Архитектура защиты коммерческих зарядных станций для электромобилей: ACB, MCCB, RCBO, RCD и SPD

Коммерческая площадка для зарядки электромобилей нет не требует обязательного размещения ACBs, MCCBs, RCBOs, RCDs, SPDs, контакторов и разъединителей в единой универсальной последовательности. Каждое устройство выполняет свою функцию. Архитектура должна выбираться исходя из мощности источника питания, диверсифицированной зарядной нагрузки, ожидаемого тока короткого замыкания, типа проводника и способа монтажа, системы заземления, требуемой селективности, конструкции EVSE, риска перенапряжения, целевых показателей непрерывности обслуживания и местных норм.

На небольшой площадке для зарядки переменным током существующий главный распределительный щит может питать отдельные цепи точек зарядки через MCBs или RCBOs. Более крупный зарядный хаб может потребовать отдельного распределительного щита с вводным MCCB и согласованной защитой отходящих линий. ACB становится актуальным только в тех случаях, когда это оправдано эксплуатационными или распределительными задачами, типоразмером, уровнем токов повреждения, функциями защиты, ремонтопригодностью и конструкцией распределительного щита. Зарядные устройства постоянного тока (DC) должны соответствовать сертифицированной архитектуре зарядного устройства и инструкциям производителя; их нельзя проектировать путем масштабирования цепи настенного зарядного устройства переменного тока.

Обзор архитектуры защиты

Уровень	Проектный вопрос	Устройства, которые могут выполнять данную функцию	Что устройство не подтверждает
Вводно-распределительное устройство / главный щит	Каким образом осуществляется коммутация и защита электроснабжения объекта при расчетной нагрузке и уровне токов короткого замыкания?	Существующий главный автоматический выключатель, MCCB или воздушный автоматический выключатель (ACB) в зависимости от установки	То, что ACB требуется только потому, что зарядка является коммерческой
Распределительный щит зарядных устройств	Каким образом изолируется выделенный щит и защищаются его шины/питающая линия?	Выключатель-разъединитель, MCCB, MCB, плавкий предохранитель, учет электроэнергии, управление	То, что один номинал подходит для любого объекта
Питающая линия зарядного устройства	Каким образом кабель и питающая линия зарядного устройства защищены от перегрузки и короткого замыкания?	MCCB, MCB, плавкий предохранитель или устройство, указанное производителем	Защита от дифференциального тока, если эта функция не включена в устройство явно
Индивидуальная точка подключения AC	Каким образом обеспечивается защита от сверхтока и дифференциального тока для данной розетки/разъема?	MCB в сочетании с RCD или RCBO с необходимым решением для защиты от дифференциального тока DC	То, что любой RCBO типа A сам по себе подходит для любого EVSE
Дифференциальный ток DC	Включает ли EVSE соответствующее устройство обнаружения дифференциального тока DC или требуется внешнее решение?	RCD типа B или RCD типа A/F с соответствующим RDC-DD, в зависимости от местных правил и инструкций к EVSE	То, что RDC-DD заменяет прилагаемый RCD
Переходное перенапряжение	Где требуется защита от перенапряжений и как осуществляется координация ступеней?	Конфигурации SPD типа 1, типа 2 или комбинированные, определяемые условиями установки	То, что один SPD рядом с зарядным устройством защищает все линии питания/передачи данных
Функциональная коммутация	Каким образом будет активироваться, ограничиваться, дистанционно останавливаться или блокироваться процесс зарядки?	Средства управления EVSE, контактор, независимый расцепитель, расцепитель минимального напряжения, система управления энергопотреблением	Защита от короткого замыкания, перегрузки или дифференциального тока, если она не предусмотрена отдельно
Местная изоляция	Каким образом оборудование может быть безопасно изолировано для проведения технического обслуживания и аварийных процедур?	Запираемый выключатель-разъединитель или изолирующее устройство, определенное производителем	Разрешение на работу под напряжением или обход процедур блокировки/маркировки (lockout/tagout)

Производитель защитного устройства, производитель EVSE, сборщик распределительного щита и проектировщик должны согласовать границы ответственности. Символ с маркировкой “RCBO” или “MCCB” на концептуальном чертеже не устанавливает номинальные характеристики, координацию или соответствие требованиям.

