DE3442932C2

DE3442932C2 -

Info

Publication number: DE3442932C2
Application number: DE19843442932
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 2000 Wedel De Hoppe
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1984-11-24
Filing date: 1984-11-24
Publication date: 1991-08-14
Also published as: DE3442932A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens (DE-AS 26 51 863).The invention relates to a method according to the preamble of Claim 1 and a circuit arrangement for performing the Procedure (DE-AS 26 51 863).

In der DE-AS 26 51 863 ist ein akkumulatorgespeistes elektrisches Gerät mit einer Schaltungsanordnung zum Laden der vorzugsweise gasdichten Akkumulatoren mit Fotoelementen (<Solarzellen<) als Ladestromquelle bekannt. Es ist eine zum Akkumulator parallel geschaltete Reihenschaltung aus einer Zener-Diode und einem Widerstand zum Schutz vor Zerstörung des Akkumulators durch unzulässig hohe Ladeströme vorgesehen, insbesondere für die Verwendung in Verbindung mit elektronischen Taschenrechnern. Um die ordnungsgemäße Ladung des Akkumulators auch bei Kunstlichtbeleuchtung ungehindert zu ermöglichen und auch bei nur geringer Leistungsaufnahme zusätzlich die Gefahr einer Tiefenentladung zu vermeiden, ist der Widerstand so bemessen, daß bei Verwendung des Gerätes in einem z. B. durch Kunstlicht nur mäßig beleuchteten Raum ein ausreichender Ladestrom fließt. Der Widerstand ist durch einen für den Bediener zugänglich angeordneten Schalter überbrückbar, welcher bei starker Beleuchtung (z. B. durch Sonnenlicht) zu schließen ist. Bei diesem elektrischen Gerät wird somit ein Schutz gegen unzulässig hohe Ladeströme durch Betätigung eines mechanischen Schalters erzielt. In DE-AS 26 51 863 is a battery-powered electrical Device with a circuit arrangement for loading the preferably gastight accumulators with photo elements (<solar cells <) as Charging current source known. It is one parallel to the accumulator switched series connection of a Zener diode and one Resistance to protect the battery from being destroyed by impermissibly high charging currents are provided, especially for the Use in conjunction with electronic calculators. Around the correct charging of the accumulator even under artificial lighting to allow unhindered and even with only small Power consumption also increases the risk of deep discharge avoid, the resistance is such that when using the Device in a z. B. only moderately illuminated by artificial light Sufficient charge current flows in the room. The resistance is through bridging a switch that is accessible to the operator, which in strong lighting (e.g. from sunlight) is to be closed. With this electrical device protection against impermissibly high charging currents by actuation achieved by a mechanical switch.

Weiterhin ist aus der DE-OS 20 22 831 eine Anordnung zur Begrenzung von grundfrequenten Überspannungen in Wechselstromnetzen für hohe Spannungen bekannt. Es sind ein induktiver Nebenschluß und mit dem indukiven Nebenschluß in Reihe angeordneter Schnellschließer vorgesehen. Der Schnellschließer ist normalerweise offen. Er hält aber in geschlossener Lage den induktiven Nebenschluß zum Netz eingeschaltet. Ein am Netz angeschlossenes spannungsabtastendes Gerät gibt bei im Netz auftretenden Überspannungen einen Schließimpuls an den Schnellschließer ab. Als spannungsabtastendes Gerät kann ein Ventilableiter verwendet werden, dessen Löschspannung von dem Niveau der grundfrequenten Überspannungen bestimmt wird, die bei eingeschaltetem induktiven Nebenschluß auftreten können.Furthermore, from DE-OS 20 22 831 an arrangement for limitation of fundamental frequency overvoltages in AC networks for high Known tensions. It is an inductive shunt and with the inductive shunt arranged in series Quick closer provided. The quick closer is usually open. But it keeps the inductive in the closed position Shunted to the network. A connected to the network voltage sensing device gives in the event of overvoltages occurring in the network a closing impulse to the quick closer. As a voltage arrester can use a valve arrester be, the quenching voltage of the level of the fundamental frequencies Overvoltages are determined when the inductive Shunt can occur.

