【導讀】新能源汽車、充電樁、光伏儲能等是直流高壓的典型應用,在異常情況下,如線纜老化破損、接插件進水、結(jié)構(gòu)受損等都有可能導致絕緣降低殼體帶電的情況。高壓系統(tǒng)正極與負極對地絕緣降低時,高壓系統(tǒng)會通過殼體與地形成導電回路,造成接觸點的熱積累,嚴重時甚至會引發(fā)火災。因此實時監(jiān)測高壓系統(tǒng)的絕緣性能對高壓產(chǎn)品以及人身安全都有重要意義。
高壓絕緣檢測的意義
新能源汽車、充電樁、光伏儲能等是直流高壓的典型應用,在異常情況下,如線纜老化破損、接插件進水、結(jié)構(gòu)受損等都有可能導致絕緣降低殼體帶電的情況。高壓系統(tǒng)正極與負極對地絕緣降低時,高壓系統(tǒng)會通過殼體與地形成導電回路,造成接觸點的熱積累,嚴重時甚至會引發(fā)火災。因此實時監(jiān)測高壓系統(tǒng)的絕緣性能對高壓產(chǎn)品以及人身安全都有重要意義。
什么是絕緣電阻?
在一定的條件下,處于兩個導體之間的絕緣材料的電阻。在電動汽車上,線束之間的良好的絕緣性能對車輛安全具有重要的影響。其中衡量電動汽車的絕緣性能的主要指標就是絕緣電阻
電動汽車相關標準要求
中國標準:
GB/T 18384.1-2015
電動汽車安全要求第1部分:車載可充電儲能系統(tǒng)(REESS)
GB/T 18384.2-2015
電動汽車安全要求第2部分:操作安全和故障防護
GB/T 18384.3-2015
電動汽車安全要求第3部分:人員觸電防護
GB/T 18384-2020
電動汽車安全要求 (替代GB/T 18384.1、GB/T 18384.2、GB/T 18384.3)
QC/T 897-2011
國外標準:
UN GTR NO.20 (Global Technical Regulation No. 20)
觸電造成的人體傷害分為電傷和電擊。電傷是指人體外表局部直接或間接地受到電流的傷害,形式有灼(燒)傷、電烙印、皮膚金屬化等。電擊是指電流通過人體內(nèi)部時,人體的內(nèi)部器官(如心臟等)受到的傷害,它是最危險的觸電傷害。
人體作為一個“導電體”,接觸到帶電導體時,如果流過的電流為40-50mA,且維持時間為1s,就會對人體產(chǎn)生電擊傷害。人體電阻模型復雜,我國制定接地設計相關標準和規(guī)程時,給出的人體阻值范圍是1000-1500 Ohm。人體能承受的交流峰值不超過42.4V ,直流電壓不超過60V。
觸電分為直接觸電和間接觸電。直接觸電是指人員直接接觸電氣設備的正常帶電導體而造成的觸電。直流充電樁采取的基本絕緣設計可防止這一點。間接觸電是指因電氣設備的內(nèi)部絕緣故障造成的、正常情況下不帶電的金屬外殼等外露可導電部分帶有危險電壓,一旦人員觸及故障設備的外露導電部分時造成的觸電。直流充電樁是I類設備,在交流側(cè)可有效防止間接觸電。
絕緣電阻的測量方法
包括直接法、比較法、自放電法。直接法就是直接測量施加在絕緣電阻兩端的直流電壓U和流過絕緣電阻的電流I,根據(jù)R=U/I計算得出。根據(jù)測量儀器的類型分為歐姆表、檢流計、高阻計。比較法是指與已知標準電阻比較,常用有電橋法和電流比較法。電橋法是在直流充電樁中常用的方法。自放電法是讓通過絕緣電阻的泄漏電流對標準電容充電,測出充電一定時間和標準電容兩端的電壓和電荷。自放電法和信號注入法類似。
平衡電橋檢測法
