淺談Y電容對充電樁電氣安全的影響

任高全，賀 春，陳 卓

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淺談Y電容對充電樁電氣安全的影響

任高全，賀 春，陳 卓

(許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000)

充電樁的安全問題受到越來越多的關注，Y電容是引起充電樁絕緣監(jiān)測(IMD)誤報警及充電樁漏電的一個原因。研究了Y電容容值大小與充電樁漏電及充電樁絕緣監(jiān)測(IMD)誤報警之間的關系，采用了電容器的脈沖放電原理分析及實驗驗證的方法，得到了漏電流與Y電容的關系曲線，得到了Y電容容值大小是影響充電樁電氣安全的因素。

Y電容；絕緣監(jiān)測；漏電流；阻抗特性

0 引言

發(fā)展電動汽車是落實國家能源戰(zhàn)略、大氣污染防治和節(jié)能減排政策的重大戰(zhàn)略舉措，是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路[1-2]。國家高度重視新能源汽車及充電設施產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將充電基礎設施納入城市新型基礎設施，出臺多項政府文件，推動充電設施建設。

在政策體系的支撐下，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從導入期邁入平穩(wěn)增長期。截止2017年底，我國電動汽車保有量已超過100萬輛，居世界第一位。充電基礎設施是電動汽車推廣應用的基礎和保障，我國已經(jīng)建成覆蓋城市公共領域、高速沿線、私人小區(qū)、單位內(nèi)部等區(qū)域的充電服務網(wǎng)絡，并通過智能服務平臺初步實現(xiàn)了全國充電基礎設施信息、支付互聯(lián)互通，基本滿足了當前電動汽車用戶的充電需求[3-4]。

隨著電動汽車的普及，充電樁的使用會越來越頻繁，充電樁在整個使用生命周期的電氣安全就顯得尤為重要，將對Y電容對絕緣監(jiān)測(IMD)裝置的影響及充電樁Y電容大小與漏電流的關系的影響研究。

1 Y電容對絕緣監(jiān)測(IMD)的影響

目前而言，車輛上的絕緣監(jiān)測裝置普遍采用變頻探測法和平衡電橋法。

1.1 Y電容對采用變頻探測法的絕緣監(jiān)測裝置(IMD)的影響

在充電樁直流輸出母線和地之間交替注入兩個同幅值不同低頻率的交流信號，其等效原理圖如圖1所示。

圖1 變頻探測法原理圖

正常的充電過程中，車上的IMD裝置通過耦合電容注入一個交流信號到充電樁的輸出端，然后通過采集該交流信號形成的電壓來判斷輸出正極或者輸出負極對地絕緣電阻R，經(jīng)過公式推導(推導過程略)可得

如果絕緣破壞，R變小，此時交流信號的電壓幅值就會下降。這樣就能判定出充電樁的絕緣狀況。

由于充電樁輸出與地之間存在Y電容Cy，根據(jù)電容電阻組合電路的模型特性，由公式(1)可知，反饋回IMD的信號會存在的滯后及幅值下降，這樣就會存在充電機絕緣正常的情況下IMD誤報絕緣阻抗低的風險[3-5]。

1.2 Y電容對采用平衡電橋法的絕緣監(jiān)測裝置(IMD)的影響

平衡電橋法的絕緣監(jiān)測裝置由測量部分和信號部分組成，原理圖如圖2所示。

圖2 平衡電橋法絕緣監(jiān)測裝置原理圖

圖2中R1與R2阻值相同(通常選用R1=R2= 1 000 Ω)，R+與R-是正、負極對地絕緣電阻，正常時，R+與R-阻值相同[6-8]。

在充電過程中，當正極或者負極絕緣下降時，信號繼電器發(fā)出信號，通過電壓表分別測量正極對地、負極對地的電壓來判斷那一極絕緣下降，但是因為Y電容的存在，會影響到電壓表的測量值，從而造成IMD不能正常工作，會出現(xiàn)絕緣降低的情形下，無法報出絕緣故障，給使用者帶來潛在的安全隱患。