In photovoltaischen Energieversorgungsanlagen können im Falle eines direkten oder indirekten (z. B. benachbarte Bäume oder dergleichen) Blitzschlages infolge des hohen Potentialunterschieds zwischen Einschlagsort und dem Aufstellungsort der Anlage Blitzteilströme oder induzierte Ströme auf beiden Anschlußleitungen zwischen dem Solargenarator 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 Überspannungsableiters mit einem Varistor, eine Reihenschaltung des Überspannungsableiters mit einer Sicherung, die infolge des hohen Folgestromes nach der Zündung des Überspannungsableiters abschaltet, oder eine Kombination der beiden genannten Möglichkeiten zu verwenden. In photovoltaic energy supply systems, in the case a direct or indirect one (e.g. neighboring trees or the like) due to the high potential difference between the point of impact and the place of installation of the Installation of partial lightning currents or induced currents on both connecting lines between the solar generator and connected Flow to consumers. Protection of the system can be done by preferably gas-filled surge arresters can be reached, which impermissible partial lightning currents or induced currents against earth deduce. For this purpose it is known to connect the surge arrester in series with a varistor, a series connection of the Surge arrester with a fuse due to the high Switches off the follow current after the surge arrester has been ignited, or a combination of the two options mentioned to use.

Die erste Möglichkeit hat den Nachteil, daß trotz Zündung des Überspannungsableiters die hohe Varistorspannung, die ein Vielfaches der Systemspannung beträgt, für die gesamte Dauer der Überspannung bestehen bleibt. Dies bedeutet nachteiligerweise sehr große Induktivitäten zur Überstrombegrenzung. 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.The first possibility has the disadvantage that despite ignition of the surge arrester the high varistor voltage which is a multiple of the system voltage remains for the entire duration of the surge. This disadvantageously means very large inductors for overcurrent limitation. A disadvantage of the second solution is that after one-time overvoltage and fuse cut-out against subsequent Surges are no longer protected. The third option after the fuse has tripped, it only offers the parallel switched varistor with its high voltage drop protection.

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.The invention is therefore based on the object of a method or a method Propose circuitry for performing the method that or which enables that in photovoltaic energy supply systems with nominal voltages of preferably more than 12 volts DC existing surge arrester after the ignition and decay of the Extinguish the overvoltage and are ready for operation again immediately afterwards.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Verfahrensschritte von Anspruch 1 gelöst.The object is achieved by the characterizing process steps solved by claim 1.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 2 beansprucht.A circuit arrangement according to the invention for performing the method is claimed in claim 2.

Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen 3 bis 5 beschrieben.Embodiments of the circuit arrangement according to the invention are in the Subclaims 3 to 5 described.

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 Überspannungsableiters die Gesamtanlage wieder voll funktionsfähig ist. Von Vorteil ist weiterhin, daß die Überspannung nur maximal 1 µs ansteht, anschließend begrenzt der Überspannungsableiter. Dieses erlaubt kleine und kostengünstige Bauformen der als Filterbauelemente wirkenden Bauteile.An advantage of the invention lies in the possibility of application for Solar generator systems of any nominal voltage as well as for earthed or isolated systems in that already about 100 ms after the ignition of a Surge arrester the entire system is fully functional again. Another advantage is that the overvoltage is only applied for a maximum of 1 µs, then the surge arrester limits. This allows small ones and inexpensive designs of the components acting as filter components.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, und zwar ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer photovoltaischen Energieversorgungsanlage gezeigt.In the drawing is an embodiment for performing the invention Process shown, and that is an inventive Circuit arrangement in a photovoltaic energy supply system shown.

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.The terminals of a solar generator 1 are connected via two connecting lines 4 and 5 to the input terminals of a consumer unit, which consists of a parallel connection of any consumer 2 and a storage battery 3 . A reverse current blocking diode V 3 is arranged in a connecting line, line 4 , in the immediate vicinity of the consumer unit. This diode can also be arranged in a charge controller device. In systems with operationally earthed positive pole, it is connected to the anode on the battery side instead of in line 4 in line 5 . Control devices normally provided are not included in the drawing for reasons of simplicity.

In beiden Anschlußleitungen 4 und 5 befindet sich jeweils eine gleichstromkompensierte Spule T1 bzw. T2 ausreichend großer Induktivität, die auf der Seite der Verbrauchereinheit über eine Zenerdiode V2 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Jede Spule T1 bzw. T2 ist über einen vorzugsweise gasgefüllten Überspannungsableiter F1 bzw. F2 an Erde gelegt, wobei in der nicht näher bezeichneten Verbindungsleitung zwischen der Spule T1 und dem Überspannungsableiter F1 die Primärwicklung eines Stromtransformators T3 angeordnet ist. Die Sekundärspule des Stromtransformators T3 speist einen Löschkreis zur Lichtbogenlöschung der Überspannungsableiter F1 und F2.In both connection lines 4 and 5 there is in each case a DC-compensated coil T 1 and T 2 of sufficiently large inductance, which are electrically conductively connected to one another on the side of the consumer unit via a Zener diode V 2 . Each coil T 1 or T 2 is connected to earth via a preferably gas-filled surge arrester F 1 or F 2 , the primary winding of a current transformer T 3 being arranged in the connecting line between the coil T 1 and the surge arrester F 1, which is not specified in any more detail. The secondary coil of the current transformer T 3 feeds a quenching circuit for arc quenching of the surge arresters F 1 and F 2 .

