浅谈新型电力系统中的电动汽车充电/光伏系统漏电保护

作者：浙江巨磁智能技术有限公司 朱佳超

“十四五”期间，随着“双碳”政策（碳达峰、碳中和）的提出和持续推进，新能源汽车、储能应用、光储充一体化、分布式光伏整县推进等新型热点越来越被人所熟知，对于加快构建新型电力系统，是满足高比例新能源和多元负荷高效灵活接入的必由之路。

电力一直是我们生活的重要组成部分，对于此类新型电力系统和负载，如果不重视、电气安装没有正确设计、建造和验证，没有适当合适的保护设备，它可能会对人员人身安全和财产带来风险，现有的电力装置也应按相关标准要求进行改进和更新。

电动汽车充电（EV）、太阳能光伏发电(PV)、光储充一体化等应用正在逐渐添加到现有的电力结构中去，到 2035年，预计将使相关电力应用需求成倍数增长。

一、构建以新能源为主体的新型电力系统


图1.构建以新能源为主体的新型电力系统

在此类相关应用中，大量使用了升压降压电路，由于开关模式电源 (SMPS)具有紧凑性和能源效率的优势，导致其使用数量激增，然而，这些和其他类型的开关模式转换器会产生大量的高频“电容性漏地电流”。

开关电源——将交流转换为直流供电给电子设备：
        太阳能光伏发电；
        电动汽车充电；
        各种变频家用电器；
        LED 照明；
        USB插座；
        智能家居和数据网络等等；


图2.基本的SMPS拓扑：buck、boost和buck-boost

以上应用共同特点就是会导致脉动直流或高频谐波进入电源侧，这些都不可避免的影响交流侧回路里不再那么“干净”。

在新能源汽车充电、光储充一体化、光伏发电应用中，还存在大量交直流变换（整流/逆变）电路。


图3.光储充一体化

在这些AC-DC转换电路中不单只有工频的AC正弦波剩余电流，电路中还存在两相/三相整流滤波产生的直流剩余电流、 平滑直流剩余电流等，以及一些电容对地产生的剩余电流等，下图是一些典型的复杂剩余电流波形：


图4.剩余电流波形

因此，在安全性上带来的问题就是以前使用在纯粹交流回路的RCD（剩余电流保护装置）不再那么可靠。


图5.《IEC 60479-1 电流对人和家畜的影响》中人体对电流的反应

在上图中，交流电流的影响分为四个区域：
①感知阈：通过人体能够引起任何接触电流的最小值；
②反应阈：通过人体能够引起肌肉不自觉收缩的接触电流最小值；
③摆脱阈：人可以主动摆脱电极的接触电流最大值；
④心室颤动阈：通过人体引起心室纤维性颤动的接触电流最小值，
注：曲线c1以上就会发生烧伤/心博停止/呼吸停止。
注：RCD 的动作阈值需要低于该阈值以确保对人体的保护，同时高于容性漏地电流以避免任何意外跳闸。

RCD关键技术是具有检测剩余电流的高灵敏度磁感应线圈和磁芯，如果被检测回路里有直流成分，直流成分使得高灵敏度磁感应线圈的磁感应迅速进入磁滞曲线的饱和区，这时磁感应线圈对剩余电流不再敏感、甚至没有反应，因此存在RCD的致盲性，危及人身安全和设备安全。


图6.普通AC型 RCD存在致盲性

电气设备中的一个重要挑战就是对上面这些技术应用进行适当和充分的保护，以提供其应用的安全性。

RCD（剩余电流保护装置）根据剩余电流含有直流分量的动作特性分，可分为下图几种类型，依次是包含递增的关系。

        AC 型
这是一直以来我们最常用的RCD，适合交流回路里没有直流成分，符号为：



        A 型
适用于AC类 + 脉动直流或具有叠加在6mA平滑直流上的脉动直流，符号为：



        F 型
适用于A类 + 伴有高达1KHz的高频电流，符号为：



        B 型
适用于F类 + 伴有高达1kHz的高频电流或两相三相整流以及纯平滑直流剩余电流，符号为：



RCD（剩余电流保护装置）根据不同电路选用漏电检测类型大致如下：


图7.漏电检测

因此，在使用高比例新能源和多元负荷时，应根据存在直流分量和相应频率来正确选择不同类型的剩余电流动作保护装置。

二、应用场景：电动汽车充电

未来汽车电动化趋势不可避免，在电动汽车充电时，充电站需要为所有用户提供适当的保护，电动汽车充电点经常由非技术用户进行密集的插拔，许多充电点位于室外，触电的风险可能会大于室内。

