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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Energieerzeugungssystem
und insbesondere auf ein Energieerzeugungssystem, das einen überflüssigen Betrieb
auf Grund eines Fehlers einer äußeren Erdung
verhindern kann.
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Nachfolgend
wird ein Sonnenenergieerzeugungssystem, das mit einem gewöhnlichen
Niederspannungs-Verteilungssystem verbunden ist, unter Bezug auf 9 erläutert. 9 ist
ein schematisches Schaubild zum Erläutern einer herkömmlichen Verbindung
zwischen einem Sonnenenergieerzeugungssystem und einem Niederspannungs-Verteilungssystem.
In 9 bezeichnet Bezugszeichen A einen Verbraucher
mit einem Sonnenenergieerzeugungssystem, das eine Solarzellenanordnung 1,
einen Systemverbindungs-Wechselrichter 2 und einen Empfangsende-Erdschlußunterbrecher 3 umfaßt. Die
Solarzellenanordnung 1, die als eine Gleichstromversorgung
dient, enthält
Solarzellenmodule, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind,
um eine gewünschte
Spannung und einen gewünschten Strom
zu liefern. Die Solarzellenanordnung 1 ist mit dem Systemverbindungs-Wechselrichter 2,
der über den
Empfangsende-Erdschlußunterbrecher 3 mit
einem Niederspannungs-Verteilungssystem 4 verbunden ist,
verbunden. Eine Last 5 ist zwischen dem Systemverbindungs-Wechselrichter 2 und
dem Empfangsende-Erdschlußunterbrecher 3 verbunden.
Von der Solarzellenanordnung 1 wird elektrischer Gleichstrom
in den Systemverbindungs-Wechselrichter 2 eingegeben, um
in elektrischen Wechselstrom umgewandelt zu werden, der zu der Last 5 oder
dem Niederspannungs-Verteilungssystem 4 ausgegeben wird.
Eine Verdrahtung innerhalb des Verbrauchers A wird von dem Empfangsende-Erdschlußunterbrecher 3 zu
dem Systemverbindungs-Wechselrichter 2 und zu der Last 5 geführt. Der
Empfangsende-Erdschlußunterbrecher 3 erfaßt einen
Defekt einer Erdung durch Erfassen eines Erdstroms und trennt eine
Verbindung zwischen dem Innern und dem Äußern des Verbrauchers A, sodaß der Defekt
einer Erdung das Niederspannungs-Verteilungssystem 4 außerhalb des
Verbrauchers A nicht beeinflußt.
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Weitere
Verbraucher B1 und B2, die keine Energieerzeugungsvorrichtungen
besitzen, sind über jeweilige
Empfangsende-Erdschlußunterbrecher 3 mit
dem Niederspannungs-Verteilungssystem 4 verbunden.
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Da
die Solarzellenanordnung 1 eine große Fläche besitzt, ist eine schwebende
Kapazität 6 gegen
Erde vorhanden. In jüngster
Zeit sind Solarzellenmodule, die mit einem Baumaterial integriert
sind, oder dünne
Solarzellenmodule als Solarzellenmodule, die die Solarzellenanordnung 1 bilden,
entwickelt worden. Manchmal wird ein leitfähiges Element (eine Metallplatte
oder dergleichen) als ein Verstärkungsmaterial
oder ein Substratmaterial für
ein derartiges Solarzellenmodul verwendet. In einem derartigen Fall
liegt eine Solarzellenanordnung einer Metallplatte bei geringem
Abstand und einer großen
Fläche
gegenüber,
um dadurch die schwebende Kapazität 6 gegen Erde zu
erhöhen.
Insbesondere wenn die Metallplatte geerdet ist, besitzt die Solarzellenanordnung
eine stabile schwebende Kapazität
gegen Erde. Falls weiterhin zum Beispiel Regenwasser an der Oberfläche der
Solarzellenanordnung anhaftet, wird manchmal die schwebende Kapazität 6 gegen
Erde über
das Wasser erzeugt.
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In Übereinstimmung
mit einer jüngsten
Entwicklung hinsichtlich einem höheren
Wirkungsgrad, einer geringeren Größe, einem niedrigeren Gewicht und
niedrigeren Kosten und dergleichen verwendet der Systemverbindungs-Wechselrichter
meistens ein transformatorfreies System, bei dem kein Isoliertransformator
gebildet ist.
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Wir
haben herausgefunden, daß,
falls ein Defekt einer Erdung bei einem weiteren Verbraucher B1
oder B2 auftritt, wenn die schwebende Kapazität 6 gegen Erde groß ist und
der Systemverbindungs-Wechselrichter 2 das
transformatorfreie System übernimmt,
ein Erdstrom Ig2 über
die schwebende Kapazität 6 gegen
Erde der Solarzellenanordnung 1 in das System eindringt,
durch den System verbindungs-Wechselrichter 2 gelangt und
durch den Empfangsende-Erdschlußunterbrecher 3 erfaßt wird,
um dadurch einen überflüssigen Vorgang
zu verursachen. Falls ein derartiger überflüssiger Vorgang erzeugt wird,
wird das Innere des Verbrauchers A mit dem Sonnenenergieerzeugungssystem
von dem Niederspannungs-Verteilungssystem 4 getrennt und eine
Energieversorgung des Inneren des Verbrauchers A unterbleibt, obwohl
innerhalb des Verbrauchers A kein Defekt auftritt.
