关于变频器漏电的若干问题

关于变频器应用中漏电保护开关跳闸问题分析报告一， 漏电保护开关的工作原理下图所示，漏电保护开关检测的是输入共模电流，也就是所说的对地漏电流，检测漏电流的电流互感器是同时穿过了R/S/T 三根火线和零线，在没有漏电流的情况下，不论接三相负载还是接单相负载， R/S/T 和 N线这 4 根线中流过的电流之和总是为零。当负载侧有对地短路现象或者对地有较大的电容时，输出侧的电流就会通过大地返回电网，此时流过电流互感器的电流之和不为零，这个电流就称之为漏电流。当检测到的电流大到一定程度就会触发保护开关脱扣。二，对地漏电流的产生原因和电流通路分析1， 变频器应用中为什么会产生较大的漏电流普通电机的绕组和机壳之间存在着较大的分布电容，在电网供电的情况下， 电源线上只有 50Hz 的工频电压， 由于频率很低， 通过分布电容的漏电流很小。 但在用变频器驱动电机时，由于变频器输出的是几 kHz 的高频脉宽调制的电压波形，输出电压是在 0V 到 530V 之间快速跳变的脉动电压，对于同样的电机同样的分布电容，漏电流会增大百倍以上，这是由变频器的工作原理决定的。上图是实测的是输出零频时变频器输入端的漏电流波形，可以看出， 主要成分是 5kHz 的开关频率。 说明漏电流的主要是由于变频器输出的 PWM波。2， 输入端安规电容的作用输入端安规电容的作用主要是减小变频器内部对外部电网的干扰影响，由于变频器中安规电容取值很小（ 2200P），对于工频的阻抗很大（ 1.4M），对漏电流的贡献很小（每相约0.15mA , 且三相平衡时基波漏电流之和为零）。但如果电网中的电压谐波很高时，电网灌入变频器的漏电流就会明显加大，且三相不会抵消，漏电流的值与电压谐波的频率成正比，与谐波电压的幅值成正比。3， 电机机壳接地的位置为了减小输入的漏电流，可以调整电机机壳的接地位置将电机机壳的接地线接至变频器上的ＰＥ端子，如下图所示，按照这种接法，变频器内部的安规电容提供了负载侧漏电流的一个循环通路，可以减小电网侧的漏电流。但由于电机侧很难与大地隔离，这一措施对减小漏电流有改善，但效果有限（尤其是当电机距离变频器较远时，变频器与负载电机之间连接的 PE线对高频的阻抗变大， 以至于大于电机机壳接地阻抗）三，减小漏电流的方法1， 变频器工作状态对漏电流的影响a 载波频率载波频率越高，漏电流越大，漏电流的有效值与频率约为开方关系。b 输出频率在较高输出频率的情况下，漏电流与输出频率关系不大，但在零频附近时，由于变频器三相输出的漏电流是叠加关系，漏电流的有效值会变大。c 变频器的发波方式由于五段发波时，每一相的输出电压有 1/3 左右时间是没有开关动作的，因此同样条件下七段发波方式比五段发波方式产生的漏电流大； HC变频器低频输出时默认采用的是七段发波方式，因此漏电流低频比高频大；矢量控制方式下采用的是七段发波，因此矢量控制方式的漏电流大于 V/F 方式。d 2， 接线方式对漏电流的影响a 零地合一为什么可以减小漏电保护开关的漏电流所谓零地合一指的是将电网的零线当作地线接到变频器的PE端子，如下图所示，由于变频器及负载对机壳的漏电流是通过零线返回电网的，而漏电保护开关检测不到这部分漏电流，理论上讲如果变频器和电机负载的机壳均不接大地（主要是电机机壳），则漏电流可以为零，但实际上无法做到。因此只能改善减小漏电流b 取消变频器输入安规电容为什么对漏电流减小有好处对于理想电网，安规电容对漏电流的影响非常小，但由于电网电压谐波的影响，尤其是在多台变频器同时工作时，电网电压谐波会比较大，造成安规电容上的漏电流变大。