漏電流檢測基本原理以及在電動汽車充電樁中漏電流保護方法的選擇

ID:374430 · 發表于 2018-7-18 22:14

一、漏電流的產生分類

一般漏電流分為四種,分別為:半導體元件漏電流、電源漏電流、電容漏電流和濾波器漏電流。

1、半導體原件漏電流

PN結在截止時流過的很微小的電流。D-S正向偏置,G-S反向偏置,導電溝道打開后,D到S才會有電流流過。但實際上由于自由電子的存在,自由電子的附著在SIO2和N+、導致D-S有漏電流。

2、電源漏電流

開關電源中為了減少干擾,按照國標,必須設有EMI濾波器電路。由于EMI電路的關系,使得在開關電源在接上市電后對地有一個微小的電流,這就是漏電流。如果不接地,計算機的外殼會對地帶有110伏電壓,用手摸會有麻的感覺,同時對計算機工作也會造成影響。

3、電容漏電流

電容介質不可能絕對不導電,當電容加上直流電壓時,電容器會有漏電流產生。若漏電流太大,電容器就會發熱損壞。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,隨著時間而下降,到某一終值時達到較穩定狀態這一終值電流稱為漏電流。i=kcu(μa);其中k值為漏電流常數,單位為μa(v·μf)

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,國際上各國對它都有嚴格的標準規定,對于是220V/50Hz交流電網供電,一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA。

二、系統漏電檢測原理

大多數技術人員對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:

一個三相系統,芯片式RCMU(漏電流監控單元)被放置在母線上,最重要的是三根母線都隨機穿過RCMU的中間線孔。圖示系統沒有中線,是三相三線交流系統。如果是三相四線的系統,若中線上不走電流,中線也可不必穿過RCMU。假設一個連接到一個480 / 277vac系統10A負載,RCMU將同時測量它。根據基爾霍夫定律,傳入和傳出的電流會互相抵消。三根母線的電流矢量和應該為零。從圖中可知,不考慮方向的情況下:10A - 5A - 4A = 1A,也就是此事該系統線路上的漏電流值為1A。RCMU基于芯片式的設計原理,與無源的互感器區別是:對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 型漏電保護器:

AC 型漏電保護器是針對工頻正弦漏電電流研發設計的,對突然施加及緩慢上升的正弦漏電電流都能可靠保護。

2)A 型漏電保護器:

A 型漏電保護器除對正弦漏電信號能夠可靠保護外,還能對含有脈動直流分量的漏電信號進行可靠保護。

3)B 型漏電保護器:

B型漏電保護器對正弦交流信號、脈動直流信號和平滑信號都能可靠保護

三、電動汽車充電樁中的漏電流保護應用

1、電動汽車充電樁一共有4種模式:

1)模式一:

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

電源側提供相線、中性線和接地保護的導體

電氣安全依賴供電電網的安全保護,安全性差,GB/T 18487.1-2標準中予以淘汰

2)模式二:

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,過流(超溫)

電源側提供相線、中性線和接地保護的導體

帶保護裝置/控制的功能

電氣安全依靠供電電網的安全基本保護和IC-CPD的保護

3)模式三:

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

接地保護過流

電源側提供相線、中性線和接地保護的導體

帶保護裝置/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-車之間的引導檢測

4)模式四:

控制充電

站樁式充電機

功率15KW,30KW,45KW,180KW,240KW,360KW(充電電壓和電流依賴于模塊大小)

帶監測保護裝置/控制的功能集成到樁上

內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點:

2、針對充電樁中的結構區分為:

1)模塊式的漏電保護設計方法

舉例討論模式二的充電樁,也稱之為IC-CPD(線上充電引導盒)和模式三的漏電保護應用,實物如圖3.2.1

根據目前IEC62752的漏電保護要求,其可設采用Type A模塊+直流6mA的模塊來或者直接Type B漏電流傳感器進行保護。對于模式二IC-CPD的設計體積要求,目前基本上都采用Type B的RCMU進行設計。如圖3.2.2 MAGTRON Type B的RCMU設計應用方案

