漏电流检测基本原理以及在电动汽车充电桩中漏电流保护方法的选择

ID:374430 · 发表于 2018-7-18 22:14

一、漏电流的产生分类

一般漏电流分为四种,分别为:半导体元件漏电流、电源漏电流、电容漏电流和滤波器漏电流。

1、半导体原件漏电流

PN结在截止时流过的很微小的电流。D-S正向偏置,G-S反向偏置,导电沟道打开后,D到S才会有电流流过。但实际上由于自由电子的存在,自由电子的附着在SIO2和N+、导致D-S有漏电流。

2、电源漏电流

开关电源中为了减少干扰,按照国标,必须设有EMI滤波器电路。由于EMI电路的关系,使得在开关电源在接上市电后对地有一个微小的电流,这就是漏电流。如果不接地,计算机的外壳会对地带有110伏电压,用手摸会有麻的感觉,同时对计算机工作也会造成影响。

3、电容漏电流

电容介质不可能绝对不导电,当电容加上直流电压时,电容器会有漏电流产生。若漏电流太大,电容器就会发热损坏。除电解电容外,其他电容器的漏电流是极小的,故用绝缘电阻参数来表示其绝缘性能;而电解电容因漏电较大,故用漏电流表示其绝缘性能(与容量成正比)。

对电容器施加额定直流工作电压将观察到充电电流的变化开始很大,随着时间而下降,到某一终值时达到较稳定状态这一终值电流称为漏电流。i=kcu(μa);其中k值为漏电流常数,单位为μa(v·μf)

4、滤波器漏电流

电源滤波器漏电流定义为:在额定交流电压下滤波器外壳到交流进线任意端的电流。

如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的,则漏电流的值主要取决于共模电容CY的漏电流,即主要取决于CY的容量。

由于滤波器漏电流的大小,涉及到人身安全,国际上各国对它都有严格的标准规定,对于是220V/50Hz交流电网供电,一般要求噪声滤波器的漏电流小于1mA。

二、系统漏电检测原理

大多数技术人员对接地故障电流检测的GFCI传感器非常熟悉,其检测原理如下图:

一个三相系统,芯片式RCMU(漏电流监控单元)被放置在母线上,最重要的是三根母线都随机穿过RCMU的中间线孔。图示系统没有中线,是三相三线交流系统。如果是三相四线的系统,若中线上不走电流,中线也可不必穿过RCMU。假设一个连接到一个480 / 277vac系统10A负载,RCMU将同时测量它。根据基尔霍夫定律,传入和传出的电流会互相抵消。三根母线的电流矢量和应该为零。从图中可知,不考虑方向的情况下:10A - 5A - 4A = 1A,也就是此事该系统线路上的漏电流值为1A。RCMU基于芯片式的设计原理,与无源的互感器区别是:对于不同的漏电成分都能够检测,属于Type-B RCMU。说到这里,简单的回顾下漏电流类型。

1)AC 型漏电保护器:

AC 型漏电保护器是针对工频正弦漏电电流研发设计的,对突然施加及缓慢上升的正弦漏电电流都能可靠保护。

2)A 型漏电保护器:

A 型漏电保护器除对正弦漏电信号能够可靠保护外,还能对含有脉动直流分量的漏电信号进行可靠保护。

3)B 型漏电保护器:

B型漏电保护器对正弦交流信号、脉动直流信号和平滑信号都能可靠保护

三、电动汽车充电桩中的漏电流保护应用

1、电动汽车充电桩一共有4种模式:

1)模式一:

充电不受控制

电源接口:普通电源插座

充电接口:专用充电接口

In≤8A;Un:AC 230,400V

电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体

电气安全依赖供电电网的安全保护,安全性差,GB/T 18487.1-2标准中予以淘汰

2)模式二:

充电不受控制

电源接口:普通电源插座

充电接口:专用充电接口

In<16A;Un:AC 230

功率与电流:2Kw(1.8Kw)8A 1Ph;3.3Kw(2.8Kw)13A 1Ph

接地保护,过流(超温)

电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体

带保护装置/控制的功能

电气安全依靠供电电网的安全基本保护和IC-CPD的保护

3)模式三:

输入电源:低压交流电

充电接口:专用充电接口

In<63A;Un:AC 230,400V

功率与电流3.3Kw 16A 1Ph;7Kw 32A 1Ph;40Kw 63A 3Ph

接地保护过流

电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体

带保护装置/控制的功能,插头集成在充电桩上

电气安全基于专用充电桩及桩-车之间的引导检测

4)模式四:

控制充电

站桩式充电机

功率15KW,30KW,45KW,180KW,240KW,360KW(充电电压和电流依赖于模块大小)

带监测保护装置/控制的功能集成到桩上

内置的充电站充电电缆

如图3.1.7四种充电模式中的漏电流保护点:

2、针对充电桩中的结构区分为:

1)模块式的漏电保护设计方法

举例讨论模式二的充电桩,也称之为IC-CPD(线上充电引导盒)和模式三的漏电保护应用,实物如图3.2.1

根据目前IEC62752的漏电保护要求,其可设采用Type A模块+直流6mA的模块来或者直接Type B漏电流传感器进行保护。对于模式二IC-CPD的设计体积要求,目前基本上都采用Type B的RCMU进行设计。如图3.2.2 MAGTRON Type B的RCMU设计应用方案

对于模式三交流桩,针对功率小的单相桩,同样可以采用模块式Type B型的漏电流传感器进行保护,其效果等同于B型RCCB。如图3.2.3

2)RCD断路器保护设计方法

对于功率较大的充电桩,模块式的漏电流传感器满足不了原边母线上的大电流电通过,由于大功率桩内体积相比要求不高,可以直接选用B型的RCCB进行保护如图3.2.4。但是,目前普遍的B型RCCB成本相对较高,也可以暂时选用Type A/Type F+DC 6mA的模式如图3.2.5进行保护。

这里借鉴本人之前的文章重新回顾RCD的分类和选型

四、RCD的分类

1、根据级数和电流回路数分

单级两个电流回路、二级、三级、三级四个电流回路、四级RCD

2、RCD按防误动作性能有如下分类

正常耐误脱扣能力的RCD(一般型)

增强耐误脱扣能力的RCD(S型)

3、根据(出现剩余电流时)延时分

无延时的RCD

有延时的RCD

4、根据有直流分量的工作状况分

AC型RCD

A型RCD

5、单相220V电路,选用2P或1P+N型

6、三相三线制380V电源供电的电气设备，选用三级三线制（3P）RCD

3P型RCD只能用于无中性线的三相三线配电系统中

7、三相四线制380V电电源的电气设备,或单项设备和三相设备公用的电路,应选用三极四线制(3P+N),或四极四线制(4P)的RCD

总而言之,电动汽车充电桩中最终的保护方式都将严格执行Type B型的保护要求。

Magtron是All Programamble PGA Sensor、磁电传感SoC的全球领先企业,致力于实现新一代更智能的、高功率密度和差异化的磁电传感系统方案。在整个行业向工业物联网和传感智能化的大趋势推动下,Magtron的创新技术Quadcore,RCMU,iShunt等创新技术使得磁电传感,特别是电流传感器应用既高度集成易用,同时实现高功率密度化,也首次实现传感器高速软件化。

rcmu在直流电源设备剩余电量（漏电流）检测中的应用

引言：电力工程直流电源设备作为主要电气设备的保安电源及控制信号电源，是一个十分庞大的多分支供电网络。在一般情况下，一点接地并不影响直流系统的运行，但如果不能迅速找到接地故障点并予以修复，又发生另一点接地故障，就可能引起重大故障的发生。

传统检测直流系统绝缘的方法主要有：电桥平衡法和低频探测法两种。但是两者均存在若干难以克服的缺陷。

所以早在2004年中国电力科学研究院就正式发布的dl-t856-2004 《电力用直流电源监控装置规范》一文的附录a.3.g款明确规定：“检测馈线支路数应大于32路，采用传感器，应减少支路电容影响，安装方便”。

本文就将支路漏电流检测所使用的漏电流传感器的方案进行探讨，并提出：（1）智能自检功能对一个安全监测器件重要性。（2）集约化，模块化、小型化将是电力工程直流电源设备未来的发展方向。