通過對以上兩種絕緣監(jiān)測的方法分析，我們可以得知，不管是采用變頻探測法，還是電橋法，因為Y電容的影響，都存在弊端，建議采用差流檢測方法，直接采樣直流漏電流信號，無需注入交流信號，不受Y電容的影響。

2 Y電容對于充電樁漏電的影響

2.1 理論分析

在充電樁輸出正負極中的其中一級已經(jīng)有絕緣故障的情況下，例如正極有絕緣故障，由于Y電容造成IMD不能正常工作，無法及時發(fā)現(xiàn)絕緣故障，此時人若是觸碰到了負極，則正極至地至人至負極就形成了一個通電回路，人就處于觸電狀態(tài)了。

人受到傷害的程度取決于Y電容的容值大小。容值越大，其儲存的能量越高，對人體的傷害就越大，如圖3所示，電容上面的電荷會完全通過人體放掉。

圖3 電容對人體放電原理圖

根據(jù)電容的特性，電容被充滿電后，電容儲存的電場能為

人體接觸到電容的兩極，如圖3所示，那么人體就充當了電容的放電電阻，就有脈沖電流流經(jīng)人體，人體就會有觸電的危險，電容器的C越大，充電電壓UC越高，其儲存的電場能就越大，人體觸電的危險程度也會增大，電容器放電是以脈沖電流的形式流經(jīng)人體，其放電曲線如圖4所示。

表1 電容電壓隨時間的衰減值

圖5 短脈沖電流對人體的危害

圖5中，①?區(qū)域為無感覺效應區(qū)，②?區(qū)域為感覺效應區(qū)，③?區(qū)域為疼痛效應區(qū)，曲線B1以下的區(qū)域為不發(fā)生室顫的區(qū)域，曲線B1與B2之間的區(qū)域為5%概率室顫值區(qū)域，曲線B2與B3之①間的區(qū)域為50%概率發(fā)生室顫值區(qū)域，B3曲線以上的區(qū)域為50%以上概率室顫值危險區(qū)域[12-16]。

若＞20 ms，屬于長脈沖電流，其對人體的效應應與工頻電流(有效值)的觸電效應相似，即按交流電對人體的危害分析，見表2。

2.2 試驗驗證

表2 交流電對人體的危害等級

更換一只50 μF的Y電容，那么=RC=50 ms，故電流通過人體的持續(xù)時間為150 ms屬于長脈沖電流，那么放電峰值電流為250 mA，放電有效值為102.1 mA，此時人出現(xiàn)呼吸麻痹。

3 結論

(1)?結合Y電容，對充電樁目前常用的絕緣監(jiān)測裝置進行分析，指出了目前常用的絕緣監(jiān)測裝置存在的弊端，并提出了使用差流檢測方法的絕緣監(jiān)測裝置的建議。

(2)?關于Y電容對于充電樁漏電的影響進行理論分析，并用試驗加以驗證，總結了充電樁Y電容值與人體觸電危害的關系。

(3)?分析對充電樁設計者在選擇絕緣監(jiān)測裝置及Y電容值，提供了試驗數(shù)據(jù)，具有一定的工程使用價值。

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Introduction to Y capacitance effects on electrical safety charging pile

REN Gaoquan, HE Chun, CHEN Zhuo

(Xuchang KETOP Testing Research Institute Co., Ltd, Xuchang 461000, China)

The safety of charging piles have attracted more and more attention, the Y capacitance is one of the reasons for the false alarm of charging pile Insulation Monitoring (IMD) and the leakage of charging piles. The problem of false alarm of charging pile leakage and charging pile IMD caused by Y capacitance is studied. The pulse discharge principle of the capacitor and the method of experimental verification are used and the relation curve between leakage current and Y capacitance is obtained. The value of the "Y capacitor" is the factor that affects the safety of the charging pile.

Y capacitor; insulation monitoring; leakage current;impedance characteristics

2018-08-01

任高全(1987—)，男，本科，工程師，研究方向為新能源及電動汽車充電設施測試技術研究。E-mail: rengaoquan@ ketop.cn