当无法避免电机机壳通过机架接地时，取消安规电容会有一定的好处。c 输出电抗器的作用在变频器 U/V/W 输出端加电抗器由于提高了负载的高频阻抗，对减小漏电流也有较好的帮助。最近，经常有用户反映，变频器前端加装漏电保护开关时遇到问题，尤其是丹佛斯变频器。一送电漏电保护开关就会动作。本文将根据变频器的设计原理对此问题进行深入分析，并且提出相应的解决方案。关键词ELCB Earth Leakage Circuit Breaker 漏电保护断路器RCD Residual Current Device 剩余电流保护器一、用电安全要求的保护人身安全防止用电事故，一般是通过电器和设备的可靠制造 -- 即通过基础绝缘 -- 来确保安全性。然而当基础绝缘受到损坏时，可能引起的故障就需要有防止过高人身电流的补充保护措施。在防止危险的身体电流时，必须区分为直接接触与间接接触。在间接接触时，电气设备上出现绝缘故障而产生的剩余电流是经过保护地线（ PE 线）而流向大地的。在出现故障时，如有人正好触及含有故障的电器，则当事人就与故障回路相并联。 根据保护导线 / 人体的电阻比例， 最大部分的电流流经保护地线。另一种情况是，由于粗心大意而直接触及在正常工作是带电的部件或者触及了外界的，不接地的导电部件，而在故障情况下又是带电的部件。人在这里充当着保护导线的作用，剩余电流流过人体，导致触电。防火短路或接地短路，尤其当故障回路具有相当高的电阻出现在电弧位置上时，这种 “ 不完全的 ” 短路或接地短路就具有火灾危险性。由于出现的剩余电流有时甚至远低于前接过流保护装置的额定电流，所以不能指望过电流保护装置（如小型断路器或熔断器）来分断这类故障。剩余电流保护器能在这方面提供全面保护。在 DIN VDE 0100-720 中，对含有火灾危险的工作场所，为了防止由于绝缘故障而引起的火灾，已规定了下述要求只能采用额定剩余动作电流最大为 0.5A 的剩余电流保护器作为预防措施。为了更可靠地防火，在实践中大多数使用额定剩余动作电流 I △ N≤ 0.3A 的剩余电流保护器。二、普通剩余电流保护器的功能及原理普通剩余电流保护器工作原理如图，剩余电流保护器对正常的负载电流不予检测，但它能检测出主回路中对保护地线 PE 的剩余电流 （漏电流） ，这种电流多数是因为用电设备绝缘损坏而产生的。剩余电流保护器的首要功能是对有致命危险的人身触电提供间接接触保护， 额定剩余动作电流 I △ N≤ 30mA 的剩余电流保护器在其他保护措施失效时，也可作为直接接触的补充保护，但不能作为唯一的直接接触保护。三、变频器产生的剩余电流变频器会产生相当大的对地漏电流，这是由变频器的输出固有电压特性决定的。变频器输出的 PWM 电压波形含有大量谐波，这些谐波会通过电机绕组的对地寄生电容和电机电缆线的对地寄生电容产生出对地漏电流。上述漏电流可能会远远大于 50mA ，而实际的具体数据，将与以下几个因素有关1．电机电缆线的长度；2．电机电缆线是否有屏蔽；3．变频器的调制频率；4．是否使用无线电射频干扰（ RFI ）滤波器；5．电机是否接地。四、丹佛斯变频器的设计特点丹佛斯变频器原理图1. 根据图示， 丹佛斯变频器在输入侧的相间与线地之间都设计安装了吸收保护电容，由于丹佛斯变频器支持内置的 RFI滤波器，因此在整流单元后面也设计安装了吸收保护电容。由图可见，两组吸收保护电容都接地。2. 