Większość z nas zna wyłącznik różnicowoprądowy (ang. residual current device, RCD) ze skrzynki z bezpiecznikami w piwnicy. Chociaż można wciąż znaleźć kilka stare budynki wyposażone jedynie w bezpieczniki i okablowanie bez przewodu uziemiającego, należą one do rzadkości. Całe szczęście – zadaniem bezpiecznika lub wyłącznika jest ochrona linii energetycznych przed przeciążeniem, czyli stanowi środek ochrony przeciwpożarowej. Z drugiej strony zabezpieczenie różnicowo-prądowe bezpośrednio chroni ludzi przed śmiertelnymi porażeniami prądem. Urządzenie porównuje bowiem czy ilość prądu wypływającego z obwodu jest równa ilości, która do niego wpłynęła. Każde odchylenie wskazuje na obecność prądu upływu, który może przepływać, np. przez człowieka.
Wyłącznik różnicowoprądowy zwykle wyłącza się przy prądzie upływu 30 mA. Natomiast przemienny prąd sieciowy staje się potencjalnie śmiertelny dla ludzi dopiero powyżej 50 mA. Statystyki pokazują, jak ważna dla ochrony ludzi jest nowoczesna instalacja elektryczna. Podczas gdy VDE zarejestrowało w Niemczech ponad 250 śmiertelnych wypadków elektrycznych w 1970 r., to w 2018 r. liczba ta spadła do zaledwie 43. Nawiasem mówiąc, 34 z 43 ofiar śmiertelnych to zapaleni majsterkowicze przy instalacjach elektrycznych, którym oczywiście brakuje niezbędnej ostrożności i dbałości – komu potrzebny jest tester napięcia, skoro wystarczy czubek palca?
Bezpieczeństwo podczas ładowania samochodu elektrycznego
Wielka zmiana w transporcie rozpoczęła się już jakiś czas temu i wydaje się, że wygrana w tym wyścigu jest już przesądzona: samochody osobowe z silnikami spalinowymi zostaną zastąpione przez pojazdy ładowane elektrycznie (ang. plug-in electric vehicles, PEV). Rynek stacji ładowania coraz bardziej się rozwija, a w niektórych miastach publiczne kolumny do ładowania wyrastają jak grzyby po deszczu. Ze względu na fakt, że pojazdy elektryczne stają się nieodłącznym elementem krajobrazu, sprzedaż ładowarek również szybuje w górę, ponieważ właściciele garażów chcą wygodnie ładować swoje samochody przez noc lub na firmowym parkingu, aby móc zacząć jazdę każdego ranka bądź po pracy od “pełnego zbiornika”. W rezultacie publiczne stacje ładowania mają rację bytu jedynie w przypadku podróży na duże odległości, a tradycyjne dla właścicieli samochodów z silnikami benzynowymi i wysokoprężnymi wycieczki na stacje paliw staną się przeszłością.
Nie należy jednak zapominać o bezpieczeństwie. Podczas ładowania do akumulatorów płyną prądy rzędu dziesiątek amperów. W przyszłości te prądy będą płynąć również z akumulatorów (V2G) z powrotem do sieci. Błędy izolacji mogą również powodować upływ prądu w kablach lub samochodzie, przed którymi należy chronić ludzi i zwierzęta.
Problem ten został rozwiązany w Europie i niektórych innych częściach świata poprzez ustanowienie normy IEC 62752:2016 (urządzenie sterujące i zabezpieczające w kablu do ładowania elektrycznych pojazdów drogowych w trybie 2 (IC-CPD)). Standard ładowania w trybie 2 za pomocą kabla ładującego wymaga nie tylko wykrywania i wyłączania w przypadku przemiennych prądów upływu powyżej 30 mA, ale także w przypadku stałych prądów upływu powyżej 6 mA.
