用于充电桩的B型剩余电流保护器的设计

安科瑞徐赟杰18706165067

00摘要

对含有充电桩的充电系统漏电原理、特征和保护安装位置进行了分析，并提出用于充电桩的B型剩余电流保护器的一种设计方案，通过双磁芯及对应的拓扑结构实现剩余电流的检测。分析了不同拓扑结构对应类型的剩余电流实现脱扣的机理，对直流剩余电流的检测采用磁调制技术，对其余类型剩余电流提出不进行波形识别、直接整流的电流检测方案。根据不同拓扑结构检测的电流类型，提出上方磁芯选择磁滞回线扁平、高磁导率的材料，下方磁芯选择具有高剩磁的非晶或纳米晶材料。通过Multisim仿真软件对直流剩余电流进行检测，结果表明基于高剩磁材料的磁调制技术能够反映直流剩余电流。

关键词：充电桩；剩余电流；磁调制技术；磁芯材料；电动汽车；充电桩；分散式充电桩；充电系统；剩余电流保护器

01引言

在全球气候变化和能源问题日渐突出的背景下，电动汽车由于能够在节能减排方面做出突出贡献而受到世界各国的大力支持。我国也正处于电动汽车快速成长的关键时期，充电设施行业也在进行快速扩张。截止2020年末，全国预计新增集中式充/换电站1.2万座，分散式充电桩480万个。在现有充电模式下，电路均含有直流环节，当漏电发生时，需要采用剩余电流保护器对充电桩进行保护。传统的AC/A型剩余电流保护器无法动作，而B型剩余电流保护器不仅能够对工频交流和脉动直流剩余电流提供保护，而且能够对1000Hz及以下的正弦交流、平滑直流和复合剩余电流提供保护，因此，用于充电桩的剩余电流保护器宜采用B型。目前B型剩余电流保护器相关技术长期被国外垄断，根据发表的相关技术论文可知，其研制的220V用户侧剩余电流保护器售价与10kV断路器相当，极大增加了充电桩建设的成本，对充电桩的普及造成了较大的阻碍。因此，开展B型剩余电流保护器的自主研发具有重要意义。B型剩余电流保护器设计的关键在于复合电流的检测和磁芯材料的选择。

02充电系统漏电的相关分析

充电桩由电网供电的同时对电动汽车进行充电，整体构成一个充电系统，系统内产生的剩余电流特征可能会随漏电地点的不同而改变。下文将对剩余电流的波形和B型剩余电流保护器的选用原因及安装位置进行具体分析。

1.剩余电流产生的机理

根据充电桩的不同，充电系统的构成可分为两种形式，如图1所示，公共电网采用TT或者TN接线形式，它们的中性点均接地。充电桩分为交流充电桩与直流充电桩，它们的主要区别在于输出电压的形式以及充电机的位置。交流充电桩输出交流电压，充电功率较小，可以通过电动汽车自带的车载充电机进行整流充电；直流充电桩直接输出直流电压，充电功率较大，因此充电机安装于直流充电桩中。

充电桩产生剩余电流的情况一般有两种：一种是汽车绝缘击穿，充电系统通过汽车、人体以及大地形成回路，产生剩余电流；另一种是充电桩绝缘击穿网通过充电桩、人体、大地以及中性线形成回路，公共电，产生剩余电流。人体对直流和工频交流的耐受值为30mA，随着交流频率的增加，人体对电流的耐受值有所提升，但是值仍然较小，故需要安装剩余电流保护器切断回路以保证人员安全。

2. 剩余电流的特征与保护的安装

交流充电桩充电时某相线路将充电桩绝缘击穿的情况如图2所示，此时通过人体的剩余电流没有经过有源滤波器，是含有大量的（6k±1）次谐波分量的复杂电流，而其余两相电流经过了有源滤波器滤波。无论剩余电流保护器放在充电系统的任何位置，通过其磁芯的电流相量之和不为零，可表示为：

