EP3928405A1 - Verfahren zum koordinieren von schutzeinrichtungen in einem verteilnetz - Google Patents

Verfahren zum koordinieren von schutzeinrichtungen in einem verteilnetz

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EP3928405A1
EP3928405A1 EP19778835.9A EP19778835A EP3928405A1 EP 3928405 A1 EP3928405 A1 EP 3928405A1 EP 19778835 A EP19778835 A EP 19778835A EP 3928405 A1 EP3928405 A1 EP 3928405A1
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EP
European Patent Office
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switch
consumer
counter
charging
error
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Pending
Application number
EP19778835.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yi Zhu
Shivansh BATRA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Priority claimed from PCT/CN2019/080558 external-priority patent/WO2020198987A1/en
Priority claimed from PCT/CN2019/080554 external-priority patent/WO2020198986A1/en
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    • H01H2009/544—Contacts shunted by static switch means the static switching means being an insulated gate bipolar transistor, e.g. IGBT, Darlington configuration of FET and bipolar transistor

Definitions

  • the invention relates to a method for coordinating protective devices in a distribution network.
  • DC distribution systems are seen as promising in terms of saving energy and using it efficiently. Especially with sources or feeds from renewable energy, it can be easier to integrate them into a
  • Integrate a direct current distribution system as an alternating current system for example, in a photovoltaic system, the DC-AC-DC converter can be replaced with a simple DC-DC converter.
  • capacitor banks as energy storage devices can be connected directly to such a system without additional converters.
  • the feeds 1010; 1011 AC power source via Active Front Ends (AFE) 1020; 1021 can be fed into the system.
  • AFE Active Front Ends
  • Freewheeling diodes can not be sufficiently protected by the self-protection of the transducers and fuses on the AC side, as severe damage may or speak by electric current due to a possible voltage reversal at LRC oscillations in the fault path V. This is particularly noticeable when the Active Front End (AFE) is not connected to the power rail in a short-circuit-proof manner.
  • AFE Active Front End
  • the diodes can act as uncontrolled rectifiers. The fault current is supplied from the alternating current side and may not be able to be switched off quickly enough by the fuses and thus destroy the diodes.
  • the main problems of a DC distribution system are the possible destruction of free-wheeling diodes due to voltage reversal, capacitive discharge and the selectivity to the active front ends (AFE).
  • SSCBs Solid State Circuit Breakers, semiconductor switches
  • SSCBs Solid State Circuit Breakers, semiconductor switches
  • They can be used to switch off fault regions within 10 ps (microseconds).
  • the problem with the pure use of holder switches is that they have a significantly higher power loss and are also more cost-intensive than conventional switches. Due to the low currents of the self-protection functions of the semiconductor components of the (power) converters and their extremely fast reaction, it is very challenging to achieve selectivity for the semiconductor switches.
  • the electrical switch opens the DC circuit by means of the tripping unit and the precharge device restores the voltage on the busbar before the electrical switch is closed, and the device has a control unit for automatic closing etting the electrical switch after successful precharge includes the following steps:
  • the distribution network is recharged within a few 10 ms (t C charge2, milliseconds), the device is switched on automatically, the switching transient is suppressed (ttran) and jumping to detect whether there is an error, or
  • the advantage here is that a reduced number of semiconductor switches can be used in the network, so that costs are minimized and also power losses, since these are only used for feeds, energy storage and large motor loads with power feedback.
  • the fault current can be interrupted very quickly by means of the circuit breaker within 10 ps (microseconds), and the fault can then be isolated at a relatively slow rate.
  • the selectivity between the different protective devices can either be time-controlled or via communication. Possible failures of the distribution network or the entire electrical network can be kept as short as possible by using an early assessment of the status of the electrical charge in the network.
  • the method comprises the further steps of an electromechanical switch:
  • the electrical switch in the at least one device is a semiconductor switch.
  • the at least one device further comprises a unit for communication.
  • the at least one device further comprises a control unit for suppressing a switch-on transient.
  • This control unit a switch-on transient, can suppress the high current at the switch-on transient in order to avoid incorrect error detection.
  • the pre-charging device restores the voltage on the busbar after a first waiting time.
  • the pre-charger restores voltage to the bus bar upon receiving a command.
  • the pre-charging device can receive the command via the communication unit.
  • control unit automatically closes the electrical switch for automatic closing after a second waiting time.
  • control unit closes automatically
  • Figure 1 electrical network with feeds, consumers and distribution network
  • Figure 2 electrical network with feeds, consumers and distribution network with protective devices in levels
  • FIG. 3 another electrical network with feeds
  • Figures 4A and 4B inventive method for coordinating the distribution network for the automatically electrically closable devices of a direct current circuit
  • FIGS. 5A and 5B inventive method for coordinating the distribution network for the electromechanical switches
  • FIG. 6 Another electrical network with feeds
  • Figure 7 another electrical network with feeds
  • Figure 8 another electrical network with feeds
  • FIG. 9 Another electrical network with feeds
  • Figure 10 automatically closable device of a direct current circuit.
