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淺談新型電力系統中的電動汽車充電/光伏系統漏電保護要求與技術

核心提示:來源:浙江巨磁智能技術有限公司 作者:朱佳超

 “十四五”期間,隨著“雙碳”政策(碳達峰、碳中和)的提出和持續推進,新能源汽車、儲能應用、光儲充一體化、分布式光伏整縣推進等新型熱點越來越被人所熟知,對于加快構建新型電力系統,是滿足高比例新能源和多元負荷高效靈活接入的必由之路。

電力一直是我們生活的重要組成部分,對于此類新型電力系統和負載,如果不重視、電氣安裝沒有正確設計、建造和驗證,沒有適當合適的保護設備,它可能會對人員人身安全和財產帶來風險,現有的電力裝置也應按相關標準要求進行改進和更新。

電動汽車充電(EV)、太陽能光伏發電(PV)、光儲充一體化等應用正在逐漸添加到現有的電力結構中去,到 2035年,預計將使相關電力應用需求成倍數增長。

一、構建以新能源為主體的新型電力系統

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圖1.構建以新能源為主體的新型電力系統

在此類相關應用中,大量使用了升壓降壓電路,由于開關模式電源 (SMPS)具有緊湊性和能源效率的優勢,導致其使用數量激增,然而,這些和其他類型的開關模式轉換器會產生大量的高頻“電容性漏地電流”。 

開關電源——將交流轉換為直流供電給電子設備:

l 太陽能光伏發電;

l 電動汽車充電;

l 各種變頻家用電器;

l LED 照明;

l USB插座;

l 智能家居和數據網絡等等;

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圖2.基本的SMPS拓撲:buck、boost和buck-boost

以上應用共同特點就是會導致脈動直流或高頻諧波進入電源側,這些都不可避免的影響交流側回路里不再那么“干凈”。

在新能源汽車充電、光儲充一體化、光伏發電應用中,還存在大量交直流變換(整流/逆變)電路。

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圖3.光儲充一體化

在這些AC-DC轉換電路中不單只有工頻的AC正弦波剩余電流,電路中還存在兩相/三相整流濾波產生的直流剩余電流、 平滑直流剩余電流等,以及一些電容對地產生的剩余電流等,下圖是一些典型的復雜剩余電流波形:

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圖4.剩余電流波形

因此,在安全性上帶來的問題就是以前使用在純粹交流回路的RCD(剩余電流保護裝置)不再那么可靠。

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圖5.《IEC 60479-1 電流對人和家畜的影響》中人體對電流的反應

在上圖中,交流電流的影響分為四個區域:

①感知閾:通過人體能夠引起任何接觸電流的最小值;

②反應閾:通過人體能夠引起肌肉不自覺收縮的接觸電流最小值;

③擺脫閾:人可以主動擺脫電極的接觸電流最大值;

④心室顫動閾:通過人體引起心室纖維性顫動的接觸電流最小值,

注:曲線c1以上就會發生燒傷/心博停止/呼吸停止。

注:RCD 的動作閾值需要低于該閾值以確保對人體的保護,同時高于容性漏地電流以避免任何意外跳閘。

RCD關鍵技術是具有檢測剩余電流的高靈敏度磁感應線圈和磁芯,如果被檢測回路里有直流成分,直流成分使得高靈敏度磁感應線圈的磁感應迅速進入磁滯曲線的飽和區,這時磁感應線圈對剩余電流不再敏感、甚至沒有反應,因此存在RCD的致盲性,危及人身安全和設備安全。

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圖6.普通AC型 RCD存在致盲性

電氣設備中的一個重要挑戰就是對上面這些技術應用進行適當和充分的保護,以提供其應用的安全性。

RCD(剩余電流保護裝置)根據剩余電流含有直流分量的動作特性分,可分為下圖幾種類型,依次是包含遞增的關系。


Ø AC 型

這是一直以來我們最常用的RCD,適合交流回路里沒有直流成分,符號為:

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Ø A 型

適用于AC類 + 脈動直流或具有疊加在6mA平滑直流上的脈動直流,符號為:

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Ø F 型

適用于A類 + 伴有高達1KHz的高頻電流,符號為:

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Ø B 型

適用于F類 + 伴有高達1kHz的高頻電流或兩相三相整流以及純平滑直流剩余電流,符號為:

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RCD(剩余電流保護裝置)根據不同電路選用漏電檢測類型大致如下:


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圖7.漏電檢測

因此,在使用高比例新能源和多元負荷時,應根據存在直流分量和相應頻率來正確選擇不同類型的剩余電流動作保護裝置。

二、應用場景:電動汽車充電

未來汽車電動化趨勢不可避免,在電動汽車充電時,充電站需要為所有用戶提供適當的保護,電動汽車充電點經常由非技術用戶進行密集的插拔,許多充電點位于室外,觸電的風險可能會大于室內。

在標準IEC60364-7-722 部分-電動車供電里要求:應選擇B型或A型30mA 動作的RCD作為直流接地故障防護措施(722.531.2條)。

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圖8. IEC 60364-7-722 是低壓電氣裝置-電動車供電的標準

注:特別注明了如使用A型,還需要使用符合IEC 62955的RDC-DD(直流剩余電流檢測裝置)來進行配套檢測純平滑直流剩余電流。

注:在IEC 61851/IEC62752中也提到了相關要求。

 

在2021年實行的上海地標DB31/T 1296-2021《電動汽車智能充電樁智能充電及互動響應技術要求》中也更新了相關要求,相關的國標也正在更新中。

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圖9. DB31/T 1296-2021《電動汽車智能充電樁智能充電及互動響應技術要求》

 

三、應用場景:光伏發電

光伏(PV)發電是一種可再生能源,是應對全球氣候惡化挑戰和滿足可持續發展迫切需求的最有前途的技術之一。光伏發電有幾個好處:

太陽能是無限量的,可以在全球范圍內使用;

在運行過程中不排放溫室氣體 (GHG) 或其他污染物,并且消耗很少,也不產生廢水;

光伏面板發電時不會產生噪音,此外維護也方便。

同時,光伏發電減少了對能源進口的依賴,從長遠來看,能夠提高能源供應的安全性,穩定發電成本。在國家參與、可持續能源發展政策、技術開發和成本降低的推動下,今天的光伏裝機容量正在快速增長。 
 

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圖10.中國,1990-2025年光伏容量趨勢,來源IEA國際能源機構

根據IEC 62109-2:2011規定,為了保證人身安全和建筑物不起火,直接并網的逆變器必須自帶剩余電流(漏電流)保護功能。

在標準IEC60364-7-712 部分 – 太陽能光伏電源系統里要求:應選擇B型RCD用于PV裝置交流供電回路的保護(712.530.3.101條)。

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圖11.《IEC60364-7-712 部分 – 太陽能光伏電源系統里要求》 

國內根據IEC標準,剛在11月1號實行了相應標準,GB/T 16895.32-2021 《低壓電氣裝置 第7-712部分:特殊裝置或場所的要求 太陽能光伏(PV)電源系統》。

 

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圖12.《GB/T 16895.32-2021部分 – 太陽能光伏(PV)電源系統》 

綜合上述,如果類似環境使用了大量直流負荷或變頻負荷,選用AC類型的RCD就不再是安全之策。

與此同時,一種B型漏電流傳感器檢測方案正在普及,在電動汽車充電中,模式二便攜式充電槍和模式三充電樁(墻盒)中,已經有集成A+6mA檢測或者符合B型漏電流檢測的傳感器應用。

同樣,在光伏并網逆變器中,具備符合B型漏電流檢測的傳感器也已經規?;?,可符合B型相關剩余電流保護。

 

四、Magtron公司AC/DC漏電流檢測方案

浙江巨磁智能技術有限公司是一家致力于從IC開始一直到模塊及應用都自主研發生產的高科技公司。自2014年開始基于mSafe漏電專用檢測芯片的AC/DC漏電保護模塊已經被廣泛的應用在新能源光伏逆變器(戶用型)、電動汽車充電保護領域,產品市場占有率名列前茅。

AC/DC型漏電流檢測方案:

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圖13. AC/DC漏電流傳感器

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圖14. 可提供多種安裝方式

參考文獻:

1、《How to Protect New Types of Loads To Ensure Electrical Safety》

2、《IEC快遞 | 剩余電流保護器》

3、GB/T 16895.32-2021 《低壓電氣裝置 第7-712部分:特殊裝置或場所的要求 太陽能光伏(PV)電源系統》

4、光伏儲能 | 直流供電,未來可期?

5、IEC 60364-7-712-2017 《低壓電氣裝置.第7-712部分:特殊裝置或地點的要求 太陽能光伏(PV)電源系統》

6、EC60364-7-722 -2018《低壓電氣裝置 第7-722 部分:特殊裝置或位置的要求-電動汽車的供應》

7、DB31/T 1296-2021《電動汽車智能充電樁智能充電及互動響應技術要求》

8、《 IEC 60479-1 電流對人和家畜的影響》

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