電動汽車充電設(shè)施電擊防護(hù)措施

李光曦, 蔡雄飛

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司, 湖北 武漢 430014)

0 引 言

我國電動汽車保有量從2014年的8萬輛增長到2019年6月的281萬輛,增速明顯。同時電動汽車充電設(shè)施的建設(shè)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大,截至2019年9月,全國充電基礎(chǔ)設(shè)施累計數(shù)量為111.5萬臺。隨著電動汽車的逐漸推廣普及,人們使用的頻度增加,電動汽車電擊防護(hù)顯得尤為重要。建筑電氣設(shè)計主要涉及電動汽車靜態(tài)充電過程中的電擊防護(hù),而關(guān)于電動汽車運(yùn)動、浸水等狀態(tài)的電擊防護(hù)通常由電動汽車廠家進(jìn)行設(shè)置。

電動汽車屬于新型負(fù)載,其接地故障電流波形并不是傳統(tǒng)工頻交流電流波形。根據(jù)接觸點(diǎn)和故障原因不同,可能體現(xiàn)為帶直流分量的工頻交流電流、脈沖直流電流、直流電流等形式。而傳統(tǒng)電擊防護(hù)用AC型RCD的探測線圈在直流電流環(huán)境下將迅速進(jìn)入磁飽和區(qū),失去對剩余電流的判斷能力。

因此,電動汽車充電過程的電擊防護(hù)對于傳統(tǒng)電氣設(shè)計是一個新課題,一方面電動汽車市場不斷擴(kuò)大,使用者越來越多,另一方面相關(guān)電動汽車電擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品尚未成熟。本文提出了電動汽車充電設(shè)施的電擊防護(hù)措施,可為電氣設(shè)計人員提供參考。

1 電擊防護(hù)的基本參數(shù)

對IEC/TS 60479-1:2005標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)測試數(shù)據(jù)分析可知[1],當(dāng)電擊電流路徑不同時,人體可持續(xù)耐受(持續(xù)時間為10 s或以上)的最大電流幅值也不相同(最大耐受電流值稱為安全電流閾值)。根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]可知,不同電擊電流路徑對應(yīng)的工頻交流電流和直流電流的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

由表1可知,30 mA為交流條件下大多數(shù)電擊路徑時的安全電流閾值,128 mA為直流條件下大多數(shù)電擊路徑時的安全電流閾值。而對于少數(shù)電流路徑(如胸膛到手),安全電流閾值將分別降低至20 mA和85.3 mA。對于同一電流路徑,當(dāng)電擊電流大于安全電流閾值時,隨著電流幅值增加,人體耐受時間越短,時間-電流曲線具體見文獻(xiàn)[1]。

表1 不同電擊電流路徑對應(yīng)的工頻交流電流和直流電流的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)IEC/TS 60479-1:2005相關(guān)參數(shù)[1],電流路徑為左手到雙腳時交流供電條件下的電壓/電流關(guān)系如表2所示,電流路徑為左手到雙腳時干燥條件下直流供電的電壓/電流關(guān)系如表3所示。

根據(jù)以上分析及GB 16895.21—2011《低壓電氣裝置 第4-41部分:安全防護(hù) 電擊防護(hù)》[2]可知,各電流路徑對應(yīng)的交、直流安全電流閾值如表4所示。

因此,在一般條件下選擇RCD時,其額定剩余動作電流不應(yīng)小于交流30 mA或直流128 mA。IEC/TS 63053:2017中,電擊防護(hù)用直流型RCD的額定剩余動作電流為80 mA[3],該規(guī)定使得DC-RCD保護(hù)的電擊電流路徑更多。

表2 電流路徑為左手到雙腳時交流供電條件下的電壓/電流關(guān)系

表3 電流路徑為左手到雙腳時干燥條件下直流供電的電壓/電流關(guān)系

表4 各電流路徑對應(yīng)的交、直流安全電流閾值

綜上所述,電擊防護(hù)的出發(fā)點(diǎn)就是限制電擊電流的幅值和持續(xù)時間。而限制電擊電流幅值可以通過降低接觸電壓(如安全電壓供電、保護(hù)接地、局部等電位聯(lián)結(jié)等)、增大接觸電阻(如基本絕緣、加強(qiáng)絕緣、雙重絕緣、絕緣監(jiān)測、電氣物理隔離)等措施來實(shí)現(xiàn)。另一方面,限制電擊電流的持續(xù)時間可通過剩余電流保護(hù)或接地故障保護(hù)及時切斷故障電源等措施來實(shí)現(xiàn)。