  • an exemplary direct current network is Darge presents with the current flows under nominal conditions.
  • a feed 1010; 1011; 1012; 1013 are over a distribution network 2000 with a busbar 200 with loads 1050; 1051; 1052; 1053; 1054 connected.
  • Feeds 1010; 1011 can be, for example, AC power sources that have an Active Front End (AFE) 1020; 1021 are connected to the distribution network 2000.
  • a feed 1012 can be a photovoltaic system, for example, feed 1013 a different type with power converters. With these feeds 1012; 1013, only a unidirectional current flow in the direction of the distribution network 2000 is possible.
  • consumer 1050 can be an ohmic load that only allows a unidirectional current flow in its direction.
  • motors without power feedback for example consumer 1052.
  • the consumer 1051; 1053; 1054 can be, for example, motors with power feedback, a capacitor bank as an energy store or a battery, with these consumers allowing a bidirectional flow of current to and from the distribution network.
  • FIG. 2 shows the electrical network 1000 with feeds 1010; 1011; 1012; 1013, consumers 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 and a distribution network in between
  • the feeds 1010; 1011; 1012; 1013 can each with means of one of the devices 2010; 2011; 2012; 2013 for opening or closing a DC circuit individually
  • the device 2010; 2011; 2012; 2013 for opening or closing a DC circuit are each arranged between the feed and the busbar 200.
  • the distribution network 2000 arranged in between also comprises conventional electromechanical switches 2020 for isolating faults; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030.
  • the devices for opening or closing a direct current circuit can be arranged, for example, on power converters with high capacity, capacitor banks as energy storage, photovoltaic systems, batteries or on consumers with feedback depending on the size of the direct current intermediate circuit (DC link).
  • DC link direct current intermediate circuit
  • FIG. 3 shows a further electrical network 1000 with feeds 1010; 1011; 1012; 1013, consumers 1050;
  • the distribution network 2000 differs from the electrical network 1000 from FIG. 2 as follows: Several consumers 1050; 1051; 1052 of the electrical network 2000 form a group. Each of these consumers 1050; 1051; 1052 is connected to an electromechanical switch 2028; 2029; 2030 can be separated from the distribution network 2000 in the event of a fault. Consumer 1050 is assigned to electromechanical switch 2028, consumer 1051 to electromechanical switch 2029 and consumer 1052 to electromechanical switch 2030.
  • the electromechanical switches 2028; 2029; 2030 are electrically connected to a busbar 200 ′, which in turn is electrically connected to the busbar 200 of the distribution network 2000 with an electromechanical switch 2024.
  • the inventive method for coordinating a distribution network 2000 different levels of electromechanical switches 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030 and automatically electrically lockable devices 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 shown in a DC circuit.
  • the distribution network 2000 is between feeders 1010; 1011; 1012; 1013 and consumers 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 arranged with at least one busbar 200; 200 ', the devices 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 each include
  • the electrical switch 110 opens the DC circuit by means of the trip unit 130 and the pre-charging device 140 restores the voltage on the busbar 200 before the electrical switch 110 closes, and the device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 comprises a control unit 150 for automatically closing the electrical switch 110 after successful pre-charging.
  • the method according to the invention comprises according to FIG. 4A (device on the consumer side) and 4B (device on the feed side) the steps:
  • check 450 whether the line voltage on the busbar 200; 200 'is restored and if so, automatic closing 412 of the device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016; and then
  • Loading device 140 is possible; and either:
  • the method according to the invention comprises an electromechanical switch 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; The next steps in 2030:
  • 1052; 1053; 1054; 1055 is not less than or equal to zero, waiting 507 the switch-off time tEM C B of the electromechanical switch 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030 and the charging time t charge of the pre-charging device 140; and then
  • the method according to the invention is explained in more detail for an error 1500 in FIG. 6, for an error 1501 in FIG. 7, an error 1502 in FIG. 8 and an error 1503 in FIG.
  • FIG. 6 shows a possible error 1500 between the automatically electrically lockable device 2010 in one
  • the error 1500 thus occurs between the feed 1010 and the busbar 200.
  • All automatically electrically lockable devices 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 in a DC circuit at the feeds 1010; 1011; 1012; 1013 and consumers in 2014; 2015; 2016 open instantaneously.
  • the electromechanical switch 2020 experiences a negative fault current Ifauit and therefore also opens.
  • the fault is isolated within tEM C B, the switching time of the electromechanical switches.
  • the other electromechanical switches on the feeders experience a positive fault current Ifauit and therefore do not open, just like the electromechanical switches
  • the automatically electrically lockable device 2010 in a direct current circuit tries to restore the voltage on the consumer side, but this is not possible due to the error 1500, so that the automatically electrically lockable device 2010 remains open in a direct current circuit.
