电动汽车充电桩的防触电保护

2020-12-21申龙云

通信电源技术 2020年2期

关键词：绝缘层直流绝缘

申龙云

（深圳供电规划设计院有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

随着居民生活水平的提升，我国汽车得到了大面积普及。但是，使用汽油、柴油等传统燃料的汽车，尾气排放对环境污染严重。在此情况下，电动汽车应运而生，随之的一系列配套设备成为人们关注的热点。

1 电动汽车及配套设备

传统的汽车以汽油和柴油为燃料，在行驶过程中要排放大量的尾气。电动汽车的动能从燃料改为电池驱动，不仅能够缓解我国的能源危机，还彻底实现了污染零排放，有利于保护环境[1]。当电动汽车的驱动电池电能消耗过多时，会出现不能便捷找到充电点等现实问题，导致电动汽车在我国的实际利用率不高。

为了解决电动汽车面临的没有充电点的问题，研究学者为电动汽车设计了相配套的充电设备，其中充电桩就是这一系列充电设备中便捷、可靠、快速的设施之一，得到了大面积使用。然而，由于充电桩和居民用电、电动自行车充电不同，对汽车的充电必然是一个大功率、大电流的设施，价格昂贵，一般位于公共场所。因此，摆放在公共场所的电动汽车充电桩能否安全使用，成为消费者、企业和政府三方关心的问题。

2 充电桩的安全标准

在充电桩的生产与使用过程中，国家有关部门制定了一系列政策要求。对于充电桩的安全标准，以IEC为主的通用标准成为企业生产合格达标充电桩的主要依据。现行的IEC61851-1充电桩安全标准，是我国政府相关部门在2010年针对电动汽车行业以及其附属产业充电桩的发展制定的一套通用标准[2]，具体涵盖了充电桩的设计标准、生产标准以及电流标准等。在整个IEC充电桩安全生产标准中，相关部门针对充电桩耗电量大、电压高、电流大等特点制定了许多要求，包括防止充电桩过热、防止大能量电弧、防止充电桩发生机械危险、防止充电桩不符合操作流程等。这些要求虽然种类繁多，但仍以防触电保护要求为最重要、最根本的要求。

3 电动汽车充电桩对防触电保护的相关要求

由于防触电是整个充电桩安全标准中最基本、最严格的要求，因此IEC针对充电桩生产商在设计和生产充电桩时要做到对充电桩的三重安全保护。

3.1 充电桩直接触电防护

充电桩的直接触电主要是指充电桩的生产厂商在生产充电桩时应当及时注意并考虑到消费者可能与充电桩发生接触的部位，并对这些部位做绝缘化处理。对于充电桩内部的危险带电体，更应当做到与消费者完全绝缘。在我国《电动汽车安全规范》中，消费者可能接触到的部位一旦交流电压超过30 V或者直流电压超过60 V，将属于安全规范中的危险带电体[3]。生产厂商在进行充电桩生产时，应当做好相关的直接防护工作。

第一，对危险带电体进行绝缘化处理。对于危险带电体，绝缘是第一道也是最直接的一道防护，是充电桩直接接触防护中最主要的步骤。在《安全标准》中，对危险带电体的绝缘化处理要求带电体完全绝缘，且绝缘化除非经过强力破坏不能被去除，保证带电体的绝缘。

第二，利用遮挡物或者障碍物隔挡危险带电体，阻止消费者和危险带电体接触。虽然对于充电桩中的危险带电体有绝缘层保护，但是一旦绝缘层发生坏损，便会失去绝缘效果。因此，将危险带电体与消费者进行隔绝十分重要。在隔档保护方式中，危险带电体应当在相关的遮挡物后部，防护等级最少在IPXXB以上，并且能够承受一定的自然天气的打击，保持坚固性和长期有效性。

第三，对于充电桩的危险带电体电压进行相关的要求。在《安全标准》中，对于特低电压的电压范围也有严格要求，其中交流电不应超过30 V，直流电不应超过60 V。

第四，对于充电桩的接触电流和电荷进行一定的限制。在接触电流和电荷方面，《安全标准》要求生产厂商应当通过相关的模拟实验，模拟人体漏电流的状态进行相关的充电桩设计。在IEC标准中，充电桩在能够被人体接触到的部分不应当有危险带电体，而当充电桩和电动汽车开始接触并进行充电和充电后的电源断开时，应当对其中的交流电压、直流电压予以一定的警示，一旦超过额定值，充电桩应当进行相关的警报工作。

