วิธีใช้เครื่องตรวจวัดกระแสไฟฟ้าตกค้างเพื่อความปลอดภัยทางไฟฟ้าเมื่อชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า

การชาร์จแบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูงของรถไฟฟ้า (EV) บ่อยครั้งส่งผลให้มีความเครียดเชิงกลสูงในสายชาร์จและคอนเน็กเตอร์ หากฉนวนชำรุดและชิ้นส่วนโลหะที่มีกระแสไฟฟ้าเปิดออก หรือมีชันต์ปรากฏในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ออนบอร์ด อาจทำให้มีกระแสไฟตกค้างที่เป็นอันตรายถึงชีวิตต่อผู้ใช้ EV ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งปัญหาคือรูปแบบกระแสไฟ DC ตกค้างต่างๆ ที่ไม่สามารถตรวจพบโดยอุปกรณ์ตรวจจับกระแสไฟตกค้าง (RCD) ประเภท A ที่ไวต่อ AC

เพื่อป้องกันอุบัติเหตุไฟฟ้าช็อต ผู้ผลิตอุปกรณ์จ่ายไฟ EV (EVSE) จะต้องรวม RCD ไว้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังซึ่งจะทริปภายในไม่กี่มิลลิวินาทีสำหรับกระแสไฟตกค้างทั้ง AC และ DC ไม่กี่มิลลิแอมแปร์ (mA)

บทความนี้จะอธิบายเกี่ยวกับกระแสไฟตกค้าง วิธีวัด และตำแหน่งที่จะติดตั้ง RCD ในวงจรการชาร์จ จากนั้นจะแนะนำอุปกรณ์ตรวจสอบกระแสไฟตกค้าง (RCM) จาก Littelfuse ที่ผู้ออกแบบระบบสามารถใช้เพื่อเพิ่มการป้องกันไฟฟ้า DC ช็อตในอุปกรณ์ EVSE ของตนได้อย่างคุ้มค่าและประหยัดเวลา บทความนี้ยังแสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์กระแสไฟฟ้าเหล่านี้เหมาะกับโหมดการชาร์จ EV แบบใดและใช้งานอย่างไร

กระแสไฟตกค้างในวงจรชาร์จ EV

การชาร์จ EV ที่แรงดันไฟฟ้าสูงถึง 400 VAC และ 1,000 VDC ต้องใช้มาตรการป้องกันที่ครอบคลุมสำหรับผู้ใช้ EV เมื่อใช้งานอุปกรณ์ชาร์จ เนื่องจากพัลส์สวิตชิ่งที่มีฮาร์โมนิคมากและมีความไม่สมมาตรของสถานีชาร์จและเครื่องชาร์จแบบออนบอร์ด รวมถึงแรงดัน DC link หลายร้อยโวลต์ กระแสไฟ AC และ DC ตกค้างประเภทต่างๆ สามารถเกิดขึ้นได้จากชันท์ ผลกระทบจากการเชื่อมต่อ ข้อบกพร่องของฉนวน และข้อบกพร่องจากการรั่วไหล

วงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น วงจรเรียงกระแส สวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ อินเวอร์เตอร์ความถี่ พร้อมด้วยอินเวอร์เตอร์และระบบควบคุมมุมเฟส มีลักษณะเฉพาะของกระแสโหลดที่หลากหลาย กระแสตกค้างที่อาจเกิดขึ้นจะถูกจัดประเภทเป็น AC แบบไซน์, DC แบบพัลซิ่ง และ DC แบบตรง กระแสไฟตกค้างเหล่านี้เป็นอันตรายต่อมนุษย์ ตารางที่ 1 แสดงสัญญาณกระแสโหลดทั่วไปของโทโพโลยีวงจรต่างๆ และรูปคลื่นกระแสตกค้างที่เกิดขึ้น คอลัมน์ 1 ถึง 3 กำหนดประเภท RCD ที่เหมาะสมสำหรับการตรวจจับ

