淺談用于充電樁的B型剩余電流保護器的設計

安科瑞 陳聰

【摘要】：對含有充電樁的充電系統(tǒng)漏電原理、特征和保護安裝位置進行了分析，并提出用于充電樁的B型剩余電流保護器的一種設計方案，通過雙磁芯及對應的拓撲結構實現(xiàn)剩余電流的檢測。分析了不同拓撲結構對應類型的剩余電流實現(xiàn)脫扣的機理，對直流剩余電流的檢測采用磁調制技術，對其余類型剩余電流提出不進行波形識別、直接整流的電流檢測方案。根據(jù)不同拓撲結構檢測的電流類型，提出上方磁芯選擇磁滯回線扁平、高磁導率的材料，下方磁芯選擇具有高剩磁的非晶或納米晶材料。通過Multisim仿真軟件對直流剩余電流進行檢測，結果表明基于高剩磁材料的磁調制技術能夠反映直流剩余電流。

【關鍵詞】:充電樁；剩余電流；磁調制技術；磁芯材料；電動汽車；充電樁；分散式充電樁；充電系統(tǒng)；剩余電流保護器

一、引言

在全球氣候變化和能源問題日漸突出的背景下，電動汽車由于能夠在節(jié)能減排方面做出突出貢獻而受到世界各國的大力支持。我國也正處于電動汽車快速成長的關鍵時期，充電設施行業(yè)也在進行快速擴張。截止2020年末，全國預計新增集中式充/換電站1.2萬座，分散式充電樁480萬個。在現(xiàn)有充電模式下，電路均含有直流環(huán)節(jié)，當漏電發(fā)生時，需要采用剩余電流保護器對充電樁進行保護。傳統(tǒng)的AC/A型剩余電流保護器無法動作，而B型剩余電流保護器不僅能夠對工頻交流和脈動直流剩余電流提供保護，而且能夠對1000Hz及以下的正弦交流、平滑直流和復合剩余電流提供保護，因此，用于充電樁的剩余電流保護器宜采用B型。

目前B型剩余電流保護器相關技術長期被國外壟斷，根據(jù)發(fā)表的相關技術論文可知，其研制的220V用戶側剩余電流保護器售價與10kV斷路器相當，增加了充電樁建設的成本，對充電樁的普及造成了較大的阻礙。因此，開展B型剩余電流保護器的研發(fā)具有重要意義。B型剩余電流保護器設計的關鍵在于復合電流的檢測和磁芯材料的選擇。在檢測機制方面，文獻［9］給出了一種檢測復雜波形的方案，利用磁調制技術，將原邊的剩余電流反映到副邊以后，運用全相位傅里葉變換對全部波形進行識別，但實驗結果在識別脈動直流時誤差較大。文獻［10］詳細介紹了在磁滯回線分段線性化條件下磁調制的原理，但仿真時為了接近磁芯材料的性質，采用的是反正切函數(shù)的磁滯回線，仿真模型與原理不對應，且僅定性描述了仿真結果，對非線性電流識別的準確程度未進行評價。文獻［11］對B型剩余電流保護器進行了建模設計，指出B型剩余電流保護器是雙磁芯拓撲結構，不同拓撲結構對應檢測不同的波形，下面磁芯的拓撲結構采用恒定頻率的方波激勵源進行磁調制，無法反映出原邊剩余電流。但該文獻提出了一種分功能檢測波形的思想，為本文B型剩余電流保護器的設計提供了思路。文獻［12］提出B型剩余電流保護器上磁芯的拓撲結構是零序電流互感器，下磁芯的拓撲結構采用磁調制技術，對感應到副邊的電流進行測頻以實現(xiàn)剩余電流的檢測，但由于某些復合剩余電流不存在周期，測頻環(huán)節(jié)測得的頻率沒有意義，會直接影響到剩余電流保護器的性能，其借鑒意義不大。在磁芯材料的選擇方面，國內外可參考的文獻較少，文獻［13］-文獻［14］僅提及檢測直流的磁芯需采用非晶與納米晶材料，沒有對該種材料的選型做進一步說明。

基于此，本文提出了用于充電的B型剩余電流保護器的設計方案。首先，闡述了含有充電樁的供電系統(tǒng)剩余電流的產生機理，對剩余電流的波形和B型剩余電流保護器的選用原因及安裝位置進行了分析；其次，對B型剩余電流保護器的工作原理進行研究，包括各磁芯拓撲結構及波形檢測的分工，重點介紹了直流電流的檢測方法；再次，根據(jù)對應拓撲結構的分工，選擇滿足波形檢測要求的磁芯材料，進而采用磁調制技術，利用選擇磁芯的磁飽和特性對直流電流的檢測進行仿真，檢驗設計的合理性。

