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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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IN0.3A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
9、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IN30mA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
10、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EN55011l 1A/1
11、B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；l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
12、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
13、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；l在设备长时间运行过程中，漏电保护动作值为300mA；l完全适用于剩余电流含直流分量的场合。l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
14、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1663A 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，
15、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100800A，额定剩余动作电流从30mA1A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. GB6829-19952VLT2800系列变频器设计指南. (MG.27.E2.02). 丹佛斯公司出版. 1341373VLT5000系列变频器设计指南 (MG.52.B2.02). 丹佛斯公司出版. 10-124国际电工委员会标准. IEC60755. 1992年第二次修订版5德国电气