ตารางที่ 1: รูปแบบกระแสไฟฟ้าขัดข้องและการตรวจจับตามประเภทของ RCD ที่เหมาะสมที่สุด (คอลัมน์ 1 ถึง 3) (แหล่งที่มาภาพ: Wikipedia)

ความรู้ที่ดีเกี่ยวกับรูปคลื่นของกระแสตกค้างสามารถช่วยศูนย์ซ่อม EV และช่างไฟฟ้าตรวจวัดกระแสตกค้างในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของบอร์ด EV, EVSE หรือสถานีชาร์จ

ลักษณะการทริปของประเภท RCD

โดยทั่วไป การป้องกันส่วนบุคคลจากไฟฟ้าช็อตในการติดตั้งระบบไฟฟ้าได้รับการควบคุมโดย IEC 60479 และ UL 943 ทั้งสองมาตรฐานกำหนดกระแสไฟตกค้าง AC และ DC ที่สำคัญในช่วง 6, 30, 100, 300, 500 และ 1,000 mA ที่เวลาทริปตั้งแต่ 20 ถึง 500 ms เกณฑ์การทริปทั่วไปในวงจรการชาร์จ EV คือ 6 mA DC และ 30 mA AC

ขณะนี้ผู้ออกแบบระบบสามารถใช้ข้อกำหนดการป้องกันส่วนบุคคลเฉพาะในวงจรการชาร์จได้อย่างง่ายดาย โดยการเลือกประเภท RCD ของมาตรฐานที่เหมาะสม ตารางที่ 2 แสดงรายการรูปแบบกระแสตกค้างและความทนทานต่อการเดินทางของ RCD ที่แตกต่างกันหรือประเภทตัวขัดขวางวงจรไฟฟ้าขัดข้อง (GFCI)

ตารางที่ 2: ลักษณะการทริปของประเภท GFCI หรือ RCD ที่แตกต่างกัน (ที่มาตาราง: abb.com)

การติดตั้ง RCD ในวงจรชาร์จ EV

RCD ประเภท A หรือประเภท F ตรวจจับเฉพาะกระแสไฟตกค้าง AC และกระแสไฟ DC แบบพัลซิ่ง ซึ่งไม่เพียงพอสำหรับการป้องกันวงจรการชาร์จ EV จะต้องพิจารณาไฟฟ้า DC ตกค้างแบบตรงที่หลากหลายที่อาจเกิดขึ้นในเครื่องชาร์จแบบออนบอร์ดหรือระบบการจัดการแบตเตอรี่ด้วย

ดังนั้น มาตรฐาน IEC 62196 จึงกำหนดตัวเลือกการป้องกันกระแสไฟตกค้างไว้สองตัวเลือก: การใช้ RCD ที่ไวต่อกระแสไฟทุกแบบประเภท B (หรือประเภท B+) หรือ RCD ประเภท A ร่วมกับระบบตรวจสอบ DC ตกต้างตาม IEC 62955 กับ I_Δn DC ≥ 6 mA การตรวจสอบกระแสไฟฟ้า DC ขัดข้อง สามารถจัดเรียงในกล่องติดผนัง ในการติดตั้งระบบไฟฟ้าในอาคาร หรือทั้งสองตำแหน่ง

เนื่องจากโดยปกติแล้ว RCD ปรเภท A หรือประเภท F ที่ไวต่อ AC จะมีอยู่ในระบบไฟฟ้าของอาคาร ผู้ออกแบบจึงสามารถเพิ่มการตรวจสอบ DC คงเหลือ 6 mA ลงในกล่องติดผนังหรือสถานีชาร์จ Mode 3 ได้อย่างคุ้มต้นทุน เช่นเดียวกับกล่องควบคุมในสายเคเบิล (ICCB) ของสายชาร์จ Mode 2 (รูปที่ 1 กรณีที่ 2 และ 3)

