Wykorzystanie monitorów prądów resztkowych do zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego podczas ładowania pojazdów elektrycznych

Częste ładowanie wysokonapięciowych baterii do pojazdów elektrycznych (EV) oznacza znaczne obciążenia mechaniczne kabli i złączy ładowania. Jeśli nastąpi przerwanie izolacji i odsłonięcie metalowych części pod napięciem lub pojawią się przebicia w elektronice pokładowej, na ciało użytkownika pojazdu elektrycznego mogą oddziaływać zagrażające życiu prądy resztkowe. Szczególnie problematyczne są różne formy resztkowych prądów stałych, których nie da się wykryć czułymi na prąd zmienny wyłącznikami różnicowoprądowymi typu A (RCD).

Aby zapobiec porażeniom prądem elektrycznym, producenci urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) muszą stosować w swoich produktach energoelektronicznych wyłączniki różnicowoprądowe (RCD) wyzwalane w ciągu kilku milisekund przy resztkowych prądach stałych i zmiennych rzędu kilku miliamperów (mA).

W niniejszym artykule wyjaśniono rodzaje prądów resztkowych, sposób ich pomiaru oraz miejsce instalacji wyłącznika różnicowoprądowego (RCD) w obwodzie ładowania. Następnie przedstawiono monitory prądów resztkowych (RCM) firmy Littelfuse, które projektanci systemów mogą wykorzystać, aby w opłacalny i ekonomiczny sposób zwiększyć ochronę przed porażeniem prądem stałym w urządzeniach do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE). W artykule pokazano również, dla jakich trybów ładowania pojazdów elektrycznych omawiane czujniki prądu są odpowiednie i w jaki sposób są używane.

Prądy resztkowe w obwodach ładowania pojazdów elektrycznych

Ładowanie pojazdów elektrycznych przy napięciach sięgających 400V~ i 1000V= wymaga szeroko zakrojonych środków chroniących użytkownika pojazdów elektrycznych podczas obchodzenia się z urządzeniami ładującymi. Asymetryczne impulsy przełączania stacji ładowania i ładowarek wbudowanych o wysokich zawartościach harmonicznych, a także napięcie kilkuset woltów łącza prądu stałego powodują niebezpieczeństwo występowania różnych rodzajów prądów resztkowych zmiennych i stałych w postaci przebić, efektów sprzężenia, uszkodzeń izolacji i zakłóceń upływowych.

Obwody energoelektroniczne, takie jak prostowniki, przetwornice przełączające, przemienniki częstotliwości, a także układy sterowania przemiennikami i kątem fazowym charakteryzują się różnorodnymi charakterystykami prądu obciążenia. Pojawiające się prądy resztkowe dzielą się na sinusoidalne prądy zmienne, impulsowe prądy stałe i proste prądy stałe. Te formy prądów resztkowych są niebezpieczne dla ludzi. W tabeli 1 przedstawiono typowe sygnały prądu obciążenia dla różnych topologii obwodów i wynikające z nich przebiegi prądów resztkowych. Kolumny od 1 do 3 wskazują odpowiednie typy wyłączników różnicowoprądowych (RCD).

Tabela 1: rodzaje prądów zakłóceniowych i sposoby ich wykrywania zależnie od najodpowiedniejszego typu wyłącznika różnicowoprądowego (RCD) (kolumny od 1 do 3). (Źródło ilustracji: Wikipedia)

Dobra znajomość przebiegów prądów resztkowych może pomóc serwisantom pojazdów elektrycznych i elektrykom w wykrywaniu prądów resztkowych w płytkach elektronicznych pojazdów elektrycznych (EV), urządzeniach do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) oraz stacjach ładowania.

Charakterystyka wyzwalania rożnych typów wyłączników różnicowoprądowych (RCD)

Ogólnie rzecz biorąc, ochrona osób przed porażeniem prądem elektrycznym w instalacjach elektrycznych jest regulowana przez normy IEC 60479 i UL 943. Obydwie normy określają istotne prądy resztkowe zmienne i stałe w zakresie 6, 30, 100, 300, 500 i 1000mA, przy czasach wyzwalania w zakresie od 20 do 500ms. Typowe wartości progowe wyzwalania w obwodzie ładowania pojazdów elektrycznych to 6mA dla prądu stałego (=) i 30mA dla prądu zmiennego (~).

