漏电流检测基本原理以及在电动汽车充电桩中漏电流保护方法的选择

    摘要：目前，电动汽车发展已经到了一个新的阶段，关于电动汽车内部的安全问题一直受到人们的重视，其中漏电流故障是各个设计厂家必须要解决的问题。对于传统的AC型漏电保护，目前技术相对比较成熟。本文主要简单解析充电桩中的漏电流保护的基本思路，并且也提出更加安全可靠的B型漏电保护解决方案。

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。

图1.1.1带IGBT开关逆变中的漏电流

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。

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)

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。

图1.4.1电磁兼容滤波器中的漏电流

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：

图2.1.1

    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-BRCMU。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：

图3.1.1

•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:AC230，400V

•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/T18487.1-2标准中予以淘汰

模式二：

图3.1.2

•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:AC230

•功率与电流：2Kw（1.8Kw）8A1Ph；3.3Kw（2.8Kw）13A1Ph

•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

模式三：

图3.1.4连接方式C

•输入电源：低压交流电

•充电接口：专用充电接口

•In<63A；Un:AC230,400V

•功率与电流3.3Kw16A1Ph；7Kw32A1Ph；40Kw63A3Ph

•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

模式四：

图3.1.5

•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：

图3.1.7

2、针对充电桩中的结构区分为：

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

图3.2.1

    根据目前IEC62752的漏电保护要求，其可设采用TypeA模块+直流6mA的模块来或者直接TypeB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TypeB的RCMU进行设计。如图3.2.2MAGTRONTypeB的RCMU设计应用方案

图3.2.2

    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TypeB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

图3.2.3

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TypeA/TypeF＋DC6mA的模式如图3.2.5进行保护。

图3.2.4

图3.2.5

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

图5.1.1

6、三相三线制380V电源供电的电气设备，选用三级三线制（3P）RCD

图6.1.1

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TypeB型的保护要求。