Im vorliegenden Beispiel besteht der Löschkreis aus einer Reihenschaltung eines Thyristors V1 und eines Relais K mit parallel angeordnetem Kondensator C1, wobei diese Reihenschaltung und der als Schließer ausgebildete Kontakt K1 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 eine Gleichrichterschaltungsanordnung V4 erfolgen, die zwischen der genannten Sekundärwicklung und der Steuerelektrode sowie der Kathode des Thyristors V1 angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist die Steuerelektrode mit der Kathode noch durch einen Beschaltungswiderstand R elektrisch leitend verbunden.In the present example, the quenching circuit consists of a series connection of a thyristor V 1 and a relay K with a capacitor C 1 arranged in parallel, this series connection and the contact K 1 of the relay K designed as a make contact lying parallel to the Zener diode V 2 . The control electrode of the thyristor V 1 receives an ignition current pulse from the secondary coil of the current transformer T 3 . This can be done via a rectifier circuit arrangement V 4 , which is arranged between said secondary winding and the control electrode and the cathode of the thyristor V 1 . The control electrode is expediently electrically connected to the cathode by a wiring resistor R.

Ein Kurzschluß des Solargenerators 1 bzw. der Funkenstrecken der Überspannungsableiter F1 und F2 für eine zur Lichtbogenlöschung ausreichende Zeit werden für den Fall eines direkten oder indirekten Blitzschlages erläutert:A short circuit of the solar generator 1 or the spark gaps of the surge arresters F 1 and F 2 for a time sufficient to extinguish the arc are explained in the event of a direct or indirect lightning strike:

Infolge des hohen Potentialunterschiedes zwischen Einschlagsort und dem Ort der Geräteaufstellung können Blitzteilströme, I 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 T1 einen derart hohen und rasch ansteigenden Spannungsabfall hervor, daß die Überspannungsableiter F1 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 I Blitz, da kann keine Energiequelle zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens mehr zur Verfügung steht. Gleiches gilt, falls nur der Ableiter F1 zündet.As a result of the high potential difference between the point of impact and the location of the device installation, partial lightning currents, I lightning, or induced currents can flow on both connecting lines 4 and 5 between the components of the lightning protection circuit arrangement and solar generator 1 . These streams call e.g. B. on the DC-compensated coil T 1 such a high and rapidly increasing voltage drop that the surge arresters F 1 and F 2 (or at least one) ignite and divert the currents to earth. If only the arrester F 2 ignites, the arc in the arrester extinguishes after the overcurrent I flash has subsided, since there is no longer any energy source available to maintain the arc. The same applies if only the arrester F 1 ignites.