1充電系統(tǒng)漏電的相關分析

充電樁由電網供電的同時對電動汽車進行充電，整體構成一個充電系統(tǒng)［15-16］，系統(tǒng)內產生的剩余電流特征可能會隨漏電地點的不同而改變。下文將對剩余電流的波形和B型剩余電流保護器的選用原因及安裝位置進行具體分析。

1.1剩余電流產生的機理

根據(jù)充電樁的不同，充電系統(tǒng)的構成可分為兩種形式，如圖1所示，公共電網采用TT或者TN接線形式，它們的中性點均接地。充電樁分為交流充電樁與直流充電樁，它們的主要區(qū)別在于輸出電壓的形式以及充電機的位置。交流充電樁輸出交流電壓，充電功率較小，可以通過電動汽車自帶的車載充電機進行整流充電；直流充電樁直接輸出直流電壓，充電功率較大，因此充電機安裝于直流充電樁中。

圖1

充電系統(tǒng)的構成

充電樁產生剩余電流的情況一般有兩種：一種是汽車絕緣擊穿，充電系統(tǒng)通過汽車、人體以及大地形成回路，產生剩余電流；另一種是充電樁絕緣擊穿網通過充電樁、人體、大地以及中性線形成回路，公共電，產生剩余電流。人體對直流和工頻交流的耐受值為30mA，隨著交流頻率的增加，人體對電流的耐受值有所提升［17］，但是值仍然較小，故需要安裝剩余電流保護器切斷回路以保證人員安全［18］。

1.2剩余電流的特征與保護的安裝

情況如圖交流充電樁充電時某相線路將充電樁絕緣擊穿的2所示，此時通過人體的剩余電流沒有經過有源濾波器，是含有大量的（6k±1）次諧波分量的復雜電流［19-20］，而其余兩相電流經過了有源濾波器濾波。無論剩余電流保護器放在充電系統(tǒng)的任何位置，通過其磁芯的電流相量之和不為零，可表示為：（1）式（1）中分別為三相電流，為剩余電流。

圖2某相電壓將充電樁絕緣擊穿的情況

通過磁芯的磁通量也不為零，同理可表示為：?a+?b+?c=?p（2）式（2）中，?a、?b、?c分別為通過三相的磁通量，?p為剩余磁通量。

由于通過磁芯的剩余磁通量不為零且不斷變化，磁芯上的二次側將感應出電動勢，使操作機構執(zhí)行跳閘，但正常情況下由于穿過磁芯的磁通量恒為零，操作機構不會動作。

當交流充電樁的絕緣被擊穿時，通過人體的剩余電流為含有基頻分量疊加高頻諧波分量的復合電流；當直流充電樁的絕緣被擊穿時，通過人體的剩余電流為直流；當汽車的絕緣被擊穿時，無論是直流充電樁還是交流充電樁，通過人體的剩余電流均為直流。對于上述剩余電流，傳統(tǒng)AC/A型剩余電流保護器都無法正確動作，因此，選擇能檢測復合剩余電流與直流剩余電流的B型剩余電流保護器。

B型剩余電流保護器應安裝在充電樁處，而不是在充電電纜或者車載充電機處，這樣在充電樁以及其后方的位置發(fā)生人員觸電時，剩余電流保護器均能夠及時動作；反之如果B型剩余電流保護器安裝在充電樁后的位置，則該位置之前發(fā)生人員觸電的情況，保護將不會動作。

2 B型剩余電流保護器的工作原理

2.1直流波形檢測技術

采用磁調制［21-22］的方法檢測直流波形，利用磁芯在飽和區(qū)的特性，通過高頻方波激勵源讓磁芯反復飽和，將原邊的直流剩余電流反映到副邊，磁調制技術的工作原理如圖3所示。每當采樣電阻兩端電壓的絕對值達到設定閾值時，容易得出，滯回比較器輸出電壓將突變至相反值，其值為：（3）式（3）中，Vr是設定閾值，Uexc是滯回比較器輸出電壓，稱作“激磁電壓”，顯然激磁電壓是方波。

圖3磁調制的工作原理

為了實現(xiàn)檢測直流的效果，當采樣電阻兩端電壓達到Vr時，對應通過的電流早已使磁芯進入飽和狀態(tài)，不妨設此時的電流為±IH。

為了簡化分析，認為磁滯曲線是正切曲線，為了便于描述電流與磁通密度之間的關系，在電流與磁場強度成正比的前提下，繪制電流與磁通密度之間的曲線，如圖4所示。在曲線開始變得平緩時，可以認為磁芯已經進入飽和狀態(tài)，記此時對應的磁通密度與電流分別為±Bs、±Is。

