Ochrona przed przepięciami stacji ładowania pojazdów elektrycznych
Na koniec sierpnia 2025 liczba zarejestrowanych pojazdów z napędem elektrycznym w Polsce przekroczyła 100 tys. sztuk. Równolegle z liczbą pojazdów, rozwija się infrastruktura ładowania. Obecnie w Polsce zainstalowanych jest ponad 10 tys. ogólnodostępnych punktów ładowania. Stacje ładowania jako element infrastruktury budowlanej, winny być objęte ochroną przed skutkami przepięć i wyładowań atmosferycznych. Poniższy artykuł omawia wymogi w tym zakresie prezentując dobre praktyki.
Spis treści
Zagrożenia związane z eksploatacją pojazdów elektrycznych i towarzyszącej im infrastruktury
Współczesne środki transportu elektrycznego – takie jak samochody, skutery, hulajnogi czy rowery – w przeważającej większości wykorzystują akumulatory litowo-jonowe jako podstawowe źródło energii. Ich zadaniem jest magazynowanie energii elektrycznej oraz zasilanie układów napędowych pojazdu. Mimo licznych zalet, takich jak wysoka gęstość energii, akumulatory te charakteryzują się również istotnymi ograniczeniami, które mogą prowadzić do zagrożeń eksploatacyjnych.
Jednym z kluczowych ryzyk jest możliwość wystąpienia samozapłonu ogniwa w wyniku jego przeładowania, co może być skutkiem awarii układu ładowania. Aby zminimalizować to ryzyko, stosuje się dedykowane układy zabezpieczające – najczęściej w formie scalonych kontrolerów BMS (Battery Management System). Ich funkcje obejmują monitorowanie parametrów pracy ogniw, takich jak napięcie, prąd i temperatura, oraz aktywne reagowanie w przypadku przekroczenia wartości granicznych.
W sytuacji, gdy dojdzie do przeładowania, nadmiernego rozładowania lub przekroczenia dopuszczalnego prądu ładowania/rozładowania, może nastąpić gwałtowny wzrost temperatury wewnętrznej ogniwa, prowadzący do ucieczki termicznej (thermal runaway). Zjawisko to stanowi poważne zagrożenie pożarowe i wymaga zastosowania odpowiednich mechanizmów detekcji oraz odcięcia zasilania w celu zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika i infrastruktury.
Impuls przepięciowy wywołany przez uderzenie pioruna w pobliżu sieci elektroenergetycznej rozprzestrzenia się w tej sieci bez istotnego tłumienia. W rezultacie wartość przepięcia, jaka może pojawić się w instalacji niskiego napięcia, może przekroczyć dopuszczalne poziomy napięcia udarowego określone w normach IEC 60664-1 oraz IEC 60364. Ponieważ pojazd elektryczny jest projektowany zgodnie z kategorią przepięciową II według normy IEC 17409, powinien być chroniony przed przepięciami przekraczającymi wartość 2,5 kV.
Co to jest ogranicznik przepięć i jak działa?
W związku z tym norma PN-EN 60364-7-722 wymaga, aby infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) instalowana w miejscach dostępnych publicznie była zabezpieczona przed przepięciami. Ochrona ta jest realizowana poprzez zastosowanie ogranicznika przepięć typu 1 lub typu 2 (SPD), zgodnego z normą PN-EN 61643-11, zainstalowanego w rozdzielnicy zasilającej pojazd elektryczny lub bezpośrednio w stacji ładowania, przy poziomie ochrony Up ≤ 2,5 kV.
Projektowanie ochrony przed przepięciami infrastruktury ładowania
Podstawę realizacji ochrony systemu ładowania pojazdów przed wyładowaniem piorunowym stanowi seria norm PN-EN 62305 dotyczących ochrony odgromowej. Składa się ona z czterech oddzielnych części. W pierwszej mowa jest o zagrożeniach i ogólnych zasadach ochrony obiektów od wyładowań piorunowych. Druga część dotyczy ryzyka związanego z wyładowaniami piorunowymi. Trzecia informuje, jak chronić się przed bezpośrednim i pośrednim wyładowaniem piorunowym. Część czwarta opisuje sposób ochrony układów elektrycznych i elektronicznych wewnątrz obiektów. Przystępując do projektowania systemu ochrony urządzenia, należy przeanalizować potencjalne zagrożenia. Prąd pioruna może być źródłem uszkodzeń w infrastrukturze ładowania pojazdów elektrycznych.