Projektanci systemów mogą teraz z łatwością wdrożyć określone wymagania dotyczące ochrony osobistej w obwodzie ładowania, wybierając typ wyłącznika różnicowoprądowego (RCD) o odpowiedniej klasie. W tabeli 2 zestawiono rodzaje prądów resztkowych i tolerancje wyzwalania dla różnych typów wyłączników różnicowoprądowych (RCD) lub ziemnozwarciowych przerywaczy obwodu (GFCI).

Tabela 2: charakterystyki wyzwalania różnych typów ziemnozwarciowych przerywaczy obwodu (GFCI) lub wyłączników różnicowoprądowych (RCD). (Źródło tabeli: abb.com)

Instalowanie wyłączników różnicowoprądowych (RCD) w obwodzie ładowania pojazdów elektrycznych (EV)

Wyłączniki różnicowoprądowe (RCD) typu A i typu F wykrywają tylko prąd resztkowy zmienny i prąd impulsowy stały, co jest niewystarczające do ochrony obwodu ładowania pojazdu elektrycznego (EV). Należy również wziąć pod uwagę szeroki zakres prostych prądów resztkowych stałych, które mogą występować w ładowarce wbudowanej lub w systemie zarządzania bateriami.

Dlatego norma IEC 62196 definiuje dwie opcje zabezpieczenia przed prądami resztkowymi: zastosowanie czułego na wszystkie prądy wyłącznika różnicowoprądowego (RCD) typu B (lub typu B+) lub wyłącznika różnicowoprądowego (RCD) typu A w połączeniu z systemem monitorowania prądów resztkowych stałych zgodnym z normą IEC 62955 z I_Δn ≥ 6mA. Monitorowanie prądów zakłóceniowych stałych może być umieszczone w puszce ściennej, w instalacji elektrycznej budynku lub w obu tych lokalizacjach.

Ponieważ wyłączniki różnicowoprądowe (RCD) typu A i typu F czułe na prądy zmienne są zwykle obecne w instalacjach elektrycznych budynków, projektanci mogą w ekonomiczny sposób zainstalować dodatkowe monitorowanie prądów resztkowych stałych 6mA w puszkach ściennych lub stacjach ładowania w trybie 3, a także w sterownikach wewnątrzkablowych (ICCB) dla trybu 2 (ilustracja 1, przypadki 2 i 3).

Ilustracja 1: urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) muszą być wyposażone w dodatkowy monitor prądów resztkowych (RCM) stałych za czułym na prądy zmienne wyłącznikiem różnicowoprądowym (RCD) typu A (przypadek 2) lub wymagają podłączenia do sieci prądu zmiennego bezpośrednio przez wyłącznik różnicowoprądowy (RCD) typu B (przypadek 4). (Źródło ilustracji: goingelectric.de)

Tryby ładowania pojazdów elektrycznych

Baterię pojazdu elektrycznego można ładować za pomocą różnych trybów, w zależności od dostępnego na miejscu podłączenia zasilania, wtyczki połączeniowej, kabla ładującego oraz technologii ładowania zainstalowanej w pojeździe, a także w stacji ładowania. W Europie energia elektryczna może być dostarczana do pojazdu za pośrednictwem jednofazowego prądu zmiennego (230V/3,6kW), trójfazowego prądu zmiennego (400V/22kW) lub za pośrednictwem stacji ładowania prądu stałego wysokiego napięcia (do 1000V=/500kW). Ilustracja 2 przedstawia cztery tryby ładowania określone w normie IEC 61851.