Начинайте с входных параметров, а не с типоразмера автоматического выключателя

Перед выбором ACB, MCCB, MCB, RCBO, RCD или SPD соберите следующие исходные данные:

• напряжение питания, количество фаз, частота, система заземления, номинальные параметры трансформатора/сети и требования энергоснабжающей организации;
• существующая максимальная потребляемая мощность, мощность зарядки, коэффициент одновременности зарядки или стратегия управления нагрузкой, коэффициент мощности, КПД, гармоники и возможность расширения в будущем;
• ожидаемый ток короткого замыкания на клеммах ввода, распределительного щита зарядных устройств и точек подключения;
• длина фидера, материал и сечение проводников, способ прокладки, группировка, температура окружающей среды, допустимое падение напряжения и ограничения по подключению к клеммам;
• топология EVSE, количество разъемов, максимальный ток на точку подключения, встроенные защитные функции, рекомендованное производителем вышестоящее устройство, а также сертификация/соответствие стандартам;
• требуемое время безотказной работы, допустимая потеря нескольких зарядных устройств при возникновении одной неисправности, целевые показатели селективности, доступ для технического обслуживания, удаленный мониторинг и стратегия формирования ЗИП;
• воздействие молнии, тип питания, вышестоящие SPD, трассировка кабелей, интерфейсы передачи данных/связи и местные правила по защите от перенапряжений;
• применимые правила монтажа, стандарты оборудования, требования органов надзора и редакции, принятые в юрисдикции проекта.

Эти входные данные определяют архитектуру. Руководство по защите зарядных станций для электромобилей в коммерческих и жилых объектах объясняет, почему масштаб, разнообразие, публичный доступ, время безотказной работы и структура распределительного щита меняют задачу проектирования для коммерческих объектов.

Назначение каждого защитного устройства

ACB: применение в главном распределительном щите, а не стандарт для коммерческих объектов

Воздушный автоматический выключатель (ACB) может быть уместен в главном распределительном щите с высокими токами, если его номинальное рабочее напряжение/ток, отключающая способность, включающая способность, ток термической стойкости, функции блока расцепителей, настройки селективности, возможности связи и ремонтопригодность соответствуют расчетным нагрузкам. Он может служить вводным устройством или основным распределительным аппаратом на крупном объекте.

ACB не требуется автоматически только из-за количества зарядных устройств, слова “коммерческий” или общего порога тока. Многие коммерческие объекты успешно обслуживаются существующим главным устройством или MCCB. Выкатное исполнение может улучшить стратегию плановой изоляции и технического обслуживания, но оно не разрешает извлечение, установку или замену под напряжением. Эти работы регулируются процедурами производителя распределительного щита и правилами электробезопасности на объекте.

MCCB: вводной автомат щита или защита отходящих линий, если его диапазон и возможности регулировки соответствуют требованиям

MCCB обычно защищают вводные устройства зарядных панелей, субмагистрали и фидеры зарядных устройств большой мощности. В зависимости от конкретного изделия они могут обеспечивать регулируемые функции защиты от перегрузки с большой выдержкой времени, с малой выдержкой времени, мгновенного срабатывания и защиты от замыкания на землю. Эти функции, диапазоны их регулировки и любые возможности связи зависят от конкретной модели.

Выбирайте MCCB только после проверки тока нагрузки, пропускной способности проводников, коэффициента снижения номинальных характеристик при температуре окружающей среды, ожидаемого тока короткого замыкания, требуемой отключающей способности, координации с вышестоящими/нижестоящими устройствами и ограничений производителя оборудования. Типоразмер корпуса не совпадает с выбранным номиналом расцепителя.

