直流絕緣系統(tǒng)中的漏電絕緣檢測(cè)法的探討

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1??背景

新一輪巴以沖突已持續(xù)超過(guò)一周，推動(dòng)國(guó)際原油價(jià)格進(jìn)入上升通道。紐約油價(jià)13日顯著上漲，11月交貨的紐約輕質(zhì)原油期貨價(jià)格上漲4.78美元，收于每桶87.69美元。未來(lái)油價(jià)走向成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。我們無(wú)法預(yù)見(jiàn)未來(lái)如何，我們能做的只有防患于未來(lái)。

由于石油價(jià)格浮動(dòng)，新能源的重要性逐漸被人們所關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全國(guó)新注冊(cè)登記新能源汽車(chē)535萬(wàn)輛，占新注冊(cè)登記汽車(chē)總量的23.05%，與上年相比增加240萬(wàn)輛，增長(zhǎng)81.48%，呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。隨著世界原油價(jià)格波動(dòng)以及大眾節(jié)能環(huán)保觀念的流行，新能源充電汽車(chē)也越來(lái)越被人們所接受，隨之而來(lái)的充電樁也正在加緊配置。

2??絕緣失效的危害

在新能源汽車(chē)大步邁進(jìn)的途中，與之相匹配的直流充電樁問(wèn)題也隨之逐漸的浮出水面。目前直流充電樁存在車(chē)鎖槍難以拔出、配件故障、無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)問(wèn)題、絕緣故障等問(wèn)題。與此同時(shí)，我們所常見(jiàn)的電氣系統(tǒng)中最常見(jiàn)電流風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要包括絕緣保護(hù)、直流漏電、直流拉弧、過(guò)流保護(hù)。電氣系統(tǒng)中常見(jiàn)電流風(fēng)險(xiǎn)如圖1所屬。

圖1??電氣系統(tǒng)中常見(jiàn)電流風(fēng)險(xiǎn)

其中新能源汽車(chē)電氣系統(tǒng)以及充電樁的絕緣性能直接影響其使用的安全性。電動(dòng)汽車(chē)，與傳統(tǒng)車(chē)相比，電子電氣系統(tǒng)的比例大大增加。并且，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)是以往不曾在汽車(chē)上使用過(guò)的高壓系統(tǒng)，動(dòng)輒幾百伏的電壓平臺(tái)。因此電氣絕緣是電動(dòng)汽車(chē)高壓安全的重要項(xiàng)目。電氣系統(tǒng)如果出現(xiàn)絕緣失效，視程度不同，會(huì)造成累進(jìn)的后果。系統(tǒng)中只有一個(gè)點(diǎn)絕緣出現(xiàn)故障，暫時(shí)對(duì)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生明顯影響；出現(xiàn)多點(diǎn)絕緣失效，則漏電流會(huì)在兩點(diǎn)之間流轉(zhuǎn)，在附近材料上積累熱量，遇到適當(dāng)情形，可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)。同時(shí)，影響電器的正常工作；最嚴(yán)重的情形，可能發(fā)生人員觸電。當(dāng)然，汽車(chē)的電氣都在底盤(pán)等乘車(chē)人員一般無(wú)法觸及的地方，最可能遇到觸電危險(xiǎn)的，可能是生產(chǎn)和維修人員。

電氣系統(tǒng)絕緣失效的常見(jiàn)原因，除了設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題以外，一般包括熱老化，光老化，低溫環(huán)境下的材料脆裂，固定不當(dāng)引起的摩擦損傷等等。

3 新能源汽車(chē)電氣系統(tǒng)以及充電過(guò)程中的直流漏電檢測(cè)

純電動(dòng)汽車(chē)是有動(dòng)力蓄電池作為系統(tǒng)的動(dòng)力源，其電氣系統(tǒng)是它的重要組成部分，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)不同的用途，可以將它的電氣系統(tǒng)分為低電壓系統(tǒng)和高電壓系統(tǒng)。前者采用直流24V電源，主要為車(chē)輛的中央控制器、電池管理系統(tǒng)、燈光和雨刷等提供電能，后者主要為車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等大功率部件提供電能，其標(biāo)稱(chēng)電壓一般為直流384V，高電壓系統(tǒng)由動(dòng)力蓄電池（鋰離子或鉛酸）作為動(dòng)力源，主要滿(mǎn)足車(chē)輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和車(chē)載空調(diào)系統(tǒng)的功率要求。

