电动汽车非车载直流充电设备绝缘配合测试方法研究

冯瑾涛，曹元威，李宗原，朱洋洋



电动汽车非车载直流充电设备绝缘配合测试方法研究

冯瑾涛，曹元威，李宗原，朱洋洋

(许昌开普检测研究院股份有限公司, 河南 许昌 461000)

电动汽车非车载直流充电设备绝缘配合的要求在相应的新的国家标准和老的行业标准中不一致。通过研究电动汽车充电设备目前正在执行的相关标准以及电气绝缘配合相关的基础标准要求，总结了电动汽车非车载直流充电设备在绝缘配合的设计和产品质量检验过程中的各个参数之间选用的方法，为非车载直流充电设备的设计和应用提供依据。

电动汽车；充电设备；绝缘配合

0 引言

目前电动汽车非车载直流充电设备的绝缘配合相关试验项目主要参考了NB/T 33001-2010《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》，NB/T 33008.1-2013《电动汽车充电设备检验试验规范第1部分：非车载充电机》中规定了有关电气间隙和爬电距离、绝缘性能试验、绝缘强度试验、介电强度试验、冲击耐压试验等实验项目，另外在GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》中也规定了绝缘电阻、介电强度和冲击耐压的要求。这些要求在非车载直流充电设备从设计到现场应用过程中，各个绝缘相关参数之间到底如何合理地配合，需要对相关的绝缘配合的标准体系进行系统的研究。

1 主要试验项目参数介绍

NB/T 33001-2010及NB/T 33008.1-2013要求如表1[1-2]所示，GB/T 18487.1-2015要求如表2[3]所示。

通过对比表1和表2的试验电压要求，其中关键的试验参数包含了额定绝缘电压、绝缘电阻试验仪器的电压等级、介电强度试验电压、冲击耐压试验电压等，这些参数主要来源于标准的规范性引用文件中的国家标准GB/T 16935.1-2008《低压系统内设备的绝缘配合第1部分：原理、要求和试验(IEC 60664-1:2007, IDT)》，后又在GB/T 18487.1-2015中对原有的测试项目要求和范围进行了修改和增补。

2 绝缘配合的几个关键参数

绝缘配合相关参数很多，其中主要的有标称电压、额定绝缘电压、额定冲击电压、电气间隙、爬电距离、固体绝缘的工频耐受电压、局部放电等。这些参数互相之间有各种关联，如额定冲击电压与额定绝缘电压有关，通过施加额定冲击电压的试验电压来验证电气间隙，额定冲击电压在不同的电压类别的应用，爬电距离与电气间隙的关系，爬电距离又涉及污染等级、材料组别、相比漏电起痕指数(CTI)等。这些关键参数的定义可参考GB/T 16935.1-2008。

表1 NB/T 33001-2010及NB/T 33008.1-2013绝缘试验的试验等级

表2 GB/T 18487.1-2015绝缘试验的试验电压

3 额定绝缘电压的确定方法

额定绝缘电压是指制造商对设备或其他部件规定的耐受电压有效值，以表征其绝缘规定的(长期)耐受能力。

GB/T 16935.1-2008中关于长期作用电压的确定如下：

1) 直接由低压电网供电的设备

GB/T 16935.1-2008表F.3a和表F.3b中已经将低压电网的标称电压转化为合理化电压，此电压可以作为选定爬电距离的电压最小值，也可用来选定设备的额定绝缘电压。

这两个附表规定了单相(三线或二线)交流或直流系统、三相(四线或三线)交流系统中电源系统的标称电压和线对线绝缘电压、线对地绝缘电压之间的对应关系。

另外在标准中规定了如果电气设备有几个额定电压使用在不同标称电压的低压电网中，那么这种设备的额定绝缘电压应选取其最高额定电压[4]。

2)非直接由低压电网直接供电的系统、设备和内部电路

系统、设备和内部电路中的基本绝缘应考虑各自可能出现的最高有效值电压。此电压的确定要考虑电源标称电压以及设备在额定值范围内其他条件的最严重的组合情况。

电动汽车充电设备是直接由低压电网供电的系统，因此应按照直接由低压电网供电的设备的要求进行额定绝缘电压的确定。直流充电机常用的交流供电电压为三相AC380 V，交流充电桩常用供电电压为三相AC380 V或单相AC220 V。根据表2所示，单相AC220 V标称电压所属的额定绝缘电压区间明确为60 V＜U≤300 V，但是三相供电的交流和直流充电桩其额定绝缘电压到底如何划分？是划到60 V＜U≤300 V区间或者300 V＜U≤700 V额定绝缘电压区间？