Ilustracja 2: ilustracja przedstawiająca cztery tryby ładowania zdefiniowane w normie IEC 61851. (Źródło ilustracji: bestchargers.eu)

Tryb 1 (jednofazowe ładowanie prądem zmiennym do 3,6kW - domyślny tryb ładowania)

W takim przypadku pojazd elektryczny lub hybrydowy podłącza się do standardowego domowego gniazdka 230V za pomocą prostego kabla pasywnego i ładuje przy użyciu niskiej mocy, maksymalnie 3,6kW, za pośrednictwem ładowarki wbudowanej. Ten scenariusz ładowania nie zapewnia wystarczającej ochrony użytkownika przed prądami resztkowymi stałymi. Zwykle w instalacji elektrycznej budynku instalowany jest tylko wyłącznik różnicowoprądowy (RCD) typu A czuły na prądy zmienne.

Tryb 2 (jedno-/trójfazowe ładowanie prądem zmiennym o mocy do 22kW za pomocą kabla ładującego ze sterownikiem wewnątrzkablowym (ICCB))

Aby zapobiec przeciążeniom, kabel do ładowania w trybie 2, wyposażony we wtyczkę pojazdową typu 2, posiada sterownik wewnątrzkablowy (ICCB), który pełni funkcje bezpieczeństwa i komunikacji podczas ładowania pojazdów elektrycznych z gniazd domowych i trójfazowych.

W sterowniku wewnątrzkablowym (ICCB) muszą być zintegrowane następujące funkcje zabezpieczeniowe:

• Ustalenie biegunowości i monitorowanie żyły ochronnej (PC). Dopuszczalna impedancja pętli pomiędzy żyłą neutralną i złączem PC może wynosić tylko kilka omów.
• Próba występowania połączenia elektrycznego pomiędzy złączem PC i metalowym korpusem.
• Wyłączniki różnicowoprądowe prądu zmiennego i stałego zapobiegają wypadkom związanym z prądem.
• Monitorowanie i wyłączanie procesu ładowania w przypadku wystąpienia anomalii (na przykład wahań prądu spowodowanych korozją styków wtyczki lub zerwania kabla).
• Monitorowanie temperatury w sterowniku wewnątrzkablowym (ICCB) i w obu wtyczkach oraz wyłączenie w razie potrzeby.
• Sterowanie mocą ładowania: rezystory ściągające na przewodzie sterująco-pilotowym (CP), które przekazują informacje o prądzie znamionowym kabla zarówno do puszki ściennej, jak i do pojazdu elektrycznego. Sygnał modulacji szerokości impulsu (PWM) na przewodzie sterowania ładowaniem (CC) przekazuje do pojazdu elektrycznego informacje o mocy ładowania puszki ściennej.

Tryb 3 (jednofazowe/trójfazowe ładowanie prądem zmiennym o mocy do 22kW za pomocą puszki ściennej)

W przypadku ładowania pojazdów elektrycznych, pasywny kabel trybu 3 podłącza się do puszki ściennej w prywatnych gospodarstwach domowych lub do publicznej stacji ładowania prądem zmiennym na parkingach. Obydwie posiadają te same zintegrowane funkcje zabezpieczające, jak opisany powyżej sterownik wewnątrzkablowy (ICCB).

Tryb 4 (bezpośrednie szybkie ładowanie baterii prądem stałym do 500kW)

Stacje ładowarek dużej mocy prądu stałego (DC/HPC) do pojazdów elektrycznych dostarczają znacznie wyższe prądy ładowania w porównaniu z ładowaniem w trybie 2 i trybie 3. W tę superładowarkę wbudowana jest ochrona przed porażeniem prądami resztkowymi zmiennymi i stałymi. Różne kable ładujące są do niej trwale przymocowane.

Pomiar prądów zakłóceniowych zmiennych i stałych w obwodach urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE)

Monitory prądów resztkowych z serii RCM14 firmy Littelfuse Inc. wykrywają prądy resztkowe stałe oraz zmienne w instalacjach prądu zmiennego lub stałego i generują sygnał wyjściowy do sterowania odłącznikiem zewnętrznym (przekaźnik odcinający). W przeciwieństwie do nich, wyłączniki różnicowoprądowe (RCCB) posiadają zintegrowany przekaźnik odcinający.