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Die
vorstehend erläuterten
Probleme sind nicht auf das Sonnenenergieerzeugungssystem beschränkt. Bei
einem Windenergieerzeugungssystem oder bei einem Energieerzeugungssystem
unter Verwendung von Brennstoffzellen oder dergleichen entstehen
zum Beispiel ebenfalls die gleichen Probleme, falls die schwebende
Kapazität
gegen Erde groß ist.
Es besteht somit die Möglichkeit,
daß der
Empfangsende-Erdschlußunterbrecher
auf Grund eines Defektes einer äußeren Erdung
unnötig
in Betrieb gesetzt wird und eine elektrische Energieversorgung innerhalb
eines Verbrauchers unterbleibt.
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Patentschrift
EP-A-0 878 850 A2 offenbart ein Energieerzeugungssystem, wie bei
den Oberbegriffen von Patentansprüchen 1 und 2 festgelegt. Diese
Patentschrift erläutert
in Einzelheiten ein Energieerzeugungssystem mit einer Solarzellenanordnung als
eine Gleichstromversorgung, ein kommerzielles Wechselstromnetz als
ein Niederspannungs-Verteilungssystem, eine Leitung, die über einen
Empfangsende-Erdschlußunterbrecher
geerdet ist, und einen transformatorfreien Wechselrichter und eine
schwebende Kapazität 5 gegen
Erde.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorstehend
erläuterten
Probleme zu lösen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Energieerzeugungssystem zu
schaffen, das einen überflüssigen Vorgang
eines Empfangsende-Erdschlußunterbrechers
auf Grund eines Defektes einer äußeren Erdung
verhindern kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Energieerzeugungssystem gelöst, wie
in Patentanspruch 1 dargelegt, und alternativ durch ein Energieerzeugungsystem,
wie in Patentanspruch 2 dargelegt.
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Weitere
Entwicklungen sind in den abhängigen
Patentansprüchen
dargelegt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild zum Veranschaulichen eines bevorzugten Beispiels
einer Verbindung zwischen einem Energieerzeugungssystem und einem
Niederspannungs-Verteilungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Blockschaltbild zum Veranschaulichen eines bevorzugten Beispiels
einer Verbindung zwischen einem Energieerzeugungssystem und einem
Niederspannungs-Verteilungssystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Blockschaltbild zum Veranschaulichen eines Beispiels der Konfiguration
eines Erdschlußunterbrechers,
der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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4 ein
Blockschaltbild zum Veranschaulichen eines bevorzugten Beispiels
einer Verbindung zwischen einem Energieerzeugungssystem und einem
Niederspannungs-Verteilungssystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
Blockschaltbild zum Veranschaulichen eines weiteren Beispiels der
Konfiguration eines Erdschlußunterbrechers,
der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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6 ein
Spannungsvektordiagramm eines gemeinsamen Erdungssystems;
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7 ein
Blockschaltbild zum Veranschaulichen eines gemeinsamen Erdungssystems,
das mit dem Energieerzeugungssystem des dritten Ausführungsbeispiels
verbunden werden kann;
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8 ein
Schaubild zum Veranschaulichen eines Pseudo-Ersatzschaltbildes mit
einem Erzeugungspfad eines eindringenden Erdstroms; und
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9 ein
Blockschaltbild zum Veranschaulichen eines Beispiels einer herkömmlichen
Verbindung zwischen einem Energieerzeugungssystem und einem Niederspannungs-Verteilungssystem.
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Ein
Energieerzeugungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist vorzugsweise mit einem Niederspannungs-Verteilungssystem
einschließlich einem
Einphasen-Niederspannungs-Verteilungssystem und einem Dreiphasen-Verteilungssystem,
die gemeinsam geerdet sind, verbunden.
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Das
Energieerzeugungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung arbeitet vorzugsweise derart, daß eine Zeit bis ein Empfangsende-Erdschlußunterbrecher
arbeitet, wenn eine Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung bestimmt hat,
daß eine
geerdete Stelle innerhalb des Systems liegt, kürzer ist als eine Zeit bis
der Empfangsende-Erdschlußunterbrecher
arbeitet, wenn die Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung bestimmt
hat, daß die
geerdete Stelle außerhalb
des Systems liegt, und derart, daß der Empfangsende-Erdschlußunterbrecher
arbeitet, wenn die Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung bestimmt
hat, daß die
geerdete Stelle innerhalb des Systems liegt, und der Empfangsende-Erdschlußunterbrecher
nicht arbeitet, wenn die Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung bestimmt hat,
daß die
geerdete Stelle außerhalb
des Systems liegt.
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Die
Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung bestimmt vorzugsweise aus
einer Phasendifferenz zwischen einer Spannung gegen Erde eines Anschlusses
einer geerdeten Seite des Niederspannungs-Verteilungssystems und einem Nullphasenstrom,
ob die geerdete Stelle innerhalb oder außerhalb des Systems liegt.
Wenn ein transformatorfreier Wechselrichter mit dem Einphasen-Verteilungssystem
verbunden ist, wird eine Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung
zum Bestimmen, daß die
geerdete Stelle außerhalb
des Systems liegt, wenn eine Spannung gegen Erde eines Anschlusses
einer geerdeten Seite des Einphasen-Verteilungssystems höher ist
als ein normaler Wert bei dem Einphasensystem, vorzugsweise verwendet.
