馮瑾濤，曹元威，李宗原，朱洋洋

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電動汽車非車載直流充電設(shè)備絕緣配合測試方法研究

馮瑾濤，曹元威，李宗原，朱洋洋

(許昌開普檢測研究院股份有限公司, 河南 許昌 461000)

電動汽車非車載直流充電設(shè)備絕緣配合的要求在相應(yīng)的新的國家標準和老的行業(yè)標準中不一致。通過研究電動汽車充電設(shè)備目前正在執(zhí)行的相關(guān)標準以及電氣絕緣配合相關(guān)的基礎(chǔ)標準要求，總結(jié)了電動汽車非車載直流充電設(shè)備在絕緣配合的設(shè)計和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗過程中的各個參數(shù)之間選用的方法，為非車載直流充電設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用提供依據(jù)。

電動汽車；充電設(shè)備；絕緣配合

0 引言

目前電動汽車非車載直流充電設(shè)備的絕緣配合相關(guān)試驗項目主要參考了NB/T 33001-2010《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機技術(shù)條件》，NB/T 33008.1-2013《電動汽車充電設(shè)備檢驗試驗規(guī)范第1部分：非車載充電機》中規(guī)定了有關(guān)電氣間隙和爬電距離、絕緣性能試驗、絕緣強度試驗、介電強度試驗、沖擊耐壓試驗等實驗項目，另外在GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》中也規(guī)定了絕緣電阻、介電強度和沖擊耐壓的要求。這些要求在非車載直流充電設(shè)備從設(shè)計到現(xiàn)場應(yīng)用過程中，各個絕緣相關(guān)參數(shù)之間到底如何合理地配合，需要對相關(guān)的絕緣配合的標準體系進行系統(tǒng)的研究。

1 主要試驗項目參數(shù)介紹

NB/T 33001-2010及NB/T 33008.1-2013要求如表1[1-2]所示，GB/T 18487.1-2015要求如表2[3]所示。

通過對比表1和表2的試驗電壓要求，其中關(guān)鍵的試驗參數(shù)包含了額定絕緣電壓、絕緣電阻試驗儀器的電壓等級、介電強度試驗電壓、沖擊耐壓試驗電壓等，這些參數(shù)主要來源于標準的規(guī)范性引用文件中的國家標準GB/T 16935.1-2008《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第1部分：原理、要求和試驗(IEC 60664-1:2007, IDT)》，后又在GB/T 18487.1-2015中對原有的測試項目要求和范圍進行了修改和增補。

2 絕緣配合的幾個關(guān)鍵參數(shù)

絕緣配合相關(guān)參數(shù)很多，其中主要的有標稱電壓、額定絕緣電壓、額定沖擊電壓、電氣間隙、爬電距離、固體絕緣的工頻耐受電壓、局部放電等。這些參數(shù)互相之間有各種關(guān)聯(lián)，如額定沖擊電壓與額定絕緣電壓有關(guān)，通過施加額定沖擊電壓的試驗電壓來驗證電氣間隙，額定沖擊電壓在不同的電壓類別的應(yīng)用，爬電距離與電氣間隙的關(guān)系，爬電距離又涉及污染等級、材料組別、相比漏電起痕指數(shù)(CTI)等。這些關(guān)鍵參數(shù)的定義可參考GB/T 16935.1-2008。

表1 NB/T 33001-2010及NB/T 33008.1-2013絕緣試驗的試驗等級

表2 GB/T 18487.1-2015絕緣試驗的試驗電壓

3 額定絕緣電壓的確定方法

額定絕緣電壓是指制造商對設(shè)備或其他部件規(guī)定的耐受電壓有效值，以表征其絕緣規(guī)定的(長期)耐受能力。

GB/T 16935.1-2008中關(guān)于長期作用電壓的確定如下：

1) 直接由低壓電網(wǎng)供電的設(shè)備

GB/T 16935.1-2008表F.3a和表F.3b中已經(jīng)將低壓電網(wǎng)的標稱電壓轉(zhuǎn)化為合理化電壓，此電壓可以作為選定爬電距離的電壓最小值，也可用來選定設(shè)備的額定絕緣電壓。

