浅谈Y电容对充电桩电气安全的影响

任高全，贺 春，陈 卓



浅谈Y电容对充电桩电气安全的影响

任高全，贺 春，陈 卓

(许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000)

充电桩的安全问题受到越来越多的关注，Y电容是引起充电桩绝缘监测(IMD)误报警及充电桩漏电的一个原因。研究了Y电容容值大小与充电桩漏电及充电桩绝缘监测(IMD)误报警之间的关系，采用了电容器的脉冲放电原理分析及实验验证的方法，得到了漏电流与Y电容的关系曲线，得到了Y电容容值大小是影响充电桩电气安全的因素。

Y电容；绝缘监测；漏电流；阻抗特性

0 引言

发展电动汽车是落实国家能源战略、大气污染防治和节能减排政策的重大战略举措，是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路[1-2]。国家高度重视新能源汽车及充电设施产业发展，将充电基础设施纳入城市新型基础设施，出台多项政府文件，推动充电设施建设。

在政策体系的支撑下，我国电动汽车产业已经从导入期迈入平稳增长期。截止2017年底，我国电动汽车保有量已超过100万辆，居世界第一位。充电基础设施是电动汽车推广应用的基础和保障，我国已经建成覆盖城市公共领域、高速沿线、私人小区、单位内部等区域的充电服务网络，并通过智能服务平台初步实现了全国充电基础设施信息、支付互联互通，基本满足了当前电动汽车用户的充电需求[3-4]。

随着电动汽车的普及，充电桩的使用会越来越频繁，充电桩在整个使用生命周期的电气安全就显得尤为重要，将对Y电容对绝缘监测(IMD)装置的影响及充电桩Y电容大小与漏电流的关系的影响研究。

1 Y电容对绝缘监测(IMD)的影响

目前而言，车辆上的绝缘监测装置普遍采用变频探测法和平衡电桥法。

1.1 Y电容对采用变频探测法的绝缘监测装置(IMD)的影响

在充电桩直流输出母线和地之间交替注入两个同幅值不同低频率的交流信号，其等效原理图如图1所示。

图1 变频探测法原理图

正常的充电过程中，车上的IMD装置通过耦合电容注入一个交流信号到充电桩的输出端，然后通过采集该交流信号形成的电压来判断输出正极或者输出负极对地绝缘电阻R，经过公式推导(推导过程略)可得

如果绝缘破坏，R变小，此时交流信号的电压幅值就会下降。这样就能判定出充电桩的绝缘状况。

由于充电桩输出与地之间存在Y电容Cy，根据电容电阻组合电路的模型特性，由公式(1)可知，反馈回IMD的信号会存在的滞后及幅值下降，这样就会存在充电机绝缘正常的情况下IMD误报绝缘阻抗低的风险[3-5]。

1.2 Y电容对采用平衡电桥法的绝缘监测装置(IMD)的影响

平衡电桥法的绝缘监测装置由测量部分和信号部分组成，原理图如图2所示。

图2 平衡电桥法绝缘监测装置原理图

图2中R1与R2阻值相同(通常选用R1=R2= 1 000 Ω)，R+与R-是正、负极对地绝缘电阻，正常时，R+与R-阻值相同[6-8]。

在充电过程中，当正极或者负极绝缘下降时，信号继电器发出信号，通过电压表分别测量正极对地、负极对地的电压来判断那一极绝缘下降，但是因为Y电容的存在，会影响到电压表的测量值，从而造成IMD不能正常工作，会出现绝缘降低的情形下，无法报出绝缘故障，给使用者带来潜在的安全隐患。

通过对以上两种绝缘监测的方法分析，我们可以得知，不管是采用变频探测法，还是电桥法，因为Y电容的影响，都存在弊端，建议采用差流检测方法，直接采样直流漏电流信号，无需注入交流信号，不受Y电容的影响。

2 Y电容对于充电桩漏电的影响

2.1 理论分析

在充电桩输出正负极中的其中一级已经有绝缘故障的情况下，例如正极有绝缘故障，由于Y电容造成IMD不能正常工作，无法及时发现绝缘故障，此时人若是触碰到了负极，则正极至地至人至负极就形成了一个通电回路，人就处于触电状态了。

人受到伤害的程度取决于Y电容的容值大小。容值越大，其储存的能量越高，对人体的伤害就越大，如图3所示，电容上面的电荷会完全通过人体放掉。

图3 电容对人体放电原理图

根据电容的特性，电容被充满电后，电容储存的电场能为

人体接触到电容的两极，如图3所示，那么人体就充当了电容的放电电阻，就有脉冲电流流经人体，人体就会有触电的危险，电容器的C越大，充电电压UC越高，其储存的电场能就越大，人体触电的危险程度也会增大，电容器放电是以脉冲电流的形式流经人体，其放电曲线如图4所示。

表1 电容电压随时间的衰减值

图5 短脉冲电流对人体的危害

图5中，① 区域为无感觉效应区，② 区域为感觉效应区，③ 区域为疼痛效应区，曲线B1以下的区域为不发生室颤的区域，曲线B1与B2之间的区域为5%概率室颤值区域，曲线B2与B3之①间的区域为50%概率发生室颤值区域，B3曲线以上的区域为50%以上概率室颤值危险区域[12-16]。

若＞20 ms，属于长脉冲电流，其对人体的效应应与工频电流(有效值)的触电效应相似，即按交流电对人体的危害分析，见表2。

2.2 试验验证

表2 交流电对人体的危害等级

更换一只50 μF的Y电容，那么=RC=50 ms，故电流通过人体的持续时间为150 ms属于长脉冲电流，那么放电峰值电流为250 mA，放电有效值为102.1 mA，此时人出现呼吸麻痹。

3 结论

(1) 结合Y电容，对充电桩目前常用的绝缘监测装置进行分析，指出了目前常用的绝缘监测装置存在的弊端，并提出了使用差流检测方法的绝缘监测装置的建议。

(2) 关于Y电容对于充电桩漏电的影响进行理论分析，并用试验加以验证，总结了充电桩Y电容值与人体触电危害的关系。

(3) 分析对充电桩设计者在选择绝缘监测装置及Y电容值，提供了试验数据，具有一定的工程使用价值。

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Introduction to Y capacitance effects on electrical safety charging pile

REN Gaoquan, HE Chun, CHEN Zhuo

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

The safety of charging piles have attracted more and more attention, the Y capacitance is one of the reasons for the false alarm of charging pile Insulation Monitoring (IMD) and the leakage of charging piles. The problem of false alarm of charging pile leakage and charging pile IMD caused by Y capacitance is studied. The pulse discharge principle of the capacitor and the method of experimental verification are used and the relation curve between leakage current and Y capacitance is obtained. The value of the "Y capacitor" is the factor that affects the safety of the charging pile.

Y capacitor; insulation monitoring; leakage current;impedance characteristics

2018-08-01

任高全(1987—)，男，本科，工程师，研究方向为新能源及电动汽车充电设施测试技术研究。E-mail: rengaoquan@ ketop.cn