DE102017102807A1

DE102017102807A1 - Schutzvorrichtung für Schaltanlage

Info

Publication number: DE102017102807A1
Application number: DE102017102807.2A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hartmann Eric
Original assignee: Woodward Kempen GmbH
Current assignee: Wind Solutions Dk AS KK
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2037-02-14
Also published as: DE102017102807B4; WO2018145997A1; DE102017102807B9

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Trennung von Schaltanlagen, insbesondere Leistungsschaltanlagen von einem Verbraucher oder einem Stromnetz, wobei die Schutzvorrichtung elektrische Verbindungsleitungen für die Verbindung der Phasen des Verbrauchers oder des Stromnetzes mit den Phasen der Schaltanlage aufweist. Daneben betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere eine Windenergieanlage. Die Aufgabe eine Schutzvorrichtung für Schaltanlagen vorzuschlagen, welche auf einfache Weise eine sehr schnelle Trennung der Schaltanlage von einem Verbraucher oder einem Stromnetz ermöglicht und eine zuverlässige Unterdrückung von Störlichtbogen in der Schaltanlage gewährleistet wird für eine gattungsgemäße Schutzvorrichtung dadurch gelöst, dass die Verbindungsleitungen der Schutzvorrichtung zwischen Netz oder Verbraucher und Schaltanlage auslösbare Sicherungen aufweisen und mindestens eine Vorrichtung zur Sicherungsauslösung vorgesehen ist, welche zumindest abhängig von Betriebsdaten der Schutzvorrichtung eine gesteuerte Trennung der Verbindungsleitungen zur Schaltanlage durch Auslösung der Sicherungen ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Trennung von Schaltanlagen, insbesondere Leistungsschaltanlagen, von einem Verbraucher oder einem Stromnetz, wobei die Schutzvorrichtung elektrische Verbindungsleitungen für die Verbindung der elektrischen Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Schutzvorrichtung aufweist. Daneben betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere eine Windenergieanlage.
Schutzvorrichtungen zur Trennung von Schaltanlagen, insbesondere Leistungsschaltanlagen, werden immer dann benötigt, wenn die zur Trennung von Schaltanlagen von einem Verbraucher oder einem Stromnetz vorgesehenen Schütze aufgrund hoher zu schaltender elektrischer Ströme während des Schaltvorgangs Schaden nehmen können. Schütze sind darüber hinaus in der Regel nicht für ein besonders schnelles Trennen der Schaltanlage vom Netz ausgelegt. Bei einem Kurzschluss treten aber Kurzschlussströme in den Schaltanlagen auf, welche zu einer erheblichen elektrischen als auch mechanischen Belastung aufgrund der entstehenden Magnetfelder führen. Eine besonders schnelle Trennung der Schaltanlage vom Verbraucher oder vom Stromnetz ist daher eine wichtige Forderung an gattungsgemäße Schutzvorrichtungen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Leistungsschalter zu verwenden, die als mechanische Schaltgeräte in der Lage sind, Ströme unter Betriebsbedingungen im Stromkreis einzuschalten, zu führen und diese auszuschalten. Darüber hinaus müssen die Leistungsschalter im Falle eines Kurzschlusses, die auftretenden hohen Ströme für eine kurze Zeit führen und die Schaltanlage vom Verbraucher oder Stromnetz schnell trennen können. Leistungsschalter werden daher für die zu führenden Dauerströme sowie die Kurzschlussströme dimensioniert.
Zum Schalten hoher Ströme im Bereich von mehr als 100 A werden beispielsweise offene Leistungsschalter (Air-Circuit-Breaker, ACB) verwendet, die in der Regel strombegrenzend ausgelegt sind, d.h. dass sie möglichst schnell Kurzschlussströme ausschalten können. Strombegrenzende Leistungsschalter müssen daher so ausgelegt werden, dass die dynamischen und thermischen Beanspruchungen der Schaltanlage bei einem Kurzschluss möglichst gering sind. Um hohe Ströme führen zu können, müssen Leistungsschalter mechanisch entsprechend dimensioniert sein. Dies spricht aber der schnellen Abschaltung hoher Ströme entgegen, denn eine schnelle Abschaltung sollte vorzugsweise innerhalb der ersten 5 ms erreicht werden, um den maximalen Anfangswert des Kurzschlussstroms begrenzen zu können. Um diese Schaltzeiten zu erreichen, werden die Leistungsschalter in Bezug auf ihre mechanischen Komponenten komplex und damit entsprechend teuer ausgestaltet. Trotz der aufwändigen mechanischen Konstruktion entsteht beim Trennen der Schaltanlage durch Schalten des Leistungsschalters ein Lichtbogen, der so schnell wie möglich gelöscht werden muss, um die Schaltanlage vollständig vom Netz zu trennen. Leistungsschalter unterliegen bei einem Schaltvorgang daher einem hohen Verschleiß und müssen insbesondere bei einer Notabschaltung im Kurzschlussfall in der Regel gewartet werden, um beispielsweise den Abbrand in der Schaltkammer zu prüfen. Häufig muss die gesamte Schaltkammer ausgetauscht werden, um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Mit anderen Worten, sobald der Leistungsschalter in einem Störfall ausgelöst wird, ist eine kostenintensive Wartung notwendig.
