漏電流檢測基本原理以及在電動汽車充電樁中漏電流保護方法的選擇

　　一、漏電流的產生分類
 

　　一般漏電流分為四種，分別為:半導體元件漏電流、電源漏電流、電容漏電流和濾波器漏電流
 

　　1、半導體原件漏電流
 

　　PN結在截止時流過的很微小的電流。D-S正向偏置，G-S反向偏置，導電溝道打開后，D到S才會有電流流過。但實際上由于自由電子的存在，自由電子的附著在SIO2和N+、導致D-S有漏電流。

 

　　圖1.1.1  帶IGBT開關逆變中的漏電流

 

　　2、電源漏電流
 

　　開關電源中為了減少干擾，按照國標，必須設有EMI濾波器電路。由于EMI電路的關系，使得在開關電源在接上市電后對地有一個微小的電流，這就是漏電流。如果不接地，計算機的外殼會對地帶有110伏電壓，用手摸會有麻的感覺，同時對計算機工作也會造成影響。
 

　　3、電容漏電流
 

　　電容介質不可能不導電，當電容加上直流電壓時，電容器會有漏電流產生。若漏電流太大，電容器就會發熱損壞。除電解電容外，其他電容器的漏電流是極小的，故用絕緣電阻參數來表示其絕緣性能;而電解電容因漏電較大，故用漏電流表示其絕緣性能(與容量成正比)。
 

　　對電容器施加額定直流工作電壓將觀察到充電電流的變化開始很大，隨著時間而下降，到某一終值時達到較穩定狀態這一終值電流稱為漏電流。i=kcu(μa);其中k值為漏電流常數，單位為μa(v·μf)

　　圖1.3.1 電源Y電容、EMI及漏電流之間的三角關系

 

　　4、濾波器漏電流
 

　　電源濾波器漏電流定義為:在額定交流電壓下濾波器外殼到交流進線任意端的電流。
 

　　如果濾波器的所有端口與外殼之間是*絕緣的，則漏電流的值主要取決于共模電容CY的漏電流，即主要取決于CY的容量。
 

　　由于濾波器漏電流的大小，涉及到人身安全，上各國對它都有嚴格的標準規定，對于是220V/50Hz交流電網供電，一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA。

 

　　圖1.4.1 電磁兼容濾波器中的漏電流

 

　　二、系統漏電檢測原理
 

　　大多數技術人員對接地故障電流檢測的GFCI傳感器非常熟悉，其檢測原理如下圖：

　　圖2.1.1

 

　　一個三相系統，芯片式RCMU(漏電流監控單元)被放置在母線上，重要的是三根母線都隨機穿過RCMU的中間線孔。圖示系統沒有中線，是三相三線交流系統。如果是三相四線的系統，若中線上不走電流，中線也可不必穿過RCMU。假設一個連接到一個480 / 277vac系統10A負載，RCMU將同時測量它。根據基爾霍夫定律，傳入和傳出的電流會互相抵消。三根母線的電流矢量和應該為零。從圖中可知，不考慮方向的情況下：10A - - 4A = 1A，也就是此事該系統線路上的漏電流值為1A。RCMU基于芯片式的設計原理，與無源的互感器區別是：對于不同的漏電成分都能夠檢測，屬于Type-B RCMU。說到這里，簡單的回顧下漏電流類型。
 

　　1)AC 型漏電保護器：
 

　　AC 型漏電保護器是針對工頻正弦漏電電流研發設計的，對突然施加及緩慢上升的正弦漏電電流都能可靠保護。
 

　　2)A 型漏電保護器：
 

　　A 型漏電保護器除對正弦漏電信號能夠可靠保護外，還能對含有脈動直流分量的漏電信號進行可靠保護。
 

　　3)B 型漏電保護器：
 

　　B型漏電保護器對正弦交流信號、脈動直流信號和平滑信號都能可靠保護
 

　　三、電動汽車充電樁中的漏電流保護應用
 

　　1、電動汽車充電樁一共有4種模式：
 

　　1)模式一：

　　圖 3.1.1

 

　　•充電不受控制
 

　　•電源接口：普通電源插座
 

　　•充電接口：充電接口
 

　　•In≤8A；Un:AC 230，400V
 

　　•電源側提供相線、中性線和接地保護的導體
 

　　電氣安全依賴供電電網的安全保護，安全性差，GB/T 18487.1-2標準中予以淘汰
 

　　2)模式二：

 