由于通过磁芯的剩余磁通量不为零且不断变化，磁芯上的二次侧将感应出电动势，使操作机构执行跳闸，但正常情况下由于穿过磁芯的磁通量恒为零，操作机构不会动作。

当交流充电桩的绝缘被击穿时，通过人体的剩余电流为含有基频分量叠加高频谐波分量的复合电流；当直流充电桩的绝缘被击穿时，通过人体的剩余电流为直流；当汽车的绝缘被击穿时，无论是直流充电桩还是交流充电桩，通过人体的剩余电流均为直流。对于上述剩余电流，传统AC/A型剩余电流保护器都无法正确动作，因此，必须选择能检测复合剩余电流与直流剩余电流的B型剩余电流保护器。

B型剩余电流保护器应安装在充电桩处，而不是在充电电缆或者车载充电机处，这样在充电桩以及其后方的位置发生人员触电时，剩余电流保护器均能够及时动作；反之如果B型剩余电流保护器安装在充电桩后的位置，则该位置之前发生人员触电的情况，保护将不会动作。

03安科瑞ASJ系列剩余电流继电器

安科瑞电气ASJ系列剩余电流继电器能够满足对漏电情况进行防护，与遥控跳闸开关联用，及时切断电源，防止间接接触、限制漏电电流。也可以直接作为信号继电器，监控电力设备。特别适用于学校、商厦、工厂车间、集贸市场、工矿企业、国家重点消防单位、智能大厦与小区，地铁、石油化工、电信及国防等部门用电的安全保护。

（1）ASJ10ASJ20系列

其中AC型和A型剩余电流继电器的区别是：AC型剩余电流继电器是对突然施加或缓慢上升的剩余正弦交流电流能确保脱扣的剩余电流继电器，主要监测正弦交流信号。A型剩余电流继电器是对突然施加的或缓慢上升的剩余正弦交流电流和剩余脉动直流电流能确保脱扣的剩余电流继电器，主要监测正弦交流信号和脉冲直流信号。

（2）ASJ自复式过欠压保护器

ASJ10-GQ自复式过欠压保护器，适用于单相交流电压230V或三相电压400V，频率50Hz，额定工作电流至63A及以下的用户或负载。由中性线故障引起的单相或三相线路过、欠电压时，保护器对用电设备进行保护。产品集线路过电压、欠电压保护功能和线路正常电压自动延时复位功能。产品主要应用于住宅分户箱进线或单相或三相用电设备配电线路的保护，产品体积小、精度高、结构紧凑、安装方便，是民用建筑领域中的安全保护装置。

（3）ASJ60-LD16A剩余电流监测仪

ASJ60-LD16A剩余电流监测仪适用于交流额定电压为400V及以下的配电线路中使用，用于监测线路中的剩余电流，可作为剩余电流式活在监控装置，也可与低压断路器和低压交流接触器组成组合式剩余电流保护装置，用来对电气线路进行接地故障保护，防止接地故障电流引起的设备损坏和电气火灾事故，或用来对人身触电危险提供间接接触保护。

可应用于石油化工、工业厂房、大型公建、幼儿园、敬老院等场所的配电箱内，也可应用于路灯、庭院灯、景观灯的配电箱内，进行漏电或接地故障监测。

可监测最多16路剩余电流，每路剩余电流动作值可设，动作延时时间可设，监测功能可关闭；自动重合闸功能，重合闸时间可设，次数可设，功能可关闭；1路水浸报警继电器，16路剩余电流报警继电器，2路开关量输入，1路RS485通讯接口，可存储50条事件记录。

04结语

在可预见的未来内,随着新能源汽车走进千家万户,充电桩将成为老百姓生活中必不可少的一部分,因而,充电桩内剩余电流保护器的更新换代十分必要,只有安全的用电环境才能让大家放心地享受新能源汽车带来的便利。

审核编辑 黄宇