電動車輛充電狀態漏電保護分析

陸圣青，鄒圣星，范 學

（比亞迪汽車工業有限公司，廣東 深圳 518118）

電動車輛動力電池中的電被用完時，需要使用充電連接裝置將電動車輛與電網供電裝置連接起來充電。一般情況下，電網的電壓均超過人體安全電壓，那么應該怎樣設計電動車輛在充電時的保護方案，防止人員遭受電擊？電動車輛充電時已經接地了，為什么還要安裝漏電保護器呢？漏電保護器如果誤動作，能將保護限值放大嗎？怎樣驗證這些措施是安全有效的呢？本文將對這些問題做簡要分析。

1 家用電器防電擊措施分析

國際電工標準按家用電器防電擊措施的不同，將電氣設備分為4類［1］。

1）0類設備 0類設備只有一層絕緣，它有金屬外殼，但外殼沒有接地線 （PE線），它的插頭只有2個腳 （L線和N線）， 無法接地，如圖1所示。0類設備如果絕緣破損芯線碰金屬外殼，金屬外殼所帶接觸電壓可達220 V，而且熔斷器一般不會熔斷，斷路器 （空氣開關）也不會跳閘，所以電擊傷人的危險很大。國際電工標準（IEC）規定0類設備只能在絕緣環境中使用。如環境不絕緣就必須經1∶1的隔離變壓器供電才能保證人身安全，因變壓器二次回路不接地，不形成接地通路，不會引起電擊危險，如圖2所示。

2）I類設備 將0類設備的金屬外殼接出一根地線，并接用三腳插頭即成為I類設備，我們常用的洗衣機、電冰箱和金屬外殼的落地扇等，均是I類設備，見圖3。Ⅰ類設備如果有芯線絕緣破損碰金屬外殼，因為有地線接大地，金屬外殼帶電電壓要低得多，而且熔斷器、斷路器或剩余電流保護器 （俗稱漏電保護器）等保護電器因有接地短路電流通過，能熔斷或跳閘，從而切斷電源，如圖4所示。如果切斷電源迅速，而接觸電壓又低，則被電擊的人就可免于死亡。

3）Ⅱ類設備 這類電器設備通常具有塑料絕緣的外殼 （或者金屬外殼部分通過加強絕緣措施與帶電部分隔離），常見的Ⅱ類設備有塑料外殼的臺燈、電風扇等，見圖5。由于具有雙重絕緣或加強絕緣，它不會因絕緣破損而發生電擊事故，因此不必為它裝設漏電保護器，也沒有地線，配置的電源插頭是兩腳式的。Ⅱ類設備雖然很安全，但由于絕緣外殼的機械強度和耐高溫性能差，一般只能做成小功率的電器。

4）Ⅲ類設備額定電壓為48 V（國際標準）、36V（中國標準）、24V等特低壓的電器稱作Ⅲ類電器設備。根據IEC的測試結果，人體在干燥環境下接觸50V電壓、潮濕環境下接觸25 V電壓是不會發生心室纖顫死亡事故的，所以這類電器可用于對電氣安全有特殊要求的情況，例如兒童玩具、電動理發器之類。為確保安全，這類電器的電源變換器必須采用絕緣良好的雙繞組隔離降壓變壓器供電和采用帶絕緣護套的電線，其芯線和電器的金屬外殼都不得接地或接零，以防止地線或其他金屬部分可能出現的危險對地電壓傳導入特低壓回路。

2 電流對人體的效應

國家標準GB／T 13870.1—2008《電流對人和家畜的效應》［2］規定了15～100 Hz正弦交流電流通過人體時，有以下幾個主要的效應閾值：①感知閾——通過人體能引起任何感覺的最小電流值；②反應閾——通過人體能引起肌肉不自覺收縮的最小電流值，反應閾的通用值為0.5 mA；③擺脫閾——手握電極的人能自行擺脫電極的最大電流值，擺脫閾的平均值為10 mA；④心室纖維性顫動閾值——通過人體能引起心室纖維性顫動的最小電流，是電擊致死的主要原因，此閾值隨通電時間的增大而減小。15～100Hz正弦交流電流過人體時的電流／時間效應分區見圖6和表1。

3 電動車輛充電情形分析

3.1 電動車輛充電時防電擊保護方案

因電動車輛具有金屬外殼，且一般支持車主使用家中的交流電對電動車輛進行充電，故可以把電動車輛作為特殊的Ⅰ類設備，按照Ⅰ類設備的要求來要求充電時的電動車輛。

電動車輛相關標準規定如下：GB／T 18487.1—2001《電動車輛傳導充電系統 一般要求》［3］中3.1.1規定Ⅰ類電動車輛充電時必須要將車身各金屬部分接地，9.4.1規定在電動車輛傳導供電設備的接地系統中，應該提供一個RCD（漏電保護器），且寫明額定漏 電流動 作值IΔN≤30 mA。 GB／T 20234.1—2011《電動汽車傳導充電連接裝置 第1部分 通用要求》［4］中6.2.2規定供電插頭、供電插座、車輛插頭和車輛插座應包括接地端子和觸頭，且在連接和斷開中，接地觸頭應最先接通和最后斷開。GB／T 18384.3—2001《電動車輛安全要求 第3部分 人員觸電防護》［5］中6.4要求電動車車身所有金屬部件有電位均衡要求，任意兩點間的電阻值均應小于100mΩ。