在标准IEC60364-7-722 部分-电动车供电里要求：应选择B型或A型30mA 动作的RCD作为直流接地故障防护措施（722.531.2条）。


图8. IEC 60364-7-722 是低压电气装置-电动车供电的标准

注：特别注明了如使用A型，还需要使用符合IEC 62955的RDC-DD（直流剩余电流检测装置）来进行配套检测纯平滑直流剩余电流。
注：在IEC 61851/IEC62752中也提到了相关要求。

在2021年实行的上海地标DB31/T 1296-2021《电动汽车智能充电桩智能充电及互动响应技术要求》中也更新了相关要求，相关的国标也正在更新中。


图9. DB31/T 1296-2021《电动汽车智能充电桩智能充电及互动响应技术要求》

三、应用场景：光伏发电

光伏（PV）发电是一种可再生能源，是应对全球气候恶化挑战和满足可持续发展迫切需求的最有前途的技术之一。光伏发电有几个好处：
太阳能是无限量的，可以在全球范围内使用；
在运行过程中不排放温室气体 (GHG) 或其他污染物，并且消耗很少，也不产生废水；
光伏面板发电时不会产生噪音，此外维护也方便。

同时，光伏发电减少了对能源进口的依赖，从长远来看，能够提高能源供应的安全性，稳定发电成本。在国家参与、可持续能源发展政策、技术开发和成本降低的推动下，今天的光伏装机容量正在快速增长。  



图10.中国，1990-2025年光伏容量趋势，来源IEA国际能源机构

根据IEC 62109-2：2011规定，为了保证人身安全和建筑物不起火，直接并网的逆变器必须自带剩余电流（漏电流）保护功能。

在标准IEC60364-7-712 部分 – 太阳能光伏电源系统里要求：应选择B型RCD用于PV装置交流供电回路的保护（712.530.3.101条）。


图11.《IEC60364-7-712 部分 – 太阳能光伏电源系统里要求》

国内根据IEC标准,刚在11月1号实行了相应标准，GB/T 16895.32-2021 《低压电气装置 第7-712部分：特殊装置或场所的要求 太阳能光伏（PV）电源系统》。


图12.《GB/T 16895.32-2021部分 – 太阳能光伏（PV）电源系统》

综合上述，如果类似环境使用了大量直流负荷或变频负荷，选用AC类型的RCD就不再是安全之策。

与此同时，一种B型漏电流传感器检测方案正在普及，在电动汽车充电中，模式二便携式充电枪和模式三充电桩（墙盒）中，已经有集成A+6mA检测或者符合B型漏电流检测的传感器应用。
同样，在光伏并网逆变器中，具备符合B型漏电流检测的传感器也已经规模化，可符合B型相关剩余电流保护。

四、Magtron公司AC/DC漏电流检测方案

浙江巨磁智能技术有限公司是一家致力于从IC开始一直到模块及应用都自主研发生产的高科技公司。自2014年开始基于mSafe漏电专用检测芯片的AC/DC漏电保护模块已经被广泛的应用在新能源光伏逆变器（户用型）、电动汽车充电保护领域，产品市场占有率名列前茅。

AC/DC型漏电流检测方案：


图13. AC/DC漏电流传感器


图15. 可提供多种安装方式

参考文献：
1、《How to Protect New Types of Loads To Ensure Electrical Safety》
2、《IEC快递 | 剩余电流保护器》
3、GB/T 16895.32-2021 《低压电气装置 第7-712部分：特殊装置或场所的要求 太阳能光伏（PV）电源系统》
4、光伏储能 | 直流供电，未来可期？
5、IEC 60364-7-712-2017 《低压电气装置.第7-712部分：特殊装置或地点的要求 太阳能光伏(PV)电源系统》
6、EC60364-7-722 -2018《低压电气装置 第7-722 部分：特殊装置或位置的要求-电动汽车的供应》
7、DB31/T 1296-2021《电动汽车智能充电桩智能充电及互动响应技术要求》
8、《 IEC 60479-1 电流对人和家畜的影响》