高壓絕緣檢測(cè)方法與固態(tài)繼電器方案

作者：Littelfuse客戶(hù)經(jīng)理Rambo Liu

高壓絕緣檢測(cè)的意義

新能源汽車(chē)、充電樁、光伏儲(chǔ)能等是直流高壓的典型應(yīng)用，在異常情況下，如線(xiàn)纜老化破損、接插件進(jìn)水、結(jié)構(gòu)受損等都有可能導(dǎo)致絕緣降低殼體帶電的情況。高壓系統(tǒng)正極與負(fù)極對(duì)地絕緣降低時(shí)，高壓系統(tǒng)會(huì)通過(guò)殼體與地形成導(dǎo)電回路，造成接觸點(diǎn)的熱積累，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓系統(tǒng)的絕緣性能對(duì)高壓產(chǎn)品以及人身安全都有重要意義。

什么是絕緣電阻？

在一定的條件下，處于兩個(gè)導(dǎo)體之間的絕緣材料的電阻。在電動(dòng)汽車(chē)上，線(xiàn)束之間的良好的絕緣性能對(duì)車(chē)輛安全具有重要的影響。其中衡量電動(dòng)汽車(chē)的絕緣性能的主要指標(biāo)就是絕緣電阻

電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn):

GB/T 18384.1-2015

電動(dòng)汽車(chē)安全要求第1部分：車(chē)載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（REESS）

GB/T 18384.2-2015

電動(dòng)汽車(chē)安全要求第2部分:操作安全和故障防護(hù)

GB/T 18384.3-2015

電動(dòng)汽車(chē)安全要求第3部分:人員觸電防護(hù)

GB/T 18384-2020

電動(dòng)汽車(chē)安全要求（替代GB/T 18384.1、GB/T 18384.2、GB/T 18384.3）

QC/T 897-2011

國(guó)外標(biāo)準(zhǔn):

UN GTR NO.20（Global Technical Regulation No. 20）

觸電造成的人體傷害分為電傷和電擊。電傷是指人體外表局部直接或間接地受到電流的傷害，形式有灼（燒）傷、電烙印、皮膚金屬化等。電擊是指電流通過(guò)人體內(nèi)部時(shí)，人體的內(nèi)部器官（如心臟等）受到的傷害，它是最危險(xiǎn)的觸電傷害。

人體作為一個(gè)“導(dǎo)電體”，接觸到帶電導(dǎo)體時(shí)，如果流過(guò)的電流為40-50mA，且維持時(shí)間為1s，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生電擊傷害。人體電阻模型復(fù)雜，我國(guó)制定接地設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程時(shí)，給出的人體阻值范圍是1000-1500 Ohm。人體能承受的交流峰值不超過(guò)42.4V ，直流電壓不超過(guò)60V。

觸電分為直接觸電和間接觸電。直接觸電是指人員直接接觸電氣設(shè)備的正常帶電導(dǎo)體而造成的觸電。直流充電樁采取的基本絕緣設(shè)計(jì)可防止這一點(diǎn)。間接觸電是指因電氣設(shè)備的內(nèi)部絕緣故障造成的、正常情況下不帶電的金屬外殼等外露可導(dǎo)電部分帶有危險(xiǎn)電壓，一旦人員觸及故障設(shè)備的外露導(dǎo)電部分時(shí)造成的觸電。直流充電樁是I類(lèi)設(shè)備，在交流側(cè)可有效防止間接觸電。

絕緣電阻的測(cè)量方法

包括直接法、比較法、自放電法。直接法就是直接測(cè)量施加在絕緣電阻兩端的直流電壓U和流過(guò)絕緣電阻的電流I，根據(jù)R=U/I計(jì)算得出。根據(jù)測(cè)量?jī)x器的類(lèi)型分為歐姆表、檢流計(jì)、高阻計(jì)。比較法是指與已知標(biāo)準(zhǔn)電阻比較，常用有電橋法和電流比較法。電橋法是在直流充電樁中常用的方法。自放電法是讓通過(guò)絕緣電阻的泄漏電流對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容充電，測(cè)出充電一定時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)電容兩端的電壓和電荷。自放電法和信號(hào)注入法類(lèi)似。

平衡電橋檢測(cè)法

如下圖所示，其中Rp為正極對(duì)地阻抗，Rn為負(fù)極對(duì)地阻抗，R1與R2阻值相同為限流大電阻，R2與R3阻值相同為電壓檢測(cè)小電阻。

在系統(tǒng)正常時(shí)，Rp與Rn為無(wú)窮大，檢測(cè)電壓V1與V2電壓相等，通過(guò)R1與R2分壓可以算出正極電壓，從而推算出總的母線(xiàn)電壓Vdc_link。