Zünden dagegen beide Überspannungsableiter F1 und F2 (der wahrscheinlichste Fall), treibt der Solargenerator 1 tagsüber den Strom über die Ableiter F1 und F2, der zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens auch nach Abklingen des Überstromes benötigt wird. Die Ableiter F1 und F2, die nicht löschen, solange bei Spannungen <15 Volt Gleichspannung noch mehr als ca. 100 mA über die Überspannungsableiter F1 und F2 fließen können, was bei niederohmigen Solargeneratoren der Fall ist, würden dadurch nach kurzer Zeit zerstört. Dieses wird dadurch verhindert, daß der Solargenerator 1 und damit die Reihenschaltung beider Funkenstrecken F1 und F2 für eine zur Lichtbogenlöschung ausreichende Zeit kurzgeschlossen werden. Reihenschaltungen von mehreren Überspannungsableitern zur Erzielung einer genügend großen Lichtbogenbrennspannung haben den Nachteil, daß zum Zünden der gesamten Strecke derart hohe Spannungen benötigt werden, daß unkontrollierte Überschläge gegen Erde und in den Betriebsmitteln auftreten können. Zur Lichtbogenlöschung wird beispielsweise der Überspannungsableiter F1 infolge Überspannung gezündet. Es fließt somit der Ableiterstrom I_a auch über den Stromtransformator T3. Der dabei entstehende Strompuls zündet den Thyristor V1. Der Strom durch den Thyristor wird im ersten Augenblick durch den Ladestrom von C1 bestimmt und gewährleistet sicheres Einrasten. Nach ca. 5-10 ms zieht das Relais K an und schließt über seinen Kontakt K1 die Überspannungsableiter F1 und F2 kurz. Diese erlöschen. Die Spannung an dem Kondensator C1 treibt nun einen negativen Strom durch den Thyristor V1 und sperrt diesen. Das Relais K fällt ab, und die Schutzschaltung ist wieder voll funktionstüchtig. Insgesamt sind die Überspannungsableiter ca. 100 ms kurzgeschlossen. Die Rückstromsperrdiode V3 verhindert, daß die Batterie kurzgeschlossen wird. Die Relaiskontakte brauchen nur den Generatorkurzschlußstrom zu schalten, der etwa 10% über dem Nennstrom liegt.If, on the other hand, both surge arresters F 1 and F 2 (the most likely case) ignite, the solar generator 1 drives the current through the arresters F 1 and F 2 during the day, which is required to maintain the arc even after the overcurrent has subsided. The arresters F 1 and F 2 , which do not extinguish as long as more than approx. 100 mA can flow through the surge arresters F 1 and F 2 at voltages <15 volts DC, which is the case with low-impedance solar generators, would become after a short time destroyed. This is prevented by the fact that the solar generator 1 and thus the series connection of the two spark gaps F 1 and F 2 are short-circuited for a time sufficient to extinguish the arc. Series connections of several surge arresters to achieve a sufficiently high arc voltage have the disadvantage that such high voltages are required to ignite the entire route that uncontrolled arcing to earth and in the equipment can occur. For arc quenching, for example, surge arrester F 1 is ignited as a result of overvoltage. The arrester current I _a thus also flows via the current transformer T 3 . The resulting current pulse ignites the thyristor V 1 . The current through the thyristor is determined at first by the charging current of C 1 and ensures a safe engagement. After approx. 5-10 ms, the relay K picks up and short-circuits the surge arresters F 1 and F 2 via its contact K 1 . These go out. The voltage across the capacitor C 1 now drives a negative current through the thyristor V 1 and blocks it. The relay K drops out and the protective circuit is fully functional again. Overall, the surge arresters are short-circuited for approx. 100 ms. The reverse current blocking diode V 3 prevents the battery from being short-circuited. The relay contacts only need to switch the generator short-circuit current, which is about 10% above the nominal current.

Claims

1. A method for protecting chargers, control cabinets or consumers in photovoltaic energy supply systems against direct lightning strikes in the system, against the effects of indirect lightning strikes or against induced overvoltages, using a reverse current period arranged in a connecting line of the solar generator to a battery or to a consumer and that each connecting line ( 4, 5 ) is grounded via a gas-filled surge arrester (F 1 , F 2 ), characterized in that the solar generator ( 1 ) and the spark gaps of the surge arrester (F 1 , F 2 ) for a time sufficient to extinguish the arc be short-circuited.

2. Circuit arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that in both connecting lines ( 4, 5 ) of the solar generator ( 1 ) each a DC-compensated coil (T 1 , T 2 ) is arranged sufficiently large inductance on the side of Consumer ( 2 ) are electrically conductively connected to one another via a Zener diode (V 2 ), that one coil (T 2 ) is grounded via one surge arrester (F 2 ) and that the other coil (T 1 ) is connected via the other surge arrester ( F 1 ) and the primary coil of a current transformer (T 3 ) is grounded, the secondary coil of the current transformer (T 3 ) being connected to an extinguishing circuit for arc quenching of the surge arresters (F 1 , F 2 ).

3. A circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the quenching circuit has a series circuit of a thyristor (V 1 ) and a relay (K) with a capacitor (C 1 ) arranged in parallel, that the thyristor (V 1 ) and relay (K ) Existing series connection and the contact (K 1 ) of the relay (K) designed as a make contact are arranged parallel to the Zener diode (V 2 ), and that the secondary coil of the current transformer (T 2 ) emits an ignition current pulse to the control electrode of the thyristor (V 1 ) .

4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized by a rectifier circuit arrangement (V 4 ) which is arranged between the secondary winding of the current transformer (T 3 ) and the control electrode and the cathode of the thyristor (V 1 ).

5. A circuit arrangement as claimed in claim 3 or 4, characterized by a wiring resistor (R) connecting the control electrode and the cathode of the thyristor (V 1 ).