淺談新型電力系統(tǒng)中的電動(dòng)汽車充電/光伏系統(tǒng)漏電保護(hù)

單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：朱佳超

“十四五”期間，隨著“雙碳”政策（碳達(dá)峰、碳中和）的提出和持續(xù)推進(jìn)，新能源汽車、儲(chǔ)能應(yīng)用、光儲(chǔ)充一體化、分布式光伏整縣推進(jìn)等新型熱點(diǎn)越來越被人所熟知，對(duì)于加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，是滿足高比例新能源和多元負(fù)荷高效靈活接入的必由之路。

電力一直是我們生活的重要組成部分，對(duì)于此類新型電力系統(tǒng)和負(fù)載，如果不重視、電氣安裝沒有正確設(shè)計(jì)、建造和驗(yàn)證，沒有適當(dāng)合適的保護(hù)設(shè)備，它可能會(huì)對(duì)人員人身安全和財(cái)產(chǎn)帶來風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有的電力裝置也應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行改進(jìn)和更新。

電動(dòng)汽車充電（EV）、太陽能光伏發(fā)電(PV)、光儲(chǔ)充一體化等應(yīng)用正在逐漸添加到現(xiàn)有的電力結(jié)構(gòu)中去，到 2035年，預(yù)計(jì)將使相關(guān)電力應(yīng)用需求成倍數(shù)增長(zhǎng)。

一、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)

圖1.構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)

在此類相關(guān)應(yīng)用中，大量使用了升壓降壓電路，由于開關(guān)模式電源 (SMPS)具有緊湊性和能源效率的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致其使用數(shù)量激增，然而，這些和其他類型的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生大量的高頻“電容性漏地電流”。

開關(guān)電源——將交流轉(zhuǎn)換為直流供電給電子設(shè)備：

太陽能光伏發(fā)電；

電動(dòng)汽車充電；

各種變頻家用電器；

LED照明；

USB插座；

智能家居和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等等；

圖2.基本的SMPS拓?fù)洌篵uck、boost和buck-boost

以上應(yīng)用共同特點(diǎn)就是會(huì)導(dǎo)致脈動(dòng)直流或高頻諧波進(jìn)入電源側(cè)，這些都不可避免的影響交流側(cè)回路里不再那么“干凈”。

在新能源汽車充電、光儲(chǔ)充一體化、光伏發(fā)電應(yīng)用中，還存在大量交直流變換（整流/逆變）電路。

圖3.光儲(chǔ)充一體化

在這些AC-DC轉(zhuǎn)換電路中不單只有工頻的AC正弦波剩余電流，電路中還存在兩相/三相整流濾波產(chǎn)生的直流剩余電流、平滑直流剩余電流等，以及一些電容對(duì)地產(chǎn)生的剩余電流等，下圖是一些典型的復(fù)雜剩余電流波形：

圖4.剩余電流波形

因此，在安全性上帶來的問題就是以前使用在純粹交流回路的RCD（剩余電流保護(hù)裝置）不再那么可靠。

圖5.《IEC 60479-1電流對(duì)人和家畜的影響》中人體對(duì)電流的反應(yīng)

在上圖中，交流電流的影響分為四個(gè)區(qū)域：

①感知閾：通過人體能夠引起任何接觸電流的最小值；

②反應(yīng)閾：通過人體能夠引起肌肉不自覺收縮的接觸電流最小值；

③擺脫閾：人可以主動(dòng)擺脫電極的接觸電流最大值；

④心室顫動(dòng)閾：通過人體引起心室纖維性顫動(dòng)的接觸電流最小值，

注：曲線c1以上就會(huì)發(fā)生燒傷/心博停止/呼吸停止。

注：RCD的動(dòng)作閾值需要低于該閾值以確保對(duì)人體的保護(hù)，同時(shí)高于容性漏地電流以避免任何意外跳閘。

RCD關(guān)鍵技術(shù)是具有檢測(cè)剩余電流的高靈敏度磁感應(yīng)線圈和磁芯，如果被檢測(cè)回路里有直流成分，直流成分使得高靈敏度磁感應(yīng)線圈的磁感應(yīng)迅速進(jìn)入磁滯曲線的飽和區(qū)，這時(shí)磁感應(yīng)線圈對(duì)剩余電流不再敏感、甚至沒有反應(yīng)，因此存在RCD的致盲性，危及人身安全和設(shè)備安全。

圖6.普通AC型 RCD存在致盲性

電氣設(shè)備中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)就是對(duì)上面這些技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)和充分的保護(hù)，以提供其應(yīng)用的安全性。

RCD（剩余電流保護(hù)裝置）根據(jù)剩余電流含有直流分量的動(dòng)作特性分，可分為下圖幾種類型，依次是包含遞增的關(guān)系。

AC型

這是一直以來我們最常用的RCD，適合交流回路里沒有直流成分，符號(hào)為：

A型

適用于AC類 +脈動(dòng)直流或具有疊加在6mA平滑直流上的脈動(dòng)直流，符號(hào)為：

F型

適用于A類 +伴有高達(dá)1KHz的高頻電流，符號(hào)為：

B型

適用于F類 +伴有高達(dá)1kHz的高頻電流或兩相三相整流以及純平滑直流剩余電流，符號(hào)為：

RCD（剩余電流保護(hù)裝置）根據(jù)不同電路選用漏電檢測(cè)類型大致如下：

圖7.漏電檢測(cè)

因此，在使用高比例新能源和多元負(fù)荷時(shí)，應(yīng)根據(jù)存在直流分量和相應(yīng)頻率來正確選擇不同類型的剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置。

