直流绝缘系统中的漏电绝缘检测法的探讨

2023-10-20 17:11:03 浙江巨磁智能技术有限公司 浏览次数 166

一、背景

新一轮巴以冲突已持续超过一周,推动国际原油价格进入上升通道。纽约油价13日显著上涨,11月交货的纽约轻质原油期货价格上涨4.78美元,收于每桶87.69美元。未来油价走向成为各方关注的焦点。我们无法预见未来如何,我们能做的只有防患于未来。


由于石油价格浮动,新能源的重要性逐渐被人们所关注。据统计,2022年全国新注册登记新能源汽车535万辆,占新注册登记汽车总量的23.05%,与上年相比增加240万辆,增长81.48%,呈高速增长态势。随着世界原油价格波动以及大众节能环保观念的流行,新能源充电汽车也越来越被人们所接受,随之而来的充电桩也正在加紧配置。


二、绝缘失效的危害

在新能源汽车大步迈进的途中,与之相匹配的直流充电桩问题也随之逐渐的浮出水面。目前直流充电桩存在的问题有:车锁枪难以拔出、配件故障、无网络信号问题、绝缘故障等问题。与此同时我们所常见的电气系统中最常见电流风险点主要包括:绝缘保护、直流漏电、直流拉弧、过流保护。


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其中新能源汽车电气系统以及充电桩的绝缘性能直接影响其使用的安全性。电动汽车,与传统车相比,电子电气系统的比例大大增加。并且,电动汽车动力系统是以往不曾在汽车上使用过的高压系统,动辄几百伏的电压平台。因此电气绝缘是电动汽车高压安全的重要项目。电气系统如果出现绝缘失效,视程度不同,会造成累进的后果。系统中只有一个点绝缘出现故障,暂时对系统不会产生明显影响;出现多点绝缘失效,则漏电流会在两点之间流转,在附近材料上积累热量,遇到适当情形,可能会引发火灾。同时,影响电器的正常工作;最严重的情形,可能发生人员触电。当然,汽车的电气都在底盘等乘车人员一般无法触及的地方,最可能遇到触电危险的,可能是生产和维修人员。


电气系统绝缘失效的常见原因,除了设计和制造问题以外,一般包括:热老化,光老化,低温环境下的材料脆裂,固定不当引起的摩擦损伤等等。


三、新能源汽车电气系统以及充电过程中的直流漏电检测

纯电动汽车是有动力蓄电池作为系统的动力源,其电气系统是它的重要组成部分,电气系统结构如图1所示。根据不同的用途,可以将它的电气系统分为低电压系统和高电压系统。前者采用直流24V电源,主要为车辆的中央控制器、电池管理系统、灯光和雨刷等提供电能,后者主要为车辆的驱动电机等大功率部件提供电能,其标称电压一般为直流384V,高电压系统由动力蓄电池(锂离子或铅酸)作为动力源,主要满足车辆驱动电机、动力转向系统、制动系统和车载空调系统的功率要求。


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图 1


  这些电气设备都安装在车辆底盘上,每个电气设备都有独立的电流回路,与底盘之间没有直接的电气连接,整个高压系统是与底盘绝缘、封闭的电气系统。


其中高压接通时,高压系统会随时通过 DC/DC变相器向辅助蓄电池充电。在正常情况下,高压系统是一个封闭的系统,对车体是完全绝缘的。但是无法排除由于高压线缆老化等问题带来的绝缘降低,从而导致车体漏电。并且电动汽车工作环境复杂,振动、温度、湿度变化急剧,酸碱气体的腐蚀,都会引起绝缘被破坏,使整车绝缘性能下降。电池的正、负极引线通过绝缘层与电池底盘构成漏电流回路,使电池底盘电位拉升,这样不仅会影响低压电器和车辆上的 ECUs 的正常工作,还可能危及驾驶员和乘客的人身安全。因此,我们可以在电池正、负极之间放置漏电流检测单元来实现绝缘检测。由于现在电池包的电压通常在400~500V,有的甚至是800V高压,如果发生绝缘问题,可能会给电动车的驾驶员和乘客造成人身危险,应该予以重视。

 

与此同时在直流充电过程中,直流充电设备需先连接非车载充电机,先将交流电输送至非车载充电机,非车载充电机内部进行AC/DC整流,再将整流后的直流电输送至电动汽车蓄电池。进而完成整个充电过程。


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图 2  直流充电过程图

 

直流充电桩绝缘检测是通过测量充电桩外部各电路的电阻、电流等参数来判断充电桩绝缘是否完好。充电桩外部电路正常时,电路导线与充电桩外壳间会有一层厚度适当的绝缘材料,防止电路漏电或短路故障。当绝缘材料损坏或不足时,电路导线与充电桩外壳间的绝缘就会失效,造成电路漏电或短路等危险情况。通过在直流充电桩以及非车载充电机增加直流漏电检测可以实现绝缘检测,及时发现这些问题,防止事故的发生。


在交流充电过程中,交流桩直接连接车载充电机实现充电过程。虽说是交流充电,但并不表示在过程当中不存在直流漏电危害。如图所示,在电动车电气系统中为直流电。各绝缘组件经过长时间老化以及多次拔插导致电气系统对地绝缘阻抗降低,汽车外壳与外部供电侧共地进而形成回路。从而会导致直流电流分量通过回路,经过PE线回流至充电侧。进而导致充电侧易发生触电风险。因此可在车载充电机部分增加直流漏电检测来实现绝缘检测。


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四、绝缘检测方法


现有的对充电桩的绝缘检测,目前主要检测方法为:

(1)电桥法,分别与充电桩输出直流电源的正极、负极、以及地线连接,用于采用不平衡电桥的方式,在正极与地线之间和负极与地线之间设置电阻值不同的检测电阻。通过调节电阻使电桥平衡,从而计算出绝缘电阻的值。


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图 3  电桥法示意图


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图 4  整车绝缘电阻检测原理框图


(2)电容-电压法,该方法通过测量电容两端的电压来计算绝缘电阻。电容-电压法原理基于电容器的电容值与电压成正比的关系。电容器是由两个金属板和介质组成,当两个金属板上施加电压时,电容器内部会存储电荷,从而形成电容。当被测电压施加到电容器的一侧,电容器的电容值会随着电压的变化而变化。通过测量电容器的电容值,就可以得到被测电压的大小。


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图 5  电容-电压法示意图

 

(3)低频注入法

低频注入法是一种用于电气设备绝缘检测的方法。低频信号注入法是目前应用最广泛的绝缘监测方法之一。它的工作原理是在被测试的设备上注入一个正负对称的方波信号,通过对采样电阻上分压的采集,计算得出绝缘电阻的大小。在实际测试时,系统内部产生的信号包含直流以及交流成分。其中交流成分与整个系统的分布电容、杂散电感等因素有关,同时不同零部件构成的系统等效的阻抗特性也会不同,随着测试工况、测试环境变化同样会产生变化。因此,系统本身的阻抗特性是会随着系统的运行而时刻发生改变,所测出的绝缘阻抗值成动态特性。

 

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图 6  低频注入法示意图


(4)电流检测法:

当有一极发生绝缘下降的时候,通过正负极的电流便不会再相等,通过传感器感应出这个电流差的信号,从而与两个30K电阻,两个开关控制的校正电阻计算的漏电流相比较,超出告警阀值时给出支路的告警。


①电阻式电流检测法是最常用的一种电流检测方法,它是通过在电路中串联一个电阻来测量电流大小。电阻的阻值越大,电流通过时产生的电压就越大,测量的精度也就越高。电阻式电流检测法的优点是简单易行,但是它会影响电路的工作,因此需要选择合适的电阻阻值。


②磁性电流检测法是通过电路中的磁场来检测电流大小和方向。当电流通过导线时,会产生一个磁场,通过测量磁场的强度和方向就可以计算出电流大小和方向


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图 7 电流检测法示意图


五、通过检测直流漏电实现绝缘检测

针对第四种电流检测法,则较多是采用检测直流漏电流方案来实现绝缘检测,漏电流传感器是一种专门用于检测直流系统中漏电流的传感器。例如一个三相系统,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穿过RCMU的中间线孔。如果系统没有中线,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380 / 220VAC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。如果此时存在剩余电流,它通过感应直流回路中的剩余电流,产生与之成比例的输出信号。漏电流传感器通常由感应元件、信号转换模块、控制器等部分组成。


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图 8  三相系统漏电流检测原理


在该领域,浙江巨磁智能技术有限公司对于我国剩余电流监控方面做出了杰出的贡献与成绩。以下便是巨磁智能技术有限公司通过直流检测来实现绝缘阻抗的相关产品:

1、RCMU剩余电流传感芯片

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针对该系列漏电流传感芯片具有如下特点:

(1)实现全温区线性补偿

(2)实现零磁场校正补偿

(3)退磁激励

(4)误动作滤除


2、RCMU剩余电流传感器模组

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针对该系列漏电流传感器具有如下特点:

(1)高精度:直流漏电流传感器具有较高的漏电流检测精度,一般在±0.5%以内。

(2)快速响应:直流漏电流传感器可以实现快速响应,并及时报警或切断电源,以避免事故发生。

(3)宽测量范围:直流漏电流传感器具有广泛的测量范围,能够检测不同电压等级和漏电流强度的直流系统。

(4)安全可靠:直流漏电流传感器采用多重保护措施,确保设备在工作过程中的安全和可靠性。


3、RCMU剩余电流检测模块

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针对该系列漏电流检测模块具有如下特点:

(1) 模块化设计,减少二次线,快速组装,安装方便快捷。

(2)  新型直流漏电流传感器技术,功能可靠,性能优越。

(3) 本地显示,运维快速定位故障支路。

(4) 装置自检、实现自我检测和校正。

(5) 快速迭代,通用互换性强。


六、结束语

浙江巨磁智能技术有限公司凭借自身强大的芯片实力立足于国内市场,后来又在此基础上发展壮大自身的漏电流传感器以及电流传感器领域。目前浙江巨磁智能技术有限公司所有产品均搭载其自研的控制芯片。真正实现了自主化、现代化、数字化的阶梯式跨越;也真正实现了中国“芯”,中国造。浙江巨磁智能技术有限公司从2013年正式成立,截止到今天,经过时间的历练与证明。不仅在充电桩领域开枝散叶,同时也在光伏领域开花结果。目前浙江巨磁智能技术有限公司年产能已达上千万级别,客户放心的使用便是其最大的勋章。

 

参考文献:

【1】王锦忠,《电动汽车绝缘性能检测装置的研制》;

【2】张进,《电动汽车动力电池绝缘检测系统的设计与实现》;

【3】魏帮顶,《电动汽车电气绝缘检测方法探讨》;

【4】黄勇,《电动汽车电气绝缘检测方法的研究》;

【5】樊晓松,《动力电池系统高压电绝缘设计与测试》;

【6】田杨,《基于ARM单片机电动汽车绝缘检测系统研究》;