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單位名稱：浙江巨磁智能技術有限公司 作者：Hank.Huang 近些年隨著新能源相關產業的蓬勃發展，光伏逆變、直流微電網、儲能系統在電力系統中的占比與日俱增。各類并網項目對用電系統的安全問題產生了巨大的挑戰，尤其是對漏電檢測相關的保護，其復雜程度日漸突出。如何處理好復雜系統中的漏電保護成為當下最迫切關注的問題。 漏電保護裝置（RCD）一直是配電系統中的標準部件，它的工作原理是當電路的漏電在特定條件下達到其設定值時，內部觸頭動作從而斷開主電路進行保護。為了確保個人人身的安全，在家庭用電系統中所使用的RCD的額定電流為30mA。國際標準中規定RCD在系統漏電為RCD額定漏電的50%~100%之間動作。即若要使額定漏電為30mA的RCD動作，則系統中必須要有15mA~30mA的漏電。 在工業用電環境中，除了有30mA的RCD保護人身安全外，對于生產所用的大型機器也采用了不同的閾值的RCD進行了保護。不同的保護場景所對應的RCD閾值如下表所示： 表1 RCD閾值保護場景對應表
在工業生產中，用電系統的故障是不可避免的問題。使用RCD能在系統發生故障的時候及時動作斷開電路，減少相關損失。然而RCD的這種動作是不可預測無法控制的，這種不可控的跳閘停電會對企業的生產制造造成影響，特別是大型的企業產線，一旦停電會造成幾十萬乃至上百萬的財產損失。如何使得故障停電可控制，成為困擾企業生產的一大難題。 使用漏電監測裝置（RCM）是完美的解決方案。通過RCM可以實時檢測并報告系統中的漏電的增加，企業可以及時發現異常并據此來計劃安排在非生產時間對設備的停機維修。大大降低了因為突然故障而停機的概率，保障了企業的生產計劃。 
圖1 RCD與RCM內部結構圖 上圖為RCD和RCM的原理對比圖，左側為RCD，右側為RCM。由上圖可以清楚地看出，與RCD相比，RCM只負責檢測和輸出電流值，不能獨立地中斷電源線。實際應用中可以將RCM與繼電器相結合時，達到控制電路關斷的作用。 除了可以保障停機可控外，RCM還可以確保系統的安全性。日常的生產活動中，對于企業的安全生產需要定期進行安全檢查，而其中有一項檢查就是絕緣測試。在做絕緣測試時為了避免測試的高壓對于系統和設備的損害，因此測試時必須斷開整個系統。而使用漏電檢測裝置的系統，則無需單獨安排絕緣測試。在國際標準IEC60364-6（版本2.0-2010-04）中明確規定，當系統中使用符合IEC62020的漏電監測裝置(RCM)實時監測電流時，絕緣電阻就沒有必要再單獨進行測試了。
RCM的第三個應用場景是可以保護企業免受火災，在所有已發生的火災事故中，大約有30%的火災是由于電氣系統的故障缺陷所引發的。使用RCM能在故障發生前，及時發現異常并斷開電路進行檢修，避免火災的風險。 在RCD的實際場景中，由于系統運行時會有系統工作相關的漏電，這些漏電不是我們所要保護的故障漏電，但是他們的存在會被RCD采集到，從而導致RCD的誤動作。 那么系統工作相關的漏電從哪里來呢？ 在電力質量領域，各種復雜的工況使得系統內部存在各式各樣非工頻的電流，輸出的波形上會有很多高頻諧波分量。
圖2 三相系統構成及波形圖 對于這些高頻諧波電流，往往采用濾波器和變頻器進行過濾，以此減少高頻諧波對系統正常運行的干擾。為了降低總諧波失真，在許多情況下，這些高頻諧波分量會被轉移到接地端(PE)上。許多實際的案例表明，這些被轉移到接地端的高頻諧波分量會被RCD采集到，并引起RCD的誤動作，引起意外跳閘。
圖3 三相系統中漏電來源圖 由圖3可以清晰地得知，漏電會從電容濾波器和寄生電容間產生。這些容性電流便屬于恒定的系統相關漏電，不屬于我們所要保護的故障泄露電流。但這些系統相關的漏電與故障泄露電流會一起被RCD和RCM檢測到，從而觸發RCD動作。這種系統相關漏電的成因是由于變頻器以PWM（脈沖調制寬度）的方式輸出，使得電機電纜與大地之間有長電纜的電容效應，使用帶屏蔽層的電纜時，電容效應更加明顯。在變頻器工作時，電容在充放電，便有了電流通過電容流入大地，并從進線側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生的高頻諧波分量，出現的高頻諧波電流會使RCD誤動作，從而導致頻繁跳閘。 為了避免這種誤跳閘，西門子的變頻器產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相關漏電對于漏電保護所產生的影響。