圖4電流與磁通密度之間的關系

當原邊有直流剩余電流通過時，可以用圖5描述原副邊之間的關系。設原邊電流為ip，該電流使得磁芯的磁通密度有一個偏置，不妨認為該偏置是副邊造成的，將原邊電流等效到副邊，記副邊等效電流為Ip。

圖5原副邊之間的等效電路

原副邊電流產生的磁勢相同，而原邊匝數(shù)為1，故副邊等效電流為Ip=ip/N2根據(jù)基爾霍夫電壓定律，建立副邊激磁回路方程如式（4）。（4）式（4）中，i（t）是副邊的激磁電流。設開始時刻t0磁芯恰好達到負向磁飽和狀態(tài)，由磁勢方程中電流與磁場強度之間的關系，可以得到：（5）式（5）中，Hs是磁芯剛進入飽和時對應的磁場強度，i(t0)是副邊激磁電流的初始值。

取激磁電流的一個周期進行分析，由于進入飽和區(qū)后曲線平緩，故經過可以忽略的極短時間后，采樣電阻電壓達到閾值，激磁電壓開始反向，設磁芯下一次達到飽和的時間為t1，再次達到反向飽和的時間為t1+t2。同理，t1時刻，有：（6）聯(lián)立方程式（4）-式（6），解得激磁電流在1個周期內的表達式為：

i(t)=（7）式（7）中，τ為時間常數(shù)，t1、t2分別為式（8）。（8）認為Ip<Is?IH，現(xiàn)對1個周期內i（t）的直流分量進行求解，則：（9）式（9）中，d0為每個周期內i（t）的直流分量。

可以得到，副邊激磁電流的直流分量與原邊直流等效到副邊電流的相反數(shù)相同。

2.2.B型剩余電流保護器的拓撲結構

B型剩余電流保護器的拓撲結構如圖6所示，上磁芯對應電路能夠對脈動直流及1000Hz以下正弦交流剩余電流做出反應并正確動作。對于原邊的脈動直流剩余電流，不通過特殊手段，其直流部分是無法反映到副邊的，因此實際上副邊電流得到的波形僅為脈動的。對于1000Hz以下的正弦交流剩余電流，隨著交流頻率的增加，由于磁滯損耗、渦流損耗、執(zhí)行機構動作所需磁力的增長以及濾波器作用，執(zhí)行機構的動作電流會相應上升［23-27］，增加了整定的復雜性。

圖6B型剩余電流保護器的拓撲結構

考慮到上磁芯檢測到的波形較為復雜，且存在剩余電流是脈動直流與1000Hz以下交流的復合電流的情況，實時識別波形類型的難度大出一種基于整流器的檢測動作機制。

3 磁芯的材料

原邊直流、脈動剩余直流和副邊高頻激磁電流對磁芯材料提出了較高的要求，磁芯材料的選擇將直接影響B(tài)型剩余電流保護器的性能。根據(jù)拓撲結構對應檢測的剩余電流特征不同，磁芯的材料將有所區(qū)別。

3.1上磁芯的材料

上磁芯能夠對脈動直流和1000Hz以下交流剩余電流做出反應，即使原邊電流含有直流成分，和脈動直流的脈動部分也能正確反映到副邊正弦交流，因此上磁芯材料是抗直流的。當原邊電流含有直流成分時，磁芯的磁通密度與原邊電流關系曲線如圖7所示。在t0時刻，電流從0瞬間變到I0，磁芯的磁通密度由于此直流部分的偏置，從-Br直接變?yōu)?em style="margin: 0px; padding: 0px; list-style-type: none; box-sizing: border-box;">B0，脫離了線性區(qū)；t0到t1時間內，電流從I0增加到Imax，對應的磁通密度從非線性區(qū)的B0直接進入飽和區(qū)的Bmax，脈動部分電流反映到副邊的波形會明顯失真。

圖7磁芯的磁通密度與原邊電流關系曲線

為了避免上述情況的發(fā)生，對于上磁芯材料的選擇，首先，磁芯材料的磁滯回線扁平，在原邊剩余電流含有直流成分時，磁芯材料仍能保持在線性區(qū)，便于原邊疊加的交流剩余電流成分能完整地反映到副邊；其次，磁芯材料要同時保持高磁導率，由于直流成分的偏置，對交流剩余電流成分，磁通密度的變化較沒有偏置時小，副邊驅動能力變弱，故要選擇高磁導率的材料來維持驅動能力。