二、應(yīng)用場(chǎng)景：電動(dòng)汽車充電

未來汽車電動(dòng)化趨勢(shì)不可避免，在電動(dòng)汽車充電時(shí)，充電站需要為所有用戶提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，電動(dòng)汽車充電點(diǎn)經(jīng)常由非技術(shù)用戶進(jìn)行密集的插拔，許多充電點(diǎn)位于室外，觸電的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)大于室內(nèi)。

在標(biāo)準(zhǔn)IEC60364-7-722部分-電動(dòng)車供電里要求：應(yīng)選擇B型或A型30mA動(dòng)作的RCD作為直流接地故障防護(hù)措施（722.531.2條）。

圖8. IEC 60364-7-722是低壓電氣裝置-電動(dòng)車供電的標(biāo)準(zhǔn)

注：特別注明了如使用A型，還需要使用符合IEC 62955的RDC-DD（直流剩余電流檢測(cè)裝置）來進(jìn)行配套檢測(cè)純平滑直流剩余電流。

注：在IEC 61851/IEC62752中也提到了相關(guān)要求。

在2021年實(shí)行的上海地標(biāo)DB31/T 1296-2021《電動(dòng)汽車智能充電樁智能充電及互動(dòng)響應(yīng)技術(shù)要求》中也更新了相關(guān)要求，相關(guān)的國(guó)標(biāo)也正在更新中。

圖9. DB31/T 1296-2021《電動(dòng)汽車智能充電樁智能充電及互動(dòng)響應(yīng)技術(shù)要求》

三、應(yīng)用場(chǎng)景：光伏發(fā)電

光伏（PV）發(fā)電是一種可再生能源，是應(yīng)對(duì)全球氣候惡化挑戰(zhàn)和滿足可持續(xù)發(fā)展迫切需求的最有前途的技術(shù)之一。光伏發(fā)電有幾個(gè)好處：

太陽能是無限量的，可以在全球范圍內(nèi)使用；

在運(yùn)行過程中不排放溫室氣體 (GHG)或其他污染物，并且消耗很少，也不產(chǎn)生廢水；

光伏面板發(fā)電時(shí)不會(huì)產(chǎn)生噪音，此外維護(hù)也方便。

同時(shí)，光伏發(fā)電減少了對(duì)能源進(jìn)口的依賴，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，能夠提高能源供應(yīng)的安全性，穩(wěn)定發(fā)電成本。在國(guó)家參與、可持續(xù)能源發(fā)展政策、技術(shù)開發(fā)和成本降低的推動(dòng)下，今天的光伏裝機(jī)容量正在快速增長(zhǎng)。

圖10.中國(guó)，1990-2025年光伏容量趨勢(shì)，來源IEA國(guó)際能源機(jī)構(gòu)

根據(jù)IEC 62109-2：2011規(guī)定，為了保證人身安全和建筑物不起火，直接并網(wǎng)的逆變器必須自帶剩余電流（漏電流）保護(hù)功能。

在標(biāo)準(zhǔn)IEC60364-7-712部分 –太陽能光伏電源系統(tǒng)里要求：應(yīng)選擇B型RCD用于PV裝置交流供電回路的保護(hù)（712.530.3.101條）。

圖11.《IEC60364-7-712部分 –太陽能光伏電源系統(tǒng)里要求》

國(guó)內(nèi)根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn),剛在11月1號(hào)實(shí)行了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 16895.32-2021《低壓電氣裝置第7-712部分：特殊裝置或場(chǎng)所的要求太陽能光伏（PV）電源系統(tǒng)》。

圖12.《GB/T 16895.32-2021部分 –太陽能光伏（PV）電源系統(tǒng)》

綜合上述，如果類似環(huán)境使用了大量直流負(fù)荷或變頻負(fù)荷，選用AC類型的RCD就不再是安全之策。

與此同時(shí)，一種B型漏電流傳感器檢測(cè)方案正在普及，在電動(dòng)汽車充電中，模式二便攜式充電槍和模式三充電樁（墻盒）中，已經(jīng)有集成A+6mA檢測(cè)或者符合B型漏電流檢測(cè)的傳感器應(yīng)用。

同樣，在光伏并網(wǎng)逆變器中，具備符合B型漏電流檢測(cè)的傳感器也已經(jīng)規(guī)?；?，可符合B型相關(guān)剩余電流保護(hù)。

四、Magtron公司AC/DC漏電流檢測(cè)方案

浙江巨磁智能技術(shù)有限公司是一家致力于從IC開始一直到模塊及應(yīng)用都自主研發(fā)生產(chǎn)的高科技公司。自2014年開始基于mSafe漏電專用檢測(cè)芯片的AC/DC漏電保護(hù)模塊已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在新能源光伏逆變器（戶用型）、電動(dòng)汽車充電保護(hù)領(lǐng)域，產(chǎn)品市場(chǎng)占有率名列前茅。

圖15.可提供多種安裝方式

參考文獻(xiàn)：

1、《How to Protect New Types of Loads To Ensure Electrical Safety》

2、《IEC快遞 |剩余電流保護(hù)器》

3、GB/T 16895.32-2021《低壓電氣裝置第7-712部分：特殊裝置或場(chǎng)所的要求太陽能光伏（PV）電源系統(tǒng)》

4、光伏儲(chǔ)能 |直流供電，未來可期？

5、IEC 60364-7-712-2017《低壓電氣裝置.第7-712部分：特殊裝置或地點(diǎn)的要求太陽能光伏(PV)電源系統(tǒng)》

6、EC60364-7-722 -2018《低壓電氣裝置第7-722部分：特殊裝置或位置的要求-電動(dòng)汽車的供應(yīng)》

7、DB31/T 1296-2021《電動(dòng)汽車智能充電樁智能充電及互動(dòng)響應(yīng)技術(shù)要求》

8、《 IEC 60479-1電流對(duì)人和家畜的影響》

審核編輯黃宇