Als Schaltanlagen, insbesondere Leistungsschaltanlagen werden Anlagen verstanden, in denen elektrische Energie verteilt oder umgeformt wird. Insbesondere werden darunter Vorrichtungen zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie verstanden, insbesondere Windenergieanlagen oder Photovoltaikanlagen sowie deren Frequenzumrichter. Schaltanlagen müssen vor den elektrischen und mechanischen Belastungen von Kurzschlüssen im Fehlerfall geschützt werden.
Insbesondere beim Führen von Strömen, wie sie in Windenergieanlagen auftreten, im Bereich von 2000 A bis 4000 A werden kostspielige Reihenschaltungen aus Leistungsschaltern und Schützen verwendet. Darüber hinaus können auch Bypassschaltungen verwendet werden, um im Teillastbereich kleinere Leistungsschalter beim Abschalten zum Einsatz zu bringen, sodass der Austausch der kostspieligen, auf das Schalten von hohen elektrischen Strömen ausgelegten Leistungsschalter vermieden wird.
Weitere Sicherungsmaßnahmen von elektrischen Schaltanlagen oder auch Leistungsschaltanlagen zur Beseitigung von Störlichtbögen sind aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 94 19 141 U1 bekannt. Das genannte deutsche Gebrauchsmuster beschreibt eine Sprengsicherung, welche beim Auftreten eines Lichtbogens die elektrischen Verbindungen zur Leistungsschaltanlage in sehr kurzer Zeit trennt. Zur Trennung kommt es also, sobald Störlichtbogenerkennungssysteme ein Signal für die Zündung der Sprengsicherung übermitteln. In diesem Fall ist es aber bereits in der Schaltanlage zu einem Störlichtbogen und damit zur Abweichungen vom „normalen“ Betriebszustand gekommen, sodass die Schaltanlage möglicherweise bereits Schaden genommen hat.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzvorrichtung für Schaltanlagen, insbesondere für Schaltanlagen mit hohen Leistungen, welche das Schalten von Strömen in Höhe von mindestens ca. 1000 A und mehr ermöglichen, vorzuschlagen, welche auf einfache und kostengünstige Weise eine sehr schnelle Trennung der Schaltanlage von einem Verbraucher oder einem Stromnetz ermöglicht und eine zuverlässige Unterdrückung von Störlichtbogen in der Schaltanlage gewährleistet.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die zuvor aufgeführte Aufgabe für eine gattungsgemäße Schutzvorrichtung dadurch gelöst, dass die Schutzvorrichtung zwischen den elektrische Eingangs- und Ausgangsanschlüssen Sicherungen zur Trennung der Verbindungsleitungen zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen aufweist und eine Vorrichtung zur Sicherungsauslösung vorgesehen ist, mit welcher die Auslösung der Sicherungen in Abhängigkeit von erfassten Betriebsdaten der Schaltanlage oder der Schutzvorrichtung erfolgen kann. Als Betriebsdaten im Sinne der vorliegenden Erfindung werden Daten angesehen, welche zur Steuerung und zum regulären Betrieb der Schaltanlage bzw. der Schutzvorrichtung erfasst oder gemessen werden, wobei die Daten das Auftreten von Abweichungen aus dem normalen Betrieb anzeigen können, bevor es zu schweren Störungen, wie beispielsweise einem Störlichtbogen in der Schaltanlage kommt. Hierzu gehören beispielsweise Strom- und Spannungsmessungen in den einzelnen Phasen der Schutzvorrichtung oder der Schaltanlage oder auch Temperaturmessungen an Leistungsschaltern, die beispielsweise eine Überlastung anzeigen. Die Schutzvorrichtung ist damit insbesondere für Schaltanlagen vorgesehen, die Ströme von etwa mindestens 1000 A mehr, bevorzugt von 2000 A bis 4000 A führen. Diese Schaltanlagen, wie auch die Schutzvorrichtungen sind dann dreiphasig ausgeführt. Die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung sind selbstverständlich für jede stromführende Phase und gegebenenfalls für den Neutralleiter getrennt auszuführen, um die höhen Ströme führen zu können. Im Ergebnis können damit die üblicherweise zum Schutz der Schaltanlage vorgesehenen, kostspieligen Leistungsschalter mit einer kostengünstigen, erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ersetzt werden.
