DE102007015933A1

DE102007015933A1 - Überspannungsschutzeinrichtung für den Einsatz in Gleichstromnetzen, insbesondere für Photovoltaikanlagen

Info

Publication number: DE102007015933A1
Application number: DE102007015933A
Authority: DE
Inventors: Arnd Dr.-Ing. Ehrhardt; Raimund König; Wilhelm Hohenwaldt
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2008-07-17
Also published as: JP5009375B2; CN101573848A; DE502007005039D1; RU2009129211A; DE202007018507U1; ATE481766T1; EP1961096A1; WO2008080667A1; CN101573848B; PL1961096T3; EP1961096B1; JP2010515424A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung für den Einsatz in Gleichstromnetzen, insbesondere für Photovoltaikanlagen mit einer energetisch koordinierten Parallelschaltung eines ersten Ableitpfads und eines zweiten, triggerbaren Ableitpfads, welche jeweils ein unterschiedliches Ansprechverhalten, bezogen auf Störereignisse und Überspannungen, aufweisen. Erfindungsgemäß weist der erste Ableitpfad mindestens einen Varistor auf, dessen Restspannungswert erfasst wird und auf eine Steuerschaltung gelangt, um die energetische Belastung des ersten Ableitpfads zu ermitteln. Der zweite Ableitpfad weist mindestens eine triggerbare Funkenstrecke auf, deren Triggereingang mit einem ersten Ausgang der Steuerschaltung in Verbindung steht. Dem ersten und zweiten Ableitpfad ist ein dritter Zweig als Kommutierungs- und Löschpfad parallel geschaltet, welcher einen Kurzschlussschalter, bestehend aus mindestens einem Leistungstransistor, enthält, dessen Steuereingang an einem zweiten Ausgang der Steuerschaltung angeschlossen ist. Der zweite Ableitpfad mit Funkenstrecke wird über die Steuerschaltung nur dann aktiviert, wenn eine anhand der Restspannungsüberwachung erkannte energetische Überlastung des ersten Ableitpfads zu erwarten ist. Zur wirksamen Netzfolgestromunterdrückung wird der Kurzschlussschalter im dritten Zweig für einen vorgegebenen Zeitraum nach Ablauf einer Verzögerungszeit, gerechnet vom Ansprechen der Funkenstrecke im zweiten Ableitpfad an, geschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung für den Einsatz in Gleichstromnetzen, insbesondere für Photovoltaikanlagen, mit einer energetisch koordinierten Parallelschaltung eines ersten Ableitpfads und eines zweiten, triggerbaren Ableitpfads, welche jeweils ein unterschiedliches Ansprechverhaltung bezogen auf Störereignisse und Überspannungen aufweisen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Zusammenfassung von verschiedenen Überspannungsschutzelementen zu einer modularen Überspannungsschutzeinheit zum Zweck der Begrenzung von transienten Überspannungen ist beispielsweise aus der DE 32 28 471 A1 vorbekannt. Dort wird durch die parallele Anordnung einer Funkenstrecke mit einem Varistor eine Begrenzung von Überspannungen aus Schalthandlungen genauso wirkungsvoll vorgenommen, wie die Begrenzung von Störereignissen, die blitzbedingt entstehen und einen im Regelfall viel größeren Energieinhalt aufweisen.
Hierfür sind gemäß dem bekannten Stand der Technik die Schutzelemente auf zwei Ableitpfade verteilt und so koordiniert, dass auf einen ersten Pfad hauptsächlich die Überspannungen aus Schalthandlungen mit steiler Anstiegsflanke und relativ geringem Energieinhalt und auf einen zweiten Pfad diejenigen mit einem hohen Energieeintrag, z. B. einer Blitzentladung geleitet werden.
Weiterhin gehört nach der DE 198 38 776 C2 eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der erforderlichen Koordination bei der Parallelschaltung mehrerer Überspannungsschutzelemente zum Stand der Technik. So wird bei der vorbekannten Lösung die Bewertung des Energieeintrags in ein Feinschutzelement, z. B. einen Varistor vorgenommen und daraufhin bedarfsgerecht ein Grobschutzelement, d. h. eine Funkenstrecke aktiviert. Die hier vorgesehenen Pfade sind demzufolge energetisch koordiniert, und zwar in dem Sinne, dass von einer hierfür notwendigen Baugruppe der Energieeintrag im erstansprechenden ersten Pfad erfasst und ausgewertet wird und bei Überschreitung eines Grenzwerts bzw. mehrerer kritischer Grenzwertparameter ein Kommutierungsvorgang vom ersten Pfad auf den zweiten Pfad erfolgt.
Seit langem sind in der Blitzschutztechnik blitzstromtragfähige Funkenstrecken bekannt, die hauptsächlich im Niederspannungsbereich eingesetzt werden. Deren technische Weiterentwicklung geht auf eine Zündeinrichtung zurück, die es ermöglicht, den Zündzeitpunkt der Hauptentladungsstrecke einer solchen triggerbaren Funkenstrecke in weiten Grenzen zu bestimmen, wodurch eine optimale Abstimmung des Zündzeitpunkts, z. B. mit der Restspannung eines parallel angeordneten Varistors erfolgen kann. Durch die Zuordnung der Restspannung eines Varistorelements zu dem durchgeleiteten Strom kann so auf die energetische Belastung geschlossen werden, die über dem Varistor bis zum Zündzeitpunkt der Funkenstrecke aufgetreten ist.
