用于充電樁的B型剩余電流保護(hù)器的設(shè)計(jì)

安科瑞徐赟杰18706165067

00摘要

對含有充電樁的充電系統(tǒng)漏電原理、特征和保護(hù)安裝位置進(jìn)行了分析，并提出用于充電樁的B型剩余電流保護(hù)器的一種設(shè)計(jì)方案，通過雙磁芯及對應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剩余電流的檢測。分析了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對應(yīng)類型的剩余電流實(shí)現(xiàn)脫扣的機(jī)理，對直流剩余電流的檢測采用磁調(diào)制技術(shù)，對其余類型剩余電流提出不進(jìn)行波形識(shí)別、直接整流的電流檢測方案。根據(jù)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測的電流類型，提出上方磁芯選擇磁滯回線扁平、高磁導(dǎo)率的材料，下方磁芯選擇具有高剩磁的非晶或納米晶材料。通過Multisim仿真軟件對直流剩余電流進(jìn)行檢測，結(jié)果表明基于高剩磁材料的磁調(diào)制技術(shù)能夠反映直流剩余電流。

關(guān)鍵詞：充電樁；剩余電流；磁調(diào)制技術(shù)；磁芯材料；電動(dòng)汽車；充電樁；分散式充電樁；充電系統(tǒng)；剩余電流保護(hù)器

01引言

在全球氣候變化和能源問題日漸突出的背景下，電動(dòng)汽車由于能夠在節(jié)能減排方面做出突出貢獻(xiàn)而受到世界各國的大力支持。我國也正處于電動(dòng)汽車快速成長的關(guān)鍵時(shí)期，充電設(shè)施行業(yè)也在進(jìn)行快速擴(kuò)張。截止2020年末，全國預(yù)計(jì)新增集中式充/換電站1.2萬座，分散式充電樁480萬個(gè)。在現(xiàn)有充電模式下，電路均含有直流環(huán)節(jié)，當(dāng)漏電發(fā)生時(shí)，需要采用剩余電流保護(hù)器對充電樁進(jìn)行保護(hù)。傳統(tǒng)的AC/A型剩余電流保護(hù)器無法動(dòng)作，而B型剩余電流保護(hù)器不僅能夠?qū)ゎl交流和脈動(dòng)直流剩余電流提供保護(hù)，而且能夠?qū)?000Hz及以下的正弦交流、平滑直流和復(fù)合剩余電流提供保護(hù)，因此，用于充電樁的剩余電流保護(hù)器宜采用B型。目前B型剩余電流保護(hù)器相關(guān)技術(shù)長期被國外壟斷，根據(jù)發(fā)表的相關(guān)技術(shù)論文可知，其研制的220V用戶側(cè)剩余電流保護(hù)器售價(jià)與10kV斷路器相當(dāng)，極大增加了充電樁建設(shè)的成本，對充電樁的普及造成了較大的阻礙。因此，開展B型剩余電流保護(hù)器的自主研發(fā)具有重要意義。B型剩余電流保護(hù)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于復(fù)合電流的檢測和磁芯材料的選擇。

02充電系統(tǒng)漏電的相關(guān)分析

充電樁由電網(wǎng)供電的同時(shí)對電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，整體構(gòu)成一個(gè)充電系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的剩余電流特征可能會(huì)隨漏電地點(diǎn)的不同而改變。下文將對剩余電流的波形和B型剩余電流保護(hù)器的選用原因及安裝位置進(jìn)行具體分析。

1.剩余電流產(chǎn)生的機(jī)理

根據(jù)充電樁的不同，充電系統(tǒng)的構(gòu)成可分為兩種形式，如圖1所示，公共電網(wǎng)采用TT或者TN接線形式，它們的中性點(diǎn)均接地。充電樁分為交流充電樁與直流充電樁，它們的主要區(qū)別在于輸出電壓的形式以及充電機(jī)的位置。交流充電樁輸出交流電壓，充電功率較小，可以通過電動(dòng)汽車自帶的車載充電機(jī)進(jìn)行整流充電；直流充電樁直接輸出直流電壓，充電功率較大，因此充電機(jī)安裝于直流充電樁中。

充電樁產(chǎn)生剩余電流的情況一般有兩種：一種是汽車絕緣擊穿，充電系統(tǒng)通過汽車、人體以及大地形成回路，產(chǎn)生剩余電流；另一種是充電樁絕緣擊穿網(wǎng)通過充電樁、人體、大地以及中性線形成回路，公共電，產(chǎn)生剩余電流。人體對直流和工頻交流的耐受值為30mA，隨著交流頻率的增加，人體對電流的耐受值有所提升，但是值仍然較小，故需要安裝剩余電流保護(hù)器切斷回路以保證人員安全。

2. 剩余電流的特征與保護(hù)的安裝

交流充電樁充電時(shí)某相線路將充電樁絕緣擊穿的情況如圖2所示，此時(shí)通過人體的剩余電流沒有經(jīng)過有源濾波器，是含有大量的（6k±1）次諧波分量的復(fù)雜電流，而其余兩相電流經(jīng)過了有源濾波器濾波。無論剩余電流保護(hù)器放在充電系統(tǒng)的任何位置，通過其磁芯的電流相量之和不為零，可表示為：

