Použití a měření RCD v dobíjecích stanicích pro elektromobily 1.část

Stále rychlejší rozvoj automobilů na elektrický pohon spolu s tlakem Evropské unie na zvýšení jejich podílu na automobilové dopravě s sebou nese i potřebu zvýšení hustoty sítě dobíjecích stanic. Na jejich budování se proto podílí nejen státní a polostátní energetické společnosti, ale i výrobci elektromobilů a mnoho soukromých společností. Nemalou část z nich však tvoří malé neveřejné dobíjecí stanice instalované v domácnostech či firmách pro nabíjení vlastních elektromobilů provozované v režimu nabíjení 3. Vzhledem k tomu, že se jedná o elektrická zařízení, která jsou určena k používání laickou veřejností, je nutno aby byla bezpečná a zajištěná před riziky, která mohou hrozit při poškození a závadách na jejich elektrických obvodech. Jedná se však o technicky poměrně složitá elektrická zařízení, která dosud v takto masovém měřítku nebyla zaváděna. Zajištění jejich elektrické bezpečnosti si proto vyžaduje nová řešení a tím i nové znalosti, které by měli mít revizní technici, jejichž úkolem bude provést revizi a posoudit elektrickou bezpečnost jak před uvedením do provozu, tak i při následných pravidelných kontrolách.

Důležitým prvkem ochrany před úrazem elektrických proudem je použití proudových chráničů (RCD). Elektrické obvody dobíjecí stanice (EVSE) i elektromobilu (EV) však obsahují z polovodičů tvořené obvody, které mohou produkovat usměrněné proudy nejen pulzního charakteru, ale i stejnosměrné proudy zvlněné nebo i vyhlazené. Usměrněné či stejnosměrné složky proto může obsahovat i unikající, případně poruchový proud a tuto skutečnost musí zohlednit i výběr a použití RCD instalovaného k zajištění elektrické bezpečnosti stanice.

Použití RCD pro ochranu dobíjecích stanic upravuje norma ČSN EN IEC 61851-1 ed.3 - Systém vodivého nabíjení elektrických vozidel – Část 1: Obecné požadavky. Konkrétní požadavky na parametry a použití RCD jsou pak uvedeny v IEC 62955:2018 - Zařízení pro detekci reziduálního stejnosměrného proudu (RDC-DD), určená k použití v stanicích pro nabíjení elektrických vozidel v režimu 3, na kterou se výše uvedená ČSN odkazuje a o jejímž vydání v ČR se uvažuje. Protože testování zařízení RCD-DD umožňují i revizní přístroje společnosti METREL dovážené na český trh společností ILLKO, je v následujících kapitolách tato problematika popsána.

Režim 3 (Mode 3) – nabíjení pomocí nabíjecí stanice zapojené do vyhrazeného okruhu elektroinstalace. Vozidlo je připojeno k domácí nebo veřejné nabíjecí stanici (Wallboxu) a dobíjeno AC proudem. Stanice obsahuje ovládací a ochranné funkce a komunikuje s vozidlem. Stanice má svůj vyhrazený okruh v elektroinstalaci jištěný jističem B 16 A nebo B 32 A a chráničem IN = 30 mA typu A nebo B.

Při návrhu jištění EVSE je třeba vybrat správný typ proudového chrániče s ohledem na charakter unikajícího a poruchového proudu, který přes RCD může téci. Z toho důvodu je třeba znát vlastnosti jednotlivých typů RCD. Vlastnosti důležité pro návrh správného typu RCD určeného k ochraně EVSE jsou uvedeny v tabulce 1.

Z tabulky 1 je zřejmé, že RCD typu AC nereagují na reziduální usměrněné pulzní proudy, které se mohou vyskytnout u elektronických zařízení s polovodičovými prvky a složka vyhlazeného nebo zvlněného DC proudu, kterou reziduální proud může obsahovat, může způsobit jejich necitlivost vůči poruchovému proudu.

RCD typu A nebo F reagují i na usměrněné pulzní proudy, které mohou být superponovány na složku vyhlazeného DC proudu až do 6 mA respektive 10 mA. DC proudy však tyto chrániče nedetekují, a pokud by DC složka přesáhla mez jejich odolnosti vůči tomuto proudu, hrozí i u nich snížení citlivosti nebo dokonce nefunkčnost při vzniku poruchy.