Nach der in der DE 199 52 004 B4 beschriebenen Ausgestaltung einer Triggerung besteht damit die Möglichkeit, anhand von mindestens zwei Restspannungswerten und deren Zeitdauer unterschiedliche Zündzeitpunkte einzustellen und so die Koordination weiter zu optimieren. So erfolgt z. B. die unmittelbare Zündung der Funkenstrecke bei einem kurzen Stromimpuls über den Varistor erst bei einem relativ hohen Stromscheitelwert, während dies bei einem langanhaltenden Stromimpuls schon bei einem relativ kleinen Scheitelwert der Fall ist, sobald dieser eine Zeitmarke überschreitet, die außerhalb der Zeitdauer des Kurzzeitimpulses liegt.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Überspannungsschutzeinrichtung anzugeben, die speziell auf den Einsatz in Gleichstromnetzen, dort insbesondere für Photovoltaikanlagen abgestimmt ist. Diese Überspannungsschutzeinrichtung soll modular ausgeführt werden und zur Ableitung von Blitzentladungen und den damit im Zusammenhang stehenden Blitzströmen geeignet sein, und zwar unter solchen Bedingungen, wie sie in den vorerwähnten Gleichstromsystemen auftreten. So verändern sich bei Solaranlagen Spannungsebenen und Betriebsströme, was bei sonstigen AC-Netzen nicht der Fall ist. Die Problematik der Anwendung der Überspannungsschutzeinrichtung bevorzugt im Bereich industrieller Photovoltaikanlagen besteht auch darin, dass dort Gleichspannungen im Bereich von 1000 V auftreten.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Überspannungsschutzeinrichtung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Die Überspannungsschutzeinrichtung setzt sich aus mehreren Funktionseinheiten zusammen, die auf einer gemeinsamen Trägerplatte untergebracht sind, wobei die Trägerplatte Vorrichtungen enthält, um die Funktionseinheiten mechanisch zu befestigen und deren elektrische Verbindungen untereinander auf kürzestem Weg unter Beachtung der elektromagnetischen Verträglichkeit zu ermöglichen.
Bei der Überspannungsschutzeinrichtung für den Einsatz in Gleichstromnetzen wird von einer energetisch koordinierten Parallelschaltung eines ersten Ableitpfads und eines zweiten, triggerbaren Ableitpfads ausgegangen, wobei beide Ableitpfade ein unterschiedliches Ansprechverhaltung bezogen auf gegebene Störereignisse und Überspannungen besitzen.
Der erste Ableitpfad weist mindestens einen Varistor auf, dessen Restspannungswert erfasst wird und auf eine Steuerschaltung gelangt, um die energetische Belastung dieses ersten Ableitpfads zu ermitteln.
Der zweite Ableitpfad weist mindestens eine Funkenstrecke auf, deren Triggereingang mit einem ersten Ausgang der Steuerschaltung in Verbindung steht.
Dem ersten und dem zweiten Ableitpfad ist ein dritter Zweig als ein Kommutierungs- und Löschpfad parallel geschaltet, welcher einen Kurzschlussschalter, bestehend aus mindestens einem Leistungstransistor enthält, dessen Steuereingang an einem zweiten Ausgang der Steuerschaltung angeschlossen ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass anstelle eines Leistungstransistors auch andere schnell schaltende Elemente, wie z. B. Thyristoren oder ähnliches eingesetzt werden können.
Der zweite Ableitpfad mit Funkenstrecke wird über die Steuerschaltung nur dann aktiviert, wenn eine anhand der Restspannungsüberwachung erkannte energetische Überlastung des ersten Ableitpfads, bevorzugt des Varistors, zu erwarten ist. Weiterhin wird zur wirksamen Netzfolgestromunterdrückung der Kurzschlussschalter im dritten Zweig für einen vorgegebenen Zeitraum nach Ablauf einer Verzögerungszeit, gerechnet vom Ansprechen der Funkenstrecke im zweiten Pfad an, geschlossen, d. h. aktiviert.
Das Ansprechen der Funkenstrecke im zweiten Ableitpfad wird durch Überwachung der Systemspannung hinsichtlich des Auftretens von Spannungseinbrüchen mit Hilfe der vorerwähnten Steuerschaltung erkannt.
Alternativ kann zum Erkennen des Ansprechens der Funkenstrecke im zweiten Ableitpfad ein Stromsensor vorgesehen sein.
Die Steuerschaltung umfasst einen Taktgenerator zum Festlegen der Verzögerungszeit und/oder des Einschaltzeitraums des Kurzschlussschalters.
Der Einschaltzeitraum liegt bei einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung im Bereich zwischen 10 μs bis 3 ms.
Im Kurzschlusszustand wird der fließende Strom im dritten Zweig überwacht und bei Überlast der mindestens eine Leistungstransistor in einen offenen, hochohmigen Zustand überführt.
Bei insbesondere impulsstromartiger Stromüberlast kann der erste und/oder der zweite Ableitpfad im Sinne einer rückwirkenden Koordination erneut aktiviert werden.
Die Verzögerungszeit zum Aktivieren des Kurzschlussschalters bzw. des mindestens einen Leistungstransistors ist so eingestellt, dass die Impulslängen normierter Stoßstromimpulse überbrückt werden.
Da im Ableitfall keine Systemspannung vorliegt, weist die Steuerschaltung eine Energiespeichereinheit für deren sicheren Betrieb auch im Ableitfall auf.
