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Die Erfindung betrifft eine Umschalteinrichtung und eine Netzersatzanlage mit einer solchen Umschalteinrichtung.
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Netzersatzanlagen dienen der Bereitstellung elektrischer Energie für Verbraucher für den Fall, dass kein Versorgungsnetz diese Energie bereitstellt, beispielsweise auf Grund eines Ausfalls und/oder einer Störung des Versorgungsnetzes. In diesem Fall übernimmt die Netzersatzanlage die Versorgung des Verbrauchers mit elektrischer Energie, um den weiteren Betrieb des oder der Verbraucher(s) sicherzustellen. Eine Umschalteinrichtung ermöglicht dabei das Umschalten auf andere lokale Energieerzeuger wie einen Generator, eine Photovoltaikanlage und/oder einen Energiespeicher.
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Derartige Netzersatzanlagen sind bekannt, beispielsweise aus der
EP 1 965 483 A1 der Anmelderin.
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Beim Betreiben und Errichten von Netzersatzanlagen sind eine Vielzahl von Vorschriften zu beachten. Diese sind beispielsweise in VDE-Veröffentlichungen und in Anschlussbedingungen der Versorgungsnetzbetreiber festgehalten. Derartige Vorschriften haben u.A. das Ziel, Nutzer elektrischer Anlagen vor schädlichen Auswirkungen dieser elektrischen Anlagen zu schützen.
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So haben bestimmte Vorschriften in der Vergangenheit dazu geführt, dass in Rede stehende Netzersatzanlagen nicht für bestimmte Netztypen zugelassen werden konnten. Insbesondere konnten Netzersatzanlagen nicht für sogenannte TT-Netze zugelassen werden, da Teile der umfangreichen Vorschriften nicht erfüllt wurden.
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Die vorliegende Erfindung zielt vor diesem Hintergrund darauf ab, eine Netzersatzanlage und deren Umschalteinrichtung so auszuführen, dass diese die Ziele der betreffenden Vorschriften erfüllt.
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Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch die Umschaltvorrichtung des Anspruchs 1 und die Netzersatzanlage des Anspruchs 4.
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Dadurch wird der Einsatzbereich der Netzersatzanlagen insbesondere in vorteilhafter Weise auf TT-Netze erweitert.
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Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Netzersatzanlage als elektrisches Schaltbild,
- 2 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Netzersatzanlage in einem Fehlerzustand, und
- 3 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Netzersatzanlage in einem Fehlerzustand.
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1 zeigt eine Netzersatzanlage 1, die an ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz 2 für elektrische Energie, beispielsweise das öffentliche Energieversorgungsnetz, angeschlossen ist. Das Versorgungsnetz 2 dient hier zur Versorgung eines beispielhaft dargestellten Verbrauchers 5.
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Das Versorgungsnetz 2 weist eine TT-Netz Topologie auf, bei welcher der Schutzleiter PE beispielsweise zur Erdung von Verbrauchern 5 separat vom N-Leiter des Versorgungsnetzes geerdet ist.
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An den Neutralleiter N und einen Leiter L1 ist eine Netzersatzanlage mit einer Umschalteinrichtung 3 angeschlossen, wobei über die Umschalteinrichtung wiederum der Verbraucher 5 mit dem Versorgungsnetz 2 verbindbar ist.
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Der Verbraucher 5 ist durch einen Lastwiderstand RL dargestellt, durch den aber selbstverständlich jegliche Art von elektrischen Verbrauchern symbolisiert werden soll.
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An den Neutralleiter N und den Leiter L1 sind über die Umschaltvorrichtung 3 hier ferner eine vorteilhaft eine Photovoltaikanlage über einen Photovoltaik-Wechselrichter (PV) 4 , ein Energiespeicher über einen Batteriewechselrichter 6 und ein Generator (G) 7 angeschlossen. Der Generator 7 kann beispielsweise als ein durch eine Verbrennungsmaschine angetriebener elektrischer Generator ausgelegt sein.
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An einer Potentialausgleichsschiene 8 wird über eine Erdeinrichtung bzw. Erder 9 das bzw. ein Erdpotential PE („ERDE“) für die Umschalteinrichtung bereitgestellt bzw. an diese angeschlossen.
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Ein weiterer Erder 10 stellt ein PE-Potential für das Versorgungsnetz 2 zur Verfügung.
