电动汽车充电桩绝缘自检装置的设计与应用

郭 威，李正哲

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

电动汽车充电桩绝缘自检装置的设计与应用

郭 威，李正哲

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

针对旧国标中现有充电桩没有明确规定绝缘自检功能而存在安全隐患的问题，对比平衡电桥法、不平衡电桥法、直流法3种绝缘检测方法的优缺点，从检测原理、功能、注意事项等方面对绝缘检测装置进行分析，并通过实例验证该装置增加了充电桩充电的安全可靠性。

电动汽车；充电桩；绝缘自检；直流

随着我国经济的发展和环境问题的日益严峻，为了更好的可持续健康的发展国家经济，必须走出一条经济与环境兼顾的道路。在这个大环境下，电动汽车已经成为未来汽车发展的主要趋势。所谓兵马未动粮草先行，电动汽车充电桩成为一个制约电动汽车发展和推广的重要因素。大力发展铺设充电桩势在必行。随着充电桩技术的大力发展，旧的国家标准在实际运用中存在各种漏洞，已经无法满足日益增长的充电需求。直流充电桩充电功率大，充电速度快，且正在大力广泛铺设，因此在安全上要求更高。基于此环境下，新国标对所有直流充电桩增加规范且必要的绝缘检测，确保充电安全。

1 存在问题

因旧国标中未对电动汽车充电桩绝缘自检过程作出明确规定，在电动汽车充电时，充电桩不能进行自身的绝缘检测，存在极大的安全隐患，用户本身安全得不到保障。因此，增加充电桩安全绝缘检测已是充电过程中必不可少的一个重要阶段。

2 绝缘检测方法

在一般情况下，直流系统一点接地并不影响直流系统的运行，但是，如果不及时找出故障点并予以修复，当发生另一点接地故障时，就可能引起重大事故。为了保障直流系统的安全可靠运行必须对其绝缘情况进行在线检测，当某一点发生接地故障时，应立即发出警告信号并指示故障支路。检测正负直流母线对地电压，通过对地电压计算出正负母线对地绝缘电阻。当绝缘电阻低于设定的报警值时，发出报警信号并自动启动支路巡检功能。

母线对地绝缘电阻检测主要有平衡电桥法和不平衡电桥法。支路对地绝缘电阻检测主要有交流法和直流法，在此只作直流法的详解。

2.1 平衡电桥法

平衡电桥法只能检测不平衡接地。当一端接于直流系统正负母线，另一端接地的2个电阻阻值相同时，平衡桥上的2个电阻用于维持直流系统正负母线对地电压相等，其原理如图 1所示。

图1 平衡电桥检测原理

当Rx=Ry=∞时(无接地)，有V1=110 V、V2=-110 V；

当Ry=∞时(单端接地)，由V1、V2通过解方程(1)，可得接地电阻Rx。

(1)

当Rx=Ry≠∞时(平衡接地)，有V1=110 V、V2=-110 V，不能检测；

当Rx≠Ry≠∞时(双端接地)，将Rx、Ry中较大的一个视为无穷大，按单端接地求解，Rx、Ry的实际值越接近，测量误差越大。

2.2 不平衡电桥法

不平衡电桥检测是由主机内部2个阻值相等的对地电阻通过电子断路器K1、K2按照一定的开合顺序接地，其原理图如图2所示。

图2 不平衡桥检测原理

该方法测量过程如下：

K1闭合，K2断开，测得V1、V2，得方程(2)：

(2)

K1断开，K2闭合，测得V1、V2，得方程(3)：

(3)

解联立方程(2)、(3)，可求得正母线接地电阻Rx、Ry。

2.3 直流法

漏电流法通过漏电流传感器进行检测，所测出的漏电流是支路的流入和流出电流的差值，其基本原理为直流法，直流法检测原理见图3。

图3 直流法检测原理

如3所示，采用直流漏电流传感器，不需注入交流信号。测量时分别投入R1、R2(不平衡电桥法)，当支路接地时可测得支路正负出线的电流差，根据欧姆定律求得支路接地电阻。

对于支路单端接地，如图4中的正极接地，此时支路上直流漏电传感器测得电流即为流过该支路正接地电阻的电流，结合测得的母线正对地电压，即可求得该支路接地电阻。

图4 支路单端接地

3 绝缘检测方法对比

3.1 平衡电桥法

优点：平衡电桥法测量正负母线对地的静态直流电压，因此母线对地电容的大小不影响测量精度；由于不受接地电容的影响，因此检测速度快。

缺点：双端接地时，测量误差较大；不检测平衡接地。

3.2 不平衡桥法

优点：能检测单端接地、双端接地、平衡接地。

缺点：测量中需要正负母线分别对地投电阻，正负母线对地电压是变化的。每次投入电阻后需要延时，等待母线对地电压稳定，检测速度比平衡电桥法慢；受母线对地电容影响。

3.3 直流法

优点：无需向母线注入交流信号；不受接地电容的影响；能识别接地母线的极性；能测量双端接地。

缺点：直流漏电流传感器成本较高。

4 绝缘检测装置分析

通过对上述几种绝缘检测方法以及优缺点的对比分析，现采用母线绝缘检测方法--不平衡电桥法对绝缘检测装置进行设计并应用于电动汽车充电桩。

4.1 绝缘检测装置原理

绝缘检测装置的绝缘状况用直流正负母线对地的绝缘电阻来衡量，其值必须符合国家标准。测量原理如图5所示，其中Vb为蓄电池电压，Rp和Rn分别代表了正、负母线对地的绝缘电阻，虚线框图外部为绝缘检测装置绝缘电阻的检测电路模型，其中R0为标准偏置电阻，R0、S1和S2构成一个偏置电阻网络。R1和R2，R3和R4构成了测量分压电路，Vp为正极对地电压，Vn为负极对地电压。