Zur blitzschutztechnischen Erdverbindung ist die Überspannungsschutzeinrichtung ausgestaltend mit einer Trennfunkenstrecke versehen, welche in die Erdverbindung eingeschleift wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung des mechanischen Aufbaus der Überspannungsschutzeinrichtung mit den jeweiligen Funktionseinheiten;
1a ein Detail der Überspannungsschutzeinrichtung mit Funkenstrecke sowie fakultativ vorgesehener Trennfunkenstrecke;
2 ein Prinzipschaltbild der Überspannungsschutzeinrichtung bezogen auf eine Beschattung zwischen den Polen L+ und L– einer Photovoltaikanlage;
2a das Schaltbild der Überspannungsschutzeinrichtung mit zusätzlicher Trennfunkenstrecke;
2b die Verschaltung der Funktionseinheiten, wie sie auf der Oberseite der Trägerplatte gemäß 1 angeordnet sind;
2c die Verschaltung der Funktionseinheiten, wie sie auf der Unterseite der Trägerplatte gemäß 1 angeordnet sind, sowie
3 Verläufe von Strom und Spannung während des Ableitvorgangs in schematischer Darstellung.
Die Überspannungsschutzeinrichtung gemäß den 1 und 1a umfasst eine Trägerplatine 5, auf der zwei Varistorelemente 3 (VDR1 und VDR2) auf der Oberseite angeordnet sind. Im Bild rechtsseitig gezeigt befindet sich eine Triggerschaltung, die Bestandteil der Steuerschaltung ist, welche als Koordinations- und Überwachungseinheit CCU, Bezugszeichen 4 dient.
Die Funkenstrecke des zweiten Ableitpfads ist mit dem Bezugszeichen 1 und die Trennfunkenstrecke mit dem Bezugszeichen 2 versehen. In den 1 und 1a ist die Erdschiene mit dem Bezugszeichen 6 und der Erdanschluss mit dem Bezugszeichen 6' (1) dargestellt.
Über den ersten Ableitpfad nach 2 fließt der Strom I_p1. Der zweite Ableitpfad mit triggerbarer Funkenstrecke führt den Strom I_p2.
Im Kommutierungs- bzw. Löschpfad mit einem Transistor als Kurzschlussschalter fließt der Strom I_p3. Im zweiten Ableitpfad befindet sich noch ein Stromsensor S, der auf einen Eingang der Steuerschaltung CCU (E3) geführt ist.
Die Spannung über dem Varistor VDR2, nämlich U_VDR, gelangt an die Eingänge E1 und E2 der Steuerschaltung CCU, an deren Ausgang A1 der Triggereingang der Funkenstrecke des zweiten Ableitpfads angeschlossen ist.
Der Ausgang A2 der Steuerschaltung CCU steht mit der Basis, d. h. dem Schalteingang des Transistors im dritten Zweig in Verbindung.
U_VDR stellt die Restspannung über dem Varistor VDR2, U_Z die Zünd- bzw. Ansprechspannung der Funkenstrecke, U_BO die Bogenbrennspannung der Funkenstrecke und U_TR die Kurzschlussspannung über dem Schalttransistor des Löschpfads bzw. des Kurzschlussschalters dar.
Die Koordination des ersten Pfades mit dem Strom I_p1 mit dem des zweiten Pfades, der den Strom I_p2 führt, erfolgt über die Steuerschaltung CCU, indem diese aufgrund der energetischen Belastung des ersten Pfades über ein Steuersignal die Triggereinrichtung der triggerbaren Funkenstrecke im zweiten Pfad aktiviert.
Daraufhin wird die Hauptentladungsstrecke der Funkenstrecke über einen entsprechenden Zündimpuls gezündet und der Ableitstrom, der ursprünglich über den ersten Pfad abgeleitet wurde, kommutiert in den zweiten Pfad. Voraussetzung für eine vollständige Kommutierung, bei der der erste Pfad vollkommen stromlos wird, ist eine gegenüber der Varistorspannung möglichst kleine Bogenspannung, die sich nach deren Ansprechen über der Entladungsstrecke der Funkenstrecke einstellt.
Durch die Kommutierung erfährt der Varistor eine Entlastung, indem die leistungsfähigere Funkenstrecke quasi den Ableitvorgang und damit den Stoßstrom übernimmt.
Da der Varistorpfad zu diesem Zeitpunkt elektrisch nicht mehr aktiv ist, muss die Funkenstrecke selbst den Ableitvorgang abschließen, so dass sich danach die normalen Netzbedingungen wieder einstellen. Dies bedeutet, dass in vielen Fällen, nachdem der Stoßstromimpuls abgeklungen ist, die Funkenstrecke den nachfolgenden Strom aus dem anliegenden Netz ausschalten, d. h. löschen muss. Dieser Netzfolgestrom oder Folgestrom genannt, entsteht, sobald oder solange die treibende Spannung des Netzes über der Funkenstrecke größer ist als deren Bogenbrennspannung.
Folgeströme können je nach Stromhöhe und/oder Zeitdauer eine erhebliche Belastung für die Funkenstrecke darstellen und sind deshalb in der Regel in der Beurteilung ihrer Energiebilanz nicht zu vernachlässigen. Sie können im nicht geregelten, unkontrollierten Zustand dazu führen, dass die Funkenstrecke vorzeitig altert und schließlich ausfällt.
Es ist daher notwendig, das Auftreten von Folgeströmen zu vermeiden oder diese zeitlich sowie in der Amplitude zu begrenzen.
Zur Lösung der Folgestrom-Problematik muss nun noch beachtet werden, dass in Gleichspannungsnetzen von Solaranlagen sehr hohe Spannungswerte vorliegen.
Erfindungsgemäß soll als erste Maßnahme das Auftreten eines Folgestroms vermieden werden, indem das Ansprechen der Funkenstrecke nur dann erfolgt, wenn die Gefahr einer energetischen Überlastung für den Varistor besteht. Ist diese Gefahr nicht gegeben, übernimmt der Varistor den Ableitvorgang vollständig und es ist damit funktionsbedingt ein Folgestrom ausgeschlossen.