3.2下磁芯的材料

B型剩余電流保護器的下磁芯材料需選用納米晶或非晶材料，它們均具有極低的磁滯、渦流損耗和較高的磁導率，常用于高頻變壓器中。由于副邊激磁電流頻率很高，故主要研究在高頻條件下不同非晶與納米晶材料的特性。

在外磁場的作用下，非晶與納米晶材料在特定條件下磁致伸縮現(xiàn)象明顯，其長度尺寸及體積大小均要發(fā)生變化，此現(xiàn)象發(fā)生時會進一步引發(fā)鐵磁共振［28］現(xiàn)象，這是由磁芯材料和幾何力學相互之間復雜作用的結果，具體表現(xiàn)為隨著激磁電流頻率的增加，磁芯材料的磁滯回線出現(xiàn)不對稱、變形扭曲與磁滯、渦流損耗極不穩(wěn)定的波動等反?，F(xiàn)象。由于磁調制檢測直流的機理是建立在磁滯回線正常的條件下，故選擇下磁芯的材料時要盡可能抑制磁致伸縮現(xiàn)象的產生。大量實驗表明［29］，非晶與納米晶材料在磁滯回線拐點處之后磁致伸縮現(xiàn)象較為明顯，而一般磁滯回線拐點處距離剩磁Br較近，故可以認為在超過剩磁之后磁致伸縮現(xiàn)象不可忽略。當剩磁處距離磁飽和區(qū)域高點較近，即剩磁較高時，實際在高頻下發(fā)生磁致伸縮現(xiàn)象的范圍極其有限，從而這種材料的磁滯回線能夠應用于磁調制原理當中；同時在高頻下高剩磁的材料磁芯損耗密度比低剩磁的材料要低［30-38］，故下磁芯宜選擇具有高剩磁的非晶或者納米晶材料。

4仿真分析

由于上磁芯及其拓撲結構需要大量實驗進行重疊區(qū)的整定，且原邊波形種類復雜，不便于進行仿真，這里僅對下磁芯及其拓撲結構的直流波形檢測做仿真分析。選取具有高剩磁的非晶材料日立Matglas-2605S3A，并做如下簡化：

1）非晶材料的磁滯回線選擇頻率為10kHz、大磁通密度為0.65T，用反正切函數(shù)做近似，用小二乘法擬合，得到簡化磁滯回線表達式為B=0.4138arctan（0.0135H）。

與仿真相關的具體參數(shù)如表1所示。

在Multisim平臺上進行仿真，磁芯用可編輯磁滯回線的非線性變壓器代替，當原邊沒有剩余電流通過與原邊出現(xiàn)0.5A的直流剩余電流時，激磁電流的波形分別如圖8、圖9所示。

圖8沒有剩余電流時激磁電流的波形圖

圖9有0.5A剩余直流時激磁電流的波形圖

當原邊沒有剩余電流產生時，激磁電流波形在每個周期內大于零與小于零的時間相同，故直流分量為0；當原邊出現(xiàn)剩余電流時，激磁電流在每個周期內大于零的時間少于小于零的時間，整體電流波形較原邊沒有剩余電流時有明顯下傾趨勢，說明直流分量小于0，與原邊直流符號相反，符合磁調制的結果?，F(xiàn)進一步對該波形的直流分量進行計算，由于采樣點是離散的，可用離散點表示的復化梯形公式計算積分。

當原邊沒有剩余電流產生時，激磁電流波形在每個周期內大于零與小于零的時間相同，故直流分量為0；當原邊出現(xiàn)剩余電流時，激磁電流在每個周期內大于零的時間少于小于零的時間，整體電流波形較原邊沒有剩余電流時有明顯下傾趨勢，說明直流分量小于0，與原邊直流符號相反，符合磁調制的結果?，F(xiàn)進一步對該波形的直流分量進行計算。由于采樣點是離散的，可用離散點表示的復化梯形公式計算積分。

（10）式（10）中，i（t）是激磁電流在t時刻對應電流大小，T是每次進行計算采用的時間間隔，h是采樣間隔，xk是采樣的時刻，它與時間間隔的關系為xk=kh。

這種計算方法的計算誤差與采樣間隔的平方成正比，故誤差很小。時間間隔取2.5ms，采樣間隔為1μs，對所有采樣點進行計算，得到激磁電流的周期分量d0=-4.98mA，其值與原邊剩余直流轉化到副邊值Ip=5.0mA的相反數(shù)相近，說明基于磁調制的直流檢測技術能正確反映原邊的剩余直流。對激磁電流的頻率進行分析，無論原邊是否有剩余電流，激磁電流的頻率都在4kHz左右，故下磁芯在該頻率下具有較小的磁滯、渦流損耗，選擇高剩磁的非晶與納米晶材料剛好符合此要求。

