标准与合规要求:

不接地（Ungrounded）、无接地（Unearthed）、“浮空”（Floating）或 IT 系统（法语 Isolé-terré，即 “隔离 - 接地”），均为描述电源系统的术语，这类电源系统与大地或机壳接地之间不存在刻意设计的导电连接。

IT 电源系统的主要优势在于，单次 “短路” 不会使其丧失持续供电能力。对于此类系统的安全而言，持续监测其绝缘状态至关重要 —— 即便仅发生一次故障，也可能对接触该系统的人员构成危险。“绝缘监测仪” 是多项国际标准明确要求用于执行该监测功能的设备。

本文分析了 IT 系统中潜在的危险，以及目前用于检测绝缘故障的最常见方法；指出了每种方法固有的、与安全相关的缺陷，并阐述了森戴恩（Sendyne）公司 SIM100 型绝缘监测仪为克服这些缺陷而设计的部分独特功能。

本白皮书按 2019 年首次发布时的内容呈现，包含森戴恩 SIM100 型绝缘监测仪的电容估算值及其他性能数据。尽管不同产品系列的具体参数和输出可能存在差异，但这些安全原则与电气设计准则对 SIM 系列产品（包括 SIM200 型）均持续有效。

关键词 —— 绝缘监测仪；接地故障检测；对称故障；电动汽车安全；充电站安全

1. 绝缘监测仪（isolation monitor）：用于监测电气系统（尤其 IT 不接地系统）绝缘状态的设备，当系统绝缘水平降至安全阈值时可触发报警，是保障人员与设备安全的核心组件，常见于工业控制、医疗设备、新能源供电等场景。
2. 接地故障检测（ground fault detection）：识别电气设备或线路中电流意外流入大地（或接地体）的技术，可及时发现漏电、短路等隐患，广泛应用于电力系统、新能源汽车（EV）、充电站等领域。
3. 对称故障（symmetrical faults）：指电力系统中三相电路的电压、电流参数（幅值、相位）呈现对称分布的故障类型（如三相短路），此类故障虽发生概率较低，但危害程度较高，需通过专业保护装置快速响应。
4. 电动汽车安全（EV safety）：围绕电动汽车（Electric Vehicle）运行、充电、维护等全生命周期的安全保障范畴，涵盖电池安全、电气安全、碰撞安全等维度，是新能源汽车行业的核心技术要求之一。
5. 充电站安全（charging station safety）：针对电动汽车充电站的设备运行、电力连接、人员操作等环节的安全规范与防护要求，包括过流保护、绝缘监测、防火防爆等关键技术要点，需符合国家及行业相关标准。

不接地、无接地、“浮空” 或 IT 系统（法语 Isolé-terré，即 “隔离 - 接地”），均为描述电源系统的术语，这类电源系统与大地或机壳接地之间不存在刻意设计的导电连接。IT 电源系统的主要优势在于，单次 “短路” 不会使其丧失持续供电能力。图 1 展示了此类系统的基本拓扑结构。

图 1 中所示的、位于电源端子与机壳之间的电阻性连接被称为 “绝缘电阻”（RISO P 和 RISO N），其代表从电源端子到机壳的所有电阻性路径的并联组合（包括绝缘监测仪引入的路径）。理想状态下，绝缘电阻的阻值应保持较高水平，以将流经其中的泄漏电流控制在无害的最小值范围内。图中所示的电容器代表存在的所有电容的并联组合，包括直流 IT 系统中通常用于抑制电磁干扰（EMI）的 Y 电容。为避免危险的能量积聚，Y 电容的容量值需控制在规定限值内。图中所示的电压 Vp 和 Vn 各自等于电池电压的一半，当绝缘电阻 RISO P 和 RISO N 的阻值相等时，便会呈现这种状态。

 

绝缘故障

若任一绝缘电阻的阻值降至100 欧姆 / 伏特的阈值以下，当人员接触到与泄漏电阻 “相对” 的端子时，便会产生危险。图 2 展示了这种危险场景。

这种接触会使电路闭合，电流将流经人体。需注意，尽管本例中显示 Vn＜Vp，但不能仅通过电压读数来检测绝缘故障。下图将展示两个示例：即使 Vn＝Vp，绝缘故障也可能存在。

“对称型” 或 “双重” 绝缘故障可能因电源连接器绝缘失效、其他环境因素或外物侵入等原因发生；根据泄漏电流的数值不同，此类故障可能导致断电、过热，甚至引发火灾。对于 IT 供电系统的安全而言，检测这类故障是一项绝对必要的要求。