  • the other automatically electrically lockable devices 2011; 2012; 2013 in a DC circuit at the feeds can restore the voltage, since there is no fault here.
  • the electrical network 1000 has been restored111 within the time span tEM C B + t charge + t charge 2 + t tran111 and is operational again within this time.
  • the consumer-side electromechanical switches experience a negative fault current Ifauit and therefore do not open.
  • the feed-side electromechanical switches 2020; 2021; 2022; 2023 close within the time 3 x tEM C B + 2 X t charge and isolate the fault 1501.
  • the electrical network 1000 remains out of operation because of the fault in the busbar.
  • FIG. 8 another possible fault 1502 has occurred between the electromechanical switch 2024 and the busbar 200 '.
  • the error 1502 thus occurs between the busbar 200 and the busbar 200 '.
  • All other electromechanical switch consumers experience a negative fault current Ifauit and therefore do not open.
  • the automatically electrically closable devices try to restore the voltage on the busbar 200 in a direct current circuit, which is not possible because the fault has not yet been isolated.
  • the electromechanical switch 2024 opens after a total of 2 x tEM C B + t charge and the fault is isolated. All feed-side, automatically electrically closable devices in a DC circuit can now restore the voltage on the busbar 200 and the rest of the electrical network is restored within the time span 2 x (tEMCB + tcharge) + t C harge2 + ttran and operational again within this time.
  • the consumer-side automatically electrically lockable device 2014 in a direct current circuit cannot be switched on again due to error 1502, but remains disconnected.
  • a further possible error 1503 has occurred between the automatically electrically lockable device 2014 in a direct current circuit and the electromechanical switch 2030.
  • the error 1503 thus occurs between the consumer 1052 and the busbar 200 '.
  • fault 1503 is isolated within time period tEMCB.
  • All automatically electrically lockable devices 2010; 2011; 2012; 2013; 2015; In 2016 in a DC circuit try to restore the voltage on the busbar, so that the rest of the electrical network is restored within the time span tEMCB + tc ha rge + t Cha rge 2 + ttran and is operational again within this time.
  • the consumer-side automatically electrically lockable device 2014 in a direct current circuit cannot be switched on again due to error 1503, but remains disconnected.
  • the communication time t C omm can be in the range of ms (milliseconds).
  • the time until the error is isolated in the case of error 1502 ( Figure 8) can be reduced to tEMCB + t comm and the restart time to the period tEMCB + tcomm + tcharge + tcharge2 + ttran
  • the device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 shown for opening or closing a DC circuit with at least one busbar 200.
  • the device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 includes an electrical switch 110 for opening or closing the direct current circuit, a fault current detection 120, a trip unit 130 and a pre-charging device 140, whereby when a fault current is detected by the fault current detection 120, the electric switch 110 uses the tripping unit 130 to control the direct current circuit opens and wherein the precharge device 140 before the closing of the electrical switch 110 restores the voltage on the busbar 200.
  • a control unit 150 is provided which can automatically close the electrical switch 110 after the pre-charge.
  • 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 can be a solid-state switch or a semiconductor switch, for example.
  • it can be a semiconductor switch based on silicon (Si), silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
  • the device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 further comprise a unit 180 for communication.
  • This unit 180 for communication can receive commands from a higher-level control unit and / or arranged in a distribution network 2000 Devices 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; Coordinate 2016.
  • control unit 160 for suppressing a switch-on transient.
  • the control unit 160 can suppress the high inrush current in the event of a switch-on transient in order to avoid triggering an error.
  • the device 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 can furthermore comprise a measuring unit 170 for measuring current and / or voltage values.
  • the pre-charger 140 can restore the voltage on the busbar 200 after a first waiting period. Alternatively, the pre-charger 140 restores voltage to the busbar 200 upon receiving a command. The command can be given to the precharge device 140 via the unit 180 for communication.
  • the electrical switch 110 can close this automatically after a second waiting time.
  • the control unit 150 for automatically closing the electrical switch 110 can close the latter after a voltage has been restored on the busbar 200 above a threshold value.
  • the control unit 150 can receive the voltage values on the busbar 200 from the measuring unit 170 for automatically closing an electrical switch 110.
  • the different components of the device 100 according to the invention are supplied with electrical energy via the power supply 190.
  • the power supply 190 can be formed externally or internally.

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Abstract

Es wird ein Verfahren offenbart zum Koordinieren eines Verteilnetzwerks unterschiedlicher Ebenen aus elektromechanischen Schaltern und automatisch elektrisch schließbare Vorrichtungen in einem Gleichstromkreis, wobei das Verteilnetzwerk zwischen Einspeisungen und Verbrauchern angeordnet ist mit mindestens einer Sammelschiene.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Koordinieren von Schutzeinrichtungen in einem Verteilnetz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Koordinieren von Schutzeinrichtungen in einem Verteilnetzwerk.
