Jak (ne)vyhořet po instalaci dobíjecí stanice pro elektromobily?

Projektování a instalace dobíjecích stanic má svoje legislativní, ale i fyzikální zákonitosti a právě proto byla historicky založena rozšiřující energetická specializace a odbornost profesní kvalifikace „Montér dobíjecích stanic pro elektromobily“ 26-036-H v Národní soustavě kvalifikací. Víte, jaké proudy Vám a Vašim zákazníkům protékají nulovým vodičem?

Technické řešení malých AC i DC stanic se posouvají každým dnem kupředu. Existují samostatné AC dobíjecí stanice, které již umožňují nejen dobíjení z elektrické sítě domácnosti, ale lze již obrátit energetický tok a z elektromobilu dodávat elektrickou energii do domácí sítě zákazníka. Rovněž běžné je i rozšíření malých dobíjecích DC stanic, začínající již od výkonu 20 kW. Jedním z moderních přístrojů je hybridní dobíjecí systém, který v sobě obsahuje kromě dobíjecí AC nebo DC části, rovněž střídačovou část fotovoltaiky s MPPT vstupy, včetně baterií.

Dnes „nejzranitelnější instalací“ je pořízení domácí AC dobíjecí stanice s možností dobíjení 11 kW až 22 kW. Proč ? Vysvětlení podáme na následujících řádkách.

Ještě než vysvětlíme a vypočteme jasné fyzikální výpočty (grafy) a s tím související výsledky je důležité si připomenout počáteční podmínky, které nastartují možnost zvýšeného proudového zatížení vodičů, konkrétně nulového vodiče. Podmínky jsou následující:

• spotřeba a její rozložení v jednotlivých fázích je velmi nerovnoměrná
• domácnost využívá velké množství spotřebičů se spínanými zdroji (tlumivky), střídavé motory, elektrická tepelná čerpadla, indukční varné desky (tyto vyjmenované spotřebiče způsobují posouvání fází a v některých situacích i deformaci sinusového průběhu proudu)
• používání AC dobíjecí stanice s čistým elektromobilem nebo plug-in hybridem, jehož vozidlo umožňuje nabíjení ve 2 fázích (vozidlo má palubní nabíječku jen ve dvou fázích), přestože nabíjecí stanice je připojena třífázově
• připojení jednofázových fotovoltaických střídačů do méně zatížené fáze
• nulový vodič není odjištěn z hlediska ochrany před nadproudem
• v průběhu „aktivního dobíjení“ dobíjecí stanice z důvodu nenavyšování hlavního fakturačního jističe jsou využívány regulátory proudu, díky kterým lze provozovat nejen dobíjení, ale i ostatní spotřebiče, bez ohledu na tzv. současnost chodu spotřebičů poblíž proudu rovnající se hodnotě hlavního jištění

Sečteno a podtrženo vše dohromady znamená, že na již silně nevyváženou domácí soustavu máme zapojené i spotřebiče, vytvářející vyšší harmonické frekvence a tím deformují klasický sinusový průběh napájecího proudu. Dále připojením elektromobilu nebo plug-in hybridu s omezením třífázového nabíjení pouze jen na „dvoufázové dobíjení“ (automobilky šetřily náklady) a připojení fotovoltaického střídače (jednofázově) se dále zpravidla eskaluje nevyváženost, navíc proudově neporovnatelnou hodnotou „nulovým vodičem“, dosahujícího dvoj a někdy až trojnásobku fázového proudu.

Proud „nulovým vodičem“ může dosahovat až dvojnásobek nebo v případě fázových posunů proudu nebo při vyšším výskytu harmonických a nerovnoměrnosti odběrů až vedoucí k trojnásobku hodnoty fázového proudu! Vydrží tepelné zatížení dimenzované modré vodiče (nuláku) a samotný nulový můstek v rozvaděčích?

Vysvětlení je poměrně jednoduché na elektrotechnickém základě výpočtu za použití fyzikálních fázorů (vektorů) proudů. V 99 % případů používáme v domácnostech třífázovou přípojku. Každá napěťová fáze z principu vzniku magnetického točivého pole má fázový rozdíl 120 stupňů (3 fáze, celkem 360 stupnů, 50 Hz, 20 ms perioda). Budeme uvažovat případ dvoufázového nabíjení z fáze L1 a L2. Ve fázi L3 pro jednoduchost výpočtu nebude žádný odběr, dobíjecí příkon činí 7,4 kW (tedy 3,7 kW/fázi) a odtud tedy plyne I=P/U=3700/230=16,09 A.

Výsledek můžeme získat graficky na milimetrovém papíře, se zákresem hodnoty proudu I1 a I2 (posunutý o 120 stupňů). Fázor (vektor) I2 posuneme ve stejném sklonu (úhlu) na konec fázoru proudu I1 a složením obou fázorů získáváme celkovou hodnotu proudu In. Zatím předpokládáme pouze spotřebič, který odebírá jen a pouze činný výkon, t.zn., že nezpůsobuje zpoždění nebo předbíhání proudu před napětím. V tomto ideálním případě vidíme z grafu, kde jsme namodelovali popsanou situaci, že nulovým vodičem neteče „nula“, ale v citovaném příkladu proud In = 16 A. Proud nulovým vodičem je tedy shodný s hodnotou fázového proudu, tedy včetně tepelných účinků. Pro tento konkrétní příklad, je jasné, že bychom nikdy neměli navrhovat a dimenzovat průřez nulového vodiče menší než konkrétní průřez fázového vodiče.