根据GB/T 16935.1-2008的4.3.2.2.1要求，各产品标准技术委员会应考虑如何选定电压：以“线对线”电压为基础，或以“线对中性点”电压为基础。对于选定“线对中性点”电压为基础，那么产品标准技术委员会应规定如何使用户知道该设备只能用于中性点接地系统中的方法。

由此看来，GB/T 18487.1-2015标准中并未规定到底是以线对线电压或线对中性点电压为基础。在产品设计和应用时，我们可以参考GB/T 16935.1-2008的附录B，其中不管是单相AC220 V还是三相AC380 V，其从交流或直流标称电压导出线对中性点电压均划分在300 V一档，对应的额定冲击电压也是一样的。通过了解目前市场常见非车载直流充电设备的结构，其充电模块多采用高频开关电源模块并联的方式供电，而三相供电的高频开关电源一般只需要三相线和地线即可正常工作，但是对于整个充电系统，每个充电桩都配置的有三相线、中性点线、地线，由于其系统内部有部分控制设备要从单相交流电取电，需要使用到中性点。在此基础上我们确定额定绝缘电压时，应将整个系统考虑在内，将单相AC220 V，三相AC380 V划入60 V＜U≤300 V额定绝缘电压范围，从而选择介电强度试验电压、冲击耐压试验电压、确定电气间隙的标准要求值、确定爬电距离的标准要求值等各种绝缘配合相关的参数都是从确定额定绝缘电压开始的。

4 介电强度试验电压和冲击耐压试验电压的确定方法

1)介电强度试验电压

介电强度试验电压是在额定绝缘电压基础上，选择合适的试验电压来进行固体绝缘的工频耐受电压试验，但需要注意的是在介电强度试验时，如果采用工频交流进行介电强度试验，在具有高电容的电容器与进行电压试验的部件并联的情况下，由于充电电流可能超过高压试验器(200 mA)的容量，此时进行交流电压试验是困难的甚至不可能的，如果是后一种情况，试验前宜将并联的电容器拆开，如还不行，可考虑直流试验，直流试验的电压即为工频交流电压的峰值。因此，标准中如“2.0(2.8) kV”的试验电压实际上指的是工频交流试验电压2.0 kV，2.8 kV指的是直流试验电压。

2) 冲击耐压试验电压

冲击耐压试验电压确定的基础是额定绝缘电压以及使用在不同环境的设备可能造成的瞬时过电压的过电压类别。

GB/T 16935.1-2008的4.3.3.2.2 直接由电网供电的设备各产品标准技术委员会应以下列过电压类别的基本说明为基础来确定过电压类别(也可见IEC 60364-4-44中443)。

过电压类别主要考虑设备使用的环境，可能会出现的过电压，通过不同的分级，在产品设计时应考虑应用场合与过电压类别一致[5]，避免因过电压造成设备安全隐患。

GB/T 16935.1-2008中在不同的过电压类别下额定冲击电压选择见表3[6]。

GB/T 18487.1-2015中第10.4条规定：仅用于室内的供电设备设计可在最小过压类型Ⅱ的环境中运行；用于室外的供电设备应设计可在最小过压类型Ⅲ的环境中运行。

表3直接由低压电网供电的设备额定冲击电压

Table 3 Rated impulse voltage of equipment directly supplied by low voltage grid

如果根据表3要求，我们以充电设备通用的三相供电系统为例，按照GB/T 18487.1-2015的相关要求，室内使用的供电设备按照过电压类别Ⅱ，额定绝缘电压按照GB/T 16935.1-2008要求在“230 V/400 V”电压等级时，冲击电压应为2500 V，与GB/T 18487.1-2015第11.3条要求一致。当室外的供电设备按照过电压类别Ⅲ，额定绝缘电压按照GB/T 16935.1-2008要求在“230/400”电压等级时，额定冲击电压应为4000 V。NB/T 33001-2010及NB/T 33008.1-2013要求冲击耐压试验电压为5000 V，那么这个5000 V从哪里来呢？关于冲击电压5000 V的由来，我们不得不说的是标准体系的建立和传承：NB/T 33001-2010制定的时候，参考的标准是电力电源相关标准GB/T 19826-2005、JB/T 5777.4-2000，该两项标准的相关试验方法引用了GB/T 7261-2000，那么GB/T 7261-2000引用了GB/T 14598.3-1993，GB/T 14598.3-1993在2006年被GB/T 14598.3-2006替代，在GB/T 14598.3-2006前言中有介绍“为了有效的进行试验，本标准规定了用5 kV作为合理的试验电压，它适用于通过电流互感器和电压互感器直接激励的继电器或直接联接于站内直流源的情况。”因此5000作为插值在直流电源系统上应用是有出处的。NB/T 33001-2010对于额定冲击电压要求高于GB/T 16935.1-2008的要求，但在GB/T 18487.1-2015中第11.3条规定的冲击耐压试验电压中，并未区分过电压类别，从而造成对于室外的供电设备按照过电压类别Ⅲ设计时的额定冲击电压低于国家标准GB/T 16935.1-2008的要求，由此在充电设备绝缘配合设计和冲击电压试验时，应至少满足国家标准GB/T 16935.1-2008的要求，这也是电动汽车非车载直流充电设备在设计和应用过程中需要注意的地方[7]。

