電動汽車充電設施電擊防護措施

李光曦, 蔡雄飛

(中信建筑設計研究總院有限公司, 湖北 武漢 430014)

0 引 言

我國電動汽車保有量從2014年的8萬輛增長到2019年6月的281萬輛,增速明顯。同時電動汽車充電設施的建設規模也逐漸擴大,截至2019年9月,全國充電基礎設施累計數量為111.5萬臺。隨著電動汽車的逐漸推廣普及,人們使用的頻度增加,電動汽車電擊防護顯得尤為重要。建筑電氣設計主要涉及電動汽車靜態充電過程中的電擊防護,而關于電動汽車運動、浸水等狀態的電擊防護通常由電動汽車廠家進行設置。

電動汽車屬于新型負載,其接地故障電流波形并不是傳統工頻交流電流波形。根據接觸點和故障原因不同,可能體現為帶直流分量的工頻交流電流、脈沖直流電流、直流電流等形式。而傳統電擊防護用AC型RCD的探測線圈在直流電流環境下將迅速進入磁飽和區,失去對剩余電流的判斷能力。

因此,電動汽車充電過程的電擊防護對于傳統電氣設計是一個新課題,一方面電動汽車市場不斷擴大,使用者越來越多,另一方面相關電動汽車電擊防護標準及產品尚未成熟。本文提出了電動汽車充電設施的電擊防護措施,可為電氣設計人員提供參考。

1 電擊防護的基本參數

對IEC/TS 60479-1:2005標準的相關測試數據分析可知[1],當電擊電流路徑不同時,人體可持續耐受(持續時間為10 s或以上)的最大電流幅值也不相同(最大耐受電流值稱為安全電流閾值)。根據文獻[1-2]可知,不同電擊電流路徑對應的工頻交流電流和直流電流的相關參數如表1所示。

由表1可知,30 mA為交流條件下大多數電擊路徑時的安全電流閾值,128 mA為直流條件下大多數電擊路徑時的安全電流閾值。而對于少數電流路徑(如胸膛到手),安全電流閾值將分別降低至20 mA和85.3 mA。對于同一電流路徑,當電擊電流大于安全電流閾值時,隨著電流幅值增加,人體耐受時間越短,時間-電流曲線具體見文獻[1]。

表1 不同電擊電流路徑對應的工頻交流電流和直流電流的相關參數

根據IEC/TS 60479-1:2005相關參數[1],電流路徑為左手到雙腳時交流供電條件下的電壓/電流關系如表2所示,電流路徑為左手到雙腳時干燥條件下直流供電的電壓/電流關系如表3所示。

根據以上分析及GB 16895.21—2011《低壓電氣裝置 第4-41部分:安全防護 電擊防護》[2]可知,各電流路徑對應的交、直流安全電流閾值如表4所示。

因此,在一般條件下選擇RCD時,其額定剩余動作電流不應小于交流30 mA或直流128 mA。IEC/TS 63053:2017中,電擊防護用直流型RCD的額定剩余動作電流為80 mA[3],該規定使得DC-RCD保護的電擊電流路徑更多。

表2 電流路徑為左手到雙腳時交流供電條件下的電壓/電流關系

表3 電流路徑為左手到雙腳時干燥條件下直流供電的電壓/電流關系

表4 各電流路徑對應的交、直流安全電流閾值

綜上所述,電擊防護的出發點就是限制電擊電流的幅值和持續時間。而限制電擊電流幅值可以通過降低接觸電壓(如安全電壓供電、保護接地、局部等電位聯結等)、增大接觸電阻(如基本絕緣、加強絕緣、雙重絕緣、絕緣監測、電氣物理隔離)等措施來實現。另一方面,限制電擊電流的持續時間可通過剩余電流保護或接地故障保護及時切斷故障電源等措施來實現。

2 電動汽車充電過程中的危險接觸電壓

電動汽車靜態充電過程中的電擊防護,主要表現為接觸電壓防護。通常條件下人體對跨步電壓的耐受能力高于接觸電壓,且鞋底的絕緣能力高于手掌皮膚。因此,低壓配電系統接地故障時在地表形成的跨步電壓帶來的電擊風險相對較低,本文僅對接觸電壓展開分析。