這兩個附表規(guī)定了單相(三線或二線)交流或直流系統(tǒng)、三相(四線或三線)交流系統(tǒng)中電源系統(tǒng)的標稱電壓和線對線絕緣電壓、線對地絕緣電壓之間的對應(yīng)關(guān)系。

另外在標準中規(guī)定了如果電氣設(shè)備有幾個額定電壓使用在不同標稱電壓的低壓電網(wǎng)中，那么這種設(shè)備的額定絕緣電壓應(yīng)選取其最高額定電壓[4]。

2)非直接由低壓電網(wǎng)直接供電的系統(tǒng)、設(shè)備和內(nèi)部電路

系統(tǒng)、設(shè)備和內(nèi)部電路中的基本絕緣應(yīng)考慮各自可能出現(xiàn)的最高有效值電壓。此電壓的確定要考慮電源標稱電壓以及設(shè)備在額定值范圍內(nèi)其他條件的最嚴重的組合情況。

電動汽車充電設(shè)備是直接由低壓電網(wǎng)供電的系統(tǒng)，因此應(yīng)按照直接由低壓電網(wǎng)供電的設(shè)備的要求進行額定絕緣電壓的確定。直流充電機常用的交流供電電壓為三相AC380 V，交流充電樁常用供電電壓為三相AC380 V或單相AC220 V。根據(jù)表2所示，單相AC220 V標稱電壓所屬的額定絕緣電壓區(qū)間明確為60 V＜U≤300 V，但是三相供電的交流和直流充電樁其額定絕緣電壓到底如何劃分？是劃到60 V＜U≤300 V區(qū)間或者300 V＜U≤700 V額定絕緣電壓區(qū)間？

根據(jù)GB/T 16935.1-2008的4.3.2.2.1要求，各產(chǎn)品標準技術(shù)委員會應(yīng)考慮如何選定電壓：以“線對線”電壓為基礎(chǔ)，或以“線對中性點”電壓為基礎(chǔ)。對于選定“線對中性點”電壓為基礎(chǔ)，那么產(chǎn)品標準技術(shù)委員會應(yīng)規(guī)定如何使用戶知道該設(shè)備只能用于中性點接地系統(tǒng)中的方法。

由此看來，GB/T 18487.1-2015標準中并未規(guī)定到底是以線對線電壓或線對中性點電壓為基礎(chǔ)。在產(chǎn)品設(shè)計和應(yīng)用時，我們可以參考GB/T 16935.1-2008的附錄B，其中不管是單相AC220 V還是三相AC380 V，其從交流或直流標稱電壓導(dǎo)出線對中性點電壓均劃分在300 V一檔，對應(yīng)的額定沖擊電壓也是一樣的。通過了解目前市場常見非車載直流充電設(shè)備的結(jié)構(gòu)，其充電模塊多采用高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)的方式供電，而三相供電的高頻開關(guān)電源一般只需要三相線和地線即可正常工作，但是對于整個充電系統(tǒng)，每個充電樁都配置的有三相線、中性點線、地線，由于其系統(tǒng)內(nèi)部有部分控制設(shè)備要從單相交流電取電，需要使用到中性點。在此基礎(chǔ)上我們確定額定絕緣電壓時，應(yīng)將整個系統(tǒng)考慮在內(nèi)，將單相AC220 V，三相AC380 V劃入60 V＜U≤300 V額定絕緣電壓范圍，從而選擇介電強度試驗電壓、沖擊耐壓試驗電壓、確定電氣間隙的標準要求值、確定爬電距離的標準要求值等各種絕緣配合相關(guān)的參數(shù)都是從確定額定絕緣電壓開始的。

4 介電強度試驗電壓和沖擊耐壓試驗電壓的確定方法

1)介電強度試驗電壓

介電強度試驗電壓是在額定絕緣電壓基礎(chǔ)上，選擇合適的試驗電壓來進行固體絕緣的工頻耐受電壓試驗，但需要注意的是在介電強度試驗時，如果采用工頻交流進行介電強度試驗，在具有高電容的電容器與進行電壓試驗的部件并聯(lián)的情況下，由于充電電流可能超過高壓試驗器(200 mA)的容量，此時進行交流電壓試驗是困難的甚至不可能的，如果是后一種情況，試驗前宜將并聯(lián)的電容器拆開，如還不行，可考慮直流試驗，直流試驗的電壓即為工頻交流電壓的峰值。因此，標準中如“2.0(2.8) kV”的試驗電壓實際上指的是工頻交流試驗電壓2.0 kV，2.8 kV指的是直流試驗電壓。

