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)