直流絕緣系統(tǒng)中的漏電絕緣檢測法的探討

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1??背景

新一輪巴以沖突已持續(xù)超過一周，推動(dòng)國際原油價(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。未來油價(jià)走向成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。我們無法預(yù)見未來如何，我們能做的只有防患于未來。

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年全國新注冊登記新能源汽車535萬輛，占新注冊登記汽車總量的23.05%，與上年相比增加240萬輛，增長81.48%，呈高速增長態(tài)勢。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，新能源充電汽車也越來越被人們所接受，隨之而來的充電樁也正在加緊配置。

2??絕緣失效的危害

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

圖1??電氣系統(tǒng)中常見電流風(fēng)險(xiǎn)

其中新能源汽車電氣系統(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，與傳統(tǒng)車相比，電子電氣系統(tǒng)的比例大大增加。并且，電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)是以往不曾在汽車上使用過的高壓系統(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，汽車的電氣都在底盤等乘車人員一般無法觸及的地方，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)絕緣失效的常見原因，除了設(shè)計(jì)和制造問題以外，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 新能源汽車電氣系統(tǒng)以及充電過程中的直流漏電檢測

純電動(dòng)汽車是有動(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，后者主要為車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等大功率部件提供電能，其標(biāo)稱電壓一般為直流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，主要滿足車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和車載空調(diào)系統(tǒng)的功率要求。

圖2 ?電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)

這些電氣設(shè)備都安裝在車輛底盤上，每個(gè)電氣設(shè)備都有獨(dú)立的電流回路，與底盤之間沒有直接的電氣連接，整個(gè)高壓系統(tǒng)是與底盤絕緣、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)，對車體是完全絕緣的。但是無法排除由于高壓線纜老化等問題帶來的絕緣降低，從而導(dǎo)致車體漏電。并且電動(dòng)汽車工作環(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，使整車絕緣性能下降。電池的正、負(fù)極引線通過絕緣層與電池底盤構(gòu)成漏電流回路，使電池底盤電位拉升，這樣不僅會(huì)影響低壓電器和車輛上的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單元來實(shí)現(xiàn)絕緣檢測。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)生絕緣問題，可能會(huì)給電動(dòng)車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)在直流充電過程中，直流充電設(shè)備需先連接非車載充電機(jī)，先將交流電輸送至非車載充電機(jī)，非車載充電機(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)汽車蓄電池。進(jìn)而完成整個(gè)充電過程。

圖3 ?直流充電過程

直流充電樁絕緣檢測是通過測量充電樁外部各電路的電阻、電流等參數(shù)來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。通過在直流充電樁以及非車載充電機(jī)增加直流漏電檢測可以實(shí)現(xiàn)絕緣檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問題，防止事故的發(fā)生。

在交流充電過程中，交流樁直接連接車載充電機(jī)實(shí)現(xiàn)充電過程。雖說是交流充電，但并不表示在過程當(dāng)中不存在直流漏電危害。如圖4所示，在電動(dòng)車電氣系統(tǒng)中為直流電。各絕緣組件經(jīng)過長時(shí)間老化以及多次拔插導(dǎo)致電氣系統(tǒng)對地絕緣阻抗降低，汽車外殼與外部供電側(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回路，經(jīng)過PE線回流至充電側(cè)。進(jìn)而導(dǎo)致充電側(cè)易發(fā)生觸電風(fēng)險(xiǎn)。因此可在車載充電機(jī)部分增加直流漏電檢測來實(shí)現(xiàn)絕緣檢測。

圖4??車載充電機(jī)工作過程

4??絕緣檢測方法

現(xiàn)有的對充電樁的絕緣檢測，目前主要檢測方法為：

（1）電橋法，分別與充電樁輸出直流電源的正極、負(fù)極、以及地線連接，用于采用不平衡電橋的方式，在正極與地線之間和負(fù)極與地線之間設(shè)置電阻值不同的檢測電阻。通過調(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。整車絕緣電阻檢測原理框圖如圖6所示。

圖5 ?電橋法示意圖

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圖6 ?整車絕緣電阻檢測原理框圖

（2）電容-電壓法，該方法通過測量電容兩端的電壓來計(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。通過測量電容器的電容值，就可以得到被測電壓的大小。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)測方法之一。它的工作原理是在被測試的設(shè)備上注入一個(gè)正負(fù)對稱的方波信號(hào)，通過對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，隨著測試工況、測試環(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，所測出的絕緣阻抗值成動(dòng)態(tài)特性。

（4）電流檢測法

當(dāng)有一極發(fā)生絕緣下降的時(shí)候，通過正負(fù)極的電流便不會(huì)再相等，通過傳感器感應(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。電流檢測法示意圖如圖7所示。

①電阻式電流檢測法是最常用的一種電流檢測方法，它是通過在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻來測量電流大小。電阻的阻值越大，電流通過時(shí)產(chǎn)生的電壓就越大，測量的精度也就越高。電阻式電流檢測法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，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磁性電流檢測法是通過電路中的磁場來檢測電流大小和方向。當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，通過測量磁場的強(qiáng)度和方向就可以計(jì)算出電流大小和方向

5??通過檢測直流漏電實(shí)現(xiàn)絕緣檢測

針對第四種電流檢測法，則較多是采用檢測直流漏電流方案來實(shí)現(xiàn)絕緣檢測，漏電流傳感器是一種專門用于檢測直流系統(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）被放置在母線上，最重要的是三根母線都穿過RCMU的中間線孔。如果系統(tǒng)沒有中線，是三相三線交流系統(tǒng)。如果是三相四線的系統(tǒng)，若中線上不走電流，中線也可不必穿過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)漏電流檢測原理如圖8所示。

圖8??三相系統(tǒng)漏電流檢測原理

在該領(lǐng)域，剩余電流監(jiān)控通過直流檢測來實(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)線性補(bǔ)償
• 實(shí)現(xiàn)零磁場校正補(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精度，一般在±0.5%以內(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）寬測量范圍：直流漏電流傳感器具有廣泛的測量范圍，能夠檢測不同電壓等級(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)備在工作過程中的安全和可靠性。

5.3 ?RCMU剩余電流檢測模塊

圖11 RCMU剩余電流檢測模塊

針對該系列漏電流檢測模塊具有如下特點(diǎn)：

• 模塊化設(shè)計(jì)，減少二次線，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)中的漏電絕緣檢測法對于保障系統(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、可在線巡查等優(yōu)點(diǎn)，成為目前主要的檢測方法之一,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)中的漏電絕緣檢測法對于確保系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。通過不斷優(yōu)化檢測方法和提升檢測技術(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。