Stosowanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach ładowania pojazdów elektrycznych
The use of residual current devices in electric vehicle charging installations
Zabezpieczenie różnicowoprądowe jest obowiązkowym elementem instalacji ładowania, fot. Volvo
Liczba pojazdów elektrycznych na drogach wielu krajów, również Polski, znacznie wzrosła w ostatnich latach. Pojazdy zawierające silnik elektryczny wykorzystywany do napędu można podzielić na: BEV, PHEV, HEV i FCEV. Poniżej – objaśnienia, co oznaczają te skróty.
W artykule:
|
StreszczenieW artykule przedstawiono główne wymagania norm międzynarodowych i przepisów dotyczące ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach ładowania pojazdów elektrycznych. Omówiono zasady stosowania wyłączników różnicowoprądowych w takich instalacjach. Zwrócono uwagę, że zabezpieczenia różnicowoprądowe są obowiązkowym wyposażeniem instalacji ładowania pojazdów elektrycznych. Zaznaczono, że normy wymagają wykorzystania zabezpieczeń różnicowoprądowych określonego typu ze względu na to, że przy doziemieniu w obwodzie ładowania może pojawić się w prądzie ziemnozwarciowym składowa stała o znacznej wartości. Zasygnalizowano nowy typ zabezpieczeń różnicowoprądowych, przeznaczony do instalacji prądu stałego. AbstractThe main provisions of international standards and national regulations regarding protection against electric shock in electric vehicle charging installations are presented. The principles of selecting residual current devices (RCDs) in such installations are discussed. It is noted that RCDs are mandatory in electric vehicle charging systems. In addition, the standards require the use of RCDs of a specific type due to the fact that in the event of an earth fault in the charging circuit, a significant direct component may appear in the earth fault current. A new type of residual current protective device, intended for direct current installations, is indicated. |
Pojazdy zawierające silnik elektryczny wykorzystywany do napędu można podzielić następująco:
- BEV (ang. Battery Electric Vehicle) – pojazd o napędzie w pełni elektrycznym, nie zawiera silnika spalinowego; silnik elektryczny jest zasilany z baterii akumulatorów, które są ładowane z zewnętrznej instalacji elektrycznej (np. publicznej stacji ładowania lub punktu ładowania w instalacji domowej);
- PHEV (ang. Plug-in Hybrid Electric Vehicle) – pojazd wyposażony zarówno w silnik elektryczny, jak i spalinowy; może poruszać się w trybie hybrydowym (silnik spalinowy wspomagany elektrycznym) albo być napędzany wyłącznie silnikiem elektrycznym lub wyłącznie silnikiem spalinowym; baterie zasilające silnik elektryczny mogą być ładowane z instalacji elektrycznej domowej lub stacji ładowania;
- HEV (ang. Hybrid Electric Vehicle) – pojazd wyposażony zarówno w silnik elektryczny, jak i spalinowy; baterie zasilające silnik elektryczny nie mogą być ładowane z zewnętrznej instalacji elektrycznej, a energia do ich ładowania pochodzi z układu zasilanego silnikiem spalinowym i jest odzyskiwana podczas hamowania pojazdu;
- FCEV (ang. Fuel Cell Electric Vehicle) – pojazd wyposażony w silnik elektryczny zasilany ogniwami paliwowymi; z zewnętrznego zasobnika tankowany jest wodór, który wchodząc w reakcję z tlenem, wytwarza energię elektryczną; pojazdu tego nie ładuje się z instalacji elektrycznej.
Instalacje ładowania są więc wykorzystywane przez pojazdy BEV oraz PHEV. Wyróżnia się następujące tryby ładowania pojazdów elektrycznych [5, 8, 11]:
- Tryb 1 (ang. Mode 1) – pojazd jest przyłączony do instalacji prądu przemiennego z wykorzystaniem gniazda wtyczkowego jednofazowego (do 250 V) lub trójfazowego (do 480 V), o prądzie znamionowym nie większym niż 16 A; obwód zasilający pojazd powinien zawierać przewody czynne i przewód ochronny, zatem wykluczony jest układ TN-C. Ten tryb jest wykorzystywany w szczególności do ładowania pojazdu z instalacji domowej. Wymaga się, aby obwód zasilający gniazdo ładowania był chroniony wyłącznikiem różnicowoprądowym.
