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Ladeinfrastruktur vor transienten Überspannungen schützen

| Autor / Redakteur: Holger Heckler, Axel Rüther* / Thomas Kuther

Schutz auch bei Gewitter: Ladeeinrichtungen müssen bei jedem Wetter sicher und zuverlässig funktionieren.
Schutz auch bei Gewitter: Ladeeinrichtungen müssen bei jedem Wetter sicher und zuverlässig funktionieren. (Bild: Phoenix Contact)

Ladestationen für E-Fahrzeuge müssen gegen Überspannungen geschützt werden, wie sie etwa bei einem Blitzeinschlag auftreten. In diesem Beitrag lesen Sie, was dabei zu beachten ist.

Nutzer und Betreiber von Ladestationen erwarten von diesen eine hundertprozentige Verfügbarkeit. Defekte Ladestationen bedeuten für den einen eine Einschränkung der Mobilität und für den anderen Umsatzeinbußen und Reparaturkosten. Kurzzeitige Spannungsspitzen, sogenannte transiente Überspannungen, sind für einen nicht unerheblichen Teil der Ausfälle verantwortlich. Hier helfen Schutzmaßnahmen gegen transiente Überspannungen (Aufmacherbild).

Empfindliche Elektronik in Ladeeinrichtungen

Die Ausstattung von Ladeeinrichtungen hängt stark von der Ladeart ab. Für alle Ladearten wird ein Batterieladegerät benötigt. Das Ladegerät befindet sich beim AC-Laden im Fahrzeug und beim DC-Laden in der stationären Ladeeinrichtung. Alle Ladeeinrichtungen besitzen eine Ladesteuerung. Bei AC-Ladeeinrichtungen werden Fehlerstromschutzschalter (Residual Current Device, RCD) zum Erkennen von Fehlerströmen eingesetzt, bei DC-Ladeeinrichtungen werden Isolationsüberwachungsgeräte (Insulation Monitoring Device, IMD) genutzt. Ladesäulen im öffentlichen Raum verfügen im Regelfall zudem über Bedienterminals, Abrechnungssysteme und Kommunikationseinrichtungen. In Ladeparks sind zusätzliche Einrichtungen für die Lastverteilung oder für das Energiemanagement vorhanden. All diese Komponenten reagieren empfindlich gegenüber transienten Überspannungen und müssen davor geschützt werden (Bild 1).

Gefahr durch Blitzeinwirkung und Schaltüberspannungen

Bei Ladeeinrichtungen muss immer mit indirekten Blitzeinschlägen – das sind Blitzeinschläge in der näheren Umgebung – gerechnet werden. Befinden sich die Einrichtungen außerhalb von Gebäuden, ist direkter Blitzeinschlag eher unwahrscheinlich. Hinzu kommt, dass ein umfassender Schutz gegen direkte Blitzeinschläge aufwendig ist – ein Blitzschutzsystem bestünde aus Fangeinrichtung, Ableitungen, einem geeigneten Erdungssystem, einem engmaschigen Potenzialausgleichssystem sowie blitzstromtragfähigen Überspannungs-Schutzeinrichtungen (Surge Protective Devices, SPDs) Typ 1. Deshalb wird bei den meisten Ladeparks sowie bei einzelnen Ladesäulen auf die Errichtung eines solchen Blitzschutzsystems verzichtet. Direkte Blitzeinschläge in Ladeeinrichtungen werden dabei in Kauf genommen.

Aber auch die bei indirekten Blitzeinschlägen auftretenden Spannungsspitzen auf den Versorgungs- und Datenleitungen sind meistens deutlich höher als die Stoßspannungsfestigkeit der in Ladeeinrichtungen eingesetzten Betriebsmittel sowie die Stoßspannungsfestigkeit der angeschlossenen Elektrofahrzeuge.

Bei der Planung von Ladeeinrichtungen müssen jedoch nicht nur durch Blitzeinwirkungen hervorgerufene Störungen berücksichtigt werden, sondern auch Schaltüberspannungen aus dem speisenden Niederspannungsnetz. Sie sind ein häufig auftretendes Phänomen, führen jedoch nicht zwangsläufig zu einer sofortigen Beschädigung von Betriebsmitteln. Treten Schaltüberspannungen aber häufiger auf, können elektrische und elektronische Betriebsmittel vorzeitig altern. Vereinzelt erreichen aber auch Schaltüberspannungen eine Amplitude oberhalb der Isolations- oder Stoßspannungsfestigkeit der Betriebsmittel.

Beim Auftreten hoher Spannungsspitzen aufgrund von Blitzeinschlägen oder Schaltüberspannungen können also Ladeeinrichtungen und die dazugehörigen Hilfseinrichtungen, aber auch die Elektrofahrzeuge selbst beschädigt oder gar zerstört werden. Als Folge von Überspannungen kann es unter anderem zu Kurzschlüssen kommen. Die durch Kurzschlüsse in energietechnischen Stromkreisen entstehenden Schäden sind häufig schwerwiegender als Schäden, die durch das eigentliche Überspannungsereignis hervorgerufen werden.

Während der Ableitung von Kurzschlussströmen zur Erde (Erdschlussströmen) kann es an leitfähigen geerdeten Teilen zu berührgefährlichen Spannungen kommen. Auch an berührbaren leitfähigen Teilen von Ladesäulen oder an leitfähigen geerdeten Teilen von Elektrofahrzeugen können dann berührgefährliche Spannungen auftreten.