Najczęściej popełniany błąd polega na pominięciu analizy ryzyka przy projektowaniu, tj. analizy scenariuszy możliwych zdarzeń związanych z wyładowaniem piorunowym. Pomijając tę część, pomijamy zagrożenia, ale także ochronę. Zwiększamy ryzyko uszkodzeń budowanego obiektu. Jeśli czynimy to świadomie, to w pewien sposób zgadzamy się na uszkodzenia i awarie.
Co to jest LPS?
LPS to urządzenie piorunochronne opisane w PN-EN 62305-1:2011. Jest to kompletne urządzenie stosowane do redukcji szkód fizycznych powodowanych wyładowaniami piorunowymi w obiekt. Składa się z zewnętrznego i wewnętrznego urządzenia piorunochronnego.
W uproszczeniu:
- LPS zewnętrzy (zewnętrzne urządzenie piorunochronne), czyli zewnętrzna instalacja odgromowa
- LPS wewnętrzny (wewnętrzne urządzenie piorunochronne), czyli ochrona przeciwprzepięciowa, ochrona przed napięciami rażeniowymi (dotykowymi i krokowymi), kompatybilność elektromagnetyczna EMC.
Ochrona infrastruktury ładowania znajdującej się w budynku nie wyposażonym w zewnętrzny LPS
W przypadku gdy budynek nie jest wyposażony w zewnętrzny system ochrony odgromowej (LPS):
- W rozdzielnicy głównej niskiego napięcia (RG) należy zastosować ogranicznik przepięć typu 2 (SPD).
- Każda stacja ładowania powinna być zasilana osobno
- Dodatkowy ogranicznik przepięć typu 2 (SPD) powinien być zainstalowany w każdej stacji ładowania (lub w podrozdzielnicy), chyba że odległość od głównej rozdzielnicy do stacji wynosi mniej niż 10 metrów.
- W przypadku stosowania komunikacji przewodowej (np. ETHERNET), instalacja teletechniczna również powinna być zabezpieczona ogranicznikami przepięć dedykowanymi do teletechniki
Ochrona infrastruktury ładowania znajdującej się w budynku wyposażonym w zewnętrzny LPS
W przypadku gdy budynek jest wyposażony w system ochrony odgromowej (LPS):
- W rozdzielnicy głównej niskiego napięcia (RG) należy zastosować ogranicznik przepięć typu 1+2 (SPD).
- Każda stacja ładowania powinna być zasilana z osobnego obwodu.
- Dodatkowy ogranicznik przepięć typu 2 (SPD) powinien być zainstalowany w każdej stacji ładowania (lub w podrozdzielnicy), chyba że odległość od głównej rozdzielnicy do stacji wynosi mniej niż 10 metrów.
- W przypadku stosowania komunikacji przewodowej (np. ETHERNET), instalacja teletechniczna również powinna być zabezpieczona ogranicznikami przepięć dedykowanymi do teletechniki
Ochrona infrastruktury ładowania znajdującej się poza budynkiem niebędącym wyposażony w zewnętrzny LPS
W tym przykładzie:
- W rozdzielnicy niskiego napięcia głównej (RG) należy zastosować ogranicznik przepięć typu 2 (SPD).
- Dodatkowy ogranicznik przepięć typu 2 (SPD) jest wymagany w podrozdzielnicy (REV) gdy odległość >10 m od RG).
- W przypadku stosowania komunikacji przewodowej (np. ETHERNET), instalacja teletechniczna również powinna być zabezpieczona ogranicznikami przepięć dedykowanymi do teletechniki
Gdy stacja ładowania jest połączona z konstrukcją budynku:
- należy objąć stacje połączeniami wyrównawczymi
- jeśli stacja ładowania znajduje się w odległości mniejszej niż 10 m od podrozdzielnicy REV lub jeśli ogranicznik typu 2 zainstalowany w podrozdzielnicy ma poziom ochrony Up < 1,25 kV (przy I(8/20) = 5 kA), nie ma potrzeby instalowania dodatkowych SPD w stacji ładowania
Gdy stacja ładowania jest zainstalowana na parkingu i zasilana linią kablową prowadzoną pod ziemią:
- każda stacja ładowania powinna posiadać osobny uziom,
- każda stacja ładowania powinna być objęta wyrównaniem potencjałów
- należy zainstalować ogranicznik przepięć typu 2 (SPD) w każdej stacji ładowania
Ochrona infrastruktury ładowania znajdującej się poza budynkiem będącym wyposażony w zewnętrzny LPS
W takim przypadku:
- W rozdzielnicy głównej niskiego napięcia (RG) należy zastosować ogranicznik przepięć typu 1 (SPD).