表1 15～100Hz正弦交流電的時間／電流區域

電動車輛充電示意圖、配電圖如圖7～9所示。

電動車輛充電時，需要接地和在供電端安裝漏電保護器，此外車輛本身需要電位均衡。

3.2 保護原理分析

1）漏電保護器 （RCD）工作原理簡析 從圖8、圖9和圖10可以看出，漏電保護器監控的是除地線之外的供電線的電流矢量和。正常工作且不漏電時，進入漏電保護器的電流和出來的電流矢量和為0。發生漏電時，漏電流從漏電支路流走 （可以是產品接地線，也可以是經人體流入大地），導致流入和流出漏電保護器的電流矢量和不為0。當漏電流超過設定的閾值時，漏電保護器動作，切斷供電電源，保證安全。

2）地線正常連接下的漏電保護分析 在地線正常連接的情況下，若相線 （L1、L2或L3）絕緣破損和車身鈑金接觸，因為存在連接車身的地線，將有較大電流經過與車身連接的地線流入大地，這時流入和流出漏電傳感器的電流矢量和遠大于其額定漏電流動作值IΔN，漏電保護器在很短的時間內動作（一般≤40ms），切斷給車輛充電的供電電源，車身不再帶電，人員接觸車身就沒有觸電危險了。如圖11所示。

3）地線故障下的漏電保護分析 在地線故障情況下，車身沒有接地，若發生相線絕緣損傷接觸車身鈑金，因為車身與大地之間有較大的絕緣電阻，所以車身與大地之間會有AC 220V的壓差，此時漏電傳感器的漏電流小，不會保護。人員接觸車輛時形成觸電回路，在安裝了漏電保護器的情況下，在流過人體的觸電電流達到漏電保護器的動作值時，漏電保護器在規定的時間內動作，切斷危險的故障電源，人員脫離觸電危險。

4）漏電保護器額定漏電流動作值分析 GB／T 18487.1—2001《電動車輛傳導充電系統 一般要求》中規定RCD的額定漏電流動作值IΔN≤30 mA，那這個值是否合理呢？

按照本文第2章節電流對人體的效應可以看出，流過人體的電流若達到30 mA并且超過200 ms，就有可能引起人體心室纖維性顫動而死亡。電動車輛結構復雜，車上具有可抓握的可帶電金屬部件，在地線故障和L線絕緣故障下，人員抓握帶電的車身金屬部件，就更增加觸電死亡的概率。

本文1章節中介紹了I類移動式電器需要安裝額定漏電流動作值IΔN≤30mA的RCD要求。

由此可以看出，電動車輛充電設備標準中，RCD額定漏電流動作值IΔN≤30mA的要求是合理的，同時筆者建議漏電保護器在額定漏電流下的動作時間應≤100ms。

3.3 能否通過監控地線 （PE）電流實現防觸電保護

漏電流是除地線之外的供電線的電流矢量和，地線 （PE）電流僅指地線上的電流。

漏電流不等同地線電流，因為漏電流產生后，并不都是通過地線流入大地的，如人員觸電時經過人的身體直接流入大地。車身和大地之間等效于電容的兩級，在充電系統不漏電的情況下，因為感應作用，地線上也會形成電流，經實際測試在車輛充電且不漏電時，地線上有幾百毫安的感應電流。

若在地線上安裝異常電流監控裝置，一方面受車載電器電磁干擾容易引起誤動作，另一方面地線失效斷開時，將無法保護。因此，不能僅用監控地線電流來防觸電，為保證安全，充電供電裝置需安裝漏電保護器。

4 總結

在電動車輛充電過程中，通過PE線車身接地、車身等電位、充電供電裝置安裝漏電保護器等多種措施結合，才能最大限度地保證人員防觸電安全。

［1］ 王厚余.家用電器防電擊措施［J］.家用電器，1997 （11）：27-28.

［2］ GB／T 13870.1—2008， 電流對人和家畜的效應［S］.

［3］ GB／T 18487.1—2001， 電動車輛傳導充電系統［S］.

［4］ GB／T20234.1—2011， 電動汽車傳導充電連接裝置［S］.

［5］ GB／T 18384.3—2001， 電動車輛安全要求［S］.