Gleichstromverteilsysteme werden als vielversprechend angese hen bezüglich der Einsparung von Energie und deren effizien ten Nutzung. Speziell bei Quellen oder Einspeisungen aus er neuerbarer Energie kann es einfacher sein, diese in ein
Gleichstromverteilsystem zu integrieren als in ein Wechsel stromsystem. Beispielsweise bei einem Photovoltaiksystem kann der Gleichstrom-Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler ersetzt wer den mit einem einfachen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler .
Ebenso können Kondensatorbänke als Energiespeicher direkt verbunden werden mit solch einem System ohne zusätzliche Wandler .
Bei Benutzung der Active Front End (AFE) - Technologie zur Einspeisung an Wechselstromquellen oder bei zurückgewonnener Bremsenergie von Motoren kann es zur Zurückführung von Ener gie kommen: während bei Active Front End (AFE) - Vorrichtun gen die Wechselstromseite des Netzwerks stabilisiert wird und somit insgesamt die Netzwerkqualität mit einer reaktiven Energieversorgung kompensierten wird, kann die Bremsenergie von Motoren dem Verteilsystem zugeführt werden.
Gleichstromnetzwerke haben aber auch Herausforderungen bezüg lich des Schutzes gegenüber Kurzschlüssen oder anderen Feh lerquellen. In einem beispielhaften Gleichstromnetz entspre chend der Darstellung in Figur 1 mit Einspeisungen 1010;
1011; 1012; 1013 und Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053;
1054 und einem dazwischen gelagerten Verteilnetzwerk 2000 mit klassischen mechanischen Schutzvorrichtungen (beispielsweise moulded case Circuit breaker, MCCB) verlieren diese ihre Se- lektivität aufgrund der schnellen Selbstschutzfunktionen der Leistungselektronik in den Wandlern. In der Darstellung der Figur 1 können beispielsweise die Einspeisungen 1010; 1011 Wechselstromquelle sein, die über Active Front Ends (AFE) 1020; 1021 in das System eingespeist werden.
Freilaufdioden können nicht ausreichend geschützt werden durch den Selbstschutz der Wandler und Sicherungen auf der Wechselstromseite, da schwere Schäden durch elektrischen Strom aufgrund einer möglichen Spannungsumkehr bei LRC- Schwingungen im Fehlerpfad Vorkommen können. Dies wird vor allem beobachten, wenn das Active Front End (AFE) nicht kurz schlussfest verbunden ist mit der Stromschiene. Ebenso können nach einem Ausschalten der IGBTs die Dioden als unkontrol lierte Gleichrichter wirken. Der Fehlerstrom wird dabei von der Wechselstromseite versorgt und kann durch die Sicherungen möglicherweise nicht schnell genug abgeschaltet werden und somit die Dioden zerstören.
Die Entladung einer Kondensatorbank oder von Gleichstrom- Zwischenkreisen (DC-Links) während eines schwerwiegenden Feh lerszenarios erzeugt extrem hohe Strom-Spitzen, welche inner halb von Zeiträumen von ms (Milli Sekunden) fließen. Klassi sche elektro-mechanische Schalter sind nicht schnell genug zum Abschalten eines solchen Fehlerstroms. Der schwächste Einspeise- oder Verbraucherpfad mit dem geringsten Nennstrom hat in solch einem System mit mehreren Einspeisungen das höchste Verhältnis von maximalem Kurzschlussstrom zu nomina lem Strom.
Hauptprobleme eines Gleichstromverteilsystems sind die mögli che Zerstörung von Freilaufdioden aufgrund einer Spannungsum kehr, die kapazitive Entladung und die Selektivität zu den Active Front Ends (AFE) .