如下圖所示,其中Rp為正極對地阻抗,Rn為負極對地阻抗,R1與R2阻值相同為限流大電阻,R2與R3阻值相同為電壓檢測小電阻。
在系統(tǒng)正常時,Rp與Rn為無窮大,檢測電壓V1與V2電壓相等,通過R1與R2分壓可以算出正極電壓,從而推算出總的母線電壓Vdc_link。
在正極絕緣故障時,Rp阻值下降,Rp與(R1+R2)構(gòu)成并聯(lián)電阻,此時正極分壓減少,即V1小于V2,根據(jù)基爾霍夫電流定律,通過V1與V2可以算出此時的絕緣阻抗Rp的值,關系式如下。
負極絕緣阻抗出現(xiàn)故障時的算法一樣。
從上面可以看出,平衡電橋法適用于單極失效的情況,當正負極同時出現(xiàn)絕緣阻抗失效時就沒辦法分辨出此時的絕緣阻抗值,有可能會出現(xiàn)絕緣檢測未能及時發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。
不平衡電橋檢測法
不平衡電橋法是由內(nèi)部兩串阻值相同的接地電阻,通過電子開關S1與S2不同開合,改變檢測時所對應的接入電阻,從而計算出正負極對地阻抗。
當開關S1與S2同時閉合時,與平衡電橋法一樣,可以算出母線電壓Vdclink。
當開關S1閉合,S2斷開時,(R1+R2)與Rp并聯(lián),然后與Rn串聯(lián)構(gòu)成回路,根據(jù)基爾霍夫電流定律。
當開關S1斷開,S2閉合時,(R3+R4)與Rn并聯(lián),再與Rp構(gòu)成串聯(lián)回路,根據(jù)基爾霍夫電流定律。
因此通過上述3種開關的開合順序,可以算出接地絕緣阻抗Rp與Rn的值。此方法需要母線電壓穩(wěn)定之后測得的數(shù)據(jù)才準確,同時對于開關的切換母線電壓對地會有變化,需要一定時間間隔,因此檢測速度稍慢一些,不平衡橋法是高壓檢測中比較常用的方法,這里再介紹一種絕緣檢測方法。
基于漏電流原理的檢測
該檢測方法共用一個電壓采樣點,對于母線電壓Vdclink要單獨設置采樣點,可以利用系統(tǒng)現(xiàn)有的采樣信號。
通過系統(tǒng)讀取Vdclink參數(shù)。
閉合開關S1與S3,斷開開關S2,此時Rp與(R1+R3+R4)并聯(lián),之后與Rn串聯(lián)構(gòu)成回路,根據(jù)基爾霍夫電流定律。
閉合開關S2與S3,斷開開關S1,此時RN與(R2+R3+R4)并聯(lián),之后與RP串聯(lián)構(gòu)成回路,根據(jù)基爾霍夫電流定律。
因此通過上述3個開關的開合順序調(diào)整,可以計算出接地絕緣阻抗Rp與Rn的值。
絕緣檢測固態(tài)繼電器SSR
固態(tài)繼電器SSR作為半導體器件,具有尺寸小、不受磁場干擾、低驅(qū)動信號、無觸點顫動、無機械老化、高可靠性等優(yōu)點,廣泛應用于安防市場,如被動紅外檢測、門鎖、告警面板、門窗感應器等。以及智能電表監(jiān)測,包含有功功率、無功功率、任務切換、報警輸出、執(zhí)行驅(qū)動、限制功耗等。同時也適用于高壓絕緣檢測、采樣以及電壓平衡等作為電子切換開關。
如下為Littelfuse固態(tài)繼電器部分產(chǎn)品系列,其中工作電壓有400-800V,原邊采用光耦驅(qū)動信號為2-5mA,副邊采用反串聯(lián)MOSFET,交直流負載都可使用,絕緣耐壓3750-5000V實現(xiàn)良好的一二次測隔離。
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