Werden beispielsweise im Wesentlichen nur Betriebsdaten der Schutzvorrichtung zur Steuerung der Vorrichtung zu Sicherungsauslösung verwendet, besteht die Möglichkeit, die Schutzvorrichtung auch an bereits bestehenden Schaltanlagen zu verwenden oder diese dort nachzurüsten.
Sicherungen, insbesondere Schmelzsicherungen, können im Fehlerfalle eine deutlich schnellere Trennung der Schaltanlage vom Netz bewirken als Leistungsschalter. Sicherungen können beispielsweise in einem Zeitraum von 5 ms Schaltanlagen von einem Verbraucher oder einem elektrischen Stromnetz trennen. Hierdurch können zuverlässige Überschreitungen von Kurzschlussströmen in der Schaltanlage verhindert werden. Vorzugsweise ist gemäß einer ersten Ausgestaltung die Vorrichtung zur Auslösung der Sicherung so ausgebildet, dass abhängig von den Betriebsdaten eine Trennung der Schaltanlage bereits nach weniger als 2,5 ms, insbesondere weniger als 1 ms erfolgen kann. Das Ansteigen eines Kurzschlussstroms kann damit noch stärker beschränkt werden und ein verbesserter Schaltanlagenschutz erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Schutzvorrichtung ist die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung derart ausgebildet, dass diese die Sicherungen durch ein Kurzschließen der Phasen der Verbindungsleitungen auslösen kann. Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung dreiphasig ausgebildet, so dass ein Kurzschließen einzelner Phasen aber auch ein Kurzschließen aller Phasen in Frage kommt. Die Schutzvorrichtung kann beispielsweise eine Vorrichtung zur Sicherungsauslösung enthalten, welche die Sicherungen, wie bei einer Sprengsicherung, direkt auslöst. Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik wird hierzu jedoch eine Auswertung von Betriebsdaten der Schutzvorrichtung oder der Schaltanlage herangezogen, sodass ein Auftreten eines Störlichtbogens in der Schaltanlage, beispielsweise durch Fortpflanzen einer Überspannung, sicher vermieden werden können. Andererseits können die Phasen der Verbindungsleitungen gezielt kurzgeschlossen werden, indem einfache Schmelzsicherungen als Sicherungen eingesetzt und forciert durch Überschreiten der Auslöseströme ausgelöst werden können. Da entsprechende Schaltanlagen in der Regel dreiphasig an einen Verbraucher oder an ein Stromnetz angeschlossen sind, besteht die Möglichkeit, mindestens eine einzelne Phase mit dem Neutralleiter, zwei Phasen untereinander oder alle drei Phasen untereinander kurzzuschließen, um eine Sicherungsauslösung in einer, zwei oder in allen drei Phasen zu erreichen. Dies reduziert die Kosten im Vergleich zum Einsatz eines Leistungsschalters erheblich.
Ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Schutzvorrichtung eine Steuereinheit vorgesehen, welche die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung durch Übermittlung eines Steuersignals steuert und das Steuersignal der Steuereinheit abhängig von mindestens einem externen Ansteuersignal und/oder abhängig von einer Messgröße erzeugbar ist, kann über eine Steuerlogik das Verhalten der Schutzvorrichtung exakt vorherbestimmt und damit gezielt auf die zu schützende Schaltanlage angepasst werden. Insbesondere kann über die Steuereinheit auch eine einfache Parametrisierung bezüglich der auftretenden Fehler, beispielsweise Fehlerströme erreicht werden. Gleichzeitig oder alternativ kann auch eine externe Steuerung, beispielsweise eine übergeordnete Steuerung ein Ansteuersignal an die Steuereinheit übermitteln, um die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung zu betätigen. Eine Messung kann in diesem Zusammenhang beispielsweise eine Messung des Stroms in einer der Verbindungsleitungen oder eine Spannungsmessung in der Schutzvorrichtung oder der Schaltanlage sein, um eine Bestimmung des Zustands der Schaltanlage durchzuführen und das Steuersignal zum Kurzschließen zu generieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Schutzvorrichtung ist die Steuereinheit daher derart ausgebildet, dass mindestens eine der folgenden Messgrößen zwecks Erzeugung des Steuersignals zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung ausgewertet werden kann:

- eine Strommessung, insbesondere eine Messung des Stroms der Verbindungsleitungen der Schutzvorrichtung,
- eine Spannungsmessung, insbesondere eine Messung der Spannung der Eingangs- und/oder Ausgangsspannung der Schutzvorrichtung.