In einem Schutzkonzept, welches SSCBs (Solid State Circuit Breaker, Halbleiterschalter) als Schutzeinrichtungen verwen- det, können diese dem Abschalten von Fehlerregionen innerhalb von 10 ps (Mikro Sekunden) dienen. Problematisch ist bei der reinen Verwendung von Halterschaltern, dass diese einen deut lich höheren Leistungsverlust haben und zusätzlich kostenin tensiver sind als herkömmliche Schalter. Aufgrund der gerin gen Ströme der Selbstschutzfunktionen der Halbleiterkomponen ten der (Leistungs-) Wandler und deren extrem schnellen Reak tion ist es sehr herausfordernd, eine Selektivität zu den Halbleiterschaltern zu realisieren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Verfahren zum Koordinieren von Schutzeinrichtungen in einem Verteilnetz zur Verfügung zu stellen, welches die genannten Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren zum Koordinieren eines Verteilnetzwerks gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhaft Ausge staltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Koordinieren eines Ver teilnetzwerks unterschiedlicher Ebenen aus elektromechani schen Schaltern und automatisch elektrisch schließbaren Vor richtungen in einem Gleichstromkreis, wobei das Verteilnetz werk zwischen Einspeisungen und Verbrauchern angeordnet ist mit mindestens einer Sammelschiene, wobei die Vorrichtungen jeweils umfassen
- einen elektrischen Schalter zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises,
- eine Fehlerstromerkennung,
- eine Auslöseeinheit , und
- eine Vor-Ladevorrichtung,
wobei bei Detektion eines Fehlerstroms (Ifauit) durch die Fehlerstromerkennung der elektrische Schalter mittels der Auslöseeinheit den Gleichstromkreis öffnet und die Vor- Ladevorrichtung vor dem Schließen des elektrischen Schalters die Spannung auf der Sammelschiene wiederherstellt, und wobei die Vorrichtung eine Steuereinheit zum automatischen Schlie- ßen des elektrischen Schalters nach der erfolgreichen Vor- Ladung umfasst, umfasst die Schritte:
- bei einer Vorrichtung an einer Einspeisung: Setzen ei nes Zählers a für die Vorrichtung auf die Nummer der Ebene im Verteilnetzwerk;
- Erkennen mittels der Fehlerstromerkennung, ob ein Feh lerfall vorliegt und falls kein Fehlerfall vorliegt Springen zum Erkennen, ob ein Fehlerfall vorliegt; danach
- falls ein Fehlerfall vorliegt, Bestimmen, ob der Feh lerstrom (Ifault) eine Stromschwelle (Imst) überschreitet; da nach
- falls der Fehlerstrom (Ifauit) die Stromschwelle über schreitet, Öffnen der Vorrichtungen; danach
- Bestimmung der Richtung des Fehlerstroms (Ifauit) ; da nach
- bei einer Vorrichtung an einem Verbraucher:
- bei positiver Richtung, Beenden des Verfahrens; oder
- bei negativer Richtung, Überprüfen, ob die Netz spannung auf der Sammelschiene wiederhergestellt ist und wenn dies der Fall automatisches Schließen der Vorrichtung; und danach
- Springen zum Erkennen, ob ein Fehlerfall vor liegt; oder
- bei einer Vorrichtung an einer Einspeisung:
- bei negativer Richtung, Beenden des Verfahrens; oder
- bei positiver Richtung, Erniedrigen des Zählers a für die Vorrichtung um Eins; und danach
- falls der Zähler a für die Vorrichtung kleiner gleich Null ist, Beenden des Verfahrens;
oder
- falls der Zähler a für die Vorrichtung größer Null ist, Abwarten der Abschaltzeit (tEMCß) der elektromecha nischen Schalter; und danach - Laden mit der Vor-Ladevorrichtung zum Testen, ob der Fehler behoben ist, innerhalb von ms (tcharge, Milli Sekun den) ; und danach
- Prüfen, ob die Aufladung auf Seiten der Verbrau cher mittels der Vor-Ladevorrichtung möglich ist; und entwe der :
- falls die Aufladung möglich ist, Wiederladen des Verteilnetzwerks innerhalb von einigen 10 ms (tCharge2, Milli Sekunden) , automatisches Einschalten der Vorrichtung, Unter drücken der Schalttransiente (ttran) und Springen zum Erken nen, ob ein Fehlerfall vorliegt, oder
- falls die Aufladung nicht möglich ist, Springen zum Erniedrigen des Zählers a für die Vorrichtung um Eins.
Vorteilhaft hierbei ist, dass eine reduzierte Anzahl an Halb leiterschaltern im Netzwerk verwendet werden kann, sodass Kosten minimiert werden und ebenso auch Leistungsverluste, da diese nur für Einspeisungen, Energiespeicher und großen Mo torlasten mit Leistungsrückführung verwendet werden. Im Feh lerfall kann der Fehlerstrom sehr schnell mittels der Leis tungsschalter innerhalb von 10 ps (Mikro Sekunden) unterbro chen werden, der Fehler kann danach mit relativ langsamer Ge schwindigkeit isoliert werden. Dies erlaubt die Benutzung von elektromechanischen elektrischen Schaltern im restlichen Sys tem. Die Selektivität zwischen den unterschiedlichen Schutz einrichtungen kann entweder zeitgesteuert oder per Kommunika tion geschehen. Mögliche Ausfälle des Verteilnetzwerks oder des gesamten elektrischen Netzwerks können so kurz wie mög lich gehalten werden durch die Verwendung einer frühzeitigen Beurteilung des Status der elektrischen Ladung im Netzwerk.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren bei einem elekt romechanischen Schalter die weiteren Schritte:
- Setzen eines Zählers b für den Verbraucher auf die Nummer der Ebene im Verteilnetzwerk; und danach - Erkennen mittels der Fehlerstromerkennung, ob ein Feh lerfall vorliegt und falls kein Fehlerfall vorliegt Springen zum Setzen des Zählers b; danach
- Bestimmung der Richtung des Fehlerstroms (Ifauit); da nach
- bei positiver Richtung, Erniedrigen des Zählers b für den Verbraucher um Eins; danach
- falls der Zähler b für den Verbraucher kleiner gleich Null ist, Öffnen des elektromechanischen Schalters und Been den des Verfahrens; oder
- falls der Zähler b für den Verbraucher nicht kleiner gleich Null ist, Abwarten der Abschaltzeit (tEMCß) der elekt romechanischen Schalter und der Ladezeit (tcharge) der Vor- Ladevorrichtung; und danach
- Prüfen, ob die Aufladung auf Seiten der Verbraucher möglich ist; und entweder:
- falls die Aufladung möglich ist, Abwarten der La dezeit (tcharge2) vor dem automatischen Schließen der Vorrich tungen und Springen zum Setzen des Zählers b für den Verbrau cher, oder
- falls die Aufladung nicht möglich ist, Springen zum Erniedrigen des Zählers b für den Verbraucher um Eins.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der Prüfung, ob die Aufladung auf Seiten der Verbraucher möglich ist, überprüft, ob eine vordefinierte Spannungs-Schwelle (Ures) erreicht ist.
