Laden van elektrische wagens. Oktober 2015

Transcriptie

1 Laden van elektrische wagens Oktober 2015

2 Dit is een uitgave van Tecnolec Marlylaan 15/ Brussel Volta 2015 Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. De enige uitzondering hierop vormen de checklists, die bedoeld zijn als werkdocument en die zonder beperking mogen worden gebruikt. Vormelek, Tecnolec en FBZ bundelen hun krachten en vormen samen VOLTA. Pagina 2 van 8

3 Laden van elektrische wagens in verschillende netten 1. Overzicht van de verschillende nettopologieën Nieuwe residentiële netten in België worden aangelegd met een 4-aderige kabel voorzien van een nulleider en drie fasen. De distributietransformator heeft aan de laagspanningszijde een sterconfiguratie met geaard sterpunt. Dit sterpunt is verbonden met de nulleider. De nominale fasespanning in het net bedraagt 230V en de nominale lijnspanning bedraagt 400V. Residenties aangesloten op dit net moeten voorzien worden van een aparte aarding. Deze nettopologie werd echter niet altijd toegepast in België waardoor er nu verschillende topologieën gangbaar zijn met verschillende spanningen. Daarom overlopen we hier de verschillende topologieën waarin het aansluiten van een elektrische wagen kan gebeuren. In sommige topologieën zal het laden van de wagen immers niet lukken. In deze tekst leggen we uit welke configuraties geschikt zijn voor het laden van elektrische wagens, waarom sommige configuraties niet werken en welke oplossingen er in dat geval zijn. De verschillende scenario s die we doorlopen zijn gebaseerd op de mogelijke netconfiguraties (driehoek- of sterconfiguratie) en het al dan niet aanwezig zijn van een geaarde nulleider. Zowel driefasig als eenfasig laden wordt onderzocht. De verschillende netscenario s worden gecreëerd met behulp van een regeltransformator waarvan de lijnspanning continu regelbaar is tussen 0 en 230V en een herconfigureerbare transformator om netten in ster en driehoek met geaarde en ongeaarde nulleider te maken. Figuur 1: Opladen van elektrische wagen in geaarde sterconfiguratie met 230V fasespanning. 1.1 Laden in een driefasige net in ster met 400V lijnspanning. De besproken typische driefasige netconfiguratie is weergegeven in Figuur 1 [1]. De nulleider van het distributienet is verbonden met het geaarde sterpunt en de lijnspanning bedraagt 400V. De huisinstallatie is tevens voorzien van een aarding (PE = protective earth). Deze aarding wordt doorverbonden met o.a. het koetswerk van de wagen. Indien er een isolatiefout zou optreden waardoor het koetswerk van de wagen onder spanning komt te staan, zal de optredende lekstroom naar de aarde, de differentieelbeveiliging aanspreken en de installatie uitschakelen [2]. De aarding van de huisinstallatie (PE) en de geaarde nulleider (N) zijn apart, we spreken daarom van een TT-net. Het driefasig en eenfasig laden van een elektrische wagen zal lukken indien de residentie voorzien is van dit 3*400V + N netwerk omdat de fasespanning steeds 230V bedraagt, omdat de nulleider aanwezig en geaard is en omdat de PE (aarding) aanwezig is. Indien de aarding van de nulleider ontbreekt, dan zal het laden vaak niet lukken bij driefasig laden omwille van onstabiele fasespanningen of zelfs helemaal niet bij eenfasig laden. Indien het TT-net in kwestie beschikt over een slechte aarding van het sterpunt, dan biedt een hulpinductantie, waarmee men zelf een geaard nulpunt kan maken, soelaas voor driefasig laden. De nulleider van de laadkabel/wallbox dient men dan te verbinden met het sterpunt van de driefasige hulpinductantie, zoals aangegeven in Figuur 2. Pagina 3 van 8

4 Figuur 2: Aanbrengen van hulpinductantie in netten met een slechte aarding. Voor het eenfasig laden in een net met ongeaarde nulleider is de driefasige hulpinductantie geen goede oplossing, aangezien men voor dezelfde kostprijs een eenfasige scheidingstransformator kan aanschaffen. Men bekomt dan direct ook een galvanische scheiding met alle daaraan verbonden voordelen. Dit is weergegeven in Figuur 3. Figuur 3: Aanbrengen van eenfasige scheidingstransformator. 1.2 Laden in driefasige netten in ster of driehoek met 230V lijnspanning. Een tweede mogelijke nettopologie is dat het net in sterconfiguratie staat met een fasespanning van 130V en lijnspanning van 230V. Het sterpunt is meestal geaard. Deze configuratie wordt weergegeven in Figuur 4. Eenfasige lasten worden in dit net verbonden tussen twee lijnen om de vereiste spanning te bekomen. Pagina 4 van 8

