电力系统中高频漏电的产生及处理方法的探讨

单位名称：浙江巨磁智能技术有限公司   作者：Hank.Huang

近些年随着新能源相关产业的蓬勃发展，光伏逆变、直流微电网、储能系统在电力系统中的占比与日俱增。各类并网项目对用电系统的安全问题产生了巨大的挑战，尤其是对漏电检测相关的保护，其复杂程度日渐突出。如何处理好复杂系统中的漏电保护成为当下最迫切关注的问题。

漏电保护装置（RCD）一直是配电系统中的标准部件，它的工作原理是当电路的漏电在特定条件下达到其设定值时，内部触头动作从而断开主电路进行保护。为了确保个人人身的安全，在家庭用电系统中所使用的RCD的额定电流为30mA。国际标准中规定RCD在系统漏电为RCD额定漏电的50%~100%之间动作。即若要使额定漏电为30mA的RCD动作，则系统中必须要有15mA~30mA的漏电。

在工业用电环境中，除了有30mA的RCD保护人身安全外，对于生产所用的大型机器也采用了不同的阈值的RCD进行了保护。不同的保护场景所对应的RCD阈值如下表所示：

表1 RCD阈值保护场景对应表

在工业生产中，用电系统的故障是不可避免的问题。使用RCD能在系统发生故障的时候及时动作断开电路，减少相关损失。然而RCD的这种动作是不可预测无法控制的，这种不可控的跳闸停电会对企业的生产制造造成影响，特别是大型的企业产线，一旦停电会造成几十万乃至上百万的财产损失。如何使得故障停电可控制，成为困扰企业生产的一大难题。

使用漏电监测装置（RCM）是完美的解决方案。通过RCM可以实时检测并报告系统中的漏电的增加，企业可以及时发现异常并据此来计划安排在非生产时间对设备的停机维修。大大降低了因为突然故障而停机的概率，保障了企业的生产计划。

图1 RCD与RCM内部结构图

上图为RCD和RCM的原理对比图，左侧为RCD，右侧为RCM。由上图可以清楚地看出，与RCD相比，RCM只负责检测和输出电流值，不能独立地中断电源线。实际应用中可以将RCM与继电器相结合时，达到控制电路关断的作用。

除了可以保障停机可控外，RCM还可以确保系统的安全性。日常的生产活动中，对于企业的安全生产需要定期进行安全检查，而其中有一项检查就是绝缘测试。在做绝缘测试时为了避免测试的高压对于系统和设备的损害，因此测试时必须断开整个系统。而使用漏电检测装置的系统，则无需单独安排绝缘测试。在国际标准IEC60364-6（版本2.0-2010-04）中明确规定，当系统中使用符合IEC62020的漏电监测装置(RCM)实时监测电流时，绝缘电阻就没有必要再单独进行测试了。

RCM的第三个应用场景是可以保护企业免受火灾，在所有已发生的火灾事故中，大约有30%的火灾是由于电气系统的故障缺陷所引发的。使用RCM能在故障发生前，及时发现异常并断开电路进行检修，避免火灾的风险。

在RCD的实际场景中，由于系统运行时会有系统工作相关的漏电，这些漏电不是我们所要保护的故障漏电，但是他们的存在会被RCD采集到，从而导致RCD的误动作。

那么系统工作相关的漏电从哪里来呢？

在电力质量领域，各种复杂的工况使得系统内部存在各式各样非工频的电流，输出的波形上会有很多高频谐波分量。

图2 三相系统构成及波形图

对于这些高频谐波电流，往往采用滤波器和变频器进行过滤，以此减少高频谐波对系统正常运行的干扰。为了降低总谐波失真，在许多情况下，这些高频谐波分量会被转移到接地端(PE)上。许多实际的案例表明，这些被转移到接地端的高频谐波分量会被RCD采集到，并引起RCD的误动作，引起意外跳闸。

图3 三相系统中漏电来源图

由图3可以清晰地得知，漏电会从电容滤波器和寄生电容间产生。这些容性电流便属于恒定的系统相关漏电，不属于我们所要保护的故障泄露电流。但这些系统相关的漏电与故障泄露电流会一起被RCD和RCM检测到，从而触发RCD动作。这种系统相关漏电的成因是由于变频器以PWM（脉冲调制宽度）的方式输出，使得电机电缆与大地之间有长电缆的电容效应，使用带屏蔽层的电缆时，电容效应更加明显。在变频器工作时，电容在充放电，便有了电流通过电容流入大地，并从进线侧的接地线再流回变频器，形成电流回路。并且由于变频器自身产生的高频谐波分量，出现的高频谐波电流会使RCD误动作，从而导致频繁跳闸。