　　圖 3.1.2

 

　　•充電不受控制
 

　　•電源接口：普通電源插座
 

　　•充電接口：充電接口
 

　　•In<16A；Un:AC 230
 

　　•功率與電流：2Kw(1.8Kw)8A 1Ph；3.3Kw(2.8Kw)13A 1Ph
 

　　•接地保護，過流(超溫)
 

　　•電源側提供相線、中性線和接地保護的導體
 

　　•帶保護裝置/控制的功能
 

　　電氣安全依靠供電電網的安全基本保護和IC-CPD的保護
 

　　3)模式三：

 

　　圖 3.1.3 連接方式B

 

　　圖 3.1.4 連接方式C

 

　　•輸入電源：低壓交流電
 

　　•充電接口：充電接口
 

　　•In<63A；Un:AC 230,400V
 

　　•功率與電流3.3Kw 16A 1Ph；7Kw 32A 1Ph；40Kw 63A 3Ph
 

　　•接地保護過流
 

　　•電源側提供相線、中性線和接地保護的導體
 

　　•帶保護裝置/控制的功能，插頭集成在充電樁上
 

　　電氣安全基于充電樁及樁-車之間的引導檢測
 

　　4)模式四：

　　圖 3.1.5

　　圖 3.1.6

 

　　控制充電
 

　　•站樁式充電機
 

　　•功率15KW,30KW,45KW,180KW,240KW,360KW(充電電壓和電流依賴于模塊大小)
 

　　•帶監測保護裝置/控制的功能集成到樁上
 

　　•內置的充電站充電電纜
 

　　如圖3.1.7四種充電模式中的漏電流保護點：

　　圖3.1.7

 

　　2、針對充電樁中的結構區分為：
 

　　1)模塊式的漏電保護設計方法
 

　　舉例討論模式二的充電樁，也稱之為IC-CPD(線上充電引導盒)和模式三的漏電保護應用，實物如圖3.2.1

 

　　圖3.2.1

 

　　根據目前IEC62752的漏電保護要求，其可設采用Type A模塊+直流6mA的模塊來或者直接Type B漏電流傳感器進行保護。對于模式二IC-CPD的設計體積要求，目前基本上都采用Type B的RCMU進行設計。如圖3.2.2 MAGTRON Type B的RCMU設計應用方案

 

　　圖3.2.2

 

　　對于模式三交流樁，針對功率小的單相樁，同樣可以采用模塊式Type B型的漏電流傳感器進行保護，其效果等同于B型RCCB。如圖3.2.3

 

　　圖3.2.3

 

　　2)RCD斷路器保護設計方法
 

　　對于功率較大的充電樁，模塊式的漏電流傳感器滿足不了原邊母線上的大電流電通過，由于大功率樁內體積相比要求不高，可以直接選用B型的RCCB進行保護如圖3.2.4。但是，目前普遍的B型RCCB成本相對較高，也可以暫時選用Type A/Type F+DC 6mA的模式如圖3.2.5進行保護。

 

　　圖3.2.4

　　圖3.2.5
 

　　這里借鑒本人之前的文章重新回顧RCD的分類和選型
 

　　四、RCD的分類
 

　　1、根據級數和電流回路數分
 

　　單級兩個電流回路、二級、三級、三級四個電流回路、四級RCD
 

　　2、RCD按防誤動作性能有如下分類
 

　　正常耐誤脫扣能力的RCD(一般型)
 

　　增強耐誤脫扣能力的RCD(S型)
 

　　3、根據(出現剩余電流時)延時分
 

　　無延時的RCD
 

　　有延時的RCD
 

　　4、根據有直流分量的工作狀況分
 

　　AC型RCD
 

　　A型RCD
 

　　5、單相220V電路，選用2P或1P+N型

　　圖 5.1.1

 

　　6、三相三線制380V電源供電的電氣設備，選用三級三線制(3P)RCD

 

　　圖 6.1.1

 

　　3P型RCD只能用于無中性線的三相三線配電系統中
 

　　7、三相四線制380V電電源的電氣設備，或單項設備和三相設備公用的電路，應選用三極四線制(3P+N)，或四極四線制(4P)的RCD
 

　　總而言之，電動汽車充電樁中終的保護方式都將嚴格執行Type B型的保護要求。
 

　　本文系浙江巨磁智能技術有限公司市場部 Donna投稿