對交流充電樁和直流充電樁(非車載充電機)充電過程主電路進行建模,假設配電系統接地方式采用常規的TN-S,PE導體在充電樁總配電箱處重復接地,各電氣設備(如配電箱、充電樁、汽車)金屬外殼均采用PE導體與接地系統聯通。車載充電機充電功率為6.6 kW,非車載充電機充電功率為60 kW。根據文獻[4]可知,電動汽車電池包電壓為350 V,據相關廠家資料顯示,電動客車的電池電壓通常為450～650 V。由于電動客車通常由專業人員操作,普通乘用型轎車的數量占大多數,且充電人員通常為非專業人士,因此本文僅以普通乘用型轎車為例進行分析。

目前的主流充電方式通常包括多個充電階段,如涓流浮充-恒流充電(電壓逐漸增大)-恒壓充電-涓流浮充,因此直流充電樁輸出電壓實際為動態值。為方便分析,本文將直流充電樁輸出電壓選為DC 350 V,交流充電樁輸出電壓為AC 230 V。

交流充電樁充電主電路模型如圖1所示。

圖1 交流充電樁充電主電路模型

直流充電樁充電主電路模型如圖2所示。

圖2 直流充電樁充電主電路模型

對于單相交流配電系統,當發生絕緣損壞接觸帶電體時,直接接觸電壓約為AC 230 V,對于接地故障(設備接地良好),間接接觸電壓約為AC 100 V。接地導線斷裂或施工不到位時,充電樁(電動汽車)金屬外殼的間接接觸電壓可能高達AC 230 V。而接觸電壓達到AC 400 V的概率很小,因此不予考慮。對于直流供電部分,直接接觸電壓約為DC 350 V,接地故障時(設備接地良好)間接接觸電壓約為DC 170 V。

充電樁充電過程中,充電人員可能接觸到充電樁金屬外殼、充電線、充電插頭、汽車金屬外殼等帶電體(正常情況下不帶電),見圖1、圖2中a、b、c、d、e、f點。對以上各點可能出現的接觸電壓及產生接觸電壓原因進行分析和整理。系統故障時各處接觸電壓值如表5所示。

表5 系統故障時各處接觸電壓值

由表5可見,在電動汽車充電過程中,汽車業主可能接觸的危險接觸電壓可以表現為AC 100 V、AC 230 V、DC 170 V、DC 350 V 4種形式。

3 電擊防護用RCD的選型

3.1 RCD脫扣時間

表5中,典型交流接觸電壓值通常為100 V和230 V。對照表2可知,實際使用中電擊電流更多會以80～300 mA區間的數值出現。僅當接觸電壓約為50 V時,會出現大約30 mA的電擊電流。因此,在設計中更應關心80～300 mA區間RCD的可靠動作時間。而某些產品突出其額定剩余電流30 mA時對應的分斷時間為0.1 s的意義并不大。

根據GB/T 6829—2017《 剩余電流動作保護電器(RCD)的一般要求》[5],無延時型RCD對于交流剩余電流的最大分斷時間標準值如表6所示。

表6 無延時型RCD對于交流剩余電流的最大分斷時間標準值

b在相關的產品標準中規定。

由表2、表6可知,對于一般用電環境,當接觸電壓高達AC 230 V時,電擊電流約為280 mA(大于5倍RCD額定剩余電流),人體耐受時間為0.1 s(>0.04 s)。因此,對于交流系統,采用無延時型RCD是滿足單相帶電體對地電擊電流保護要求的。但對于類似相間電壓如AC 400 V等較大的接觸電壓,RCD已不能滿足。此時需要考慮其他附加保護措施,如局部等電位聯結等措施。

結合表3數據可知,對于負極DC 350 V接觸電壓,電擊電流約為560 mA,人體的耐受時間小于0.01 s。而其他幾種直流接觸電壓的耐受時間均大于0.1 s。

根據GB/T 6829—2017《 剩余電流動作保護電器(RCD)的一般要求》[5],無延時B型RCD對于整流線路產生的直流剩余電流和/或平滑直流剩余電流的最大分斷時間標準值如表7所示。