容性故障

与人员安全同等重要的，是另一种潜在危险。尽管国际标准目前尚未强制要求对其进行监测，但 IT 供电系统电容器中储存的过量能量，可能会引发此类危险。IT 系统设计人员会通过设定 Y 电容的设计值，确保其储存的能量不超过 0.2 焦耳（J）的安全限值。然而，子系统故障（如冷却液泄漏）或人员操作干预等情况，可能会改变初始设计的电容值。在这种情况下，电容器通过人体放电释放的能量可能引发危险事件，如图 5 所示。

需注意，能量储存限值的设定依据是电源端子与机壳之间所有电容的并联组合值。

目前，森戴恩（Sendyne）公司的 SIM100 型绝缘监测仪是唯一一款能够动态跟踪 IT 系统电容值，并实时上报电容中潜在最大储存能量的绝缘监测设备。

故障检测方法

在实际应用中，实现绝缘监测功能的传统方法有多种，但这些方法大致可归为三大类，下文将对每一类方法进行详细说明。

电压法

电压法是最简单的一种绝缘监测方法，其完全依赖于对每个电源极与机壳之间电压的测量。该方法的核心原理是：当发生单一绝缘故障时，会导致 Vp（正极对地 / 机壳电压）与 Vn（负极对地 / 机壳电压）这两个电压出现不平衡。

若通过某种方式已知绝缘电阻的初始值，则可利用 Vp 与 Vn 的电压比值来估算发生故障的单一绝缘电阻的阻值。然而，正如前文所述，该方法存在明显缺陷 —— 对于 “对称型” 故障（即正、负两侧绝缘电阻同时发生变化的故障）或任何类型的并发故障，电压法完全无法检测。因此，在任何追求安全性能的产品中，这种方法都是不可接受的。

电阻注入法

特定与安全相关的标准（如 ISO 6469-1、SAE J1766 和 CFR 571.305）规定了一种通过接入已知阻值电阻来估算绝缘电阻的方法。该方法包含两个步骤：

步骤 1：测量正极对地 / 机壳电压（Vp）和负极对地 / 机壳电压（Vn），并确定两者中的较小值。

步骤 2：如图 7 所示，将一个已知阻值的电阻 R₀并联到电压较高一侧（Vₚ＞Vₙ）的绝缘电阻上，然后再次测量得到两个新的电压值 Vₚ' 和 Vₙ'。

经推导可得，负极绝缘电阻 R₁ₛₒ₋ₙ的计算公式如下：R₁ₛₒ₋ₙ = R₀ × [(Vₚ' - Vₚ) / (Vₚ - Vₙ')] + 1

该方法存在若干问题：

1. 安全性问题：为保证测量准确性，R₀的选型需限定在 100~500Ω/V 的范围内。而这一范围恰好是绝缘系统会产生安全隐患的区间，意味着在测量期间，系统会被刻意置于不安全状态。
2. 电压稳定性问题：测量过程中要求电压保持稳定。这一要求极大限制了该方法在 “大部分时间存在有源负载” 的系统中的实用性（有源负载会导致电压波动，影响测量精度）。
3. 成本与可靠性问题：在高压系统中实现测试电阻 R₀的接入与断开，需要使用成本高昂且体积庞大的继电器，这会增加系统的成本、占用更多空间，并可能降低整体可靠性。

基于上述原因，该方法未在有源 IT 系统（指持续带负载运行的 IT 供电系统）中应用。

电流测量法

电流测量法是电压法的一种衍生形式，在行业中（尤其在快速充电器规范中）被频繁引用，该方法可见于《IEC 61851-23》《IEEE 2030.1.1》等国际标准及 CHAdeMO（日本充电联盟）规范中。图 8 展示了该方法的原理示意图：如图所示，两个阻值相等的电阻 R 与一个电流测量装置同时连接至电源母线上。电流测量装置会检测流经自身的电流，并根据以下关系式计算故障绝缘电阻 R_F 的值：

RF​=ig​Vb​​−2R

其中：

• ig​ 为测量得到的电流值
• R 为接地电阻
• RF​ 为绝缘电阻

该方法存在前文所述电压法的所有缺陷，例如无法检测对称型绝缘故障。更严重的是，为保证对绝缘故障阻值区间的测量精度，同时实现电容的快速放电稳定，电阻 R 必须选用低阻值规格。以 500V IT 系统为例，标准规定所用电阻 R 仅为 40kΩ，而根据 “100Ω/V 规则” 计算得出的故障绝缘电阻阈值应为 50kΩ。显然，在这些电阻保持连接的状态下，系统处于不安全状态。这也是所有上述国际标准均规定 “最大检测时间” 需小于 1 秒的原因。这些规范的隐含含义（尽管未明确说明）是：若采用电流测量法，电路连接状态持续超过 1 秒即存在安全风险。