- Dodatkowy ogranicznik przepięć typu 2 (SPD) jest wymagany w podrozdzielnicy REV jeśli odległość >10 m od RG
- W przypadku stosowania komunikacji przewodowej (np. ETHERNET), instalacja teletechniczna również powinna być zabezpieczona ogranicznikami przepięć dedykowanymi do teletechniki
Gdy stacja ładowania jest połączona z konstrukcją budynku:
- należy objąć stację połączeniami wyrównawczymi
- jeśli stacja ładowania znajduje się w odległości mniejszej niż 10 m od podrozdzielnicy REV lub jeśli ogranicznik typu 2 zainstalowany w podrozdzielnicy REV ma poziom ochrony Up < 1,25 kV (przy I(8/20) = 5 kA), nie ma potrzeby dodawania dodatkowych SPD w stacji ładowania
Gdy stacja ładowania jest zainstalowana na parkingu i zasilana linią kablową prowadzoną pod ziemią:
- każda stacja ładowania powinna być wyposażona w osobny uziom,
- każda stacja ładowania powinna być objęta wyrównaniem potencjałów i połączona z uziemieniem budynku
należy zainstalować ogranicznik przepięć typu 1+2 (SPD) w każdej stacji ładowania
Podsumowanie
Elektromobilność to stosunkowo nowa dziedzina niosąca ze sobą wiele zmian i wyzwań. Jednym z nich jest zapewnienie bezpieczeństwa eksploatującego przy ryzyku porażenia i pożaru. Projektujący ma do wyboru szereg rozwiązań w zakresie środków ochrony przed skutkami przepięć i wyładowań atmosferycznych, które winien dobrać z uwzględnieniem specyfiki instalacji i stacji ładowania
Bibliografia:
- Ustawa z dnia 7 lipca 1994 roku Prawo budowlane [Dz. U. z 2013 roku poz. 1409 z późniejszymi zmianami]
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2012 roku, w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [Dz. U. z 2015 roku poz. 1422]
- Ustawa z dnia 11 stycznia 2018 r. o elektromobilności i paliwach alternatywnych wraz z jej późniejszymi zmianami.
- Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 26 czerwca 2019 r. w sprawie wymagań technicznych dla stacji ładowania i punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego wraz z późniejszymi zmianami.
- N SEP E 002 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych. Podstawy planowania.
- PN-EN 62305-1:2011 Ochrona odgromowa. Część 1. wymagania ogólne.
- PN-EN 62305-2: 2011 Ochrona odgromowa. Część 2. Zarzadzanie rysikiem.
- PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa. Część 3. Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia.
- PN-EN 62305-4:2011 – Ochrona odgromowa — Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach
- PN-HD 60364-4-442:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 4-442: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa — Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przepięciami dorywczymi powstającymi wskutek zwarć doziemnych w układach po stronie wysokiego i niskiego napięcia
- PN-HD 60364-4-443:2016-03 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część: 4-443: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa — Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi — Ochrona przed przejściowymi przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi
- PN-HD 60364-7-722 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 7-722: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji — Zasilanie pojazdów elektrycznych
- PN-EN IEC 62196-1:2023-07 Wtyczki, gniazda wtyczkowe, złącza pojazdowe i wtyki pojazdowe — Przewodowe ładowanie pojazdów elektrycznych — Część 1: Wymagania ogólne
- IEC 60755-1 General safety requirements for residual current operated protected devices – Part 1: Residual current operated protective devices for DC systems,
- IEC TS 63053 General requirements for residual current operated protective devices for DC systems
- IEC 60755-1:2022-10 General safety requirements for residual current operated protected devices – Part 1: Residual current operated protective devices for DC systems.
- Wiatr, M. Orzechowski –Poradnik projektanta Elektryka – DW MEDIUM 2012
wydanie V - Czapp S.: Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach i instalacjach niskiego napięcia. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2023.
- Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa w infrastrukturze ładowania pojazdów elektrycznych 2024 Urząd Dozoru Technicznego
- https://kanalelektryczny.pl/podstawy-elektromobilnosci/ dostęp 06.03.2025
- https://kanalelektryczny.pl/zabezpieczenia-do-stacji-ladowania-pojazdow-elektrycznych/ dostęp 06.03.2025
Sterowanie ładowaniem auta elektrycznego w uzależnieniu od cen energii
Ochrona przed przepięciami stacji ładowania pojazdów elektrycznych