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Eine
Gleichstromversorgung enthält
vorzugsweise Solarzellen. Die Solarzelle enthält vorzugsweise ein Solarzellenelement
und eine Metallplatte. Die Metallplatte ist vorzugsweise geerdet.
Bei der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise eine Gleichstromversorgung,
die durch eine Solarzellenanordnung, bei der eine Vielzahl von Solarzellen
in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, konfiguriert ist, verwendet.
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Die
vorstehend erläuterten
bevorzugten Anordnungen können
ebenso bei einem Energieerzeugungssystem-Einrichtungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung angewendet werden.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Bei
einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein System erläutert, bei dem eine Betriebszeitbegrenzung
eines Empfangsende-Erdschlußunterbrechers
auf der Energieerzeugungssystemseite auf einen Wert gesetzt wird,
der größer ist
als eine Betriebszeitbegrenzung von Empfangsende-Erdschlußunterbrechern
von anderen Verbrauchern, die mit dem gleichen Niederspannungs-Verteilungssystem
verbunden sind. Das erste Ausführungsbeispiel
besitzt das Merkmal, daß die Aufgaben
der vorliegenden Erfindung weitgehend sehr einfach und kostengünstig gelöst werden
können.
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Gewöhnlich ist
ein Empfangsende-Erdschlußunterbrecher
(nachfolgend abgekürzt
als „Erdschlußunterbrecher" bezeichnet) bei
jedem Verbraucher außer
einem Verbraucher mit einem Energieerzeugungs system gebildet. Wenn
innerhalb des Verbrauchers mit dem Energieerzeugungssystem ein Defekt
einer Erdung auftritt, arbeitet der Erdschlußunterbrecher mit einer angemessenen
Antwortgeschwindigkeit (meistens innerhalb von 0,1 Sekunde) und
eine elektrische Energieversorgung von dem Niederspannungs-Verteilungssystem
zu dem Verbraucher wird unterbrochen. Das grundlegende technische
Konzept des ersten Ausführungsbeispiels
besteht darin, daß zu
diesem Zeitpunkt eine Unterbrechung einer elektrischen Energieversorgung
auf Grund eines Erdschlusses bei anderen Verbrauchern verhindert
wird, indem der Erdschlußunterbrecher des
Verbrauchers mit dem Energieerzeugungssystem für eine kleine Zeitspanne am
Betrieb gehindert wird.
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Das
Energieerzeugungssystem gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
wird nachfolgend unter Bezug auf 1 erläutert. 1 ist
ein Blockschaltbild zum Veranschaulichen eines bevorzugten Beispiels
einer Verbindung zwischen dem Energieerzeugungssystem und dem Niederspannungs-Verteilungssystem
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
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(Gleichstromversorgung)
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Die
Gleichstromversorgung des Energieerzeugungssystems der vorliegenden
Erfindung ist nicht auf eine besondere Art beschränkt, vorausgesetzt,
sie besitzt eine schwebende Kapazität gegen Erde. Wie später erläutert wird,
ist jedoch eine Energieversorgung einschließlich einer Solarzelle als
die Gleichstromversorgung zu empfehlen.
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(Solarzellenanordnung)
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Eine
Solarzellenanordnung 1, die vorzugsweise als die Gleichstromversorgung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann verschiedene Konfigurationen
haben. Obwohl anstatt der Anordnung natürlich auch eine einzelne Solarzelle
als die Gleichstromversorgung verwendet werden kann, ist eine Solarzellenanordnung
einschließlich
einer Vielzahl von Solarzellen zum Erhalten einer großen elektrischen
Leistung geeignet. Als die Solarzellenanordnung 1 kann
jede Solarzellenanordnung verwendet werden, vorausgesetzt, sie besitzt
eine schwebende Kapazität 6 gegen
Erde, und die Art von Solarzellenmodulen, die die Solarzellenanordnung 1 bilden,
ist nicht auf eine besondere Art beschränkt. Die Wirkungen der vorliegenden
Erfindung kommen besonders zur Geltung, je größer die schwebende Kapazität 6 gegen
Erde ist. Die Wirkungen der vorliegenden Erfindung kommen ganz besonders
zur Geltung, wenn die Solarzellenanordnung 1 zum Beispiel
durch Solarzellenmodule, bei jedem von denen eine Solarzelle (Element)
einer Harzabdichtung auf einer Metallverstärkungsplatte unterzogen wird,
oder durch Solarzellenmodule, die jeweils gebildet sind, um eine Metallplatte
zu kontaktieren, oder durch Solarzellenmodule, die mit einem Baumaterial
ganzheitlich gebildet sind, konfiguriert ist. Die Wirkungen der
vorliegenden Erfindung können
ebenfalls erhalten werden, wenn eine Solarzellenanordnung, die Solarzellenmodule
enthält,
deren schwebende Kapazität 6 gegen Erde
gewöhnlich
klein ist, aber durch Regen oder dergleichen ansteigt, verwendet
wird. Wenn die Metallverstärkungsplatte,
die Metallplatte oder dergleichen, die vorstehend erläutert worden
sind, geerdet ist, kann leicht eine unnötige Trennung auftreten, da eine
stabile schwebende Kapazität
gegen Erde vorhanden ist, sodaß die
Wirkungen der vorliegenden Erfindung besonders erhalten werden können. Der Bereich
der schwebenden Kapazität
gegen Erde, bei dem die Wirkungen der vorliegenden Erfindung besonders
ausgeprägt
sind, beträgt
zumindest 0,1 μF. Für die schwebende
Kapazität
gegen Erde gibt es keine Grenze, weil theoretisch der Erdschlußstrom umso
größer ist,
je größer die
Kapazität
ist.