二、解決方案

圖1平臺結構圖

充電運營管理平臺是基于物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)技術的充電設施管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控、調度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗和服務質量。用戶可以通過APP或小程序提前預約充電，避免在充電站排隊等待的情況，同時也能為充電站提供更準確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調度和管理。通過平臺可對充電樁的功率、電壓、電流等參數(shù)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和處理充電樁故障和異常情況對充電樁的功率進行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內充電，避免對電網造成過大的負荷。

三、安科瑞充電樁云平臺具體的功能

平臺除了對充電樁的監(jiān)控外，還對充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調管理，提高充電站的運行可靠性，降低運營成本，平臺系統(tǒng)架構如圖3所示。

圖2充電樁運營管理平臺系統(tǒng)架構

大屏顯示：展示充電站設備統(tǒng)計、使用率排行、運營統(tǒng)計圖表、節(jié)碳量統(tǒng)計等數(shù)據(jù)。

圖3大屏展示界面

站點監(jiān)控：顯示設備實時狀態(tài)、設備列表、設備日志、設備狀態(tài)統(tǒng)計等功能。

圖4站點監(jiān)控界面

設備監(jiān)控：顯示設備實時信息、配套設備狀態(tài)、設備實時曲線、關聯(lián)訂單信息、充電功率曲線等。

圖5設備監(jiān)控界面

運營趨勢統(tǒng)計：顯示運營信息查詢、站點對比曲線、日月年報表、站點對比列表等功能。

圖6運營趨勢界面

收益查詢：提供收益匯總、實際收益報表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖7收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態(tài)餅圖、故障趨勢分析、故障類型餅圖等功能。

圖8故障分析界面

訂單記錄：提供實時/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導出、運營商應收信息、充電明細、交易流水查詢、充值余額明細等功能。

圖9訂單查詢界面

三、產品選型

安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來滿足新能源汽車行業(yè)快速、經濟、智能運營管理的市場需求。實現(xiàn)對動力電池快速、高效、安全、合理的電量補給，同時為提高公共充電樁的效率和實用性，具有有智能監(jiān)測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能；智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能；云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，財務報表分析等等；遠程升級：具備完善的通訊功能，可遠程對設備軟件進行升級；保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能；適配車型：滿足國標充電接口，適配所有符合國標的電動汽車，適應不同車型的不同功率。下面是具體產品的型號和技術參數(shù)。

四、現(xiàn)場圖片

五、結論

本文給出了用于汽車充電樁的B型剩余電流保護器的一種設計方案，對其原理與磁芯材料進行了分析，結合仿真結果，得到了以下結論：

1）B型剩余電流保護器是雙磁芯結構，上磁芯及其拓撲結構僅對1000Hz以下正弦交流剩余電流、脈動直流剩余電流的脈動部分以及它們的復合電流作出反應，磁芯在原邊剩余電流有直流成分時不能飽和，宜選擇磁滯回線扁平、高磁導率的材料；下磁芯及其拓撲結構僅對直流剩余電流作出反應，磁芯宜選擇具有高剩磁的非晶或納米晶材料，它們發(fā)出的脫扣命令之間是“或”的邏輯關系。

2）對于反映具有復雜波形的剩余電流，采用整流的方法，避免了對波形的實時識別，通過判斷整流后的電流是否在重疊區(qū)內，確定是否發(fā)出脫扣信號。

3）直流剩余電流的檢測采用磁調制技術，將原邊的直流以直流分量的形式反映到副邊激磁電流當中。仿真結果表明，采用高剩磁的非晶磁芯材料，能正確檢測原邊直流剩余電流，提取激磁電流的直流分量與原邊電流換算到副邊的相反數(shù)數(shù)值相近。

綜上所述，用于汽車充電樁的B型剩余電流保護器的設計就現(xiàn)有技術手段可以實現(xiàn)，但是由于我國在材料研究上稍落后于國際水平，加之部分材料限制對我國的出口，相應的磁芯材料的獲取成為B型剩余電流保護器國產自主化的瓶頸；其次，對磁芯的布線與磁屏蔽方案對B型剩余電流保護器性能的影響也待進一步探究。

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