รูปที่ 1: อุปกรณ์ EVSE จะต้องเพิ่มดาวน์สตรีม DC RCM ของ RCD ประเภท A ที่ไวต่อ AC (กรณีที่ 2) หรือมีอุปกรณ์เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลัก AC โดยตรงผ่าน RCD ประเภท B (กรณีที่ 4) (แหล่งที่มาภาพ: goingelectric.de)

โหมดการชาร์จสำหรับ EV

สามารถชาร์จแบตเตอรี่ EV ได้ผ่านโหมดการชาร์จที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับการเชื่อมต่อไฟฟ้าแบบออนไซต์, ปลั๊กเชื่อมต่อ, สายชาร์จ และเทคโนโลยีการชาร์จที่ติดตั้งในรถยนต์ รวมถึงในสถานีชาร์จ ในยุโรป พลังงานไฟฟ้าสามารถจ่ายเข้าสู่ยานพาหนะผ่านทางไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว (230 โวลต์/3.6 กิโลวัตต์ (kW), ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส (400 โวลต์/22 กิโลวัตต์) หรือผ่านสถานีชาร์จไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง (ไม่เกิน 1,000 โวลต์กระแสตรง/500 กิโลวัตต์) รูปที่ 2 แสดงโหมดการชาร์จทั้งสี่โหมดที่กำหนดในมาตรฐาน IEC 61851

รูปที่ 2: ภาพประกอบโหมดการชาร์จทั้งสี่โหมดที่กำหนดในมาตรฐาน IEC 61851 (แหล่งที่มาภาพ: bestchargers.eu)

โหมด 1 (ไฟ AC เฟสเดียวชาร์จสูงสุด 3.6 กิโลวัตต์, โหมดการชาร์จเริ่มต้น)

ในโหมดนี้ รถยนต์ไฟฟ้าหรือไฮบริดเชื่อมต่อกับปลั๊กไฟมาตรฐาน 230 โวลต์ในบ้านโดยใช้สายเคเบิลแบบพาสซีฟธรรมดา และจะชาร์จโดยใช้กำลังไฟต่ำสูงสุด 3.6 กิโลวัตต์ผ่านเครื่องชาร์จในรถ สถานการณ์การชาร์จนี้ไม่ได้ให้การป้องกัน DC ตกค้างแก่ผู้ใช้อย่างเพียงพอ โดยปกติแล้ว จะมีการติดตั้ง RCD ประเภท A ที่ไวต่อ AC ในระบบไฟฟ้าของอาคารเท่านั้น

โหมด 2 (ไฟฟ้า AC เฟสเดียว/สามเฟสชาร์จสูงสุด 22 kW ผ่านสายชาร์จ ICCB)

สายชาร์จโหมด 2 ที่ติดตั้งปลั๊กรถยนต์ประเภท 2 มี ICCB ที่ทำงานด้านความปลอดภัยและการสื่อสารเมื่อชาร์จ EV โดยใช้ปลั๊กไฟภายในบ้านและปลั๊กไฟสามเฟส เพื่อป้องกันไม่ให้โหลดมากเกินไป

ฟังก์ชันการป้องกันต่อไปนี้จะต้องรวมเข้ากับ ICCB:

• การกำหนดขั้วและการตรวจสอบตัวนำป้องกัน (PC) อนุญาตให้มีอิมพีแดนซ์ลูปเพียงไม่กี่โอห์มระหว่างนิวทรัลและ PC
• การทดสอบการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่าง PC และตัวเครื่องที่เป็นโลหะ
• เบรกเกอร์กระแสไฟ AC และ DC ตกค้างช่วยป้องกันอุบัติเหตุทางกระแสไฟฟ้า
• การตรวจสอบ/การปิดกระบวนการชาร์จในกรณีที่มีความผิดปกติ (เช่น ความผันผวนของกระแสไฟเนื่องจากหน้าสัมผัสปลั๊กสึกกร่อนหรือสายเคเบิลขาด)
• การตรวจสอบอุณหภูมิภายใน ICCB และปลั๊กทั้งสอง และปิดเครื่องหากจำเป็น
• การควบคุมกำลังการชาร์จ: ต่อตัวต้านทานแบบพูลดาวน์บนสายควบคุมไพลอต (CP) เพื่อส่งสัญญาณพิกัดกระแสโหลดของสายเคเบิลไปยังทั้งกล่องติดผนังและ EV สัญญาณการปรับความกว้างพัลส์ (PWM) บนสายควบคุมการชาร์จ (CC) จะส่งสัญญาณความสามารถในการชาร์จพลังงานของกล่องติดผนังไปยัง EV

โหมด 3 (ไฟฟ้า AC เฟสเดียว/สามเฟสชาร์จได้สูงสุด 22 kW ผ่านกล่องติดผนัง)

สำหรับการชาร์จ EV สายเคเบิล โหมด 3 แบบพาสซีฟจะเชื่อมต่อกับกล่องติดผนังในครัวเรือนส่วนตัวหรือสถานีชาร์จ AC สาธารณะในลานจอดรถ ทั้งสองได้รวมฟังก์ชันการป้องกันแบบเดียวกับ ICCB ข้างต้น

โหมด 4 (ชาร์จแบตเตอรี่ DC แบบเร็วโดยตรงสูงสุด 500 kW)

สถานีชาร์จกำลังสูง DC (DC/HPC) สำหรับ EV ให้กระแสไฟชาร์จที่สูงกว่ามากเมื่อเทียบกับโหมด 2 และโหมด 3 มีการป้องกันจาก AC และ DC ที่ตกค้างในซูเปอร์ชาร์จเจอร์นี้ สายชาร์จที่แตกต่างกันจะติดแน่นเสมอ

วัดกระแสบกพร่อง AC และ DC ในวงจร EVSE

RCM จาก ซีรีส์ RCM14 ของ Littelfuse Inc. ตรวจจับกระแส DC และ/หรือ AC ตกค้างในระบบ AC หรือ DC และส่งสัญญาณเอาต์พุตเพื่อควบคุมการตัดการเชื่อมต่อภายนอก (รีเลย์ตัดการเชื่อมต่อ) ในทางตรงกันข้าม RCD และเซอร์กิตเบรกเกอร์กระแสไฟตกค้าง (RCCB) มีรีเลย์ตัดไฟในตัว

ตรวจพบกระแสไฟ AC ตกค้างโดยใช้หม้อแปลงกระแสเหนี่ยวนำ (CT) เพื่อจุดประสงค์นี้ ตัวนำฟอร์เวิร์ดกระแส (I_L) และตัวนำส่งคืนกระแส (I_N) จะถูกป้อนผ่านแกนวงแหวนแม่เหล็กแบบอ่อน ทำให้เวกเตอร์กระแสทั้งสองปกติจะชดเชยซึ่งกันและกันและเพิ่มเป็นศูนย์ หากกระแสไฟบกพร่อง (I_g) ไหลลงศักย์ไฟฟ้าของกราวน์ผ่านร่างกายมนุษย์ในวงจรด้านหลังเครื่องตรวจจับ กระแสรวม RCM หรือ GFCI แตกต่างจากศูนย์ และเบรกเกอร์ตัดการทำงาน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: หากกระแสไฟบกพร่อง (I_g) ไหลลงสู่ศักย์ดินผ่านร่างกายมนุษย์ กระแสไฟฟ้ารวมของ GFCI แตกต่างจากศูนย์ และเบรกเกอร์ตัดการทำงาน (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse)