5 Figuur 4: Opladen in sterconfiguratie met 130V fasespanning met of zonder geaard sterpunt. Een derde mogelijke nettopologie is dat het net in driehoekconfiguratie staat waarbij de fase/lijnspanning 230V bedraagt. Eenfasige lasten worden wederom aangesloten tussen 2 lijnen. Deze configuratie wordt weergegeven in Figuur 5. In de meeste gevallen is een van de hoeken van de driehoek verbonden aan de aarde zodat men een TT-net bekomt. Figuur 5: Opladen in driehoeksconfiguratie met 230V lijnspanning. Indien men probeert om de elektrische wagen te laden in een net in ster met 130V fasespanning enerzijds of een net in driehoek met 230V fase/lijnspanning anderzijds, dan zal het laden niet lukken. In het geval van het net in ster (Figuur 4) is de nulleider en aarding wel aanwezig, maar de fasespanning is te laag. Aangezien de onboard charger of lader geen onderscheid kan maken tussen een correct functionerend net met 130V fasespanning en een net met 230V fasespanning met spanningsproblemen, zal de onboard charger het laadproces niet starten omwille van vermeende spanningsproblemen. Dit geldt zowel voor het driefasig laden als het eenfasig laden in het net in ster. Pagina 5 van 8

6 In het geval van het net in driehoek (Figuur 5) zal het driefasig laden ook niet lukken omdat een van de fasedraden geaard is en de gemeten fasespanning tussen de nul en fase dus bij een van de drie fasen nul is in plaats van de verwachte 230V. Bij het eenfasig laden bestaat er een kans dat het laden lukt indien de nulleider van de lader is verbonden met de geaarde fasedraad. Aangezien men echter niet weet welke van de drie lijndraden geaard is, biedt dit geen zekerheid dat men kan laden. Het is veel bedrijfszekerder om een eenfasige scheidingstransformator met geaarde nulleider te gebruiken. De beste oplossing voor het driefasig laden in een net in ster of driehoek, beide met 230V lijnspanning, is het plaatsen van een driefasige scheidingstransformator. De primaire zijde van deze transformator kan aangesloten worden op het bestaande net; noch de lage spanning, noch het ontbreken van een (geaarde) nulleider vormen een probleem voor deze transformator. De secundaire zijde van deze transformator zal aan de uitgang een eigen 3*400V + N netwerk creëren. Het nulpunt van de secundaire zijde moet apart verbonden worden met de aarding van de residentie. Het driefasig laden van de elektrische wagen zal nu wel lukken, dit is weergegeven voor beide netten in Figuur 6. Figuur 6: Toepassing van driefasige scheidingstransformator voor netten met 230V lijnspanning en geschakeld in ster (links) en driehoek (rechts). Voor het eenfasig geval dient men een eenfasige scheidingstransformator met geaarde nulleider te gebruiken, zoals reeds weergegeven in Figuur 3. Een zwevende secundaire van de scheidingstransformator is niet toegestaan, omdat de spanning tussen de nulleider en aarding dan niet kan bepaald worden, waardoor de onboard charger het laden niet wil starten. In sommige netten wordt een IT-net gebruikt omwille van de hogere bedrijfszekerheid. In deze netten is het sterpunt van de transformator niet geaard aan de secundaire zijde. Hierdoor kan de installatie blijven draaien mocht er een eerste fout optreden, maar moet er wel de nodige apparatuur voorzien worden om deze eerste aardfout op te sporen. Dit soort netten wordt bijvoorbeeld gebruikt in datacenters en ziekenhuizen. Indien men de wagen probeert op te laden in een IT-net, dan moet men ook overgaan tot de oplossing met de eenfasige of driefasige scheidingstransformator. In het IT-net zelf is de nulleider immers niet geaard, wat het opladen verhindert. Met de scheidingstransformator creëert men een eigen net met geaarde nulleider zonder in te grijpen in het IT-net zelf, waar de nulleider niet geaard mag worden. 2. Beveiliging bij gebruik van onboard chargers voor het laadproces. Voor de beveiliging van de laders tegen kortsluitstromen en overstromen dient men een automaat te voorzien. Voor de beveiliging van personen en installaties tegen lekstromen dient men een differentieelschakelaar te voorzien. Voor driefasige laders moet er een differentieel type B en een automaat voorzien worden in de schakelkast van het 3*400V + N net of aan de secundaire van de transformator indien men gebruik maakt van een driefasige scheidingstransformator. Dit kost momenteel, voor een exemplaar van 40A, ongeveer 700 euro voor het type B differentieel [4] en 100 euro voor de automaat [5]. Bij een eenfasige scheidingstransformator volstaat een veel goedkopere differentieelautomaat die beide functies combineert en ongeveer 100 euro kost voor een 40A exemplaar [6]. Het is belangrijk om op te merken dat een conventionele type A differentieel NIET geschikt is voor driefasige onboard-chargers [7], maar wel voor eenfasige laders indien een van beide geleiders een geaarde nulleider is, zie Figuur 7 [2]. Indien men de lader aansluit tussen twee fasedraden voor eenfasig laden, zoals bij een net in ster of driehoek met 230V lijnspanning, of indien men driefasig wil laden, dan moet men een type B differentieel voorzien om de optredende foutstromen te kunnen afschakelen, zie Figuur 8. Het probleem is echter dat type B differentieelschakelaars niet toegelaten zijn in elektrische installaties van huishoudelijke lokalen volgens art 85 van het AREI. Dit probleem kan opgelost worden door één van de volgende mogelijkheden: Pagina 6 van 8

