電源線路濾波器中的漏電流

標(biāo)準(zhǔn)中的要求

保護接地器在電氣設(shè)備出現(xiàn)故障或發(fā)生短路時，保護用戶不會受到危險接觸電壓的傷害。為確保此基本功能，保護接地線上的電流必須加以限制，這是為什么大多數(shù)產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)中包含漏電流測量和限制條款的原因。辦公室設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)備的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)EN 60950-1進行了相關(guān)說明。

盡管都使用漏電流這個術(shù)語進行描述，但是標(biāo)準(zhǔn)在實際上對接觸電流和保護導(dǎo)體電流進行了區(qū)分。接觸電流是人在接觸電氣裝置或設(shè)備時，流過人體的所有電流。另一方面，保護導(dǎo)體電流是在設(shè)備或裝置正常運行時，流過保護接地導(dǎo)體的電流。此電流也稱為漏電流。

所有電氣設(shè)備的設(shè)計都必須避免產(chǎn)生危及用戶的接觸電流和保護導(dǎo)體電流。一般來說，接觸電流不得超過3.5 mA，采用下文所述的測量方法進行測量。

3.5 mA的極限值并不適用于所有設(shè)備，因此，在標(biāo)準(zhǔn)中，還對配備工業(yè)型電源接線器（B型可插拔設(shè)備）和保護接地器的設(shè)備進行了補充規(guī)定。如果保護接地電流不超過輸入電流的5％，那么接觸電流可以超過3.5 mA。另外，等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的最小截面積必須符合EN 60950-1的規(guī)定。最后，但不是最不重要的，制造商必須在電氣設(shè)備上附帶下述警告標(biāo)簽之一。

“警告！

強接觸電流。先接地。”

“警告！

強漏電流。先接地。”

除了普通的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)之外，還有關(guān)于無源EMI濾波器的安全標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，新頒布了EN 60939，自2006年1月1日起代替了當(dāng)時現(xiàn)行的EN 133200。然而，此標(biāo)準(zhǔn)沒有關(guān)于濾波器漏電流的附加要求。美國的EMI濾波器標(biāo)準(zhǔn)，UL 1283，與此不同。不僅需要進行所有常規(guī)安全試驗，還需要確認(rèn)濾波器的漏電流。在默認(rèn)情況下，此漏電流不允許超過0.5 mA。否則，濾波器必須附帶一個安全警告，說明濾波器不適用于住宅區(qū)。必須提供接地連接器以防觸電，另外濾波器必須連接到接地電源引出線或接頭上。

漏電流的計算

本節(jié)將說明計算漏電流的方法。因為元件存在誤差，并且電網(wǎng)（對于3相供電網(wǎng)）的不平衡只能估計，所以實際結(jié)果不一定等于測量結(jié)果。另一方面，對順序生產(chǎn)的每一個濾波器都進行漏電流測量是不合理的，所以一般來說，制造商提供的漏電流都是根據(jù)計算值。

對于所有的計算，磁性元件的寄生元件及保護接地器的阻抗均忽略不計。計算時只考慮濾波器電容的誤差。EMI濾波器電容一般用來抑制差模和共模干擾。對于前者，在相位之間，以及相位和中性導(dǎo)體之間，連接有所謂的X電容。對于共模抑制，相位和接地之間采用Y電容。

電容器對于頻率和電壓的依存關(guān)系也沒有考慮。這對于陶瓷電容器是非常重要的，因為這種電容器會受到電壓和頻率的明顯影響。因此，采用陶瓷電容器的濾波器的漏電流也比計算結(jié)果更大。

相供電網(wǎng)中的漏電流

要計算3相供電網(wǎng)中的漏電流，需要確定電源中性點MQ和負(fù)載中性點ML之間的電壓。在電源端，是3個相電壓UL1、UL2和UL3，與中性點MQ相連接。在負(fù)載端，是3個阻抗Z1、Z2和Z3，也與一個星型相連接。兩個中性點MQ和ML通過阻抗ZQL相連，此阻抗上的壓降為UQL。