RCD typu EV byly zkonstruovány speciálně pro použití v EVSE všude tam, kde by se mohly vyskytnout složky vyhlazeného reziduálního proudu vyšší než 6 mA. Jde o druh RCD typu A, takže jsou běžně určeny pro ochranu před střídavými nebo usměrněnými pulzními proudy s možnou DC složkou do 6 mA. Pokud by však velikost DC složky obsažená v reziduálním proudu tuto hodnotu přesáhla, dojde k jejich vybavení [7].

Pozn.: Je třeba si uvědomit, že velikost jmenovitého reziduálního proudu IN uvedená na chrániči platí pro efektivní hodnotu AC reziduálního proudu. Pro usměrněný pulzní, případně vyhlazený či zvlněný DC proud platí hodnoty 1,4x IN respektive 2x IN. Podle příslušných norem [3][4][5] musí chrániče vybavit mezi 50 % až 100 % IN. Z toho pak plynou intervaly pro vybavení chráničů příslušnými tvary reziduálního proudu uvedené v tab. 1.

Některé EV způsobí při připojení AC dobíjecího zdroje vlivem přechodového děje krátkodobý zákmit vyšších frekvencí, který EMC filtr odvede do uzemnění, a tím vznikne poměrně značný impulz reziduálního proudu. To může být příčinou vybavení standardního RCD typu A. Proto je vhodné použít pro ochranu EVSE chrániče odolné vůči krátkým rázovým proudům. To jsou například zpožděné chrániče typu S, nebo typ G s dobou zpoždění minimálně 10 ms. Standardně se touto vlastností vyznačují chrániče typu F a B. Běžné RCD typu A nebo EV se se zpožděním nevyrábí, i když někteří výrobci nabízí i toto provedení (např. Doepke typ A KV).

Další důležitou vlastností, která může hrát roli při volbě RCD pro ochranu EVSE může být frekvenční rozsah reziduálního proudu, na který je chránič citlivý. Běžné RCD typu AC a A reagují na reziduální proudy o frekvencích blízkých síťovému kmitočtu 50 Hz. Pokud tedy lze předpokládat výskyt vyšších harmonických frekvencí v poruchovém proudu EVSE, je namístě zvolit pro její ochranu RCD typu B, F nebo speciální provedení typů A či EV (viz tab. 1).

IEC 62955:2018 stanovuje požadavky na zařízení vhodné k monitorování a detekci reziduálních DC proudů v nabíjecích stanicích EVSE. Tato zařízení se v normě souhrnně označují jako RCD-DD (nemusí jít vždy o proudový chránič, proto nezaměňovat s označením RCD). Zařízení RCD-DD (obr. 1) pro jmenovitá napětí do AC 440 V/50 Hz, 60 Hz se jmenovitými proudy do 125 A potom norma rozděluje do dvou skupin:

• RCD-MD zařízení ke sledování reziduálního DC proudu: toto zařízení monitoruje DC složku reziduálního proudu a při překročení DC 6 mA zajistí odpojení od zdroje pomocí mechanického spínače, ať již zabudovaného do jednotky, nebo externího (jistič). Může být také elektronicky spárováno s odpínacím zařízením (stykač, relé, jistič). V sérii k RCD-MD musí být zapojen samostatný RCD typu A, IΔN = 30 mA.

• RCD-PD zařízení k ochraně před reziduálním DC proudem: v jednom zařízení je integrována detekce reziduálního proudu AC, pulzního DC, vyhlazeného DC <6 mA a odpojení od zdroje při překročení jmenovitého vybavovacího proudu (AC případně DC pulzní) nebo DC >6 mA. Tyto vlastnosti mají RCD typu EV.

Účelem zařízení RCD-MD je ochránit v sérii zapojený RCD typu A před DC složkami reziduálního proudu většími než 6 mA, které by mohly způsobit znecitlivění chrániče. Vlastní ochranu instalace při vzniku poruchového proudu pak zajišťuje RCD typu A. RCD-PD pak v sobě integrují ochranu před poruchovým proudem AC nebo pulzním DC a samy sebe chrání tím, že detekují vyhlazenou DC složku a vybaví při jejím překročení nad 6 mA.

Podle IEC 62955:2018 musí být RCD-DD nainstalován v jednom z výše uvedených provedení a musí být schopen odpojit dobíjecí místo od zdroje v časovém limitu určeném pro danou hodnotu DC reziduálního proudu s dobou nevybavení pro hodnoty AC reziduálního proudu. Tyto požadavky jsou nutné k zajištění kompatibility při použití samostatného RCD-DD s RCD zapojeném s ním v sérii. Doba odpojení při reziduálním DC proudu je u zařízení RCD-DD stanovena pro DC 6 mA <10 s, pro DC 60 mA <0,3 s (IEC 62955:2018 tab. 2).