2 電動汽車充電過程中的危險接觸電壓

電動汽車靜態(tài)充電過程中的電擊防護(hù),主要表現(xiàn)為接觸電壓防護(hù)。通常條件下人體對跨步電壓的耐受能力高于接觸電壓,且鞋底的絕緣能力高于手掌皮膚。因此,低壓配電系統(tǒng)接地故障時在地表形成的跨步電壓帶來的電擊風(fēng)險相對較低,本文僅對接觸電壓展開分析。

對交流充電樁和直流充電樁(非車載充電機(jī))充電過程主電路進(jìn)行建模,假設(shè)配電系統(tǒng)接地方式采用常規(guī)的TN-S,PE導(dǎo)體在充電樁總配電箱處重復(fù)接地,各電氣設(shè)備(如配電箱、充電樁、汽車)金屬外殼均采用PE導(dǎo)體與接地系統(tǒng)聯(lián)通。車載充電機(jī)充電功率為6.6 kW,非車載充電機(jī)充電功率為60 kW。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知,電動汽車電池包電壓為350 V,據(jù)相關(guān)廠家資料顯示,電動客車的電池電壓通常為450～650 V。由于電動客車通常由專業(yè)人員操作,普通乘用型轎車的數(shù)量占大多數(shù),且充電人員通常為非專業(yè)人士,因此本文僅以普通乘用型轎車為例進(jìn)行分析。

目前的主流充電方式通常包括多個充電階段,如涓流浮充-恒流充電(電壓逐漸增大)-恒壓充電-涓流浮充,因此直流充電樁輸出電壓實(shí)際為動態(tài)值。為方便分析,本文將直流充電樁輸出電壓選為DC 350 V,交流充電樁輸出電壓為AC 230 V。

交流充電樁充電主電路模型如圖1所示。

圖1 交流充電樁充電主電路模型

直流充電樁充電主電路模型如圖2所示。

圖2 直流充電樁充電主電路模型

對于單相交流配電系統(tǒng),當(dāng)發(fā)生絕緣損壞接觸帶電體時,直接接觸電壓約為AC 230 V,對于接地故障(設(shè)備接地良好),間接接觸電壓約為AC 100 V。接地導(dǎo)線斷裂或施工不到位時,充電樁(電動汽車)金屬外殼的間接接觸電壓可能高達(dá)AC 230 V。而接觸電壓達(dá)到AC 400 V的概率很小,因此不予考慮。對于直流供電部分,直接接觸電壓約為DC 350 V,接地故障時(設(shè)備接地良好)間接接觸電壓約為DC 170 V。

充電樁充電過程中,充電人員可能接觸到充電樁金屬外殼、充電線、充電插頭、汽車金屬外殼等帶電體(正常情況下不帶電),見圖1、圖2中a、b、c、d、e、f點(diǎn)。對以上各點(diǎn)可能出現(xiàn)的接觸電壓及產(chǎn)生接觸電壓原因進(jìn)行分析和整理。系統(tǒng)故障時各處接觸電壓值如表5所示。

表5 系統(tǒng)故障時各處接觸電壓值

由表5可見,在電動汽車充電過程中,汽車業(yè)主可能接觸的危險接觸電壓可以表現(xiàn)為AC 100 V、AC 230 V、DC 170 V、DC 350 V 4種形式。

3 電擊防護(hù)用RCD的選型

3.1 RCD脫扣時間

表5中,典型交流接觸電壓值通常為100 V和230 V。對照表2可知,實(shí)際使用中電擊電流更多會以80～300 mA區(qū)間的數(shù)值出現(xiàn)。僅當(dāng)接觸電壓約為50 V時,會出現(xiàn)大約30 mA的電擊電流。因此,在設(shè)計中更應(yīng)關(guān)心80～300 mA區(qū)間RCD的可靠動作時間。而某些產(chǎn)品突出其額定剩余電流30 mA時對應(yīng)的分?jǐn)鄷r間為0.1 s的意義并不大。