圖1：電源和負(fù)載和星型連接

阻抗ZQL的實際電壓UQL可以使用下述公式計算：



無源3相濾波器的一種常見配置是3個X電容器的中性點連接，并通過Y電容器與地電位或者濾波器的外殼相連接。對于平衡電容電網(wǎng)，漏電流可以忽略。另一方面，當(dāng)相位之間達到最高的不平衡時，電網(wǎng)達到最高的漏電流值。不平衡的原因包括電容器值的公差，以及供電網(wǎng)的電壓不平衡。

圖2：3相濾波器的典型電容器配置

因此，漏電流的關(guān)鍵要素是電容器CX1、CX2和CX3的不平衡產(chǎn)生的電壓UQL。對于大多數(shù)濾波器，額定值是相同的，但是也存在制造公差的影響。電容器CY處的壓降UQL產(chǎn)生的漏電流Ileak, max可以根據(jù)下式確定：


大多數(shù)制造商在確定無源濾波器中的電容器的額定值時，公差為±20%。CY的最高壓降發(fā)生在兩個X電容器具有最小的公差，而一個電容器具有最大公差的時候。另外，假設(shè)CY的公差值最大。將這些假設(shè)代入方程(1)和(2)，則漏電流為：



為更好地了解此理論，可以提供一個480V 3相濾波器的計算實例。電容器值為CX=4.4?F、CY=1.8?F；所有電容器的公差均為制造商規(guī)定的±20%。不考慮電源電壓的不平衡，計算出的漏電流大約為23 mA。

實踐經(jīng)驗表明電容器的公差差距不會如此之大。比較真實的公差范圍從-20％至0％。根據(jù)此假設(shè)，上述計算得出的漏電流大約為10 mA。應(yīng)該指出：不同制造商采用的濾波器漏電流計算方法并不統(tǒng)一。因此，即使兩個濾波器的電路圖和元件值相同，但是漏電流可能不同。

到目前為止，在計算中并沒有考慮供電網(wǎng)的電壓不平衡。在實際應(yīng)用中，供電網(wǎng)確實存在不平衡。為在計算中考慮進此因素，采用了供電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)EN 50160，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公共供電網(wǎng)的狀態(tài)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，地區(qū)供電網(wǎng)的電壓不平衡應(yīng)該不超過3％。將此條件代入前述計算，當(dāng)電容器公差為±20%時，漏電流上升到26 mA，當(dāng)公差為+0/-20%時，漏電流為13 mA。

單相供電網(wǎng)中的漏電流

與3相供電網(wǎng)相比，單相供電網(wǎng)中的漏電流計算要容易的多。在電壓和頻率給定之后，漏電流只取決于總電容。圖3所示是單相濾波器的典型電容器回路。

圖3：單相濾波器的典型電容器配置

在正常工作時，漏電流由電容器CYL和CYN決定?？傠娏髦涤上率浇o出：


當(dāng)CX=100 nF、CY=2.2 nF，并且給定的公差為±20%時，漏電流為190 ?A。最壞的情形發(fā)生在中性導(dǎo)體斷開的時候。此時，總電容由兩個平行電容器組成：一邊是CYL，另一邊是串聯(lián)的CX和CYN。圖4是等效電路圖。

圖4：中性導(dǎo)體斷開時的總電容

總電容根據(jù)下述公式計算：


在發(fā)生故障時，最大漏電流可以高達377。

漏電流的測量

計算漏電流是一件事情，進行測量又是另外一件事情。各種產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了必要的測量方法。盡管不同標(biāo)準(zhǔn)之間存在差異，基本方法是類似的。下文將詳細(xì)敘述根據(jù)EN 60950進行計算。

根據(jù)EN 60950進行測量

我們在“標(biāo)準(zhǔn)中的要求”中提到：EN 60950使用術(shù)語“接觸電流”和“保護接地電流”而不是“漏電流”。測得的電流總是接觸電流。因為單相和3相供電網(wǎng)所用的方法非常類似，所以只敘述單相設(shè)備所用的方法。

基本測量設(shè)置如圖5所示。測量設(shè)備的輸出B與系統(tǒng)的接地中性導(dǎo)體相連接。輸出A通過開關(guān)STEST與設(shè)備的接地端子相連接。開關(guān)SPE打開。