Anhand der genannten Messgrößen kann beispielsweise auch eine Sicherungsüberwachung durchgeführt werden, indem beispielsweise der zeitliche Stromverlauf, die Temperatur der Sicherung, Lastspitzen, Lastzyklen und nach einer Auswertung ein Signal zur Auslösung der Sicherung generiert. Eine Strommessung, insbesondere eine Messung des Stroms der Verbindungsleitungen der Schutzvorrichtung aber auch eine Messung der Eingangs- und/oder Ausgangsspannung der Schutzvorrichtung ermöglicht es, die Schaltanlage vor Überströmen bzw. Überspannungen gezielt zu schützen und die Schaltanlage frühzeitig beispielsweise vom Stromnetz zu trennen. Denkbar ist selbstverständlich auch Messungen der Ströme und/oder Ein- und Ausgangsspannungen der Schaltanlage zur Erzeugung des Steuerungssignals für die Vorrichtung zur Auslösung der Sicherung zu verwenden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Steuereinheit zusätzliche Eingänge für ein oder mehrere externe Ansteuersignale zur Auslösung der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung auf, sodass auch mehrere externe oder übergeordnete Steuerungseinheiten auf die Schutzvorrichtung zugreifen können. Hierbei kann es sich um einfache analoge oder digitale Eingänge handeln, aber auch um Standardschnittstellen zur Kommunikation, beispielsweise Feldbusschnittstellen oder eine Ethernet-Schnittstelle. Beispielsweise können so auch Ansteuerungssignale von der Schaltanlage selbst an die Schutzvorrichtung einfach übermittelt werden.
Weist die Steuereinheit eine Anzeigeeinheit zur Darstellung von Betriebsdaten der Schutzvorrichtung und optional eine Bedieneinheit zur manuellen Steuerung der Schutzvorrichtung auf, können gemäß einer weiteren Ausgestaltung wichtige Betriebsdaten und Parameter vor Ort an der Schutzvorrichtung selbst abgelesen und über die Bedieneinheit optional geändert werden.
Die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung zwischen den Sicherungen und den Eingangsanschlüssen oder den Sicherungen und den Ausgangsanschlüssen der Schutzvorrichtung angeordnet. Es kann somit auf einfache Weise sichergestellt werden, dass die Sicherungen beispielsweise durch Kurzschließen der Phasen der Verbindungsleitung der Schutzvorrichtung ausgelöst werden, ohne dass beispielweise ein Überstrom zur Beschädigung der Schaltanlage führt.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Schutzvorrichtung ein Schütz zwischen den auslösbaren Sicherungen und der Schaltanlage vorzusehen, wobei das Schütz vorzugsweise in die Schutzvorrichtung integriert ist.
Hierdurch kann die Schutzvorrichtung auch dazu genutzt werden, im normalen Betrieb die Nennströme der Schaltanlage zu schalten. Somit kann auf diese Weise die Zu- bzw. Abschaltung der Schaltanlage an ein elektrisches Netz gewährleistet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Schutzvorrichtung weist die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung für jede kurzzuschließende Phase mindestens ein Schaltorgan auf und die Schaltorgane sind in Stern- oder in Dreieckschaltung angeordnet. Somit ist ein gezieltes Kurzschließen zwischen zwei Phasen, aller drei Phasen, aber auch das Kurzschließen zwischen einer Phase und dem Sternpunkt möglich.
Die in der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung vorhandenen Schaltorgane können als elektronische Schalter ausgeführt sein. Hiermit lässt sich ein besonders schnelles Kurzschließen ermöglichen. Beispielsweise können die elektronischen Schalter als Thyristoren oder IGBTs ausgeführt sein.
Die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung kann in einer alternativen Ausgestaltung auch getriggerte Funkenstrecken als Schaltorgane aufweisen. Getriggerte Funkenstrecken weisen eine hohe Spannungsfestigkeit auf. Im Gegensatz zu Halbleiterschaltern besteht bei ihnen auch nicht die Gefahr des Durchlegierens, also der Zerstörung der Funktionsfähigkeit durch zu hohe Ströme. Somit kann die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung besonders robust ausgestaltet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Schutzvorrichtung weist die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung eine Gleichrichterschaltung und mindestens einen elektronischen Schalter, beispielsweise einen Thyristor oder einen IGBT, sowie optional einen Dämpfungswiderstand auf. Der Einsatz einer Gleichrichterschaltung in Verbindung mit einem elektronischen Schalter ermöglicht ein besonders schnelles Kurzschließen aller Phasen der Verbindungsleitungen mit einem einzigen Thyristor oder IGBT. Durch einen Dämpfungswiderstand kann die Höhe der Kurzschlussströme gedämpft werden, sodass die Belastungen für die Komponenten der Schutzvorrichtung verringert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung weist diese zumindest die Verbindungsleitungen, die auslösbare Sicherung pro Phase, die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung und die Steuereinheit in einer geschlossenen Baueinheit auf, so dass ein kompaktes nachrüstbares Bauteil zur Verfügung gestellt werden kann. Optional kann auch das Schütz in die geschlossene Baueinheit der Schutzvorrichtung integriert sein. Mit der geschlossenen Bauform der Schutzvorrichtung wird beispielsweise ein Nachrüsten von elektrischen Schaltanlagen, wie beispielsweise Anlagen zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie besonders einfach ermöglicht.
