DE3442932A1 - Verfahren zum schutz von ladegeraeten, schaltschraenken oder verbrauchern in photovoltaischen energieversorgungsanlagen gegen direkten blitzschlag oder dergleichen - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GrabH PTL-HH/Sl/bl

Theodor-Stern-Kai 1 HH 84/29

D-6000 Frankfurt 70

"Verfahren zum Schutz von Ladegeräten, Schaltschränken oder Verbrauchern in photovoltaischen Energieversorgungsanlagen gegen direkten Blitzeinschlag oderdergleichen¹¹

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In photovoltaischen Energieversorgungsanlagen können im Falle eines direkten oder indirekten (z.B. in benachbarte Bäume oderdergleichen) Blitzschlages infolge des hohen Potentialunterschiedes zwischen Einschlagsort und dem Aufstellungsort der Anlage Blitzteilströme oder induzierte Ströme auf beiden Anschlußleitungen zwischen dem Solargenerator und angeschlossenen Verbrauchern fließen. Ein Schutz der Anlage kann durch vorzugsweise gasgefüllte überspannungsableiter erreicht werden, die die unzulässigen Blitzteilströme oder induzierten Ströme gegen Erde ableiten. Hierzu ist es bekannt, eine Reihenschaltung des Überspannungsabieiters mit einem Varistor, eine Reihenschaltung des Uberspannungsableiters mit einer Sicherung, die infolge des hohen Folgestromes nach der Zündung des Überspannungaableiters abschaltet, oder eine Kombination der beiden genannten Möglichkeiten zu verwenden.

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Die erste Möglichkeit hat den Nachteil, daß trotz Zündung des Überspannungsableiter die hohe Varistorspannung, die ein Vielfaches der Systemspannung beträgt, für die gesamte Dauer der Überspannung bestehen bleibt. Dies bedeutet nachteiligerweise sehr große Induktivitäten zur Überstrom begrenzung. Bei der zweiten Lösung besteht ein Nachteil darin, daß nach einmaliger Überspannung und Sicherungsabschaltung gegen nachfolgende Überspannungen kein Schutz mehr besteht. Bei der dritten Möglichkeit bietet nach Sicherungsauslösung nachteiligerweise nur noch der parallel geschaltete Varistor mit seinem hohen Spannungsabfall einen Schutz.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, das bzw. die es ermöglicht, daß die in photovoltaischen Energieversorgungsanlagen mit Nennspannungen von vorzugsweise über 12 Volt Gleichspannung vorhandenen Überspannungsableiter nach dem Durchzünden und Abklingen der Überspannung verlöschen und direkt danach wieder betriebsbereit sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Verfahrensschritte von Anspruch 1 gelöst. 20

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 2 beansprucht.

Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen 3 bis 5 beschrieben.

Ein Vorteil der Erfindung liegt neben der Möglichkeit der Anwendung für Solargeneratoranlagen beliebiger Nennspannung sowie für geerdete oder isolierte Anlagen darin, daß bereits etwa 100 ms nach dem Zünden eines Überspannungsabieiters die Gesamtanlage wieder voll funktionsfähig ist. Von Vorteil ist weiterhin, daß die Überspannung nur maximal 1/is ansteht, anschließend begrenzt der Überspannungsableiter. Dieses erlaubt kleine und kostengünstige Bauformen der als Filterbauelemente wirkenden Bauteile.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, und zwar ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer photovoltaischen Energieversorgungsanlage gezeigt.

Die Anschlußklemmen eines Solargenerators 1 sind über zwei Anschlußleitungen 4 und 5 an die Eingangsklemmen einer Verbrauchereinheit angeschlossen, die aus einer Parallelschaltung eines beliebigen Verbrauchers 2 und einer Speicherbatterie 3 besteht. In einer Anschlußleitung, der Leitung 4, ist in unmittelbarer Nähe der Verbrauchereinheit eine Rückstromsperrdiode V3 angeordnet. Diese Diode kann auch in einem Ladereglergerät angeordnet sein. Bei Anlagen mit betriebsmäßig geerdetem Pluspol wird sie statt in Leitung 4 in Leitung 5 mit der Anode auf der Batterieseite angeschlossen. Normalerweise vorgesehene Regeleinrichtungen sind aus Gründen der Einfachheit in der Zeichnung nicht enthalten.

