一種直流電源漏電檢測電路

陳世昌 汪洋 張偉

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，430064）

0 引言

常見的漏電保護器，為電流動作型觸/漏電保護器[1]，又稱差分電流動作保護器或接地故障保護器等，主要用于交流電網的漏電保護，如圖1所示，為單相電源的漏電保護原理圖。

圖1 差分電流漏電保護

圖1中L、N分別對應單相電源的火線和零線，同時穿過磁環，E為磁環線圈上產生的感應電動勢，ZX為火線漏電阻。由圖1可知，當火線對地漏電時，漏電流通過大地回流到電源端，而不經過穿心磁環，這樣流經磁環的電流代數和不為零[2]，磁環線圈上就產生感應電動勢 E，由 E可測量出線路的漏流，進而計算出線路的對地漏電阻ZX，該方法易于實現，測量速度快，但有一個缺陷，電源線路中必須有一端接地。如果 L、N都不接地，就無法形成有效的漏流回路，進而無法測量電源的漏電流。因此，浮空制的不接地系統不能用上述方法測量漏電流。

實際應用中，電廠、變電站等的直流系統為控制、保護等裝置提供電源，直流系統為浮空制的不接地系統。無法滿足圖1所示電路須具備的條件。為此，本文提出中性點接地漏電檢測法，對直流電源系統的進行漏電檢測和保護。

1 中性點接地漏電檢測法的工作原理

如圖2所示為中性點接地漏電檢測電路，U1為輸入直流電壓源，R1、R2為平衡電阻，R3為接地電阻，ZX為對地漏電阻，通過 ZX的電流即為干線的漏電流IX。

圖2 中性點接地漏電檢測電路

根據戴維南定理可以得以下方程式：

解上述方程組可得漏電流Ix：

為簡化計算，工程實際使用中，令R1=R2=R，可得：

上式中的IX，正值為正極對地漏電值，負值為負極對地漏電值。

通過公式4，結合圖2可知：

合理的配置公式(4)的分母，即檢測電阻R、R3，可以限制系統的最大漏電流，避免系統漏電造成的危害。結合公式(4)和公式(5)，可得系統最大的漏電值Ix_MAX：

2 工程應用

DC600V直流電源作為對列車車廂整備以及檢修作業時使用的供電系統，廣泛應用于鐵路系統中。在對使用該型電源的列車廂檢修時，由于檢修現場工況復雜，線路長（每組列車由 16至20節列車車廂組成，且每節車廂都有對地最小漏電要求），檢修的列車車廂漏電情況時有發生，因此要求DC600V直流電源具備漏電保護功能，避免在檢修過程中因漏電造成的設備損壞，保證檢修作業人員的安全，提高檢修作業的安全性。

在列車車廂檢修用的 DC600 V直流電源中采用中性點接地漏電檢測法，測量負載回路的漏電，并提供漏電超標保護，電路如圖3所示，直流電源采用傳統的隔離變壓器加全橋整流濾波電路[3]，漏電檢測電路與DC600V直流回路通過隔離開關K1連接。

圖3 直流電源漏電檢測電路

系統漏電回路工作過程：由主控制器PLC控制K1閉合后、再將DC600V直流電源主回路通電；傳感器U1、U2把強電信號轉化成弱電模擬信號，模數轉換器AD1、AD2把模擬信號轉換成數字信號， PLC根據公式(7)計算得出漏電值，并在顯示器 F940GOT上顯示；當漏電值大于設定值時，PLC控制DC600V直流電源主回路斷電、控制 K1斷開；顯示器報警，并顯示最大漏電值及漏電支路。

在直流電能的應用中，發生觸電事故，導致人體心室顫動[1]概率為 5%的直流電流約為 300 mA（或可稱為直流擺脫電流閥值），所以系統設計最大漏電值小于300 mA，根據公式(6)可得：

實際選型，取R（即R1、R2）為600 Ω，R3為 750 Ω。把上述值代入公式(4)可得系統的漏電計算公式：

上述產品在現場應用時，進行漏電試驗，分別從正極（DC600+）、負極（DC600-）接定值變阻器到大地，測量不同的接地電阻下，系統測量到的漏電值如圖4所示。

在本案例的工程應用中，每節火車車廂允許最大漏電值為7 mA[4]，一列正常20節編組的列車，最大漏電值為140 mA，因此系統設定的漏電流保護值為140 mA，換算成接地電阻為950 Ω。當供電回路接地電阻小于等于該值時，系統自動切斷主回路供電電源，并在顯示屏中醒目位置顯示“漏電保護”字樣，該系統采樣、計算、判斷周期為50 ms，滿足了現場使用中對直流供電回路漏電檢測和保護的需求。

圖4 DC600V電源漏電分布

3 結論

中性點接地漏電檢測電路，能夠準確及時的檢測供電系統的漏電情況，滿足工程使用的要求，并根據其要求，限制系統的最大漏電值，避免由于漏電造成的重大損失。

在實際使用中，中性點接地漏電檢測電路需注意下列事項：

（1）通電前，須確保直流干線對地絕緣良好，可以用絕緣測試裝置或兆歐表測量；

（2）直流電源必須是浮空制的不接地系統，且允許高阻接地；

（3）R1與R2阻值差決定了系統測量的精度，差值較大時，可以通過計算中軟件補償來提高精度；

（4）漏電敏感系統中，注意系統檢測、計算造成的延遲。

[1]劉哲, 周國慶等編著. 觸/漏電保護器[M]. 北京: 化學工業出版社, 2008.1.

[2]方昌林, 徐剛編著. 電氣測量儀器[M]. 北京: 化學工業出版社, 2006.4.

[3]黃俊, 王兆安編. 電力電子變流技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2004.3

[4]TB/T3063-2002. 旅客列車DC600V供電系統技術條件[S]. 四方車輛研究所, 2002.6.