漏电流的客观分析:最佳衰减效果和最小漏电流之间如何权衡?

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EMC的一般特性和滤波器的功能原理

电气设备在其电磁环境中必须能正常运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰。这种能 力被称作电磁兼容性。我们将电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰包括对称和不对称干扰( 也称作差模干扰和共模干扰)。对称干扰在相线和中线之间流动,而不对称干扰在相线、中线对地线之间流动。造成这些干扰的原因包括网络交换机、变频器、处理 器、电子产品或电气设备中的切换操作、电动机控制等。

采用X电容可降低对称干扰。就降低不对称干扰而言,电流补偿扼流圈用于低干扰频率,Y电容用于高干扰频率。

这些Y电容连接于相线/中线和地线之间,并将不对称干扰从相线/中线传导至地线,从而产生漏电流(参见图1)。电容越大,衰减效果越好,漏电流也就相应地越高。

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图1:不对称干扰的泄漏

可保证设备安全运行的限流值

设备或装置的寄生耦合电容和长电源线都会导致滤波器的漏电流。它们将导致漏电流总量流经接地线,引发安全风险。接地线的电阻抗越高,使用者面临的安全风险越大。如果一个人碰触了具有破损接地线的设备,漏电流将流经人体到达大地(参见图2)。

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图2:漏电流在破损接地导线中的路径

另 一方面,由于漏电流过高,任何连入建筑物网络的剩余电流断路器都会影响设备的可靠运行。这些剩余电流断路器会对流入接地线的电流进行检测,一旦电流超过一 定的限流值,电源电压就会断开。因此,漏电流限流值能够使设备可靠运行,并确保甚至是在接地线破损时,仍不会有人受伤。

对产品开发商的要求

设备和装置制造商必须确保其产品满足漏电流和电磁兼容性的相关要求。然而其目的是相互冲突的。通常情况下,可以满足这两种基本条件,且无需采用任何特殊措施。然而,重要的是,我们必须了解,我们涉及的是电压领域,若滤波效果良好,高漏电流会自动生成。

滤波器漏电流规范存在的问题

另 滤波器制造商会在其数据表中对漏电流加以说明。然而,IEC滤波器标准并没有对如何执行规范做出规定。从而造成了这样一种现状: 不同的制造商没有义务采用相同的方法测定漏电流。因此,各制造商提供的数据没有直接可比性。另一方面,设备标准如办公室设备标准IEC 60950、医疗设备标准60601- 1或家用设备标准IEC 60335-1详细规定了门限值和确定门限值应采用的方法。因此,设备和装置制造商面临着遵守管理其产品的标准的问题,同时不得不试图对各滤波器制造商进 行评估,并有所保留地对比制造商提供的有关漏电流的信息。可使用计算模型来测定漏电流。这些模型都基于理想化条件。这样一来,电容和电网电压公差就被纳入 考量,而寄生效应却被忽略。然而,当与计算中使用的相对较高的公差进行对比时,理想模型中采用化简所导致的误差可以忽略不计。因此,电容器的电容公差规定 为+/-20%,而在现实中,相关经验显示电容公差实际上更小。测定漏电流后,单相滤波器和三相滤波器之间必须做出区分。

单相滤波器的漏电流

就单相滤波器而言,假设中线和接地线处于同一电势。为此,图3中显示的滤波器电路得以简化,并被图4中的替代电路所代表。

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图3:单相滤波器内的电容器网络

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图4:测定最大漏电流的简化电路图

现在漏电流的测定可以更加容易:

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预计出现最大漏电流的条件是电网电压公差为+10 %,电容公差为+20%,以及电网频率为60Hz。

三相滤波器的漏电流

假设负载对称且平衡,理想的三相滤波器甚至在遭受最大不对称干扰情况下都不会产生漏电流。图5为Y电容在三相滤波器中的截面图。

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图5:三相滤波器中的Y电容

然而,在现实中,出于下列原因,三相滤波器的负载一直处于失衡状态:

- Y电容的公差

- 供电网络失衡

- 非对称负载

- 不理想的元件配置造成滤波器

的不对称。

在三相滤波器中,漏电流的各相向量之和,形成了产生放电的电流(参见图6)。

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图6:三相滤波器各相漏电流之和的测定

漏电流分类

为 将漏电流的各类要求纳入考量,制造商对其产品进行了分类。于是,市场上出现了针对标准应用、医疗应用、工业应用等的滤波器。由于病人会直接接触设备,正是 由于这样,医疗领域对漏电流要求更多。为保持门限值,多数情况下不采用或采用少量Y电容器。例如,SCHURTER 推出的M5滤波器的最大漏电流为5μA(没采用Y电容器),或M80滤波器,其最大漏电流为80μA。

然而,没有相应的标准规定漏电流的级别、名称以及适用的相应门限值。虽然如此,这个领域可帮助用户能够迅速找到适合其应用的产品。