MCB или RCBO: защита от сверхтоков в конечных цепях с различным функциональным охватом

MCB обеспечивает защиту от сверхтоков. RCBO объединяет защиту от сверхтоков и защиту от дифференциального тока в рамках области применения и характеристик конкретного устройства. Любая из этих схем может использоваться для отдельной точки зарядки AC, если она соответствует инструкциям EVSE, правилам монтажа и стратегии защиты от дифференциального тока.

RCBO позволяет сократить место в щите и сделать так, чтобы неисправность затрагивала одну цепь, а не общую группу, однако одного обозначения “RCBO” недостаточно. Проектировщик должен указать номинальный ток, кривую срабатывания, номинал тока короткого замыкания, номинальный отключающий дифференциальный ток, тип дифференциального тока, конфигурацию полюсов и нейтрали, зависимость от напряжения и совместимость с распределительным щитом. Подробные расчеты для 7 kW и 22 kW приведены в Руководство по выбору номинала автоматического выключателя для цепи зарядного устройства электромобиля.

RCD и RDC-DD: разделение функции защиты от поражения электрическим током AC и обнаружения DC

Стандарт IEC 60364-7-722 охватывает цепи, предназначенные для подачи энергии на электромобили, и цепи, предназначенные для обратной передачи энергии от транспортных средств. Для зарядки AC в режиме 3 решение по защите от дифференциального тока во многом зависит от того, что именно встроено в EVSE.

Стандарт IEC 62955 применяется к устройствам обнаружения дифференциального постоянного тока (RDC-DD) для стационарно подключенных зарядных станций AC режима 3, подпадающих под область действия этого стандарта. RDC-DD обнаруживает соответствующее состояние сглаженного дифференциального тока DC и инициирует отключение посредством своей определенной конфигурации; это не является RCD как таковым обеспечивающее полную функцию защиты от дифференциального тока.

Общепринятая и задокументированная в стандартах IEC схема для каждой точки подключения AC представляет собой либо:

• RCD типа B с требуемым номинальным дифференциальным током срабатывания; или
• RCD типа A или типа F с соответствующим устройством RDC-DD, если это разрешено принятыми правилами и подтверждено документацией производителя EVSE.

Не выбирайте RCBO типа A изолированно, пока не будут проверены наличие встроенной в EVSE функции обнаружения 6 mA DC и соответствие требованиям. И наоборот, не указывайте автоматически внешнее устройство типа B, если сертифицированная архитектура EVSE и местные правила допускают иную схему. Полное решение приведено в руководстве по выбору RCD для зарядных станций EV, в то время как границы ввода в эксплуатацию рассматриваются в Руководство по проверке защиты от утечки 6 mA DC.

SPD: защита основана на оценке рисков и скоординирована по всей электрической системе

Коммерческие зарядные устройства содержат силовую электронику, средства управления, коммуникационные модули и сетевые интерфейсы, которые могут быть уязвимы для переходных перенапряжений. Требуемый тип и место установки SPD зависят от системы молниезащиты здания, схемы электроснабжения, оценки рисков, принятых норм, вышестоящей защиты, длины и прокладки кабелей, уровней устойчивости к перенапряжениям и инструкций производителя зарядного устройства.

SPD на вводе может потребовать координации с другой ступенью защиты рядом с удаленным распределительным щитом зарядных устройств или самим зарядным устройством. Решение не может быть сведено к универсальному правилу расстояния, а защита силовой цепи не обеспечивает автоматическую защиту Ethernet, сигнальных или других проводящих интерфейсов. Используйте специализированное руководство по защите от перенапряжений для зарядных устройств EV для выбора типа SPD, координации, резервной защиты, прокладки проводников и мониторинга состояния.