Daneben kann die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung auch in einer aufgelösten Bauform mit Einzelbauteilen bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, sofern einzelne Elemente, wie Sicherungen oder Steuereinheiten bereits zur Verfügung stehen und eine Nachrüstung gewünscht wird. Andererseits kann durch eine aufgelöste Bauform auch besonders hohen Leistungen Rechnung getragen werden.
Schließlich wird die oben aufgezeigte Aufgabe gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung für eine Vorrichtung zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere einer Windenergieanlage dadurch gelöst, dass diese mindestens eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung aufweist. Wie bereits ausgeführt, ist ein effektiver Schutz der Bauelemente elektrischer Schaltanlagen, insbesondere Leistungsschaltanlagen, welche zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden, sehr wichtig, um Schäden an der Schaltanlage im Fehlerfall, beispielsweise bei einem Kurzschluss, zu vermeiden. Die gezielte Sicherungsauslösung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ermöglicht einen deutlich verbesserten Schutz der elektrischen Schaltanlagen, beispielsweise vor Überspannungen oder Überströmen. Insbesondere bei Windenergieanlagen können die Frequenzumrichter aber auch die Generatoren, beispielsweise einer Vollumrichter-Windenergieanlage oder einer Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine mit geringeren Kosten vor Schäden durch Überspannungen oder Überströmen geschützt werden. Dies gilt selbstverständlich auch für andere Schaltanlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie. Allen Anlagen ist gemein, dass diese üblicherweise hohe Ströme bereitstellen und damit bei der Verwendung von Leistungsschaltern für die Notauslösung im Auslösefall einer Wartung unterliegen, bei welcher teure Komponenten wie beispielsweise Schaltkammern der Leistungsschalter, ausgetauscht werden müssten. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung müssen lediglich die auslösbaren Sicherungen getauscht werden, deren Kosten nur einen Bruchteil betragen.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung in einer schematischen Schaltskizze,
2 die Stromamplitude in Abhängigkeit von der Zeit für eine Leitungsphase beim Abschalten mit einem Leistungsschalter,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung mit Steuereinheit in einer schematischen Schaltskizze,
4-8 Schaltskizzen unterschiedlicher Ausführungsformen einer Kurzschließer-Vorrichtung zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung und
9 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Schaltanlage zur dezentralen Erzeugung elektrischer Energie in Form einer Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung 1 zur Trennung von Schaltanlagen 2 von einem Verbraucher oder einem Stromnetz 3 zeigt 1. Die Schutzvorrichtung 1 weist elektrische Verbindungsleitungen 4 zwischen den elektrischen Eingangs- 20 und Ausgangsanschlüssen 21 für die Verbindung der Phasen des Verbrauchers oder des Stromnetzes 3 mit den Phasen der Schaltanlage 2 auf. Zusätzlich ist in 1 auch ein Schütz 5 dargestellt, welches üblicherweise zur Anbindung von Schaltanlagen 2 an ein Stromnetz bzw. an einen Verbraucher 3 verwendet werden. Die Verbindungsleitungen 4 der Schutzvorrichtung 1 weisen zwischen dem Stromnetz oder dem Verbraucher 3 und der Schaltanlage 2 auslösbare Sicherungen 6 auf. Schaltanlagen sind in der Regel mehrphasig, insbesondere dreiphasig aufgebaut und werden zur Verteilung oder Erzeugung von Drehstrom verwendet. In jeder Phase ist daher auch eine Sicherung 6 in der Regel vorgesehen. In 1 sind die drei Phasen der Einfachheit halber nicht dargestellt. Wird im Nachfolgenden von einer Sicherung 6 gesprochen, sind daher im Allgemeinen immer alle drei Sicherungen in jeder einzelnen Phase der Verbindungen gemeint.
Darüber hinaus ist auch eine Vorrichtung zur Sicherungsauslösung 7 vorgesehen, welche zumindest abhängig von Betriebsdaten der Schutzvorrichtung eine gesteuerte Trennung der Verbindungsleitungen zur Schaltanlage 2 durch Auslösung der Sicherungen 6 ermöglicht. Durch die Verwendung der Betriebsdaten der Schutzvorrichtung, also beispielsweise durch Verwendung von Strom- oder Spannungsmessungen im Hauptpfad der Schutzvorrichtung, kann eine Auslösung der Sicherungen 6 durch Verwendung der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung 7 bei einer Abweichung vom „normalen Betriebszustand“ erfolgen, um Schäden von der Schaltanlage 2 fernzuhalten.