Die energetische Bewertung erfolgt in der Steuerschaltung CCU, die bevorzugt anhand des Restspannungsverlaufs über den Varistor ein selektiv ausgerichtetes Triggersignal erzeugt, wodurch die triggerbare Funkenstrecke zum Ansprechen gebracht wird.
Da die Zuschaltung des zweiten Ableitpfads abhängig von der Leistungsfähigkeit der Varistoren im ersten Pfad erfolgt, ergibt sich so ein breiter wählbarer Bereich, innerhalb dessen der Varistor die vollständige Ableitung des Stromimpulses bewerkstelligen kann, ohne dass einerseits die Gefahr einer Überlastung des Varistors besteht und andererseits überhaupt ein Folgestrom auftritt.
Dieser Bereich kann durch die selektiv ausgerichtete Bewertung mit Hilfe der Steuerschaltung gegenüber einfachen Auswertemethoden erweitert werden, so dass z. B. bei einem energiearmen Stoßstromimpuls der Wellenform 8/20 μs ein bestimmter Varistortyp bis 10 kA und der gleiche Typ bei einem weiteren energiereichen Stromimpuls der Wellenform 10/350 μs bis 1,5 kA belastet werden kann.
Mit vorstehender Methodik ist ausgeschlossen, dass ein Folgestrom bereits bei energieschwachen Impulsströmen auftritt, die z. B. als Folge von Schaltspannungen oder gemäßigten indirekten Blitzeinwirkungen in relativ häufiger Folge eintreten können. Auch über die gesamte Palette der indirekten Blitzeinwirkungen, repräsentiert durch die Wellenform 8/20 μs, sind keine Folgeströme zu erwarten. Hingegen wird die Funkenstrecke bei den durch die Wellenform 10/350 μs nachgebildeten direkten Blitzeinwirkungen bestimmungsgemäß zugeschaltet. Es ist also bereits aufgrund dieser Konfiguration mit vergleichsweise wenigen Folgestromereignissen zu rechnen.
Als weitere Maßnahme zum Verhindern des Auftretens von Folgeströmen wird zunächst überwacht, wann die Funkenstrecke durchgeschaltet ist und der Ablauf einer Verzögerungszeit beginnt. Wird der Zeitpunkt, zu dem der Impulsstrom abgeklungen ist, bewertet oder ist die vorgegebene Verzögerungszeit abgelaufen, wird in dem dritten Zweig, d. h. dem Kommutierungs- und Löschpfad, der Schalter betätigt, welcher die Bogenbrennspannung der Funkenstrecke kurzschließt, so dass der einsetzende oder bereits eingesetzte Folgestrom kommutiert und die dann stromfreie Funkenstrecke gelöscht wird. Nach einer kurzen Einschaltdauer wird der Kurzschluss durch Öffnen des Schalters im Löschpfad wieder aufgehoben und es wird der ursprüngliche Betriebszustand, wie er vor dem Ableitvorgang bestanden hat, wieder hergestellt.
Im Vergleich zu bekannten Methoden ist die vorgestellte Lösung einfach, platzsparend und kostengünstig umzusetzen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Funkenstreckenkonfigurationen genutzt werden können, die in üblicher Weise bisher nur bei Wechselspannungsnetzen zum Einsatz kommen bzw. für derartige Netze konzipiert wurden.
Wie bereits aus den Blockschaltbildern ersichtlich, weist der Löschpfad einen Kurzschlussschalter auf, der physikalisch in der Lage ist, sowohl die elektrischen und mechanischen Anforderungen, wie sie im Zusammenhang mit dem Kommutierungsvorgang auftreten, zu erfüllen. Darüber hinaus ist der Schalter steuerbar, damit ein koordiniertes Ein- und Ausschalten über die Steuerschaltung CCU erfolgen kann.
Im Zusammenhang mit dem Schaltvorgang besteht die Forderung, dass neben der Fähigkeit einer hohen Schaltlast der Schaltvorgang an sich ohne die Ausbildung eines Schaltlichtbogens erfolgt. Dadurch können aufwendige Löschkammern und damit ein hoher Platzbedarf, der sich zusätzlich ergäbe, eingespart werden. Da es innerhalb einer kurzen Einschaltzeit möglich ist, den Folgestrom zu löschen bzw. eine Wiederverfestigung der Isolationsstrecke einer Funkenstrecke zu erreichen, ist der Schalter sowohl schnell einschalt- als auch wieder ausschaltbar ausgelegt, d. h. besitzt eine hohe dynamische Schaltgeschwindigkeit.
Hinsichtlich der Vorteile, die sich in Umsetzung der Erfindungslehre ergeben, sei noch auf Folgendes aufmerksam gemacht.
Der Aufwand, bei einer Gleichspannung von ca. 1000 V einen Folgestrom zu löschen, ist bei der Verwendung einer Funkenstrecke sehr hoch und erfordert üblicherweise sehr kostenintensive Maßnahmen zur Lichtbogenlöschung. Übliche recht preiswerte Funkenstrecken sind für die Beherrschung von Wechselspannungen im Niederspannungsbereich dimensioniert und ausgelegt. Die zu beherrschenden Spannungen sind bei diesem Anwendungsfall deutlich niedriger, zudem erlischt der Lichtbogen im natürlichen Stromnulldurchgang selbständig. Bei einer Gleichspannung existiert kein natürlicher Stromnulldurchgang und die Funkenstrecken müssen daher nach dem Gleichstromlöschprinzip arbeiten. Die für eine erfolgreiche Abschaltung des Folgestroms benötigte Schaltleistung ist erheblich und erfordert speziell entwickelte sowie auch platz- und kostenintensive Funkenstrecken, welche ausschließlich für den vorgenannten Anwendungsfall anzupassen sind. Die Alterung einer derartigen Funkenstrecke ist aufgrund der erhöhten benötigten Schaltleistung erheblich. Letztendlich müssen entsprechende Funkenstrecken über aufwendige Löschkammern mit einem damit verbundenen hohen Platzbedarf verfügen.