Контактор, независимый расцепитель, расцепитель минимального напряжения и управление энергопотреблением: управление само по себе не является защитой

На коммерческих объектах часто требуется включение/выключение зарядки, ограничение потребляемой мощности, аварийное отключение, дистанционное управление или блокировка. Контактор или расцепитель могут срабатывать по команде от EVSE, системы управления энергопотреблением, системы пожарной безопасности или реле защиты. Категория применения, номинальный ток, износостойкость, питание катушки/цепи управления, состояние при отказе и координация должны соответствовать условиям эксплуатации.

Данные компоненты не заменяют собой устройство защиты от сверхтока, RCD, разъединитель или сертифицированную функцию безопасности EVSE. Рассматривайте “дистанционное отключение” как результат управления, источник, электропитание, поведение при отказе, процедура сброса и проверка которого должны быть задокументированы.

Три архитектурных шаблона для коммерческих зарядных станций для электромобилей

Схема 1: Небольшой объект для зарядки переменным током (AC)

В магазине, офисе или гостинице при добавлении нескольких зарядных устройств AC можно использовать резервную мощность существующего распределительного щита. Каждая точка подключения по-прежнему требует наличия защиты от сверхтока и дифференциального тока, предусмотренной для EVSE и принятыми нормами. Отдельный местный щит может быть предпочтительнее, если прокладка кабелей, управление нагрузкой, учет электроэнергии, изоляция, расширение или селективность не могут быть должным образом обеспечены в существующем щите.

Типовое решение: существующее главное устройство → цепь распределения зарядки (при необходимости) → индивидуальный MCB плюс RCD или RCBO → EVSE, включающее или работающее в паре с соответствующим решением по защите от дифференциального тока DC.

Схема 2: Крупный узел зарядки переменным током (AC)

Автостоянка с большим количеством разъемов AC обычно требует выделенного зарядного распределительного щита, расчета диверсифицированной нагрузки, динамического управления нагрузкой, разделения отходящих цепей, учета электроэнергии, связи и скоординированной защиты. MCCB может служить вводным устройством щита или устройством защиты субмагистрали. Индивидуальные точки подключения должны быть организованы таким образом, чтобы неисправность одного зарядного устройства не приводила к необоснованному отключению большой группы.

Типовое решение: защита сервисного/главного распределительного устройства → вводной аппарат выделенного зарядного щита → скоординированная защита шин/отходящих линий → индивидуальная защита точек подключения → EVSE. Точное использование MCCB, MCB, RCBO, RCD и SPD определяется расчетными нагрузками.

Схема 3: площадка для быстрой зарядки DC

Зарядные устройства для быстрой зарядки DC могут создавать значительно более высокие нагрузки на силовую электронику и часто поставляются как интегрированное оборудование с определенной производителем защитой входа AC, внутренними каскадами преобразования, защитой выхода DC, контролем изоляции, функциями аварийной остановки, охлаждением и средствами связи. Вышестоящая установка должна быть спроектирована с учетом входных характеристик зарядного устройства, вклада в ток короткого замыкания и стойкости к нему, гармоник, ограничений трансформатора или сети питания, а также сертифицированных инструкций.

Типовое решение: защита со стороны энергоснабжающей организации/трансформатора и главного распределительного щита → защита фидера зарядного устройства и изоляция → сертифицированная внутренняя архитектура от производителя зарядного устройства. Вышестоящий RCBO не является универсальной заменой указанной системы защиты зарядного устройства.

Проверка координации для предотвращения ложных срабатываний и опасных зон отсутствия защиты

Отключающая способность и ток короткого замыкания

Применимый номинал тока короткого замыкания защитного устройства должен соответствовать точке его установки. Рассчитайте или проверьте ожидаемый ток короткого замыкания, а не делайте выводы на основе размера здания. Если используется каскадная или резервная комбинация, она должна быть подтверждена таблицами испытаний производителей для конкретных вышестоящих и нижестоящих устройств.