Prądy resztkowe zmienne są wykrywane za pomocą indukcyjnego przekładnika prądowego (CT). W tym celu żyłę dostarczającą prąd (I_L) i żyłę powrotną prądu (I_N) przekłada się przez miękki magnetyczny rdzeń toroidalny, co powoduje, że obydwa wektory prądu w normalnych warunkach kompensują się nawzajem i sumują się do zera. Jeżeli prąd zakłóceniowy (I_g) popłynie do potencjału uziemienia przez ciało ludzkie w obwodzie za detektorem, całkowity prąd monitora prądów resztkowych (RCM) lub ziemnozwarciowego przerywacza obwodu (GFCI) będzie różny od zera i spowoduje zadziałanie wyłącznika automatycznego (ilustracja 3).

Ilustracja 3: jeżeli prąd zakłóceniowy (I_g) popłynie do potencjału uziemienia przez ciało ludzkie, całkowity prąd ziemnozwarciowego przerywacza (GFCI) będzie różny od zera i spowoduje zadziałanie wyłącznika automatycznego. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Dzięki integracji sondy magnetometru transduktorowego w szczelinie rdzenia toroidalnego i kompensacji strumienia magnetycznego do zera za pomocą cewki kompensacyjnej, przekładnik prądowy (CT) może również wykrywać prądy resztkowe stałe. Ta metoda charakteryzuje się wyższą dokładnością niż czujniki hallotronowe czy rezystory bocznikowe i pozwala wykrywać niewielkie prądy zakłóceniowe stałe od 6mA przy dużych prądach obciążeniowych stałych dochodzących do 500A.

Monitor prądów resztkowych (RCM) z wyjściem sterującym dla odłącznika

Seria RCM14 firmy Littelfuse idealnie nadaje się do stosowania w kablach ze sterownikami wewnątrzkablowymi (ICCB), przeznaczonych do ładowania pojazdów elektrycznych (tryb 2) i w stacjach ładowania pojazdów elektrycznych (tryb 3). Są one dostępne w trzech opcjach wykrywania prądów resztkowych zgodnych z normami IEC 62752 (tryb 2), IEC 62955 (tryb 3) oraz UL 2231.

Każdy monitor prądów resztkowych (RCM) posiada jedną diodę LED sygnalizacji działania i jedną diodę LED sygnalizacji usterki. Czterowtykowe złącze JST upraszcza instalację: wtyki 1 i 2 są przeznaczone do zasilania 12V, wtyk 3 do zewnętrznego testowania działania, a wtyk 4 jest wyjściem przełączającym z otwartym drenem do sterowania zewnętrznym odłącznikiem, takim jak przekaźnik odcinający, przy natężeniu do 100mA i napięciu 24V (maksymalnie) (ilustracja 4).

Ilustracja 4: monitory prądów resztkowych (RCM) z serii RCM14 posiadają dwie diody LED statusu i można je łatwo podłączać za pomocą czterowtykowego złącza JST. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Wspomniane aktywne monitory prądów resztkowych (RCM) mogą być również wykorzystywane do wykrywania prądów resztkowych zmiennych i stałych w jednofazowych lub wielofazowych instalacjach prądu stałego. Praca jednofazowa ogranicza prąd obciążeniowy do 100A, a praca trójfazowa - do 40A. Mogą one obsługiwać impulsy prądu obciążenia do 3000A.

RCM14-01: monitor prądów resztkowych (RCM) stałych 6mA zgodny z normą IEC 62955, apertura 14mm

Monitor prądów resztkowych (RCM) RCM14-01 wykrywa prądy zakłóceniowe stałe w układach prądu zmiennego 50Hz/60Hz. Został on opracowany do użytku w stacjach ładowania działających w trybie 3 dla pojazdów elektrycznych (norma IEC 62955) i służy do przerywania obwodu ładowania pojazdów elektrycznych w przypadku wystąpienia prądu zakłóceniowego stałego ≥ 6mA. Omawiany detektor w ekonomiczny i prosty sposób dodaje funkcję monitorowania prądów resztkowych stałych do istniejących wyłączników różnicowoprądowych (RCD) typu A i typu F w instalacjach elektrycznych budynków (ilustracja 5).