In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der Prüfung, ob die Aufladung auf Seiten der Verbraucher mög lich ist, überprüft, ob eine vordefinierte Schwelle für die Spannungsänderung (du/dt) erreicht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der elektrische Schalter in der mindesten einen Vorrichtung ein Halbleiterschalter. In einer Ausgestaltung umfasst die mindestens eine Vorrich tung des Weiteren eine Einheit zur Kommunikation.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die mindestens eine Vorrichtung des Weiteren eine Steuereinheit zum Unterdrücken einer Einschalttransiente. Diese Steuereinheit eine Ein schalttransiente kann dem hohen Strom bei der Einschalttran siente unterdrücken, um falsch Fehlererkennung zu vermeiden.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die Vor-Ladevorrich- tung die Spannung auf der Sammelschiene wieder her nach einer ersten Wartezeit. Alternativ stellt die Vor-Ladevorrichtung die Spannung auf der Sammelschiene nach Erhalt eines Befehls wieder her. Den Befehl kann die Vor-Ladevorrichtung über die Einheit zur Kommunikation erhalten.
In einer weiteren Ausgestaltung schließt die Steuereinheit zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters diesen automatisch nach einer zweiten Wartezeit.
Alternativ schließt die Steuereinheit zum automatischen
Schließen des elektrischen Schalters diesen nach Wiederher stellung einer Spannung auf der Sammelschiene oberhalb eines Schwellwerts .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1: elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen, Verbrau chern und Verteilnetzwerk; Figur 2: elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen, Verbrau chern und Verteilnetzwerk mit Schutzeinrichtungen in Ebenen;
Figur 3: weiteres elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen,
Verbrauchern und Verteilnetzwerk mit Schutzeinrich tungen in Ebenen;
Figur 4A und 4B: erfindungsgemäßes Verfahren zum Koordi nieren des Verteilnetzwerks für die automatisch elektrisch schließbaren Vorrichtungen eines Gleich stromkreises ;
Figur 5A und 5B: erfindungsgemäßes Verfahren zum Koordi nieren des Verteilnetzwerks für die elektromechani schen Schalter;
Figur 6: weiteres elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen,
Verbrauchern und Verteilnetzwerk mit Schutzeinrich tungen in verschiedenen Ebenen mit einem möglichen Fehler Fl in der Einspeisungsebene;
Figur 7: weiteres elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen,
Verbrauchern und Verteilnetzwerk mit Schutzeinrich tungen in verschiedenen Ebenen mit einen möglichen Fehler F2 auf der Sammelschiene einspeisungsseitig;
Figur 8: weiteres elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen,
Verbrauchern und Verteilnetzwerk mit Schutzeinrich tungen in verschiedenen Ebenen mit einen möglichen Fehler F3 in eine unterverteilungsebene;
Figur 9: weiteres elektrisches Netzwerk mit Einspeisungen,
Verbrauchern und Verteilnetzwerk mit Schutzeinrich tungen in verschiedenen Ebenen mit einen möglichen Fehler F4 in die verbrauche Ebene; und Figur 10: automatisch schließbare Vorrichtung eines Gleich stromkreises .
In Figur 1 ist ein beispielhaftes Gleichstromnetzwerk darge stellt mit den Stromflüssen unter nominalen Bedingungen. Ein speisungen 1010; 1011; 1012; 1013 sind über ein Verteilnetz werk 2000 mit einer Sammelschiene 200 mit Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054 verbunden. Einspeisungen 1010; 1011 können beispielsweise Wechselstromquellen sein, die über ein Active Front End (AFE) 1020; 1021 mit dem Verteilnetzwerk 2000 verbunden sind. Hier können die Ströme bidirektional ins Verteilnetzwerk 2000 hinein oder aus ihm herausfließen. Ein speisung 1012 kann beispielsweise eine Photovoltaikanlage sein, Einspeisung 1013 ein anderer Typ mit Leistungswandlern. Bei diesen Einspeisungen 1012; 1013 ist nur ein unidirektio- naler Stromfluss in Richtung des Verteilnetzwerks 2000 mög lich.