變頻器廠家POWTRAN在官網上對于系統相關的漏電也進行了相關說明：在逆變控制系統中使用三相四線制系統漏電斷路器，變頻器工作時會頻繁跳閘。原因是由于逆變器運行時輸出電壓所包含的高頻諧波分量，使電機繞組與殼體、導線與地之間的寄生電容通過導線與地、接地與機箱產生漏電流，當漏電流大于斷路器漏電的電流值，漏電斷路器將誤動作而跳閘。因此，在使用變頻器的控制系統中出現上述情況時，需要更換原來的漏電斷路器或重新設置漏電閾值。
再來看實際使用場景下的案例。如下圖4為一個標稱電流150A，系統相關漏電為50~60mA的三相數控機床的漏電波形圖。
圖4 150A數控機床的漏電波形圖 如果我們把這個信號分解成它的高頻分量，就會出現下圖。
圖5 頻率分量的漏電波形圖 由圖可知，在50Hz和150到1050Hz間出現了較大的漏電。這些漏電會通過濾波器被轉移到接地端，最終出現在總的漏電流中。各頻率分量的來源見下表。 表2 系統中各頻率電流分量來源表
一般對于這個系統，我們會使用300mA的RCD來保護。在德國標準DIN VDE 0100-530 (2010-04) 531.3.3中指出：系統中的系統相關漏電的值不大于0.4倍漏電斷路器的額定值，以避免斷路器的誤跳閘。
已知此系統運行時測得的系統相關漏電為50到60 mA，低于0.4倍的RCD額定值(0.4×300 mA=120 mA)，符合標準要求。但開關的瞬態電流值可達到150 mA，總漏電將達到200到210mA。而300mA的RCD在150-300mA間動作，總漏電達到了其動作電流的要求，因此系統的誤跳閘還是可能出現。 讓我們來看看另一個可以檢測到開關瞬態電流的系統，這也是一個配備了變頻器的生產設備。
圖6 基頻為150Hz系統的漏電波形圖 如圖在20ms的時間內，可以看到三個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的部分會被EMC濾波器和寄生電容傳導到對地端，這部分系統相關的漏電也會被RCD檢測到。系統相關的漏電有效值約為250~260mA，大于90mA(0.4×300 mA=120 mA)，不符合標準要求。因此300mA的RCD不適合在此情境下使用。 我們再來看最容易引起錯誤報警的開關瞬態電流，下圖為變頻器的瞬態電流波形圖，它的開啟瞬態電流高達1800毫安。
圖7 變頻器的開啟瞬態電流波形圖 系統中變頻器的開關瞬態高頻漏電不僅會引起錯誤報警，還可能會導致RCD中電流互感器的磁性工作點發生改變，從而使得RCD提前或滯后動作，引發更大的電氣危害。
因此，需要一個能夠實時監測交流和直流漏電并且能夠對假警報進行相關抑制的傳感器。Magtron的RCMU101系列傳感器完美符合這個需求。
Magtron的RCMU系列傳感器使用ifluxgate磁通門原理技術，可以同時檢測交流、脈動直流、復合電流、平滑直流。此外，還可以在控制引腳上進行各種信號處理，以抑制測量結果由于系統相關漏電和瞬態開關電流的影響。 相比于傳統器件，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創的Self-Check自檢功能。公司自主研發的SoC芯片技術也可以為客戶提供專有的高性價比技術解決方案。Magtron RCMU系列漏電流傳感器(ifluxgate) 基于市場實時的最新需求，不斷升級完善，致力于解決工業類，電動汽車類等各項漏電問題，為各行業電力設備保駕護航。 參考文獻： [1].IEC60364-6-61《建筑物的電氣裝置》。 [2].DIN VDE 0100-530《低壓裝置的安裝》。 [3].IEC 61009-1-2013《家用和類似用途的帶過電流保護的剩余電流動作斷路器一般要求》。 [4].《西門子變頻器MM430中文使用說明書》。 [5].POWTRAN（WB）:《Why is the three-phase four-wire leakage circuit breaker used in inverter frequently tripping?》。 [6].IEC/TR 60755(GB/T6829)《剩余電流動作保護電器(RCD)的一般要求》。 [7].IEC62020-2《工業用途剩余電流監視器》。 [8].IEC62020-1(GB/T19214)《家用及類似用途剩余電流監視器》。 |
