Elektrikli Araç (EV) Şarj İstasyonlarında Topraklama

Bir EV şarj istasyonunda topraklama, yalnızca şarj cihazının gövdesini değil, şarj sırasında koruma iletkeni (PE) üzerinden ona bağlanan aracın tüm metal gövdesini korur. Bu nedenle şarj noktalarında topraklama, sıradan bir priz devresinden daha sıkı kurallara tabidir: TN sistemlerde son devrede PEN iletkeni kullanılmaz, her şarj noktasına ayrı kaçak akım koruması konur ve DC kaçak akımlar ayrıca algılanır.

Şarj sırasında araç, kauçuk lastikler üzerinde duran büyük bir I. sınıf cihaz gibidir. Gövdesi yalnızca şarj kablosundaki PE iletkeni üzerinden toprağa bağlıdır. Bu bağlantı kesildiğinde ya da topraklama sistemi yanlış kurulduğunda, araca dokunan bir kişi ile ayağının bastığı zemin arasında tehlikeli bir dokunma gerilimi oluşabilir.

İlginizi Çekebilir:Parafudr Nedir?

Bu makalede şarj istasyonlarında topraklama sistemi seçimini, kaçak akım korumasını, potansiyel dengelemeyi ve sahada en sık karşılaşılan hataları IEC 60364-7-722 ve ilgili standartlar çerçevesinde ele alıyoruz.

Topraklama sistemleri ve PEN kopması riski

Şarj noktasının hangi topraklama sistemiyle besleneceği, tasarımın ilk kararıdır. Üç sistem sahada en sık karşılaşılanlardır:

PEN kopması neden tehlikelidir?

TN-C-S sistemde PEN iletkeni, binanın ana topraklama barasına bağlıdır. Şebeke tarafında PEN koptuğunda, nötr akımı geri dönüş yolu bulamaz ve tesisteki tüm PE iletkenleri faz gerilimine yaklaşabilir. Ev içinde bu durum, potansiyel dengelemesi nedeniyle çoğu zaman fark edilmez. Ancak şarj edilen araç dışarıdadır ve araca dokunan kişi, gerçek toprak potansiyelindeki zemine basmaktadır.

Kaçak akım rölesi bu durumda devreye girmez, çünkü ortada bir kaçak akım yoktur; tüm sistemin referans potansiyeli kaymıştır.

IEC 60364-7-722 bu nedenle şarj noktasını besleyen son devrede PEN iletkeni kullanılmamasını şart koşar. TN-C-S beslemeli tesislerde uygulanan başlıca çözümler şunlardır:

• PEN kopma algılama cihazı: PE ile toprak arasındaki gerilimi izler, sınır aşıldığında şarj noktasının faz, nötr ve PE bağlantısını keser.
• Şarj noktası için yerel TT sistemi: Şarj noktasına ayrı bir topraklama elektrodu kurulur ve bu elektrot binanın TN topraklamasıyla tehlikeli bir temas oluşturmayacak mesafede tutulur.
• Şarj cihazına entegre koruma: Bazı cihazlar PEN kopması durumunda kendi kontaktörünü açacak şekilde tasarlanmıştır; üretici belgesiyle doğrulanmalıdır.

Kaçak akım koruması: neden Tip AC yetmez?

IEC 60364-7-722’ye göre her şarj noktası, en fazla 30 mA anma kaçak akımlı ve yalnızca o noktayı besleyen ayrı bir kaçak akım koruma cihazıyla (RCD) korunmalıdır. Birden fazla şarj noktasını tek bir RCD’ye bağlamak, hem seçiciliği bozar hem de toplam kaçak akım nedeniyle istenmeyen açmalara yol açar.

Araç içi şarj cihazları güç elektroniği içerir ve arıza durumunda düzgün (smooth) DC kaçak akım üretebilir. 6 mA’in üzerindeki DC kaçak akım, AC ve A tipi RCD’lerin manyetik çekirdeğini doyuma götürür. Bu durumda RCD, gerçek bir AC arızasında bile açmayabilir; yani koruma kör kalır.

Bu nedenle standart, DC kaçak akıma karşı ek önlem ister:

Tasarımda iki şey birlikte kontrol edilmelidir: şarj cihazının veri sayfasında entegre 6 mA DC algılamanın bulunup bulunmadığı ve panoda seçilen RCD tipinin bu bilgiyle uyumlu olup olmadığı. Tip AC RCD’ler şarj noktalarında kullanılmamalıdır.

Aşırı akım koruması için de her şarj noktası kendi devresine sahip olmalıdır. Şarj, saatlerce sürebilen sürekli bir yük olduğu için kablo kesiti ve koruma elemanı, sürekli anma akımına göre seçilmelidir.

