Vad finns det för risker med elvägar?

Säkerhetsriskerna med elväg är mycket små, trots att elvägar överför höga effekter på upp till 100-tals kilowatt från vägen till fordonen. Att riskerna är så låga beror på en rad säkerhetslösningar.

Konceptet elvägar kan jämföras med de kontaktledningar som används för spårvagnar och trolleybussar. Kontaktledningarna är då spända över gator centralt i många städer, med en livsfarlig spänning och utan isolering. Trots det sker det praktiskt taget aldrig en elolycka relaterad till denna överföringsteknik. Vi har sedan över 100 år vant oss vid att det fungerar och på samma sätt behöver vi förhålla oss till moderna elvägar.

Här redovisar vi för de risker som trots allt finns och även vilka säkerhetslösningarna är. Det finns olika risker för olika teknologier.

Riskerna kan delas upp i:

• Elektriska risker på vägen
• Elektriska risker vid fordonet
• Mekaniska risker på vägen
• Termiska risker på vägen
• Magnetiska risker på vägen
  

Elektriska risker på vägen

En exponerad oisolerad kontaktskena är livsfarlig att beröra. Därför finns det ett antal säkerhetslösningar på plats för att säkerställa att ingen elolycka ska ske. Lösningarna skiljer sig åt för olika teknologier:

Kontaktledningar i luften har en inbyggd säkerhet i att de är svåra att nå, de sitter 5-6 meter över mark. Om en kontaktledning skulle falla ned finns det mätsystem som detekterar detta och omedelbart stänger av spänningen till ledningen.
Exempel: Siemens eHighway

Kontaktskenor på markytan är uppdelade i sektioner och spänningen aktiveras bara då rätt utrustade fordon passerar.
Exempel: Elonroad, Alstom och Honda

I de fall där kontaktskenorna är längre än fordonet, som i Alstoms och Hondas lösning, spänningssätts de bara över en viss hastighet, då ingen förväntas stå precis framför eller kliva in precis bakom ett fordon i rörelse.

I det fall då kontaktskenorna är kortare än fordonet, som i Elonroads lösning, kan de spänningssättas även då fordonet står stilla eftersom fordonet då täcker den spänningssatta skenan. I det fallet finns också flera oberoende system som detekterar om något (en boll, en katt, en hand) kommer in under fordonet. Skulle det ske stängs spänningen omedelbart av.

Kontaktskenorna under markytan är också uppdelade i relativt långa sektioner, som aktiveras när fordon passerar, men eftersom de ligger nedsänkta i smala spår i vägytan är de svåra att nå. Översidan på dessa spår är dessutom en jordad metallskena vilket ytterligare ökar säkerheten.
Exempel: Elways

Elektriska risker vid fordonet

Elektriska apparater i allmänhet löser elsäkerheten på ett av följande två sätt:

Skyddsjord
Apparaten har ett jordat hölje anslutet till elnätets jordledare, s.k. ”skyddsjord”. Det betyder att alla åtkomliga delar, som t.ex. utsidan av en brödrost eller en spis är förbundna med elektrisk jord och en s.k. ”jordfelsbrytare” detekterar elfel. Skulle ett elfel uppstå stängs strömmen omedelbart av. Elektrisk jord innebär att den elektriska spänningen är nära noll volt, vilket är ofarligt att ta i.

Dubbelisolering
Apparaten saknar anslutning till skyddsjord men är i stället dubbelisolerad. Det betyder att alla elektriska kretsar i apparaten är isolerade i ett hölje. Detta hölje är i sin tur elektriskt isolerat och inbyggt i det yttre hölje som användaren kan ta i, som t ex en hårtork. Två lager av isolation alltså, därav beteckningen ”dubbelisolerad”. Det krävs två samtidiga isolationsfel för att det yttre höljet ska bli spänningssatt, och att det ska inträffa bedöms som så osannolikt att det är en normalt accepterad säkerhetslösning.

Konduktiva elvägar är dubbelisolerade
Med konduktiva elvägar är utmaningen att man inte kan garantera att fordonet alltid är anslutet till skyddsjord. Det beror på att man inte med säkerhet kan veta om till exempel ett löv, en tidning eller en plastpåse kommit emellan en jordad kontaktskena och en släpkontakt för skyddsjordsanslutning av fordonets chassie. Därför är en säkerhetslösning som bygger på skyddsjord inte tillräckligt bra.

Därmed återstår dubbelisolering. Lösningen för elektrisk säkerhet ombord på konduktivt anslutna elvägsfordon är därför att se till att de elektriska kretsar ombord på fordonet som är kopplade till elvägens skenor är monterade i ett isolerat chassie. Detta inre chassie är i sin tur isolerat från fordonets yttre chassie, d.v.s. det man kan ta i. Det innebär att det finns två nivåer av isolation = dubbelisolering, precis som i t.ex. en hårtork. Den här lösningen används bland annat i trolleybussar.

Vid isolationsfel stängs strömmen av
Utöver dubbelsiolering finns även system för att mäta graden av isolation mellan de elektriska kretsar som är direkt förbundna med elvägens skenor och det inre chassiet, samt mellan det inre chassiet och fordonets yttre chassie (som man kan ta på). Skulle någon av dessa system indikera en för dålig isolation kommer antingen ett verkstadsbesök att rekommenderas eller elvägsanslutningen att brytas, beroende på graden av isolationsfel som detekteras.

