Hibaáram-figyelők használata a villanyjárművek biztonságos töltéséhez

A villanyjárművek (EV, electric vehicle) nagyfeszültségű akkumulátorának gyakori töltése nagy mechanikai igénybevételt jelent a töltőkábelek és a csatlakozók számára. Ha a szigetelés megszakad, és feszültség alatt álló fémrészek válnak hozzáférhetővé, vagy a fedélzeti elektronikában söntök jelennek meg, a villanyjármű használói életveszélyes hibaárammal (más néven különbségi árammal vagy földzárlati árammal) való érintkezésnek lehetnek kitéve. Különösen nagy gondot jelenthetnek a különféle egyenáramú hibaáramok, amelyeket az A típusú, váltakozó áramra érzékeny áram-védőkapcsolók (rövidítve ÁVK) vagy más néven FI relék (a német Fehlerstromschutzschalter = hibaáram-védőkapcsoló szóból) nem tudnak érzékelni. (Megjegyzés: A brit angolban használt RCD (residual current device, hibaáram-védelmi eszköz) és RCCB (residual current (operated) circuit breaker, hibaáramvédő megszakító), illetve az amerikai angolban használt GCFI (ground fault circuit interrupter, földzárlatvédő megszakító) megnevezés ugyanazt az eszközt takarja. Jelen cikkben egységesen az áram-védőkapcsoló megnevezést használjuk rá.)

Az áramütéses balesetek megelőzése érdekében a villanyjármű-kiszolgáló berendezések (EVSE, electric vehicle supply equipment) gyártóinak olyan áram-védőkapcsolókat kell beépíteniük a teljesítményelektronikai termékeikbe, amelyek néhány milliamper (mA) hibaáram esetén pár ezredmásodpercen belül kioldanak, legyen bár szó akár váltakozó, akár egyenáramról.

Ez a cikk ismerteti a hibaáramok hullámformáit, a mérésük módját és azt, hogy hová kell beépíteni az áram-védőkapcsolót a villanyjárművek töltőáramkörébe. Ezután bemutatja a Littelfuse hibaáram-figyelőit (RCM, residual current monitor), amelyeket a rendszertervezők arra használhatnak, hogy költség- és időtakarékos módon teremtsék meg az egyenáramú áramütés elleni védelmet a villanyjármű-kiszolgáló berendezéseikben. A cikk azt is bemutatja, hogy ezek az áramérzékelők milyen villanyjárműtöltési módokhoz alkalmasak, és hogyan használják őket.

Hibaáramok a villanyjárműtöltő áramkörökben

A villanyjárművek akár 400 V váltakozó és 1000 V egyenfeszültséggel történő töltése átfogó védelmi berendezéseket igényel a villanyjármű-felhasználónak a töltőberendezések kezelése során történő védelmére. A töltőállomások és a fedélzeti töltők felharmonikusokban gazdag és aszimmetrikus kapcsolási impulzusai, valamint a több száz voltos bemenetsimító áramköri egyenfeszültségek miatt különböző típusú váltakozó és egyenáramú hibaáramok léphetnek fel söntök, csatolási hatások, szigetelési hibák és visszáramok miatt.

Az olyan teljesítményelektronikai áramkörökhöz, mint az egyenirányítók, a kapcsolóüzemű áramátalakítók, a frekvenciaváltók, valamint az inverterek és fázisszög-szabályozó rendszerek, sokféle terhelőáram-jelleggörbe tartozik. Az így kapott lehetséges hibaáramok szinuszos váltakozó áramként, impulzusos egyenáramként és sima egyenáramként osztályozhatóak. Ezek a hibaáramtípusok veszélyesek az emberre. Az 1. táblázat a különböző áramköri kapcsolások jellegzetes terhelőáram-hullámformáit és az azok eredményeként létrejövő hibaáram-hullámformákat szemlélteti. Az 1–3. oszlop az áram-védőkapcsolók ezek észlelésére alkalmas típusait mutatja be.