Ukážeme si další případ. Budeme uvažovat případ dvoufázového nabíjení z fáze L1 a L2. Ve fázi L3 pro jednoduchost výpočtu nebude žádný odběr. Dobíjecí příkon činí 7,4 kW (tedy 3,7 kW/fázi). Ve fázi L1 bude navíc spotřebič o výkonu 1840 W, který dále zvýší odběr ve fázi L1 na celkových 24 A. Jaký proud bude protékat nulovým vodičem? Opět předpokládáme sinusový průběh napětí i proudu, i nový odběr je pouze činného charakteru. Výsledky na následujícím průběhu grafu. Je zřejmé, že proud nulovým vodičem In = 21,16 A, vzrostl tedy v případě větší odběrové nesouměrnosti v jednotlivých fázích o 5,16 A (o cca 32 %). V tomto případě se proud již přibližuje maximální hranici, pro kterou je vodič dimenzován.

V praxi jsou však činné odběry netvoří většinu spotřebičů, ale spíše naopak. Je tedy důležité uvažovat o vlivu fázového posunu proudu. Opět budeme uvažovat případ dvoufázového nabíjení z fáze L1 a L2. Ve fázi L3 pro jednoduchost výpočtu nebude žádný odběr. Dobíjecí příkon činí 7,4 kW (tedy 3,7 kW/fázi). Ve fázi L1 bude zapojen navíc „neznámý“ spotřebič o výkonu 1840 W, který dále zvýší odběr ve fázi L1 na celkových 24 A. Tento „neznámý“ spotřebič způsobí posun proudu ve fázi L1 o 30 stupňů. Jaký proud bude protékat nulovým vodičem? Opět předpokládáme zatím jen sinusový průběh napětí i proudu. Výsledky na následujícím průběhu grafu.

Na první pohled je zřejmé, že proud nulovým vodičem vystoupal nad hodnotu proudu I1 i I2 a je nyní In = 28,8 A, vzrostl tedy v případě větší odběrové nesouměrnosti v jednotlivých fázích a fázovém posunu v L1 o 12,8 A (o cca 80 %). V tomto případě se proud již překročil maximální hranici proudu, pro kterou je vodič dimenzován. Navíc zpátky tekoucí proud je větší než fázové nadproudové jištění!!

Poslední případ pouze modifikujeme tak, že do fáze L3 (ve které nebyla dříve žádná spotřeba) připojíme jednofázový zdroj o sinusovém průběhu (například fotovoltaický střídač), s výkonem 3,7 kW. Protékající proud bude L3 tedy 16 A. Jak bude vypadat proudové a teplotní zatížení nulového vodiče?

Na první pohled je zřejmé, že proud nulovým vodičem vystoupal výrazně nad hodnotami fázových proudů I1, I2 i I3. Hodnota proudu In = 44,8 A vzrostla tedy v případě zapojení jednofázového zdroje (střídače) do fáze L1 o 28,8 A (o cca 280 %). Tento protékající proud již významně překročil maximální hranici proudu, pro kterou byl vodič dimenzován. Pokud tedy bude daný stav dlouhodobě trvat, dobíjení více hodin a zdroj na L3 bude dodávat výkon také více hodin, jsme již kousek od katastrofy. Oteplování nulového vodiče překročí maximální doporučenou teplotu vodiče, kde bude vznikat nadměrné oteplení, které se bude přenášet i do nulového můstku rozvaděče, kde stačí méně dotažený šroub na svorkovnici a neštěstí máme zde.

Na závěr nutno ještě dodat, pokud by chtěl někdo si zmíněné situace přepočítat, je to možné. Spíše je potřeba se zamyslet nad jedinou společnou počáteční hodnotu – že nebudeme uvažovat změny sinusového průběhu. Každý moderní spotřebič, obsahující spínané zdroje, tlumivky má nějaký zpětný vliv na napájení a po sepnutí nám bohužel negativně ovlivňuje vznikající odebíraný proud, který ovlivňuje nejen změnou fázového posunu, ale ještě i generováním jiných frekvencí (tzv. harmonických) a tím deformuje původně čistý sinusový průběh proudu na „paskvil“, odlišující se více nebo méně od sinusovky. Tím, že k deformaci dochází u každé fáze samostatně, je i průběh jednotlivých fází velmi individuální, a proto lze podle zkušeností některých kolegů očekávat proud nulovým vodičem v případě větší deformace sinusového průběhu na 3násobku fázového proudu. Pro náš případ by se krajní mez mohla pohybovat k hranici 50A.

Doporučujeme proto ve všech rozvaděčích provádět pravidelnou kontrolu, kterou ostatně každý z nás provádí při opakovaném termínu revize, nejen tedy vizuálním pohledem do otevřeného rozvaděče, kontrolou dotažení šroubů ve svorkovnicích, ale stále více dostupná metoda termografie – za pomocí ruční termokamery za provozu pořídit snímek teplotního chování hlavního rozvaděče. Pokud používáte jednofázové nebo dvoufázové dobíjení, a jste s průběhem pracovního fázového proudu blízko hodnoty hlavního jištění, doporučujeme v této souvislosti výměnu stávajícího (staršího) nulového můstku za modernější, který nejen svým průřezem, ale i provedení uchycení vodičů by měl lépe odolávat teplotnímu předání teploty z uchycení vodiče a pro svůj větší průřez by měl být teplotně mnohem více odolnější.

Chcete si celou přednášku a problematiku proudového zatížení nulového vodiče poslechnout?

Chcete si celou přednášku a problematiku proudového zatížení nulového vodiče poslechnout?

Na dvoudenním přípravném kurzu „Montér dobíjecích stanic pro elektromobily“ ve dnech 21.-22.10.2025 v Plzni

Zdroj: ČFA, výpočty a simulace grafický kalkulátor GeoGebra, MOREK