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
wurde eine Anordnung von 3,6 kWp unter Verwendung von 60 (15 in
Reihe und 4 parallel) Solarzellenmodulen, von denen jedes eine Metallplatte
als das Substrat (hergestellt von Canon Inc., Produktart BS2-01,
mit einer Nennausgabe von 60 Wp (Spitzenwatt)) besitzt, gebildet.
Alle Substratmetallplatten sind geerdet. Der gemessene Wert der
schwebenden Kapazität
gegen Erde betrug zu diesem Zeitpunkt 2,4 μF. Theoretisch sind die Kapazität eines
Filterkondensators in nerhalb des Wechselrichters und dergleichen natürlich in
der schwebenden Kapazität 6 gegen
Erde enthalten. Der Punkt ist, daß die elektrostatische Kapazität der Gleichstromschaltung
in Bezug auf die Erde ein Problem verursacht.
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(Wechselrichter)
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Ein
Wechselrichter 2 ist ein transformatorfreier Wechselrichter.
Verschidene Arten von transformatorfreien Wechselrichtern können verwendet
werden. Die vorliegende Erfindung ist geschaffen unter Berücksichtigung
des Auftretens eines Eindringens eines äußeren Erdstroms in ein Energieerzeugungssystem,
bei dem ein nicht-isolierender
Wechselrichter und eine Gleichstromversorgung, die eine schwebende
Kapazität
besitzt, kombiniert sind. Ein transformatorfreier Wechselrichter
ist unentbehrlich, um eine derartige Situation zu schaffen. Beim
ersten Ausführungsbeispiel
wurde ein transformatorfreier Wechselrichter, der durch Japan Storage
Battery Co., Ltd. (Typ LINEBACK FX) hergestellt wird, verwendet. Es
ist wünschenswert,
daß das
elektrische Ausgangssystem (Einphasen/Dreiphasen, Spannung, Frequenz)
des Wechselrichters mit dem verbundenen Verteilungssystem übereinstimmt.
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(Niederspannungs-Verteilungssystem)
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Ein
Niederspannungs-Verteilungssystem, bei dem eine Leitung geerdet
ist, kann als ein Niederspannungs-Verteilungssystem 4 verwendet
werden. Hinsichtlich der Spannung, der Frequenz und dem Verteilungsverfahren
des Niederspannungs-Verteilungssystems 4 gibt es keine
Beschränkung.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel
wird ein Einphasen-Dreileiter-Verteilungssystem mit einer Spannung
von 100 V/200 V und einer Frequenz von 60 Hz verwendet.
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(Last)
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Als
eine Last 5 kann irgendeine Last verwendet werden, vorausgesetzt,
sie verbraucht elektrische Leistung. Zum Beispiel kann eine gewöhnliche elektrische
Vorrichtung verwendet werden. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel
wurde ein elektrischer Heizstrahler mit einer Leistung von 1 kW
als die Last 5 verwendet. Derartige Heizstrahler wurden
bei den Verbrauchern A, B1 und B2 eingerichtet.
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(Empfangsende-Erdschlußunterbrecher)
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Ein
Erdschlußunterbrecher,
der eine Betriebszeitbegrenzungs-Einstelleinrichtung 7 enthält, wird
als ein Erdschlußunterbrecher 3A,
der bei dem Energieerzeugungssystem verwendet wird, übernommen.
Da viele derartige Erdschlußunterbrecher kommerziell
erhältlich
sind, kann einer von derartigen Erdschlußunterbrechern verwendet werden.
Der Betriebsstrom des Erdschlußunterbrechers 3A beträgt 30 mA.
Die Betriebszeitbegrenzungs-Einstelleinrichtung 7 kann
natürlich
getrennt gebildet werden. Zum Einstellen einer Betriebszeitbegrenzung
kann irgendeines aus verschiedenen bekannten digitalen oder analogen
Verfahren verwendet werden.
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
wurde ein Erdschlußunterbrecher
mit einem Nennbetriebsstrom von 30 mA und einer Betriebszeitbegrenzung von
kleiner oder gleich 0,1 s als ein Erdschlußunterbrecher 3 eines
anderen Verbrauchers B1 oder B2 ausgewählt, weil ein Erdschlußunterbrecher
mit einer Empfindlichkeit und einem Betriebsstrom mit Werten nahe
den vorstehend beschriebenen in gewöhnlichen Haushalten meistens
verwendet wird.