圖2 ?電動(dòng)汽車(chē)電氣系統(tǒng)

這些電氣設(shè)備都安裝在車(chē)輛底盤(pán)上，每個(gè)電氣設(shè)備都有獨(dú)立的電流回路，與底盤(pán)之間沒(méi)有直接的電氣連接，整個(gè)高壓系統(tǒng)是與底盤(pán)絕緣、封閉的電氣系統(tǒng)。

其中高壓接通時(shí)，高壓系統(tǒng)會(huì)隨時(shí)通過(guò)DC/DC變相器向輔助蓄電池充電。在正常情況下，高壓系統(tǒng)是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，對(duì)車(chē)體是完全絕緣的。但是無(wú)法排除由于高壓線(xiàn)纜老化等問(wèn)題帶來(lái)的絕緣降低，從而導(dǎo)致車(chē)體漏電。并且電動(dòng)汽車(chē)工作環(huán)境復(fù)雜，振動(dòng)、溫度、濕度變化急劇，酸堿氣體的腐蝕，都會(huì)引起絕緣被破壞，使整車(chē)絕緣性能下降。電池的正、負(fù)極引線(xiàn)通過(guò)絕緣層與電池底盤(pán)構(gòu)成漏電流回路，使電池底盤(pán)電位拉升，這樣不僅會(huì)影響低壓電器和車(chē)輛上的ECUs的正常工作，還可能危及駕駛員和乘客的人身安全。因此，我們可以在電池正、負(fù)極之間放置漏電流檢測(cè)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣檢測(cè)。由于現(xiàn)在電池包的電壓通常在400～500V，有的甚至是800V高壓，如果發(fā)生絕緣問(wèn)題，可能會(huì)給電動(dòng)車(chē)的駕駛員和乘客造成人身危險(xiǎn)，應(yīng)該予以重視。

與此同時(shí)在直流充電過(guò)程中，直流充電設(shè)備需先連接非車(chē)載充電機(jī)，先將交流電輸送至非車(chē)載充電機(jī)，非車(chē)載充電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行AC/DC整流，再將整流后的直流電輸送至電動(dòng)汽車(chē)蓄電池。進(jìn)而完成整個(gè)充電過(guò)程。

圖3 ?直流充電過(guò)程

直流充電樁絕緣檢測(cè)是通過(guò)測(cè)量充電樁外部各電路的電阻、電流等參數(shù)來(lái)判斷充電樁絕緣是否完好。充電樁外部電路正常時(shí)，電路導(dǎo)線(xiàn)與充電樁外殼間會(huì)有一層厚度適當(dāng)?shù)慕^緣材料，防止電路漏電或短路故障。當(dāng)絕緣材料損壞或不足時(shí)，電路導(dǎo)線(xiàn)與充電樁外殼間的絕緣就會(huì)失效，造成電路漏電或短路等危險(xiǎn)情況。通過(guò)在直流充電樁以及非車(chē)載充電機(jī)增加直流漏電檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)絕緣檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題，防止事故的發(fā)生。

在交流充電過(guò)程中，交流樁直接連接車(chē)載充電機(jī)實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程。雖說(shuō)是交流充電，但并不表示在過(guò)程當(dāng)中不存在直流漏電危害。如圖4所示，在電動(dòng)車(chē)電氣系統(tǒng)中為直流電。各絕緣組件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間老化以及多次拔插導(dǎo)致電氣系統(tǒng)對(duì)地絕緣阻抗降低，汽車(chē)外殼與外部供電側(cè)共地進(jìn)而形成回路。從而會(huì)導(dǎo)致直流電流分量通過(guò)回路，經(jīng)過(guò)PE線(xiàn)回流至充電側(cè)。進(jìn)而導(dǎo)致充電側(cè)易發(fā)生觸電風(fēng)險(xiǎn)。因此可在車(chē)載充電機(jī)部分增加直流漏電檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣檢測(cè)。