Wie bereits ausgeführt kann eine Abschaltung bzw. Trennung der Schaltanlage vom Verbraucher oder Stromnetz 3 in sehr kurzer Zeit gewährleistet werden, indem die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung 7 die in der Schutzvorrichtung 1 vorgesehenen Sicherungen 6 gezielt auslöst. Die Schutzvorrichtung 1 umfasst dazu eine Vorrichtung zur Sicherungsauslösung 7, welche die Sicherungen 6 beispielsweise durch ein Kurzschließen der Phasen der Verbindungsleitungen gesteuert auslösen kann. Das Auslösen der Sicherungen ist zwar abhängig von Umgebungstemperaturen, Vorbelastungen und dem momentanen Stromverlauf, durch ein Kurzschließen wird aber das Fließen eines ausreichend hohen Stromes erreicht, so dass eine Auslösezeit der Sicherungen von typischer Weise weniger als 5 ms erreicht werden kann. Eine Abschaltung durch ein Auslösen von Sicherungen in einer Zeit von weniger als 5 ms führt zu einer Strombegrenzung im Kurzschlussfall, wie 2 zeigen soll.
Leistungsschalter, welche nicht spezifisch auf extrem kurze Abschaltzeiten entwickelt sind, trennen die Schaltanlage 2 in der Regel vollständig erst in 60 ms ab. Den Unterschied zwischen einer Abschaltung innerhalb von 60 ms oder weniger als 5 ms zeigt 2, in dem die Stromamplitude I(t) im Falle eines Abschalten zum Zeitpunkt to. Üblicherweise tritt ein Kurzschluss nicht im Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs auf. Der Stromkurzschluss erfährt eine Gleichstromkomponente, welche zu einem asymmetrischen Verlauf des Dauer-Kurzschlussstromes führt. Der Anfangswert des Kurzschlussstromes kann den Spitzenwert des Dauerkurzschlussstromes deutlich übersteigen und ist vom Ort und Art des Kurzschlusses abhängig. Wie 2 anhand des Verlaufs I(t) zeigt, kann der maximale Kurzschlussstrom I_max den Dauerkurzschlussstrom I_k deutlich übersteigen. Schaltanlagen werden aber in der Regel auf den Dauerkurzschlussstrom ausgelegt. Eine Strombegrenzung ist daher notwendig.
Deutlich zu erkennen ist, dass innerhalb der Dauer von 60 ms, was der Abschaltdauer nicht optimierter Leistungsschalter etwa entspricht, es zu einem maximalen Strom I_max kommt, der deutlich größer als I_k ist. Um diesen Strom zu begrenzen, muss eine Abschaltung deutlich früher als innerhalb von 60 ms erfolgen. Mit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ist es auf einfache Weise möglich, durch gezieltes Auslösen der Sicherungen 6 eine Abschaltung innerhalb von weniger als 5 ms durchzuführen. Die Erfassung von Betriebsdaten der Schutzvorrichtung 1, beispielsweise eine Strommessung liefert bereits nach weniger als 1 ms Werte, welche zur Auslösung der Sicherungen 6 verwendet werden können. Eine Strombegrenzung kann daher durch die gezielte Auslösung der Sicherung 6 innerhalb von weniger als 5 ms erreicht werden. Die Schaltanlage 2 kann damit effektiv vor zu hohen Strömen oder Spannungen geschützt werden. Anhand der Schnittlinie S mit der Wellenform des Stroms I(t) wird deutlich, dass bereits im Ansteigen des Stroms I(t) eine Trennung der Schaltanlage 2 vom Stromnetz oder einem Verbraucher 3 vor Erreichen des Maximums von I(t) erfolgen kann.
In 3 ist nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung dargestellt. Die Schutzvorrichtung 1 weist neben der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung 7 eine Steuereinheit 8 auf, welche die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung durch Übermittlung eines Steuersignals 14 steuert. Das Steuersignal 14 der Steuereinheit 8 ist, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, abhängig von mindestens einem externen Ansteuersignal, welches beispielsweise durch die externe Steuerung 11 über die Kommunikationsschnittstelle 10 der Steuereinheit 8 zugeführt wird.
Das Steuersignal 14 ist aber auch abhängig von einer Zustandsüberwachung erzeugbar. Die Zustandsüberwachung der Schutzvorrichtung 1 kann beispielsweise eine Sicherungsüberwachung beinhalten. Die Sicherungsüberwachung ist mit Pfeil 15 angedeutet. Bei einer Sicherungsüberwachung können beispielsweise der zeitabhängige Stromverlauf, eine mögliche Auslösung, die Temperatur, Lastspitzen und Lastzyklen der Sicherungen ermittelt und ausgewertet werden.