Zintegrowane i bezpieczne przyszłościowe rozwiązanie w zgodzie ze standardami
Sensor FG-R05-3A jest pierwszym czujnikiem z serii wprowadzonej na rynek przez KEMET, który jest zgodny z normą IEC 62752. Oferuje zintegrowane rozwiązanie na bardzo małej przestrzeni. Do końca 2020 roku firma wprowadzi na rynek kolejne modele w różnych formatach o takiej samej funkcjonalności. Pozwoli to spełnić wymagania różnych instalacji mechanicznych w ładowarkach ściennych i kablach ładujących.
Od stycznia 2022 r. obowiązywać będzie dodatkowa norma regulująca ładowanie w trybie 3 za pomocą ładowarek AC (IEC 62955:2018: Urządzenie do wykrywania prądu resztkowego DC do wykorzystania w trybie 3 ładowania pojazdów elektrycznych). Zmiany mają wpływ na progi wyzwalania, ponieważ maksymalny możliwy prąd ładowania według normy wzrośnie powyżej 100 A. Jeśli chodzi o prąd upływu DC, próg pozostanie na poziomie 6 mA, ale dla prądu przemiennego wzrośnie do 60 mA.
KEMET opracowuje już odpowiednie czujniki zgodne z normą i będą one dostępne na czas. Zostaną zaprojektowane na maksymalny prąd 40 A dla układów trójfazowych i 80 A dla układów jednofazowych, osiągając moc ładowania ok. 22 kW. Czujniki będą w pełni kompatybilne z wersjami dla trybu 2, zarówno mechanicznie, jak i elektrycznie. W związku z tym można już rozpocząć projektowanie mając na uwadze aktualnie dostępne czujniki tak, aby po wejściu w życie nowej normy można było przełączyć się na nowe czujniki poprzez prostą zmianę komponentu, bez konieczności modyfikowania układu.
Budowa i funkcje
Czujnik składa się z cewki sprzęgającej i układu ASIC, w którym zintegrowana jest elektronika analizująca. Jest przylutowany do PCB jako element przewlekany, a kabel ładujący przechodzi przez otwór w czujniku. Tam, gdzie indukcyjnie wykryty prąd całkowity nie jest zerowy, obecny jest prąd upływowy. Wskazuje on na błąd izolacji przewodu ładującego lub samochodu. Prąd upływu w cewce odstraja oscylator, co pozwoli elektronice mierzyć czasy wysokiego i niskiego poziomu wynikowego sygnału wyjściowego.
W ten sposób można określić nie tylko wartość bezwzględną prądu upływu, ale także jego kierunek. Jest to niezwykle cenna informacja podczas diagnostyki błędów. Układ jest zasilany napięciem 5 V i zgłasza poziom logiczny 5 V przy przekroczeniu progu prądu upływu AC lub DC. Dzięki temu można wyłączyć odpowiednie styczniki w celu odłączenia kabla ładującego.
Dodatkowo zintegrowano wyjście analogowe, które liniowo odzwierciedla prąd upływu DC i – nałożony na sygnał 50 Hz – prąd upływu AC, dzięki czemu kontroler ładowania może monitorować prądy upływu. Pozwala to na reakcję przed przekroczeniem określonego w normach progu, np. aby zająć się konserwacją jeszcze przed wyłączeniem kolumny. Jest to dodatkowa korzyść ze stosowania czujnika, której nie należy lekceważyć.
Podsumowanie
Urządzenia RCD firmy KEMET pozwalają spełnić wymagania światowych norm bezpieczeństwa stacji ładowania pojazdów elektrycznych. Zapewniają także kompaktowe, zintegrowane i przyszłościowe rozwiązanie, a dzięki inteligentnej elektronice analizującej – również cenne dodatkowe informacje.
Więcej informacji o wyżej przedstawionych produktach można uzyskać, kontaktując się z CODICO. Przedstawicielem handlowym firmy w Polsce jest Paweł Pajda, Pawel.Pajda@codico.com, tel. +48 124171083.