- Tryb 2 (ang. Mode 2) – pojazd jest przyłączony do instalacji prądu przemiennego z wykorzystaniem gniazda wtyczkowego jednofazowego (do 250 V) lub trójfazowego (do 480 V), o prądzie znamionowym nie większym niż 32 A; obwód zasilający pojazd powinien zawierać żyłę ochronną i pilot sterujący oraz zabezpieczenie przed porażeniem (wyłącznik różnicowoprądowy lub jako moduł zapewniający funkcje bezpieczeństwa i sterowania wbudowany w przewód zasilający pojazd). Zwykle za sterowanie oraz ochronę przeciwporażeniową jest odpowiedzialny moduł sterująco-zabezpieczający IC-CPD (ang. In-Cable Control and Protection Device) zintegrowany z przewodem.
- Tryb 3 (ang. Mode 3) – pojazd jest przyłączony do instalacji prądu przemiennego za pośrednictwem specjalnego wyposażenia, dzięki któremu zapewniona jest komunikacja między punktem ładowania a pojazdem. Napięcie jest doprowadzane do pojazdu dopiero po odpowiednim skomunikowaniu się punktu ładowania z pojazdem.
- Tryb 4 (ang. Mode 4) – pojazd jest przyłączony do punktu ładowania prądu stałego; ładowanie może odbywać się z bardzo dużą mocą (nawet kilkuset kW). W trybie tym jest zapewniona komunikacja między punktem ładowania a pojazdem, która realizuje funkcje bezpieczeństwa i sterowania.
Wymagania techniczne odnoszące się do infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych są zawarte głównie w ustawie [18] i rozporządzeniu [19]. Do najważniejszych norm odnoszących się do projektowania instalacji elektrycznych, w szczególności w zakresie ochrony przeciwporażeniowej i stosowania wyłączników różnicowoprądowych, należy zaliczyć PN-HD 60364-4-41 [6] oraz PN-HD 60364-7-722 [8]. Niniejszy artykuł omawia zasady ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach ładowania pojazdów elektrycznych, a w szczególności zasady stosowania w tych instalacjach wyłączników różnicowoprądowych.
Zasady ochrony przeciwporażeniowej
Podstawowe zasady dotyczące bezpieczeństwa eksploatacji, naprawy oraz modernizacji stacji ładowania i punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego są zawarte w rozporządzeniu [19]. W rozporządzeniu tym podano, że stacje ładowania i punkty ładowania należy wyposażyć co najmniej w następujące zabezpieczenia związane z ochroną przeciwporażeniową:
- wyłącznik główny, odcinający zasilanie wszystkich obwodów;
- wyłącznik różnicowoprądowy, w przypadku zasilania z sieci prądu przemiennego;
- zabezpieczenie nadprądowe.
Z zapisu tego wynika, że obowiązkowym elementem instalacji ładowania jest zabezpieczenie różnicowoprądowe (wyłącznik różnicowoprądowy), ale rozporządzenie nie podaje ani wymaganego znamionowego prądu różnicowego zadziałania, ani typu wyzwalania (AC, A, F czy B).
Rozporządzenie [19] wymaga też przeprowadzenia określonych przeglądów, w skład których wchodzą m.in. następujące badania odnoszące się do instalacji elektrycznych:
- pomiary ciągłości przewodów ochronnych, w tym przewodów połączeń wyrównawczych głównych i dodatkowych,
- pomiary ciągłości przewodów czynnych, gdy występują obwody odbiorcze pierścieniowe,
- pomiary rezystancji izolacji przewodów, mierzonej między przewodami czynnymi oraz między przewodami czynnymi a uziemionym przewodem ochronnym,
- pomiary rezystancji uziemienia, jeżeli uziemienia te występują,
- sprawdzenie działania urządzeń ochronnych różnicowoprądowych,
- inne pomiary niezbędne do oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej.
Zakres wyżej wymienionych badań w zasadzie pokrywa się z tym, który przewiduje norma PN-HD 60364-6 [7] w ramach sprawdzania odbiorczego lub okresowego instalacji elektrycznych.
Rozporządzenie [19] nie określa środków ochrony przeciwporażeniowej, które należy stosować w instalacjach ładowania pojazdów elektrycznych. Środki te oraz inne wymagania szczegółowe określa norma PN-HD 60364-7-722 [8]. Spośród pełnej gamy środków wymienionych w normie PN-HD 60364-4-41 [6], norma PN-HD 60364-7-722 [8] dopuszcza tylko następujące:
Ochrona podstawowa (ochrona przed dotykiem bezpośrednim)
- izolacja podstawowa,
- przegrody lub obudowy.
Nie dopuszcza się więc przeszkody ani umieszczenia poza zasięgiem ręki.