Защита от перегрузки и пропускная способность проводников

Согласуйте уставку/номинал устройства с расчетным током, скорректированной пропускной способностью проводников, ограничениями клемм, падением напряжения и инструкциями к EVSE. В Соединенных Штатах статья 625 NEC рассматривает соответствующие нагрузки зарядки электромобилей как длительные и использует правила выбора размеров, специфичные для юрисдикции; не переносите привычное правило 125% в проекты IEC без проверки принятых норм.

Селективность и непрерывность электроснабжения

Изучите время-токовые характеристики, пороги мгновенного срабатывания, выдержку времени при коротком замыкании, функции защиты от замыкания на землю, характеристики ограничения тока и таблицы селективности от производителя. Абсолютная селективность может быть недостижима для всех уровней тока повреждения, но выбранный результат должен быть известен. Неисправность зарядного устройства на стороне нагрузки не должна приводить к отключению всего узла, если поддерживаемое решение по координации позволяет локализовать ее.

Селективность по дифференциальному току

Несколько электронных зарядных устройств могут создавать постоянный ток утечки и высокочастотные составляющие. Проверьте технические данные EVSE, тип RCD, номинальный дифференциальный ток, выдержку времени (где это допустимо), группировку и координацию вышестоящих/нижестоящих устройств. Никогда не увеличивайте значения чувствительности и не добавляйте задержку только для предотвращения ложных срабатываний без подтверждения защиты от поражения электрическим током и соответствия местным нормам.

Координация SPD

Проверьте напряжение электрической системы, систему заземления, тип SPD, максимальное длительное рабочее напряжение, уровень напряжения защиты, номинальный/разрядный ток, стойкость к короткому замыканию, требуемую резервную защиту, длину/прокладку проводников и индикацию состояния. Координируйте каскадные ступени и защищайте соответствующие каналы связи, если этого требует оценка рисков.

Нейтраль, гармоники и четырехполюсная коммутация

Однофазные зарядные устройства, распределенные по трехфазной электрической системе, могут создавать ток в нейтрали и несимметрию; нелинейное оборудование может добавить проблемы с гармониками. Изучите распределение фаз, выбор сечения нейтрали, гармоники кратные трем, требования к четырехполюсной коммутации и правила системы заземления. Маркировка 3P+N или 4P сама по себе не описывает, какие полюса защищены или как работает нейтраль.

Иллюстративный пример архитектуры

Рассмотрим коммерческую парковку, где планируется установка двенадцати трехфазных зарядных точек AC мощностью 22 kW с динамическим управлением нагрузкой. Арифметическая суммарная нагрузка не является расчетным током, и этот пример — не является строительным проектом.

1. Проектировщик фиксирует мощность сети/трансформатора, существующую пиковую нагрузку, резерв мощности для расширения объекта, схему заземления, входные данные зарядного устройства и местные нормативные требования.
2. Стратегия управления зарядкой устанавливает обязательный максимум потребляемой мощности для зарядки на объекте. Определены виды отказов, чтобы сбой связи не мог привести к незаметной перегрузке.
3. Ожидаемый ток короткого замыкания рассчитывается на главном щите, выделенном зарядном щите и удаленных точках зарядки.
4. Вводной аппарат для выделенного щита выбирается в качестве MCCB или другого подходящего устройства только после определения параметров проводников, шин, отключающей способности, селективности и функций изоляции.
5. Каждая точка зарядки получает индивидуальную защиту фидера от сверхтока и принятую схему защиты от дифференциального тока в зависимости от того, включает ли данное EVSE соответствующее устройство RDC-DD.
6. Требования к SPD определяются на основе оценки молниезащиты/системы электроснабжения объекта, существующих вышестоящих ступеней защиты, кабельных трасс и устойчивости оборудования, а не только на основе мощности зарядного устройства.
7. Проект проверяется на соответствие таблицам координации производителя, кабельным расчетам, тепловым пределам, инструкциям EVSE, местным требованиям инспекции и документированному плану ввода в эксплуатацию.

