另外，設(shè)備可操作件的接觸電流的測量與設(shè)備類型無關(guān)。然而，并沒有詳細(xì)描述該測量，因為與漏電流自身無關(guān)。
圖5所示的測量設(shè)備可以有二種版本。第一種可能性采用圖6所示的電壓測量回路。
測試連接（test connections）
圖6 電壓測量設(shè)備
圖６中：
rs——1500ω
rb——500ω
r1——10kω
cs——0.22μf
c1——0.022μf
測量電壓u2所需的輸入阻抗必須大于1mω，輸入電容必須小于200pf。頻率范圍需要在15hz至1mhz之間。u2到ileak的轉(zhuǎn)換公式為：
（6）
除了根據(jù)圖6測量電壓之外，還可以根據(jù)圖7所示的電路測量電流。
測試連接（test connections）
圖7 電流測量設(shè)備
圖７中：
m——動圈式儀表
r1+rv1+rm——在c=150nf±1%時，1500ω±1%，或者在c=112nf±1%且0.5ma ｄｃ時，2000ω±1%
d——測量整流器
rs——無感應(yīng)電阻器，量程x10
s——量程選擇器
對于非正弦波形，并且頻率超過100hz，則圖6所示電壓測量可以獲得更為精確的結(jié)果。
5 供電網(wǎng)拓樸對漏電流的影響
在“漏電流的測量”中，已經(jīng)提到當(dāng)供電網(wǎng)和電容網(wǎng)絡(luò)取得平衡時，漏電流最低。任何不平衡都將增大漏電流。
考慮到這一點，很明顯供電網(wǎng)拓樸對于設(shè)備漏電流具有明顯的影響。對于某些供電網(wǎng)，甚至需要設(shè)計專用濾波器來降低漏電流。特別是在日本供電網(wǎng)中使用歐洲生產(chǎn)的濾波器。
日本供電網(wǎng)的特殊性是一個事實，一相直接接地。如圖8所示。
emi濾波器（emi filter）
圖8 日本供電網(wǎng)的原理
這種設(shè)置類型的并聯(lián)連接是一個分支為ll2，另一個分支為cl2和c0。等效電路如圖9所示。
圖9 圖8的等效電路
對于這種布局，接地阻抗完全不同，從而產(chǎn)生不同的壓降和漏電流。因此，歐洲濾波器的漏電流額定值不能自動用在日本供電網(wǎng)中。
一種可能的解決方案是更改濾波器接地相的阻抗，從而產(chǎn)生不平衡的濾波器。另外一種備選方案是增加所有相位的阻抗，從而降低濾波器的總接地電容（y電容），這樣保持了濾波器的對稱設(shè)置并且沒有顯著增大漏電流。
6 結(jié)束語
出于安全考慮，在使用無源emi濾波器時，需要考慮漏電流的影響。一般來說，大多數(shù)制造商定義了正常運行時每個相位的漏電流。
一般來說，漏電流的額定值不是測量的結(jié)果，而是計算值。計算前提并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而是由制造商規(guī)定。這些前提包括元件的公差、電源電壓的不平衡和操作模式（正常運行、故障狀態(tài)）。因此，即使兩個濾波器的電路圖和元件的額定值相同，但是漏電流可能明顯不同。
各種產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了漏電流的測量，因此易于復(fù)制。然而，不能100％地進(jìn)行生產(chǎn)測試。只在驗證過程中，才進(jìn)行類型測試。
最后，但不是最不重要的，漏電流還在很大程度上取決于供電網(wǎng)。在歐洲供電網(wǎng)中漏電流很低的濾波器在日本供電網(wǎng)中就表現(xiàn)出很大的漏電流。因此，很容易使現(xiàn)有的漏電流斷路器跳閘。
盡責(zé)的制造商在其規(guī)范中總是標(biāo)注可能發(fā)生的最大漏電流。最終用戶很難可靠地計算設(shè)備或裝置的總漏電流。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
|
|
|
|
|
|
|
|