在正極絕緣故障時(shí)，Rp阻值下降，Rp與(R1+R2)構(gòu)成并聯(lián)電阻，此時(shí)正極分壓減少，即V1小于V2，根據(jù)基爾霍夫電流定律，通過(guò)V1與V2可以算出此時(shí)的絕緣阻抗Rp的值，關(guān)系式如下。

負(fù)極絕緣阻抗出現(xiàn)故障時(shí)的算法一樣。

從上面可以看出，平衡電橋法適用于單極失效的情況，當(dāng)正負(fù)極同時(shí)出現(xiàn)絕緣阻抗失效時(shí)就沒(méi)辦法分辨出此時(shí)的絕緣阻抗值，有可能會(huì)出現(xiàn)絕緣檢測(cè)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

不平衡電橋檢測(cè)法

不平衡電橋法是由內(nèi)部?jī)纱柚迪嗤慕拥仉娮?，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)S1與S2不同開(kāi)合，改變檢測(cè)時(shí)所對(duì)應(yīng)的接入電阻，從而計(jì)算出正負(fù)極對(duì)地阻抗。

當(dāng)開(kāi)關(guān)S1與S2同時(shí)閉合時(shí)，與平衡電橋法一樣，可以算出母線(xiàn)電壓Vdclink。

當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合，S2斷開(kāi)時(shí)，(R1+R2)與Rp并聯(lián)，然后與Rn串聯(lián)構(gòu)成回路，根據(jù)基爾霍夫電流定律。

當(dāng)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，S2閉合時(shí)，(R3+R4)與Rn并聯(lián)，再與Rp構(gòu)成串聯(lián)回路，根據(jù)基爾霍夫電流定律。

因此通過(guò)上述3種開(kāi)關(guān)的開(kāi)合順序，可以算出接地絕緣阻抗Rp與Rn的值。此方法需要母線(xiàn)電壓穩(wěn)定之后測(cè)得的數(shù)據(jù)才準(zhǔn)確，同時(shí)對(duì)于開(kāi)關(guān)的切換母線(xiàn)電壓對(duì)地會(huì)有變化，需要一定時(shí)間間隔，因此檢測(cè)速度稍慢一些，不平衡橋法是高壓檢測(cè)中比較常用的方法，這里再介紹一種絕緣檢測(cè)方法。

基于漏電流原理的檢測(cè)

該檢測(cè)方法共用一個(gè)電壓采樣點(diǎn)，對(duì)于母線(xiàn)電壓Vdclink要單獨(dú)設(shè)置采樣點(diǎn)，可以利用系統(tǒng)現(xiàn)有的采樣信號(hào)。

通過(guò)系統(tǒng)讀取Vdclink參數(shù)。

閉合開(kāi)關(guān)S1與S3，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2，此時(shí)Rp與(R1+R3+R4)并聯(lián)，之后與Rn串聯(lián)構(gòu)成回路，根據(jù)基爾霍夫電流定律。

閉合開(kāi)關(guān)S2與S3，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1，此時(shí)RN與(R2+R3+R4)并聯(lián)，之后與RP串聯(lián)構(gòu)成回路，根據(jù)基爾霍夫電流定律。

因此通過(guò)上述3個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合順序調(diào)整，可以計(jì)算出接地絕緣阻抗Rp與Rn的值。

絕緣檢測(cè)固態(tài)繼電器SSR

固態(tài)繼電器SSR作為半導(dǎo)體器件，具有尺寸小、不受磁場(chǎng)干擾、低驅(qū)動(dòng)信號(hào)、無(wú)觸點(diǎn)顫動(dòng)、無(wú)機(jī)械老化、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于安防市場(chǎng)，如被動(dòng)紅外檢測(cè)、門(mén)鎖、告警面板、門(mén)窗感應(yīng)器等。以及智能電表監(jiān)測(cè)，包含有功功率、無(wú)功功率、任務(wù)切換、報(bào)警輸出、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)、限制功耗等。同時(shí)也適用于高壓絕緣檢測(cè)、采樣以及電壓平衡等作為電子切換開(kāi)關(guān)。

如下為L(zhǎng)ittelfuse固態(tài)繼電器部分產(chǎn)品系列，其中工作電壓有400-800V，原邊采用光耦驅(qū)動(dòng)信號(hào)為2-5mA，副邊采用反串聯(lián)MOSFET，交直流負(fù)載都可使用，絕緣耐壓3750-5000V實(shí)現(xiàn)良好的一二次測(cè)隔離。

審核編輯：湯梓紅