电动汽车充电桩中的漏电保护应用分析 RCD的分类和选型
作者： john fang（magtron marketing）
一、漏电流的产生分类
一般漏电流分为四种，分别为：半导体元件漏电流、电源漏电流、电容漏电流和滤波器漏电流
1、半导体原件漏电流
pn结在截止时流过的很微小的电流。d-s正向偏置，g-s反向偏置，导电沟道打开后，d到s才会有电流流过。但实际上由于自由电子的存在，自由电子的附着在sio2和n+、导致d-s有漏电流。
图1.1.1 带igbt开关逆变中的漏电流
2、 电源漏电流
开关电源中为了减少干扰，按照国标，必须设有emi滤波器电路。由于emi电路的关系，使得在开关电源在接上市电后对地有一个微小的电流，这就是漏电流。如果不接地，计算机的外壳会对地带有110伏电压，用手摸会有麻的感觉，同时对计算机工作也会造成影响。
3、 电容漏电流
电容介质不可能绝对不导电，当电容加上直流电压时，电容器会有漏电流产生。若漏电流太大，电容器就会发热损坏。除电解电容外，其他电容器的漏电流是极小的，故用绝缘电阻参数来表示其绝缘性能;而电解电容因漏电较大，故用漏电流表示其绝缘性能（与容量成正比）。
对电容器施加额定直流工作电压将观察到充电电流的变化开始很大，随着时间而下降，到某一终值时达到较稳定状态这一终值电流称为漏电流。i=kcu（μa）;其中k值为漏电流常数，单位为μa（v·μf）
图1.3.1 电源y电容、emi及漏电流之间的三角关系
4、 滤波器漏电流
电源滤波器漏电流定义为：在额定交流电压下滤波器外壳到交流进线任意端的电流。
如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的，则漏电流的值主要取决于共模电容cy的漏电流，即主要取决于cy的容量。
由于滤波器漏电流的大小，涉及到人身安全，国际上各国对它都有严格的标准规定，对于是220v/50hz交流电网供电，一般要求噪声滤波器的漏电流小于1ma。
图1.4.1 电磁兼容滤波器中的漏电流
二、 系统漏电检测原理
大多数技术人员对接地故障电流检测的gfci传感器非常熟悉，其检测原理如下图：
图2.1.1
一个三相系统，芯片式rcmu（漏电流监控单元）被放置在母线上，最重要的是三根母线都随机穿过rcmu的中间线孔。图示系统没有中线，是三相三线交流系统。如果是三相四线的系统，若中线上不走电流，中线也可不必穿过rcmu。假设一个连接到一个480 / 277vac系统10a负载，rcmu将同时测量它。根据基尔霍夫定律，传入和传出的电流会互相抵消。三根母线的电流矢量和应该为零。从图中可知，不考虑方向的情况下：10a - 5a - 4a = 1a，也就是此事该系统线路上的漏电流值为1a。rcmu基于芯片式的设计原理，与无源的互感器区别是：对于不同的漏电成分都能够检测，属于type-b rcmu。说到这里，简单的回顾下漏电流类型。
1）ac 型漏电保护器：
ac 型漏电保护器是针对工频正弦漏电电流研发设计的，对突然施加及缓慢上升的正弦漏电电流都能可靠保护。
2）a 型漏电保护器：
a 型漏电保护器除对正弦漏电信号能够可靠保护外，还能对含有脉动直流分量的漏电信号进行可靠保护。
3）b 型漏电保护器：
b型漏电保护器对正弦交流信号、脉动直流信号和平滑信号都能可靠保护
三、电动汽车充电桩中的漏电流保护应用
1、电动汽车充电桩一共有4种模式：
1）模式一：
图 3.1.1
•充电不受控制
•电源接口：普通电源插座
•充电接口：专用充电接口
•in≤8a；un:ac 230，400v
•电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体
电气安全依赖供电电网的安全保护，安全性差，gb/t 18487.1-2标准中予以淘汰
2） 模式二：
图 3.1.2
•充电不受控制
•电源接口：普通电源插座
•充电接口：专用充电接口
•in《16a；un:ac 230
•功率与电流：2kw（1.8kw）8a 1ph；3.3kw（2.8kw）13a 1ph
•接地保护，过流（超温）
•电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体
•带保护装置/控制的功能
电气安全依靠供电电网的安全基本保护和ic-cpd的保护
3） 模式三：
图 3.1.3 连接方式b
图 3.1.4 连接方式c
•输入电源：低压交流电
•充电接口：专用充电接口
•in《63a；un:ac 230，400v
•功率与电流3.3kw 16a 1ph；7kw 32a 1ph；40kw 63a 3ph
•接地保护过流
•电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体
•带保护装置/控制的功能，插头集成在充电桩上
电气安全基于专用充电桩及桩-车之间的引导检测
4） 模式四：
图 3.1.5
图 3.1.6
控制充电
•站桩式充电机
•功率15kw，30kw，45kw，180kw，240kw，360kw（充电电压和电流依赖于模块大小）
•带监测保护装置/控制的功能集成到桩上
•内置的充电站充电电缆
如图3.1.7四种充电模式中的漏电流保护点：
图3.1.7
2、针对充电桩中的结构区分为：
1） 模块式的漏电保护设计方法
举例讨论模式二的充电桩，也称之为ic-cpd（线上充电引导盒）和模式三的漏电保护应用，实物如图3.2.1
图3.2.1
根据目前iec62752的漏电保护要求，其可设采用type a模块+直流6ma的模块来或者直接type b漏电流传感器进行保护。对于模式二ic-cpd的设计体积要求，目前基本上都采用type b的rcmu进行设计。如图3.2.2 magtron type b的rcmu设计应用方案
图3.2.2
对于模式三交流桩，针对功率小的单相桩，同样可以采用模块式type b型的漏电流传感器进行保护，其效果等同于b型rccb。如图3.2.3
图3.2.3
2） rcd断路器保护设计方法
对于功率较大的充电桩，模块式的漏电流传感器满足不了原边母线上的大电流电通过，由于大功率桩内体积相比要求不高，可以直接选用b型的rccb进行保护如图3.2.4。但是，目前普遍的b型rccb成本相对较高，也可以暂时选用type a/type f＋dc 6ma的模式如图3.2.5进行保护。
图3.2.4
图3.2.5