表7 無延時B型RCD對于整流線路產生的直流剩余電流和/或平滑直流剩余電流的最大分斷時間標準值

同時根據標準IEC 62955:2018[6],RDC-DD剩余直流電流的最大分斷時間值如表8所示。

表8 RDC-DD剩余直流電流的最大分斷時間值

由表7、表8可知,對于充電直流電壓為350 V,僅正極直流電壓供電時可以考慮采用直流剩余電流保護器作為附加電擊防護措施。

3.2 RCD型號與檢測波形

電力電子器件的應用給傳統低壓配電系統帶來高次諧波和直流分量。剩余電流波形也不再是傳統的正弦波。傳統AC型RCD的檢測線圈在直流分量的作用下將進入磁飽和區,線圈的輸出電流減小,使得RCD判斷失誤或輸出動力不足而拒動,因此需要對傳統RCD進行改良。對于A型RCD,需要采用對磁感應線圈并聯電容、使用低磁滯的“扁平”感應磁線圈等措施,人為增大磁通能量,使動作機構脫扣。對于B型RCD,當前的主流方案通常采用雙互感器式設計,其中1#互感器利用A/F剩余電流互感器負責采集交變剩余電流信號,2#互感器采用電壓型磁調制式剩余電流互感器或霍爾電流傳感器等采集直流剩余電流信號,并利用單片機進行在線數據分析,以適用更復雜的剩余電流波形。

由GB/T 6829—2017 《剩余電流動作保護電器(RCD)的一般要求》可知,RCD根據剩余電流檢測能力,分為AC、A、F、B 4種型號[5]。不同型號RCD的波形檢測能力如表9所示。

表9 不同型號RCD的波形檢測能力

根據市場不同充電機電路圖進行分析,車載充電機通常采用雙脈沖橋式帶功率因數校正(PFC)整流電路,直流充電樁通常采用六脈沖橋式帶PFC整流電路。

因此,對于交流充電樁整流電路,對應于A、F、B型RCD(由于表9數據并不全面,不排除某些充電機電路只能用B型RCD的情況);對于直流充電樁整流電路,在其交流側對應于B型RCD。關于B型RCD,也可采用帶RDC-DD裝置的A(或F)型RCD進行替代。

但在當前條件下,用于直流剩余電流的RCD大多均只有標準,如RDC-DD、DC-RCD裝置均只有IEC標準,A型、B型RCD既有IEC標準也有國標。但在產品選型方面,據相關資料顯示國內關于B型RCD大多尚處于研發階段。在建筑電氣設計、安裝中目前僅有A型、AC型等傳統RCD可以選用。

4 其他電擊防護措施

目前,電動汽車相關電擊防護用RCD產品發展相對滯后,為保障充電過程中的用電安全,除基本絕緣、保護接地、接地故障保護等措施外,有必要尋求可替代的電擊防護方案,如局部等電位聯結、加強絕緣等措施。

相較于裝置保護類(RCD和絕緣監測),局部等電位聯結、加強絕緣更加穩定可靠,其保護能力只與材料壽命、工藝和施工水平、外部條件等有關,而避免了電子故障、機械故障等突發性問題。

4.1 局部等電位聯結

局部等電位聯結是一種有效降低接觸電壓的方案。文獻[7]的計算數據顯示,對于衛浴間而言,建筑物總等電位聯結僅能在一定范圍內降低接觸電壓,但通常不足以降低至安全電壓以下;而局部等電位聯結可以將系統接地故障時衛浴間內金屬設施表面的接觸電壓有效降低至AC 12 V左右。因此,有必要對充電車位采取局部等電位措施。