5 电气间隙和爬电距离确定方法

确定电气间隙，需要考虑到冲击耐受电压、均匀电场和非均匀电场、污染等级、气压等参数。

确定爬电距离则需要考虑额定绝缘电压、污染等级、材料组别等参数，绝缘材料的材料组别等参数。

确定绝缘材料的材料组别，则通过测定“相比漏电起痕指数(CTI)[8]”，其测定方法可参考GB/T 4207，根据测定CTI的结果在不同的数值区间来划分具体的材料组别，不同的材料组别要求的爬电距离也不一样，基本的原则是绝缘材料耐电压值越高，对材料相对要求的爬电距离越小。污染等级在GB/T 16935.1-2008中也有明确规定，分类方法主要考虑污染情况；仅有干燥的、非导电性污染，短暂的导电性污染，持久导电性污染、凝露、导电尘埃。

GB/T 18487.1-2015中第14.1.4条规定了污染等级：室外使用为污染等级3；室内使用为污染等级2；室内暴露于污染的工业环境为污染等级3；额定绝缘电压、额定冲击电压均确认之后，就需要对绝缘材料进行CTI的测定，从而确定充电设备的电气间隙和爬电距离在GB/T 16935.1-2008中的确切要求。需要注意的是如果是用在特殊的高原环境，需要考虑气压的影响，从设计上需要考虑海拔修正系数。

NB/T 33008.1-2013中规定了电气间隙和爬电距离的相关要求，该要求参考了GB/T 19826-2005的指标，但是GB/T 19826中关于直流电源的应用环境和电动汽车充电设备的要求是不一样的，因此，在充电设备电气间隙和爬电距离设计时应直接参考GB/T 16935.1-2008的要求。

6 结论

在电动汽车非车载充电设备进行绝缘配合设计和试验时，需要结合NB/T 33001-2010、NB/T 33008.1-2013、GB/T 18487.1-2015以及GB/T 16935.1-2008。当产品行业标准中关于绝缘配合的参数不明确的地方，需要参考相应的国家标准或相关产品行业标准；产品标准中某些参数低于国家标准要求的，在设计上宜满足国家标准要求；产品标准中某些参数高于国家标准的，应满足产品标准要求[9-10]。

[1] NB/T 33001-2010电动汽车非车载传导式充电机技术条件.

[2] NB/T 33008.1-2013电动汽车充电设备检验试验规范第1部分非车载充电机.

[3] GB/T 18487.1-2015 电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求.

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[6] GB/T 16935.1-2008低压系统内设备的绝缘配合第1部分：原理、要求和试验.

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Study on the insulation and test method of non-vehicle-mounted dc charging equipment for electric vehicles

FENG Jintao, CAO Yuanwei, LI Zongyuan, ZHU Yangyang

(Xuchang KETOP Testing Research Institute Co., Ltd, Xuchang, 461000 China)

The requirements for the insulation coordination of non-vehicle-mounted DC charging equipment in electric vehicles are inconsistent in the corresponding new national standard and the old industry standard. By studying the relevant standards currently being implemented in EV charging equipment and the basic standard requirements related to electrical insulation coordination. In this paper, the design of non-vehicle-mounted DC charging equipment in electric vehicles and the method of selecting each parameter in the process of product quality inspection are summarized. This provides the basis for the design and application of non-mounted DC charging equipment.

electric vehicle; charging equipment;insulation coordination

2017-08-10

冯瑾涛(1980—)，男，本科，工程师，从事光伏发电设备及电动汽车充换电设备的产品检验及标准研究工作；E-mail: fengjintao@ketop.cn

曹元威(1986—)，男，本科，工程师，从事电动汽车充换电设备及电动汽车传导充电用连接装置的产品检测及标准研究工作；

李宗原(1987—)，男，本科，工程师，从事光伏发电设备及电动汽车充换电设备的产品检验及标准研究工作。