Opladning af elbiler med 3 faser kræver ekstra beskyttelse i husstandens elinstallation

Hvis en kommende Renault Zoe-ejer ønsker at udnytte bilens super ladesystem ved at installere en 11 kW hjemmelader, som benytter 3 faser, så må han punge ud med 5.000 kr ekstra til et specielt HPFI relæ. Fejl i elbilers 3 fasede elektroniske ladere kan nemlig sætte husets eksisterende HPFI-relæ ud af drift.

af Per Praëm - Dansk Elbil Komité (21-februar-2013)

I henhold til lovgivningen skal alle danske husstande være forsynet med et fejlstrømrelæ (også kaldet et HPFI-relæ), som skal afbryde strøm ved overgang i de tilsluttede elektriske apparater. Elektroniske omformere, som benytter 3 faser, kan imidlertid i visse fejlsituationer gøre almindelige HPFI-relæer funktionsløse.

Det skyldes, at disse relæer kun kan reagere på fejlstrømme, som har karakter af vekselstrøm (AC). En jævnstrømsfejlstrøm får ikke relæet til at slå fra, men hvad meget værre er at en DC fejlstrøm kan sætte HPFI-relæet skakmat, så det også holder op med at slå fra ved samtidige AC-fejlstrømme.

Det betyder kort fortalt, at hvis en bruger er så uheldig at der både er fejl i hans elbil og f.eks. også er overgang i hans vaskemaskine, så kan få et (farligt) stød ved at røre ved vaskemaskinen.

Hvad er et HPFI-relæ og hvordan virker det?
HPFI-relæet er en fejlstrømsafbryder, en beskyttelseskomponent i det elektriske system, som er påkrævet i bl.a. boliginstallationer. Den simple forklaring på et HPFI-relæ's virkemåde er, at relæet overvåger om strømmen, der kommer ind i et elektrisk apparat, svarer til den strøm, der går ud igen.

Elektriske fejlsituationer vil ofte skabe en ubalance i dette forhold, f.eks. når en person, der rører ved en spændingsførende del og får elektrisk stød. En del af strømmen vil i dette tilfælde, i stedet for at returnere gennem ledningerne, blive afledt til jord. Et i installationen siddende HPFI-relæ vil koble elektriciteten fra, såfremt fejlstrømmen er tilstrækkelig stor i relation til fejlstrømsrelæets mærkeudløsestrøm.

Sumstrømstransformeren og afbrydermekanismen
På figuren herunder ses det, at de spændingsførende ledninger går igennem en form for cirkel (3). Der er tale om, at de føres gennem en sumstrømstransformer, hvor de udgør primærviklingen. Sumstrøms-transformeren er den del af fejlstrømsafbryderen, der detekterer en evt. fejlstrøm.

I et elektrisk kredsløb uden afledninger er det karakteristisk, at den vektorielle sum af strømmene i de involverede forsyningsledninger, her fase og nul, er lig nul. Det betyder i praksis, at der i en fejlfri installation ikke induceres nogen spænding i sumstrømstransformeren, hvorfor der i transformerens sekundærviklinger (2) heller ikke er nogen strøm at gøre godt med til at udløse udkoblingsmekanismen (1)., som er skitseret ude til højre.

Det omvendte er tilfældet i en fejlramt installation, hvor fejlen består i en strømafledning. Den vektorielle sum af strømmene gennem relæet vil i denne situation være forskellig fra nul, og der vil induceres en spænding i sekundærviklingen (2). Afhængig af fejlstrømmens størrelse vil den inducerede spænding give tilstrækkelig energi til at effektuere udkoblingsmekanismen og den tilsluttede strømkreds gøres strømløs.

Afbryderen (4) er relæets prøveknap, som når den lukkes, bevidst fremkalder en ubalance og derved skulle få relæet til at udkoble. I praksis vil installationen være 3-faset installation. Ved en 3-faset HPFI afbryder går der blot 4 ledninger gennem sumstrømstansformatoren, og afbryderen vil være 4-polet, men for ikke at gøre forklaringen og figuren for kompleks, så han jeg valgt at illustrere en 1-faset HPFI-afbryder.

Transformatorer kræver vekselspænding for at fungere
I et 50 Hz vekselspændingssystem (AC) er ledningerne strømløse 100 gange hver sekund, og det er netop det der gør at transformatorer kan virke - dette gælder også for vores sumstrømstransformator. Hvis man sender en jævnstrøm ind i en transformator, så kommer der ingen spænding ud på den anden side. Det skyldes jernet i transformatorens jernkerne går i magnetisk mætning.

Den moderne elbilsoplader
Figuren herunder viser et blokdiagram for en moderne 3-faset switch-mode oplader i en elbil. I en switch-mode oplader (eller strømforsyning) ensretter man først netspændingen til en jævnstrøm, som man efterfølgende elektronisk "hakker" i stykker til en pulserende vekselstrøm med meget højere frekvens. Dette bevirker at den efterfølgende isolationstransfomator bliver meget mindre og lettere i forhold til hvor stor den skulle have været, hvis man blot havde benyttet nettets 50 Hz frekvens.

På figuren er mulige veje for fejlstrømme skitseret med modstande og kondensatorer. Det er DC lækstrømmen, som kan forekomme ved kredsløbsfejl efter ensretteren, som er den problematiske. Det er denne DC-lækstrøm, som kan gøre et almindeligt HPFI-relæ "blindt" ved at få jernkernen i dets sumstrømtransformator til at gå i mætning.

Da man ikke med sikkerhed kan afgøre hvilken vej, en DC-fejlstrøm fra elbilen vil tage på sin videre vej tilbage gennem nettet, kan den i værste fald løbe gennem husstandens normale HPFI-relæ og gøre dette blindt også. Ved en samtidig jordfejl i f.eks. en vaskemaskine, så kan en person, som berører denne, få et elektrisk stød, som HPFI-relæet ikke yder beskyttelse mod.

En 3-faset ladeboks skal have sit eget HPFI relæ af type B
HPFI relæer er inddelt i tre typer: type AC, type A og type B. Type AC var det, som i gamle dage blev kaldt et HFI relæ. Denne type reagerer udelukkende på fejlstrømme, som er af vekselspændingsmæssig karakter - deraf navnet AC. Type A kan ud over AC også håndtere pulserende jævnstrøm - P-et i HPFI relæ står for "Pulserende". Siden 2006 har alle fejlstrømsrelæer i danske husstande skulle være af HPFI-typen dvs. type A.

Med sin 3-fasede oplader introducere elbilen en ny type "el-apparat", som ikke før har været set i almindelige husholdninger, og som derfor ikke er forberedt på at kunne håndtere de nye typer fejlsituationer, som det kan medfører.

Derfor må elbilsejeren bide i det sure æble, og punge ud med de ca. 5.000 kr ekstra, som et HPFI relæ af type B koster mere i forhold til det noget billigere type A relæ.

Renault stiller krav om type B relæ
I forbindelse med den kommende introduktion af Renault Zoe i Danmark har Renault startet et certificeringsprogram, som de kalder" ZE-ready". Her må der kun benyttes ladebokse, som Renault har godkendt til opladning af Zoe'en og der skal være HPFI relæ af B-typen i installationen - ellers kan den ikke blive godkendt som ZE-ready.

Så vidt vides, så er ingen at de andre elbilfabrikanter af elbiler med 3-faset oplading begyndt at stille tilsvarende krav. Her tænker jeg først og fremmest på Mercedes/Smart, men også Tesla model S, som i Europa vil komme med 3-faset ladekabel.