In beiden Anschlußleitungen 4 und 5 befindet sich jeweils eine gleichstromkompensierte Spule Tl bzw. T2 ausreichend großer Induktivität, die auf der Seite der Verbrauchereinheit über eine Zenerdiode V2 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Jede Spule Tl bzw. T2 ist über einen vorzugsweise gasgefüllten Überspannungsableiter Fl bzw. F2 an Erde gelegt, wobei in der nicht näher bezeichneten Verbindungsleitung zwischen der Spule Tl und dem Überspannungsableiter Fl die Primärwicklung eines Stromtransformators T3 angeordnet ist. Die Sekundärspule des Stromtransformators T3 speist einen Löschkreis zur Lichtbogenlöschung der Überspannungsableiter Fl und F2.

Im vorliegenden Beispiel besteht der Löschkreis aus einer Reihenschaltung eines Thyristors Vl und eines Relais K mit parallel angeordnetem Kondensator C1, wobei diese Reihenschaltung und der als Schließer ausgebildete Kontakt Kl des Relais K parallel zur Zenerdiode V2 liegen. Die Steuerelektrode des Thyristors V1 erhält von der Sekundärspule des Stromtransformators T3 einen Zündstromimpuls. Dies kann über ©ine Gleichrichterschaltungsanordnung V4 erfolgen, die zwischen der genannten Sekundär-

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wicklung und der Steuerelektrode sowie der Kathode des Thyristors Vl angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist die Steuerelektrode mit der Kathode noch durch einen Beschaltungswiderstand R elektrisch leitend verbunden.

Ein Kurzschluß des Solargenerators 1 bzw. der Funkenstrecken der Überspannungsableiter Fl und F2 für eine zur Lichtbogenlöschung ausreichende Zeit werden für den Fall eines direkten oder indirekten Blitzschlages erläutert:

Infolge des hohen Potentialunterschiedes zwischen Einschlagsort und dem Ort der Geräteaufstellung können Blitzteilströme, D Blitz, oder induzierte Ströme auf beiden Anschlußleitungen 4 und 5 zwischen den Bauelementen der Blitzschutzschaltungsanordnung und Solargenerator 1 fließen. Diese Ströme rufen z.B. an der gleichstromkompensierten Spule Tl einen derart hohen und rasch ansteigenden Spannungsabfall hervor, daß die überspannungsableiter Fl und F2 (oder zumindest einer) zünden und die Ströme gegen Erde ableiten. Zündet nur der Ableiter F2, verlöscht der Lichtbogen im Ableiter nach Abklingen des Überstromes J Blitz, da dann keine Energiequelle zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens mehr zur Verfügung steht. Gleiches gilt, falls nur der Ableiter Fl zündet.

Zünden dagegen beide Überspannungsableiter F1 und F2 (der wahrscheinlichste Fall), treibt der Solargenerator 1 tagsüber den Strom über die Ableiter Fl und F2, der zur Aufrechthaltung des Lichtbogens auch nach Abklingen des Überstromes benötigt wird. Die Ableiter Fl und F2, die nicht löschen, solange bei Spannungen^* 15 Volt Gleichspannung noch mehr als ca. loo mA über die überspannungsableiter FI und F2 fließen können, was bei niederohmigen Solargeneratoren der Fall ist, wurden dadurch nach kurzer Zeit zerstört. Dieses wird dadurch verhindert, daß der Solargenerator 1 und damit die Reihenschaltung beider Funkenstrecken Fl und F2 für eine zur Lichtbogenlöschung ausreichende Zeit kurzgeschlossen werden. Reihenschaltungen von mehreren Uberspannungsableitern zur Erzielung einer genügend großen Lichtbogenbrennspannung haben den Nachteil, daß zum Zünden der gesamten Strecke derart hohe Spannungen benötigt werden, daß un-