Ochrona przy uszkodzeniu (ochrona dodatkowa, ochrona przy dotyku pośrednim)
- samoczynne wyłączanie zasilania,
- izolacja podwójna lub wzmocniona,
- separacja elektryczna (jednego odbiornika),
- bardzo niskie napięcie SELV lub PELV.
Nie dopuszcza się stosowania izolowania stanowiska ani nieuziemionych połączeń wyrównawczych. Jeżeli stosuje się układ TN, to należy wykorzystywać podukład TN-S.
Instalacje ładowania a wyłączniki różnicowoprądowe
Zgodnie z postanowieniami normy PN-HD 60364-7-722 [8], każdy punkt przyłączenia pojazdu elektrycznego powinien być indywidualnie chroniony zabezpieczeniem/wyłącznikiem różnicowoprądowym o znamionowym prądzie różnicowym zadziałania nie większym niż 30 mA. Wynika z tego, że jednym wyłącznikiem różnicowoprądowym nie należy zabezpieczać dwóch lub więcej obwodów przeznaczonych do ładowania pojazdów elektrycznych. Jeżeli wyłącznik różnicowoprądowy chroni więcej niż jeden obwód (rys. 1a), to w razie doziemienia w jakimkolwiek obwodzie odbiorczym najprawdopodobniej zadziała ten właśnie wyłącznik i pozbawi zasilania wszystkie obwody odbiorcze. W przypadku rozwiązania z rysunku 1b każdy obwód jest wyposażony w wyłącznik różnicowoprądowy.
Rys. 1. Wybór miejsca zainstalowania wyłącznika różnicowoprądowego (30 mA): a) jeden wyłącznik chroni trzy obwody, b) jeden wyłącznik chroni jeden obwód, rys. S. Czapp
Doziemienie w danym obwodzie spowoduje zadziałanie wyłącznika różnicowoprądowego w obwodzie dotkniętym uszkodzeniem i nie przerywa zasilania dostarczanego do pojazdów przyłączonych w innych obwodach. Stosowanie zasady jeden wyłącznik różnicowoprądowy na jeden obwód ma jeszcze inne uzasadnienie. W przypadku znacznych prądów upływowych pojawiających się podczas ładowania (kilka pojazdów ładowanych jednocześnie), mogłoby dochodzić do zbędnego zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego zbiorczo chroniącego kilka obwodów. Jeżeli stosować rozwiązanie z rysunku 1b, to prawdopodobieństwo pojawienia się dużego prądu upływowego jest mniejsze (na wyłącznik różnicowoprądowy przypada tylko jeden ładowany pojazd).
Ważną kwestią jest wybór właściwego wyłącznika różnicowoprądowego ze względu na jego zdolność do wykrywania określonego kształtu prądu różnicowego. W instalacjach ładowania pojazdów może pojawić się składowa stała (DC) w prądzie różnicowym i z tego powodu norma PN-HD 60364-7-722 [8] wymaga stosowania wyłączników różnicowoprądowych co najmniej typu A (wymaganie stosowania wyłączników różnicowoprądowych nie dotyczy obwodów, w których wykorzystuje się separację elektryczną jako ochronę przy uszkodzeniu). W niektórych przypadkach nawet ten typ wyłączników jest niewystarczający. Norma [8] wymaga, aby stacje ładowania wyposażone w gniazda/złącza zgodne z IEC 62196 [17] były chronione zabezpieczeniami wykrywającymi składową stałą o znacznej wartości (większej niż 6 mA). Mogą to być zabezpieczenia wbudowane w stację ładowania lub od niej niezależne. Do tego celu należy zatem stosować:
- wyłącznik różnicowoprądowy typu B lub
- wyłącznik różnicowoprądowy typu A oraz urządzenie do detekcji składowej stałej (urządzenie RDC-DD zgodne z normą IEC 62955 [14]) lub
- wyłącznik różnicowoprądowy typu F oraz urządzenie do detekcji składowej stałej (urządzenie RDC-DD zgodne z normą IEC 62955 [14]).
Tam, gdzie dopuszcza się stosowanie wyłącznika różnicowoprądowego typu B, można zamiennie zainstalować wyłącznik różnicowoprądowy typu B+. W tabeli 1. przedstawiono rodzaje zabezpieczeń różnicowoprądowych ze względu na ich zdolność do wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego i przydatność w instalacjach ładowania pojazdów elektrycznych.