การรวมโพรบแมกนิโตมิเตอร์ฟลักซ์เกตเข้าไปในช่องของแกนวงแหวนและชดเชยฟลักซ์แม่เหล็กให้เป็นศูนย์โดยใช้คอยล์ชดเชย นอกจากนั้น CT ยังสามารถตรวจจับ DC ดิฟเฟอเรนเชียลได้อีกด้วย วิธีการนี้จะตรวจจับกระแส DC ผิดพลาดเล็กน้อยตั้งแต่ 6 mA ที่กระแสโหลด DC หนักสูงถึง 500 แอมแปร์ (A) ซึ่งแม่นยำกว่าเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์หรือตัวต้านทานชันต์

RCM มีเอาต์พุตควบคุมสำหรับตัวตัดการเชื่อมต่อ

ซีรีส์ RCM14 ของ Littelfuse เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในสายชาร์จ ICCB สำหรับ EV (โหมด 2) และสถานีชาร์จ EV (โหมด 3) มีให้เลือกใช้การตรวจจับกระแสไฟฟ้าตกค้างสามตัวเลือกตามมาตรฐาน IEC 62752 (โหมด 2), IEC 62955 (โหมด 3) และ UL 2231

RCM แต่ละตัวมี LED การทำงานหนึ่งตัวและ LED แสดงค่าผิดปกติหนึ่งตัว ขั้วต่อ JST สี่พินทำให้การติดตั้งง่ายขึ้น: พิน 1 และ 2 ใช้สำหรับแหล่งจ่ายไฟ 12 โวลต์ พิน 3 ใช้สำหรับการทดสอบฟังก์ชันภายนอก และพิน 4 เป็นเอาต์พุตสวิตชิ่งแบบโอเพ่นเดรน เพื่อขับเคลื่อนตัวตัดการเชื่อมต่อภายนอก เช่น ตัวตัด รีเลย์ที่สูงถึง 100 mA และ 24 โวลต์ (สูงสุด) (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: โมดูลซีรีส์ RCM14 มีไฟ LED แสดงสถานะ 2 ดวง และเชื่อมต่อได้ง่ายผ่านขั้วต่อ JST 4 พิน (แหล่งที่มาภาพ: Littelfuse)

RCM แบบแอคทีฟเหล่านี้ยังสามารถใช้เพื่อตรวจจับกระแสไฟตกค้าง AC และ/หรือ DC ในการติดตั้ง DC เฟสเดียวหรือหลายเฟส การทำงานแบบเฟสเดียวจำกัดกระแสโหลดไว้ที่ 100 A ในขณะที่การทำงานแบบสามเฟสอยู่ที่ 40 A สามารถรองรับพัลส์กระแสโหลดได้สูงสุด 3000 A

RCM14-01: โมดูล DC RCM 6 mA ตามมาตรฐาน IEC 62955, ช่องขนาด 14 มิลลิเมตร (mm)

เครื่องตรวจวัดกระแสตกค้าง RCM14-01 ตรวจจับกระแสไฟตรงผิดปกติในระบบ AC 50 Hz/60 Hz ซึ่งได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ในสถานีชาร์จโหมด 3 สำหรับ EV (มาตรฐาน IEC 62955) เพื่อขัดขวางวงจรการชาร์จของ EV ในกรณีที่กระแสไฟตรงผิดปกติ ≥ 6 mA อุปกรณ์ตรวจจับนี้เพิ่มฟังก์ชันการตรวจสอบกระแสไฟ DC ตกค้างให้กับ RCD ประเภท A และประเภท F ที่มีอยู่ของระบบไฟฟ้าของอาคารในลักษณะที่คุ้มต้นทุนและเรียบง่าย (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: RCM14-01 เพิ่มการตรวจสอบกระแส DC ตกค้าง ≥ 6 mA ไปยัง RCD ประเภท A ที่ไวต่อ AC ในระบบไฟฟ้าของอาคาร (แหล่งรูปภาพ: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: โมดูล AC RCM 6 mA DC/30 mA ตามมาตรฐาน IEC 62752, ช่องขนาด 14 mm

