残余电流监测的合理警报阈值

保护目标

目前,越来越多的工业生产设备都配备了剩余电流测量装置。 这种监测措施主要用于实现断层和植物保护目标。 在某些特殊情况和条件下,还可以通过符合 IEC 62020 标准的剩余电流监控器来映射防火保护。

Defined protection levels for residual current monitors

除了这些保护目标外,根据国际标准,还可以避免作为固定装置定期检查一部分的绝缘测量。

额定电流为 270 A 的生产设备的剩余电流值

生产设备大多是复杂的电气系统,由不同的电气设备组合而成。 在大多数情况下,PLC 负责控制。 虽然单个电气设备的系统相关泄漏电流受标准监管,但在复杂的系统中可能会出现更大的系统相关泄漏电流。 通常,这些是电容滤波电流,可将谐波成分消散到保护接地导体中。

Residual current signal of a production plant

在工业环境中的生产设备上检测到以下振荡图。 可以检测到一个基本振荡,在 20 毫秒的时间间隔内振荡了三次。因此,在 FFT 分析中,预计最大振幅出现在 150 赫兹处。

Fast Fourier Transform

由于这些数值往往很高,因此无法使用传统的 RCD 来保护系统的人身安全或防火。 因此,我们干脆省略了可自由接入的插座和相关的 RCD 个人保护装置。

现在的问题是,如何在剩余电流测量中处理与系统相关的较高剩余电流,特别是因为在系统的各种运行状态下,很少能建立稳定的幅值。 下图中的测量值来自一家额定电流为 270 A 的大型制造厂。

TRMS values for residual current over an integration interval of 400 ms

如何找到合理的警报阈值

相对较大的电流值主要是由于单个设备的电容滤波电流造成的。 变频器是造成这种情况的主要原因。 如果将这些测得的剩余电流值与 PLC 内部的设备运行状态联系起来,就可以确定设备的正常状态。

Link of the measured residual current and machine status

该程序可对设备进行智能监控。 也可以用这种方法将开机峰值宣布为正常状态。 不再需要对用于植物保护的单个设备进行成本高昂的单独监控。

不过,一般来说,还应该注意的是,这种溶液未被批准用于个人防护。 如下图所示,由于增加了电容和电阻电流矢量,TRMS 信号中的高电容电平几乎检测不到 15 至 30 mA 的电平。

Diagram of a production plant with several types of operating equipment

如果没有 30 mA 电阻分量(IRC),剩余电流为 250 mA(IRC)。 如果电阻分量增加到 30 mA,则总剩余电流仅为 251.8 mA。

下面将以相同有效值的振荡图来说明问题。

Residual current consisting of resistive and capacitive current

电容电流滞后电阻分量 90° 或 5 毫秒。如果电容泄漏电流的频率较高,是导体中 50 赫兹基频的整数倍,如上述 150 赫兹的例子,那么即使 50 赫兹和 150 赫兹信号之间有不同的偏移,问题也几乎不会改变。

Oscillations of a resistive current (30 mA) and a capacitive 150 Hz current (250 mA) and the summation of both oscillations

对于相位偏移 90° 或 5 ms 的所有电容电流信号以及 50 Hz 的所有整数倍信号,TRMS 随电阻电流增加而增加的百分比如下式所示。

the percentage increase in TRMS with increasing resistive current
Percentage increase of the TRMS value in relation to the ratio between capacitive and resistive current

在 PLC 控制系统中选择报警阈值时应考虑到这些关系。 在我们的表格中,如果相同的保护目标仍然有效,则必须对数值进行如下更改。

Protection targets with new calculated values due to the ratio between capacitive and resistive current

在一些项目中,测量到的剩余电流值还通过能量测量模块与 PLC 和相应的相电流相连。

在某些应用中,100 Hz 或 2 kHz 以上的频率成分被刻意省略。 该设置可在达尼森剩余电流监控器的操作终端上进行。 这样,频率较高的电容频率成分只能以强阻尼形式计入 TRMS 值。

User terminal of the residual current monitoring device SRCMH070IB+

这样,与系统相关的泄漏电流往往可以减少,电阻故障电流的变化也更容易被检测到。 这一程序似乎是合理的,因为传统 RCD 和 RCM 的继电器功能也可根据标准对较高频率成分进行总体抑制。

Diagram of The weighting of different frequency components relevant for the relay

结论

就成本和改造而言,对工业制造厂的运行设备进行单独监控往往是不可能的。 一个很好的替代方法是测量主连接,并将 4-20 mA 输出端与 PLC 连接。 这样,浪涌电流峰值和更高电平就可以与每个受控设备的运行状态联系起来。 因此,可以更容易地检测到 50 赫兹的危险电阻电流成分。 可能有必要抑制与系统相关的大残余电流,以获得更好的电容电流和电阻电流比。 为充分分析给定的差分电流,建议使用 SRCMH070IB+ 变体和免费分析软件。

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