高壓絕緣檢測方法與固態(tài)繼電器方案

新能源汽車、充電樁、光伏儲能等是直流高壓的典型應(yīng)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(dǎo)致絕緣降低殼體帶電的情況。高壓系統(tǒng)正極與負(fù)極對地絕緣降低時，高壓系統(tǒng)會通過殼體與地形成導(dǎo)電回路，造成接觸點的熱積累，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。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(yīng)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(dǎo)致絕緣降低殼體帶電的情況。高壓系統(tǒng)正極與負(fù)極對地絕緣降低時，高壓系統(tǒng)會通過殼體與地形成導(dǎo)電回路，造成接觸點的熱積累，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。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(dǎo)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(biāo)就是絕緣電阻

電動汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

中國標(biāo)準(zhǔn): 

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(biāo)準(zhǔn):

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(dǎo)電體”，接觸到帶電導(dǎo)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(fù)雜，我國制定接地設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備的正常帶電導(dǎo)體而造成的觸電。直流充電樁采取的基本絕緣設(shè)計可防止這一點。間接觸電是指因電氣設(shè)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(dǎo)電部分帶有危險電壓，一旦人員觸及故障設(shè)備的外露導(dǎo)電部分時造成的觸電。直流充電樁是I類設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電容充電，測出充電一定時間和標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(guān)系式如下。

負(fù)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(dāng)正負(fù)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(guān)S1與S2不同開合，改變檢測時所對應(yīng)的接入電阻，從而計算出正負(fù)極對地阻抗。

當(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)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(guān)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(zhǔn)確，同時對于開關(guān)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(shè)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(guān)S1與S3，斷開開關(guān)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(guān)S2與S3，斷開開關(guān)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(guān)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(dǎo)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(yīng)用于安防市場，如被動紅外檢測、門鎖、告警面板、門窗感應(yīng)器等。以及智能電表監(jiān)測，包含有功功率、無功功率、任務(wù)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(guān)。

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(fù)載都可使用，絕緣耐壓3750-5000V實現(xiàn)良好的一二次測隔離。