Ladeinfrastruktur vor transienten Überspannungen schützen

Die Ausstattung von Ladeeinrichtungen hängt stark von der Ladeart ab und für jede ist ein Batterieladegerät notwendig. Beim AC-Laden befindet es sich im Fahrzeug, beim DC-Laden dagegen in der stationären Ladeeinrichtung, wobei alle Ladeeinrichtungen eine Ladesteuerung besitzen. Bei AC-Ladeeinrichtungen setzen Entwickler auf Fehlerstromschutzschalter (Residual Current Device, RCD), um Fehlerströme zu erkennen. Bei DC-Ladeeinrichtungen kommen dagegen Isolationsüberwachungsgeräte (Insulation Monitoring Device, IMD) zum Einsatz. 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, weshalb ein zusätzlicher Schutz erforderlich ist.

Gefährdung durch Blitzeinwirkung und Schaltüberspannungen

Bild 1: Schutz auch bei Gewitter: Ladeeinrichtungen müssen bei jedem Wetter sicher und zuverlässig funktionieren. Phoenix Contact

Bei Ladeeinrichtungen müssen Entwickler immer mit indirekten Blitzeinschlägen – das sind Blitzeinschläge in der näheren Umgebung – rechnen. Befinden sich die Einrichtungen außerhalb von Gebäuden, ist direkter Blitzeinschlag eher unwahrscheinlich. Hinzu kommt, dass ein umfassender Schutz gegen direkte Blitzeinschläge aufwendig ist, denn so ein System besteht aus Fangeinrichtung, Ableitungen, einem geeigneten Erdungssystem, einem engmaschigen Potentialausgleichssystem sowie blitzstromtragfähigen Überspannungsschutzeinrichtungen (Surge Protective Device, SPD) Typ 1. Deshalb verzichten viele Betreiber von Ladeparks oder einzelnen Ladesäulen darauf, ein solches Blitzschutzsystem einzurichten. Direkte Blitzeinschläge nehmen sie dabei in Kauf.

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 und angeschlossenen Elektrofahrzeuge.

Bei der Planung von Ladeeinrichtungen müssen Entwickler jedoch nicht nur durch Blitzeinwirkungen hervorgerufene Störungen berücksichtigen, 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.

Bild 2: Ladestation für AC-Laden im öffentlichen Bereich: Überspannungsschutzgeräte schützen die sensiblen elektronischen Komponenten. Phoenix Contact

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.

Die Wahrscheinlichkeit von berührgefährlichen Spannungen, ausgelöst durch Spannungsspitzen mit nachfolgenden Erdschlussströmen, lässt sich durch den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten wirksam verringern. Meist reicht es aus, Ladeeinrichtungen und Elektrofahrzeuge so zu schützen, dass sie indirekte Blitzeinschläge und Schaltüberspannungen aus dem Stromnetz schadlos überstehen.

Wirksamer Schutz durch Überspannungsschutzeinrichtungen

Überspannungsschutzeinrichtungen schützen wirkungsvoll gegen transiente Ereignisse aus blitzbedingten Überspannungen (Blitz-Stoßspannungen), blitzbedingten Überströmen (Blitz-Stoßströme) und Schaltüberspannungen. Überspannungsschutzeinrichtungen bieten folgende Schutzwirkungen:

• Blitzbedingte Stoßströme umleiten, sodass es nicht zu einer übermäßigen Erwärmung von Leitern kommt.
• Blitzbedingte Überspannungen für nachgelagerte Stromkreise so begrenzen, 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 so begrenzen, 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 sollten Halter von Ladeparks eine Gefährdungsbewertung durchführen. Nur so lassen sich geeignete Überspannungsschutzgeräte auswählen und die bestmöglichen Einbauorte finden.

Ist mit direkten Blitzeinschlägen zu rechnen, sollten Entwickler die energietechnischen Leitungen mit leistungsstarken Überspannungsschutzeinrichtungen Typ 1, sogenannten Blitzstromableitern, in den Potentialausgleich einbinden. Ist kein äußerer Blitzschutz vorhanden oder geplant, sind Überspannungsschutzeinrichtungen Typ 2, sogenannte Überspannungsableiter, eine Alternative (Bild 3).

Bild 3: SPD Typ 2: Das Gerät VAL-SEC-T2-3S-350-FM von Phoenix Contact wurde für geerdete 230/400-VAC-Stromversorgungssysteme konzipiert. Phoenix Contact

In den Ladesäulen werden außerdem zahlreiche Komponenten mit 24 V_DC versorgt. Der Schutz der 24-V-Hilfsspannung kann zum Beispiel mit einer Überspannungsschutzeinrichtung Typ 3 erfolgen. 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 greifen Entwickler deshalb oft auf eine Ethernet-Verbindung zurück. Zum Schutz dieser Verbindung liegt es nahe, auf eine Überspannungsschutzeinrichtung vom Typ D1 zurückzugreifen (Bild 4).

Der Aufbau von Ladeparks und Ladesäulen kann deutlich komplexer sein als in Bild 2. 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 Niederspannungsschaltanlage.
• 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

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.

Bild 4: SPD Typ D1: Das Gerät DT-LAN-CAT.6+ von Phoenix Contact schützt die Ethernet-Leitungen. Phoenix Contact

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 Überspannungsschutzeinrichtungen ab.

Fazit

Überspannungsschutzeinrichtungen erhöhen die Verfügbarkeit der Ladeinfrastruktur und schützen zusätzlich die angeschlossenen Elektrofahrzeuge. Phoenix Contact bietet für alle Anwendungsfälle beim AC- oder DC-Laden geeignete Lösungen – in den Bereichen elektrische Energietechnik, Mess-, Steuer- und Regelungstechnik sowie für datentechnische und informationstechnische Einrichtungen.

(prm)