圖4??車(chē)載充電機(jī)工作過(guò)程

4??絕緣檢測(cè)方法

現(xiàn)有的對(duì)充電樁的絕緣檢測(cè)，目前主要檢測(cè)方法為：

（1）電橋法，分別與充電樁輸出直流電源的正極、負(fù)極、以及地線(xiàn)連接，用于采用不平衡電橋的方式，在正極與地線(xiàn)之間和負(fù)極與地線(xiàn)之間設(shè)置電阻值不同的檢測(cè)電阻。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻使電橋平衡，從而計(jì)算出絕緣電阻的值。電橋法示意圖如圖5所示。整車(chē)絕緣電阻檢測(cè)原理框圖如圖6所示。

圖5 ?電橋法示意圖

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圖6 ?整車(chē)絕緣電阻檢測(cè)原理框圖

（2）電容-電壓法，該方法通過(guò)測(cè)量電容兩端的電壓來(lái)計(jì)算絕緣電阻。電容-電壓法原理基于電容器的電容值與電壓成正比的關(guān)系。電容器是由兩個(gè)金屬板和介質(zhì)組成，當(dāng)兩個(gè)金屬板上施加電壓時(shí)，電容器內(nèi)部會(huì)存儲(chǔ)電荷，從而形成電容。當(dāng)被測(cè)電壓施加到電容器的一側(cè)，電容器的電容值會(huì)隨著電壓的變化而變化。通過(guò)測(cè)量電容器的電容值，就可以得到被測(cè)電壓的大小。電容-電壓法示意圖如圖7所示。

圖7 ?電容-電壓法示意圖

（3）低頻注入法

低頻注入法是一種用于電氣設(shè)備絕緣檢測(cè)的方法。低頻信號(hào)注入法是目前應(yīng)用最廣泛的絕緣監(jiān)測(cè)方法之一。它的工作原理是在被測(cè)試的設(shè)備上注入一個(gè)正負(fù)對(duì)稱(chēng)的方波信號(hào)，通過(guò)對(duì)采樣電阻上分壓的采集，計(jì)算得出絕緣電阻的大小。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)包含直流以及交流成分。其中交流成分與整個(gè)系統(tǒng)的分布電容、雜散電感等因素有關(guān)，同時(shí)不同零部件構(gòu)成的系統(tǒng)等效的阻抗特性也會(huì)不同，隨著測(cè)試工況、測(cè)試環(huán)境變化同樣會(huì)產(chǎn)生變化。因此，系統(tǒng)本身的阻抗特性是會(huì)隨著系統(tǒng)的運(yùn)行而時(shí)刻發(fā)生改變，所測(cè)出的絕緣阻抗值成動(dòng)態(tài)特性。

（4）電流檢測(cè)法

當(dāng)有一極發(fā)生絕緣下降的時(shí)候，通過(guò)正負(fù)極的電流便不會(huì)再相等，通過(guò)傳感器感應(yīng)出這個(gè)電流差的信號(hào)，從而與兩個(gè)30K電阻、兩個(gè)開(kāi)關(guān)控制的校正電阻計(jì)算的漏電流相比較，超出告警閾值時(shí)給出支路的告警。電流檢測(cè)法示意圖如圖7所示。

①電阻式電流檢測(cè)法是最常用的一種電流檢測(cè)方法，它是通過(guò)在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)測(cè)量電流大小。電阻的阻值越大，電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的電壓就越大，測(cè)量的精度也就越高。電阻式電流檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但是它會(huì)影響電路的工作，因此需要選擇合適的電阻阻值。

②磁性電流檢測(cè)法是通過(guò)電路中的磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)電流大小和方向。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向就可以計(jì)算出電流大小和方向

5??通過(guò)檢測(cè)直流漏電實(shí)現(xiàn)絕緣檢測(cè)

