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剩余电流动作保护器在电动汽车充电系统的应用

2022-02-10 20:40:36·  来源：电动学堂  作者：刘金琰等  
　
文章来源:1.上海电器科学研究院2.中山市开普电器有限公司3.西门子(中国)有限公司0引言剩余电流动作保护器(ResidualCurrentOperatedProtectiveDevices,RCD)是一种
文章来源:1.上海电器科学研究院2.中山市开普电器有限公司3.西门子(中国)有限公司
0引言
剩余电流动作保护器(ResidualCurrentOperatedProtectiveDevices,RCD)是一种漏电保护装置,被广泛地应用在低压配电系统中,是低压电网防止电击事故､电气设备漏电损坏和电气火灾的有效防护措施,在国内外低压电网中获得了广泛的应用｡
随着我国经济发展水平不断提高,汽车保有量持续攀升;大力发展电动汽车,能够加快燃油替代,减少汽车尾气排放;对保障能源安全､促进节能减排､防治大气污染具有重要意义｡作为支持电动汽车的充电系统,安全､耐气候与长时间使用的可靠性成为充电基础设施行业最大的挑战｡为了保证电动汽车充电过程中人身和充电设备的安全,RCD也随之在电动汽车充电领域得到了新的应用｡
1RCD的功能与分类
1.1RCD的基本功能
电击危险保护有两种基本状况:故障保护(间接接触)和基本保护(直接接触)｡RCD的主要功能或基本功能是提供故障防护,但具有足够灵敏度(如剩余动作电流不超过30mA)的RCD在其他防护措施失效时,对与带电导电部件直接接触的使用者和家畜仍能提供直接接触的电击保护｡额定剩余动作电流不超过300mA的RCD也能对因过电流保护电器不动作而长期持续接地故障电流引起的火灾危险提供保护｡
1.2RCD的分类
术语RCD是一个适用于当剩余电流等于或超过额定剩余动作电流时能自动断开的产品族的通用术语｡其包括不带过电流保护的剩余电流动作断路器RCCB,符合GB16916.1和GB22794标准;带过电流保护的剩余电流动作断路器RCBO,符合GB16917.1和GB22794标准;带或不带过电流保护的插座式剩余电流电器SRCD,符合GB28527标准;不带过电流保护的移动式剩余电流装置PRCD,符合GB20044标准;用于I类和电池供电车辆的可开闭保护接地移动式剩余电流装置(SPE-PRCD),符合GB29303标准;具有剩余电流保护的断路器CBR,符合GB14048.2标准,适用于主触头用来接入额定电压不超过交流1000V或直流1500V电路中的断路器;剩余电流装置模块MRCD,符合GB14048.2标准,适用于电流传感器和/或处理器与电流分断装置分开安装的剩余电流装置模块｡
RCD根据有直流分量时的工作状况分为AC型RCD､A型RCD､F型RCD和B型RCD,4种类型的RCD可以分别保护各种故障电流｡AC型RCD:对突然施加或缓慢上升的剩余正弦交流电流确保脱扣的RCD｡A型RCD:包含AC型RCD的特性,并对突然施加或缓慢上升的脉动直流剩余电流､脉动直流剩余电流叠加6mA平滑直流剩余电流确保脱扣的RCD｡F型RCD:包含A型RCD的特性(其中脉动直流剩余电流叠加6mA平滑直流剩余电流改为叠加10mA平滑直流剩余电流),并对由相线和中性线或者相线和接地中间导体供电电路中突然施加或缓慢上升的复合剩余电流确保脱扣的RCD｡B型RCD:包含F型RCD的特性(其中脉动直流剩余电流叠加10mA平滑直流剩余电流改为叠加0.4IΔn或10mA平滑直流剩余电流,两者取大值),并对1000Hz及以下的正弦交流剩余电流､交流剩余电流叠加平滑直流剩余电流､脉动直流剩余电流叠加平滑直流剩余电流､两相或多相整流电路产生的脉动直流剩余电流､平滑直流剩余电流确保脱扣的RCD｡
AC型､A型､F型和B型RCD能分别对相位控制､脉冲控制､单相半波､双脉冲桥式､双脉冲桥式/半波相位控制､采用双脉冲桥式的变频器､单相半波带滤波､采用双脉冲桥式带PFC的变频器､相间双脉冲桥式､相间采用双脉冲桥式的变频器､三相星形､六脉冲桥式､采用六脉冲桥式的变频器的电路中出现的接地故障进行保护｡
2电动汽车充电设施
2.1概述
电动汽车充电基础设施主要包括各类集中式充(换)电站和分散式充电桩,完善的充电基础设施标准体系是电动汽车普及的重要保障｡电动汽车充电基础设施标准体系包括通用要求､设备接口､通信协议等,涉及的5个主要标准包括:GB/T18487.1—2015《电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》;GB/T20234.1—2015《电动汽车传导充电用连接装置第1部分:通用要求》;GB/T20234.2—2015《电动汽车传导充电用连接装置第2部分:交流充电接口》;GB/T20234.3—2015《电动汽车传导充电用连接装置第3部分:直流充电接口》;GB/T27930—2015《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》｡其中GB/T18487.1—2015标准中4种充电模式分别对应用RCD提出了基本的要求｡