根据漏电保护器的原理和丹佛斯变频器的设计可见， 当变频器送电时，主回路要对那些吸收保护电容充电，瞬间会产生相当大的对地漏电流。3. 丹佛斯变频器在设计上的优越性凭此设计，丹佛斯变频器可以保证完全满足 EMC 电磁兼容性标准 EN55011 1A/1B 的要求；由于有几组的电容保护， 丹佛斯变频器可以承受较大的来自电网的电压突波，比如雷击等，而不至于损坏；五、结论1. 变频器在运行时，视实际电机接线情况，可能产生远大于 50mA 的漏电流；2. 丹佛斯变频器由于其设计中的固有特点，在送电瞬间会产生相当大的漏电流；3. 普通剩余电流保护器不适用于保护变频器，特别是电磁兼容性能较好的丹佛斯 VLT 系列变频器。六、适用于变频器类负载的剩余电流保护器早期使用的剩余电流保护器，根据实际要求，只在正弦交流剩余电流时才脱扣。由于在工业用电设备中，三相桥式整流的电路应用日益增多，这类电路在发生故障时出现的是平滑直流型或略带纹波的平滑直流剩余电流。普通交流和脉动直流敏感型剩余电流保护器并不能检测和分断这类直流剩余电流。因此在故障时产生这类剩余电流的用电设备只允许使用全电流敏感型剩余电流保护器。全电流敏感型剩余电流保护器，用于交流型和脉动直流型剩余电流时是采用 DIN VDE0664 的规定， 对于平滑直流型剩余电流则采用 IEC60479 的规定。 全电流敏感型剩余电流保护器满足国际标准 IEC60755 修订版 “ 剩余电流动作保护装置 B型的一般要求 ” 。国际电工协会（ IEC ）早在 1992 年就根据剩余电流保护器的动作特性，将剩余电流保护器分为 AC 、 A、 B 型。AC 型 对突然施加或缓慢上升的交流正弦波剩余电流能可靠脱扣A 型 对突然施加或缓慢上升的交流正弦波剩余电流，脉动直流剩余电流和脉动直流剩余电流叠加 0.006A 平滑直流能可靠脱扣B 型 全电流剩余电流保护型全电流保护型剩余电流保护器工作原理根据 IEC60755 第二次修订版以及德国电气协会 DIN VDE0664-100 标准， B 型剩余电流保护器应具备以下的特点在送电的瞬间不动作；在设备长时间运行过程中，漏电保护动作值为 300mA ；完全适用于剩余电流含直流分量的场合。由此可见， B 型剩余电流保护器充分考虑到了电磁兼容性变频器的特点，很好地解决了具有三相整流装置的电气设备的漏电保护问题。七、丹佛斯变频器漏电保护的解决方案1. 建议采用符合 IEC60755 ， 或 DIN VDE0664-100 标准所规定的 B 型剩余电流保护器。例如西门子 5SM 系列漏电保护开关， B 型，额定电流16 63A 2. 如果不具备安装专用剩余电流保护器的条件， 则可以不在变频器前端安装漏电保护开关。但是，为了符合 EN50178安全标准，必须保证变频器可靠接地，接地线的导线截面积要为普通接地线的 2 倍或至少 10mm2 以上，以免造成人身伤害。中国国家标准目前还没有单独的 B 型剩余电流保护器的分类，但根据 GB 6829-1995 ，额定剩余电流动作的值有 0.006 ， 0.01 ， 0.03 ， 0.05 ， 0.1 ，0.3 ， 0.5 ， 1， 3 ， 5， 10 ， 20A 这几个规格；用于间接接触保护的剩余电流保护器可以延时动作，延时时间有 0.2 ，0.4 ， 0.8 ， 1 ， 1.5 ， 2 秒这几个规格。因此可以选用额定剩余动作电流值为 0.3A ，动作延时 0.4-1 秒左右的剩余电流保护器作丹佛斯变频器的漏电保护。国内生产的剩余电流保护器主要型号有 JD1 、 JD3 、 DBL等。