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Das
wesentliche technische Konzept des ersten Ausführungsbeispiels besteht darin,
daß eine Trennung
einer Energieversorgung auf Grund eines Erdschlusses bei einem anderen
Verbraucher verhindert wird, indem ein Betrieb eines Erdschlußunterbrechers
eines Verbrauchers mit einem Energieerzeugungssystem für eine kurze
Zeitperiode nicht zugelassen wird. Demgemäß wurde die Betriebszeitbegrenzung
des Erdschlußunterbrechers 3A des
Energieerzeugungssystems auf 0,8 s gesetzt, was größer als
die Betriebszeitbegrenzung der Erdschlußunterbrecher 3 der
anderen Verbraucher B1 und B2 ist. Die Betriebszeitbegrenzung des
Erdschlußunterbrechers 3A ist
innerhalb eines Bereichs einer Er reichbarkeit der Aufgaben der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise so kurz wie möglich. Genauer gesagt, die Betriebszeitbegrenzung
wird vorzugsweise auf einen Wert gesetzt, der größer oder gleich 0,1 s und kleiner oder
gleich 1,0 s ist.
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Die
Zeitbegrenzung kann durch Ändern
des Nennbetriebsstroms an Stelle eines direkten Änderns der Verzögerungszeitbegrenzung
geändert werden.
Dieses Verfahren verwendet die Tatsache, daß wenn Erdschlußströme mit der
gleichen Größe fließen, ein
Erdschlußunterbrecher
mit einem größeren Nennbetriebsstrom
(mit einer geringeren Empfindlichkeit) langsamer arbeitet. Das heißt, es ist
lediglich erforderlich, den Nennbetriebsstrom des Erdschlußunterbrechers 3A des
Energieerzeugungssystems auf einen Wert zu setzen, der größer als
der Nennbetriebsstrom der Erdschlußunterbrecher 3 der Verbraucher
B1 und B2 ist. Es ist jedoch vorzuziehen, einen starken Abfall bei
der Empfindlichkeit zu vermeiden. Genauer gesagt, der Nennbetriebsstrom des
Erdschlußunterbrechers 3A wird
vorzugsweise auf einen Wert gesetzt, der größer oder gleich 100 mA und
kleiner oder gleich 1,000 A ist.
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Beim
Aufbau des Systems unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen
Erdschlußunterbrechers
ist es vorzuziehen, eher die Verzögerungszeitbegrenzung direkt
zu ändern
als den Nennbetriebsstrom zu ändern,
weil ein Einstellen von Bedingungen leichter ist.
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(Betriebstest)
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Ein
Defekt einer Erdung mit einem Erdschlußstrom von 500 mA für 0,1 s
wurde bei dem Verbraucher B2 erzeugt. Der Erdschlußunterbrecher
des Verbrauchers B2 arbeitete in etwa 50 ms und der Erdschlußunterbrecher
des Verbrauchers B1 arbeitete nicht, weil es kein Eindringen des
Erdschlußstroms gab.
Obwohl der Erdschlußstrom,
der in das Energieerzeugungssystem eindrang, etwa 200 mA hoch war, konnte
bestätigt
werden, daß der
Erdschlußunterbrecher 3A nicht
arbeitete und keine unnötige
Trennung stattfand.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein System erläutert, das eine Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung verwendet,
um zu bestimmen, ob außerhalb
eines Energieerzeugungssystems eine Erdung stattgefunden hat oder
nicht, wobei eine Funktion zum Erfassen einer Erdung des Systems
angewendet wird.
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Wie
in 9, die den herkömmlichen Fall veranschaulicht,
gezeigt, dringt der Erdstrom Ig2 über die schwebende Kapazität 6 gegen
Erde in das Energieerzeugungssystem A ein. 8 veranschaulicht
ein Pseudo-Ersatzschaltbild zu diesem Zeitpunkt. Ein Erdstrom Ig0,
der auf Grund eines Erdungswiderstands Rx des Verbrauchers B2 erzeugt wird,
wird in einen Strom Ig1, der über
einen B-Typ-Erdungswiderstand Rb fließt und ursprünglich zu
fließen
hat, und einen Strom Ig2, der über
eine Reihenschaltung einschließlich
einem D-Typ-Erdungswiderstand Rd und einer schwebenden Kapazität C gegen
Erde fließt
(wenn die Substratmetallplatte des Solarzellenmoduls einer D-Typ-Erdung
unterzogen wird), geteilt. Wenn in diesem Fall das Potential gegen
Erde des Nullleiters zu einer Bezugsphase gemacht wird, ist der
Nullphasenstrom, der durch das Energieerzeugungssystem fließt (der
eindringende Erdstrom Ig2), demgemäß ein voreilender Strom. Das
besondere Merkmal des zweiten Ausführungsbeispiels besteht darin,
den Betrieb des Erdschlußunterbrechers
durch Bestimmen, ob außerhalb
oder innerhalb des Verbrauchers A eine Erdung aufgetreten ist, zu
steuern. Diese Bestimmung erfolgt durch Erfassen des eindringenden
Erdstroms Ig2.