В данном примере намеренно опущены номинальные размеры автоматических выключателей. Без учета фактического ограничения тока, способа прокладки кабеля, факторов окружающей среды/группировки, уровня токов короткого замыкания, целевого значения падения напряжения и требований производителя, опубликованный номинал был бы ложной точностью.

Контрольный список проектирования и ввода в эксплуатацию

Этап	Доказательства, которые необходимо подготовить перед подачей напряжения
Основа проектирования	Однолинейная концепция, нормы/стандарты и их редакции, данные по электроснабжению, схема заземления, метод расчета нагрузки/коэффициента одновременности и сценарий расширения
Расчеты	Максимальная потребляемая мощность, выбор сечения/снижение номинальных характеристик проводников, падение напряжения, ток короткого замыкания, отключение, оценка дуговой вспышки (где требуется) и тепловые проверки
Выбор устройств	Точные коды заказа, номиналы/уставки, отключающая способность, поведение полюсов/нейтрали, решение RCD/RDC-DD, координация SPD и инструкции производителя
Координация	Селективность или резервные таблицы для вышестоящих/нижестоящих устройств, исследование уставок, селективность по дифференциальному току и анализ видов отказов
Распределительный щит	Номинальные параметры сборки, предельные значения для шин и температуры, соответствие условиям окружающей среды и степени защиты, внутреннее секционирование, доступ, маркировка, учет электроэнергии и резервная мощность
Функциональная безопасность	Логика аварийного и дистанционного останова, отказоустойчивое состояние управления нагрузкой, поведение контактора/расцепителя, полномочия на сброс, потеря связи и интерфейс системы пожарной сигнализации
Испытания	Проверка целостности цепей, сопротивления изоляции, полярности/чередования фаз, уставок защитных устройств, испытания RCD/RDC-DD с использованием утвержденных методик, проверка заземления/петли фаза-ноль (если применимо), состояния SPD и функциональные срабатывания
Сдача в эксплуатацию	Исполнительная однолинейная схема, журнал уставок, результаты испытаний, руководства, файл сертификатов, интервалы технического обслуживания, перечень запасных частей и ответственный за контроль изменений

Только квалифицированный персонал должен выполнять проектирование, монтаж, испытания и техническое обслуживание коммерческих систем зарядки электромобилей. Обеспечьте изоляцию, блокировку, проверку отсутствия напряжения и следуйте правилам техники безопасности производителей распределительных щитов и EVSE; данное руководство является архитектурной основой, а не проектным решением для конкретного объекта.

Выбор компонентов защиты VIOX

VIOX поставляет воздушные автоматические выключатели (ACB), MCCB, RCBO, устройства защитного отключения, SPD, разъединители и компоненты управления для низковольтных распределительных сетей. Выбор продукции следует начинать только после определения вышеуказанных задач по защите и исходных данных проекта. Для получения коммерческого предложения на уровне конкретных моделей направьте однолинейную схему, данные по напряжению/частоте, график нагрузок, расчетные уровни токов короткого замыкания, характеристики проводников, требуемые настройки/функции, стратегию защиты от дифференциального тока, исследование по SPD, целевой рынок и требования к документации.

Ни одно предложение поставщика не должно заменять расчеты проектировщика, инструкции производителя EVSE, проверенные данные о координации устройств или одобрение со стороны ответственного органа.

Технические источники

• IEC 60364-7-722:2018 область применения — системы питания для электромобилей
• IEC 62955:2018 область применения — RDC-DD для зарядки в режиме mode 3
• ABB: Распределение электроэнергии для инфраструктуры зарядки электромобилей
• Schneider Electric: Руководство по проектированию основ распределения электроэнергии — зарядка электромобилей
• Schneider Electric: Защита зарядных станций для электромобилей и размещение SPD