电动车辆充电状态漏电保护分析

2015-12-02陆圣青邹圣星

汽车电器 2015年6期

陆圣青，邹圣星，范学

（比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳 518118）

电动车辆动力电池中的电被用完时，需要使用充电连接装置将电动车辆与电网供电装置连接起来充电。一般情况下，电网的电压均超过人体安全电压，那么应该怎样设计电动车辆在充电时的保护方案，防止人员遭受电击？电动车辆充电时已经接地了，为什么还要安装漏电保护器呢？漏电保护器如果误动作，能将保护限值放大吗？怎样验证这些措施是安全有效的呢？本文将对这些问题做简要分析。

1 家用电器防电击措施分析

国际电工标准按家用电器防电击措施的不同，将电气设备分为4类［1］。

1）0类设备 0类设备只有一层绝缘，它有金属外壳，但外壳没有接地线（PE线），它的插头只有2个脚（L线和N线），无法接地，如图1所示。0类设备如果绝缘破损芯线碰金属外壳，金属外壳所带接触电压可达220 V，而且熔断器一般不会熔断，断路器（空气开关）也不会跳闸，所以电击伤人的危险很大。国际电工标准（IEC）规定0类设备只能在绝缘环境中使用。如环境不绝缘就必须经1∶1的隔离变压器供电才能保证人身安全，因变压器二次回路不接地，不形成接地通路，不会引起电击危险，如图2所示。

2）I类设备将0类设备的金属外壳接出一根地线，并接用三脚插头即成为I类设备，我们常用的洗衣机、电冰箱和金属外壳的落地扇等，均是I类设备，见图3。Ⅰ类设备如果有芯线绝缘破损碰金属外壳，因为有地线接大地，金属外壳带电电压要低得多，而且熔断器、断路器或剩余电流保护器（俗称漏电保护器）等保护电器因有接地短路电流通过，能熔断或跳闸，从而切断电源，如图4所示。如果切断电源迅速，而接触电压又低，则被电击的人就可免于死亡。

3）Ⅱ类设备这类电器设备通常具有塑料绝缘的外壳（或者金属外壳部分通过加强绝缘措施与带电部分隔离），常见的Ⅱ类设备有塑料外壳的台灯、电风扇等，见图5。由于具有双重绝缘或加强绝缘，它不会因绝缘破损而发生电击事故，因此不必为它装设漏电保护器，也没有地线，配置的电源插头是两脚式的。Ⅱ类设备虽然很安全，但由于绝缘外壳的机械强度和耐高温性能差，一般只能做成小功率的电器。

4）Ⅲ类设备额定电压为48 V（国际标准）、36V（中国标准）、24V等特低压的电器称作Ⅲ类电器设备。根据IEC的测试结果，人体在干燥环境下接触50V电压、潮湿环境下接触25 V电压是不会发生心室纤颤死亡事故的，所以这类电器可用于对电气安全有特殊要求的情况，例如儿童玩具、电动理发器之类。为确保安全，这类电器的电源变换器必须采用绝缘良好的双绕组隔离降压变压器供电和采用带绝缘护套的电线，其芯线和电器的金属外壳都不得接地或接零，以防止地线或其他金属部分可能出现的危险对地电压传导入特低压回路。

2 电流对人体的效应

国家标准GB／T 13870.1—2008《电流对人和家畜的效应》［2］规定了15～100 Hz正弦交流电流通过人体时，有以下几个主要的效应阈值：①感知阈——通过人体能引起任何感觉的最小电流值；②反应阈——通过人体能引起肌肉不自觉收缩的最小电流值，反应阈的通用值为0.5 mA；③摆脱阈——手握电极的人能自行摆脱电极的最大电流值，摆脱阈的平均值为10 mA；④心室纤维性颤动阈值——通过人体能引起心室纤维性颤动的最小电流，是电击致死的主要原因，此阈值随通电时间的增大而减小。15～100Hz正弦交流电流过人体时的电流／时间效应分区见图6和表1。