Mit der Erfindung gelingt es durch den separat rücksetzbaren Kurzschlusspfad, übliche und konventionelle Funkenstrecken aus dem Niederspannungsbereich, welche nur über ein ausreichendes Folgestromlöschvermögen bei Wechselstrom und deutlich niedrigeren Spannungen verfügen, auch für Anwendungen im Gleichspannungsbereich bis 1000 V nutzbar zu machen.
Vorteilhaft ist weiterhin die drastische Reduzierung der umgesetzten Leistung innerhalb der Funkenstrecke, da die bei dem üblichen Gleichstromlöschprinzip benötigte Lichtbogenspannung von > 1000 V nicht erzeugt werden muss, sondern die Lichtbogenspannung z. B. nur 30 V betragen kann. Bei gleichem Strom kann somit die Schaltleistung, die Funkenstreckenbelastung und die Alterung um mehr als Faktor 30 reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Grundprinzip beruht darauf, den Folgestrom nicht mit Hilfe der Funkenstrecke zu löschen, sondern die Löschfunktion für den Netzfolgestrom auf ein alterungs- und lichtbogenfreies Halbleiterbauelement zu verlagern. Somit besteht quasi eine funktionale Trennung und Aufgabenteilung zwischen der Funkenstrecke und dem Halbleiterbauelement. Die Kombination Funkenstrecke und Varistor realisiert insgesamt die Funktion der Ableitung impulsförmiger Störgrößen. wobei der Halbleiter die Funktion der lichtbogenfreien Folgestromlöschung übernimmt. Eine Voraussetzung hierfür ist die vollständige Kommutierung des Folgestroms aus der Funkenstrecke in den Halbleiterpfad und eine sowohl in der Höhe als auch in der Geschwindigkeit ausreichende Wiederverfestigung der Funkenstrecke, bevor das Halbleiterelement den Folgestrom abschaltet. Die vollständige Kommutierung wird dadurch erreicht, dass der Spannungsabfall des Löschpfads niedriger als die Lichtbogenspannung der Funkenstrecke ist. Die Einschaltdauer des Halbleiters ist von der Differenz der Spannungen U_TR und U_BO sowie der Wiederverfestigungszeit der Funkenstrecke abhängig, wie dies im Ausführungsbeispiel unter Hinweis auf die dortige 3 näher erläutert wird.
Um den Zuschaltzeitpunkt für den Löschpfad exakt bestimmen zu können sowie um zu vermeiden, dass ein Impulsstrom über ihn fließt oder der Folgestrom zu lange im Ableitpfad der Funkenstrecke verbleibt, ist nicht nur ein reaktionsschnelles Einschalten des Kurzschlussschalters notwendig, sondern es ist auch eine schaltungstechnische Einrichtung erforderlich, die die Möglichkeit einer Kopplung mit einer Sensorik zur Überwachung des Funkenstreckenpfads bietet.
So ist z. B. der Strom über die Funkenstrecke erfassbar, so dass direkt nach dem Abklingen des Impulsstroms der Kurzschlussschalter aktiviert werden kann. Ein unerwünschter Folgestrom über die Funkenstrecke wird vermieden und es reduziert sich die energetische Belastung der Funkenstrecke sowie die dadurch bedingte Alterung auf das Führen des Impulsstroms, wie er aus einer transienten Überspannung resultiert. Als Kurzschlussschalter wird bevorzugt ein Leistungstransistor eingesetzt, welcher unter der Voraussetzung, dass seine elektrischen Grenzwerte nicht überschritten werden, keinerlei Verschleiß- oder Alterungserscheinungen unterliegt.
Erfindungsgemäß ist dafür Sorge getragen, dass diejenigen Schaltungsteile, von denen eine große Störemission ausgeht, entkoppelt von solchen Baugruppen befindlich sind, die einer Störempfindlichkeit unterliegen. Dies wird dadurch realisiert, dass die einzelnen Funktionen in Gruppen aufgeteilt sind, die zum einen nur Störquellen oder unempfindliche Schaltungsteile zusammenfassen, und zum anderen solche, die störempfindlich sind, wobei die Verbindungen der Gruppen untereinander trotz räumlicher Trennung auf kürzestem Wege ausgelegt sind.
Der Kurzschlussschalter kann aus kaskadierten Transistoren zusammengesetzt werden, um im ausgeschalteten Zustand eine hohe Spannungsfestigkeit zu erreichen, die oberhalb des Schutzpegels der Überspannungsschutzeinrichtung selbst liegt.
Um eine Beschädigung des Transistorschalters zu verhindern, wird dieser hochohmig geschaltet, wenn das zulässige maximale Stromintegral erreicht oder überschritten wird. Bei Stromüberlast für den Fall des Einschaltens führt diese vorgesehene quasi Notabschaltung gegebenenfalls dazu, dass der Lösch- bzw. Kommutierungsvorgang unterbrochen wird. Es ist daher notwendig, eine solche Notabschaltung von einem regulären Schaltvorgang zu unterscheiden und im Gegensatz dazu weitere Löschversuche einzuleiten, bis ein regulärer Schaltvorgang zustande kommt.