根據(jù)GB/T 6829—2017《 剩余電流動作保護(hù)電器(RCD)的一般要求》[5],無延時型RCD對于交流剩余電流的最大分?jǐn)鄷r間標(biāo)準(zhǔn)值如表6所示。

表6 無延時型RCD對于交流剩余電流的最大分?jǐn)鄷r間標(biāo)準(zhǔn)值

b在相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。

由表2、表6可知,對于一般用電環(huán)境,當(dāng)接觸電壓高達(dá)AC 230 V時,電擊電流約為280 mA(大于5倍RCD額定剩余電流),人體耐受時間為0.1 s(>0.04 s)。因此,對于交流系統(tǒng),采用無延時型RCD是滿足單相帶電體對地電擊電流保護(hù)要求的。但對于類似相間電壓如AC 400 V等較大的接觸電壓,RCD已不能滿足。此時需要考慮其他附加保護(hù)措施,如局部等電位聯(lián)結(jié)等措施。

結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知,對于負(fù)極DC 350 V接觸電壓,電擊電流約為560 mA,人體的耐受時間小于0.01 s。而其他幾種直流接觸電壓的耐受時間均大于0.1 s。

根據(jù)GB/T 6829—2017《 剩余電流動作保護(hù)電器(RCD)的一般要求》[5],無延時B型RCD對于整流線路產(chǎn)生的直流剩余電流和/或平滑直流剩余電流的最大分?jǐn)鄷r間標(biāo)準(zhǔn)值如表7所示。

表7 無延時B型RCD對于整流線路產(chǎn)生的直流剩余電流和/或平滑直流剩余電流的最大分?jǐn)鄷r間標(biāo)準(zhǔn)值

同時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62955:2018[6],RDC-DD剩余直流電流的最大分?jǐn)鄷r間值如表8所示。

表8 RDC-DD剩余直流電流的最大分?jǐn)鄷r間值

由表7、表8可知,對于充電直流電壓為350 V,僅正極直流電壓供電時可以考慮采用直流剩余電流保護(hù)器作為附加電擊防護(hù)措施。

3.2 RCD型號與檢測波形

電力電子器件的應(yīng)用給傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)帶來高次諧波和直流分量。剩余電流波形也不再是傳統(tǒng)的正弦波。傳統(tǒng)AC型RCD的檢測線圈在直流分量的作用下將進(jìn)入磁飽和區(qū),線圈的輸出電流減小,使得RCD判斷失誤或輸出動力不足而拒動,因此需要對傳統(tǒng)RCD進(jìn)行改良。對于A型RCD,需要采用對磁感應(yīng)線圈并聯(lián)電容、使用低磁滯的“扁平”感應(yīng)磁線圈等措施,人為增大磁通能量,使動作機(jī)構(gòu)脫扣。對于B型RCD,當(dāng)前的主流方案通常采用雙互感器式設(shè)計,其中1#互感器利用A/F剩余電流互感器負(fù)責(zé)采集交變剩余電流信號,2#互感器采用電壓型磁調(diào)制式剩余電流互感器或霍爾電流傳感器等采集直流剩余電流信號,并利用單片機(jī)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)分析,以適用更復(fù)雜的剩余電流波形。

由GB/T 6829—2017 《剩余電流動作保護(hù)電器(RCD)的一般要求》可知,RCD根據(jù)剩余電流檢測能力,分為AC、A、F、B 4種型號[5]。不同型號RCD的波形檢測能力如表9所示。

表9 不同型號RCD的波形檢測能力

根據(jù)市場不同充電機(jī)電路圖進(jìn)行分析,車載充電機(jī)通常采用雙脈沖橋式帶功率因數(shù)校正(PFC)整流電路,直流充電樁通常采用六脈沖橋式帶PFC整流電路。