對于模式三交流樁,針對功率小的單相樁,同樣可以采用模塊式Type B型的漏電流傳感器進行保護,其效果等同于B型RCCB。如圖3.2.3

2)RCD斷路器保護設計方法

對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,由于大功率樁內體積相比要求不高,可以直接選用B型的RCCB進行保護如圖3.2.4。但是,目前普遍的B型RCCB成本相對較高,也可以暫時選用Type A/Type F+DC 6mA的模式如圖3.2.5進行保護。

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、根據級數和電流回路數分

單級兩個電流回路、二級、三級、三級四個電流回路、四級RCD

2、RCD按防誤動作性能有如下分類

正常耐誤脫扣能力的RCD(一般型)

增強耐誤脫扣能力的RCD(S型)

3、根據(出現剩余電流時)延時分

無延時的RCD

有延時的RCD

4、根據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

6、三相三線制380V電源供電的電氣設備，選用三級三線制（3P）RCD

3P型RCD只能用于無中性線的三相三線配電系統中

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

總而言之,電動汽車充電樁中最終的保護方式都將嚴格執行Type B型的保護要求。

Magtron是All Programamble PGA Sensor、磁電傳感SoC的全球領先企業,致力于實現新一代更智能的、高功率密度和差異化的磁電傳感系統方案。在整個行業向工業物聯網和傳感智能化的大趨勢推動下,Magtron的創新技術Quadcore,RCMU,iShunt等創新技術使得磁電傳感,特別是電流傳感器應用既高度集成易用,同時實現高功率密度化,也首次實現傳感器高速軟件化。

rcmu在直流電源設備剩余電量（漏電流）檢測中的應用

引言：電力工程直流電源設備作為主要電氣設備的保安電源及控制信號電源，是一個十分龐大的多分支供電網絡。在一般情況下，一點接地并不影響直流系統的運行，但如果不能迅速找到接地故障點并予以修復，又發生另一點接地故障，就可能引起重大故障的發生。

傳統檢測直流系統絕緣的方法主要有：電橋平衡法和低頻探測法兩種。但是兩者均存在若干難以克服的缺陷。

所以早在2004年中國電力科學研究院就正式發布的dl-t856-2004 《電力用直流電源監控裝置規范》一文的附錄a.3.g款明確規定：“檢測饋線支路數應大于32路，采用傳感器，應減少支路電容影響，安裝方便”。

本文就將支路漏電流檢測所使用的漏電流傳感器的方案進行探討，并提出：（1）智能自檢功能對一個安全監測器件重要性。（2）集約化，模塊化、小型化將是電力工程直流電源設備未來的發展方向。

一、傳統的主要有電橋平衡法和低頻探測法的回顧

1.電橋平衡法實現的絕緣監測裝置被廣泛使用，但它不能檢測直流系統正、負極絕緣同等下降時的情況；絕緣監測裝置即使報警，也不能直接得到系統對地的絕緣電阻大小。

2.低頻探測法能檢測的接地電阻受直流系統對地分布電容的制約，而且低頻交流信號容易受外界的干擾，另外注入的低頻交流信號會增大直流系統的電壓紋波系數。

綜上所述，傳統的電橋平衡法和的低頻探測法均存在若干難以克服的缺陷。

二、饋線支路漏電流檢測方案

1. 饋線支路漏電流的產生

當出現正負絕緣都降低的時候，線路中將出現明顯的不成比例關系的漏電流。如下圖（1）所示。

圖（1）

隨著各個支路絕緣度的進一步降低，漏電流也將不成比例的變大。如果不能及時準確的檢測出漏電流的大小，并在預設的安全閾值點上給出報警信號，那將對整個電力系統帶來極大的安全隱患。

2. 饋線支路漏電流檢測的總方案

根據dl-t856-2004 《電力用直流電源監控裝置規范》一文的附錄a.3.g款明確規定：“檢測饋線支路數應大于32路，采用傳感器，應減少支路電容影響，安裝方便”