此外，该方法的测量灵敏度仅在绝缘电阻故障阻值区间内经过优化，因此无法对该区间外的实际阻值进行准确估算。正因为如此，部分标准要求通过在 IT 系统中接入一个故障电阻来实现自我检测。对于 500V 系统而言，接入 50kΩ 的 “故障电阻” 会产生超过 20mA 的故障电流（该数值为安全限值的两倍），从而构成潜在危险。

由于电流测量法在快速充电技术发展初期便已投入使用，许多标准至今仍会引用该方法。

2017 年底，国际标准化组织（ISO）就《IEC 61851-23》发布函件，内容如下：“与以往一致，强烈建议标准使用者额外开展风险评估。具体到本标准的应用场景，标准使用者必须选择适当的方式，以满足充电站与电动汽车系统中的安全要求。”

 

信号注入法

为克服前述方法的局限性，目前大多数绝缘监测设备均采用信号注入法。尽管该方法存在多种实现形式，但其核心原理一致，具体如图 9 所示。

向绝缘电路的某一支路中注入已知电流\(i_X\)，该电流会迫使对应电压产生变化。在图 9 所示的示例中，绝缘电阻\(R_{ISO}\)的并联组合值可通过下式计算：

\(R_{ISO}=\frac{\Delta V}{i_X}\)

该方法的不同实现形式主要体现在以下方面：信号注入方式、信号值计算方法、信号波形、信号持续时间、信号幅值及其他细节。

其中一种实现形式（参见日产美国专利：6,906,525 B2）的原理是：通过耦合电容注入脉冲信号，再通过检测原始信号因绝缘电阻存在而产生的衰减量，实现对绝缘状态的监测。

信号注入法存在以下若干问题：

• 有源 IT 供电系统（或电池）会对用于检测绝缘电阻的信号产生干扰。因此，该方法仅在无负载干扰活动时才能有效工作。
• 基于直流信号的注入法（直流注入法）的检测耗时较长，具体时长取决于 RC 绝缘电路的时间常数。
• 基于交流信号的注入法（交流注入法）在设计上无法对所有可能的绝缘电阻值范围实现精准检测。该方法仅针对故障电阻区间（100 欧姆 / 伏特或 500 欧姆 / 伏特）进行了优化，且仅能估算绝缘电阻的并联组合值。

 

森戴恩（Sendyne）SIM100 型绝缘监测仪

森戴恩公司正在申请专利的 IT 供电系统绝缘状态监测方法，克服了前文所述各类方法的所有缺陷。具体而言，即便在负载处于工作状态、电池电压持续波动的情况下，SIM100 仍能精准估算绝缘系统的状态。这一独特功能对所有 IT 电气系统的安全均具有重要意义，尤其适用于商用车、商用设备等需持续开展商业活动、停机时间极少的系统，对其安全保障至关重要。

目前，SIM100 是市场上唯一一款可估算绝缘系统电容值的产品。估算电容值不仅能通过评估电容中储存的能量为系统增加一层安全保障，还能为动态分析绝缘系统运行状态及状态过渡过程提供必要依据。森戴恩采用最先进的随机滤波与数值计算方法，实现对绝缘状态的动态、精准评估。SIM100 可分别估算每一路绝缘电阻与电容的数值，并同步给出这些数值计算结果的不确定度。该设备估算结果的典型精度优于 ±5%。

SIM100 响应时间

SIM100 每 500 毫秒更新一次估算结果。系统绝缘状态的缓慢变化可在此间隔内被跟踪并更新。对于大幅变化（如 UL 2231 测试中描述的情况），SIM100 的响应时间小于 5 秒。

从图 13 中可见，在状态过渡后的 5 秒内，SIM100 可提供稳定且准确的结果，其响应时间远低于各类标准规定的 10 秒要求。后续估算结果每 500 毫秒更新一次。该图中灰色高亮区域为 UL 2231-1 和 UL 2231-2 标准规定的 ±15% 精度范围，而 SIM100 的估算误差低于 ±3%。在状态过渡期间以及 SIM100 估算新绝缘状态的过程中，设备会显示较高的不确定度，因此主机电子控制单元（ECU）可忽略这些过渡阶段的结果。