Als regulärer Schaltvorgang gilt derjenige, der ohne Unterbrechung über die gesamte, fest eingestellte Einschaltzeit Bestand hat. Die Einschaltzeit setzt sich aus der Löschzeit und der Erholungszeit zusammen, welche die Funkenstrecke in der Regel belastungsabhängig benötigt, um vom niederohmigen leitenden Bereich in den hochohmigen isolierenden Bereich überzugehen. Dementsprechend kann die erforderliche Einschaltzeit im Bereich von ca. 10 μs bis 3 ms liegen.
Erfolgt die Stromüberlast, nachdem die Transistoren bereits eingeschaltet sind, muss die Notabschaltung ebenso einsetzen und wie beschrieben gegebenenfalls einen oder mehrere weitere Löschzyklen erzeugen, bis ein regulärer Schaltvorgang einsetzt.
Die Notabschaltung bewirkt, dass der Kurzschlussschalter den Löschpfad hochohmig schaltet. Dies bedeutet aber auch für den Fall, dass es sich bei der Stromüberlast um einen Impulsstrom handelt, dass die Spannung über dem Löschpfad so weit ansteigen kann, dass sie zum erneuten Ansprechen des ersten oder sogar des zweiten Ableitpfads führt. Dadurch weist die Überspannungsschutzeinrichtung vorteilhafterweise nicht nur eine einfache durchgängige, sondern auch eine rückwirkende Koordination auf, bei der die letzte Stufe der Anordnung (dritter Zweig) im Bedarfsfall auf die erste zurückwirkt.
Damit kann die Überspannungsschutzeinrichtung auch sogenannte multiple Blitzentladungen, bei denen in gewissen Abständen mehrere Überspannungen bzw. Stromimpulse auftreten, bewältigen, wenn eine weitere Strombelastung während der aktivierten Phase des Löschpfads erfolgen sollte. Es wird durch diese Rückkoppelfunktion quasi selbsttätig die entsprechende Ableiterstufe, nämlich der erste oder zweite Ableitpfad angesprochen.
Die Steuerschaltung CCU dient dazu, sämtliche Informationen über die zeitlichen Abläufe der Funktionsgruppen zu erfassen und entsprechende Stell- oder Steuerbefehle an die Stellglieder auszugeben. Eine der wichtigsten Funktionen der Steuerschaltung CCU ist neben der Bewertung der Varistorbelastung und die Ausgabe der resultierenden Signale zur selektiven Triggerung der Funkenstrecke die Koordination der im Löschpfad implementierten Funktionen.
Dazu gehören neben Funktionen, die mit der Notabschaltung zusammenhängen, auch diejenigen, die mit dem Löschvorgang einhergehen, und zwar beginnend mit der Erkenntnis, dass die Funkenstrecke angesprochen hat, über die ereignis- oder zeitgesteuerte Zuschaltung des Kurzschlussschalters bis hin zu dessen Abschaltung oder Retriggerung mit abschließendem regulären Schaltvorgang.
Die Erfassung, dass die Funkenstrecke angesprochen hat, kann dadurch vorgenommen werden, indem die anliegende Systemspannung auf Spannungseinbrüche hin überwacht wird, die typischerweise dem Ansprechen einer Funkenstrecke entsprechen und z. B. eine bestimmte Spannungssteilheit aufweisen, wobei gleichzeitig ein bestimmter Spannungswert unterschritten wird.
Spannungseinbrüche aus externen Vorgängen, die diesem Raster entsprechen, werden dadurch vorteilhafterweise ebenfalls erfasst, wodurch auch z. B. ein durch Isolationsfehler auftretender Störlichtbogen im gesamten Stromkreis kontrolliert und gelöscht werden kann.
Die vorliegenden Informationen werden von der Steuerschaltung CCU bewertet und gelten beispielsweise als Startbedingung für die Verzögerungszeit, nach deren Ablauf der Kurzschlusspfad zugeschaltet wird.
Die Verzögerungszeit kann so eingestellt werden, dass sie z. B. die Impulslängen der normierten Stoßstromimpulse der Wellenform 8/20 μs oder 10/350 μs ausblendet oder zeitlich überbrückt.
Für einen Stromimpuls 10/350 μs wäre dann eine Verzögerungszeit von etwa 2 ms zu veranschlagen, die auch bei kürzeren Impulsbeaufschlagungen einen Folgestrom in etwa entsprechend dieser Zeitdauer möglicherweise verursacht. Durch die gegebene Funktion der Notabschaltung kann auch eine kürzere Totzeit, die sich an dem kürzeren Stromimpuls 8/20 μs orientiert, eingestellt werden, z. B. eine Zeit von 60 μs, so dass bei längeren Impulsen, z. B. 10/350 μs, die Notabschaltung so lange zyklisch aktiviert wird, wie der Strom größer ist als der zulässige Schaltstrom im Kurzschlusspfad.
Bei der angenommenen Totzeit von 60 μs versucht der Kurzschlusspfad über mehrere periodische Schaltzyklen, den Kurzschlussschalter zur Einleitung der Kommutierung zu betätigen, bis schließlich der Restwert des Impulsstroms auf den zulässigen Schaltstrom abgeklungen ist. Durch diese Maßnahme kann über die Verzögerungszeiteinstellung eine zeitliche Vorgabe im Sinne einer Taktzeit vorgenommen werden, nach deren Ablauf ein Schaltversuch zur Kommutierung erfolgen soll. Der Vorteil dieser Einstellung liegt in der Verkürzung der Folgestromphase insbesondere bei hohen, zu erwartenden Folgeströmen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird im zweiten Ableitpfad ein Stromsensor angeordnet, dessen Signalerfassung von der Steuerschaltung auf den Impulsstrom oder den Folgestrom oder beide Stromarten einstellbar ist. Damit besteht die Möglichkeit, den Kommutierungsvorgang unabhängig von einer fest eingestellten Verzögerungszeit bereits dann zu starten, wenn der Impulsstrom über der Funkenstrecke auf einen Wert abgeklungen ist, der dem zulässigen Schaltstrom im Löschpfad entspricht. Durch die geringere Reaktionszeit der Verbindung mit der hohen Schaltgeschwindigkeit des Kurzschlussschalter im Löschpfad kommt daher kein Folgestrom zustande. Dies ist eine weitere Möglichkeit, um den Schaltzeitpunkt bei hohen, zu erwartenden Folgeströmen möglichst nahe am Übergang des abklingenden Stoßstroms zum einzusetzenden Folgestrom zu platzieren.
