電源線(xiàn)路濾波器中的漏電流

標(biāo)準(zhǔn)中的要求

保護(hù)接地器在電氣設(shè)備出現(xiàn)故障或發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)用戶(hù)不會(huì)受到危險(xiǎn)接觸電壓的傷害。為確保此基本功能，保護(hù)接地線(xiàn)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(cè)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(jìn)行了相關(guān)說(shuō)明。

盡管都使用漏電流這個(gè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行描述，但是標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際上對(duì)接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流進(jìn)行了區(qū)分。接觸電流是人在接觸電氣裝置或設(shè)備時(shí)，流過(guò)人體的所有電流。另一方面，保護(hù)導(dǎo)體電流是在設(shè)備或裝置正常運(yùn)行時(shí)，流過(guò)保護(hù)接地導(dǎo)體的電流。此電流也稱(chēng)為漏電流。

所有電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)都必須避免產(chǎn)生危及用戶(hù)的接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流。一般來(lái)說(shuō)，接觸電流不得超過(guò)3.5 mA，采用下文所述的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)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(duì)配備工業(yè)型電源接線(xiàn)器（B型可插拔設(shè)備）和保護(hù)接地器的設(shè)備進(jìn)行了補(bǔ)充規(guī)定。如果保護(hù)接地電流不超過(guò)輸入電流的5％，那么接觸電流可以超過(guò)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(qiáng)接觸電流。先接地。”

“警告！

強(qiáng)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(wú)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(shí)現(xiàn)行的EN 133200。然而，此標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有關(guān)于濾波器漏電流的附加要求。美國(guó)的EMI濾波器標(biāo)準(zhǔn)，UL 1283，與此不同。不僅需要進(jìn)行所有常規(guī)安全試驗(yàn)，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(guò)0.5 mA。否則，濾波器必須附帶一個(gè)安全警告，說(shuō)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(xiàn)或接頭上。

漏電流的計(jì)算

本節(jié)將說(shuō)明計(jì)算漏電流的方法。因?yàn)樵嬖谡`差，并且電網(wǎng)（對(duì)于3相供電網(wǎng)）的不平衡只能估計(jì)，所以實(shí)際結(jié)果不一定等于測(cè)量結(jié)果。另一方面，對(duì)順序生產(chǎn)的每一個(gè)濾波器都進(jìn)行漏電流測(cè)量是不合理的，所以一般來(lái)說(shuō)，制造商提供的漏電流都是根據(jù)計(jì)算值。

對(duì)于所有的計(jì)算，磁性元件的寄生元件及保護(hù)接地器的阻抗均忽略不計(jì)。計(jì)算時(shí)只考慮濾波器電容的誤差。EMI濾波器電容一般用來(lái)抑制差模和共模干擾。對(duì)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(duì)于共模抑制，相位和接地之間采用Y電容。

電容器對(duì)于頻率和電壓的依存關(guān)系也沒(méi)有考慮。這對(duì)于陶瓷電容器是非常重要的，因?yàn)檫@種電容器會(huì)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(jì)算結(jié)果更大。

相供電網(wǎng)中的漏電流

要計(jì)算3相供電網(wǎng)中的漏電流，需要確定電源中性點(diǎn)MQ和負(fù)載中性點(diǎn)ML之間的電壓。在電源端，是3個(gè)相電壓UL1、UL2和UL3，與中性點(diǎn)MQ相連接。在負(fù)載端，是3個(gè)阻抗Z1、Z2和Z3，也與一個(gè)星型相連接。兩個(gè)中性點(diǎn)MQ和ML通過(guò)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(shí)際電壓UQL可以使用下述公式計(jì)算：



無(wú)源3相濾波器的一種常見(jiàn)配置是3個(gè)X電容器的中性點(diǎn)連接，并通過(guò)Y電容器與地電位或者濾波器的外殼相連接。對(duì)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(dá)到最高的不平衡時(shí)，電網(wǎng)達(dá)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(duì)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(wú)源濾波器中的電容器的額定值時(shí)，公差為±20%。CY的最高壓降發(fā)生在兩個(gè)X電容器具有最小的公差，而一個(gè)電容器具有最大公差的時(shí)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(gè)480V 3相濾波器的計(jì)算實(shí)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(jì)算出的漏電流大約為23 mA。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明電容器的公差差距不會(huì)如此之大。比較真實(shí)的公差范圍從-20％至0％。根據(jù)此假設(shè)，上述計(jì)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(jì)算方法并不統(tǒng)一。因此，即使兩個(gè)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(jì)算中并沒(méi)有考慮供電網(wǎng)的電壓不平衡。在實(shí)際應(yīng)用中，供電網(wǎng)確實(shí)存在不平衡。為在計(jì)算中考慮進(jìn)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(guò)3％。將此條件代入前述計(jì)算，當(dāng)電容器公差為±20%時(shí)，漏電流上升到26 mA，當(dāng)公差為+0/-20%時(shí)，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(jì)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：?jiǎn)蜗酁V波器的典型電容器配置