在电池正极侧运行 SIM100 时，也获得了类似结果。

热稳定性

依据 UL 2231-2 标准，采用图 12 所示的测试装置，在不同环境温度下对 SIM100 进行了测试。在以下图示中，彩色圆点代表通过约 1100 份报告得出的各温度下的平均误差。针对不同容量的 Y 电容（2 个 100 纳法及 2 个 1 微法），重复开展了上述实验。灰色区域代表报告中误差的分布范围，标示出每次实验的最大误差与最小误差。文中展示的是在注入电阻较小（\(R_{F,x}\)）时出现的最坏情况误差。可见，所有误差均远低于 UL 标准要求的 ±15%。

不确定度

SIM100 会在每份报告中同步提供与其估算结果相关的不确定度评估值。该不确定度以估算值的百分比形式呈现，且同时考虑了测量不确定度与数据处理不确定度。不确定度的计算基于两倍标准差区间（覆盖 95.45% 的样本），并向上取整为最接近的绝对值。例如，若计算得出的不确定度为 ±1.4%，则会取整为 ±2%。随后，SIM100 会在该数值基础上额外增加 ±3%，以应对无法计算的因素（如元件参数随使用时间漂移等）。因此，最终提供的不确定度数值是一个保守估算值。

图 15 展示了测量值分布与报告中不确定度的关系。绿色竖线代表测试电路绝缘电阻的实际值，该值为接入的 250kΩ 电阻与 SIM100 自身 2.7MΩ 电阻的并联组合值；红色竖线代表 SIM100 报告结果的平均值，实际估算误差为 1.8%。不确定度先估算为 ±2%，再叠加 ±3%，最终得到 ±5% 的估算结果。从该实验可看出，不确定度为报告数值提供了一个极具保守性的评估依据。

（注：图 15 标注说明：

• 纵轴 “Frequency” 为频率；
• 横轴 “Estimate of RF,P (kΩ)” 为正极绝缘电阻（RF,P）估算值（单位：千欧）；
• “Reported Uncertainty (%)” 为报告的不确定度（单位：%），标注有 + 3%、+5%、-3%、-5%；
• 图表标题为 “Histogram of RF,P estimates over 10 experiments (25 °C)”，即 “25℃下 10 组实验的正极绝缘电阻估算值直方图”；
• 图中还标注了 “-10% +10%” 的误差范围及 “1.8%” 的实际估算误差，“SW”“CH1 CH2”“500 V”“VX1 VX2” 为测试电路参数标识。）

如何使用不确定度

应采用最保守的方式使用不确定度来计算最坏情况。例如，若 SIM100 报告某绝缘电阻值为 100kΩ，且不确定度为 ±5%，则主机应按最坏情况假设，认为实际绝缘电阻值为（100-5）kΩ（即 90kΩ）。

极高不确定度

在某些情况下，SIM100 可能会报告极高的不确定度。这种情况通常发生在以下场景：IT 系统中无电压存在且存在大量噪声，或绝缘电阻值发生大幅、快速变化。当出现这些情况时，SIM100 会置位 “高不确定度”（High Uncertainty）标志位，以通知主机可丢弃这些报告结果。

电容估算中的不确定度

当 IT 供电系统无运行活动时，单个电容的估算值通常会具有较高的不确定度。尽管如此，绝缘电容的总容量值（所有电容的并联组合值）及其可储存的最大能量估算值仍会保持准确。一旦 IT 供电母线开始运行（有电流 / 电压活动），电容估算的不确定度会立即减小（低于 ±5%）。

变负载

当前，SIM100 是唯一一款在 IT 供电系统负载运行、环境噪声极强的情况下，仍能稳定工作的产品。这一安全特性至关重要，尤其适用于电气设备大部分时间处于运行状态的商用场景。即便供电系统出现数十伏乃至上百伏的剧烈电压波动，SIM100 依然能提供精准的估算结果。

图 16 展示了模拟加速行驶工况下的电池负载测试装置及 SIM100 的响应情况。在测试电路中，每 60 秒对 250kΩ 电阻进行一次接入与断开操作；同时，在电池端子处模拟加速行驶工况下的负载变化，由此产生的电池电压变化如图中 “电池电压” 图表所示。灰色区域代表电阻断开的 60 秒时间间隔；直方图则呈现了电阻接入期间 SIM100 的报告结果分布情况。

直方图中的绿色竖线代表 250kΩ 电阻接入时的实际绝缘电阻值。从直方图可见，报告平均值与实际值之间的误差小于 1%。