摘要：TT供电系统下安装电动汽车充电桩与TN-S系统相比有一定的局限性，其接地要求暂未得到普遍的安全认知，通过对我国不同地区的交流充电桩安装情况调查研究，结合理论分析和现场实验数据，分析说明接地极位置的选择及接地电阻的要求。对TT系统下电动汽车充电桩故障情况举例说明，针对碰零故障、RCD失效故障以及共用接地的情况提出解决方案。得出充电桩内置RCD情况安全性是最高的。
关键词：TT系统；交流充电桩；接地系统；RCD；漏电保护
0 引言
随着电动汽车的普及和飞速发展，电动汽车充电桩作为电动汽车发展的支持设备，充电桩具有数量大、分布散、使用频繁等特性，充电设施的安全性已是人们关注的重点。对于集中式的充电站或城市电网，其供电系统采用保护导体和中性导体分离接地系统(TN-S系统 )。由于部分农村或偏远地区为了减少电网布线成本，供电系统多以TN-C-S和TT形式。而采用TT系统的充电桩安全性尚未得到业内的关注，且暂无TT供电系统下安装充电桩的相关标准。对于充电桩安装场地的设计、施工以及验收人员没有明确的参考依据，对安全要求了解不足，因此现场施工质量以及充电桩的使用安全无法得到有效的保证。
作者调研了国内多个地区的充电桩安装现场，发现部分现场施工问题，引发TT系统下电动汽车充电的安全思考，在此选择几点案例分析电动汽车交流充电桩TT系统的设计要求和安全性。
1 正文
接地系统
接地极的选择是TT系统保护功能的基础，TT系统下接地极的作用除考虑漏电泄放电流外还应考虑防雷功能，在GB 50057-2010建筑物防雷设计规范中要求接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5m。这与GB/T 50065-2011交流电气装置接地规范中的接地深度要求在0.5-0.6m以上的是吻合的。目前大部分施工人员按照埋地深度0.5m的要求打入接地极，却不对接地电阻进行测量，认为满足标准要求的埋地深度就能符合安全保护功能，殊不知标准定制0.5m深度的依据就是确保接地电阻值足够小（小于4Ω），使通过人体的电流小于安全值（一般采用30mA）。部分接地极靠近配电箱处，而配电箱与充电桩距离较远，接地处的土壤电阻率与充电桩端或电动汽车端可能有较大区别。最典型的就是接地点在室内干燥的土地，充电车位在室外潮湿的土地上，如果最远处的充电桩或电动汽车发生碰壳故障，由于接地电阻较大泄露电流未达到RCD保护动作阈值。此时充电桩和电动汽车的外壳对地将有交流电压差，当人体触摸汽车或充电桩外壳时通过人体的电流将大于安全电流。因此在安装充电桩时应测量充电桩端和车位区域的土壤电阻率和接地电阻值。以安全电压50V为上限，选择人体安全电流上限30mA，则要求设备端的接地电阻值不大于1667Ω，确保发生漏电情况下RCD能够有效动作。需要说明的是此处选择50V电压主要考虑2个因素：1是 按照《GB/T 2099.8-2017 家用和类似用途插头插座 第2-4部分：安全特低电压(SELV)插头插座的特殊要求》规定，在通常状况下，人体接触安全电压上限值为交流50伏。2是保证电子式RCD正常工作电压。一般按照4Ω的电阻要求可确保接地导体漏电保护和防雷保护器件有效动作。
供电系统及保护功能的要求
目前充电桩设计参考的国家标准《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》（GB/T 18487.1-2015）中要求电动汽车供电设备上需安装专用保护装置。其保护功能主要包含过流（包括短路）保护和防触电保护，其中过流保护主要依靠过流断路器实现、防触电保护主要依靠检测剩余电流保护器(RCD)实现。目前充电桩产品主要采用2种保护方式，一种是采用带过流保护和漏电保护的装置（RCBO），还有一种则将过流保护和漏电保护单独分开。部分充电桩为节约成本，直接选择外接RCBO装置，而RCBO装置的安装位置则可能会影响TT系统下漏电保护的效果。
TT系统漏电故障特征
交流充电桩采用TT系统供电时，因充电设施的特殊性，当待机状态下发生相线与外壳接触故障时,故障电路与一般TN系统下的设备故障相同，示意图如图1所示。充电桩外壳与地之间的电压接近220V，漏电电流远大于RCD保护电流，RCD将有效动作。
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图1充电桩发生相线漏电情况
但是当发生N线与外壳接触时（图2），由于PE接地回路的总电阻一般比零线的导线电阻大得多，零线与地之间的电势较小，导致泄露电流（剩余电流）I5很小不足以使RCD动作，充电桩将继续工作。虽然此时接触到充电桩壳体时，壳体对地之间的电压不足以导致危险伤害，但是由于接地电阻的存在，PE线上将带有微小的电压，充电桩内部部分控制电路可能会选择PE作为参考地，将会导致参考地与绝对地之间有电压差，轻则影响电路的准确性，严重时可能会给电路造成毁灭性伤害。
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图2充电桩零线碰壳与电动汽车局部漏电情况
对于发生零线碰壳故障的充电桩在给电动汽车充电时，充电桩内的PE线将电动汽车外壳与电网的零线连接。考虑电动汽车与地面一般通过绝缘的轮胎连接，此处视为电动汽车与地面绝缘，电动汽车只通过充电桩接地极接地。如果电动汽车内或者充电插座上发生局部相线漏电，此时的漏电点T存在孤岛电压，当人体接触到漏电点T时，将会发生触电危险，而RCD可能不会在有效时间内断开交流电路，甚至无法断开交流电路。可用图2举例说明。