7 Aanpassen van art 85 van het AREI door de bevoegde overheid zodat type B differentiëlen wel gebruikt mogen worden in elektrische installaties van huishoudelijke lokalen Door gebruik van CE-gemarkeerde laders, voorzien van een scheidingstransformator en een type B differentieel aan de secundaire van deze scheidingstransformator, op die plaatsen waar gelijkstroomcomponenten de goede werking dan de type A differentieel verhinderen. De eerste mogelijkheid geniet de voorkeur omdat er meer en meer elektrisch materieel in huishoudelijke lokalen geïnstalleerd wordt dat de goede werking van een type A differentieel verhindert en een type B differentieel vereist. Figuur 7: Eenfasige inverter tussen lijn en nulleider (links) normale laststroom (midden) foutstroom geschikt voor type A differentieel (rechts). Figuur 8: Eenfasige inverter tussen 2 lijnen (boven) en driefasige inverter (onder) (links) normale laststroom (midden) foutstroom geschikt voor type B differentieel (rechts). Conclusies Door de verschillende nettopologieën die in België gebruikt worden, is het niet altijd mogelijk om elektrische wagens te laden met een directe aansluiting op het net. Dit geldt zowel voor eenfasig als driefasig laden. In het geval van een 3 *400V + N net zal het laden steeds vlot verlopen, in andere gevallen biedt een scheidingstransformator soelaas. Deze transformator laat toe om een een- of driefasig net te creëren met geaarde nulleider, aarding en correcte fasespanning. Het grote voordeel van deze transformator is ook de galvanische scheiding. Bij driefasig laden zorgt dit voor een grote kostenbesparing doordat enkel aan de secundaire een type B differentieel nodig is. DC-lekstromen worden immers tegengehouden en kunnen de werking van de hoofddifferentieel niet verstoren. Dit laat toe om de type A differentieel in de rest van het net te blijven gebruiken. Ook het kortsluitvermogen wordt beperkt, wat gunstig is voor het gebruik van differentieelautomaten met hun beperkter kortsluitvermogen. Auteur: Sven De Breucker (VITO/EnergyVille) Referenties [1] Schneider Electric, LV distribution: Chapter E Pagina 7 van 8

8 [2] Schneider Electric, Residual current devices in LV, Cahier technique no. 114 [3] Schneider Electric, The IT earthing system (unearthed neutral) in LV, Cahier Technique no. 178 [4] [5] [6] [7] Impuls 7, Alle soorten lekstroom onder controle, Elektrotechniek uitgave door Intech Elektro & ICT en OTIB, mei 2007 Pagina 8 van 8