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2 ist
ein Blockschaltbild zum Veranschaulichen eines bevorzugten Beispiels
einer Verbindung zwischen einem Energieerzeugungssystem und einem
Niederspannungs-Verteilungssystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
In 2 bezeichnet Bezugszeichen A einen Verbraucher
mit einem Sonnenenergieerzeugungssystem, und ein Erdschlußunterbrecher 3B bei
dem Energieerzeugungssystem enthält
eine Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung 8A. In 2 sind
eine Solarzellenanordnung 1, ein Systemverbindungs-Wechselrichter 2, ein
Niederspannungs-Verteilungssystem 4, eine Last 5 und
Erdschlußunterbrecher 3,
die bei Verbrauchern B1 und B2 verwendet werden, die gleichen wie
diejenigen bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
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(Konfiguration des Erdschlußunterbrechers 3B)
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Der
Erdschlußunterbrecher 3B,
der bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
verwendet wird, enthält die
Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung 8A. Die Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung 8A kann
innerhalb des Erdschlußunterbrechers 3B enthalten
sein, wie in 2 gezeigt, oder kann getrennt von
dem Erdschlußunterbrecher 3B gebildet
sein. 3 ist ein schematisches Blockschaltbild zum Veranschaulichen
der Konfiguration des Erdschlußunterbrechers 3B.
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Die
Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung 8A enthält eine
Spannung-gegen-Erde-Erfassungseinrichtung 82, einen Nullphasenstrom-Transformator 81,
eine Nullphasenstrom-Erfassungseinrichtung 83 und eine
Phasenvergleichseinrichtung 84. Die Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung 8A bestimmt,
daß außerhalb
des Verbrauchers A eine Erdung (äußere Erdung)
aufgetreten ist, wenn die Phase der Spannung gegen Erde in Bezug
auf den Nullphasenstrom innerhalb eines festgelegten Phasenbereichs
liegt, und bestimmt, daß innerhalb des
Verbrauchers A eine Erdung (innere Erdung) aufgetreten ist, wenn
die Phase der Spannung gegen Erde nicht innerhalb des festgelegten
Bereichs liegt, und gibt das Ergebnis der Bestimmung aus. Bei dem zweiten
Ausführungsbeispiel
wird bestimmt, daß eine äußere Erdung
aufgetreten ist, wenn die Phase der Spannung gegen Erde innerhalb
eines Bereichs zwischen –30
Grad und –150
Grad (–90
Grad ± 60
Grad) liegt. Da im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels der Eindringungspfad
eine stabile schwebende Kapazität
besitzt, kann der Bereich zum Bestimmen einer äußeren Erdung näher um –90 Grad
(zum Beispiel 90 Grad ± 30
Grad) herum liegen. Verschiedene Arten einer Spannungserfassungseinrichtung,
einer Stromerfassungseinrichtung und einer Phasenvergleichseinrichtung,
die für
den vorstehend erläuterten Zweck
verwendet werden können,
sind kommerziell als Signalumwandler erhältlich, bei denen bekannte Verfahren
verwendet werden können.
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Das
Ergebnis einer Bestimmung, das von der Phasenvergleichseinrichtung 84 ausgegeben wird,
wird zu einem Zeitbegrenzungswähler 32 übertragen,
um eine Zeitbegrenzung auszuwählen.
Genauer gesagt, eine Zeitbegrenzung von 0,8 Sekunden wird ausgewählt, wenn
bestimmt worden ist, daß eine äußere Erdung
aufgetreten ist, und eine Zeitbegrenzung von 0,1 Sekunde wird ausgewählt, wenn bestimmt
worden ist, daß eine
innere Erdung aufgetreten ist.
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Das
Ergebnis der Auswahl der Zeitbegrenzung wird übertragen, um zusammen mit
dem Ergebnis einer Bestimmung einer Nullphasenstrom-Pegelbestimmungseinrichtung 31 (die
einen Bestimmungspegel von 30 mA besitzt) eine Treibereinrichtung 33 zu
kontaktieren, um einen Kontakt 34 zu betätigen.
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(Betriebstest)
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Wenn
bei dem Verbraucher B2 eine Erdung mit einem Strom von 500 mA für 0,1 Sekunde
erzeugt wurde, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, wurde bestätigt, daß eine unnötige Trennung
einer Energieversorgung bei dem Energieerzeugungssystem nicht auftrat.
Durch Einstellen der Betriebszeitbegrenzung, wenn bestimmt wird,
daß eine äußere Erdung
bis Unendlich aufgetreten ist, das heißt, durch Einstellen eines
Nicht-Betriebs, kann weiterhin bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
eine Trennung einer Energieversorgung bei dem Energieerzeugungssystem
verhindert werden, selbst wenn eine Erdung eines Hauptleiters des
Verteilungssystems 4, das gegen Erdung nicht geschützt ist,
aufgetreten ist. Es ist jedoch notwendig, zu überprüfen, ob unter Berücksichtigung
einer Notwendigkeit, wie etwa Sicherheit des Systems oder dergleichen,
ein Nicht-Betrieb einzustellen ist oder nicht.
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Der
Empfangsende-Erdschlußunterbrecher des
zweiten Ausführungsbeispiels
kann eine sehr genaue Bestimmung einer inneren oder äußeren Erdung
durchführen
und braucht die Antwortgeschwindigkeit nicht zu verringern, wenn
eine innere Erdung auftritt. Mit anderen Worten, wenn eine innere
Erdung auftritt, arbeitet der Empfangsende-Erdschlußunterbrecher
des zweiten Ausführungsbeispiels
genau in der gleichen Weise wie ein gewöhnlicher Empfangsende-Erdschlußunterbrecher
und besitzt daher eine hohe Sicherheit.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Bei
einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein Fall erläutert, bei dem ein Niederspannungs-Verteilungssystem
ein Einphasensystem und ein Dreiphasensystem, die gemeinsam geerdet
sind, enthält
(einschließlich
abgewandelte V-Verbindung).
