从交流变压器到SST，直流漏电流检测为何需要重新设计？

2026年，固态变压器（SST）的技术验证将会加快并进入商业化阶段。

7月，阳光电源发布了EnerNeo系列SST，并签订了130MW的框架采购协议。台达电子和X LABS签订MOU，用于100MW SST设备。国电南瑞旗下的中电普瑞推出第二代“瑞”系列产品，适用于算力中心、超充站、新能源并网以及智能电网四个领域。

政策方面，2026年3月的《节能装备高质量发展实施方案（2026-2028年）》提出要推广使用大容量固态变压器和柔性直流变压器。，从而为SST进入配电网、数据中心等场景提供政策上的支持。江苏省7月份发出省级行动方案，计划到2028年使固态变压器相关产业规模达到百亿以上。

AI数据中心是SST商业化的一个重要驱动力。单台AI服务器芯片功耗已经发展到2kW以上，下一代机柜功率密度达到几百kW级别。

英伟达NVIDIA提出了从传统的多级交流供电向设施级800V直流供电转变的过程。SST可以把传统的供电链路中变压、整流、功率调节等环节高度集成起来。

然而，SST并不会自动取消中压开关设备、低压配电设备、UPS以及保护设备。具体的集成程度要根据拓扑结构、储能方案、冗余机制以及保护措施来决定。

供电架构代际变迁引发的易于被忽略的问题是：变换环节的变化会影响剩余电流的组成和故障机理。行业已关注效率、功率密度和SiC器件的选择，但安全监测链路的讨论却比较滞后。

剩余电流并不是只有50Hz的问题

传统的工频变压器属于被动式的电磁装置，在原副边之间由铁芯及绝缘材料进行隔离，漏电途径比较单一。SST为多级电力电子系统，典型的结构有前级AFE整流、中频隔离DC/DC变换以及后级逆变，在此过程中会涉及到中压交流、高压直流以及低压直流三种不同的电压等级。

由于存在多个电压等级共存的情况，所以剩余电流的组成要比普通的设备要复杂得多。对于使用对地绝缘或者高阻接地方式的直流系统，在单极对地绝缘故障的情况下，并不会马上产生足以触发过流保护的大故障电流，但是绝缘的状态会有所改变；当第二个绝缘故障发生在另外一个带电导体上时，故障回路的条件就会发生很大的变化，风险也随之增大。因此系统应该在第一个绝缘不良阶段就发现并报警，而不能等到短路发生之后才依靠过流保护来响应。对于采用IT或者类似的绝缘运行方式的直流系统来说，这个要求更加明显。需要注意的是，SST直流侧所采用的接地方式要根据具体的使用场合以及系统的布置来决定，并不是所有的SST都会用到IT系统。

另外，SiC器件也有很大的改变。为了减小中频变压器的体积，开关频率一般为几十kHz到几百kHz之间，而SiC MOSFET的电压变化率可以达到很高的程度。根据位移电流公式I=C·dU/dt可知，高dU/dt作用于功率模块基板对地寄生电容、变压器绕组层间电容以及母排分布电容等处时，会产生产生高频位移电流。工频剩余电流、直流剩余电流以及各种电流叠加在一起，就形成了包含交流、脉动直流、平滑直流和高频共模分量的混合型剩余电流。

传统的AC型剩余电流保护器只能检测正弦交流分量，A型增加了对脉动直流的检测能力，但是两者都不能够检测到平滑直流。当SST直流侧出现由于绝缘不良而产生的平滑直流剩余电流时，传统的保护装置可能会不起作用。高频共模电流的幅值以及频谱和系统的寄生参数、PCB布线方式、接地阻抗等有关，不能用一种检测方法来涵盖所有的频率范围。

这也就意味着SST的剩余电流检测要分频段、分故障机理来考虑：交流及脉动直流分量可以用传统的CT或者A型RCD来实现；平滑直流分量则需要采用直流敏感的检测方案；高频共模电流还要考虑系统的EMI设计、寄生参数控制以及专用高频检测手段来完成。不同的频率段用到不同的传感器技术路线，并没有一种器件能够解决所有的场景。

SiC器件的使用也使得保护配合的方式发生了变化。由于SiC功率器件的短路耐受时间比传统的硅基IGBT要短得多，所以不能仅仅依靠系统级的过流或者母线保护来实现短路检测和关断，还需要在功率器件的驱动端设置更快的短路检测以及关断机制（例如DESAT保护、栅极驱动器快速保护），并且要和系统的过流保护、差动保护一起工作。剩余电流检测在多层次保护系统里起到的是对绝缘不良进行预警以及直流剩余电流检测的作用，并不是SiC短路保护的主要途径。

直流剩余电流检测：磁通门方案的定位

直流剩余电流检测的方法有几种，其中电流互感器是根据电磁感应原理工作的，只能检测出交流分量，并不能对直流做出反应。开环霍尔方案能够检测到直流电流，但是霍尔元件会有零点漂移现象，在毫安级别的检测中，由于温度的变化所造成的漂移可能会和真实的漏电流处于同一个数量级，因此需要依靠算法进行补偿以及定期校准。分流器方案精度高，但是没有电气隔离，在中高压系统里存在安全隐患，并且串联在主回路里会带来额外的损耗。