3 电动车辆充电情形分析

3.1 电动车辆充电时防电击保护方案

因电动车辆具有金属外壳，且一般支持车主使用家中的交流电对电动车辆进行充电，故可以把电动车辆作为特殊的Ⅰ类设备，按照Ⅰ类设备的要求来要求充电时的电动车辆。

电动车辆相关标准规定如下：GB／T 18487.1—2001《电动车辆传导充电系统一般要求》［3］中3.1.1规定Ⅰ类电动车辆充电时必须要将车身各金属部分接地，9.4.1规定在电动车辆传导供电设备的接地系统中，应该提供一个RCD（漏电保护器），且写明额定漏电流动作值IΔN≤30 mA。 GB／T 20234.1—2011《电动汽车传导充电连接装置第1部分通用要求》［4］中6.2.2规定供电插头、供电插座、车辆插头和车辆插座应包括接地端子和触头，且在连接和断开中，接地触头应最先接通和最后断开。GB／T 18384.3—2001《电动车辆安全要求第3部分人员触电防护》［5］中6.4要求电动车车身所有金属部件有电位均衡要求，任意两点间的电阻值均应小于100mΩ。

表1 15～100Hz正弦交流电的时间／电流区域

电动车辆充电示意图、配电图如图7～9所示。

电动车辆充电时，需要接地和在供电端安装漏电保护器，此外车辆本身需要电位均衡。

3.2 保护原理分析

1）漏电保护器（RCD）工作原理简析从图8、图9和图10可以看出，漏电保护器监控的是除地线之外的供电线的电流矢量和。正常工作且不漏电时，进入漏电保护器的电流和出来的电流矢量和为0。发生漏电时，漏电流从漏电支路流走（可以是产品接地线，也可以是经人体流入大地），导致流入和流出漏电保护器的电流矢量和不为0。当漏电流超过设定的阈值时，漏电保护器动作，切断供电电源，保证安全。

2）地线正常连接下的漏电保护分析在地线正常连接的情况下，若相线（L1、L2或L3）绝缘破损和车身钣金接触，因为存在连接车身的地线，将有较大电流经过与车身连接的地线流入大地，这时流入和流出漏电传感器的电流矢量和远大于其额定漏电流动作值IΔN，漏电保护器在很短的时间内动作（一般≤40ms），切断给车辆充电的供电电源，车身不再带电，人员接触车身就没有触电危险了。如图11所示。

3）地线故障下的漏电保护分析在地线故障情况下，车身没有接地，若发生相线绝缘损伤接触车身钣金，因为车身与大地之间有较大的绝缘电阻，所以车身与大地之间会有AC 220V的压差，此时漏电传感器的漏电流小，不会保护。人员接触车辆时形成触电回路，在安装了漏电保护器的情况下，在流过人体的触电电流达到漏电保护器的动作值时，漏电保护器在规定的时间内动作，切断危险的故障电源，人员脱离触电危险。

4）漏电保护器额定漏电流动作值分析 GB／T 18487.1—2001《电动车辆传导充电系统一般要求》中规定RCD的额定漏电流动作值IΔN≤30 mA，那这个值是否合理呢？

按照本文第2章节电流对人体的效应可以看出，流过人体的电流若达到30 mA并且超过200 ms，就有可能引起人体心室纤维性颤动而死亡。电动车辆结构复杂，车上具有可抓握的可带电金属部件，在地线故障和L线绝缘故障下，人员抓握带电的车身金属部件，就更增加触电死亡的概率。

本文1章节中介绍了I类移动式电器需要安装额定漏电流动作值IΔN≤30mA的RCD要求。

由此可以看出，电动车辆充电设备标准中，RCD额定漏电流动作值IΔN≤30mA的要求是合理的，同时笔者建议漏电保护器在额定漏电流下的动作时间应≤100ms。