3.2 充电桩的间接触电防护

充电桩的直接触电防护是其第一道防护关卡。充电桩的间接触点防护是当直接触电防护失效时保证消费者不能够接触到危险带电体的最主要的防护层。当充电桩正常工作时，对于它的运转只要求直接接触防护，即消费者不能接触到危险带电体。但是，充电桩的生产厂家必须注意到一旦充电桩发生故障时的使用情况。间接触电防护是为了保证充电桩在故障条件下消费者也不能够接触到危险带电体，具体分为如下几个措施。

第一，对危险带电体进行附加绝缘。虽然在直接触电防护中对危险带电体做了全部的绝缘工作，但是为了防止由于自然灾害、人为破坏等造成的直接触电防护的绝缘层破裂情况，对危险带电体进行二次绝缘保护十分必要。这层绝缘是对危险带电体的独立绝缘，一旦基本的绝缘层失去绝缘效果，间接触电防护的绝缘层也能够保证消费者不直接触碰到危险带电体。

第二，对于危险带电体极易与人体触碰的地方，实行加强的绝缘效果，即双重绝缘。双重绝缘是在部分消费者能够触碰到的危险带电体部位进行再一次的绝缘层防护，确保危险带电体被完好包裹在绝缘层内。

第三，将充电桩中危险带电体能够与人体进行接触的金属部位或者有可能的金属部位进行等电位连接。这种连接一般是出于保护性的安全连接，使所有可能会被消费者接触到的危险带电体的金属部位都处在同一个电位上，确保消费者的安全。

第四，在充电桩发生故障导致危险带电体裸露、无法充电、电流混乱等情况时，启动自动切断一切电源的装置。作为间接触点防护，基本目标是当充电桩的防触电保护发生故障时，消费者能够正常使用充电桩，而一旦充电桩的防触电保护完全失效，消费者即有可能发生触电事故，间接触点防护应当利用TN系统亦或是TT系统和总电源进行连接，及时切断充电桩的总电源，保证由充电桩内部系统故障而造成的危险带电体可能与消费者发生接触而发生触电事故的可能性降到最低。

除了直接触电防护和间接触点防护外，IEC和《安全标准》规定的充电桩防触电保护还包括附加防护等多重防护。这些防护措施都是为了避免上述两种防护措施无法正常作用时保护消费者的使用安全而进行的。

4 电动汽车充电桩对防触电保护的要求

由于充电桩是为电动汽车的投入使用而生，因此对于充电桩的防触电保护应当注意电动汽车在进行充电时的安全问题，一旦充电桩或者电动汽车的任何接触部位发生绝缘破坏无法进行正常的防触电保护，应当立即切断二者之间的联系，并通过警示的方式告知消费者。因此，充电桩的生产厂家不仅要考虑到充电桩平时的防护触电保护，更要考虑到充电桩在电动汽车进行充电时与电动汽车进行连接时的防触电保护。目前，按照我国充电桩的分类，相关学者有着不同的防触电研究。

4.1 对于交流充电桩的防触电保护要求

对于交流充电桩，相关研究学者将控制导引电路安置在充电桩与电动汽车的连接中。这种电路装置一方面在电动汽车的整个充电过程确认电动汽车和充电桩是否完成了所有线路的连接，确保危险带电体被绝缘层覆盖，另一方面也要持续监控电动汽车充电的全过程。当电动汽车和充电桩之间的接地线断开时，该电路应当做到在100 ms内切断二者之间的联系和充电桩的电源。一旦该电路故障、电动汽车和充电桩之间的接地线连接不严，电动汽车将无法和充电桩保持等电位联结，电动汽车被内部的绝缘将会失效，危险电压将通过金属车身直接与消费者接触，消费者很有可能发生触电危险。

4.2 对直流充电桩的防触电保护要求

除了交流充电桩以外，研究者对于直流充电桩也进行了相应的防触电保护。直流充电桩的电机分为隔离式和非隔离式。前者是指直流充电桩在输出电路和电源的交流侧基本上是绝缘状态，是我国目前在IEC和《安全标准》设计中主要针对的一种充电桩。在有关直流充电桩的安全标准部分，主要规定了直流充电桩必须要安装相应的自动切断电源装置，以及直流充电桩应当能够在正常使用时与交流电源侧中的A型漏电保护器相兼容。