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Der Widerstand RErde 13 ist der Widerstand der Erdverbindung zwischen den Erdern 10 und 9 (im Ersatzschaltbild)..
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Die in 1 gezeigten Linien 14 und 15 bezeichnen eine räumliche Trennung zwischen dem Versorgungsnetz 2 und der Netzersatzanlage 1.
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Hierbei kann die Linie 14 als Markierung für eine Ortsnetzstation und die Linie 15 als eine Markierung für einen Hausanschluss angesehen werden.
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Im Wesentlichen besteht die Aufgabe der Netzersatzanlage 1 darin, den Verbraucher 5 auch dann mit elektrischer Energie zu versorgen, wenn das Versorgungsnetz 2, beispielsweise auf Grund einer Störung, keine elektrische Energie zur Verfügung stellt.
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Zur Steuerung der Netzersatzanlage 1 weist diese eine aus Gründen der Übersicht nicht dargestellte Steuereinrichtung auf. Die Steuereinrichtung schaltet einzelne Komponenten (PV-Wechselrichter 4, Verbraucher 5, Batteriewechselrichter 6, Generator 7 usw.) der Netzersatzanlage 1 entsprechend festlegbarer Vorgaben zu oder ab. Zur Erfassung einer Anzahl verschiedener elektrischer und/oder physikalischer Grö-ßen, die entsprechend weiterer festlegbarer Vorgaben das Verhalten der Steuerungseinrichtung beeinflussen, weist die Steuerungseinrichtung Mess- und Sensoreinrichtungen auf (nicht dargestellt).
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Eine Ab- bzw. Zuschaltung einzelner Komponenten erfolgt wie bereits ausgeführt über die Steuereinrichtung. Hierzu steuert die Steuerungseinrichtung die verschiedenen Schalteinrichtungen z.B. wie Relais oder Schütze K1 bis K7 an. Die hierzu erforderlichen Steuerleitungen und/oder Überwachungseinrichtungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Die mit den Zeichen K1 bis K7 bezeichneten Schalteinrichtungen sind beispielsweise als Schaltschütze ausgeführt. Die dargestellten Schütze K1 bis K7 sind in 1 sämtlich mit geöffneten Kontakten dargestellt.
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Nachfolgend sei die Funktion dieser Anordnung näher erläutert.
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Die Umschalteinrichtung weist mehrere Schaltvorrichtungen (Schütze) K1 bis K7 auf.
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Bei einem Ausfall des Versorgungsnetzes 2 erfolgt eine vorgeschriebene Trennung des Versorgungsnetzes 2 von der Netzersatzanlage 1 mittels einer Öffnung eines Schützes K4 und von dem PV-Wechselrichter 4 mittels Öffnung der Netztrennstellen an den Schützen K1 und K2 zwecks konformer Abtrennung des PV-Wechselrichters.
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Die Versorgung des Verbrauchers 5 kann spätestens jetzt, oder ggf. mit einer Verzögerung, über den Batteriewechselrichter 6 erfolgen. K7 kann - wie in 2 dargestellt - auch schon während der Verbindung mit dem Versorgungsnetz 2 geschlossen sein, um z.B. die angeschlossene Batterie aufzuladen.
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Um zusätzliche elektrische Energie für den Verbraucher 5 bereitzustellen, kann ggf. ein Schütz K3 geschlossen werden, über welches der PV-Wechselrichter 4 mit dem Verbraucher 5 verbunden werden kann, so dass der PV-Wechselrichter 4 zusätzliche Energie bereitstellt. K3 schließt vorzugsweise nicht automatisch. Das wird durch die Steuerung bestimmt. Allerdings schließt K3 nur, wenn K1 und K2 sowie K4 geöffnet sind.
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Bei einem Netzausfall sorgt die Umschaltvorrichtung 3 derart für eine sichere Trennung der Verbraucher 5 sowie der PV-Anlage (bei 4) vom öffentlichen Netz und bildet anschließend ein stabiles Inselnetz, in das dann bei dem dargestellten Beispiel über die Umschaltvorrichtung die Solarenergie eingespeist werden kann. Die dabei entstehende maximale Unterbrechungszeit ist so gering, dass sie bei den meisten Verbrauchern einem unterbrechungsfreien Betrieb gleichkommt.
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Weiterhin kann ggf. ein Schütz K5 geschlossen werden, an welches der Generator 7 angeschlossen ist, so dass der Generator 7 zusätzliche Energie bereitstellt.