Mekaniska risker på vägen

Dessa risker är förknippade med den påverkan på vägytan eller omgivningen till vägen som elvägstekniken för med sig. De kan delas in i fyra grupper:

1. Hinder vid sidan av vägen. Samtliga elvägstekniker behöver strömförsörjas vilket betyder att det med jämna mellanrum (några tiotals meter upp till några hundratals meter) behöver finnas en likriktarstation vid sidan av vägen. Den kan ibland grävas ned, men inte alltid, och kan därmed utgöra ett fysiskt hinder vid en avåkning.

Med kontaktledningar i luften (som i exemplet Siemens eHighway) behövs dessutom stolpar med jämna mellanrum som bär upp kontaktledningarna på 5-6 meters höjd. Dessa stolpar utgör också fysiska hinder vid en avåkning.

2. Elvägsskena ovanpå marken (en av Elonroad’s varianter) bildar en låg (3-5 cm) vägbula mitt i körfilen. Den upplevs inte som ett hinder vid t.ex. filbyte med en personbil, men däremot med motorcykel. Därför kommer denna lösning troligen inte att användas på landsvägar utan endast i stadsmiljö.

3. Elvägsskena som är jämn med markytan (en annan av Elonroad’s varianter, samt Alstom’s). Eftersom kontaktskenan är av metall är friktionen lägre än på omgivande asfalt. Det påminner om den lägre friktion som de vita avgränsningslinjerna på alla vägar har då de är våta, eller spårvagns- och järnvägs-räls då den är förlagd i körfält för vägfordon. Detta kompenseras i viss mån av att skenorna förses med ett ingraverat mönster som förbättrar fästet för fordonens gummidäck och därmed ökar friktionen.

4. Elvägsskenor nedsänkta i marken. Här är det endast de spår som skenorna är nedsänkta i som kan ses som en mekanisk risk. Spåren är smala (< 2cm) och det är egentligen bara tävlingscyklar med riktigt smala däck som kan uppleva det osäkert att köra på/över dessa.

Om en kontaktskena eller kontaktledning på något sätt skadas eller rivs upp/ned detekteras det omedelbart av olika säkerhetssystem och spänningen till vägen kopplas bort.

Induktiva elvägar har inga av dessa mekaniska risker.

Termiska risker på vägen

Med alla konduktiva elvägar finns en s.k. ”kontaktresistans” mellan kontaktledningen (Siemens eHighway) eller kontaktskenan (alla andra) och den släpkontakt som tar emot strömmen. I denna kontaktresistans utvecklas värme när strömmen passerar, typiskt upp till något 100-tal Watt vid överföring av 100-200 kilowatt. Så länge fordonet är i rörelse sprids denna värme ut längs med kontaktledningen/kontaktskenan och leder till en temperaturhöjning på högst någon enstaka grad. Detta är inget problem.

Däremot, om fordonet är stillastående när det laddar så värms kontaktpunkten och dess nära omgivning upp, och kan bli ganska varm, typiskt 70-90 grader Celsius. Om fordonet avslutar laddningen och omedelbart åker iväg så lämnar det alltså efter sig en het kontaktpunkt som svalnar på några minuter utan någon aktiv kylning. Det är ett problem för de teknologier där kontaktskenan är berörbar, men det finns också lösningar.

Det finns i huvudsak tre olika sätt att begränsa temperaturen:

1. Kontaktpunkten kyls med ett luftflöde från fordonet. En fläkt driver helt enkelt kupéluft (som vanligen är luftkonditionerad) över kontaktpunkten.
2. Kontaktpunktens temperatur mäts under laddning och laddströmmen begränsas så att temperaturen inte blir så hög att den kan orsaka brännskada eller brand.
3. Fordonets tillåts inte lämna laddstället förrän efter en viss tid efter det att laddförloppet är avslutat och det kylande luftflödet säkrat en tillräckligt låg temperatur. Det är vanligen fråga om sekunder.
   

Magnetiska risker på vägen

En induktiv laddare för elfordon är konstruerad ungefär som en induktionshäll. På eller i marken finns en elektrisk spole i vilken det går en högfrekvent ström (normalt 85 kHz) som bildar ett högfrekvent magnetfält vilket en motsvarande elektrisk spole under fordonet tar emot. I en induktionshäll är det själva kastrullen som är mottagaren och de strömmar som bildas av magnetfältet i kastrullbotten bildar värme. I fordonsladdaren leds i stället de strömmar som bildas i spolen under fordonet vidare till fordonets batteri och laddar det.

Det magnetiska fält som för över energin från spolen på marken till spolen under bilen ”läcker” även lite ut mot sidorna av bilen. Det läckaget blir lite större om man inte parkerar fordonet så att spolen på marken och spolen under bilen hamnar precis över varandra. Det kan jämföras med att ställa kastrullen lite snett på induktionsplattan i köket. Det magnetiska fältet är fortfarande starkast mitt under bilen och avtar sedan ut mot kanterna. Bilden nedan visar hur starkt fältet kan vara på olika ställen under bilen om den är rätt parkerad respektive lite felparkerad. Nivåerna gäller för en 7.7 kW induktionsladdare med en 50 cm diameter sändarspole och en 40 cm diameter mottagarspole där mottagaren är 20 cm ovanför sändaren.

Magnetiska fält mäts i microtesla (µT) och bilden visar nivågränser för 10 µT resp 27 µT. Som jämförelsevärden är motsvarande magnetfält några centimeter från en kastrull på induktionshällen typiskt 0.1-1 µT, och gränsvärden för långvarig exponering enligt IEEE 6.5 µT. Slutsatsen är att det inte är farligt att stå bredvid ett fordon inkopplat på induktionsladdning, men också att det inte är lämpligt att sträcka in armen under fordonet under pågående laddning. Det ska inte heller gå, utan skyddssystem slår av laddningen på samma sätt som vid stationär konduktiv laddning.