在正常工作時(shí)，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(shí)，漏電流為190 ?A。最壞的情形發(fā)生在中性導(dǎo)體斷開(kāi)的時(shí)候。此時(shí)，總電容由兩個(gè)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(kāi)時(shí)的總電容

總電容根據(jù)下述公式計(jì)算：


在發(fā)生故障時(shí)，最大漏電流可以高達(dá)377。

漏電流的測(cè)量

計(jì)算漏電流是一件事情，進(jìn)行測(cè)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(cè)量方法。盡管不同標(biāo)準(zhǔn)之間存在差異，基本方法是類(lèi)似的。下文將詳細(xì)敘述根據(jù)EN 60950進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)EN 60950進(jìn)行測(cè)量

我們?cè)?ldquo;標(biāo)準(zhǔn)中的要求”中提到：EN 60950使用術(shù)語(yǔ)“接觸電流”和“保護(hù)接地電流”而不是“漏電流”。測(cè)得的電流總是接觸電流。因?yàn)閱蜗嗪?相供電網(wǎng)所用的方法非常類(lèi)似，所以只敘述單相設(shè)備所用的方法。

基本測(cè)量設(shè)置如圖5所示。測(cè)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(guò)開(kāi)關(guān)STEST與設(shè)備的接地端子相連接。開(kāi)關(guān)SPE打開(kāi)。

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

另外，測(cè)量必須采用反極性。為此，電路使用了開(kāi)關(guān)SPOL。許可漏電流取決于設(shè)備的類(lèi)型，并在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了規(guī)定。

另外，設(shè)備可操作件的接觸電流的測(cè)量與設(shè)備類(lèi)型無(wú)關(guān)。然而，并沒(méi)有詳細(xì)描述該測(cè)量，因?yàn)榕c漏電流自身無(wú)關(guān)。

圖5所示的測(cè)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(cè)量回路。

測(cè)試連接（Test connections）
圖6：電壓測(cè)量設(shè)備

RB 500 ?

R1 10 ?

CS 0.22 ?

C1 0.022 ?

測(cè)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(cè)量電壓之外，還可以根據(jù)圖7所示的電路測(cè)量電流。

測(cè)試連接（Test connections）
圖7：電流測(cè)量設(shè)備

M 動(dòng)圈式儀表

D 測(cè)量整流器

RS 無(wú)感應(yīng)電阻器，量程X 10

S 量程選擇器

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

供電網(wǎng)拓?fù)鋵?duì)漏電流的影響

在“漏電流的測(cè)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(shí)，漏電流最低。任何不平衡都將增大漏電流。

考慮到這一點(diǎn)，很明顯供電網(wǎng)拓補(bǔ)對(duì)于設(shè)備漏電流具有明顯的影響。對(duì)于某些供電網(wǎng)，甚至需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用濾波器來(lái)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(gè)事實(shí)，一個(gè)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(lèi)型的并聯(lián)連接是一個(gè)分支為L(zhǎng)L2，另一個(gè)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(duì)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(dòng)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(duì)稱(chēng)設(shè)置并且沒(méi)有顯著增大漏電流。

總結(jié)

出于安全考慮，在使用無(wú)源EMI濾波器時(shí)，需要考慮漏電流的影響。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)制造商定義了正常運(yùn)行時(shí)每個(gè)相位的漏電流。

一般來(lái)說(shuō)，漏電流的額定值不是測(cè)量的結(jié)果，而是計(jì)算值。計(jì)算前提并沒(méi)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(yùn)行、故障狀態(tài)）。因此，即使兩個(gè)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(cè)量，因此易于復(fù)制。然而，不能100％地進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試。只在驗(yàn)證過(guò)程中，才進(jìn)行類(lèi)型測(cè)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(hù)很難可靠地計(jì)算設(shè)備或裝置的總漏電流。