Topraklama elektrodu ve potansiyel dengeleme

TT sistemde elektrot direnci

TT sistemde bir yalıtım hatasında oluşan dokunma gerilimi, elektrot direnci ile kaçak akımın çarpımıdır. Koruma şartı şöyle ifade edilir:

R_A \cdot I_{\Delta n} \leq 50\ \text{V}

Burada RA, topraklama elektrodu ve koruma iletkenlerinin toplam direnci, IΔn ise RCD’nin anma kaçak akımıdır. 30 mA’lik bir RCD için formül teorik olarak oldukça yüksek bir direnci kabul eder. Ancak bu değer bir hedef değil, en kötü durum sınırıdır. Mevsimsel kuruma ve donma, bağlantı korozyonu ve aynı elektrodun parafudr ve yıldırım akımı için de kullanılması gibi nedenlerle tasarımda çok daha düşük bir direnç hedeflenmelidir.

Hızlı şarj sahalarında topraklama ağı

Otopark, akaryakıt istasyonu veya otoyol tesisi gibi çok noktalı şarj sahalarında tek bir kazık yerine bütünleşik bir topraklama ağı kurulur:

• Temel topraklaması veya halka topraklama: Kanopi ve şarj adalarının etrafını çevreleyen halka elektrot, saha genelinde eş potansiyel bir zemin oluşturur.
• Ana topraklama barası (MET): Trafo, ana dağıtım panosu, şarj cihazları ve halka elektrot tek bir barada birleşir.
• Potansiyel dengeleme: Şarj cihazı gövdeleri, kanopi çelik konstrüksiyonu, aydınlatma direkleri, metal bariyerler ve kablo kanalları dengeleme iletkenleriyle bu sisteme bağlanır.

Yıldırımdan korunma ile ilişki

Açık alandaki kanopiler ve yüksek direkler doğrudan yıldırım düşmesine açıktır. IEC 62305-3’e göre kurulan dış yıldırımdan korunma sisteminin iniş iletkenleri aynı topraklama ağına bağlanmalıdır. Ayrı ve birbirinden yalıtılmış topraklama sistemleri, yıldırım anında aralarında yüksek gerilim farkı oluşturur ve bu fark şarj cihazlarının elektroniği üzerinden boşalır.

Topraklama ağı, parafudrların da çalışma zeminidir. Ana dağıtım panosunda Tip 1 veya Tip 1+2, şarj cihazı girişinde Tip 2 parafudr ve iletişim hatlarında (Ethernet, RS485, OCPP modem) veri hattı parafudrları ancak düşük empedanslı bir topraklamaya bağlı olduklarında etkili olur.

Ölçüm ve testler

Şarj cihazının pilot sinyali (CP) PE iletkeni üzerinden döner; PE yoksa şarj başlamaz. Ancak bu kontrol yalnızca bağlantının varlığını gösterir, topraklamanın kalitesini göstermez. Devreye almada ve periyodik kontrollerde şu ölçümler yapılmalıdır:

Sahada en sık yapılan 6 hata

Proje öncesi kontrol listesi

• Besleme topraklama sistemi (TN-S, TN-C-S, TT) belirlendi mi?
• TN-C-S beslemede PEN kopmasına karşı önlem seçildi mi?
• Her şarj noktası için ayrı RCD ve ayrı aşırı akım koruması planlandı mı?
• Şarj cihazında 6 mA DC algılama var mı, RCD tipi buna göre seçildi mi?
• Topraklama elektrodu veya halka topraklama projelendirildi mi?
• Kanopi, direk ve metal yapılar potansiyel dengelemeye dahil mi?
• Dış yıldırımdan korunma ve parafudrlar aynı topraklama ağına bağlı mı?
• Devreye alma ölçümleri ve periyodik kontrol takvimi tanımlandı mı?

EV şarj istasyonlarında topraklama, şarj cihazının değil, aracın ve ona dokunan kişinin güvenliğini belirler. Doğru tasarım; uygun topraklama sistemi, PEN kopmasına karşı önlem, DC kaçak akımı algılayan RCD ve tüm metal yapıları kapsayan bir potansiyel dengeleme ağının birlikte ele alınmasını gerektirir.

Yılkomer olarak şarj sahalarında topraklama ve potansiyel dengeleme projelendirmesi, IEC 62305 kapsamında yıldırım risk analizi, dış yıldırımdan korunma ve parafudr seçiminde uçtan uca mühendislik desteği sunuyoruz. Şarj istasyonu projeniz için bizimle iletişime geçebilirsiniz.

Kaynaklar

• IEC 60364-7-722: Requirements for special installations or locations – Supplies for electric vehicles
• IEC 60364-4-41: Protection for safety – Protection against electric shock
• IEC 60364-5-54: Earthing arrangements and protective conductors
• IEC 61851-1: Electric vehicle conductive charging system – General requirements
• IEC 62955: Residual direct current detecting device (RDC-DD) to be used for Mode 3 charging of electric vehicles
• IEC 62305-3: Protection against lightning – Physical damage to structures and life hazard