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kontrollierte Überschläge gegen Erde und in den Betriebsmitteln auftreten können. Zur Lichtbogenlöschung wird beispielsweise der Überspannungsableiter Fl infolge Überspannung gezündet. Es fließt somit der Ab-

leiterstrom I auch über den Stromtransformator T3. Der dabei entstehende a

Strompuls zündet den Thyristor Vl. Der Strom durch den Thyristor wird im ersten Augenblick durch den Ladestrom von Cl bestimmt und gewährleistet sicheres Einrasten. Nach ca. 5 - 10 ms zieht das Relais K an und schließt über seinen Kontakt Kl die Überspannungsableiter Pl und F2 kurz. Diese erlöschen. Die Spannung an dem Kondensator Cl treibt nun einen negativen Strom durch den Thyristor Vl und sperrt diesen. Das Relais K fällt ab, und die Schutzschaltung ist wieder voll funktionstüchtig. Insgesamt sind die Überspannungsableiter ca. 100 ms kurzgeschlossen. Die Rückstrot.sperrdiode V3 verhindert, daß die Batterie kurzgeschlossen wird. Die Relaiskontakte brauchen nur den Generatorkurzschlußstrora zu schalten, der etwa 10 % über dem Nennstrom liegt.

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Claims (5)

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL-HH/Sl/bl Theodor-Stern-Kai 1 HH 84/29 D-6000 Frankfurt 70 Patentansprüche

1. Verfahren zum Schutz von Ladegeräten, Schaltschränken oder Verbrauchern in photovoltaxsehen Energieversorgungsanlagen gegen direkten Blitzeinschlag in die Anlage, gegen die Auswirkung von indirektem Blitzeinschlag oder gegen induzierte Überspannungen, unter Verwendung einer in einer Anschlußleitung des Solargenerators zu einer Batterie bzw. zu einem Verbraucher angeordneten Rückstromsperrdiode und von die unzulässigen Blitzteilströme oder induzierten Ströme gegen Erde ableitenden,vorzugsweise gasgefüllten Überspannungsableiter!!, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (1) und die Funkenstrecken der überspannungsableiter (Fl₁ F2) für eine zur Lichtbogenlöschung ausreichende Zeit kurzgeschlossen werden.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Anschlußleitungen (4, 5) des Solargenerators (1) jeweils eine gleichstromkompensierte Spule (Tl, T2) ausreichend großer Induktivität angeordnet ist, die auf der Seite des Verbrauchers (2) über eine Zenerdiode (V2) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, daß jede Spule (Tl, T2) über einen Überspannungsableiter (Fl, F2) geerdet ist, und daß zwischen einer Spule (Tl) und einem Über-

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spannungsableiter (Ft) die Primärspule eines Stromtransformators (T3) geschaltet ist, an dessen Sekundärspule ein Löschkreis zur Lichtbogenlöschung der Überspannungsableiter (Pl, F2) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkreis eine Reihenschaltung aus einem Thyristor (Vl) und einem Relais (K) mit parallel angeordnetem Kondensator (Cl) aufweist, daß die aus Thyristor (Vl) und Relais (K) bestehende Reihenschaltung sowie der als Schließer ausgebildete Kontakt (Kl) des Relais (K) parallel zur Zenerdiode (V2) angeordnet sind, und daß die Sekundärspule des Stromtransformators (T2) einen Ziindstromimpuls an die Steuerelektrode des Thyristors (Vl) abgibt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Gleichrichterschaltungsanordnung (V4), die zwischen der Sekundärwicklung des Stromtransforraators (T3) und der Steuerelektrode sowie der Kathode des Thyristors (Vl) angeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen die Steuerelektrode und die Kathode des Thyristors (Vl) verbindenden Be schaltungswiderstand (R).