Die erläuterten Ausführungsbeispiele zur Erfassung der Schaltbedingungen für den Kurzschlusspfad zeigen, dass eine Anpassungsfähigkeit und Flexibilität im weiten Bereich unter Nutzung der Steuerschaltung möglich ist. In den weiteren Funktionen, die die Steuerschaltung bewerkstelligen kann, ist auch eine Kombination oder logische Verknüpfung verschiedener Eigenschaften möglich, um z. B. die Schaltkriterien zu erweitern, indem für bestimmte Situationen der Löschpfad einen gewollten Dauerkurzschluss bildet oder eine langzeitig anhaltende, außerhalb des transienten Zeitbereichs auftretende Überspannung auf einen bestimmten Wert begrenzt wird.
Weitere Aufgaben, die mit der Steuerschaltung CCU zu bewerkstelligen sind, ist auch eine automatische Verlängerung der Einschaltzeit, wenn innerhalb einer zunächst vorgegebenen Zeitspanne keine Löschung erfolgt oder die Einbeziehung der Erwärmungstemperatur der Funkenstrecke in die automatische Bemessung der Kurzschlussschalter-Einschaltdauer, d. h. der Löschzeit.
Aufgrund der Tatsache, dass während des gesamten Ableitvorgangs die Systemspannung praktisch nicht verfügbar ist, verfügt die Steuerschaltung über einen Energiespeicher, der für diese Phase die notwendige Stromversorgung sicherstellt.
Wie bereits erläutert, besteht der Halbleiterschalter als Kurzschlussschalter bevorzugt aus einem Leistungstransistor, der als geeignetes Bauelement über die geforderten Ein- und Ausschaltfunktionen in kurzen Zeitintervallen, auch bei hohen Schaltströmen verfügt. Denkbar sind hier auch alternative Lösungen, die z. B. einen schaltbaren Thyristor oder einen Thyristor oder triggerbaren Gasableiter in Serie mit einem Varistor oder einem PTC-Element verwenden.
Unter Hinweis auf die 2a und 2c besteht unter bestimmten Einsatzbedingungen die Forderung, dass der aktive Stromkreis, z. B. die in Solaranlagen mit L+/L– gekennzeichneten Pole vom Erdpotential (Erde) sicher getrennt bzw. installiert sein muss.
In diesem Fall muss die aus blitzschutztechnischer Sicht erforderliche Erdverbindung über eine Trennfunkenstrecke erfolgen. Für diesen Bedarfsfall ist in der modularen Überspannungsschutzeinrichtung eine solche Trennfunkenstrecke 2 (siehe 1 und 1a) integrierbar, indem die Erdschiene 6 aufgetrennt und über die Trennfunkenstrecke mit dem Erdanschluss 6' verbunden wird. Besteht hierzu keine Notwendigkeit, entfällt diese Funkenstrecke 2 und wird werksseitig durch eine durchgängige Erdschiene (Verbindung 6 und 6') ersetzt.
3 zeigt typische Verläufe von Strom und Spannung während des Ableitvorgangs.
Der Bereich „Impuls" bezieht sich hier auf den eigentlichen Ableitvorgang bis zum Abklingen der Beeinflussungsgröße U_Blitz, während der Bereich „System" die Löschphase mit einem über der Funkenstrecke auftretenden Folgestrom bis zur Wiederkehr der Systemspannung darstellt.
Für die gezeigte Stromkommutierung in den einzelnen Phasen I_p1 bis I_p3 gilt folgende Bedingung: UTR < UBO < UVDR
Im Zeitbereich t0 bis t1 beansprucht die Beeinflussungsgröße U_Blitz zunächst den Varistor im Ableitpfad I_p1 und bewirkt dort die Spannung U_VDR.
Überschreitet diese Spannung im Zusammenhang mit dem dazugehörigen Strom die zulässige Belastung des Varistors (einen auf Höhe und Zeitdauer eingestellten Wert), kommutiert der Strom zum Zeitpunkt t1 in den Ableitpfad I_p2 der Funkenstrecke ein gemäß Darstellung nach 1 und 1a, so dass die Varistorspannung U_VDR auf den Wert U_BO unterhalb der Systemspannung U_dc einbricht. Nachdem die Beeinflussungsgröße abgeklungen ist, stellt sich über der Funkenstrecke 1 zum Zeitpunkt t2 ein Netzfolgestrom ein, der zum Zeitpunkt t3 in den Kurzschlusspfad I_p3 kommutiert und von diesem zum Zeitpunkt t4 abgeschaltet wird. Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 wird die Spannung auf die Transistorspannung U_TR abgesenkt.