針對(duì)第四種電流檢測(cè)法，則較多是采用檢測(cè)直流漏電流方案來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣檢測(cè)，漏電流傳感器是一種專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)直流系統(tǒng)中漏電流的傳感器。例如一個(gè)三相系統(tǒng)，RCMU（漏電流監(jiān)控單元）被放置在母線(xiàn)上，最重要的是三根母線(xiàn)都穿過(guò)RCMU的中間線(xiàn)孔。如果系統(tǒng)沒(méi)有中線(xiàn)，是三相三線(xiàn)交流系統(tǒng)。如果是三相四線(xiàn)的系統(tǒng)，若中線(xiàn)上不走電流，中線(xiàn)也可不必穿過(guò)RCMU。假設(shè)一個(gè)連接到一個(gè)380/220VAC系統(tǒng)10A負(fù)載，RCMU將同時(shí)測(cè)量它。根據(jù)基爾霍夫定律，傳入和傳出的電流會(huì)互相抵消。三根母線(xiàn)的電流矢量和應(yīng)該為零。如果此時(shí)存在剩余電流，它通過(guò)感應(yīng)直流回路中的剩余電流，產(chǎn)生與之成比例的輸出信號(hào)。漏電流傳感器通常由感應(yīng)元件、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、控制器等部分組成。三相系統(tǒng)漏電流檢測(cè)原理如圖8所示。

圖8??三相系統(tǒng)漏電流檢測(cè)原理

在該領(lǐng)域，剩余電流監(jiān)控通過(guò)直流檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣阻抗的相關(guān)產(chǎn)品有：

5.1 ?RCMU剩余電流傳感芯片

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圖9 RCMU剩余電流傳感芯片

針對(duì)該系列漏電流傳感芯片具有如下特點(diǎn)：

• 實(shí)現(xiàn)全溫區(qū)線(xiàn)性補(bǔ)償
• 實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)校正補(bǔ)償
• 退磁激勵(lì)
• 誤動(dòng)作濾除

5.2 ?RCMU剩余電流傳感器模組

圖10 RCMU剩余電流傳感器模組

針對(duì)該系列漏電流傳感器具有如下特點(diǎn)：

（1）高精度：直流漏電流傳感器具有較高的漏電流檢測(cè)精度，一般在±0.5%以?xún)?nèi)。

（2）快速響應(yīng)：直流漏電流傳感器可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，并及時(shí)報(bào)警或切斷電源，以避免事故發(fā)生。

（3）寬測(cè)量范圍：直流漏電流傳感器具有廣泛的測(cè)量范圍，能夠檢測(cè)不同電壓等級(jí)和漏電流強(qiáng)度的直流系統(tǒng)。

（4）安全可靠：直流漏電流傳感器采用多重保護(hù)措施，確保設(shè)備在工作過(guò)程中的安全和可靠性。

5.3 ?RCMU剩余電流檢測(cè)模塊

圖11 RCMU剩余電流檢測(cè)模塊

針對(duì)該系列漏電流檢測(cè)模塊具有如下特點(diǎn)：

• 模塊化設(shè)計(jì)，減少二次線(xiàn)，快速組裝，安裝方便快捷。
• 新型直流漏電流傳感器技術(shù)，功能可靠，性能優(yōu)越。
• 本地顯示，運(yùn)維快速定位故障支路。
• 裝置自檢、實(shí)現(xiàn)自我檢測(cè)和校正。
• 快速迭代，通用互換性強(qiáng)。

6??結(jié)論

直流絕緣系統(tǒng)中的漏電絕緣檢測(cè)法對(duì)于保障系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。直流漏電流法因其不受分布電容影響、可在線(xiàn)巡查等優(yōu)點(diǎn)，成為目前主要的檢測(cè)方法之一,然而，直流漏電流法也面臨傳感器要求高、易受環(huán)境影響等挑戰(zhàn)。

綜上所述，直流絕緣系統(tǒng)中的漏電絕緣檢測(cè)法對(duì)于確保系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。通過(guò)不斷優(yōu)化檢測(cè)方法和提升檢測(cè)技術(shù)水平，可以進(jìn)一步提高直流系統(tǒng)的絕緣性能和安全可靠性。