在测量时，首先断开S1和S2，获得正、负母线对地的电压值Vp和Vn，然后根据Vp和Vn的大小来确定R0是和Rp并联还是和Rn并联。

如果所测的Vp值大于或等于Vn值，则闭合断路器S1，断开断路器S2，测得一组正、负母线对地电压值V'p和V'n；由电路原理可得直流高压系统的绝缘电阻值Ri的计算公式，如下所示：

图5 绝缘检测装置原理

(4)

(5)

联立公式(4)和(5)解得

(6)

由于Vp≥Vn，则Rp≥Rn，故Ri取阻值较小的Rn即可。同理，当所测的Vp值小于Vn值时，可得相应绝缘电阻值。

4.2 绝缘检测装置功能

硬件检测交流窜电(交流串入直流回路)，交流窜入直流回路对继电保护装置、自动装置以及直流系统接入设备具有很大的破坏作用。交流电压采样端有反向二极管，当检测到下半波时表示有交流窜电。

试验中检测交流窜入波形如下所示：母线正搭接交流的L或者N线之后，母线正对地波形如图6所示。

图6 母线正对地波形

母线正搭接交流的L或者N线之后，母线负对地的波形如图7所示。

图7 母线负对地波形

交流窜入时，母线之间的电压(母线正对负的电压)不会变化，但是母线正对地和负对地电压都变成了交流信号，正对地和负对地之间的差还是母线电压。目前只能检测到有交流，无法采样具体交流值。因此，当检测到交流窜电时，充电桩应能立即停止充电，以此为基础增加的绝缘检测功能即当直流信号变为交流信号时，二极管连通，此时即为发生交流窜入，充电桩立即停止充电。

4.3 绝缘检测注意事项

a. 1条母线上只能有1对平衡电阻如果平衡电阻个数多余1对，绝缘接地电阻计算会不准确，容易产生误告警。

b. 1条母线上只能有1个绝缘监控开启投切功能。

c. 在模拟交流窜入的实验时，一定不要把交流的L和N线同时接到直流系统的正负母线上，这样非常危险。只能将L或者N线的其中1个搭接到直流系统上。

5 应用情况及效果

5.1 应用情况

绝缘检测装置可以将接地故障定位在少数供电回路，提高接地故障处理速度，减轻劳动，缩短接地周期，使直流充电桩运行更加安全。按照新国家标准要求，各厂家积极配合，已对各高速服务区双侧充电站、城市充电站以及将要建设的充电站进行绝缘检测装置的安装，避免因绝缘故障问题而导致安全隐患。

5.2 应用效果

改造前检测人员通过示波器对某站某桩的充电过程进行检测，截取充电桩充电时序如图8所示。

图8 改造前充电时序

此桩中主回路电压图中2通道所示，输入源电压(汽车电池电压，具体数值因不同车型有所不同，本次试验采用400 V)后启动充电桩，充电桩检测到源电压后直接加载电流启动充电。在未进行绝缘自检的情况下直接启动充电，对安全性有很大影响。如果出现绝缘故障发生漏电，对用户安全会造成极大威胁。

基于绝缘检测装置原理对旧充电桩进行绝缘自检改造增加主控模块，截取充电桩充电时序如图9所示。

图9 改造后充电时序

由图9可以清晰的看到，主回路电压图中2通道所示，在充电桩启动充电前，首先通过绝缘检测装置增加了1个自检电压(约500 V)，之后电压完全泄放，自检过程结束。待自检通过之后闭合主回路K1、K2开关，充电桩检测到源电压并与电动汽车握手成功，最后正常启动充电。

6 结束语

基于绝缘检测原理，对充电桩增加绝缘检测装置主控模块，在其启动充电前进行绝缘自检，排除绝缘故障。在绝缘性良好的情况下，充电桩进入与电动汽车握手阶段，并启动充电。此功能增加了充电桩充电的安全性，避免由于绝缘故障引发的安全事故，防患于未然。

本文责任编辑：王丽斌

Design and Application of Isolation Self-checking Device of Charging Piles

Guo Wei，Li Zhengzhe

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021,China)

For the problem of potential safety hazard caused by the lack of specific regulations of old Chinese Standard charging piles' isolation self-checking function,we compare the merits and drawbacks of the method of bridge balancing,the method of bridge imbalance and the method of direct current isolation cheking. We analyse the isolation cheking device in checking principle,function and matters needing attention.In addition, we validate the charging safety and reliability of device by examples.

electric car; charging pile; insulation detection;DC

U469.72;TM910.6

:B

:1001-9898(2017)04-0016-04

2017-02-07

郭 威(1985-)，男，工程师，主要从事电力营销管理工作。