这里借鉴本人之前的文章重新回顾rcd的分类和选型
四、rcd的分类
1、根据级数和电流回路数分
单级两个电流回路、二级、三级、三级四个电流回路、四级rcd
2、rcd按防误动作性能有如下分类
正常耐误脱扣能力的rcd（一般型）
增强耐误脱扣能力的rcd（s型）
3、根据（出现剩余电流时）延时分
无延时的rcd
有延时的rcd
4、根据有直流分量的工作状况分
ac型rcd
a型rcd
5、单相220v电路，选用2p或1p+n型
图 5.1.1
6、三相三线制380v电源供电的电气设备，选用三级三线制（3p）rcd
图 6.1.1
3p型rcd只能用于无中性线的三相三线配电系统中
7、三相四线制380v电电源的电气设备，或单项设备和三相设备公用的电路，应选用三极四线制（3p+n），或四极四线制（4p）的rcd
总而言之，电动汽车充电桩中最终的保护方式都将严格执行type b型的保护要求。
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1、半导体原件漏电流
pn结在截止时流过的很微小的电流。d-s正向偏置，g-s反向偏置，导电沟道打开后，d到s才会有电流流过。但实际上由于自由电子的存在，自由电子的附着在sio2和n+、导致d-s有漏电流。
图1.1.1 带igbt开关逆变中的漏电流
2、 电源漏电流
开关电源中为了减少干扰，按照国标，必须设有emi滤波器电路。由于emi电路的关系，使得在开关电源在接上市电后对地有一个微小的电流，这就是漏电流。如果不接地，计算机的外壳会对地带有110伏电压，用手摸会有麻的感觉，同时对计算机工作也会造成影响。
3、 电容漏电流
电容介质不可能绝对不导电，当电容加上直流电压时，电容器会有漏电流产生。若漏电流太大，电容器就会发热损坏。除电解电容外，其他电容器的漏电流是极小的，故用绝缘电阻参数来表示其绝缘性能;而电解电容因漏电较大，故用漏电流表示其绝缘性能（与容量成正比）。
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4、 滤波器漏电流
电源滤波器漏电流定义为：在额定交流电压下滤波器外壳到交流进线任意端的电流。
如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的，则漏电流的值主要取决于共模电容cy的漏电流，即主要取决于cy的容量。
由于滤波器漏电流的大小，涉及到人身安全，国际上各国对它都有严格的标准规定，对于是220v/50hz交流电网供电，一般要求噪声滤波器的漏电流小于1ma。
图1.4.1 电磁兼容滤波器中的漏电流
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图2.1.1
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1）ac 型漏电保护器：
ac 型漏电保护器是针对工频正弦漏电电流研发设计的，对突然施加及缓慢上升的正弦漏电电流都能可靠保护。
2）a 型漏电保护器：
a 型漏电保护器除对正弦漏电信号能够可靠保护外，还能对含有脉动直流分量的漏电信号进行可靠保护。
3）b 型漏电保护器：
b型漏电保护器对正弦交流信号、脉动直流信号和平滑信号都能可靠保护
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•充电接口：专用充电接口
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•功率与电流3.3kw 16a 1ph；7kw 32a 1ph；40kw 63a 3ph
•接地保护过流
•电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体
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2、针对充电桩中的结构区分为：
1） 模块式的漏电保护设计方法
举例讨论模式二的充电桩，也称之为ic-cpd（线上充电引导盒）和模式三的漏电保护应用，实物如图3.2.1
图3.2.1
根据目前iec62752的漏电保护要求，其可设采用type a模块+直流6ma的模块来或者直接type b漏电流传感器进行保护。对于模式二ic-cpd的设计体积要求，目前基本上都采用type b的rcmu进行设计。如图3.2.2 magtron type b的rcmu设计应用方案
图3.2.2
对于模式三交流桩，针对功率小的单相桩，同样可以采用模块式type b型的漏电流传感器进行保护，其效果等同于b型rccb。如图3.2.3
图3.2.3
2） rcd断路器保护设计方法
对于功率较大的充电桩，模块式的漏电流传感器满足不了原边母线上的大电流电通过，由于大功率桩内体积相比要求不高，可以直接选用b型的rccb进行保护如图3.2.4。但是，目前普遍的b型rccb成本相对较高，也可以暂时选用type a/type f＋dc 6ma的模式如图3.2.5进行保护。
图3.2.4
图3.2.5
这里借鉴本人之前的文章重新回顾rcd的分类和选型
四、rcd的分类
1、根据级数和电流回路数分
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3、根据（出现剩余电流时）延时分
无延时的rcd
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4、根据有直流分量的工作状况分
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a型rcd
5、单相220v电路，选用2p或1p+n型
图 5.1.1
6、三相三线制380v电源供电的电气设备，选用三级三线制（3p）rcd
图 6.1.1
3p型rcd只能用于无中性线的三相三线配电系统中
7、三相四线制380v电电源的电气设备，或单项设备和三相设备公用的电路，应选用三极四线制（3p+n），或四极四线制（4p）的rcd
总而言之，电动汽车充电桩中最终的保护方式都将严格执行type b型的保护要求。
华为Mate20X(5G)8月16日正式开售，看来5G时代真的已经到来
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