圖（2）給出了支路絕緣檢測方案的大致結構圖

圖（2）

單片機通過多路開關將不同支路漏電流傳感器的輸出電壓采集進來，在絕緣主模塊需要的時候將采集的數據發給主模塊。

由此可見，漏電流傳感器是決定性的器件。

三、漏電流傳感器選擇的探討

1.目前饋線支路漏電流檢測主要使用直流漏電流傳感器的方案。如下圖（3）所示：

圖（3）

可以看到目前的直流漏電流傳感器：導軌式安裝，穿線式測量，體積較大。

詳細查閱某主流應用型號的相關規格書和實際使用過程中，發現如下不足：

· 精度，線性度較差

· 功耗較大

· 溫漂較高，且工作溫度范圍較窄，只能在-10～70度之間工作

· 響應時間較慢

· 只能測直流分量

· 模塊體積較大，不利于模塊化、數字化發展方向發展

· 無自檢功能，維修、排除故障成本巨大

2. magtron rcmu

在智能化，集約化，模塊化，小型化的行業升級大背景下，減小現在電力工程直流電源設備的體積，提高能量密度，實現降本，提效已經是一種趨勢。

magtron為滿足這樣的技術發展要求和結構設計要求，推出了具有自檢功能，高精度，低功耗，超小尺寸（26mm*23mm*12mm），pcb安裝，免穿線的智能ac/dc漏電流傳感器rcmu101sm系列產品。具體細節如下：

· 安全自檢(self-check)功能，安規件級別

· 漏電流檢測范圍ac/dc 0ma~500ma

· 內置單芯片集成方案

· 超小體積，pcb安裝

· type b的rcmu

· dc~700hz頻率范圍

· 全溫區高線性度、高精度

· 單電源供電

· 輸出應用電路簡單

四、智能自檢功能對一個安全監測器件重要性

作為一個安全監測器件，只有在保證安全監測器件本身是功能正常的情況下，才能對整個系統提供安全監測。所以自檢功能必不可少！

magtron rcmu101sm系列產品自檢功能簡介：

圖（4）

在每次上電過程中，將check腳置高電平3.3v

五、集約化，模塊化和小型化的rcmu

magtron rcmu101sm系列漏電流傳感器，除了采用單soc芯片方案實現了高度集成化，小型化（26mm*23mm*12mm），還對器件的外觀和結構也做了別具匠心的設計,如圖（5）所示：

圖（5）rcmu101sm1 series soc 方案外觀和結構圖

該產品使用全球首發的單soc芯片設計，擁有獨特的數字化編程，高線性度及智能化校正，獨特的self-check自檢測功能，更可檢測低至6ma交直流漏電等特點，完全符合電力工程直流電源設備的檢測要求。

六、總結

magtron基于ifluxgate技術的soc芯片方案所推出的rcmu101sm系列漏電流傳感器，使得電力工程直流電源設備減小體積，提高能量密度，實現降本，提效模塊化設計成為可能。

rcmu101sm系列漏電流傳感器的推出，會大幅度降低電力工程直流電源設備系統資源整合的成本。順應國家電網要求的，電力工程直流電源設備系統的智能化，集約化，模塊化、小型化的發展方向。

magtron是all programamble pga sensor、磁電傳感soc的全球領先企業，致力于實現新一代更智能的、高功率密度和定制化的磁電傳感系統方案。在整個行業向工業物聯網和傳感智能化的大趨勢推動下，magtron的創新技術quadcore，rcmu，ishunt等創新技術使得磁電傳感，特別是電流傳感器應用既高度集成易用，同時實現高功率密度化，也首次實現傳感器高速軟件化。

全部資料51hei下載地址：

漏電流檢測裝置.docx (645.94 KB, 下載次數: 38)

漏電流檢測.docx (2.28 MB, 下載次數: 49)