人体触电电流I2通过PE线与充电桩N线形成回路，剩余电流I5=I1-I4，假定充电桩N线通过PE线泄露的电流为I3’，剩余电流I5=I2-I3+I3’。 I2-I3为通过人体与N线回路的杂散电流，由于充电桩待机时RCD未能动作，说明I3’小于RCD动作阈值。如果杂散电流(I2-I3)加上I3’的电流依然不足以使RCD有效动作（RCD漏电保护电流为30mA，保护时间100ms），或者电流的上升过程较长，未能使RCD在100ms内断开交流线路。针对此种情况应将RCD设置在电动汽车充电枪线的前端或充电桩内部，将PE上泄露的电流跳过RCD装置直接与电网连接，因此RCD能够及时检测到剩余电流。
共用RCD情况
部分采用外部RCD的充电桩在多个充电桩安装时采用共用RCD方式，而独立的充电桩分别采用单独的接地极。此种情况在上述电动汽车充电过程中漏电情况类似，可通过图3得出在充电桩待机状态下，系统内充电桩A已发生碰零，当充电桩B发生碰相时，电流可通过碰零故障的充电桩PE线与电网形成回路，剩余电流不足以使RCD动作。
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图3 独立接地极情况
此种情况如果采用共用接地极（见图4）则不会发生。发生多处碰壳故障时短路电流足以使断路器动作保护。因此在TT系统下安装充电桩时还需注意是否有重复接地的情况，如果在已有的接地系统下可将接地点共用或在新增的充电桩前端独立设置RCD保护器件。
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图4 共用接地极情况
2 结论
以上主要分析了TT系统下特殊的故障状态，虽然双重或多重故障的发生概率较小，但考虑作为电动汽车能源供给的充电桩使用频繁，加上使用环境相对家用电器较为严苛，在设计和施工时还是应该对安全情况加以分析，避免意外事故的发生。确保接地有效的根本方法就是在充电桩及充电车位端的接地电阻小于4Ω，充电桩内部包含RCD装置可以有效解决上述设计和施工不合理的问题，因此可得出：在确保接地有效情况下，充电桩内置RCD装置是最安全的。
限于作者水平，仅以上述案例分析部分情况，难以详尽表达思想，在此希望对TT系统安装充电桩的要求进行标准化，以便于设计和施工人员有所依据。
参考文献
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[10]王厚余．建筑物电气装置600问［M］.北京:中国电力出版社,2013．
Safety analysis of AC charging piles under TT power supply system
Wang Zhi 1 Zhang Kun 2
(1. China Quality Certification Center Guangzhou Branch 2.Nanjin qineng New Energy Research Institute Co., Ltd.)
Abstract: The installation of electric vehicle charging piles under the TT power supply system has some limitations compared with the TN-S system. Its grounding requirements have not been universally recognized. By investigations on the installation of AC charging piles in different regions of China, and combined with theoretical analysis and field experimental data, to analysis the selection of the ground pole position and the requirements of the ground resistance. With the examples of the failure of charging pile of electric vehicle under TT system. By propose solutions for zero faults, RCD failures and common grounding, Finding that the highest security condition of the charging pile is the built-in RCD model.
Key words: TT system; AC charging pile; Grounding system; RCD; Current leaking protection
作者简介：
王智，男，1984/08，大专，工程师，主要研究方向：电子电气。E-mail: wangzhi@cqc.com.cn
张坤，男，1990/04，本科，工程师，主要研究方向：电气。E-mail: 1140821486@qq.com
文章编号：1674-2605(2020)00-0000-00
DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2020.00.000