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Ggf. kann auch über den PV-Wechselrichter 4 elektrische Energie in das Versorgungsnetz 2 eingespeist werden, hierzu werden die Schütze K1 und K2 geschlossen, welche den PV-Wechselrichter 4 im geschlossenen Zustand mit dem Versorgungsnetz verbinden.
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Die Anschlüsse der einzelnen Komponenten an die Umschaltvorrichtung 3 sind in geeigneter Weise entsprechend den geltenden Vorschriften fachgerecht ausgeführt. Weiterhin sind die einzelnen Komponenten, bzw. die elektrischen Verbindungen zwischen diesen und der Umschaltvorrichtung 3 entsprechend geltender Vorschriften mit Überstromschutzorganen („Sicherungen“) F1, F6, F11, F12, F13, F14 und/oder F15 ausgestattet.
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In 2 befindet sich die in 1 gezeigte Ausführung im Netzbetrieb, d. h. das Schütz K4 ist wie dargestellt geschlossen und der Verbraucher 5 wird aus dem Versorgungsnetz 2 über den L1- und den N-Leiter mit elektrischer Energie versorgt und über K7 und den Batteriewechselrichter wird die Batterie ggf. in einem gewünschten Ladezustand gehalten.
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Vorschriftsmäßig ist dem Verbraucher 5 ein Fehlerstromschutzschalter 20 (ebenfalls verwendete Bezeichnungen: RCD = Residual Current Protective Device, Fl-Schutzschalter) vorgeschaltet.
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Der Fehlerstromschutzschalter 20 dient dem Schutz von Personen vor Gefahren, die von durch diesen geschützten Verbrauchern im Falle einer Fehlfunktion und/oder eines Defektes ausgehen. Hierzu erfasst der Fehlerstromschutzschalter 20 kontinuierlich die Summe der Verbraucherströme eines geschützten Verbrauchers.
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Im dargestellten Fall ermittelt der Fehlerstromschutzschalter 20 kontinuierlich, ob der elektrische Strom, der dem Verbraucher 5 „zufließt“ (L1) gleich dem Betrag des elektrischen Stroms ist, der vom Verbraucher 5 „ab- bzw. wegfließt“. Ist diese Differenz ungleich null, liegt ein Fehler vor, d. h., ein Teil des Verbraucherstroms fließt auf Grund einer Störung und/oder eines Defekts über einen nicht gewollten Weg ab (dieser Teil eines Stromes wird als Fehlerstrom bezeichnet).
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Stellt der Fehlerstromschutzschalter 20 einen derartigen Fehlerfall fest, trennt er die Verbindung zu dem geschützten Verbraucher an allen Polen. D.h., die den Verbraucher 5 mit Strom versorgenden Leitungen L1 und N werden unterbrochen um den Verbraucher 5 spannungslos zuschalten und dadurch eine Gefährdung zu verhindern.
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In 2 ist ein Fehlerfall durch den mit dem Bezugszeichen 21 bezeichneten Spannungspfeil in Form einer fehlerhaften elektrischen Verbindung dargestellt.
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Derartige Fehler können an beschädigten Isolierungen auftreten. In diesem Fall liegt an einem Gehäuse (nicht separat dargestellt) des Verbrauchers L1-Potential. Berührt ein Benutzer des Verbrauchers 5 dieses Gehäuse, kann er hierdurch einen „elektrischen Schlag“ mit den bekannten Folgen erleiden.
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Damit der Fehlerstromschutzschalter 20 korrekt arbeitet, ist es erforderlich, dass sich im Fehlerfall eine sogenannte Fehlerschleife ausbilden kann. Als Fehlerschleife wird der geschlossene Leitungsweg bezeichnet, über den der Fehlerstrom im Fehlerfall fließt, d. h. die „Erdung“ muss derart ausgeführt sein, dass sich die Fehlerschleife im Fehlerfall bilden kann und der Fehlerstromschutzschalter 20 den Verbraucher von der Quelle trennen kann (Sicherheitsmaßnahme „Abschalten der Quelle“).
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Die stärker dargestellte Linie 22 zeigt eine derartige Fehlerschleife, d. h. der Weg des Fehlerstromes, verursacht durch die Störung 21 wird dargestellt.