Ein derartiges System neigt zu einer leichten Beeinflußbarkeit
durch eine äußere Erdung
und zwar insbesondere dann, wenn ein Energieerzeugungssystem mit
dem Einphasensystem verbunden ist. Die Gründe werden nachfolgend unter
Bezug auf die Zeichnung erläutert. 6 veranschaulicht
ein Vektordiagramm, wenn ein Dreiphasensystem, das einer Δ-Verbindung
unterzogen ist, und ein Einphasen-Dreileitersystem gemeinsam geerdet
sind, wie in 4 gezeigt. Wenn bei der S-Phase
(S-Leiter) eine Erdung auftritt, wird zwischen einem Erdleiter (Nullleiter
(N)) des Einphasensystems und der Erde ein größeres Potential gegen Erde
erzeugt als wenn eine Erdung bei der R-Phase oder der T-Phase des Einphasensystems
auftritt. Folglich steigt der Nullphasenstrom an. Das heißt, der
Erdstrom, der in das Energieerzeugungssystem eindringt, steigt an
und ein unnötiger
Betrieb des Erdschlußunterbrechers
kann auftreten. Die vorliegende Erfindung kann stärkere Wirkungen
erzielen, wenn das Energieerzeugungssystem mit einem Niederspannungs-Verteilungssystem,
das wie bei dem vorstehend erläuterten
Fall einen gemeinsam geerdeten Leiter besitzt, verbunden ist. Ein
derartiges Beispiel einer gemeinsamen Erdung wird einem Energieerzeugungssystem,
das mit ei nem Niederspannungs-Verteilungssystem verbunden ist, als
eigen angesehen.
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Bei
einem derartigen System kann eine Einrichtung, die einfacher ist
als die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel,
als eine Erdungsrichtungs-Bestimmungseinrichtung verwendet werden.
Das dritte Ausführungsbeispiel
wird nachfolgend unter Bezug auf 4 näher erläutert.
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In 4 haben
eine Solarzellenanordnung 1, ein Wechselrichter 2,
eine Last 5 und Empfangsende-Erdschlußunterbrecher 3 von
Verbrauchern B1 und B2 die gleiche Konfiguration wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Auf eine weitere Erläuterung der
gleichen Komponenten wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird daher verzichtet.
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(Niederspannungs-Verteilungssystem 4)
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Ein
System, bei dem ein Einphasen-Dreileitersystem und ein Dreiphasensystem
gemeinsam von einem Dreiphasen-Transformator abgeleitet sind, wie
in 4 gezeigt, wird als ein Niederspannungs-Verteilungssystem
verwendet. Zwei Systeme mit einem gemeinsam geerdeten Punkt, wie
zum Beispiel Systeme, bei denen jedes System einzeln einen Transformator
besitzt, wie in 7 gezeigt, oder Systeme mit
einer abgewandelten V-Verbindung, bei der zwei Einphasen-Transformatoren
kombiniert sind, können
ebenso an Stelle der vorstehend erläuterten Konfiguration bei dem
dritten Ausführungsbeispiel
angewendet werden.
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(Unterbrecher 3C)
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Eine
Richtungsbestimmungseinrichtung 8B, die einfacher ist als
bei dem zweiten Ausführungsbeispiel,
kann als ein Unterbrecher 3C, der bei dem dritten Ausführungsbeispiel
verwendet wird, angewendet werden. 5 veranschaulicht
schematisch einen derartigen Unterbrecher 3C und eine Richtungsbestimmungseinrichtung 8B.
Genauer gesagt, im Fall von 5 wird ein
Ausgabepegel einer Spannung-gegen-Erde-Erfassungseinrichtung 82 durch eine
Spannung-gegen-Erde-Pegelbestimmungseinrichtung 85 bestimmt.
Das heißt,
ob eine äußere oder innere
Erdung auftritt, wird bei dem dritten Ausführungsbeispiel durch Bestimmen
von lediglich einer Spannung gegen Erde eines Nullleiters (N) bestimmt. Genauer
gesagt, die Bestimmungseinrichtung 85 bestimmt, daß eine innere
Erdung aufgetreten ist, wenn die Ausgabe der Spannung-gegen-Erde-Erfassungseinrichtung 82 niedriger
als eine voreingestellte Spannungsschwelle ist, und bestimmt, daß eine äußere Erdung
aufgetreten ist, wenn die Ausgabe der Spannung-gegen-Erde-Erfassungseinrichtung 82 höher als
die voreingestellte Spannungsschwelle ist. Die Bestimmungsausgabe
wird zu einem Zeitbegrenzungswähler 32 übertragen,
um eine Zeitbegrenzung auszuwählen.
Das Ergebnis einer Auswahl der Zeitbegrenzung wird zusammen mit
einem Ergebnis einer Bestimmung einer Nullphasenstrom-Pegelbestimmungseinrichtung 31 zu
einer Kontakttreibereinrichtung 33 übertragen, um einen Kontakt 34 zu
betätigen.