因此,對于交流充電樁整流電路,對應(yīng)于A、F、B型RCD(由于表9數(shù)據(jù)并不全面,不排除某些充電機(jī)電路只能用B型RCD的情況);對于直流充電樁整流電路,在其交流側(cè)對應(yīng)于B型RCD。關(guān)于B型RCD,也可采用帶RDC-DD裝置的A(或F)型RCD進(jìn)行替代。

但在當(dāng)前條件下,用于直流剩余電流的RCD大多均只有標(biāo)準(zhǔn),如RDC-DD、DC-RCD裝置均只有IEC標(biāo)準(zhǔn),A型、B型RCD既有IEC標(biāo)準(zhǔn)也有國標(biāo)。但在產(chǎn)品選型方面,據(jù)相關(guān)資料顯示國內(nèi)關(guān)于B型RCD大多尚處于研發(fā)階段。在建筑電氣設(shè)計、安裝中目前僅有A型、AC型等傳統(tǒng)RCD可以選用。

4 其他電擊防護(hù)措施

目前,電動汽車相關(guān)電擊防護(hù)用RCD產(chǎn)品發(fā)展相對滯后,為保障充電過程中的用電安全,除基本絕緣、保護(hù)接地、接地故障保護(hù)等措施外,有必要尋求可替代的電擊防護(hù)方案,如局部等電位聯(lián)結(jié)、加強(qiáng)絕緣等措施。

相較于裝置保護(hù)類(RCD和絕緣監(jiān)測),局部等電位聯(lián)結(jié)、加強(qiáng)絕緣更加穩(wěn)定可靠,其保護(hù)能力只與材料壽命、工藝和施工水平、外部條件等有關(guān),而避免了電子故障、機(jī)械故障等突發(fā)性問題。

4.1 局部等電位聯(lián)結(jié)

局部等電位聯(lián)結(jié)是一種有效降低接觸電壓的方案。文獻(xiàn)[7]的計算數(shù)據(jù)顯示,對于衛(wèi)浴間而言,建筑物總等電位聯(lián)結(jié)僅能在一定范圍內(nèi)降低接觸電壓,但通常不足以降低至安全電壓以下;而局部等電位聯(lián)結(jié)可以將系統(tǒng)接地故障時衛(wèi)浴間內(nèi)金屬設(shè)施表面的接觸電壓有效降低至AC 12 V左右。因此,有必要對充電車位采取局部等電位措施。

室內(nèi)充電環(huán)境可利用結(jié)構(gòu)樓板自然鋼筋網(wǎng)做為電位均衡網(wǎng)格,在各充電樁安裝處預(yù)留連接點(diǎn),也可相鄰幾處充電樁共用一個連接點(diǎn),充電樁之間采用扁鋼連通。

室外車位局部等電位聯(lián)結(jié)具體做法可參考文獻(xiàn)[8],但認(rèn)為圖集中等電位均衡線的敷設(shè)深度(0.15～0.30 m)需要細(xì)化,否則遇到諸如浮土流失、均衡線裸露損壞、與接閃系統(tǒng)連通時網(wǎng)格邊緣跨步電壓過大等問題。

根據(jù)不同條件本文提出如下補(bǔ)充做法:混凝土車位建議將網(wǎng)格線敷設(shè)于土壤下 0.3 m后敷設(shè)水泥地坪;植草磚車位、純土壤(帶碎石)車位建議敷設(shè)深度不低于0.5 m。當(dāng)網(wǎng)格線與防雷接閃系統(tǒng)連通時,敷設(shè)深度建議為1 m或在均衡網(wǎng)格外邊緣線處上方敷設(shè)瀝青碎石地面(或絕緣層)等降低雷擊跨步電壓的措施。除敷設(shè)于混凝土中外,直接敷設(shè)于土壤中的網(wǎng)格線應(yīng)采用熱鍍鋅扁鋼(或圓鋼)材料,焊接處應(yīng)做好防腐蝕措施,在可能產(chǎn)生腐蝕鋼筋的土壤中應(yīng)根據(jù)條件增大材料截面積或采取其他符合規(guī)范要求的措施。