1. táblázat: A hibaáramok hullámformái és észlelésükre legmegfelelőbb áram-védőkapcsolók fajtái (1–3. oszlop). (táblázat: Wikipedia)

A hibaáramok hullámformáinak kellő ismerete segíthet a villanyjármű-javító műhelyeknek és az autóvillamosság-szerelőknek a villanyjármű fedélzeti elektronikájában, a villanyjármű-kiszolgáló berendezésekben és a töltőállomásokban fellépő hibaáramok észlelésében.

Az áram-védőkapcsolók fajtáinak kioldási jellemzői

A villamos berendezésekben használandó áramütés elleni személyi védelmet általánosságban az IEC 60479 és az UL 943 szabvány szabályozza. Mindkét szabvány a 6, 30, 100, 300, 500 és 1000 mA-es tartományban határozza meg a jelentős váltakozó és egyenáramú hibaáramokat, 20 ms és 500 ms közötti kioldási idővel. A villanyjárműtöltő áramkörökben a szokásos kioldási küszöbérték egyenáram esetén 6 mA, míg váltakozó áram esetén 30 mA.

A rendszertervezők ma már a vonatkozó szabványnak megfelelő áram-védőkapcsoló-fajta kiválasztásával könnyedén megvalósíthatják a töltőáramkörökre előírt speciális személyvédelmi követelményeket. A 2. táblázat az áram-védőkapcsolók különböző fajtáinak hibaáram-hullámformáit és kioldási tűréshatárait sorolja fel.

2. táblázat: Az áram-védőkapcsolók különböző fajtáinak kioldási jellemzői (táblázat: abb.com)

Az áram-védőkapcsolók beszerelése a villanyjárműtöltő áramkörökbe

Az A és az F típusú áram-védőkapcsolók csak a váltakozó áramú hibaáramot és a pulzáló egyenáramot érzékelik, ami nem elegendő egy villanyjárműtöltő áramkör védelmére. A fedélzeti töltőben vagy az akkumulátorfigyelő rendszerben esetlegesen fellépő sima egyenáramú hibaáramok széles skáláját is figyelembe kell venni.

Az IEC 62196 szabvány ezért kétféle hibaáram-védelmi lehetőséget határoz meg: egy B (vagy B+) típusú, minden áramfajtára érzékeny áram-védőkapcsoló használatát, vagy egy A típusú áram-védőkapcsolóét egy IEC 62955 szabvány szerinti egyenáramú hibaáram-figyelő rendszerrel együtt, amelynek I_Δn ≥ 6 mA a kioldási küszöbértéke. Az egyenáramú hibaáram-figyelő rendszer elhelyezhető a fali dobozban, az épület villamos rendszerében vagy mindkét helyen.

Mivel az épületek villamos rendszereiben általában van valamilyen váltakozó áramra érzékeny A vagy F típusú áram-védőkapcsoló (FI relé), a tervezők költségtakarékos módon egészíthetik ki a 3. töltési módhoz tartozó fali dobozokat vagy töltőállomásokat, valamint a 2. töltési módhoz tartozó töltőkábelek kábelbe épített vezérlődobozait (ICCB, in-cable control box) valamilyen 6 mA kioldási küszöbértékű egyenáramú hibaáram-figyeléssel (1. ábra, 2. és 3. eset).

1. ábra: A villanyjármű-kiszolgáló berendezésekben a váltakozó áramra érzékeny A típusú áram-védőkapcsoló után valamilyen egyenáramú hibaáram-figyelő eszközt is el kell elhelyezni (2. eset), vagy egy B típusú áram-védőkapcsoló formájában közvetlenül a váltakozó áramú hálózathoz csatlakoztatva kell tartalmazniuk egy ilyet (4. eset) (ábra: goingelectric.de)

A villanyjárművek töltési módjai

A villanyjárművek akkumulátorai különböző töltési módokkal tölthetőek a rendelkezésre álló helyszíni áramcsatlakozás, a csatlakozódugó és a töltőkábel, valamint a járműbe, illetve a töltőállomásba beépített töltőtechnika függvényében. Európában a villamos energiát egyfázisú váltakozó áramú (230 V/3,6 kW), háromfázisú váltakozó áramú (400 V/22 kW) vagy nagyfeszültségű egyenáramú töltőállomásokat (akár 1000 V egyenáram/500 kW) használva lehet a járműbe táplálni. A 2. ábra az IEC 61851 szabványban meghatározott négy töltési módot szemlélteti.