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3 zeigt die in 1 dargestellte Ausführungsform in einer Betriebsart in der bereits eine Trennung vom Versorgungsnetz stattgefunden hat (K4 ist geöffnet sowie hier auch K1 und K2). Die Versorgung des Verbrauchers wird durch den Batteriewechselrichter 6 gewährleistet (K7 ist geschlossen). Auch in dieser Betriebsart wird durch Vorschriften gefordert, dass der Fehlerstromschutzschalter 20 den Verbraucher 5 im Fehlerfall sicher abschaltet.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Umschaltvorrichtung 3 einen Widerstand 23 RN-PE aufweist, der eine ohmsche Verbindung zwischen einem PE-Potential 24 und einem N-Potential 25 herstellt, und zwar derart, dass der sich im Fehlerfall einstellende Fehlerstrom sicher zur Auslösung des Fehlerstromschutzschalters 20 führt. Es kann auch eine optionale Überwachung der Berührspannung (Spannung über RN-PE 23) erfolgen.
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Der Widerstand 23 ist erforderlich, weil die Verbindung ggf. auch beim Betrieb am Versorgungsnetz 2 im Eingriff ist und insbesondere eine harte Erdung des N-Leiters für diesen Fall nicht zulässig ist. Für den Generatorbetrieb - während K4 getrennt ist - ist der Widerstand 23 nicht erforderlich, hier kann eine direkte Verbindung von N zu PE direkt am Generator hergestellt werden, um eine etwaige Fehlerschleife zu schließen.
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Zwischen N und PE besteht unter Umständen eine Potentialdifferenz. Diese führt dazu, dass wenn K4 öffnet und man dann N auf PE schalten würde, unkontrolliert ein Ausgleichsstrom zwischen N und PE fließen würde. Der Widerstand RN-PE (23) dient zur Begrenzung dieses Ausgleichsstroms.
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Der Widerstand RN-PE soll so klein sein, dass im Fehlerfall der Fehlerstrom über PE zur Erde fließt. Es soll andererseits so groß sein, dass der Ausgleichsstrom so klein ist, dass die installierten Komponenten der Umschalteinrichtung durch diesen Ausgleichsstrom nicht geschädigt werden und die im Netzparallelbetrieb entstehende Verlustleistung minimal wird, klein ist.
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Der Widerstand RN-PE (23) weist hierzu einen Wert von 100 bis 2000 Ohm, vorzugsweise 200 - 400 Ohm, auf.
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Die mit 26 bezeichnete starke Linie stellt die sich im dargestellten Fehlerfall ausbildende Fehlerschleife dar.
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Durch die Erfindung können Netzersatzanlagen jetzt auch an einer TT-Netz Topologie entsprechend den geltenden Vorschriften betrieben werden und nicht wie bislang lediglich an TN-Netz Topologien.
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Es sei noch darauf hingewiesen, dass zwei weitere mit 27 und 28 bezeichnete Fehlerstromschutzschalter zum PV-Wechselrichter 4 und zum Batteriewechselrichter 6 für weitere denkbare Fehlerfälle benötigt werden, jedoch im vorstehend beschriebenen Fehlerfall nicht von Bedeutung sind.
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Selbstverständlich können weitere Komponenten und/oder Verbraucher der Netzersatzanlage erfindungsgemäß geschützt werden.
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Selbstverständlich kann die vorstehend erläuterte Schaltung nicht nur, wie gezeigt, einphasig sondern auch mehrphasig, beispielsweise dreiphasig ausgeführt werden. (was in der Darstellung aus Übersichtsgründen nicht dargestellt und für die Funktionsweise nicht entscheidend ist). Selbstverständlich können auch weitere Schutzschalter (Leitungsschutz, RCD) im System integriert sein, um zusätzlichen Schutz zu gewährleisten bzw. regulativen Ansprüchen zu entsprechen.
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Die Umschalteinrichtung wird beim Vorsehen des Widerstandes 23 RN-PE besonders bevorzugt und besonders vorteilhaft berührungssicher nach Schutzklasse 2 (Schutzisolierung) ausgeführt. Vorzugsweise wird die Umschalteinrichtung 3 derart ausgerichtet, dass sie ein Gehäuse aufweist. Dieses wird, um die Sicherheit im Fehlerfall (Körperschluss im Gehäuse) zu gewährleisten vorzugsweise zumindest die Schutzklasse 2 (Schutzisolierung) aufweisen oder über RCDs geschützt sein.