接電源（Power connection）
被測設(shè)備（EUT）
測量設(shè)備（Measurement equipment）
圖5：接觸電流的測量設(shè)置

另外，測量必須采用反極性。為此，電路使用了開關(guān)SPOL。許可漏電流取決于設(shè)備的類型，并在標(biāo)準(zhǔn)中進行了規(guī)定。

另外，設(shè)備可操作件的接觸電流的測量與設(shè)備類型無關(guān)。然而，并沒有詳細(xì)描述該測量，因為與漏電流自身無關(guān)。

圖5所示的測量設(shè)備可以有2種版本。第一種可能性采用下圖所示的電壓測量回路。

測試連接（Test connections）
圖6：電壓測量設(shè)備

RB 500 ?

R1 10 ?

CS 0.22 ?

C1 0.022 ?

測量電壓U2所需的輸入阻抗必須大于1 M?，輸入電容必須小于200 pF。頻率范圍需要在15 Hz至1 MHz之間。U2到Ileak的轉(zhuǎn)換公式為：



除了根據(jù)圖6測量電壓之外，還可以根據(jù)圖7所示的電路測量電流。

測試連接（Test connections）
圖7：電流測量設(shè)備

M 動圈式儀表

D 測量整流器

RS 無感應(yīng)電阻器，量程X 10

S 量程選擇器

對于非正弦波形，并且頻率超過100 Hz，則圖6所示電壓測量可以獲得更為精確的結(jié)果。

供電網(wǎng)拓?fù)鋵β╇娏鞯挠绊?

在“漏電流的測量”中，已經(jīng)提到當(dāng)供電網(wǎng)和電容網(wǎng)絡(luò)取得平衡時，漏電流最低。任何不平衡都將增大漏電流。

考慮到這一點，很明顯供電網(wǎng)拓補對于設(shè)備漏電流具有明顯的影響。對于某些供電網(wǎng)，甚至需要設(shè)計專用濾波器來降低漏電流。特別是在日本供電網(wǎng)中使用歐洲生產(chǎn)的濾波器。

日本供電網(wǎng)的特殊性是一個事實，一個相直接接地。如圖8所示。

EMI濾波器（EMI Filter）
圖8：日本供電網(wǎng)的原理

這種設(shè)置類型的并聯(lián)連接是一個分支為LL2，另一個分支為CL2和C0。等效電路如圖9所示。

圖9：圖8的等效電路

對于這種布局，接地阻抗完全不同，從而產(chǎn)生不同的壓降和漏電流。因此，歐洲濾波器的漏電流額定值不能自動用在日本供電網(wǎng)中。

一種可能的解決方案是更改濾波器接地相的阻抗，從而產(chǎn)生不平衡的濾波器。另外一種備選方案是增加所有相位的阻抗，從而降低濾波器的總接地電容（Y電容），這樣保持了濾波器的對稱設(shè)置并且沒有顯著增大漏電流。

總結(jié)

出于安全考慮，在使用無源EMI濾波器時，需要考慮漏電流的影響。一般來說，大多數(shù)制造商定義了正常運行時每個相位的漏電流。

一般來說，漏電流的額定值不是測量的結(jié)果，而是計算值。計算前提并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而是由制造商規(guī)定。這些前提包括元件的公差、電源電壓的不平衡和操作模式（正常運行、故障狀態(tài)）。因此，即使兩個濾波器的電路圖和元件的額定值相同，但是漏電流可能明顯不同。

各種產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了漏電流的測量，因此易于復(fù)制。然而，不能100％地進行生產(chǎn)測試。只在驗證過程中，才進行類型測試。

最后，但不是最不重要的，漏電流還在很大程度上取決于供電網(wǎng)。在歐洲供電網(wǎng)中漏電流很低的濾波器在日本供電網(wǎng)中就表現(xiàn)出很大的漏電流。因此，很容易使現(xiàn)有的漏電流斷路器跳閘。

盡責(zé)的制造商在其規(guī)范中總是標(biāo)注可能發(fā)生的最大漏電流。最終用戶很難可靠地計算設(shè)備或裝置的總漏電流。