为了避免这种误跳闸，西门子的变频器产品使用说明书中有具体要求，这些要求都是为了避免或减少系统相关漏电对于漏电保护所产生的影响。

变频器厂家POWTRAN在官网上对于系统相关的漏电也进行了相关说明：在逆变控制系统中使用三相四线制系统漏电断路器，变频器工作时会频繁跳闸。原因是由于逆变器运行时输出电压所包含的高频谐波分量，使电机绕组与壳体、导线与地之间的寄生电容通过导线与地、接地与机箱产生漏电流，当漏电流大于断路器漏电的电流值，漏电断路器将误动作而跳闸。因此，在使用变频器的控制系统中出现上述情况时，需要更换原来的漏电断路器或重新设置漏电阈值。

再来看实际使用场景下的案例。如下图4为一个标称电流150A，系统相关漏电为50~60mA的三相数控机床的漏电波形图。

图4 150A数控机床的漏电波形图

如果我们把这个信号分解成它的高频分量，就会出现下图。

图5 频率分量的漏电波形图

由图可知，在50Hz和150到1050Hz间出现了较大的漏电。这些漏电会通过滤波器被转移到接地端，最终出现在总的漏电流中。各频率分量的来源见下表。

表2 系统中各频率电流分量来源表

一般对于这个系统，我们会使用300mA的RCD来保护。在德国标准DIN VDE 0100-530 (2010-04) 531.3.3中指出：系统中的系统相关漏电的值不大于0.4倍漏电断路器的额定值，以避免断路器的误跳闸。

已知此系统运行时测得的系统相关漏电为50到60 mA，低于0.4倍的RCD额定值(0.4×300 mA=120 mA)，符合标准要求。但开关的瞬态电流值可达到150 mA，总漏电将达到200到210mA。而300mA的RCD在150-300mA间动作，总漏电达到了其动作电流的要求，因此系统的误跳闸还是可能出现。

让我们来看看另一个可以检测到开关瞬态电流的系统，这也是一个配备了变频器的生产设备。

图6 基频为150Hz系统的漏电波形图

如图在20ms的时间内，可以看到三个几乎正弦的基本震荡。由此我们可以得出它的频率约为150Hz。图中的大谐波分量在变频器中大于18kHz的部分会被EMC滤波器和寄生电容传导到对地端，这部分系统相关的漏电也会被RCD检测到。系统相关的漏电有效值约为250~260mA，大于90mA(0.4×300 mA=120 mA)，不符合标准要求。因此300mA的RCD不适合在此情境下使用。

我们再来看最容易引起错误报警的开关瞬态电流，下图为变频器的瞬态电流波形图，它的开启瞬态电流高达1800毫安。

图7 变频器的开启瞬态电流波形图

系统中变频器的开关瞬态高频漏电不仅会引起错误报警，还可能会导致RCD中电流互感器的磁性工作点发生改变，从而使得RCD提前或滞后动作，引发更大的电气危害。

因此，需要一个能够实时监测交流和直流漏电并且能够对假警报进行相关抑制的传感器。Magtron的RCMU101系列传感器完美符合这个需求。

Magtron的RCMU系列传感器使用ifluxgate磁通门原理技术，可以同时检测交流、脉动直流、复合电流、平滑直流。此外，还可以在控制引脚上进行各种信号处理，以抑制测量结果由于系统相关漏电和瞬态开关电流的影响。

相比于传统器件，Magtron的RCMU系列漏电流传感器(ifluxgate)拥有更小体积尺寸（体积仅为传统解决方案的1/4）、更轻的重量和更高的能量密度， 并且具有全球首家独创的Self-Check自检功能。公司自主研发的SoC芯片技术也可以为客户提供专有的高性价比技术解决方案。Magtron RCMU系列漏电流传感器(ifluxgate) 基于市场实时的最新需求，不断升级完善，致力于解决工业类，电动汽车类等各项漏电问题，为各行业电力设备保驾护航。

参考文献：

[1].IEC60364-6-61《建筑物的电气装置》。
[2].DIN VDE 0100-530《低压装置的安装》。
[3].IEC 61009-1-2013《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器一般要求》。
[4].《西门子变频器MM430中文使用说明书》。
[5].POWTRAN（WB）:《Why is the three-phase four-wire leakage circuit breaker used in inverter frequently tripping?》。
[6].IEC/TR 60755(GB/T6829)《剩余电流动作保护电器(RCD)的一般要求》。
[7].IEC62020-2《工业用途剩余电流监视器》。
[8].IEC62020-1(GB/T19214)《家用及类似用途剩余电流监视器》。