Ähnliches gilt auch für die Verbraucher, manche Verbraucher ermöglichen einen unidirektionalen und andere einen bidirek tionalen Stromfluss zum Netzwerk 2000. Beispielsweise kann Verbraucher 1050 eine ohmsche Last sein, die nur einen unidi- rektionalen Stromfluss in ihre Richtung erlaubt. Gleiches gilt für Motoren ohne Leistungsrückführung, beispielsweise Verbraucher 1052. Die Verbraucher 1051; 1053; 1054 können beispielsweise Motoren mit Leistungsrückführung, eine Konden satorbank als Energiespeicher oder eine Batterie sein, wobei bei diesen Verbrauchern ein bidirektionaler Stromfluss zum und vom Verteilnetzwerk möglich ist.
Für die Richtung des Stromflusses des Fehlerstroms Ifauit soll folgende Definition für alle Figuren gelten: Entsprechend den Darstellungen der Figuren bedeutet ein positiver Fehlerstrom Ifauit, dass der Strom im Verteilnetzwerk 2000 von oben nach unten fließt, ein negativer Fehlerstrom Ifauit, dass der Strom im Verteilnetzwerk 2000 von unten nach oben fließt. Figur 2 zeigt das elektrische Netzwerk 1000 mit Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013, Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 und einem dazwischen angeordneten Verteilnetzwerk
2000 mit mindestens einer Sammelschiene 200 sowie mit mindes tens einer Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises.
Die Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 können jeweils mit tels einer der Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013 zum Öff nen oder Schließen eines Gleichstromkreises einzeln
elektrisch abgetrennt werden. Die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013 zum Öffnen oder Schließen einen Gleichstromkreisen sind jeweils zwischen der Einspeisung und der Sammelschiene 200 angeordnet.
Des Weiteren können auch einzelne Verbraucher 1052; 1054;
1055 mittels einer der Vorrichtungen 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises einzeln elektrisch abgetrennt werden oder von der Sammelschiene 200 abgetrennt werden. Das dazwischen angeordnete Verteilnetzwerk 2000 umfasst zur Isolation von Fehlern des Weiteren konventi onelle elektromechanische Schalter 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030.
Die Vorrichtungen zum Öffnen oder Schließen eines Gleich stromkreises können beispielsweise an Leistungswandlern mit hoher Kapazität, Kondensatorbänken als Energiespeicher, Pho tovoltaikanlagen, Batterien oder an Verbrauchern mit Rück speisungen abhängig von der Größe des Gleichstrom- Zwischenkreises (DC-Link) angeordnet sein.
Die unterschiedlichen Ebenen aus elektromechanischen Schal tern 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030 und automatisch elektrisch schließbaren Vorrich tungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 in einem Gleichstromkreis, wobei das Verteilnetzwerk 2000 zwischen den Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 und den Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 angeordnet ist, sind in der Figur nummeriert mit p=0 (an den Verbrauchern) , p=l und p=2 (an den Einspeisungen) .
Figur 3 zeigt ein weiteres elektrisches Netzwerk 1000 mit Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013, Verbrauchern 1050;
1051; 1052; 1053; 1054; 1055 und einem dazwischen angeordne ten Verteilnetzwerk 2000 mit zwei Sammelschienen 200, 200' sowie mit Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises und konventionellen elektromechanischen Schaltern 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030.
Das Verteilnetzwerk 2000 unterscheidet sich zum elektrischen Netzwerk 1000 aus der Figur 2 folgendermaßen: Mehrere Ver braucher 1050; 1051; 1052 des elektrischen Netzwerks 2000 bilden eine Gruppe. Jeder dieser Verbraucher 1050; 1051; 1052 ist mit einem elektromechanischen Schalter 2028; 2029; 2030 im Fehlerfall abtrennbar vom Verteilnetzwerk 2000. Verbrau cher 1050 ist der elektromechanische Schalter 2028 zugeord net, Verbraucher 1051 der elektromechanische Schalter 2029 und Verbraucher 1052 der elektromechanische Schalter 2030.
Die elektromechanischen Schalter 2028; 2029; 2030 sind elektrisch mit einer Sammelschiene 200' verbunden, die wiede rum mit einem elektromechanischen Schalter 2024 mit der Sam melschiene 200 des Verteilnetzwerks 2000 elektrisch verbunden ist .
Auf Grund der Anordnung einiger Vorrichtungen 1050; 1051;
1052 in einer Gruppe ergeben sich in dieser Ausführungsform die unterschiedlichen Ebenen aus elektromechanischen Schal tern 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030 und automatisch elektrisch schließbaren Vorrich tungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 in einem Gleichstromkreis, wobei das Verteilnetzwerk 2000 zwischen den Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 und den Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 angeordnet ist, mit p=0 (an den Verbrauchern), p=l, p=2 und p=3 (an den Einspeisun gen) .