其中 JD1 是电磁式剩余电流继电器，额定电压 380V ，额定电流 200A ，额定剩余动作电流为 30 、 100mA 和300mA ，分断时间不小于 0.2s 。 JD3 为电子式剩余电流继电器，额定电压 380V ，额定电流 100 ～ 800A ，额定剩余动作电流从 30mA ～ 1A 分级可调，分断时间分一般型和延时型两种。 一般型的分断时间不大于 0.2s ， 延时型的延时时间有 0.2 、 0.4 、 0.8s 和 1s 等几种。（在实际应用中，据说有些用户采用完全电磁式的 ELCB ，额定剩余电流动作值为 0.3A 的 ELCB ，效果就不错）。参考资料[1] 中华人民共和国国家标准 剩余电流动作保护器的一般要求 . GB6829-1995 [2] VLT2800 系列变频器设计指南 . MG.27.E2.02. 丹佛斯公司出版 . 134 137 [3] VLT5000 系列变频器设计指南 MG.52.B2.02. 丹佛斯公司出版 . 10--12 [4] 国际电工委员会标准 . IEC60755. 1992 年第二次修订版[5] 德国电气协会标准 . DIN VDE0664-100. 2002 年版[6] 德国电气协会标准 . DIN VDE0100-720 [7] 欧洲电工标准化委员会标准 . EN55011. 1A/1B 经常有人问到变频器用漏电保护经常要跳的问题，我也说一说我的看法。变频器一般情况不会使用漏电断路器，一般采用接地、等电位等措施来解决漏电问题，我们公司也有用在漏电断路器下的变频器（４极，３００ mＡ），也没有碰到过会有这么大的漏电电流，但是有人甚至说他的变频器漏电电流可以达到 1500mA ，一般可以肯定，该变频器存在质量问题或者安装使用不完全符合规范，比如说电缆长度不符合标准、未使用变频电机，ＡＢＢ变频器说明书上甚至要求使用专用的变频电缆。加装输出电抗器也是一个方法。具体情况可参照详细的变频器安装使用说明书。现在已经有专用的变频器漏电保护，你也可以按下面方法进行漏电断路器额定电流设计变频器输出是以 PWM脉宽调制， 类似高速开关 方式控制，因此会发生高频率的漏电电流，若要在变频器一次侧加装一般漏电断路开关时，建议请以每台变频器选择 200mA以上的感度电流且动作时间为 0.1 秒以上的漏电断路关开使用，但不保证该漏电断路关开一定不会跳脱，必须考虑下列各因素才能决定系统漏电电流之大小，并选定适当的漏电断路开关及必要措施来改善送电后漏电断路器跳脱之现象。一般漏电断路开关之额定电流选择计算公式如下 I △ n ≧ 10* 〔 Ig1Ign3*Ig2Igm 〕Ig1 、 Ig2 实际运转时电缆线之漏电电流。Ign 变频器输入侧噪声滤波器之漏电电流。Igm 实际运转时马达之漏电电流。由上述公式之相关变动参数得知，会影响漏电电流大小之因素有（ 1）电缆线的漏电电流 有二部分 漏电断路开关 滤波器 的电缆线长之漏电电流。变频器 马达 的电缆线长之漏电电流。（ 2）滤波器的漏电电流 包含变频器在内 。（ 3）马达的漏电电流。各部分漏电电流值 单位 mA （ 1）电缆线的漏电电流 A* 实际电缆线长 /1000m ；电缆厂商提供各线径每 1000m 之漏电电流值 A。（ 2） 滤波器的漏电电流 包含变频器在内 变频器供应厂商提供。例如台达 VFD055B43B 用滤波器为26TDT1W4B4 其漏电电流最大值为 70mA 。（ 3）马达的漏电电流 马达供应厂商提供。