一、传统的主要有电桥平衡法和低频探测法的回顾

1.电桥平衡法实现的绝缘监测装置被广泛使用，但它不能检测直流系统正、负极绝缘同等下降时的情况；绝缘监测装置即使报警，也不能直接得到系统对地的绝缘电阻大小。

2.低频探测法能检测的接地电阻受直流系统对地分布电容的制约，而且低频交流信号容易受外界的干扰，另外注入的低频交流信号会增大直流系统的电压纹波系数。

综上所述，传统的电桥平衡法和的低频探测法均存在若干难以克服的缺陷。

二、馈线支路漏电流检测方案

1. 馈线支路漏电流的产生

当出现正负绝缘都降低的时候，线路中将出现明显的不成比例关系的漏电流。如下图（1）所示。

图（1）

随着各个支路绝缘度的进一步降低，漏电流也将不成比例的变大。如果不能及时准确的检测出漏电流的大小，并在预设的安全阈值点上给出报警信号，那将对整个电力系统带来极大的安全隐患。

2. 馈线支路漏电流检测的总方案

根据dl-t856-2004 《电力用直流电源监控装置规范》一文的附录a.3.g款明确规定：“检测馈线支路数应大于32路，采用传感器，应减少支路电容影响，安装方便”

图（2）给出了支路绝缘检测方案的大致结构图

图（2）

单片机通过多路开关将不同支路漏电流传感器的输出电压采集进来，在绝缘主模块需要的时候将采集的数据发给主模块。

由此可见，漏电流传感器是决定性的器件。

三、漏电流传感器选择的探讨

1.目前馈线支路漏电流检测主要使用直流漏电流传感器的方案。如下图（3）所示：

图（3）

可以看到目前的直流漏电流传感器：导轨式安装，穿线式测量，体积较大。

详细查阅某主流应用型号的相关规格书和实际使用过程中，发现如下不足：

· 精度，线性度较差

· 功耗较大

· 温漂较高，且工作温度范围较窄，只能在-10～70度之间工作

· 响应时间较慢

· 只能测直流分量

· 模块体积较大，不利于模块化、数字化发展方向发展

· 无自检功能，维修、排除故障成本巨大

2. magtron rcmu

在智能化，集约化，模块化，小型化的行业升级大背景下，减小现在电力工程直流电源设备的体积，提高能量密度，实现降本，提效已经是一种趋势。

magtron为满足这样的技术发展要求和结构设计要求，推出了具有自检功能，高精度，低功耗，超小尺寸（26mm*23mm*12mm），pcb安装，免穿线的智能ac/dc漏电流传感器rcmu101sm系列产品。具体细节如下：

· 安全自检(self-check)功能，安规件级别

· 漏电流检测范围ac/dc 0ma~500ma

· 内置单芯片集成方案

· 超小体积，pcb安装

· type b的rcmu

· dc~700hz频率范围

· 全温区高线性度、高精度

· 单电源供电

· 输出应用电路简单

四、智能自检功能对一个安全监测器件重要性

作为一个安全监测器件，只有在保证安全监测器件本身是功能正常的情况下，才能对整个系统提供安全监测。所以自检功能必不可少！

magtron rcmu101sm系列产品自检功能简介：

图（4）

在每次上电过程中，将check脚置高电平3.3v

五、集约化，模块化和小型化的rcmu

magtron rcmu101sm系列漏电流传感器，除了采用单soc芯片方案实现了高度集成化，小型化（26mm*23mm*12mm），还对器件的外观和结构也做了别具匠心的设计,如图（5）所示：

图（5）rcmu101sm1 series soc 方案外观和结构图

该产品使用全球首发的单soc芯片设计，拥有独特的数字化编程，高线性度及智能化校正，独特的self-check自检测功能，更可检测低至6ma交直流漏电等特点，完全符合电力工程直流电源设备的检测要求。

六、总结

magtron基于ifluxgate技术的soc芯片方案所推出的rcmu101sm系列漏电流传感器，使得电力工程直流电源设备减小体积，提高能量密度，实现降本，提效模块化设计成为可能。

rcmu101sm系列漏电流传感器的推出，会大幅度降低电力工程直流电源设备系统资源整合的成本。顺应国家电网要求的，电力工程直流电源设备系统的智能化，集约化，模块化、小型化的发展方向。

magtron是all programamble pga sensor、磁电传感soc的全球领先企业，致力于实现新一代更智能的、高功率密度和定制化的磁电传感系统方案。在整个行业向工业物联网和传感智能化的大趋势推动下，magtron的创新技术quadcore，rcmu，ishunt等创新技术使得磁电传感，特别是电流传感器应用既高度集成易用，同时实现高功率密度化，也首次实现传感器高速软件化。

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