Защита от скачков напряжения при зарядке электромобилей, Автомобильное зарядное устройство для электромобилей SPD

Защита от скачков напряжения при зарядке электромобиля

Зарядка электромобилей - проектирование электроустановок

Зарядка электромобилей - это новая нагрузка для электроустановок низкого напряжения, которая может создавать некоторые проблемы.

Особые требования к безопасности и конструкции представлены в МЭК 60364 Электроустановки низкого напряжения - Часть 7-722: Требования к специальным установкам или местам - Поставки для электромобилей.

На рис. EV21 представлен обзор области применения стандарта IEC 60364 для различных режимов зарядки электромобиля.

[a] в случае зарядных станций, расположенных на улице, «установка частной низковольтной установки» минимальна, но IEC60364-7-722 по-прежнему применяется от точки подключения к электросети до точки подключения электромобиля.

Рис. EV21 - Сфера применения стандарта IEC 60364-7-722, который определяет особые требования при интеграции инфраструктуры зарядки электромобилей в новые или существующие электрические установки низкого напряжения.

Также следует отметить, что соответствие IEC 60364-7-722 делает обязательным, чтобы различные компоненты зарядной установки EV полностью соответствовали соответствующим стандартам на продукцию IEC. Например (не исчерпывающий):

Зарядная станция для электромобилей (режимы 3 и 4) должна соответствовать соответствующим частям серии IEC 61851.
Устройства защитного отключения (УЗО) должны соответствовать одному из следующих стандартов: IEC 61008-1, IEC 61009-1, IEC 60947-2 или IEC 62423.
RDC-DD должен соответствовать IEC 62955.
Устройство защиты от перегрузки по току должно соответствовать МЭК 60947-2, МЭК 60947-6-2 или МЭК 61009-1 или соответствующим частям серий МЭК 60898 или МЭК 60269.
Если точкой подключения является розетка или автомобильный разъем, он должен соответствовать IEC 60309-1 или IEC 62196-1 (где взаимозаменяемость не требуется) или IEC 60309-2, IEC 62196-2, IEC 62196-3. или IEC TS 62196-4 (где требуется взаимозаменяемость), или национальный стандарт для розеток, при условии, что номинальный ток не превышает 16 A.

Влияние зарядки электромобилей на максимальную потребляемую мощность и размер оборудования
Как указано в IEC 60364-7-722.311, «Следует учитывать, что при нормальном использовании каждая отдельная точка подключения используется при ее номинальном токе или при сконфигурированном максимальном токе зарядки зарядной станции. Средства настройки максимального зарядного тока должны выполняться только с помощью ключа или инструмента и должны быть доступны только опытным или проинструктированным лицам ».

Расчет схемы, питающей одну точку подключения (режимы 1 и 2) или одну зарядную станцию для электромобилей (режимы 3 и 4), должен производиться в соответствии с максимальным зарядным током (или меньшим значением, при условии, что настройка этого значения недоступна для неквалифицированные специалисты).

Рис. EV22 - Примеры общих номинальных токов для режимов 1, 2 и 3

Характеристики	Режим зарядки
Характеристики	Режим 1 и 2	Режим 3
Оборудование для подбора схем	Стандартная розетка	3.7кВт один этап	7кВт один этап	11кВт три этапа	22кВт три этапа
Максимальный ток, который необходимо учитывать при 230/400 В переменного тока	16A P + N	16A P + N	32A P + N	16A P + N	32A P + N

В МЭК 60364-7-722.311 также указано, что «Поскольку все точки подключения установки могут использоваться одновременно, коэффициент разнесения распределительной цепи должен приниматься равным 1, если только регулятор нагрузки не включен в оборудование питания электромобиля или не установлен. вверх по течению, или их комбинация ».

Коэффициент разнообразия, который следует учитывать для нескольких зарядных устройств для электромобилей, параллельно, равен 1, если только система управления нагрузкой (LMS) не используется для управления этими зарядными устройствами для электромобилей.

Поэтому настоятельно рекомендуется установка LMS для управления EVSE: это предотвращает завышение размеров, оптимизирует затраты на электрическую инфраструктуру и снижает эксплуатационные расходы за счет предотвращения пиков энергопотребления. Обратитесь к архитектуре зарядки электромобилей для получения примера архитектуры с LMS и без нее, иллюстрирующего оптимизацию электрической установки. См. Раздел Зарядка электромобилей - цифровые архитектуры для получения более подробной информации о различных вариантах LMS и дополнительных возможностях, которые возможны с облачной аналитикой и контролем зарядки электромобилей. И проверьте перспективы интеллектуальной зарядки для оптимальной интеграции электромобилей для перспектив интеллектуальной зарядки.

Система проводов и заземления

Как указано в IEC 60364-7-722 (разделы 314.01 и 312.2.1):

Для передачи энергии от / к электромобилю должна быть предусмотрена выделенная цепь.
В системе заземления TN цепь, питающая точку подключения, не должна включать PEN-проводник.

Также необходимо проверить, имеют ли электромобили, использующие зарядные станции, ограничения, связанные с конкретными системами заземления: например, некоторые автомобили нельзя подключить в режимах 1, 2 и 3 в системе заземления IT (пример: Renault Zoe).

Правила в некоторых странах могут включать дополнительные требования, касающиеся систем заземления и контроля непрерывности PEN. Пример: случай сети TNC-TN-S (PME) в Великобритании. Для соответствия стандарту BS 7671 в случае обрыва PEN на входе необходимо установить дополнительную защиту на основе контроля напряжения, если нет местного заземляющего электрода.

Защита от поражения электрическим током

Приложения для зарядки электромобилей повышают риск поражения электрическим током по нескольким причинам:

Вилки: риск обрыва провода защитного заземления (PE).
Кабель: риск механического повреждения изоляции кабеля (раздавливание при перекатывании автомобильных шин, повторяющиеся операции…)
Электромобиль: риск доступа к активным частям зарядного устройства (класс 1) в автомобиле в результате разрушения базовой защиты (аварии, техническое обслуживание автомобиля и т. Д.)
Влажная или соленая вода влажная среда (снег на входе электромобиля, дождь…)

Чтобы принять во внимание эти повышенные риски, IEC 60364-7-722 утверждает, что:

Дополнительная защита с помощью УЗО 30 мА обязательна.
Мера защиты «размещение вне досягаемости» согласно IEC 60364-4-41, приложение B2, не допускается.
Специальные меры защиты в соответствии с IEC 60364-4-41, приложение C не допускаются.
Электрическое разделение для питания одного элемента потребляющего ток оборудования принимается в качестве защитной меры с разделительным трансформатором, соответствующим IEC 61558-2-4, и напряжение в разделенной цепи не должно превышать 500 В. Это обычно используется. решение для режима 4.

Защита от поражения электрическим током за счет автоматического отключения питания

В параграфах ниже представлены подробные требования стандарта IEC 60364-7-722: 2018 (на основе пунктов 411.3.3, 531.2.101, 531.2.1.1 и т. Д.).

Каждая точка подключения переменного тока должна быть индивидуально защищена устройством защитного отключения (УЗО) с номинальным остаточным рабочим током, не превышающим 30 мА.

УЗО, защищающие каждую точку подключения в соответствии с 722.411.3.3, должны соответствовать, по крайней мере, требованиям, предъявляемым к УЗО типа А, и иметь номинальный остаточный рабочий ток, не превышающий 30 мА.

Если зарядная станция для электромобилей оснащена розеткой или автомобильным разъемом, который соответствует стандарту IEC 62196 (все части - «Вилки, розетки, автомобильные разъемы и автомобильные вводы - Кондуктивная зарядка электромобилей»), меры защиты от неисправности постоянного тока. должен быть снят ток, за исключением случаев, когда это предусмотрено зарядной станцией для электромобилей.

Соответствующие меры для каждой точки подключения должны быть следующими:

Использование УЗО типа B, или
Использование УЗО типа A (или F) в сочетании с устройством обнаружения остаточного постоянного тока (RDC-DD), которое соответствует стандарту IEC 62955.

УЗО должны соответствовать одному из следующих стандартов: IEC 61008-1, IEC 61009-1, IEC 60947-2 или IEC 62423.

УЗО должны отключать все токоведущие проводники.

На рисунках EV23 и EV24 ниже резюмируются эти требования.

Рис. EV23 - Два решения для защиты от поражения электрическим током (зарядные станции для электромобилей, режим 3)

Рис. EV24 - Обобщение требований IEC 60364-7-722 по дополнительной защите от поражения электрическим током путем автоматического отключения питания с помощью УЗО 30 мА

Режим 1 и 2

Режим 3

Режим 4

УЗО 30мА тип А

УЗО 30мА типа В, или

УЗО 30 мА типа A + 6 мА RDC-DD, или

УЗО 30 мА типа F + 6 мА RDC-DD

Непригодный

(без точки подключения переменного тока и электрического разделения)

Ноты:

УЗО или соответствующее оборудование, обеспечивающее отключение источника питания в случае неисправности постоянного тока, может быть установлено внутри зарядной станции электромобиля, в распределительном щите перед ним или в обоих местах.
Определенные типы УЗО, как показано выше, требуются, потому что преобразователь переменного тока в постоянный, включенный в электрические автомобили и используемый для зарядки аккумулятора, может генерировать ток утечки постоянного тока.

Какой вариант предпочтительнее, УЗО типа B или УЗО типа A / F + RDC-DD 6 мА?

Основными критериями для сравнения этих двух решений являются потенциальное воздействие на другие УЗО в электроустановке (риск ослепления) и ожидаемая непрерывность службы зарядки электромобилей, как показано на рис. EV25.

Рис. EV25 - Сравнение УЗО типа B и УЗО типа A + RDC-DD 6 мА

Критерии сравнения	Тип защиты, используемый в цепи электромобиля
Критерии сравнения	УЗО типа B	УЗО типа А (или F) + RDC-DD 6 мА
Максимальное количество точек подключения EV после УЗО типа A, чтобы избежать риска ослепления	0^[A] (невозможно)	Максимум 1 точка подключения EV^[A]
Непрерывность обслуживания пунктов зарядки электромобилей	OK Постоянный ток утечки, приводящий к отключению, составляет [15 мА… 60 мА].	Не рекомендуется Постоянный ток утечки, приводящий к отключению, составляет [3 мА… 6 мА]. Во влажной среде или из-за старения изоляции этот ток утечки может возрасти до 5 или 7 мА и может привести к ложному срабатыванию.

Эти ограничения основаны на максимальном постоянном токе, допустимом для УЗО типа A в соответствии со стандартами IEC 61008/61009. Обратитесь к следующему абзацу для получения более подробной информации о риске ослепления и решениях, которые минимизируют воздействие и оптимизируют установку.

Важно: это единственные два решения, которые соответствуют стандарту IEC 60364-7-722 по защите от поражения электрическим током. Некоторые производители EVSE заявляют, что предлагают «встроенные защитные устройства» или «встроенную защиту». Чтобы узнать больше о рисках и выбрать безопасное решение для зарядки, см. Белую книгу, озаглавленную «Меры безопасности при зарядке электромобилей».

Как обеспечить защиту людей на всей установке, несмотря на наличие нагрузок, генерирующих токи утечки постоянного тока

Зарядные устройства для электромобилей включают преобразователи переменного / постоянного тока, которые могут генерировать постоянный ток утечки. Этот ток утечки постоянного тока пропускается защитой RCD цепи EV (или RCD + RDC-DD) до тех пор, пока он не достигнет значения отключения постоянного тока RCD / RDC-DD.

Максимальный постоянный ток, который может протекать по цепи электромобиля без отключения, составляет:

60 мА для 30 мА УЗО типа B (2 * IΔn согласно IEC 62423)
6 мА для 30 мА УЗО типа A (или F) + 6 мА RDC-DD (согласно IEC 62955)

Почему этот ток утечки постоянного тока может быть проблемой для других УЗО установки

Другие УЗО в электроустановке могут «видеть» этот постоянный ток, как показано на рисунке EV26:

УЗО на входе будут видеть 100% постоянного тока утечки независимо от системы заземления (TN, TT).
УЗО, установленные параллельно, будут видеть только часть этого тока, только для системы заземления TT и только при возникновении неисправности в цепи, которую они защищают. В системе заземления TN постоянный ток утечки, проходящий через УЗО типа B, течет обратно через проводник защитного заземления и, следовательно, не может быть замечен параллельно УЗО.

Рис. EV26 - На последовательно или параллельно включенные УЗО воздействует постоянный ток утечки, пропускаемый УЗО типа B.

УЗО, отличные от типа B, не предназначены для правильной работы в присутствии постоянного тока утечки и могут быть «ослеплены», если этот ток слишком высок: их сердечник будет предварительно намагничен этим постоянным током и может стать нечувствительным к короткому замыканию переменного тока. тока, например, УЗО больше не сработает в случае сбоя переменного тока (потенциально опасная ситуация). Иногда это называют «слепотой», «ослеплением» или десенсибилизацией УЗО.

Стандарты МЭК определяют (максимальное) смещение постоянного тока, используемое для проверки правильности работы различных типов УЗО:

10 мА для типа F,
6 мА для типа A
и 0 мА для типа AC.

То есть, учитывая характеристики УЗО, определенные стандартами IEC:

УЗО типа AC не могут быть установлены перед любой зарядной станцией для электромобилей, независимо от варианта УЗО для электромобилей (тип B или тип A + RDC-DD).
УЗО типа A или F могут быть установлены перед максимум одной зарядной станцией для электромобилей, и только если эта зарядная станция для электромобилей защищена УЗО типа A (или F) + 6 мА RCD-DD.

Решение RDC-DD типа A / F + 6 мА имеет меньшее влияние (меньше мерцания) при выборе других УЗО, тем не менее, оно также очень ограничено на практике, как показано на рис. EV27.

Рис. EV27 - Максимум одна станция EV, защищенная УЗО типа A / F + 6 мА RDC-DD, может быть установлена после УЗО типа A и F.

Рекомендации по обеспечению правильного функционирования УЗО в установке

Некоторые возможные решения для минимизации воздействия цепей электромобиля на другие УЗО электроустановки:

Подключите цепи зарядки электромобилей как можно выше в электрической архитектуре, чтобы они были параллельны другим УЗО, чтобы значительно снизить риск ослепления.
По возможности используйте систему TN, так как параллельное включение УЗО не ослепляет.
Для УЗО перед цепями зарядки электромобилей:

выберите УЗО типа B, если у вас нет только 1 зарядного устройства EV, которое использует тип A + 6 мА RDC-DD или

выбирайте УЗО, не относящиеся к типу B, которые рассчитаны на то, чтобы выдерживать значения постоянного тока, превышающие указанные значения, требуемые стандартами IEC, не влияя на их характеристики защиты от переменного тока. Один из примеров - линейка продукции Schneider Electric: УЗО Acti9 300 мА типа A могут работать без ослепляющего эффекта до 4 цепей зарядки электромобилей, защищенных УЗО 30 мА типа B. Для получения дополнительной информации обратитесь к руководству XXXX по защите от замыканий на землю, которое включает таблицы выбора и цифровые переключатели.

Вы также можете найти более подробную информацию в главе F - Выбор УЗО при наличии токов утечки постоянного тока на землю (также применимо к сценариям, отличным от зарядки электромобилей).

Примеры электрических схем зарядки электромобилей

Ниже приведены два примера электрических схем цепей зарядки электромобилей в режиме 3, соответствующих стандарту IEC 60364-7-722.

Рис. EV28 - Пример электрической схемы для одной зарядной станции в режиме 3 (@home - бытовое применение)

Выделенная цепь для зарядки электромобилей с защитой от перегрузки MCB на 40 А
Защита от поражения электрическим током с помощью УЗО на 30 мА типа B (также можно использовать УЗО на 30 мА типа A / F + RDC-DD 6 мА)
УЗО на входе - это УЗО типа А. Это возможно только благодаря улучшенным характеристикам этого электрического УЗО XXXX: отсутствие риска ослепления током утечки, пропускаемым УЗО типа B.
Также интегрирует устройство защиты от перенапряжения (рекомендуется)

Рис. EV29 - Пример электрической схемы для одной зарядной станции (режим 3) с 2 точками подключения (коммерческое применение, парковка…)

Каждая точка подключения имеет свою собственную выделенную цепь
Защита от поражения электрическим током с помощью УЗО типа B 30 мА, по одному на каждую точку подключения (также можно использовать УЗО 30 мА типа A / F + RDC-DD 6 мА)
В зарядной станции можно установить защиту от перенапряжения и УЗО типа B. В этом случае зарядная станция могла питаться от распределительного щита по одной цепи 63А.
iMNx: правила некоторых стран могут требовать аварийного переключения для EVSE в общественных местах
Защита от перенапряжения не показана. Может быть добавлен к зарядной станции или в распределительном щите (в зависимости от расстояния между распределительным щитом и зарядной станцией)

Защита от переходных перенапряжений

Скачок мощности, вызванный ударом молнии вблизи электрической сети, распространяется в сеть, не подвергаясь значительному затуханию. В результате перенапряжение, которое может возникнуть в установке низкого напряжения, может превышать допустимые уровни выдерживаемого напряжения, рекомендованные стандартами IEC 60664-1 и IEC 60364. Электромобиль, спроектированный с категорией перенапряжения II в соответствии с IEC 17409, должен поэтому быть защищенным от перенапряжений, которые могут превышать 2.5 кВ.

Как следствие, IEC 60364-7-722 требует, чтобы EVSE, установленный в местах, доступных для населения, был защищен от переходных перенапряжений. Это обеспечивается использованием устройства защиты от перенапряжения (SPD) типа 1 или типа 2, соответствующего IEC 61643-11, устанавливаемого в распределительном щите, питающем электромобиль, или непосредственно внутри EVSE, с уровнем защиты Up ≤ 2.5 кВ.

Защита от перенапряжения за счет уравнивания потенциалов

Первым средством защиты, которое необходимо установить, является среда (проводник), которая обеспечивает выравнивание потенциалов между всеми проводящими частями электромобиля.

Цель состоит в том, чтобы соединить все заземленные проводники и металлические части, чтобы создать равный потенциал во всех точках установленной системы.

Защита от перенапряжения для внутреннего блока EVSE - без системы молниезащиты (LPS) - общественный доступ

IEC 60364-7-722 требует защиты от переходного перенапряжения для всех мест с общим доступом. Могут применяться обычные правила выбора SPD (см. Главу J - Защита от перенапряжения).

Рис. EV30 - Защита от перенапряжения для внутреннего блока EVSE - без системы молниезащиты (LPS) - общественный доступ

Когда здание не защищено системой молниезащиты:

УЗИП типа 2 требуется в главном распределительном щите низкого напряжения (MLVS).
Каждый EVSE снабжен выделенной схемой.
Дополнительный SPD типа 2 требуется в каждом EVSE, за исключением случаев, когда расстояние от главной панели до EVSE меньше 10 м.
УЗИП типа 3 также рекомендуется для системы управления нагрузкой (LMS) в качестве чувствительного электронного оборудования. Этот SPD типа 3 должен быть установлен после SPD типа 2 (который обычно рекомендуется или требуется в распределительном щите, на котором установлена LMS).

Защита от перенапряжения для внутреннего блока EVSE - установка с использованием шинопровода - без системы молниезащиты (LPS) - общественный доступ

Этот пример аналогичен предыдущему, за исключением того, что шинопровод (система шинопроводов) используется для распределения энергии на EVSE.

Рис. EV31 - Защита от перенапряжения для внутреннего блока EVSE - без системы молниезащиты (LPS) - установка с использованием шинопровода - общественный доступ

В этом случае, как показано на рис. EV31:

УЗИП типа 2 требуется в главном распределительном щите низкого напряжения (MLVS).
EVSE питаются от шинопровода, а SPD (при необходимости) устанавливаются внутри ответвительных коробок шинопровода.
Дополнительный SPD типа 2 требуется на первом выходе автобуса, питающем EVSE (так как обычно расстояние до MLVS составляет более 10 м). Следующие EVSE также защищены этим SPD, если они находятся на расстоянии менее 10 м.
Если этот дополнительный SPD типа 2 имеет Up <1.25 кВ (при I (8/20) = 5 кА), нет необходимости добавлять какие-либо другие SPD на шинопровод: все последующие EVSE защищены.
УЗИП типа 3 также рекомендуется для системы управления нагрузкой (LMS) в качестве чувствительного электронного оборудования. Этот SPD типа 3 должен быть установлен после SPD типа 2 (который обычно рекомендуется или требуется в распределительном щите, на котором установлена LMS).

Защита от перенапряжения для внутреннего блока EVSE - с системой молниезащиты (LPS) - общественный доступ

Рис. EV32 - Защита от перенапряжения для внутреннего блока EVSE - с системой молниезащиты (LPS) - общественный доступ

Когда здание защищено системой молниезащиты (LPS):

УЗИП типа 1 + 2 требуется в главном распределительном щите низкого напряжения (MLVS).
Каждый EVSE снабжен выделенной схемой.
Дополнительный SPD типа 2 требуется в каждом EVSE, за исключением случаев, когда расстояние от главной панели до EVSE меньше 10 м.
УЗИП типа 3 также рекомендуется для системы управления нагрузкой (LMS) в качестве чувствительного электронного оборудования. Этот SPD типа 3 должен быть установлен после SPD типа 2 (который обычно рекомендуется или требуется в распределительном щите, на котором установлена LMS).

Примечание: если вы используете шинопровод для распределения, примените правила, показанные в примере без LTS, за исключением SPD в MLVS = используйте SPD типа 1 + 2, а не типа 2, из-за LPS.

Защита от перенапряжения для наружного EVSE - без системы молниезащиты (LPS) - общественный доступ

Рис. EV33 - Защита от перенапряжения для наружного EVSE - без системы молниезащиты (LPS) - общественный доступ

В этом примере:

УЗИП типа 2 требуется в главном распределительном щите низкого напряжения (MLVS).
На вспомогательной панели требуется дополнительный SPD типа 2 (обычно расстояние> 10 м до MLVS)

К тому же:

Когда EVSE привязан к строительной конструкции:
использовать эквипотенциальную сеть здания
если EVSE находится на расстоянии менее 10 м от субпанели, или если SPD типа 2, установленный в субпанели, имеет Up <1.25 кВ (при I (8/20) = 5kA), нет необходимости в дополнительных SPD в EVSE

Когда EVSE устанавливается на стоянке и снабжается подземной линией электропередачи:

каждый EVSE должен быть оборудован заземляющим стержнем.
каждый EVSE должен быть подключен к эквипотенциальной сети. Эта сеть также должна быть подключена к эквипотенциальной сети здания.
установить SPD типа 2 в каждый EVSE
УЗИП типа 3 также рекомендуется для системы управления нагрузкой (LMS) в качестве чувствительного электронного оборудования. Этот SPD типа 3 должен быть установлен после SPD типа 2 (который обычно рекомендуется или требуется в распределительном щите, на котором установлена LMS).

Защита от перенапряжения для наружной установки EVSE - с системой молниезащиты (LPS) - общественный доступ

Рис. EV34 - Защита от перенапряжения для наружного EVSE - с системой молниезащиты (LPS) - общественный доступ

Главное здание оборудовано громоотводом (системой молниезащиты) для защиты здания.

В этом случае:

УЗИП типа 1 требуется в главном распределительном щите низкого напряжения (MLVS).
На вспомогательной панели требуется дополнительный SPD типа 2 (обычно расстояние> 10 м до MLVS)

К тому же:

Когда EVSE привязан к строительной конструкции:

использовать эквипотенциальную сеть здания
если EVSE находится на расстоянии менее 10 м от субпанели, или если SPD типа 2, установленный в субпанели, имеет Up <1.25 кВ (при I (8/20) = 5kA), нет необходимости добавлять дополнительные SPD в EVSE

Когда EVSE устанавливается на стоянке и снабжается подземной линией электропередачи:

каждый EVSE должен быть оборудован заземляющим стержнем.
каждый EVSE должен быть подключен к эквипотенциальной сети. Эта сеть также должна быть подключена к эквипотенциальной сети здания.
установить SPD типа 1 + 2 в каждый EVSE

УЗИП типа 3 также рекомендуется для системы управления нагрузкой (LMS) в качестве чувствительного электронного оборудования. Этот SPD типа 3 должен быть установлен после SPD типа 2 (который обычно рекомендуется или требуется в распределительном щите, на котором установлена LMS).