2. ábra: Az IEC 61851 szabványban meghatározott négy töltési mód (ábra: bestchargers.eu)

1. töltési mód (egyfázisú váltakozó áramú töltés 3,6 kW-ig; alapértelmezett töltési mód)

Ebben az esetben a villany- vagy hibrid járművet egy egyszerű passzív kábellel csatlakoztatják egy szabványos 230 V-os háztartási fali aljzathoz (konnektorhoz), és a fedélzeti töltő kis, legfeljebb 3,6 kW teljesítményű töltéssel tölti a járművet. Ez a töltési mód nem nyújt elegendő védelmet a felhasználó számára az egyenáramú hibaáramok ellen. Az épületek villamos rendszerébe általában csak egy A típusú, a váltakozó áramra érzékeny áram-védőkapcsolót (FI relét) építenek be.

2. töltési mód (egyfázisú/háromfázisú váltakozó áramú töltés 22 kW-ig, ICCB töltőkábellel)

A 2. töltési módhoz tartozó, a 2. típusú járművekhez való dugóval felszerelt töltőkábel tartalmaz egy kábelbe épített vezérlődobozt (ICCB, in-cable control box), amely biztonsági és kommunikációs funkciókat lát el a villanyjárművek háztartási és háromfázisú aljzatból történő töltésekor, hogy megakadályozza az aljzatok túlterhelését.

A kábelbe épített vezérlődoboznak képesnek kell lennie a következő védelmi funkciókra:

• A polaritás meghatározása és a védővezető (PC, protective conductor) figyelése. A nullavezető és a védővezető között csak néhány ohm hurokimpedancia megengedett.
• A védővezető és a fémház közötti villamos kapcsolat ellenőrzése.
• Az áramütés okozta balesetek megakadályozása a váltakozó áramú és egyenáramú áram-védőkapcsoló segítségével.
• A töltési folyamat felügyelete és rendellenességek (például korrodált dugóérintkezők vagy kábelszakadás miatti áramingadozás) esetén leállítása.
• A kábelbe épített vezérlődoboz és mindkét dugó belső hőmérsékletének figyelése, és szükség esetén a töltés leállítása.
• A töltési teljesítmény szabályozása: lehúzó ellenállások a vezérlővezetéken (CP, control pilot), hogy jelezzék a kábel áramterhelhetőségét mind a fali doboz, mind a villanyjármű számára. A villanyjármű számára a töltésvezérlő (CC, charging control) vezetéken lévő impulzusszélesség-modulált (PWM) jel jelzi a fali doboz töltési teljesítményét.

3. töltési mód (egyfázisú/háromfázisú váltakozó áramú töltés 22 kW-ig a fali dobozon keresztül)

A villanyjárművek töltéséhez a magánháztartásokban egy fali dobozhoz, a parkolókban egy nyilvános váltakozó áramú töltőállomáshoz csatlakoztatnak egy 3. töltési módhoz való passzív kábelt. A fali doboz és a töltőállomás is a fent említett kábelbe épített vezérlődobozéval azonos védelmi funkciókkal rendelkezik.

4. töltési mód (közvetlen egyenáramú akkumulátor-gyorstöltés 500 kW-ig)

A villanyjárművekhez készült nagy teljesítményű egyenáramú töltőállomások (DC/HPC, direct current high-power charger) a 2. és 3. töltési módhoz képest lényegesen nagyobb töltőáramot szolgáltatnak. Ezek a szupertöltők váltakozó áramú és egyenáramú hibaáram okozta áramütés elleni védelemmel is el vannak látva. A különféle töltőkábelek a töltőállomásba mindig stabilan vannak bekötve.

Váltakozó áramú és egyenáramú hibaáramok mérése a villanyjármű-kiszolgáló berendezések áramkörében

A Littelfuse Inc. RCM14 sorozatú hibaáram-figyelői (RCM, residual current monitor) érzékelik a váltakozó áramú vagy egyenáramú rendszerekben az egyenáramú vagy váltakozó áramú hibaáramot, és kimenőjelet adnak ki egy külső leválasztóeszköz (leválasztórelé) vezérlésére. Ezzel szemben az áram-védőkapcsolókban beépített leválasztórelé található.