Tab. 1. Rodzaje zabezpieczeń/wyłączników różnicowoprądowych ze względu na zdolność wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego i ich przydatność w instalacjach ładowania pojazdów elektrycznych (EV) [8-10]
Tabela 2. przedstawia zabezpieczenia różnicowoprądowe RDC-DD, które są przeznaczone do instalacji wykorzystujących ładowanie w trybie 3.
Tab. 2. Zabezpieczenia różnicowoprądowe RDC-DD przeznaczone do instalacji wykorzystujących ładowanie w trybie 3 [14]
Zgodnie z normą IEC 62955 [14], wyróżnia się m.in. następujące parametry znamionowe urządzenia RDC-DD odnoszące się do prądu różnicowego stałego:
- znamionowy prąd różnicowy zadziałania IΔdc = 6 mA,
- znamionowy prąd różnicowy niezadziałania IΔndc = 0,5IΔdc = 3 mA.
Podana wartość znamionowa IΔdc = 6 mA jest związana z charakterystyką działania przy prądach DC zawartą w tabeli 3.
Tab. 3. Charakterystyka działania (prąd – czas) urządzeń RDC-DD dla prądu różnicowego stałego wygładzonego [14]
W przypadku stosowania trybu 2 ładowania pojazdów można wykorzystać przewód zawierający wspomniane wcześniej wbudowane urządzenie IC-CPD. Urządzenie to powinno spełniać wymagania normy PN-EN 62752 [12, 13]. Przewód z urządzeniem IC-CPD zawiera zabezpieczenie różnicowoprądowe o IΔn ≤ 30 mA, co zapewnia wymaganą ochronę przeciwporażeniową, gdy nie ma pewności, czy w instalacji zasilającej jest odpowiedni wyłącznik różnicowoprądowy. W odniesieniu do urządzeń IC-CPD norma PN-EN 62752 [12, 13] wymaga m.in. wykrywania składowej stałej większej niż 6 mA (wymagania podobne jak dla RDC-DD) oraz prądu zawierającego wyższą harmoniczną. Podczas badania działania w obecności wyższej harmonicznej prąd probierczy powinien zawierać dwie składowe (udział po 50%) o następujących częstotliwościach:
- podstawowej (np. 50 Hz),
- 1000 Hz.
Przy takim prądzie odkształconym zabezpieczenie różnicowoprądowe wbudowane w urządzenie IC-CPD powinno zadziałać w przedziale (0,5–1,4)IΔn.
DC-RCD, czyli zabezpieczenia różnicowoprądowe przeznaczone do systemów prądu stałego
W ostatnim okresie zauważa się coraz większe zainteresowanie mikrosieciami prądu stałego [1–3]. Takie mikrosieci wykorzystują m.in. źródła fotowoltaiczne i zasilają napięciem stałym np. oświetlenie w budynkach [4]. Pojawia się więc zapotrzebowanie na zabezpieczenia różnicowoprądowe, które mogłyby być instalowane w sieciach i instalacjach prądu stałego.
Kwestie wymagań stawianych zabezpieczeniom różnicowoprądowym przeznaczonym do systemów prądu stałego regulują następujące normy:
- IEC 60755-1 General safety requirements for residual current operated protected devices – Part 1: Residual current operated protective devices for DC systems [15],
- IEC TS 63053 General requirements for residual current operated protective devices for DC systems [16].
Te stosunkowo nowe normy wprowadziły nowy typ zabezpieczeń różnicowoprądowych – zabezpieczenia DC-RCD, które są przystosowane do systemów prądu stałego.
Spośród głównych różnic w porównaniu z zabezpieczeniami różnicowoprądowymi przeznaczonymi do systemów prądu przemiennego należy wymienić niektóre wartości znamionowego prądu różnicowego zadziałania IΔn. Norma [15] wyróżnia następujące prądy IΔn: 20 mA, 80 mA, 300 mA, 600 mA, 1 A, 2 A, 3 A, 5 A, 10 A, 20 A, 30 A.
Należy zaznaczyć, że wartość podkreślona (80 mA) jest największą dopuszczalną wartością, która może być wykorzystana do zapewnienia ochrony uzupełniającej. Zatem zabezpieczenia DC-RCD o IΔn ≤ 80 mA są równoważne zabezpieczeniom RCD o IΔn ≤ 30 mA stosowanym w obwodach prądu przemiennego.
Jeżeli chodzi o przedział, w którym powinien znajdować się prąd nastawczy składowej stałej, to dla zabezpieczeń DC-RCD jest on taki sam jak dla urządzeń RCD przy prądzie przemiennym, czyli (0,5–1,0) IΔn.
