Rosnąca liczba zarejestrowanych w Polsce samochodów elektrycznych wymusza powstawanie nowych punktów ładowania pojazdów elektrycznych. Nowo powstające punkty zlokalizowane są najczęściej przy stacjach benzynowych, na terenie parkingów obok centrów handlowych. Pojawiają się też punkty ładowania zlokalizowane na parkingach osiedlowych (rys. 1). Stąd też pojawia się pytania: jakie zagrożenie dla punktów ładowania stanowi wyładowanie piorunowe i czy same ładowarki będą wymagać ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi i przepięciami?
Producenci samochodów w instrukcjach obsługi pojazdu zawierają niekiedy krótką informację ładowaniu pojazdu w trakcie burzy, np. „W przypadku braku ochrony przeciwprzepięciowej instalacji, odradza się ładowanie pojazdu w czasie burzy (wyładowania atmosferycznego)” lub informują o zagrożeniu i zalecają kontakt z operatorem punktu ładowania: „Z reguły stacje ładowania posiadają zabezpieczenia przed przepięciami. Najlepiej dowiedzieć się od operatora stacji, czy posiada ona odpowiednie urządzenia zabezpieczające.”
Punkty ładowania pojazdów mogą posiadać jedną lub kilka ładowarek i być zlokalizowane na zewnątrz budynku lub
w jego wnętrzu. W zależności od punktu rozmieszczenia stanowisk do ładowania różny jest poziom zagrożenia spowodowany wyładowaniem piorunowym.
W przypadku usytuowania ładowarek w otwartym terenie (nierzadko w eksponowanym miejscu) sprawia, że mogą być one podatne na skutki wywołane pobliskim wyładowaniem atmosferycznym. Oddziaływanie piorunowego impulsu elektromagnetycznego (LEMP) może wywołać udary przepięciowe znacznie przekraczające wytrzymałość dielektryczną komponentów elektrycznych znajdujących się wewnątrz stacji ładowania pojazdów. W przypadku, gdy wyładowanie piorunowe wystąpiło w trakcie ładowania (gdy samochód jest połączony ze stacją), może to doprowadzić nawet do uszkodzeń w samym pojedzie (np. uszkodzenie regulatora ładowania albo baterii). Przykłady zagrożenia spowodowanego wyładowaniem piorunowym pokazano na rys. 2.
W wyniku bezpośredniego uderzenia pioruna (np. w latarnię uliczną, rys. 2c) część prądu pioruna może wpłynąć do instalacji stacji ładowania pojazdu. Przez przyłączony do stacji ładowania przewód prąd pioruna może wpłynąć do pojazdu i uszkodzić elektroniczne systemy sterujące ładowaniem lub nawet zniszczyć baterię. Jeżeli stacja ładowania ma ochronę przed przepięciami to udar piorunowy odprowadzany jest przez ograniczniki przepięć i stacja ładowania, jak również przyłączony do niej pojazd, nie ulegną uszkodzeniu.
Z uwagi na przedstawione powyżej zagrożenia oraz możliwe straty gospodarcze (w systemie ładowania, jak też uszkodzenie pojazdu) warto rozważyć zastosowanie środków ochrony przed przepięciami minimalizujących ryzyko wystąpienia strat. Dla ogólnodostępnych punktów ładowania pojazdów elektrycznych konieczność stosowania środków ochrony przepięciowej wynika z zapisów normy PN-HD 60364-7-722, gdzie stwierdzono: „Punkt podłączeniowy zastosowany w przestrzeni publicznej jest uznawany za część usługi publicznej i dlatego powinien być chroniony przed przejściowymi przepięciami.” Tak więc dobór środków ochrony powinien uwzględniać miejsce usytuowania stacji ładowania pojazdów, a przyjęte rozwiązania winny być realizowane w oparciu o zapisy normy PN-HD 60364-5-534.