Daneben gibt es noch die Möglichkeit, beispielsweise eine Stromüberwachung, vorzugsweise im Hauptstrang aber beispielsweise in der Zuleitung der Kurzschließer-Vorrichtung 7 durchzuführen. Die Zustandsüberwachung per Stromüberwachung ist durch die Sensoren 12 und 13 in 3 angedeutet, welche sowohl Strom- als auch Spannungswerte in den jeweiligen Pfaden, also im Hauptpfad der Schutzvorrichtung (Sensor 12) oder im Kurzschlusspfad (Sensor 13) ermitteln können und an die Steuereinheit 8 weitergeben können. Damit ist auch eine Spannungsüberwachung durch die Steuereinheit 8 gemäß Ausführungsbeispiel der Fig. 3 möglich.
Anhand der Strom- und Spannungswerte kann eine Leistungsrichtungsüberwachung erfolgen, so dass im Fehlerfall ebenfalls eine Auslösung der Sicherung 6 erfolgen kann. Grundsätzlich können beispielsweise auch Betriebsdaten der Schaltanlage 2 über die der übergeordneten Steuerung 11 herangezogen und mit Strom- oder Spannungsmessungen in der Schutzvorrichtung 1 verglichen werden, um eine Auslösung der Sicherungen zu steuern.
Als Schaltanlage 2 ist in 3 der Generator G einer Vorrichtung zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie, beispielsweise einer Windenergieanlage angedeutet. Generell kann als Schaltanlage 2 aber auch eine andere dezentrale Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen sein, beispielsweise eine Photovoltaikanlage oder ein dezentrales Blockkraftwerk.
Die in 3 dargestellte Schutzvorrichtung 1 ist als geschlossene Baueinheit 9 ausgeführt und weist auslösbare Sicherungen 6, die Vorrichtung zu Sicherungsauslösung 7, die Steuereinheit 8 und die Verbindungsleitungen 4 auf. Zusätzlich ist in dem Ausführungsbeispiel aus 3 auch ein Schütz 5 vorgesehen, welches ebenfalls Betriebsdaten an die Steuereinheit 8 übermitteln kann.
Die Steuereinheit 8 kann dabei zusätzlich über die Kommunikationsschnittstelle 10 auch Ansteuersignale einer übergeordneten Steuerung 11 empfangen. Die Kommunikationsschnittstelle 10 kann aber auch für den direkten Zugriff auf die Steuereinheit 8, beispielsweise über das Internet, verwendet werden. Nicht dargestellt in 3 ist, dass die Steuereinheit 8 auch zusätzliche Eingänge für ein oder mehrere Steuersignale externer Steuerungen zur Auslösung der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung aufweisen kann, welche beispielsweise direkt mit der Steuereinheit 8 verbunden werden können. Schließlich ist in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung 7 als Kurzschließer-Vorrichtung ausgebildet, welche die Phasen der Verbindungsleitungen untereinander kurzschließen kann. Die elektrische Verbindung der Kurzschließer-Vorrichtung 7 ist demnach zwischen der auslösbaren Sicherung 6 und dem Schütz 5 bzw. der Schaltanlage 2 elektrisch mit den Verbindungsleitungen verbunden. Hierdurch wird gewährleistet, dass beim Kurzschließen der Phasen der Verbindungsleitungen 4 einerseits die Sicherungen 6 ausgelöst werden können und andererseits die Anlage all-polig stromlos geschaltet werden kann.
Die als Kurzschließer-Vorrichtung ausgebildete Vorrichtung zur Sicherungsauslösung 7 ist in den 4 bis 8 in unterschiedlichen Ausführungen dargestellt. Ein erstes Ausführungsbeispiel der Kurzschließer-Vorrichtung 7 zeigt 4 in Form einer Brückengleichrichterschaltung, welche einen die Gleichspannungsseite des Brückengleichrichters kurzschließenden Thyristor T1 aufweist. Optional ist mindestens ein elektrischer Widerstand R_D in Serie mit dem kurzschließenden Thyristor T1 vorgesehen, um den Kurzschlussstrom zu dämpfen. Die Brückengleichrichterschaltung aus 4 schließt die Phasen L1, L2, L3 durch Schalten eines einzigen Thyristors T1 kurz. Thyristoren werden deshalb verwendet, da diese extrem kurze Schaltzyklen und sehr geringe Leitungswiderstände aufweisen, sodass möglichst schnell eine Auslösung der Sicherung 6 durch den gezielten Kurzschluss erfolgen kann.