Wnioski
Zabezpieczenia/wyłączniki różnicowoprądowe w instalacjach ładowania pojazdów elektrycznych są wyposażeniem obowiązkowym. W instalacjach tych nie dopuszcza się stosowania wyłączników różnicowoprądowych typu AC, a w przypadku wyłączników typu A lub typu F w niektórych systemach ładowania należy instalować dodatkowe urządzenia zdolne wykrywać wygładzoną składową stałą prądu różnicowego o wartości większej niż 6 mA. Należy się spodziewać, że w najbliższym czasie na rynku rozpowszechni się nowy typ zabezpieczeń różnicowoprądowych – DC-RCD. Są to zabezpieczenia przeznaczone do instalacji prądu stałego, które znajdują coraz szersze zastosowanie.
* * *
Artykuł w formie referatu był prezentowany na XXIV Konferencji Naukowo-Technicznej „Bezpieczeństwo Elektryczne” – ELSAF 2023, Karpacz, 19–22.09.2023.
Artykuł został pierwotnie opublikowany w czasopiśmie „INPE”: Czapp S.: Stosowanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach ładowania pojazdów elektrycznych // INPE: Informacje o Normach i Przepisach Elektrycznych, 2023, nr 290–291 (Rok XXIX), s. 19–29. Dziękujemy redakcji za zgodę na przedruk.
Literatura
- Bignucolo F., Coppo M., Caldon R.: Interconnecting neighbors’ buildings: advantages of energy districts realized through private DC lines. IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC/I&CPS Europe), Palermo, Italy, 2018.
- Marah B., Bhavanam Y. R., Taylor G. A., Darwish M. K., Ekwue A. O.: A practical application of low voltage DC distribution network within buildings. 52nd International Universities Power Engineering Conference (UPEC), Heraklion, Greece, 2017.
- Weiss R., Ott L., Boeke U.: Energy efficient low-voltage DC-grids for commercial buildings. IEEE First International Conference on DC Microgrids (ICDCM), Atlanta, USA, 2015.
- Zhang F., Meng Ch., Yang Y., Sun Ch., Ji Ch., Chen Y., Wei W., Qiu H., Yang G.: Advantages and challenges of DC microgrid for commercial building – A case study from Xiamen university DC microgrid. IEEE First International Conference on DC Microgrids (ICDCM), Atlanta, USA, 2015.
- Czapp S.: Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach i instalacjach niskiego napięcia. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2023.
- PN-HD 60364-4-41:2017-09 (wersja polska) Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
- PN-HD 60364-6:2016-07 (wersja polska) Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 6: Sprawdzanie.
- PN-HD 60364-7-722:2019-01 (wersja polska) Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 7-722: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji – Zasilanie pojazdów elektrycznych.
- PN-EN 61008-1:2013-05 (wersja angielska) Wyłączniki różnicowoprądowe bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego (RCCB) – Część 1: Postanowienia ogólne.
- PN-EN 62423:2013-06 (wersja polska) Wyłączniki różnicowoprądowe typu F i typu B z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym i bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego.
- PN-EN IEC 61851-1:2019-10 (wersja angielska) System przewodowego ładowania pojazdów elektrycznych – Część 1: Wymagania ogólne.
- PN-EN 62752:2016-12 (wersja angielska) Zintegrowane z przewodem urządzenia sterownicze i zabezpieczające do ładowania w trybie 2 pojazdów elektrycznych (IC-CPD).
- PN-EN 62752:2016-12/A1:2020-10 (wersja angielska) Zintegrowane z przewodem urządzenia sterownicze i zabezpieczające do ładowania w trybie 2 pojazdów elektrycznych (IC-CPD).
- IEC 62955:2018-03 Residual direct current detecting device (RDC-DD) to be used for mode 3 charging of electric vehicles.
- IEC 60755-1:2022-10 General safety requirements for residual current operated protected devices – Part 1: Residual current operated protective devices for DC systems.
- IEC TS 63053:2017-06 General requirements for residual current operated protective devices for DC systems.
- IEC 62196 Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and vehicle inlets – Conductive charging of electric vehicles (norma wieloarkuszowa).
- Obwieszczenie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 10 marca 2023 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy o elektromobilności i paliwach alternatywnych (Dz.U. z 2023, poz. 875).
- Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 26 czerwca 2019 r. w sprawie wymagań technicznych dla stacji ładowania i punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego (Dz.U. z 2019, poz. 1316).