W przypadku, gdy stacja ładowania pojazdów elektrycznych oraz doprowadzone do niej kable zasilające i sygnałowe znajdują się w strefie LPZ 0A (jak na rys. 2c), podzespoły stacji być narażone na oddziaływanie części prądu pioruna (wyładowanie bezpośrednie lub pobliskie) na skutek połączeń galwanicznych lub sprzężeń indukcyjnych lub pojemnościowych. W takim przypadku do ochrony instalacji elektrycznej nn należy zastosować ogranicznik przepięć typu 1, dla którego udarowy prąd wyładowczy (Iimp) nie powinien być mniejszy niż 12,5 kA (w przypadku braku wykonania analizy ryzyka wg normy PN-EN 62305-2).
Dobierając ogranicznik przepięć typu 1, nie należy zapominać o konieczności zapewnienia prawidłowej koordynacji energetycznej z urządzeniami elektronicznymi wewnątrz stacji. Energia przepuszczona przez SPD typu 1 musi być na tyle mała, by nie stanowić zagrożenia dla obwodów wejściowych urządzeń elektronicznych wewnątrz stacji , które mogą być wyposażone w małe warystory pastylkowe (stanowiące SPD typu 3).
W przypadku, gdy stacja ładowania pojazdów elektrycznych oraz doprowadzone do niej kable zasilające znajdują się w strefie LPZ 0B (jak na rysunku 2a), tzn. mogą być jedynie narażone na oddziaływania impulsu elektromagnetycznego (LEMP) w wyniku sprzężeń indukcyjnych lub pojemnościowych, do ochrony instalacji można zastosować SPD typu 2. Przykład zastosowania ograniczników przepięć typu 1 oraz typu 2 w obwodach zasilania stacji ładowania pokazano na rys. 3.
Rozmieszczona w punkcie ładowania grupa ładowarek pojazdów jest połączona ze sobą nie tylko za pomocą kabli energetycznych, ale również przewodami sygnałowymi. W przypadku, gdy SPD są wymagane w liniach zasilających to dodatkowe SPD są zalecane również w innych liniach, takich jak linie telekomunikacyjne czy sygnałowe. Wydane w Niemczech w roku 2021 „Wytyczne techniczne dotyczące infrastruktury ładowania” (edycja czwarta) zawierają wymóg ochrony linii przesyłu sygnałów za pomocą ograniczników kategorii D1 i C2 (spełniających wymagania normy PN-EN 61643-21). W zależności od miejsca montażu SPD w obwodach przesyłu sygnałów stosujemy odpowiednio:
- SPD kategorii D1, wytrzymujące częściowy prąd pioruna (badane prądem udarowym Iimp o kształcie 10/350 μs) – instalujemy granicy stref LPZ 0/1 (gdzie jest możliwe oddziaływanie częściowych prądów piorunowych);
- SPD kategorii C2, wytrzymujące prądy indukowane (badane prądem udarowym In o typowym kształcie 8/20 μs), które umiejscowione są na granicy stref LPZ 1/2 i wyższych.
Zastosowany w obwodach przesyłu sygnału ogranicznik przepięć włączany jest szeregowo w chroniony obwód, a jego pojawienie się nie może w żadnym wypadku powodować zakłóceń w przesyle sygnału. Dlatego niezbędny jest prawidłowy dobór ogranicznika obejmujący weryfikację szeregu parametrów takich jak np. maksymalne napięcie trwałej pracy, prąd znamionowy, graniczna częstotliwość pasma roboczego, rezystancja szeregowa, pojemność między żyłami itd.
Zaprojektowanie i wykonanie ochrony przepięciowej dla systemów ładowania pojazdów elektrycznych wymaga przyjęcia odpowiedniej koncepcji ochrony, a następnie jej ścisłej realizacji. Jest to szczególnie ważne w przypadku punktów ładowania umiejscowionych w otwartym terenie ze stanowiskami ładowania wyposażonymi w urządzenia i systemy elektroniczne wrażliwe na piorunowe impulsy elektromagnetyczne
Kompleksowa ochrona odgromowa i przepięciowa wszystkich systemów może znacząco podnieść wskaźnik efektywności tych systemów. Dzięki skutecznej ochronie redukuje się nakłady na serwis i konserwację, jak również ponoszone koszty napraw i części zamiennych. Więcej na temat możliwości rozwiązań systemowych dla stacji ładowania można znaleźć na stronach www.dehn.pl.
KRZYSZTOF WINCENCIK
DEHN POLSKA
