科普：电动汽车充电桩中漏电流的产生分类及保护方法

一、漏电流的产生分类

一般漏电流分为四种,分别为:半导体元件漏电流、电源漏电流、电容漏电流和滤波器漏电流

1、半导体原件漏电流

PN结在截止时流过的很微小的电流。D-S正向偏置,G-S反向偏置,导电沟道打开后,D到S才会有电流流过。但实际上由于自由电子的存在,自由电子的附着在SIO2和N+、导致D-S有漏电流。

2、电源漏电流

开关电源中为了减少干扰,按照国标,必须设有EMI滤波器电路。由于EMI电路的关系,使得在开关电源在接上市电后对地有一个微小的电流,这就是漏电流。如果不接地,计算机的外壳会对地带有110伏电压,用手摸会有麻的感觉,同时对计算机工作也会造成影响。

3、电容漏电流

电容介质不可能绝对不导电,当电容加上直流电压时,电容器会有漏电流产生。若漏电流太大,电容器就会发热损坏。除电解电容外,其他电容器的漏电流是极小的,故用绝缘电阻参数来表示其绝缘性能;而电解电容因漏电较大,故用漏电流表示其绝缘性能(与容量成正比)。

对电容器施加额定直流工作电压将观察到充电电流的变化开始很大,随着时间而下降,到某一终值时达到较稳定状态这一终值电流称为漏电流。i=kcu(μa);其中k值为漏电流常数,单位为μa(v·μf)

4、滤波器漏电流

电源滤波器漏电流定义为:在额定交流电压下滤波器外壳到交流进线任意端的电流。

如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的,则漏电流的值主要取决于共模电容CY的漏电流,即主要取决于CY的容量。

由于滤波器漏电流的大小,涉及到人身安全,国际上各国对它都有严格的标准规定,对于是220V/50Hz交流电网供电,一般要求噪声滤波器的漏电流小于1mA。

二、系统漏电检测原理

大多数技术人员对接地故障电流检测的GFCI传感器非常熟悉,其检测原理如下图:

一个三相系统,芯片式RCMU(漏电流监控单元)被放置在母线上,最重要的是三根母线都随机穿过RCMU的中间线孔。图示系统没有中线,是三相三线交流系统。如果是三相四线的系统,若中线上不走电流,中线也可不必穿过RCMU。假设一个连接到一个480 / 277vac系统10A负载,RCMU将同时测量它。根据基尔霍夫定律,传入和传出的电流会互相抵消。三根母线的电流矢量和应该为零。从图中可知,不考虑方向的情况下:10A - 5A - 4A = 1A,也就是此事该系统线路上的漏电流值为1A。RCMU基于芯片式的设计原理,与无源的互感器区别是:对于不同的漏电成分都能够检测,属于Type-B RCMU。说到这里,简单的回顾下漏电流类型。

1)AC 型漏电保护器:

AC 型漏电保护器是针对工频正弦漏电电流研发设计的,对突然施加及缓慢上升的正弦漏电电流都能可靠保护。

2)A 型漏电保护器:

A 型漏电保护器除对正弦漏电信号能够可靠保护外,还能对含有脉动直流分量的漏电信号进行可靠保护。

3)B 型漏电保护器:

B型漏电保护器对正弦交流信号、脉动直流信号和平滑信号都能可靠保护

三、电动汽车充电桩中的漏电流保护应用

1、电动汽车充电桩一共有4种模式:

1)模式一:

充电不受控制

电源接口:普通电源插座

充电接口:专用充电接口

In≤8A;Un:AC 230,400V

电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体

电气安全依赖供电电网的安全保护,安全性差,GB/T 18487.1-2标准中予以淘汰

2)模式二:

充电不受控制

电源接口:普通电源插座

充电接口:专用充电接口

In<16A;Un:AC 230

功率与电流:2Kw(1.8Kw)8A 1Ph;3.3Kw(2.8Kw)13A 1Ph

接地保护,过流(超温)

电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体

带保护装置/控制的功能

电气安全依靠供电电网的安全基本保护和IC-CPD的保护

3)模式三:

输入电源:低压交流电

充电接口:专用充电接口

In<63A;Un:AC 230,400V

功率与电流3.3Kw 16A 1Ph;7Kw 32A 1Ph;40Kw 63A 3Ph

接地保护过流

电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体

带保护装置/控制的功能,插头集成在充电桩上

电气安全基于专用充电桩及桩-车之间的引导检测

4)模式四:

控制充电

站桩式充电机

功率15KW,30KW,45KW,180KW,240KW,360KW(充电电压和电流依赖于模块大小)

带监测保护装置/控制的功能集成到桩上

内置的充电站充电电缆

如图3.1.7四种充电模式中的漏电流保护点:

2、针对充电桩中的结构区分为:

1)模块式的漏电保护设计方法

举例讨论模式二的充电桩,也称之为IC-CPD(线上充电引导盒)和模式三的漏电保护应用,实物如图3.2.1

根据目前IEC62752的漏电保护要求,其可设采用Type A模块+直流6mA的模块来或者直接Type B漏电流传感器进行保护。对于模式二IC-CPD的设计体积要求,目前基本上都采用Type B的RCMU进行设计。如图3.2.2 MAGTRON Type B的RCMU设计应用方案

对于模式三交流桩,针对功率小的单相桩,同样可以采用模块式Type B型的漏电流传感器进行保护,其效果等同于B型RCCB。如图3.2.3

2)RCD断路器保护设计方法

对于功率较大的充电桩,模块式的漏电流传感器满足不了原边母线上的大电流电通过,由于大功率桩内体积相比要求不高,可以直接选用B型的RCCB进行保护如图3.2.4。但是,目前普遍的B型RCCB成本相对较高,也可以暂时选用Type A/Type F+DC 6mA的模式如图3.2.5进行保护。

这里借鉴本人之前的文章重新回顾RCD的分类和选型

四、RCD的分类

1、根据级数和电流回路数分

单级两个电流回路、二级、三级、三级四个电流回路、四级RCD

2、RCD按防误动作性能有如下分类

正常耐误脱扣能力的RCD(一般型)

增强耐误脱扣能力的RCD(S型)

3、根据(出现剩余电流时)延时分

无延时的RCD

有延时的RCD

4、根据有直流分量的工作状况分

AC型RCD

A型RCD

5、单相220V电路,选用2P或1P+N型

3P型RCD只能用于无中性线的三相三线配电系统中

7、三相四线制380V电电源的电气设备,或单项设备和三相设备公用的电路,应选用三极四线制(3P+N),或四极四线制(4P)的RCD

总而言之,电动汽车充电桩中最终的保护方式都将严格执行Type B型的保护要求。