【導(dǎo)讀】剩余電流保護(hù)器作為一種漏電保護(hù)器，被廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)中，用于防止電擊事故、電氣設(shè)備漏電損壞和電氣火災(zāi)。同樣在電動(dòng)汽車(chē)充電領(lǐng)域，RCD也作為一種基本電氣保護(hù)裝置被廣泛應(yīng)用。
隨著近兩年來(lái)的新能源汽車(chē)數(shù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)， 其配套設(shè)施充電樁的建設(shè)規(guī)模也隨之?dāng)U大。 2010 年—2017 年七年間，我國(guó)充電樁數(shù)量已經(jīng)從千余個(gè)增長(zhǎng)至 21 萬(wàn)個(gè)。
新能源汽車(chē)市場(chǎng)的增長(zhǎng)離不開(kāi)基礎(chǔ)充電設(shè)施的建設(shè)，如何保證充電過(guò)程中的用電安全，尤其是防止泄漏電流對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成危害，是值得關(guān)注的問(wèn)題。
電動(dòng)汽車(chē)充電一共有四種模式，在GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分:通用要求》中有明確說(shuō)明。
模式一使用充電連接電纜將電動(dòng)汽車(chē)與交流電網(wǎng)相連，剩余電流保護(hù)主要依靠建筑配電箱中的剩余電流保護(hù)裝置（RCD），由于不能保證所有現(xiàn)存建筑物裝置都配有RCD，所以這種方式十分危險(xiǎn)，已經(jīng)被禁止使用；模式二在充電連接電纜上安裝了纜上控制保護(hù)裝置（IC-CPD），IC-CPD內(nèi)部具有剩余電流檢測(cè)保護(hù)功能；模式三使用專用供電設(shè)備，將電動(dòng)汽車(chē)與交流電網(wǎng)直接連接，并且在專用供電設(shè)備上安裝了控制導(dǎo)引裝置，專用供電設(shè)備即交流充電樁；模式四將電動(dòng)汽車(chē)連接交流電網(wǎng)或直流電網(wǎng)時(shí)，使用了帶控制導(dǎo)引功能的直流供電設(shè)備，即直流充電樁。在這里，我們主要討論模式三、模式四充電樁內(nèi)的剩余電流保護(hù)器的選用。
在GB/T 18487.1-2015中要求，交流供電設(shè)備的剩余電流保護(hù)器宜采用A型或B型，符合GB 14084.2-2008，GB 16916.1-2014和GB 22794-2008的相關(guān)要求。如圖1所示為充電模式3控制導(dǎo)引電路原理圖，在供電設(shè)備內(nèi)部安裝了剩余電流保護(hù)器。
圖 1充電模式3控制導(dǎo)引電路原理圖
什么是A型或者B型剩余電流保護(hù)器？我國(guó)的剩余電流保護(hù)裝置（RCD）指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 6829-2008（IEC/TR 60755:2008,MOD）《剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的一般要求》從產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)、剩余電流類型、脫扣方式等方面作了劃分。
根據(jù)剩余電流類型可將RCD分為AC型、A型、B型。AC型剩余電流保護(hù)器：對(duì)突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流確保脫扣的RCD。A型剩余電流保護(hù)器：包含AC型的特性并對(duì)脈動(dòng)直流剩余電流、脈動(dòng)直流剩余電流疊加6mA平滑剩余電流確保脫扣的RCD。
B型剩余電流保護(hù)器：包含A型的保護(hù)特性，此外，還能對(duì)1000Hz及以下的正弦交流剩余電流、交流剩余電流疊加平滑直流剩余電流、脈動(dòng)直流剩余電流疊加平滑剩余電流、兩相或多相整流電路產(chǎn)生的脈動(dòng)直流剩余電流、平滑直流剩余電流確保脫扣的RCD。
圖2 交流充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)
目前，由于B型RCD價(jià)格過(guò)于昂貴，國(guó)內(nèi)大部分的交流充電樁內(nèi)部安裝的都是A型剩余電流保護(hù)器。下圖所示為交流充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，使用了A型剩余電流保護(hù)裝置。
那么A型的剩余電流保護(hù)器能滿足充電樁的漏電保護(hù)要求嗎？我們來(lái)分析一下充電過(guò)程中可能產(chǎn)生的剩余電流類型。
圖3電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施與電網(wǎng)及電動(dòng)車(chē)間連接示意圖
如圖3所示，在使用交流充電樁充電過(guò)程中，交流充電樁和車(chē)輛耦合器與公共電網(wǎng)相連，樁內(nèi)如果由于絕緣破壞，可能產(chǎn)生工頻交流漏電流。
在電動(dòng)汽車(chē)部分，可能產(chǎn)生的漏電流主要來(lái)自于車(chē)載充電機(jī)漏電，充電機(jī)一般拓?fù)渲饕獮锳C/DC和DC/DC兩部分。如下圖所示為一種常見(jiàn)車(chē)載充電機(jī)的主電路圖。
圖4 一種車(chē)載充電機(jī)主電路原理圖
AC/DC部分單相輸入交流電首先經(jīng)過(guò)EMI濾波，然后在Boost型APFC電路作用下將85~265V的交流電整流成穩(wěn)定輸出的直流400V電壓，并為后級(jí)提供直流輸入。
DC/DC部分采用移相全橋LLC主電路將直流電壓400V轉(zhuǎn)化成蓄電池可接受的電壓。當(dāng)電路板與設(shè)備外殼之間絕緣損壞時(shí)，在整流部分可能產(chǎn)生脈動(dòng)直流剩余電流，在Boost型APFC電路中可能會(huì)產(chǎn)生紋波系數(shù)很小的直流剩余電流。這里借用Bender的圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明直流剩余電流的產(chǎn)生及危害。
圖5 隔離式充電機(jī)直流漏電的產(chǎn)生
可以看到，在DC/DC部分推挽全橋變換器當(dāng)中可能發(fā)生直流漏電，我國(guó)低壓配電系統(tǒng)一般采用TN形式供電，設(shè)備金屬外殼與工作零線相接，直流漏電會(huì)通過(guò)車(chē)身和PE線反饋到充電線路上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電流波形造成影響。通過(guò)對(duì)等效電路的仿真，發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的電流波形會(huì)改變，如下圖所示。
圖6 充電機(jī)直流故障系統(tǒng)電流波形
可以看到在后端發(fā)生直流漏電之后，也會(huì)影響到前級(jí)電路，整流過(guò)后的脈動(dòng)直流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生尖刺，逐級(jí)對(duì)后端電路產(chǎn)生干擾，影響到充電效果，甚至影響蓄電池壽命...
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