4.2 隔離措施和加強(qiáng)絕緣

隔離措施是一種減少接觸危險電壓概率的方案。如高速公路國家電網(wǎng)充電站中,直流充電樁主機(jī)集中設(shè)置在非工作人員不能進(jìn)入的柵欄內(nèi)。車主僅能接觸終端充電機(jī),有效地減少車主同時接觸多種系統(tǒng)電壓的概率。

加強(qiáng)絕緣是一種有效降低電擊電流的方案?？梢钥紤]對手持式充電槍、充電線采用加強(qiáng)絕緣的措施,對充電樁內(nèi)部設(shè)置絕緣監(jiān)測裝置。對于充電機(jī)外殼,可以采取絕緣材料或絕緣層包覆金屬板的措施。由于汽車工藝材料限制,電動汽車短時間內(nèi)沒有可用絕緣材料外殼的跡象,因此汽車金屬外殼依然以接地措施為主。

4.3 其他方面

廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院首次公布了電動汽車充電樁產(chǎn)品風(fēng)險監(jiān)測結(jié)果。結(jié)果顯示,超過70%的監(jiān)測樣本存在安全隱患,容易起火,導(dǎo)致使用者觸電。盡管充電樁標(biāo)準(zhǔn)已要求充電樁設(shè)置相關(guān)裝置,如交流充電樁內(nèi)設(shè)置有RCD、直流樁內(nèi)設(shè)置有絕緣監(jiān)測、PE導(dǎo)體斷裂檢測等裝置。但考慮單級保護(hù)設(shè)備的可靠性(如RCD需要定期按下測試按鈕檢測其可靠性)等問題。在現(xiàn)有條件下,建議充電樁上級配電箱均設(shè)置A型RCD作為非充電狀態(tài)和部分充電狀態(tài)條件下的輔助保護(hù)。

由于充電設(shè)施與以往配電設(shè)施不同,需要非專業(yè)操作人員手持式接觸,對于室外場所,充電設(shè)施可能是全天候被接觸。因此,設(shè)計中充電車位選址應(yīng)遠(yuǎn)離易積水場所,室外設(shè)置充電樁時建議設(shè)置充電雨棚,減少潮濕、浸水等可前期規(guī)避的原因形成的電擊風(fēng)險。另外,建議充電樁安裝前期采購信譽(yù)良好的廠家產(chǎn)品并規(guī)范施工,后期加強(qiáng)維護(hù)管理,及時更換老化損壞設(shè)備,同時加強(qiáng)宣傳以提高車主的用電安全意識[9]。

5 結(jié) 語

基于電動汽車使用越來越頻繁,而相關(guān)電擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用相對滯后等客觀條件,本文對電動汽車充電過程的電擊防護(hù)措施進(jìn)行了分析探討,總結(jié)如下:

(1) 對于固定安裝式充電樁設(shè)備金屬外殼除與系統(tǒng)PE導(dǎo)體連接外,均應(yīng)采取現(xiàn)場接地措施,盡量利用接地故障保護(hù)及時切除故障電源。

(2) 充電車位處應(yīng)設(shè)置局部等電位聯(lián)結(jié),室外電位均衡網(wǎng)格應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件采取合適的敷設(shè)深度。

(3) 提出了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中直流剩余電流動作保護(hù)器僅適用于電動汽車正極電壓充電的環(huán)境。在當(dāng)前直流類RCD產(chǎn)品滯后的條件下,建議充電樁上級配電箱均設(shè)置A型RCD作為輔助保護(hù)措施。

(4) 充電車位選址應(yīng)遠(yuǎn)離積水場所,避免室外充電設(shè)備、充電操作位置露天設(shè)置。

(5) 對于直流充電樁,建議采購主機(jī)、終端機(jī)分離的設(shè)備。對于終端機(jī),建議廠家推廣帶絕緣層外殼的產(chǎn)品,加強(qiáng)手持充電槍體和充電線的絕緣能力。

(6) 安裝時采購合格產(chǎn)品、規(guī)范施工,運(yùn)營時加強(qiáng)維護(hù)管理、傳播電氣安全知識。