由于通過磁芯的剩余磁通量不為零且不斷變化，磁芯上的二次側(cè)將感應(yīng)出電動(dòng)勢，使操作機(jī)構(gòu)執(zhí)行跳閘，但正常情況下由于穿過磁芯的磁通量恒為零，操作機(jī)構(gòu)不會(huì)動(dòng)作。

當(dāng)交流充電樁的絕緣被擊穿時(shí)，通過人體的剩余電流為含有基頻分量疊加高頻諧波分量的復(fù)合電流；當(dāng)直流充電樁的絕緣被擊穿時(shí)，通過人體的剩余電流為直流；當(dāng)汽車的絕緣被擊穿時(shí)，無論是直流充電樁還是交流充電樁，通過人體的剩余電流均為直流。對于上述剩余電流，傳統(tǒng)AC/A型剩余電流保護(hù)器都無法正確動(dòng)作，因此，必須選擇能檢測復(fù)合剩余電流與直流剩余電流的B型剩余電流保護(hù)器。

B型剩余電流保護(hù)器應(yīng)安裝在充電樁處，而不是在充電電纜或者車載充電機(jī)處，這樣在充電樁以及其后方的位置發(fā)生人員觸電時(shí)，剩余電流保護(hù)器均能夠及時(shí)動(dòng)作；反之如果B型剩余電流保護(hù)器安裝在充電樁后的位置，則該位置之前發(fā)生人員觸電的情況，保護(hù)將不會(huì)動(dòng)作。

03安科瑞ASJ系列剩余電流繼電器

安科瑞電氣ASJ系列剩余電流繼電器能夠滿足對漏電情況進(jìn)行防護(hù)，與遙控跳閘開關(guān)聯(lián)用，及時(shí)切斷電源，防止間接接觸、限制漏電電流。也可以直接作為信號(hào)繼電器，監(jiān)控電力設(shè)備。特別適用于學(xué)校、商廈、工廠車間、集貿(mào)市場、工礦企業(yè)、國家重點(diǎn)消防單位、智能大廈與小區(qū)，地鐵、石油化工、電信及國防等部門用電的安全保護(hù)。

（1）ASJ10ASJ20系列

其中AC型和A型剩余電流繼電器的區(qū)別是：AC型剩余電流繼電器是對突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流能確保脫扣的剩余電流繼電器，主要監(jiān)測正弦交流信號(hào)。A型剩余電流繼電器是對突然施加的或緩慢上升的剩余正弦交流電流和剩余脈動(dòng)直流電流能確保脫扣的剩余電流繼電器，主要監(jiān)測正弦交流信號(hào)和脈沖直流信號(hào)。

（2）ASJ自復(fù)式過欠壓保護(hù)器

ASJ10-GQ自復(fù)式過欠壓保護(hù)器，適用于單相交流電壓230V或三相電壓400V，頻率50Hz，額定工作電流至63A及以下的用戶或負(fù)載。由中性線故障引起的單相或三相線路過、欠電壓時(shí)，保護(hù)器對用電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。產(chǎn)品集線路過電壓、欠電壓保護(hù)功能和線路正常電壓自動(dòng)延時(shí)復(fù)位功能。產(chǎn)品主要應(yīng)用于住宅分戶箱進(jìn)線或單相或三相用電設(shè)備配電線路的保護(hù)，產(chǎn)品體積小、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，是民用建筑領(lǐng)域中的安全保護(hù)裝置。

（3）ASJ60-LD16A剩余電流監(jiān)測儀

ASJ60-LD16A剩余電流監(jiān)測儀適用于交流額定電壓為400V及以下的配電線路中使用，用于監(jiān)測線路中的剩余電流，可作為剩余電流式活在監(jiān)控裝置，也可與低壓斷路器和低壓交流接觸器組成組合式剩余電流保護(hù)裝置，用來對電氣線路進(jìn)行接地故障保護(hù)，防止接地故障電流引起的設(shè)備損壞和電氣火災(zāi)事故，或用來對人身觸電危險(xiǎn)提供間接接觸保護(hù)。

可應(yīng)用于石油化工、工業(yè)廠房、大型公建、幼兒園、敬老院等場所的配電箱內(nèi)，也可應(yīng)用于路燈、庭院燈、景觀燈的配電箱內(nèi)，進(jìn)行漏電或接地故障監(jiān)測。

可監(jiān)測最多16路剩余電流，每路剩余電流動(dòng)作值可設(shè)，動(dòng)作延時(shí)時(shí)間可設(shè)，監(jiān)測功能可關(guān)閉；自動(dòng)重合閘功能，重合閘時(shí)間可設(shè)，次數(shù)可設(shè)，功能可關(guān)閉；1路水浸報(bào)警繼電器，16路剩余電流報(bào)警繼電器，2路開關(guān)量輸入，1路RS485通訊接口，可存儲(chǔ)50條事件記錄。

04結(jié)語

在可預(yù)見的未來內(nèi),隨著新能源汽車走進(jìn)千家萬戶,充電樁將成為老百姓生活中必不可少的一部分,因而,充電樁內(nèi)剩余電流保護(hù)器的更新?lián)Q代十分必要,只有安全的用電環(huán)境才能讓大家放心地享受新能源汽車帶來的便利。

審核編輯 黃宇