Fluke - Leakage current measurement basics

  Application Note Leakage current   measurement basics In any electrical installation, some current will flow through the protective ground conductor to ground. This is usually called leakage current. Leakage current most commonly flows in the insulation surrounding conductors and in  the filters protecting electronic equipment around the home or office. So what’s the problem? On circuits  protected by RCDs (Residual Current Device), leakage current can cause unnecessary and intermittent tripping.  In extreme cases, it can cause a rise in voltage on  accessible conductive parts.  The causes of leakage   current Insulation has both electrical resi- stance and capacitance — and it  conducts current through both  paths. Given the high resistance  of insulation, very little current  should actually leak. But, if the  insulation is old or damaged, the  resistance is lower and substantial  current may flow. Additionally,  longer conductors have a higher  capacitance, causing more leakage  current.  Electronic equipment, meanwhile,  contains filters designed to protect  against voltage surges and other  disruptions. These filters typically  have capacitors on the input, which  adds to the overall capacitance of  the wiring system and the overall  level of leakage current.   Minimizing the effects   of leakage current So, how can you eliminate or mini- mize the effects of leakage current?  Quantify the leakage current and  then identify the source. One way  of going about this is to use a  leakage current clamp meter.  These are very much like the clamp  meters used for measuring load  currents, but deliver significantly  better performance when measu- ring currents below 5 mA. Most  clamp meters simply won’t register  such low currents. Once you place the jaws of a  clamp meter around a conductor,  the value of current it reads  depends on the strength of the  alternating electromagnetic field  surrounding the conductors.  To accurately measure low   current levels, it is essential that  the mating faces of the jaws are  protected from damage, are kept  clean and are closed completely  together without an air gap when  testing. Avoid twisting the jaws  of the clamp meter as this can  cause erroneous measurements. The clamp meter detects   the magnetic field surrounding  conductors such as a single core  cable, a wire armor cable, a   water pipe, etc.; or the paired  phase and neutral conductors   of a single-phase circuit; or all  live conductors (3-wire or 4-wire)  of a three-phase circuit (like an  RCD).    Fluke Corporation   Leakage current measurement basics

mA A mA D- H mA A mA D- H mA A mA D- H mA A mA D- H mA A mA D- H mA A mA D- H When testing the grouped live  conductors of a circuit, the mag- netic fields produced by the load  currents cancel each other out.  Any imbalance current comes  from leakage from the conductors  to ground or elsewhere. To measure  this current, a leakage clamp meter  should be able to read less than  0. mA. For example, taking a measure- ment on a 230 V AC circuit, with  all loads disconnected, might result  in a value of 0.02 mA (20 μA)  leakage. This value represents   an insulation impedance of: 230 V / (20 x 10 -6 ) =   11,5 M Ω. (Ohms Law R=V/I) If you conducted an insulation  test on a circuit that was powered  down, the result would be in the  region of 50 M Ω or more. This is  because the insulation tester uses  a dc voltage for testing, which  does not take the capacitive effect  into consideration. The insulation  impedance value is the actual  value that exists under normal  operating conditions.  If you measured the same circuit  loaded with office equipment  (PCs, monitors, copiers, etc.), the  result would be significantly dif- ferent due to the capacitance of  the input filters on these devices.  When many pieces of equipment  are operating on a circuit, the  effect will be cumulative; that is,  the leakage current will be  higher and could well be in the  order of milliamps. Adding new  pieces of equipment to a circuit  protected by a RCD could trip the  RCD. And because the amount of  leakage current varies depending  on how the equipment is operating,  the RCD may trip randomly. Such  intermittent problems can be dif- ficult to diagnose. A clamp meter will detect and  measure a wide range of alter- nating or changing currents pas- sing through a conductor under  test. When telecommunications  equipment is present, the value  of leakage indicated by a clamp  meter may be considerably more  than that resulting from insulation  impedance at 50 Hz. This is  because telecommunications  equipment typically incorporates  filters that produce functional  grounding currents and other  equipment that produces harmo- nics, etc. You can only measure  the characteristic leakage at 50 Hz  by using a clamp meter that  incorporates a narrow band-pass  filter for removing currents at   other frequencies.  Measurement of leakage   current to ground When the load is connected  (switched on), the leakage current  measured includes leakage in load  equipment. If the leakage is  acceptably low with the load  connected, then circuit wiring  leakage is even lower. If circuit  wiring leakage alone is required,  disconnect (switch off) the load.    Test single-phase circuits by  clamping the phase and neutral  conductor. The measured value  will be any current flowing to  ground. (See Figure ) Test three-phase circuits by  clamping around all three-phase  conductors. If a neutral is present,  it should be clamped along   with the phase conductors.   The measured value will be any   current flowing to ground.   (See Figure 2) Figure  Figure 2 2  Fluke Corporation   Leakage current measurement basics Supply Load Supply Load Phase Neutral Load Load ABC

mA A mA D-H mA A mA D- H 1 2 3 5 4 Measuring leakage current  through the ground conductorTo measure the total leakage flo- wing to the intended ground  connection, place the clamp  around the ground conductor.  (See Figure 3) Measuring leakage current to  ground via unintentional paths  to ground Clamping phase/neutral/ground  together identifies imbalance   current that represents leakage   at an outlet or electrical panel via  unintentional paths to ground  (such as the panel sitting on a  concrete base). If other electrical  bonding connections exist (such  as a connection to a water pipe),  a similar imbalance may result.  (See Figure 4) Tracing the source of leakage currentThis series of measurements  identifies the overall leakage and  the source. The first measurement  can be made on the main conductor  to the panel. Measurements 2, 3,  4, and 5 are made subsequently  to identify circuits carrying the  larger amounts of leakage current.   (See Figure 5) SummaryLeakage current can be an indi- cator of the effectiveness of insu- lation on conductors. High levels  of leakage current may be present  in circuits where electronic equip- ment with filters is used, and can  cause voltages that disrupt normal  operation of equipment.   It is possible to locate the source  of leakage current by using a low  current leakage current clamp to  take methodical measurements   as described above. If necessary,  this enables you to re-distribute  loads around the installation in a  more balanced way. Figure 3 Figure 4 Figure 5 Fluke Corporation P.O. Box 9090 Everett, WA USA 98206 Web: www.fluke.com Fluke Europe B.V. P.O. Box 86 5602 BD Eindhoven The Netherlands Web: www.fluke.eu   Fluke (UK) Ltd. 52 Hurricane Way Norwich Norfolk NR6 6JB United Kingdom Tel:  (020) 7942 0700 Fax:  (020) 7942 070 E-mail: [email protected] Web: www.fluke.co.uk For more information call: In the U.S.A. (800) 443-5853 or Fax (425) 446 -56 In Europe/M-East/Africa +3 (0)40 2 675 200 or Fax +3 (0)40 2 675 222 In Canada (905) 890-7600 or Fax (905) 890-6866 From other countries + (425) 446 -5500 or Fax + (425) 446 -56 © Copyright 2006 Fluke Corporation. All rights   reserved. Data subject to alteration without notice.   Printed in U.S.A. /2006 2788368 A-EN-N Rev A Pub id: 263-eng Fluke.  Keeping your world  up and running. TM Load ExposedConductiveParts Load Phase Neutral Ground Conductor Leakage current viaunintentional pathsto ground Phase Neutral Electrical Panel I E I E I E I E Leakage Current I E 3  Fluke Corporation   Leakage current measurement basics