Z hlediska možnosti výskytu pulzních usměrněných proudů nebo významné DC složky v unikajícím nebo poruchovém proudu je zřejmé, že použití chrániče typu AC pro ochranu EVSE je vyloučeno. I malý unikající proud tekoucí přes chránič, který obsahuje DC složku, může způsobit magnetizaci jádra jejich součtového transformátoru a tím znecitlivění chrániče, který pak při poruše nemusí vybavit. Proto pro ochranu instalace, ke které je připojena EVSE, musí být použity minimálně RCD typu A, F nebo v některých případech i typ B. Speciálně pro použití v EVSE pak je určen proudový chránič typu EV.

V nejnovější normě určené pro EVSE v nabíjecím režimu 3 (ČSN EN IEC 61851-1 ed. 3) se část 8.5 týká napájecího zařízení EV a vyžaduje pro ochranu použít buď RCD typu B, nebo proudový chránič typu A a příslušné zařízení, které odpojí napájení v případě překročení velikosti DC složky v reziduálním proudu nad 6 mA. Zařízení pro detekci a odpojení DC proudu by mělo splňovat požadavky IEC 62955:2018. Pokud EVSE obsahuje více připojovacích míst pro nabíjení EV, které lze použít současně, musí mít každé z nich samostatnou ochranu zabudovanou do Wallboxu. Ochrana má být zajištěna chráničem IΔN = 30 mA nejméně typu A. Pokud je připojení elektromobilu provedeno zásuvkou typu 2 Mennekes (IEC 62196-2), musí být realizována opatření k ochraně proti DC složce reziduálního proudu. Tím může být RCD typu B nebo zařízení RCD-DD podle IEC 62955:2018.

Při instalaci EVSE by se pracovník odpovědný za montáž měl ujistit, že její dodavatel poskytl příslušné prohlášení o shodě či jinou dokumentaci dokladující shodu s požadavky IEC 62955 (v platné edici). Pokud je pro ochranu okruhu elektroinstalace napájejícího EVSE (továrně vyrobeného Wallboxu) instalován RCD typu A, je třeba se ujistit, že instalované nabíjecí zařízení obsahuje RDC-DD kompatibilní s IEC 62955 (v platné edici). Pokud tomu tak není, je třeba použít pro ochranu EVSE RCD typu B nebo EV.

Pramen [8] uvádí, že některé modely EV jsou navrženy pro nabíjení ze zásuvek chráněných RCD typu B. Podle revidovaných IEC norem budou nabíjecí stanice chráněné RCD typu A s detekcí reziduálního proudu DC 6 mA zabraňovat automobilům v nabíjení, pokud by tyto produkovaly složku reziduálního proudu DC 6 mA nebo větší. Provozovatelé veřejných dobíjecích stanic by měli zvážit vybavení těchto stanic ochranou RCD typu B pro specifická vozidla. Pro firemní dobíjecí stanice je vhodné nejprve zkontrolovat specifikace vlastněných vozidel, než dojde k zakoupení a instalaci dobíjecích stanic.

Pokud má EVSE provozovaná v režimu 3, tedy samostatný Wallbox obsahující řídící i ochrannou elektroniku, více připojovacích míst pro EV než jedno, a ty lze používat současně, potom musí mít každé z nich samostatnou ochranu zabudovanou do Wallboxu. K ochraně má být použit RCD nejméně typu A (IΔN = 30 mA) za podmínky, že jsou přijata vhodná opatření proti nepříznivým účinkům reziduálního DC proudu na správnou funkci ochrany [1]. Dobíjecí stanice provozované v režimu 3, je možno připojit k elektroinstalaci jen tehdy jsou-li splněny podmínky kompatibility ochranných prvků použitých ve Wallboxu s ochranou instalovanou v objektu. Jedná se především o kompatibilitu typů RCD.

Na obr. 3 až 5 jsou vyobrazena možná připojení EVSE k elektrické instalaci s použitými ochrannými RCD. Pro zjednodušení jsou vyobrazena jednofázová připojení, přestože Wallboxy v režimu 3 s nabíjecí zásuvkou typu 2 jsou obvykle třífázové (ilustrační foto obr. 2).

Obr. 2 – EVSE Wallbox s připojením do síťové zásuvky

autor: Ing.Leoš Koupý, obchodní ředitel ILLKO Blansko

pokračování příště : TN síť , TT síť, Revize a další