A váltakozó áramú hibaáramokat induktív áramváltó (CT, current transformer) segítségével érzékelik. Ebből a célból az előremenő áramvezető (I_L) és a visszafolyó áramvezető (I_N) egy toroid lágyvas magon van átvezetve, ami azt eredményezi, hogy a két áramvektor általában kiegyenlíti (kioltja) egymást, és az összegük nullát eredményez. Ha az érzékelő mögötti áramkörben emberi testen keresztül hibaáram (I_g) folyik a földpotenciálra, a hibaáram-figyelő eszköz vagy az áram-védőkapcsoló áramainak összege eltér a nullától, és az áramkör-megszakító kiold (3. ábra).

3. ábra: Ha emberi testen keresztül hibaáram (I_g) folyik a földpotenciálra, az áram-védőkapcsoló áramainak összege eltér a nullától, és az áramkör-megszakító kiold (ábra: Littelfuse)

A toroid vasmag egyik nyílásába egy fluxuszsilipes magnetométeres szondát helyezve és a mágneses fluxust egy kompenzációs tekercs segítségével nullára kiegyenlítve az áramváltó képes az egyenáram-különbség érzékelésére is. Ez a módszer pontosabb, mint a Hall-érzékelők vagy a söntellenállások, és már 6 mA-től érzékeli a parányi egyenáramú hibaáramokat akár 500 A-es nagy egyenáramú terhelőáramok esetén is.

Hibaáram-figyelő eszközök leválasztóeszköz-vezérlő kimenettel

A Littelfuse RCM14 sorozata a villanyjárművek kábelbe épített vezérlődobozzal ellátott töltőkábeleivel (2. töltési mód) és a villanyjárműtöltő állomásokban (3. töltési mód) való használatra ideális. A sorozat tagjai az IEC 62752 (2. töltési mód), az IEC 62955 (3. töltési mód) és az UL 2231 szabványnak megfelelő háromféle hibaáram-érzékelési lehetőséggel kaphatóak.

Minden hibaáram-figyelő eszköz egy működésjelző (ON) és egy hibajelző (FAULT) világítódiódát (LED) tartalmaz. A négy érintkezőtüskés JST csatlakozó egyszerűsíti a kiépítést: az 1. és 2. érintkező a 12 V-os áramellátásra, míg a 3. érintkező külső funkció-ellenőrzésre szolgál, a 4. érintkező pedig egy nyitott nyelőjű kapcsolóüzemű MOSFET kimenete egy külső leválasztóeszköz, például egy leválasztórelé vezérlésére, legfeljebb 100 mA áramerősséggel és 24 V egyenfeszültséggel (4. ábra).

4. ábra: Az RCM14 sorozatú hibaáram-figyelő modulok két visszajelző LED-del vannak ellátva, és a négy érintkezőtüskés JST csatlakozó segítségével könnyen csatlakoztathatóak (kép: Littelfuse)

Ezek az aktív hibaáram-figyelő eszközök váltakozó áramú és egyenáramú hibaáramok érzékelésére is használhatóak egyfázisú és többfázisú berendezésekben is. Az egyfázisú működés 100 A-ra, míg a háromfázisú működés 40 A-ra korlátozza a terhelőáramot. Az eszközök akár 3000 A-es terhelőáram-impulzusokat is képesek kezelni.

RCM14-01: Az IEC 62955 szabványnak megfelelő, 6 mA kioldási küszöbértékű egyenáramú hibaáram-figyelő modul 14 mm-es nyílású vasmaggal

Az RCM14-01 hibaáram-figyelő érzékeli az 50 Hz-es és 60 Hz-es váltakozó áramú rendszerek egyenáramú hibaáramait. A villanyjárművek 3. töltési módú töltőállomásain való használatra fejlesztették ki (IEC 62955 szabvány), hogy ≥ 6 mA egyenáramú hibaáram esetén megszakítsa a villanyjármű töltőáramkörét. Ez az érzékelő költségtakarékos és egyszerű módon egészíti ki az épület villamos rendszerében meglévő A és F típusú áram-védőkapcsolókat (FI reléket) egyenáramú hibaáram-észlelő funkcióval (5. ábra).