Der Zeitbereich t2 bis t3 stellt einen Bereich dar, in dem im vorliegenden Fall ein nicht erwünschter Folgestrom über der Funkenstrecke auftritt (schraffierte Darstellung). In Verbindung mit einer Sensorik, insbesondere einem Stromsensor S, und einem schnellen Kurzschlussschalter kann dieser unerwünschte Zeitbereich so weit verkürzt werden, dass er über die Impulsstrombelastung hinaus für die Funkenstrecke keine zusätzliche Belastung mehr darstellt.
Zusammenfassend verfügt die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung für Gleichspannungssysteme über Eigenschaften, die es ermöglichen, Funkenstrecken nach dem Stand der Technik in Gleichspannungsapplikationen einzusetzen, wobei die Lösungsmittel darauf zielen, einen Folgestrom zu vermeiden, indem die Funkenstrecke nur im Bedarfsfall in den Ableitvorgang einbezogen wird. Folgeströme werden dadurch vermieden, indem der Kurzschlussschalter im Löschpfad sofort nach Abklingen des Impulsstroms schaltet bzw. es können Folgeströme zeitlich begrenzt werden, indem ein definierter Spannungseinbruch in der Systemspannung eine Verzögerungszeit anstößt, nach deren Ablauf der Kurzschlussschalter im Löschpfad betätigt wird.
Neben dem eigentlichen Funkenstreckenpfad ist ein weiterer Ableitpfad mit einem Überspannungsschutzelement vorgesehen, das kleinere bis mittlere Impulsströme führen kann, ohne selbst Folgeströme auszubilden. Zusätzlich ist ein Löschpfad vorhanden, der einen auftretenden Folgestrom erkennt und durch Kurzschluss der Bogenspannung der Funkenstrecke eine Stromkommutierung aus dem Funkenstreckenpfad in den Löschpfad bewirkt. Der Löschvorgang wird überwacht und gegebenenfalls wiederholt, sobald erkannt wird, dass keine reguläre Löschung erfolgt ist.
Die Überspannungsschutzeinrichtung ist so koordiniert, dass der erste Ableitpfad mit Varistor bei Überlastung auf den leistungsfähigeren zweiten Ableitpfad mit Funkenstrecke kommutiert. Nach Abklingen des Stromimpulses im Funkenstreckenpfad findet eine Kommutierung in den Löschpfad statt. Bei Überlastung des Kurzschluss-Löschpfads kann mit einer schnellen Notabschaltung auf den ersten Varistorpfad und von dort gegebenenfalls auf den zweiten Pfad mit Funkenstrecke erneut kommutiert werden.

1: triggerbare Funkenstrecke (FS1)
2: Trennfunkenstrecke (FS2)
2': Anschlussbügel
3: Varistorelemente (VDR1/VDR2)
4: Steuerschaltung als Koordinations- und Überwachungseinheit (CCU)
5: Trägerplatte
6: Erdschiene
6': Erdanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3228471 A1 [0002]
- DE 19838776 C2 [0004]
- DE 19952004 B4 [0006]

Claims

Überspannungsschutzeinrichtung für den Einsatz in Gleichstromnetzen, insbesondere für Photovoltaikanlagen mit einer energetisch koordinierten Parallelschaltung eines ersten Ableitpfads und eines zweiten, triggerbaren Ableitpfads, welche jeweils ein unterschiedliches Ansprechverhalten bezogen auf Störereignisse und Überspannungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Ableitpfad mindestens einen Varistor aufweist, dessen Restspannungswert erfasst wird und auf eine Steuerschaltung gelangt, um die energetische Belastung des ersten Ableitpfads zu ermitteln, – der zweite Ableitpfad mindestens eine Funkenstrecke aufweist, deren Triggereingang mit einem ersten Ausgang der Steuerschaltung in Verbindung steht, – dem ersten und zweiten Ableitpfad ein dritter Zweig als Kommutierungs- und Löschpfad parallel geschaltet ist, welcher einen Kurzschlussschalter enthält, dessen Steuereingang an einem zweiten Ausgang der Steuerschaltung angeschlossen ist, – wobei der zweite Ableitpfad mit Funkenstrecke über die Steuerschaltung nur dann aktiviert wird, wenn eine anhand der Restspannungsüberwachung erkannte energetische Überlastung des ersten Ableitpfads zu erwarten ist und weiterhin zur wirksamen Netzfolgestrombegrenzung der Kurzschlussschalter im dritten Zweig für einen vorgegebenen Zeitraum nach Ablauf einer Verzögerungszeit, gerechnet vom Ansprechen der Funkenstrecke im zweiten Ableitpfad an, geschlossen wird.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansprechen der Funkenstrecke im zweiten Ableitpfad durch Überwachung der Systemspannung hinsichtlich des Auftretens von Spannungseinbrüchen mit Hilfe der Steuerschaltung erkannt wird.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen des Ansprechens der Funkenstrecke im zweiten Ableitpfad ein Stromsensor vorgesehen ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung einen Taktgenerator zum Festlegen der Verzögerungszeit und/oder des Einschaltzeitraums des Kurzschlussschalters aufweist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschaltzeitraum im Bereich zwischen 10 μs bis 3 ms liegt.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kurzschlusszustand der fließende Strom im dritten Zweig überwacht und bei Überlast ein als Kurzschlussschalter eingesetzter Leistungstransistor in einen offenen, hochohmigen Zustand überführt wird.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei insbesondere impulsstromartiger Stromüberlast der erste und/oder der zweite Ableitpfad aktiviert werden.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit so eingestellt ist, dass die Impulslängen normierter Stoßstromimpulse überbrückt werden.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung eine Energiespeichereinheit für deren Betrieb im Ableitfall aufweist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur blitzschutztechnischen Erdverbindung eine Trennfunkenstrecke vorgesehen und in die Erdverbindung eingeschleift ist.