2) 沖擊耐壓試驗電壓

沖擊耐壓試驗電壓確定的基礎(chǔ)是額定絕緣電壓以及使用在不同環(huán)境的設(shè)備可能造成的瞬時過電壓的過電壓類別。

GB/T 16935.1-2008的4.3.3.2.2 直接由電網(wǎng)供電的設(shè)備各產(chǎn)品標準技術(shù)委員會應(yīng)以下列過電壓類別的基本說明為基礎(chǔ)來確定過電壓類別(也可見IEC 60364-4-44中443)。

過電壓類別主要考慮設(shè)備使用的環(huán)境，可能會出現(xiàn)的過電壓，通過不同的分級，在產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)考慮應(yīng)用場合與過電壓類別一致[5]，避免因過電壓造成設(shè)備安全隱患。

GB/T 16935.1-2008中在不同的過電壓類別下額定沖擊電壓選擇見表3[6]。

GB/T 18487.1-2015中第10.4條規(guī)定：僅用于室內(nèi)的供電設(shè)備設(shè)計可在最小過壓類型Ⅱ的環(huán)境中運行；用于室外的供電設(shè)備應(yīng)設(shè)計可在最小過壓類型Ⅲ的環(huán)境中運行。

表3直接由低壓電網(wǎng)供電的設(shè)備額定沖擊電壓

Table 3 Rated impulse voltage of equipment directly supplied by low voltage grid

如果根據(jù)表3要求，我們以充電設(shè)備通用的三相供電系統(tǒng)為例，按照GB/T 18487.1-2015的相關(guān)要求，室內(nèi)使用的供電設(shè)備按照過電壓類別Ⅱ，額定絕緣電壓按照GB/T 16935.1-2008要求在“230 V/400 V”電壓等級時，沖擊電壓應(yīng)為2500 V，與GB/T 18487.1-2015第11.3條要求一致。當(dāng)室外的供電設(shè)備按照過電壓類別Ⅲ，額定絕緣電壓按照GB/T 16935.1-2008要求在“230/400”電壓等級時，額定沖擊電壓應(yīng)為4000 V。NB/T 33001-2010及NB/T 33008.1-2013要求沖擊耐壓試驗電壓為5000 V，那么這個5000 V從哪里來呢？關(guān)于沖擊電壓5000 V的由來，我們不得不說的是標準體系的建立和傳承：NB/T 33001-2010制定的時候，參考的標準是電力電源相關(guān)標準GB/T 19826-2005、JB/T 5777.4-2000，該兩項標準的相關(guān)試驗方法引用了GB/T 7261-2000，那么GB/T 7261-2000引用了GB/T 14598.3-1993，GB/T 14598.3-1993在2006年被GB/T 14598.3-2006替代，在GB/T 14598.3-2006前言中有介紹“為了有效的進行試驗，本標準規(guī)定了用5 kV作為合理的試驗電壓，它適用于通過電流互感器和電壓互感器直接激勵的繼電器或直接聯(lián)接于站內(nèi)直流源的情況。”因此5000作為插值在直流電源系統(tǒng)上應(yīng)用是有出處的。NB/T 33001-2010對于額定沖擊電壓要求高于GB/T 16935.1-2008的要求，但在GB/T 18487.1-2015中第11.3條規(guī)定的沖擊耐壓試驗電壓中，并未區(qū)分過電壓類別，從而造成對于室外的供電設(shè)備按照過電壓類別Ⅲ設(shè)計時的額定沖擊電壓低于國家標準GB/T 16935.1-2008的要求，由此在充電設(shè)備絕緣配合設(shè)計和沖擊電壓試驗時，應(yīng)至少滿足國家標準GB/T 16935.1-2008的要求，這也是電動汽車非車載直流充電設(shè)備在設(shè)計和應(yīng)用過程中需要注意的地方[7]。