室內充電環境可利用結構樓板自然鋼筋網做為電位均衡網格,在各充電樁安裝處預留連接點,也可相鄰幾處充電樁共用一個連接點,充電樁之間采用扁鋼連通。

室外車位局部等電位聯結具體做法可參考文獻[8],但認為圖集中等電位均衡線的敷設深度(0.15～0.30 m)需要細化,否則遇到諸如浮土流失、均衡線裸露損壞、與接閃系統連通時網格邊緣跨步電壓過大等問題。

根據不同條件本文提出如下補充做法:混凝土車位建議將網格線敷設于土壤下 0.3 m后敷設水泥地坪;植草磚車位、純土壤(帶碎石)車位建議敷設深度不低于0.5 m。當網格線與防雷接閃系統連通時,敷設深度建議為1 m或在均衡網格外邊緣線處上方敷設瀝青碎石地面(或絕緣層)等降低雷擊跨步電壓的措施。除敷設于混凝土中外,直接敷設于土壤中的網格線應采用熱鍍鋅扁鋼(或圓鋼)材料,焊接處應做好防腐蝕措施,在可能產生腐蝕鋼筋的土壤中應根據條件增大材料截面積或采取其他符合規范要求的措施。

4.2 隔離措施和加強絕緣

隔離措施是一種減少接觸危險電壓概率的方案。如高速公路國家電網充電站中,直流充電樁主機集中設置在非工作人員不能進入的柵欄內。車主僅能接觸終端充電機,有效地減少車主同時接觸多種系統電壓的概率。

加強絕緣是一種有效降低電擊電流的方案?？梢钥紤]對手持式充電槍、充電線采用加強絕緣的措施,對充電樁內部設置絕緣監測裝置。對于充電機外殼,可以采取絕緣材料或絕緣層包覆金屬板的措施。由于汽車工藝材料限制,電動汽車短時間內沒有可用絕緣材料外殼的跡象,因此汽車金屬外殼依然以接地措施為主。

4.3 其他方面

廣東產品質量監督檢驗研究院首次公布了電動汽車充電樁產品風險監測結果。結果顯示,超過70%的監測樣本存在安全隱患,容易起火,導致使用者觸電。盡管充電樁標準已要求充電樁設置相關裝置,如交流充電樁內設置有RCD、直流樁內設置有絕緣監測、PE導體斷裂檢測等裝置。但考慮單級保護設備的可靠性(如RCD需要定期按下測試按鈕檢測其可靠性)等問題。在現有條件下,建議充電樁上級配電箱均設置A型RCD作為非充電狀態和部分充電狀態條件下的輔助保護。

由于充電設施與以往配電設施不同,需要非專業操作人員手持式接觸,對于室外場所,充電設施可能是全天候被接觸。因此,設計中充電車位選址應遠離易積水場所,室外設置充電樁時建議設置充電雨棚,減少潮濕、浸水等可前期規避的原因形成的電擊風險。另外,建議充電樁安裝前期采購信譽良好的廠家產品并規范施工,后期加強維護管理,及時更換老化損壞設備,同時加強宣傳以提高車主的用電安全意識[9]。

5 結 語

基于電動汽車使用越來越頻繁,而相關電擊防護標準、產品開發應用相對滯后等客觀條件,本文對電動汽車充電過程的電擊防護措施進行了分析探討,總結如下:

(1) 對于固定安裝式充電樁設備金屬外殼除與系統PE導體連接外,均應采取現場接地措施,盡量利用接地故障保護及時切除故障電源。

(2) 充電車位處應設置局部等電位聯結,室外電位均衡網格應根據現場條件采取合適的敷設深度。

(3) 提出了現有標準中直流剩余電流動作保護器僅適用于電動汽車正極電壓充電的環境。在當前直流類RCD產品滯后的條件下,建議充電樁上級配電箱均設置A型RCD作為輔助保護措施。

(4) 充電車位選址應遠離積水場所,避免室外充電設備、充電操作位置露天設置。

(5) 對于直流充電樁,建議采購主機、終端機分離的設備。對于終端機,建議廠家推廣帶絕緣層外殼的產品,加強手持充電槍體和充電線的絕緣能力。

(6) 安裝時采購合格產品、規范施工,運營時加強維護管理、傳播電氣安全知識。