用于充電樁的B型剩余電流保護器的設計

　　00 摘要

　　對含有充電樁的充電系統漏電原理、特征和保護安裝位置進行了分析，并提出用于充電樁的B型剩余電流保護器的一種設計方案，通過雙磁芯及對應的拓撲結構實現剩余電流的檢測。分析了不同拓撲結構對應類型的剩余電流實現脫扣的機理，對直流剩余電流的檢測采用磁調制技術，對其余類型剩余電流提出不進行波形識別、直接整流的電流檢測方案。根據不同拓撲結構檢測的電流類型，提出上方磁芯選擇磁滯回線扁平、高磁導率的材料，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行檢測，結果表明基于高剩磁材料的磁調制技術能夠反映直流剩余電流。

　　關鍵詞：充電樁；剩余電流；磁調制技術；磁芯材料；電動汽車；充電樁；分散式充電樁；充電系統；剩余電流保護器

　　01 引言

　　在全球氣候變化和能源問題日漸突出的背景下，電動汽車由于能夠在節能減排方面做出突出貢獻而受到世界各國的大力支持。我國也正處于電動汽車快速成長的關鍵時期，充電設施行業也在進行快速擴張。截止2020年末，全國預計新增集中式充/換電站1.2萬座，分散式充電樁480萬個。在現有充電模式下，電路均含有直流環節，當漏電發生時，需要采用剩余電流保護器對充電樁進行保護。傳統的AC/A型剩余電流保護器無法動作，而B型剩余電流保護器不僅能夠對工頻交流和脈動直流剩余電流提供保護，而且能夠對1000Hz及以下的正弦交流、平滑直流和復合剩余電流提供保護，因此，用于充電樁的剩余電流保護器宜采用B型。目前B型剩余電流保護器相關技術長期被國外壟斷，根據發表的相關技術論文可知，其研制的220V用戶側剩余電流保護器售價與10kV斷路器相當，極大增加了充電樁建設的成本，對充電樁的普及造成了較大的阻礙。因此，開展B型剩余電流保護器的自主研發具有重要意義。B型剩余電流保護器設計的關鍵在于復合電流的檢測和磁芯材料的選擇。

　　02 充電系統漏電的相關分析

　　充電樁由電網供電的同時對電動汽車進行充電，整體構成一個充電系統，系統內產生的剩余電流特征可能會隨漏電地點的不同而改變。下文將對剩余電流的波形和B型剩余電流保護器的選用原因及安裝位置進行具體分析。

　　1.　剩余電流產生的機理

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

　　充電樁產生剩余電流的情況一般有兩種：一種是汽車絕緣擊穿，充電系統通過汽車、人體以及大地形成回路，產生剩余電流；另一種是充電樁絕緣擊穿網通過充電樁、人體、大地以及中性線形成回路，公共電，產生剩余電流。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器切斷回路以保證人員安全。

　　2.   剩余電流的特征與保護的安裝

　　交流充電樁充電時某相線路將充電樁絕緣擊穿的情況如圖2所示，此時通過人體的剩余電流沒有經過有源濾波器，是含有大量的（6k±1）次諧波分量的復雜電流，而其余兩相電流經過了有源濾波器濾波。無論剩余電流保護器放在充電系統的任何位置，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，磁芯上的二次側將感應出電動勢，使操作機構執行跳閘，但正常情況下由于穿過磁芯的磁通量恒為零，操作機構不會動作。

　　當交流充電樁的絕緣被擊穿時，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合電流；當直流充電樁的絕緣被擊穿時，通過人體的剩余電流為直流；當汽車的絕緣被擊穿時，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AC/A型剩余電流保護器都無法正確動作，因此，必須選擇能檢測復合剩余電流與直流剩余電流的B型剩余電流保護器。

　　B型剩余電流保護器應安裝在充電樁處，而不是在充電電纜或者車載充電機處，這樣在充電樁以及其后方的位置發生人員觸電時，剩余電流保護器均能夠及時動作；反之如果B型剩余電流保護器安裝在充電樁后的位置，則該位置之前發生人員觸電的情況，保護將不會動作。

　　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行防護，與遙控跳閘開關聯用，及時切斷電源，防止間接接觸、限制漏電電流。也可以直接作為信號繼電器，監控電力設備。特別適用于學校、商廈、工廠車間、集貿市場、工礦企業、國家重點消防單位、智能大廈與小區，地鐵、石油化工、電信及國防等部門用電的安全保護。

　　（1）ASJ10\ASJ20系列

　　其中AC型和A型剩余電流繼電器的區別是：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，主要監測正弦交流信號。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直流電流能確保脫扣的剩余電流繼電器，主要監測正弦交流信號和脈沖直流信號。

　　（2）ASJ自復式過欠壓保護器

　　ASJ10-GQ自復式過欠壓保護器，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及以下的用戶或負載。由中性線故障引起的單相或三相線路過、欠電壓時，保護器對用電設備進行保護。產品集線路過電壓、欠電壓保護功能和線路正常電壓自動延時復位功能。產品主要應用于住宅分戶箱進線或單相或三相用電設備配電線路的保護，產品體積小、精度高、結構緊湊、安裝方便，是民用建筑領域中的安全保護裝置。

　　（3）ASJ60-LD16A剩余電流監測儀

　　ASJ60-LD16A剩余電流監測儀適用于交流額定電壓為400V及以下的配電線路中使用，用于監測線路中的剩余電流，可作為剩余電流式活在監控裝置，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裝置，用來對電氣線路進行接地故障保護，防止接地故障電流引起的設備損壞和電氣火災事故，或用來對人身觸電危險提供間接接觸保護。

　　可應用于石油化工、工業廠房、大型公建、幼兒園、敬老院等場所的配電箱內，也可應用于路燈、庭院燈、景觀燈的配電箱內，進行漏電或接地故障監測。

　　可監測最多16路剩余電流，每路剩余電流動作值可設，動作延時時間可設，監測功能可關閉；自動重合閘功能，重合閘時間可設，次數可設，功能可關閉；1路水浸報警繼電器，16路剩余電流報警繼電器，2路開關量輸入，1路RS485通訊接口，可存儲50條事件記錄。

　　04 結語

　　在可預見的未來內,隨著新能源汽車走進千家萬戶,充電樁將成為老百姓生活中不可少的一部分,因而,充電樁內剩余電流保護器的更新換代十分必要,只有安全的用電環境才能讓大家放心地享受新能源汽車帶來的便利。