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Ladestationen richtig schützen

Die Wahrscheinlichkeit von berührgefährlichen Spannungen, die durch Spannungsspitzen mit nachfolgenden Erdschlussströmen verursacht werden, kann durch den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten wirksam verringert werden. Meist reicht es aus, Ladeeinrichtungen und Elektrofahrzeuge so zu schützen, dass sie indirekte Blitzeinschläge und Schaltüberspannungen aus dem Stromnetz schadlos überstehen.

Schutz durch Überspannungs-Schutzeinrichtungen

Überspannungs-Schutzeinrichtungen schützen wirkungsvoll gegen transiente Ereignisse aus blitzbedingten Überspannungen (Blitz-Stoßspannungen), blitzbedingten Überströmen (Blitz-Stoßströme) und Schaltüberspannungen. Durch den Einsatz von Überspannungs-Schutzeinrichtungen werden folgende Schutzwirkungen erzielt:

  • Blitzbedingte Stoßströme werden so „umgeleitet“, dass es nicht zu einer übermäßigen Erwärmung von Leitern kommt.
  • Blitzbedingte Überspannungen werden für nachgelagerte Stromkreise so begrenzt, dass die Isolations- und Spannungsfestigkeit von zu schützenden Betriebsmitteln nicht überschritten wird und es nicht zu gefährlicher Funkenbildung oder zu hierdurch hervorgerufenen Kurzschlüssen kommt.
  • Schaltüberspannungen werden so begrenzt, dass eine vorzeitige Alterung von elektronischen Geräten möglichst vermieden wird.

Der räumliche Aufbau sowie die Anordnung der elektrischen Betriebsmittel in einem Ladepark haben einen großen Einfluss auf die jeweils zu erwartende Belastung durch Stoßspannungen und Stoßströme. Deswegen sollte für jeden Ladepark eine Gefährdungsbewertung durchgeführt werden. Nur so können geeignete Überspannungsschutzgeräte ausgewählt werden und die bestmöglichen Einbauorte gefunden werden.

Ist mit direkten Blitzeinschlägen zu rechnen, sollten die energietechnischen Leitungen mit leistungsstarken Überspannungs-Schutzeinrichtungen Typ 1 – sogenannten Blitzstromableitern – in den Potenzialausgleich eingebunden werden. Ist kein äußerer Blitzschutz vorhanden oder geplant, sind kostengünstigere Überspannungs-Schutzeinrichtungen vom Typ 2 – sogenannte Überspannungsableiter – die optimale Lösung (Bild 2).

In den Ladesäulen werden außerdem zahlreiche Komponenten mit 24 VDC versorgt. Der Schutz der 24-V-Hilfsspannung ist zum Beispiel mit einer Überspannungs-Schutzeinrichtung Typ 3 möglich. In Ladeparks und bei Ladesäulen im öffentlichen Raum sind im Regelfall auch Komponenten für die Kommunikation mit einem Abrechnungs- oder Gebäudemanagementsystem vorhanden. Zu diesem Zweck wird zum Beispiel eine Ethernet-Verbindung eingesetzt – zum Schutz dieser Verbindung wird dann eine Überspannungs-Schutzeinrichtung vom Typ D1 empfohlen (Bild 3).

Der Aufbau von Ladeparks und Ladesäulen kann deutlich komplexer sein als in dem Bildbeispiel oben. Bei der Risikobewertung müssen deshalb alle Leitungen und Betriebsmittel mit betrachtet werden, bei denen eine Gefährdung durch Überspannungen zu erwarten ist. Dazu gehören folgende Komponenten:

  • Ist ein eigener Trafo vorhanden, so gibt es immer eine Niederspannungs-Schaltanlage.
  • Bei komplexeren Ladeeinrichtungen und Ladeparks sind immer Steuerleitungen für das Energiemanagement vorhanden.
  • DC-Schnellladeeinrichtungen können mit zusätzlichen zentralen Kühleinrichtungen oder mit Kühleinrichtungen in Ladesäulen ausgestattet sein.
  • DC-Speicher mit Pufferbatterien und DC/DC- oder DC/AC-Wandlern.

Normative Anforderungen an Schutzeinrichtungen

Bei privaten Ladeeinrichtungen obliegt es dem Eigentümer, in welchem Umfang er die beschriebenen Schutzmaßnahmen umsetzt. Im öffentlichen und halböffentlichen Raum muss jedoch die VDE 0100-722 beachtet werden. Zum Schutz bei transienten Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen sind hier Schutzmaßnahmen an öffentlich zugänglichen Anschlusspunkten vorgeschrieben.

Auch die deutschen Versicherer haben hierzu in ihrer Publikation VdS 3471 zur Schadensverhütung bei Ladestationen für Elektrostraßenfahrzeuge Stellung bezogen und leiten aus den normativen Anforderungen eine Empfehlung für den Einsatz von Überspannungs-Schutzeinrichtungen ab.

* Dipl.-Ing. Holger Heckler ... Produktmarketing Blitz- und Überspannungsschutz Trabtech, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg.

* Dipl.-Ing. Axel Rüther Vertriebsmarketing Elektronik, Phoenix Contact Deutschland GmbH, Blomberg.

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