Es ist vorteilhaft, die Spannungsschwelle so einzustellen, daß bestimmt
wird, daß eine äußere Erdung
aufgetreten ist, wenn eine Spannung erfaßt wird, die höher als
die Spannung eines Systems, mit dem das Energieerzeugungssystem
verbunden ist, ist. Durch tatsächliches
Erzeugen einer Erdung für den
schlechtesten Fall (Erdung zum Erzeugen der höchsten Spannung gegen Erde)
innerhalb des Energieerzeugungssystems und Einstellen der Spannungsschwelle
in Bezug auf das Potential gegen Erde zu diesem Zeitpunkt kann die
Spannungsschwelle niedriger gemacht werden. Vom Standpunkt eines
Schutzes des Energieerzeugungssystems ist dies somit vorzuziehen.
Durch Berücksichtigen
von Schwankungen bei der Spannung eines kommerziellen Systems wird
bei dem dritten Ausführungsbeispiel
die Spannungsschwelle auf 110 V gesetzt.
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Bei
dem dritten Ausführungsbeispiel
wird eine Richtung durch Vergleichen von Phasen bestimmt. Bei dem
dritten Ausführungsbeispiel
jedoch wird eine Richtung durch Erfassen der Spannung bestimmt.
Demgemäß besitzt
das dritte Ausführungsbeispiel
die Merkmale, daß die
Konfiguration vereinfacht ist und die Kosten niedriger sind.
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Da
Vorgänge
mit Ausnahme der Richtungsbestimmung die gleichen wie bei dem zweiten
Ausführungsbeispiel
sind, wird auf eine weitere Erläuterung
verzichtet.
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(Betriebstest)
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Eine
Erdung (500 mA bei 0,1 s) der S-Phase wurde bei dem Verbraucher
B2 erzeugt. Es wurde bestätigt,
daß das
Potential gegen Erde auf etwa 130 V angehoben wurde, und eine unnötige Trennung von
einer elektrischen Energieversorgung (ein unnötiger Vorgang des Erdschlußunterbrechers)
nicht auftrat. Es trat jedoch eine unnötige Trennung von einer elektrischen
Energieversorgung auf, wenn eine Erdung der R-Phase oder der T-Phase,
was dem Einphasen-Verteilungssystem gemeinsam ist, erzeugt wurde.
Dies gilt, weil in einem derartigen Fall das Potential gegen Erde
nicht auf 110 V erhöht
wurde. Eine derartige unnötige
Trennung von einer elektrischen Energieversorgung kann verhindert
werden, indem die Betriebszeitbegrenzung des Erdschlußunterbrechers 3C durch
Bilden des gleichen Zeitbegrenzungswählers 32 wie bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel
erhöht
wird.
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Das
optimale System zur Richtungsbestimmung unter Verwendung der Spannung
gegen Erde wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht einem
Fall, bei dem, wie in 7 gezeigt, jedes aus einem Einphasensystem
und einem Dreiphasensystem einzeln einen Transformator besitzt und
ein Leiter von jedem der Systeme gemeinsam geerdet ist. Im Gegensatz
zu dem in 4 gezeigten Fall wird in dem
in 7 gezeigten Fall das Potential gegen Erde angehoben,
selbst wenn eine Erdung bei der R-Phase oder der T-Phase auftritt,
sodaß ein
Bestimmen, ob eine innere Erdung oder eine äußere Erdung aufgetreten ist,
möglich
ist. Das heißt,
bei dem in 7 gezeigten Fall ist der Zeitbegrenzungswähler 32 unnötig. Da
bei dem in 7 gezeigten Fall der Nullleiter
der S-Phase und der N-Phase ursprünglich geerdet sind, ist es
im allgemeinen unnötig,
bei diesen Phasen eine Erdung zu erfassen.
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Wie
vorstehend erläutert,
besitzt die vorliegende Erfindung die folgenden besonderen Wirkungen.
- (1) Ein unnötiger
Vorgang zum Trennen einer elektrischen Energieversorgung wird nicht
durchgeführt,
wenn ein Defekt einer äußeren Erdung auftritt.
Folglich wird die Häufigkeit
eines Auftretens von Fehlern einer elektrischen Energieversorgung
bei einem Energieerzeugungssystem verringert.
- (2) Da die Häufigkeit
eines Auftretens von Fehlern einer elektrischen Energieversorgung
verringert wird, wird auch die Häufigkeit
eines Auftretens einer Unterbrechung einer Energieerzeugung verringert
und daher tritt ein Verlust bei einer Energieerzeugung kaum auf.
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Die
einzelnen Komponenten, die in der Zeichnung durch Blöcke bezeichnet
sind, sind auf dem Gebiet der Energieerzeugung allesamt wohl bekannt
und ihr spezifischer Aufbau und ihr Betrieb ist hinsichtlich des
Betriebs oder des besten Modus zum Ausführen der Erfindung unkritisch.
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Während die
vorliegende Erfindung in Bezug auf das, was gegenwärtig als
die bevorzugten Ausführungsbeispiele
angesehen wird, erläutert
worden ist, sollte klar sein, daß die Erfindung nicht auf die
offenbarten Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist. Ganz im Gegenteil, die vorliegende Erfindung soll verschiedene
Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen, die innerhalb des Schutzbereichs
der angehängten
Patentansprüche
eingeschlossen sind, abdecken. Dem Schutzbereich der folgenden Patentansprüche soll
die breiteste Interpretation eingeräumt werden, um alle derartigen
Abwandlungen und gleichwertigen Strukturen und Funktionen zu umfassen.