5 電氣間隙和爬電距離確定方法

確定電氣間隙，需要考慮到?jīng)_擊耐受電壓、均勻電場和非均勻電場、污染等級、氣壓等參數(shù)。

確定爬電距離則需要考慮額定絕緣電壓、污染等級、材料組別等參數(shù)，絕緣材料的材料組別等參數(shù)。

確定絕緣材料的材料組別，則通過測定“相比漏電起痕指數(shù)(CTI)[8]”，其測定方法可參考GB/T 4207，根據(jù)測定CTI的結(jié)果在不同的數(shù)值區(qū)間來劃分具體的材料組別，不同的材料組別要求的爬電距離也不一樣，基本的原則是絕緣材料耐電壓值越高，對材料相對要求的爬電距離越小。污染等級在GB/T 16935.1-2008中也有明確規(guī)定，分類方法主要考慮污染情況；僅有干燥的、非導(dǎo)電性污染，短暫的導(dǎo)電性污染，持久導(dǎo)電性污染、凝露、導(dǎo)電塵埃。

GB/T 18487.1-2015中第14.1.4條規(guī)定了污染等級：室外使用為污染等級3；室內(nèi)使用為污染等級2；室內(nèi)暴露于污染的工業(yè)環(huán)境為污染等級3；額定絕緣電壓、額定沖擊電壓均確認之后，就需要對絕緣材料進行CTI的測定，從而確定充電設(shè)備的電氣間隙和爬電距離在GB/T 16935.1-2008中的確切要求。需要注意的是如果是用在特殊的高原環(huán)境，需要考慮氣壓的影響，從設(shè)計上需要考慮海拔修正系數(shù)。

NB/T 33008.1-2013中規(guī)定了電氣間隙和爬電距離的相關(guān)要求，該要求參考了GB/T 19826-2005的指標，但是GB/T 19826中關(guān)于直流電源的應(yīng)用環(huán)境和電動汽車充電設(shè)備的要求是不一樣的，因此，在充電設(shè)備電氣間隙和爬電距離設(shè)計時應(yīng)直接參考GB/T 16935.1-2008的要求。

6 結(jié)論

在電動汽車非車載充電設(shè)備進行絕緣配合設(shè)計和試驗時，需要結(jié)合NB/T 33001-2010、NB/T 33008.1-2013、GB/T 18487.1-2015以及GB/T 16935.1-2008。當(dāng)產(chǎn)品行業(yè)標準中關(guān)于絕緣配合的參數(shù)不明確的地方，需要參考相應(yīng)的國家標準或相關(guān)產(chǎn)品行業(yè)標準；產(chǎn)品標準中某些參數(shù)低于國家標準要求的，在設(shè)計上宜滿足國家標準要求；產(chǎn)品標準中某些參數(shù)高于國家標準的，應(yīng)滿足產(chǎn)品標準要求[9-10]。

[1] NB/T 33001-2010電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機技術(shù)條件.

[2] NB/T 33008.1-2013電動汽車充電設(shè)備檢驗試驗規(guī)范第1部分非車載充電機.

[3] GB/T 18487.1-2015 電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求.

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[6] GB/T 16935.1-2008低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第1部分：原理、要求和試驗.

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Study on the insulation and test method of non-vehicle-mounted dc charging equipment for electric vehicles

FENG Jintao, CAO Yuanwei, LI Zongyuan, ZHU Yangyang

(Xuchang KETOP Testing Research Institute Co., Ltd, Xuchang, 461000 China)

The requirements for the insulation coordination of non-vehicle-mounted DC charging equipment in electric vehicles are inconsistent in the corresponding new national standard and the old industry standard. By studying the relevant standards currently being implemented in EV charging equipment and the basic standard requirements related to electrical insulation coordination. In this paper, the design of non-vehicle-mounted DC charging equipment in electric vehicles and the method of selecting each parameter in the process of product quality inspection are summarized. This provides the basis for the design and application of non-mounted DC charging equipment.

electric vehicle; charging equipment;insulation coordination

2017-08-10

馮瑾濤(1980—)，男，本科，工程師，從事光伏發(fā)電設(shè)備及電動汽車充換電設(shè)備的產(chǎn)品檢驗及標準研究工作；E-mail: fengjintao@ketop.cn

曹元威(1986—)，男，本科，工程師，從事電動汽車充換電設(shè)備及電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置的產(chǎn)品檢測及標準研究工作；

李宗原(1987—)，男，本科，工程師，從事光伏發(fā)電設(shè)備及電動汽車充換電設(shè)備的產(chǎn)品檢驗及標準研究工作。