Alternativ zu der Brückengleichrichterschaltung aus 4 ist eine Dreiecksschaltung von drei Thyristoren T1, T2 und T3 in den 5 und 6 dargestellt. In 6 sind zusätzlich zu jeder einzelnen Phase Widerstände vorgesehen, welche den Kurzschlussstrom in jeder einzelnen Phase L1, L2 und L3 dämpfen.
Alternativ können auch getriggerte Funkenstrecken in einer Dreiecksschaltung aber auch in einer Sternschaltung verwendet werden. 7 zeigt beispielsweise eine Dreiecksschaltung der getriggerten Funkenstrecken.
Bei weiter steigenden Leistungen können auch die einzelnen Phasen L1, L2 und L3 beispielsweise mit dem Nullpotential kurzgeschlossen werden, indem jede Phase der Verbindungsleitungen L1, L2 und L3 über eine antiparallele Thyristorschaltung entsprechend der 8 kurzgeschlossen werden kann.
9 zeigt exemplarisch eine Windenergieanlage als Vorrichtung zur dezentralen Erzeugung elektrischer Energie mit einer Schaltanlage 2 in Form eines Generators im Windenergieanlagenturm und einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung 1 angeordnet im Fuß der Windenergieanlage 16. Wie bereits ausgeführt, ist die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung aber auch für andere Vorrichtungen zur dezentralen Erzeugung elektrischer Energie, beispielsweise für Blockkraftwerke oder Photovoltaikanlagen vorteilhaft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 9419141 U1 [0007]

Claims

Schutzvorrichtung (1) zur Trennung von Schaltanlagen (2), insbesondere Leistungsschaltanlagen, von einem Verbraucher oder einem Stromnetz (3), wobei die Schutzvorrichtung (1) elektrische Verbindungsleitungen (4) für die Verbindung der elektrischen Eingangs- (20) und Ausgangsanschlüsse (21) der Schutzvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (1) zwischen den elektrische Eingangs- (20) und Ausgangsanschlüssen (21) Sicherungen (6) zur Trennung der Verbindungsleitungen (4) zwischen den Eingangs- (20) und Ausgangsanschlüssen (21) aufweist und eine Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) vorgesehen ist, mit welcher die Auslösung der Sicherung in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Schaltanlage oder der Schutzvorrichtung erfolgen kann.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) derart ausgebildet ist, dass diese die Sicherungen (6) durch ein Kurzschließen der Phasen der Verbindungsleitungen (4) auslöst.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (8) vorgesehen ist, welche die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) durch Übermittlung eines Steuersignals (14) steuert und das Steuersignal (14) der Steuereinheit (8) abhängig von mindestens einem externen Ansteuersignal und/oder abhängig von einer Messgröße erzeugbar ist.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) derart ausgebildet ist, dass mindestens eine der folgenden Messgrößen zwecks Erzeugung des Steuersignals (14) zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) ausgewertet werden kann: - eine Strommessung, insbesondere eine Messung des Stroms der Verbindungsleitungen (4) der Schutzvorrichtung (1), - eine Spannungsmessung, insbesondere eine Messung der Spannung der Eingangs- (20) und/oder Ausgangsanschlüsse (21) der Schutzvorrichtung (1).
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) zusätzliche Eingänge für ein oder mehrere externe Ansteuersignale zur Auslösung der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung aufweist.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Anzeigeeinheit zur Darstellung von Betriebsdaten der Schutzvorrichtung und optional eine Bedieneinheit zur manuellen Steuerung der Schutzvorrichtung aufweist.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) zwischen den Sicherungen (6) und den Eingangs- (20) oder Ausgangsanschlüssen (21) der Schutzvorrichtung (1) angeordnet ist.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schütz (5) zwischen den auslösbaren Sicherungen (6) und der Schaltanlage (2) vorgesehen ist, wobei das Schütz (5) vorzugsweise in der Schutzvorrichtung (1) integriert ist.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) für jede kurzzuschließende Phase mindestens ein Schaltorgan aufweist und die Schaltorgane in Stern- oder in Dreieckschaltung angeordnet sind.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) vorhandenen Schaltorgane als elektronische Schalter ausgeführt sind.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) vorhandenen Schaltorgane als getriggerte Funkenstrecken ausgeführt sind.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) eine Gleichrichterschaltung und mindestens einen elektronischen Schalter sowie optional einen Dämpfungswiderstand aufweist.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (1) zumindest die Verbindungsleitungen (4), die auslösbare Sicherung pro Phase (6), die Vorrichtung zur Sicherungsauslösung (7) und die Steuereinheit (8) in einer geschlossenen Baueinheit aufweist.
Vorrichtung zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere Windenergieanlage (16), aufweisend mindestens eine Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 bis 13.