RCM14-03 ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ใน ICCB หรืออุปกรณ์ป้องกันแบบรวมสำหรับ EV ในโหมดการชาร์จ 2 เพื่อขัดขวางการจ่ายไฟให้กับ EV ในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาดของ AC หรือ DC

RCM14-04: โมดูล AC RCM 56 mA DC/20 mA ตามมาตรฐาน UL 2231-2, ช่องขนาด 14 mm

โมดูล RCM14-04 ตรวจจับกระแสข้อผิดพลาด AC และ DC ในการติดตั้ง AC 60 เฮิรตซ์ (Hz) ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ในการใช้งานสถานีชาร์จ EV ของอุปกรณ์ขัดขวางวงจรการชาร์จ (CCID) โดยจะขัดขวางการจ่ายไฟให้กับ EV ในกรณีที่มีสภาพกระแสไฟตกค้าง AC และ/หรือ DC

RCM20-01: RCM20-01 เป็นเครื่องตรวจสอบกระแสตกค้างที่มีจุดประสงค์เพื่อตรวจจับกระแสตกค้าง DC ในการติดตั้ง AC 50 Hz/60 Hz มีไว้สำหรับสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าโหมด 3 เพื่อตัดการจ่ายไฟให้กับรถยนต์ไฟฟ้าภายใต้สภาวะกระแสไฟลัดตกค้าง DC ผลิตภัณฑ์นี้สอดคล้องกับมาตรฐาน IEC 62955 อย่างสมบูรณ์

RCM20-03: RCM20-03 เป็นเครื่องตรวจสอบกระแสไฟตกค้างที่มีไว้สำหรับการตรวจจับกระแส DC และ AC ที่ตกค้างในการติดตั้ง AC 50 Hz/60 Hz มีไว้สำหรับสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าโหมด 2 เพื่อตัดการจ่ายไฟให้กับรถยนต์ไฟฟ้าภายใต้สภาวะกระแสไฟ DC และ AC ที่มีความผิดปกติ ผลิตภัณฑ์นี้เป็นไปตามมาตรฐาน IEC 62752 อย่างสมบูรณ์ และยังใช้กับการใช้งานตามมาตรฐาน IEC 62955 ที่ต้องการการตรวจจับข้อผิดพลาด AC ที่ 30 mA ได้ด้วย

สำหรับการผสานรวมในวงจรอุปกรณ์ขนาดใหญ่ โมดูล RCM ต่อไปนี้มีให้เลือกใช้เป็นระบบโอเพ่นเฟรมด้วย:

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

แต่ละระบบประกอบด้วยบอร์ด PC เซ็นเซอร์แบบบัดกรีได้และหม้อแปลงกระแสแยกกัน (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: โมดูล RCM14-04_SYS เป็นระบบโอเพ่นเฟรมที่ประกอบด้วยบอร์ด PC เซ็นเซอร์และ หม้อแปลงกระแสไฟฟ้า (แหล่งรูปภาพ: Littelfuse, Western Automation)

สรุป

RCD ประเภท A ที่ไวต่อ AC เป็นมาตรฐานการติดตั้งทั่วไปในระบบไฟฟ้าในอาคาร แต่ไม่สามารถป้องกันอันตรายจากกระแสไฟ DC ตกค้างในวงจรชาร์จ EV ได้ ดังที่แสดงไว้ข้างต้น ซีรีส์ RCM14 สามารถตรวจสอบกระแสไฟ DC ตกค้างที่จำเป็นในสายชาร์จ ICCB (โหมด 2) และสถานีชาร์จ EV (โหมด 3) ด้วยหมุดเชื่อมต่อเพียงสี่พิน ผู้ออกแบบระบบจึงสามารถใช้งานโมดูล RCM ขนาดกะทัดรัดหรือระบบโอเพ่นเฟรมใน EVSE ได้อย่างง่ายดายและคุ้มค่า