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变频器前端漏电保护开关的应用

时间:2018-02-28    编辑:津信变频    点击:
Abstract: Recently it’s complained some times by our customs that the earth leakage circuit breaker installed before the vary frequency converter especially Danfoss. The ELCB tended to trip at the moment switched on. The document will discuss it from the scheme of the VFD,and introduce the corresponding resulotion.
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取保护电容,由于丹佛斯变频器支撑内置的RFI滤波器,因此在整流单元后面也设计安装了吸取保护电容。由图可见,两组吸取保护电容都接地。
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,主回路要对那些吸取保护电容充电,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). 丹佛斯企业出版. 134—137
[3]    VLT5000系列变频器设计指南 (MG.52.B2.02). 丹佛斯企业出版. 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


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