磁通门技术利用高磁导率的磁芯，在激励之下产生周期性的饱和现象来实现对外部磁场的调制，并将其转换为偶次谐波信号进行检测。它并不需要被测电流变化率的存在，可以对平滑直流以及低频交流分量都具有检测的能力。磁通门方案的零点稳定性及温漂性能好，是由于对称磁芯结构以及调制解调机制对offset的抑制作用，但是整个温度范围内的精度还受到磁芯材料、激励电路以及标定方法的影响。磁通门传感器的原边和副边之间用磁芯、绝缘体来实现电气上的隔离。

该技术特性使得磁通门适用于直流剩余电流检测场景。SST直流侧绝缘劣化的过程是缓慢的，剩余电流会从小电流开始逐渐增大，在此期间需要传感器保持零点稳定。SST柜内的功率密度大、温差大，全温域的各项指标对于工程来说更有意义。

以芯森电子FR8V H04系列为例，该产品是基于磁通门技术的剩余电流检测器，原边与副边之间是绝缘的，用于测量直流漏电流。该系列有±10mA到±400mA的额定剩余电流范围，分别对应FR8V 0.01/0.02/0.05/0.07/0.1/0.2/0.4 H04七种不同的型号，实际测量的最大值可以达到±440mA。在额定剩余电流下的精度是±1%，增益误差和线性误差都是±0.5%。零点电压温漂的最大值为±0.5mV/K，失调电压±6mV，失调电压温漂±15mV，工作温度范围是-40℃～85℃。隔离参数上，原副边隔离耐压为5.04kV AC（50Hz，1min），瞬态耐压9.24kV（1.2/50μs），电气间隙5mm，爬电距离23mm；规格书中还给出了1000V应用下加强绝缘、1500V应用下基本绝缘的应用实例，具体的绝缘配合还需要根据整机标准和实际结构设计来确定。响应时间是30ms@90%额定值，实际保护动作时间要加上控制器采样、算法判断以及执行机构的动作时间，并且还要根据系统的保护设定值来进行综合判断。

FR8V H04定位为直流剩余电流检测，带宽为DC，不能用作高频共模电流完整的测量。对于SiC高频开关所产生更高频率段的位移电流分量，需要和系统的EMI滤波、寄生参数控制等其他检测手段一起使用来判断。FR8V H04在SST安全体系中所处的位置是直流剩余电流检测链路里的一个传感器选项，并不是SST绝缘故障全部解决的办法。

传感器和绝缘监测之间是互补的关系，并不是替代的关系

在SST直流系统里，绝缘监测装置（IMD）与剩余电流传感器关注的都是不同的层面的问题。IMD用来检测系统的整体绝缘情况，即“绝缘水平有没有降低”的问题；而剩余电流传感器则负责检测实际流过检测路径的剩余电流，也就是“是否有异常电流通过”的问题。二者可以互补：IMD可以给绝缘趋势提供早期预警，而剩余电流传感器则可以给出故障电流的实时检测结果。FR8V H04不可以代替IMD，也不能代替弧光保护、短路保护以及系统级接地故障保护。

SST安全监测系统应该分为几个层次来实现：器件级有SiC驱动侧的快速短路保护、系统级有过流保护、差动保护以及接地故障保护、绝缘状态层面的IMD持续监测以及剩余电流层面的磁通门等传感器提供的直流分量实时数据。各个手段各司其职，一起组成从绝缘劣化预警到故障快速切除的一条完整的链条。任何一个单独的器件都不能被看作是能够解决所有安全问题的万能方案。

安全架构需要与供电架构同步演进

SST正改变数据中心以及配电网供电的方式。中压交流加上多级变换到中压直流直接800V，功率器件由IGBT换成了SiC，绝缘方式由油浸变成了干式的高频化，那么剩余电流检测也应该从只依靠“交流保护器跳闸”的单一思路，转变为“分频段、分故障机理、多层次协同”的新体系。

2026年的SST产业因为快速升温而吸引了大量的企业进入。但是，在比拼效率、功率密度以及订单规模的时候，安全基线是否一同被建立起来，将会决定这些设备是否能够在数据中心、储能电站以及配电网中长久地稳定运行。彭博新能源财经预计到2030年全球SST市场将达到1200亿人民币，市场的打开需要以设备的可靠性为基础，而设备的可靠性又取决于剩余电流检测等安全监控系统的完善程度。

漏电流检测属于SST安全监测系统中重要的感知环节之一。直流剩余电流的风险大的系统能不能够准确地检测出毫安级的直流分量，将会对故障预警以及保护策略的可靠性和有效性产生影响。技术选择这条防线，在架构设计的时候就应该慎重考虑，而不是因为某个传感器多么先进而忽视了供电方式改变之后的安全监测技术逻辑也随之变化这一事实。

本文所用到的政策信息来源于工信部、国家发改委、财政部和国家能源局联合发布的《节能装备高质量发展实施方案（2026-2028年）》以及江苏省《固态变压器产业创新发展行动方案》中公开的内容。产业信息来源于企业的公开报道。FR8V H04的技术参数按照产品规格书来。SST剩余电流机理分析是用电力电子工程原理来推导出来的，具体的保护方案要根据实际情况进行系统的设置。