5. ábra: Az RCM14-01 az épületek villamos rendszereiben lévő, váltakozó áramra érzékeny A típusú áram-védőkapcsolókat (FI reléket) egészíti ki a ≥ 6 mA-es egyenáramú hibaáramok észlelésével (ábra: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: Az IEC 62752 szabványnak megfelelő, 6 mA egyenáramú/30 mA váltakozó áramú kioldási küszöbértékű hibaáram-figyelő modul 14 mm-es nyílású vasmaggal.

Az RCM14-03 jelű hibaáram-figyelő modult a 2. töltési módú villanyjárművek kábelbe épített vezérlődobozban elhelyezett vagy beépített védőberendezéseiben való használatra szánták, hogy váltakozó áramú vagy egyenáramú hibaáramok esetén megszakítsa a villanyjármű töltését.

RCM14-04: Az UL 2231-2 szabványnak megfelelő, 56 mA egyenáramú/20 mA váltakozó áramú kioldási küszöbértékű hibaáram-figyelő modul 14 mm-es nyílású vasmaggal.

Az RCM14-04 hibaáram-figyelő modul 60 Hz-es váltakozó áramú berendezésekben észleli a váltakozó áramú és egyenáramú hibaáramokat. A készüléket töltőáramkör-megszakító eszközzel (CCID, charging circuit interrupting device) ellátott villanyjárműtöltő állomásokhoz tervezték, ahol váltakozó áramú vagy egyenáramú hibaáram észlelése esetén megszakítja a villanyjármű töltését.

RCM20-01: Az RCM20-01 az 50 Hz-es és 60 Hz-es váltakozó áramú berendezésekben fellépő egyenáramú hibaáramok kimutatására szolgáló hibaáram-figyelő. 3. töltési módú villanyjárműtöltő állomásokhoz készült, hogy egyenáramú hibaáram esetén megszakítsa a villanyjármű áramellátását. A termék teljes mértékben megfelel az IEC 62955 szabványnak.

RCM20-03: Az RCM20-03 az 50 Hz-es és 60 Hz-es váltakozó áramú berendezésekben fellépő váltakozó áramú és egyenáramú hibaáramok kimutatására szolgáló hibaáram-figyelő. 2. töltési módú villanyjárműtöltő állomásokhoz készült, hogy váltakozó áramú és egyenáramú hibaáram esetén megszakítsa a villanyjármű áramellátását. A termék teljes mértékben megfelel az IEC 62752 szabványnak, de az olyan IEC 62955 szabvány szerinti berendezésekben is használható, ahol 30 mA-es kioldási küszöbértékű váltakozó áramú hibaáram-figyelésre van szükség.

A nagyobb eszközáramkörökbe történő beépítéséhez a következő bemutatott hibaáram-figyelő modulok ház nélküli rendszerként is kaphatóak:

• RCM14-01_SYS_V, RCM14-01_SYS_H
• RCM14-03_SYS_V, RCM14-03_SYS_H
• RCM14-04_SYS

Mindegyik rendszer egy érzékelőket tartalmazó forrasztható nyomtatott áramköri lapból és egy külön áramváltóból áll (6. ábra).

6. ábra: Az RCM14-04_SYS hibaáram-figyelőmodulok ház nélküli rendszerek, amelyek egy érzékelőket tartalmazó nyomtatott áramköri lapból és egy áramváltóból állnak (kép: Littelfuse, Western Automation)

Összegzés

A váltakozó áramra érzékeny A típusú áram-védőkapcsolók (FI relék) az épületek villamos rendszereiben általánosan használt megoldások, de nem tudnak védelmet nyújtani a villanyjárművek töltőáramköreiben fellépő egyenáramú hibaáramok veszélyeivel szemben. Amint látható, az RCM14 sorozat tagjai képesek a kábelbe épített vezérlődobozzal ellátott töltőkábelekben (2. töltési mód) és a villanyjárműtöltő állomásokban (3. töltési mód) szükséges egyenáramú hibaáram-figyelésre. A rendszertervezők könnyen és költségtakarékosan építhetik be a mindössze négy érintkezőtüskéjű, kis méretű hibaáram-figyelő modult vagy ház nélküli rendszert a villanyjármű-kiszolgáló berendezéseikbe.