2.2GB/T18487.1—2015标准分析
2.2.1电动汽车充电模式使用条件
充电模式1:模式1充电系统使用标准的插座和插头,能量传输过程中应采用单相交流供电,且不允许超过8A和250V｡在电源侧应使用符合GB2099.1和GB1002要求的插头插座,在电源侧使用了相线､中性线和保护接地导体,并且在电源侧使用了剩余电流保护装置｡从标准插座到电动汽车应提供保护接地导体｡
充电模式2:模式2充电系统使用标准插座,能量传输过程中应采用单相交流供电｡电源侧使用符合GB2099.1和GB1002要求的16A插头插座时输出不能超过13A;电源侧使用符合GB2099.1和GB1002要求的10A插头插座时输出不能超过8A｡在电源侧使用了相线､中性线和保护接地导体,并且采用缆上控制与保护装置(IC-CPD)连接电源与电动汽车｡
充电模式3:模式3应用于连接到交流电网的供电设备将电动汽车与交流电网连接起来的情况,并且在电动汽车供电设备上安装了专用保护装置｡电动汽车供电设备具有一个及以上可同时使用的模式3连接点(供电插座)时,每一个连接点应具有专用保护装置,并确保控制导引功能可独立运行｡模式3应具备剩余电流保护功能｡连接方式A､B､C适用于模式3｡采用单相供电时,电流不大于32A｡采用三相供电且电流大于32A时,应采用连接方式C｡
充电模式4:模式4用于电动汽车连接到直流供电设备的情况,应用于永久连接在电网(电源)的设备和通过电缆与电网(电源)连接为其供电的设备｡模式4可直接连接至交流电网或直流电网｡仅连接方式C适用于模式4｡
2.2.2充电连接方式
电动汽车充电连接方式分为连接方式A､连接方式B和连接方式C,电动汽车充电连接方式如表1所示｡表1分别给出了3种连接方式的定义和连接图｡
2.2.3电动汽车供电设备结构中对RCD的要求
电动汽车交流供电设备宜采用A型或B型RCD,符合GB14048.2—2008､GB16916.1—2014和GB22794—2008的相关要求｡当交流供电设备具有符合GB/T20234标准要求的供电插座或车辆插头时,应具备防故障电流的保护措施:
B型RCD,或A型RCD,或满足符合A型剩余电流保护功能的相关装置｡
3RCD在电动汽车充电系统的应用
为了实现将电动汽车安全可靠地连接至电源系统上,对于所有的充电模式,GB/T18487.1—2015和IEC60364-7-722:2015规定在基本保护和/或故障保护失效时,要求至少由A型RCD提供电击防护｡
根据GB/T18487.1—2015模式2充电的定义,可以从建筑物装置中任何插座取电｡由于不能保证所有现存建筑物装置都配有必要的保护措施如RCD,电动汽车模式2充电的缆上控制与保护电器(IC-CPD)用于电动车充电的必要部分安全进入供电网络且在充电过程中起电击防护作用｡IC-CPD除了具备剩余电流保护功能;在供电导体误接线或断开或高阻抗PE可能引起的不安全情况下,不允许触头闭合;IC-CPD还具有控制导引功能｡
根据GB/T18487.1—2015电动汽车模式3充电的要求,剩余直流电流监视电器(RDCMD),其带一个内部或外部的机械开关电器与交流电动汽车充电站永久连接｡RDCMD额定电压不超过AC440V,额定频率50Hz,60Hz或50/60Hz,额定电流不超过63A｡RDCMD预期在检测到6mA及以上的平滑剩余直流电流时,断开监视电路｡B型RCD本身可以检测剩余平滑直流电流;A型RCD需串联RDCMD,才可以避免由于负载剩余平滑直流电流大于6mA时引起的A型RCD动作特性漂移而不正确动作｡
根据GB/T18487.1—2015电动汽车模式4充电的要求,直流RCD可以对直流充电系统下端提供故障保护,还可以提供直接接触保护｡因此目前国际上已根据电动汽车行业的市场需求,开始立项制定直流剩余RCD(DC-RCD)标准,预留标准号为IEC/TS63053,预计2018年完成该标准的制定｡
综上所述,4种充电模式要求分别安装不同类型的RCD,如表2所示｡
4结语
随着新兴领域的蓬勃发展,RCD的应用和发展也愈来愈广泛｡RCD不仅在传统的家用场所､商用场所､农网和工业领域得到普及,也开始在电动汽车充电系统得到应用,还将用于光伏电气装置､数据中心､电信中心等,对电击事故､电气设备漏电损坏和电气火灾提供有效防护,将对人身安全和财产安全发挥更大的作用｡
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