電動(dòng)汽車充電樁中的漏電保護(hù)應(yīng)用分析 RCD的分類和選型

作者： John Fang（Magtron Marketing）

一、漏電流的產(chǎn)生分類

一般漏電流分為四種，分別為：半導(dǎo)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(dǎo)體原件漏電流

PN結(jié)在截止時(shí)流過的很微小的電流。D-S正向偏置，G-S反向偏置，導(dǎo)電溝道打開后，D到S才會(huì)有電流流過。但實(shí)際上由于自由電子的存在，自由電子的附著在SIO2和N+、導(dǎo)致D-S有漏電流。

圖1.1.1 帶IGBT開關(guān)逆變中的漏電流

2、 電源漏電流

開關(guān)電源中為了減少干擾，按照國標(biāo)，必須設(shè)有EMI濾波器電路。由于EMI電路的關(guān)系，使得在開關(guān)電源在接上市電后對(duì)地有一個(gè)微小的電流，這就是漏電流。如果不接地，計(jì)算機(jī)的外殼會(huì)對(duì)地帶有110伏電壓，用手摸會(huì)有麻的感覺，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)工作也會(huì)造成影響。

3、 電容漏電流

電容介質(zhì)不可能絕對(duì)不導(dǎo)電，當(dāng)電容加上直流電壓時(shí)，電容器會(huì)有漏電流產(chǎn)生。若漏電流太大，電容器就會(huì)發(fā)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(shù)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(duì)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(shí)間而下降，到某一終值時(shí)達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)這一終值電流稱為漏電流。i=kcu（μa）;其中k值為漏電流常數(shù)，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(guān)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(jìn)線任意端的電流。

如果濾波器的所有端口與外殼之間是完全絕緣的，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，國際上各國對(duì)它都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于是220V/50Hz交流電網(wǎng)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(tǒng)漏電檢測原理

大多數(shù)技術(shù)人員對(duì)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(gè)三相系統(tǒng)，芯片式RCMU（漏電流監(jiān)控單元）被放置在母線上，最重要的是三根母線都隨機(jī)穿過RCMU的中間線孔。圖示系統(tǒng)沒有中線，是三相三線交流系統(tǒng)。如果是三相四線的系統(tǒng)，若中線上不走電流，中線也可不必穿過RCMU。假設(shè)一個(gè)連接到一個(gè)480 / 277vac系統(tǒng)10A負(fù)載，RCMU將同時(shí)測量它。根據(jù)基爾霍夫定律，傳入和傳出的電流會(huì)互相抵消。三根母線的電流矢量和應(yīng)該為零。從圖中可知，不考慮方向的情況下：10A - 5A - 4A = 1A，也就是此事該系統(tǒng)線路上的漏電流值為1A。RCMU基于芯片式的設(shè)計(jì)原理，與無源的互感器區(qū)別是：對(duì)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(hù)器：

AC 型漏電保護(hù)器是針對(duì)工頻正弦漏電電流研發(fā)設(shè)計(jì)的，對(duì)突然施加及緩慢上升的正弦漏電電流都能可靠保護(hù)。

2）A 型漏電保護(hù)器：

A 型漏電保護(hù)器除對(duì)正弦漏電信號(hào)能夠可靠保護(hù)外，還能對(duì)含有脈動(dòng)直流分量的漏電信號(hào)進(jìn)行可靠保護(hù)。

3）B 型漏電保護(hù)器：

B型漏電保護(hù)器對(duì)正弦交流信號(hào)、脈動(dòng)直流信號(hào)和平滑信號(hào)都能可靠保護(hù)

三、電動(dòng)汽車充電樁中的漏電流保護(hù)應(yīng)用

1、電動(dòng)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：專用充電接口

?In≤8A；Un:AC 230，400V

?電源側(cè)提供相線、中性線和接地保護(hù)的導(dǎo)體

電氣安全依賴供電電網(wǎng)的安全保護(hù)，安全性差，GB/T 18487.1-2標(biāo)準(zhǔn)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：專用充電接口

?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(hù)，過流（超溫）

?電源側(cè)提供相線、中性線和接地保護(hù)的導(dǎo)體

?帶保護(hù)裝置/控制的功能

電氣安全依靠供電電網(wǎng)的安全基本保護(hù)和IC-CPD的保護(hù)

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：專用充電接口

?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(hù)過流

?電源側(cè)提供相線、中性線和接地保護(hù)的導(dǎo)體

?帶保護(hù)裝置/控制的功能，插頭集成在充電樁上

電氣安全基于專用充電樁及樁-車之間的引導(dǎo)檢測

4） 模式四：

圖 3.1.5

圖 3.1.6

控制充電

?站樁式充電機(jī)

?功率15KW，30KW，45KW，180KW，240KW，360KW（充電電壓和電流依賴于模塊大?。?/p>

?帶監(jiān)測保護(hù)裝置/控制的功能集成到樁上

?內(nèi)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(hù)點(diǎn)：

圖3.1.7

2、針對(duì)充電樁中的結(jié)構(gòu)區(qū)分為：

1） 模塊式的漏電保護(hù)設(shè)計(jì)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(dǎo)盒）和模式三的漏電保護(hù)應(yīng)用，實(shí)物如圖3.2.1

圖3.2.1

根據(jù)目前IEC62752的漏電保護(hù)要求，其可設(shè)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(jìn)行保護(hù)。對(duì)于模式二IC-CPD的設(shè)計(jì)體積要求，目前基本上都采用Type B的RCMU進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3.2.2 MAGTRON Type B的RCMU設(shè)計(jì)應(yīng)用方案

圖3.2.2

對(duì)于模式三交流樁，針對(duì)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(jìn)行保護(hù)，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(hù)設(shè)計(jì)方法

對(duì)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(nèi)體積相比要求不高，可以直接選用B型的RCCB進(jìn)行保護(hù)如圖3.2.4。但是，目前普遍的B型RCCB成本相對(duì)較高，也可以暫時(shí)選用Type A/Type F＋DC 6mA的模式如圖3.2.5進(jìn)行保護(hù)。

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(jù)級(jí)數(shù)和電流回路數(shù)分

單級(jí)兩個(gè)電流回路、二級(jí)、三級(jí)、三級(jí)四個(gè)電流回路、四級(jí)RCD

2、RCD按防誤動(dòng)作性能有如下分類

正常耐誤脫扣能力的RCD（一般型）

增強(qiáng)耐誤脫扣能力的RCD（S型）

3、根據(jù)（出現(xiàn)剩余電流時(shí)）延時(shí)分

無延時(shí)的RCD

有延時(shí)的RCD

4、根據(jù)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(shè)備，選用三級(jí)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(tǒng)中

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

總而言之，電動(dòng)汽車充電樁中最終的保護(hù)方式都將嚴(yán)格執(zhí)行Type B型的保護(hù)要求。