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图1 2种直流充电连接器插头
图1所示为2种直流充电连接器的插头,可以看到:左边正负充电极有绝缘帽保护,而右边的正负充电极外边则是金属。显然,右边的插头不满足IPXXB级的防护要求,因为人的手指能触碰到充电极。
2)电气间隙和爬电距离。
在GB/T 18487.1第10.4节中有对应的要求,主要是考虑产品在设计、安装工艺等方面,设备运行可能出现的因过电压造成绝缘击穿,从而导致设备工作异常或损坏。
3)介电强度。
介电强度是衡量材料作为绝缘体时的抗电强度的量度。验证绝缘材料最高介电强度时,它定义为绝缘材料所能承受的最低击穿电压。绝缘材料所能承受的介电强度越高,它作为绝缘体的抗电强度就越好。GB/T 18487.1标准11.4规定了绝缘材料在充电设备中使用时,其介电强度必须达到基本要求。
4)绝缘电阻。
充电设备内部电路分为多个带电回路,有相对较低的安全电压,也有近千伏的危险电压,不同电压等级、不同功能的电气回路之间以及各带电回路对地是需要隔离的(部分电路与地之间形成特殊功能的回路除外,如防雷器,用于对地过电压保护的压敏电阻、气体放电管,测量对地阻抗的绝缘监测回路等)。无电气联系的各回路对地以及无电气联系的各回路之间隔离的方法一般从两方面来解决:一是采用足够的电气间隙和爬电距离;二是使用满足稳态和瞬态过电压要求的绝缘材料。
在正常环境、潮湿环境、高原低气压环境等各种现场使用可能出现的特殊环境中,要保障设备绝缘电阻满足功能要求、性能要求和安全要求,就需要对绝缘电阻进行测试考察。一旦人接触到充电设备可导电的金属外壳时,安全如何保障?在一定的测试电压下绝缘电阻值越大,人员触及通过绝缘材料隔离的可导电金属外壳就越安全。绝缘电阻值的大小是评估电气设备和电气线路安全最重要的一项指标。GB/T 18487.1第11.3节中规定了绝缘电阻不能小于10MΩ,这个要求是对充电设备绝缘电阻的最低要求。
5)接触电流。
接触电流是指当人体或动物接触一个或多个装置的或设备的可触及零部件时,流过他们身体的电流。接触电流的测量则是通过测量流经网络(代表人体阻抗)的电流值来实现的。接触电流超过了人体所能承受的限值,可能对人体造成不适或者伤害时,必须要采取保护措施来防止对人体造成触电伤害。GB/T 18487.1第11.2节中规定了相应的要求,详细的测量方法可参考GB/T 12113—2003/IEC 60990:1999。
6)冲击耐压。
绝缘能力是一个双向的安全性能,一方面是设备正常工作时,对外部造成的影响,另外一方面就是外部的过电压等对设备内部器件的影响。
冲击耐压的测试电压采用波形参数为1.2/50μs的标准雷电波,按照GB/T 18487.1第11.5节规定的开路电压分别进行正负极性的测试。需要注意的是冲击耐压与电磁兼容试验中的浪涌(冲击)抗扰度试验是不同的:从原理上来讲,浪涌测试同样采用波形参数为1.2/50μs的浪涌(冲击)波形,但与冲击耐压的电压等级不同;从测试项目考察的内容来讲,浪涌是为了考核的是设备运行过程中,出现浪涌(冲击)时,设备是否能够抵抗外来的干扰,而冲击耐压则是为了验证装置无电气联系的各回路之间以及无电气联系的各回路对地的电气间隙、绝缘介质是否会在这种瞬时过电压时绝缘击穿或产生放电现象。不同的额定绝缘电压的回路验证冲击耐压时,应采用表2规定的电压进行测试。就是在外界雷电波造成的短时冲击电压情况下,反应充电设施的防护能力的指标。
表2中加星号的数值,标准中定义了额定电压大于300V的直流充电机,冲击耐压的试验电压使用±6kV,而在冲击耐压试验的IEC标准和国家标准中,试验电压值为12kV,表述方式没有采用±12kV的方式,而是在试验方法中提到了正、负方向都是12kV,因此应该是在GB/T18487.1制定过程中,直接将原来的12kV改写成±6kV所致。
3.2 环境对充电安全的影响
上面分析了正常条件下充电设施的本体安全问题,实际上,充电设施在使用过程中需要经历春夏秋冬、风霜雨雪等不同的天气和应用环境。电工产品绝缘的使用期受到多种因素(如温度、电和机械的应力、振动、有害气体、化学物质、潮湿、灰尘和辐照等)的影响,而温度通常是对绝缘材料和绝缘结构老化起支配作用的因素。
正在修订的NB/T 33001第7.3节规定了耐环境要求,涉及三防(防潮湿、防霉变、防盐雾)、放锈(防氧化)、防风和防盗保护问题。其中,三防对于设施的印刷线路板和接插件比较重要,主要是防霉菌、防潮湿、防盐雾。其中,盐雾与设备电器元件的金属物发生化学反应会使原有载流面积减小,生成的氧化合物则会使电气触点接触不良,这将导致电气设备故障或毁坏。三防除了防止绝缘等电性能下降外,也有防止机械性能下降的作用。
GB/T 18487.1第14.1.4条海拔也体现了对应用环境的要求,但就目前检测而言,都是按2km以下海拔考虑的。实际上,中国有很多地区的海拔高度超过2km,如果不考虑这个因素,把充电桩安装在2km以上地区,很有可能出现绝缘击穿问题,损坏设备或者伤人。针对这些应用场景,必须按照GB/T 16935.1—2008《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验》的要求进行折算。
3.3 保护措施对充电安全的影响
当系统运行过程中有异常情况发生时,必要的保护措施可以实现充电设施的安全运行。
要进行保护,首先是监测,在绝缘监测方面,GB/T 18487.1—2015附录B.4.1和B.4.2规定了充电机的绝缘监测功能,防止在绝缘破坏的情况下,设备带病运行。此外,在修订的NB/T 33001[6]第6.3节也引用了绝缘监测功能。
除了明显的保护措施外,一些对充电设施的应用要求也体现了安全的考虑。以GB/T 18487.1第11.6节(温度要求)的极限温升和允许表面温度要求为例,极限温升主要防止过高温度带来绝缘材料老化加速,影响绝缘效果,给人体和设备带来危害。而允许表面温度除了有绝缘材料老化问题外,还有对人体的伤害问题。标准除了对温升有要求外,还对温度异常采取了保护措施,比如NB/T 33001标准第6.11节建议车辆插头具备温度监测功能,当监测到车辆插头温度超过允许值时,充电机宜停止充电并发出告警提示,防止充电过程中,由于车辆插头接触不佳导致温度异常,给绝缘造成破坏,甚至引发火灾。
有了监测功能的配合,在系统出现异常的情况下,就可以采取保护措施。新修订的NB/T 33001第7.6节规定了15个安全要求,就详细说明了系统在不同的运行异常情况下,应该采取的保护措施。
对于充电桩的急停按钮,有些运营公司工作人员认为没有必要设置急停按钮;也有人提议急停按钮最好能远程遥控恢复。在没有危险的情况下可行,但是当危险发生时,没有急停按钮,危险会迅速蔓延,或者在危险尚未恢复的情况下,远程遥控恢复会给安全带来无法预知的危害。目前对于采用充电模式4的充电设备,在GB/18487.1第13节明确规定了应在电动汽车供电设备上安装急停装置,并且具备防止误操作的措施。
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