Ilustracja 5: monitor prądów resztkowych RCM14-01 dodaje funkcję monitorowania pod kątem prądów resztkowych stałych ≥ 6mA do czułych na prąd stały wyłączników różnicowoprądowych (RCD) typu A w instalacjach elektrycznych budynków. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: moduł monitora prądów resztkowych (RCM) 6mA=/30mA~ zgodny z normą IEC 62752, apertura 14mm

Monitor prądów resztkowych (RCM) RCM14-03 jest przeznaczony do stosowania w sterownikach wewnątrzkablowych (ICCB) lub zintegrowanych urządzeniach zabezpieczających pojazdy elektryczne działające w trybie 2 w celu przerwania zasilania pojazdu elektrycznego w przypadku usterki prądu zmiennego lub stałego.

RCM14-04: moduł monitora prądów resztkowych (RCM) 56mA=/20mA~ zgodny z normą UL 2231-2, apertura 14mm

Moduł monitora prądów resztkowych RCM14-04 wykrywa prądy zakłóceniowe zmienne i stałe w instalacjach prądu zmiennego 60Hz. Jest on przeznaczony do użytku w przerywaczach obwodu ładowania (CCID) w stacjach ładowania pojazdów elektrycznych i służy do przerywania zasilania w przypadku wystąpienia prądu resztkowego zmiennego i/lub stałego.

RCM20-01: monitor prądów resztkowych RCM20-01 przeznaczony jest do wykrywania prądów resztkowych stałych w instalacjach prądu zmiennego 50Hz/60Hz. Jest on przeznaczony do stacji ładowania pojazdów elektrycznych trybu 3 i służy do odłączania zasilania podawanego do pojazdu elektrycznego w warunkach zakłóceniowych prądów resztkowych stałych. Opisywany produkt jest w pełni zgodny z normą IEC 62955.

RCM20-03: monitor prądów resztkowych RCM20-03 przeznaczony jest do wykrywania prądów resztkowych stałych i zmiennych w instalacjach prądu zmiennego 50Hz/60Hz. Jest on przeznaczony do stacji ładowania pojazdów elektrycznych trybu 2 i służy do odłączania zasilania podawanego do pojazdu elektrycznego w warunkach zakłóceniowych prądu stałego i zmiennego. Produkt jest w pełni zgodny z normą IEC 62752 i może być używany w zastosowaniach zgodnych z normą IEC 62955, gdzie wymagane jest wykrywanie prądów zakłóceniowych zmiennych 30mA.

Na potrzeby integracji z obwodem większego urządzenia, poniższe moduły monitorów prądów resztkowych (RCM) są również dostępne jako systemy otwarte:

• RCM14-01_SYS_V, RCM14-01_SYS_H
• RCM14-03_SYS_V, RCM14-03_SYS_H
• RCM14-04_SYS

Każdy system składa się z przeznaczonej do lutowania czujnikowej płytki drukowanej i oddzielnego przekładnika prądowego (ilustracja 6).

Ilustracja 6: moduły monitorów prądów resztkowych RCM14-04_SYS są systemami otwartymi składającymi się z czujnikowej płytki drukowanej oraz przekładnika prądowego. (Źródło ilustracji: Littelfuse, Western Automation)

Podsumowanie

Czułe na prąd zmienny wyłączniki różnicowoprądowe (RCD) typu A są powszechnym standardem instalacyjnym w instalacjach elektrycznych budynków, ale nie są w stanie chronić przed zagrożeniami związanymi z prądami resztkowymi stałymi w obwodach ładowania pojazdów elektrycznych (EV). Jak wykazano, urządzenia serii RCM14 mogą służyć do monitorowania prądów resztkowych stałych, które jest wymagane w kablach ładowania ze sterownikiem wewnątrzkablowym (ICCB) (tryb 2) i stacjach ładowania pojazdów elektrycznych (tryb 3). Ten wyposażony w zaledwie cztery wtyki połączeniowe, kompaktowy moduł monitora prądów resztkowych (RCM) lub system otwarty może zostać łatwo i tanio wdrożony przez projektantów systemów w urządzeniach do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE).