電動(dòng)汽車充電樁絕緣自檢裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭 威，李正哲

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

電動(dòng)汽車充電樁絕緣自檢裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭 威，李正哲

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

針對(duì)舊國(guó)標(biāo)中現(xiàn)有充電樁沒有明確規(guī)定絕緣自檢功能而存在安全隱患的問題，對(duì)比平衡電橋法、不平衡電橋法、直流法3種絕緣檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，從檢測(cè)原理、功能、注意事項(xiàng)等方面對(duì)絕緣檢測(cè)裝置進(jìn)行分析，并通過實(shí)例驗(yàn)證該裝置增加了充電樁充電的安全可靠性。

電動(dòng)汽車；充電樁；絕緣自檢；直流

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，為了更好的可持續(xù)健康的發(fā)展國(guó)家經(jīng)濟(jì)，必須走出一條經(jīng)濟(jì)與環(huán)境兼顧的道路。在這個(gè)大環(huán)境下，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為未來汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)。所謂兵馬未動(dòng)糧草先行，電動(dòng)汽車充電樁成為一個(gè)制約電動(dòng)汽車發(fā)展和推廣的重要因素。大力發(fā)展鋪設(shè)充電樁勢(shì)在必行。隨著充電樁技術(shù)的大力發(fā)展，舊的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際運(yùn)用中存在各種漏洞，已經(jīng)無法滿足日益增長(zhǎng)的充電需求。直流充電樁充電功率大，充電速度快，且正在大力廣泛鋪設(shè)，因此在安全上要求更高?；诖谁h(huán)境下，新國(guó)標(biāo)對(duì)所有直流充電樁增加規(guī)范且必要的絕緣檢測(cè)，確保充電安全。

1 存在問題

因舊國(guó)標(biāo)中未對(duì)電動(dòng)汽車充電樁絕緣自檢過程作出明確規(guī)定，在電動(dòng)汽車充電時(shí)，充電樁不能進(jìn)行自身的絕緣檢測(cè)，存在極大的安全隱患，用戶本身安全得不到保障。因此，增加充電樁安全絕緣檢測(cè)已是充電過程中必不可少的一個(gè)重要階段。

2 絕緣檢測(cè)方法

在一般情況下，直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地并不影響直流系統(tǒng)的運(yùn)行，但是，如果不及時(shí)找出故障點(diǎn)并予以修復(fù)，當(dāng)發(fā)生另一點(diǎn)接地故障時(shí)，就可能引起重大事故。為了保障直流系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行必須對(duì)其絕緣情況進(jìn)行在線檢測(cè)，當(dāng)某一點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，應(yīng)立即發(fā)出警告信號(hào)并指示故障支路。檢測(cè)正負(fù)直流母線對(duì)地電壓，通過對(duì)地電壓計(jì)算出正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻。當(dāng)絕緣電阻低于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)啟動(dòng)支路巡檢功能。

母線對(duì)地絕緣電阻檢測(cè)主要有平衡電橋法和不平衡電橋法。支路對(duì)地絕緣電阻檢測(cè)主要有交流法和直流法，在此只作直流法的詳解。

2.1 平衡電橋法

平衡電橋法只能檢測(cè)不平衡接地。當(dāng)一端接于直流系統(tǒng)正負(fù)母線，另一端接地的2個(gè)電阻阻值相同時(shí)，平衡橋上的2個(gè)電阻用于維持直流系統(tǒng)正負(fù)母線對(duì)地電壓相等，其原理如圖 1所示。

圖1 平衡電橋檢測(cè)原理

當(dāng)Rx=Ry=∞時(shí)(無接地)，有V1=110 V、V2=-110 V；

當(dāng)Ry=∞時(shí)(單端接地)，由V1、V2通過解方程(1)，可得接地電阻Rx。

(1)

當(dāng)Rx=Ry≠∞時(shí)(平衡接地)，有V1=110 V、V2=-110 V，不能檢測(cè)；

當(dāng)Rx≠Ry≠∞時(shí)(雙端接地)，將Rx、Ry中較大的一個(gè)視為無窮大，按單端接地求解，Rx、Ry的實(shí)際值越接近，測(cè)量誤差越大。

2.2 不平衡電橋法

不平衡電橋檢測(cè)是由主機(jī)內(nèi)部2個(gè)阻值相等的對(duì)地電阻通過電子斷路器K1、K2按照一定的開合順序接地，其原理圖如圖2所示。

圖2 不平衡橋檢測(cè)原理

該方法測(cè)量過程如下：

K1閉合，K2斷開，測(cè)得V1、V2，得方程(2)：

(2)

K1斷開，K2閉合，測(cè)得V1、V2，得方程(3)：

(3)

解聯(lián)立方程(2)、(3)，可求得正母線接地電阻Rx、Ry。

2.3 直流法

漏電流法通過漏電流傳感器進(jìn)行檢測(cè)，所測(cè)出的漏電流是支路的流入和流出電流的差值，其基本原理為直流法，直流法檢測(cè)原理見圖3。

圖3 直流法檢測(cè)原理

如3所示，采用直流漏電流傳感器，不需注入交流信號(hào)。測(cè)量時(shí)分別投入R1、R2(不平衡電橋法)，當(dāng)支路接地時(shí)可測(cè)得支路正負(fù)出線的電流差，根據(jù)歐姆定律求得支路接地電阻。

對(duì)于支路單端接地，如圖4中的正極接地，此時(shí)支路上直流漏電傳感器測(cè)得電流即為流過該支路正接地電阻的電流，結(jié)合測(cè)得的母線正對(duì)地電壓，即可求得該支路接地電阻。

圖4 支路單端接地

3 絕緣檢測(cè)方法對(duì)比

3.1 平衡電橋法

優(yōu)點(diǎn)：平衡電橋法測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地的靜態(tài)直流電壓，因此母線對(duì)地電容的大小不影響測(cè)量精度；由于不受接地電容的影響，因此檢測(cè)速度快。

缺點(diǎn)：雙端接地時(shí)，測(cè)量誤差較大；不檢測(cè)平衡接地。

3.2 不平衡橋法

優(yōu)點(diǎn)：能檢測(cè)單端接地、雙端接地、平衡接地。

缺點(diǎn)：測(cè)量中需要正負(fù)母線分別對(duì)地投電阻，正負(fù)母線對(duì)地電壓是變化的。每次投入電阻后需要延時(shí)，等待母線對(duì)地電壓穩(wěn)定，檢測(cè)速度比平衡電橋法慢；受母線對(duì)地電容影響。

3.3 直流法

優(yōu)點(diǎn)：無需向母線注入交流信號(hào)；不受接地電容的影響；能識(shí)別接地母線的極性；能測(cè)量雙端接地。

缺點(diǎn)：直流漏電流傳感器成本較高。

4 絕緣檢測(cè)裝置分析

通過對(duì)上述幾種絕緣檢測(cè)方法以及優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比分析，現(xiàn)采用母線絕緣檢測(cè)方法--不平衡電橋法對(duì)絕緣檢測(cè)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)并應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電樁。

4.1 絕緣檢測(cè)裝置原理

絕緣檢測(cè)裝置的絕緣狀況用直流正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻來衡量，其值必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量原理如圖5所示，其中Vb為蓄電池電壓，Rp和Rn分別代表了正、負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻，虛線框圖外部為絕緣檢測(cè)裝置絕緣電阻的檢測(cè)電路模型，其中R0為標(biāo)準(zhǔn)偏置電阻，R0、S1和S2構(gòu)成一個(gè)偏置電阻網(wǎng)絡(luò)。R1和R2，R3和R4構(gòu)成了測(cè)量分壓電路，Vp為正極對(duì)地電壓，Vn為負(fù)極對(duì)地電壓。

在測(cè)量時(shí)，首先斷開S1和S2，獲得正、負(fù)母線對(duì)地的電壓值Vp和Vn，然后根據(jù)Vp和Vn的大小來確定R0是和Rp并聯(lián)還是和Rn并聯(lián)。

如果所測(cè)的Vp值大于或等于Vn值，則閉合斷路器S1，斷開斷路器S2，測(cè)得一組正、負(fù)母線對(duì)地電壓值V'p和V'n；由電路原理可得直流高壓系統(tǒng)的絕緣電阻值Ri的計(jì)算公式，如下所示：

圖5 絕緣檢測(cè)裝置原理

(4)

(5)

聯(lián)立公式(4)和(5)解得

(6)

由于Vp≥Vn，則Rp≥Rn，故Ri取阻值較小的Rn即可。同理，當(dāng)所測(cè)的Vp值小于Vn值時(shí)，可得相應(yīng)絕緣電阻值。

4.2 絕緣檢測(cè)裝置功能

硬件檢測(cè)交流竄電(交流串入直流回路)，交流竄入直流回路對(duì)繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置以及直流系統(tǒng)接入設(shè)備具有很大的破壞作用。交流電壓采樣端有反向二極管，當(dāng)檢測(cè)到下半波時(shí)表示有交流竄電。

試驗(yàn)中檢測(cè)交流竄入波形如下所示：母線正搭接交流的L或者N線之后，母線正對(duì)地波形如圖6所示。

圖6 母線正對(duì)地波形

母線正搭接交流的L或者N線之后，母線負(fù)對(duì)地的波形如圖7所示。

圖7 母線負(fù)對(duì)地波形

交流竄入時(shí)，母線之間的電壓(母線正對(duì)負(fù)的電壓)不會(huì)變化，但是母線正對(duì)地和負(fù)對(duì)地電壓都變成了交流信號(hào)，正對(duì)地和負(fù)對(duì)地之間的差還是母線電壓。目前只能檢測(cè)到有交流，無法采樣具體交流值。因此，當(dāng)檢測(cè)到交流竄電時(shí)，充電樁應(yīng)能立即停止充電，以此為基礎(chǔ)增加的絕緣檢測(cè)功能即當(dāng)直流信號(hào)變?yōu)榻涣餍盘?hào)時(shí)，二極管連通，此時(shí)即為發(fā)生交流竄入，充電樁立即停止充電。

4.3 絕緣檢測(cè)注意事項(xiàng)

a. 1條母線上只能有1對(duì)平衡電阻如果平衡電阻個(gè)數(shù)多余1對(duì)，絕緣接地電阻計(jì)算會(huì)不準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生誤告警。

b. 1條母線上只能有1個(gè)絕緣監(jiān)控開啟投切功能。

c. 在模擬交流竄入的實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定不要把交流的L和N線同時(shí)接到直流系統(tǒng)的正負(fù)母線上，這樣非常危險(xiǎn)。只能將L或者N線的其中1個(gè)搭接到直流系統(tǒng)上。

5 應(yīng)用情況及效果

5.1 應(yīng)用情況

絕緣檢測(cè)裝置可以將接地故障定位在少數(shù)供電回路，提高接地故障處理速度，減輕勞動(dòng)，縮短接地周期，使直流充電樁運(yùn)行更加安全。按照新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，各廠家積極配合，已對(duì)各高速服務(wù)區(qū)雙側(cè)充電站、城市充電站以及將要建設(shè)的充電站進(jìn)行絕緣檢測(cè)裝置的安裝，避免因絕緣故障問題而導(dǎo)致安全隱患。

5.2 應(yīng)用效果

改造前檢測(cè)人員通過示波器對(duì)某站某樁的充電過程進(jìn)行檢測(cè)，截取充電樁充電時(shí)序如圖8所示。

圖8 改造前充電時(shí)序

此樁中主回路電壓圖中2通道所示，輸入源電壓(汽車電池電壓，具體數(shù)值因不同車型有所不同，本次試驗(yàn)采用400 V)后啟動(dòng)充電樁，充電樁檢測(cè)到源電壓后直接加載電流啟動(dòng)充電。在未進(jìn)行絕緣自檢的情況下直接啟動(dòng)充電，對(duì)安全性有很大影響。如果出現(xiàn)絕緣故障發(fā)生漏電，對(duì)用戶安全會(huì)造成極大威脅。

基于絕緣檢測(cè)裝置原理對(duì)舊充電樁進(jìn)行絕緣自檢改造增加主控模塊，截取充電樁充電時(shí)序如圖9所示。

圖9 改造后充電時(shí)序

由圖9可以清晰的看到，主回路電壓圖中2通道所示，在充電樁啟動(dòng)充電前，首先通過絕緣檢測(cè)裝置增加了1個(gè)自檢電壓(約500 V)，之后電壓完全泄放，自檢過程結(jié)束。待自檢通過之后閉合主回路K1、K2開關(guān)，充電樁檢測(cè)到源電壓并與電動(dòng)汽車握手成功，最后正常啟動(dòng)充電。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于絕緣檢測(cè)原理，對(duì)充電樁增加絕緣檢測(cè)裝置主控模塊，在其啟動(dòng)充電前進(jìn)行絕緣自檢，排除絕緣故障。在絕緣性良好的情況下，充電樁進(jìn)入與電動(dòng)汽車握手階段，并啟動(dòng)充電。此功能增加了充電樁充電的安全性，避免由于絕緣故障引發(fā)的安全事故，防患于未然。

本文責(zé)任編輯：王麗斌

Design and Application of Isolation Self-checking Device of Charging Piles

Guo Wei，Li Zhengzhe

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021,China)

For the problem of potential safety hazard caused by the lack of specific regulations of old Chinese Standard charging piles' isolation self-checking function,we compare the merits and drawbacks of the method of bridge balancing,the method of bridge imbalance and the method of direct current isolation cheking. We analyse the isolation cheking device in checking principle,function and matters needing attention.In addition, we validate the charging safety and reliability of device by examples.

electric car; charging pile; insulation detection;DC

U469.72;TM910.6

:B

:1001-9898(2017)04-0016-04

2017-02-07

郭 威(1985-)，男，工程師，主要從事電力營(yíng)銷管理工作。