In den Figuren 4A und 4B ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Koordinieren eines Verteilnetzwerks 2000 unterschiedli cher Ebenen aus elektromechanischen Schaltern 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030 und au tomatisch elektrisch schließbaren Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 in einem Gleichstromkreis darge stellt. Das Verteilnetzwerk 2000 ist zwischen Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 und Verbrauchern 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 angeordnet mit mindestens einer Sammelschie ne 200; 200', wobei die Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 jeweils umfassen
- einen elektrischen Schalter 110 zum Öffnen oder
Schließen des Gleichstromkreises,
- eine Fehlerstromerkennung 120,
- eine Auslöseeinheit 130, und
- eine Vor-Ladevorrichtung 140,
wobei bei Detektion eines Fehlerstroms (Ifauit) durch die Fehlerstromerkennung 120 der elektrische Schalter 110 mittels der Auslöseeinheit 130 den Gleichstromkreis öffnet und die Vor-Ladevorrichtung 140 vor dem Schließen des elektrischen Schalters 110 die Spannung auf der Sammelschiene 200 wieder herstellt, und wobei die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 eine Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters 110 nach der erfolgrei chen Vor-Ladung umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst nach Figur 4A (Vor richtung an Verbraucher-Seite) und 4B (Vorrichtung an Ein speise-Seite) die Schritte:
- bei einer Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 an einer Einspeisung 1010; 1011; 1012; 1013 (nach Figur 4B) : Setzen 401 eines Zählers a für die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 auf die Nummer der Ebene p im Verteilnetzwerk 2000; - Erkennen 402 mittels der Fehlerstromerkennung 120, ob ein Fehlerfall vorliegt und falls kein Fehlerfall vorliegt Springen zum Erkennen 402, ob ein Fehlerfall vorliegt; danach
- falls ein Fehlerfall vorliegt, Bestimmen 403, ob der Fehlerstrom Ifauit eine Stromschwelle Imst überschreitet; da nach
- falls der Fehlerstrom Ifauit die Stromschwelle über schreitet, Öffnen 404 der Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016; danach
- Bestimmung 405 der Richtung des Fehlerstroms Ifauit; danach
- bei einer Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 an einem Verbraucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 (nach Figur 4A) :
- bei positiver Richtung, Beenden 499 des Verfah rens; oder
- bei negativer Richtung, Überprüfen 450, ob die Netzspannung auf der Sammelschiene 200; 200' wiederherge stellt ist und wenn dies der Fall automatisches Schließen 412 der Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016; und danach
- Springen 402 zum Erkennen, ob ein Fehlerfall vor liegt ;
oder
- bei einer Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 an einer Einspeisung 1010; 1011; 1012; 1013 (nach Figur 4B) :
- bei negativen Richtung, Beenden 499 des Verfah rens; oder
- bei positiver Richtung, Erniedrigen 406 des Zäh lers a für die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014;
2015; 2016 um Eins; und danach
- falls der Zähler a für die Vorrichtung 2010;
2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 kleiner gleich Null ist 407, Beenden 499 des Verfahrens; oder
- falls der Zähler a für die Vorrichtung 2010;
2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 größer Null ist 407, Ab- warten 408 der Abschaltzeit tEMCB der elektromechanischen
Schalter 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027;
2028; 2029; 2030; und danach
- Laden 409 mit der Vor-Ladevorrichtung 140 zum Testen, ob der Fehler behoben ist, innerhalb von ms (tcharge, Milli Sekunden) ; und danach
- Prüfen 410, ob die Aufladung auf Seiten der Ver braucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 mittels der Vor-
Ladevorrichtung 140 möglich ist; und entweder:
- falls die Aufladung möglich ist, Wiederladen 411 des Verteilnetzwerks 2000 innerhalb von einigen 10 ms (tchar- ge2, Milli Sekunden) , automatisches Einschalten 412 der Vor richtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016, Unterdrü cken 413 der Schalttransiente (ttran) und Springen zum Erken nen 402, ob ein Fehlerfall vorliegt, oder
- falls die Aufladung nicht möglich ist, Springen zum Erniedrigen 406 des Zählers a für die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 um Eins.
Nach den Figuren 5A (an Einspeise-Seite) und 5B (an Verbrau cher-Seite) umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bei einem elektromechanischen Schalter 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030 die weiteren Schritte:
- Setzen 501 eines Zählers b für den Verbraucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 auf die Nummer der Ebene p im Verteilnetzwerk 2000; und danach
- Erkennen 502 mittels der Fehlerstromerkennung 120, ob ein Fehlerfall vorliegt und falls kein Fehlerfall vorliegt Springen zum Setzen 501 des Zählers b; danach
- Bestimmen 503, ob der Fehlerstrom eine Stromschwelle Imst überschreitet und wenn dies der Fall ist:
- Bestimmung 504 der Richtung des Fehlerstroms Itauit; danach
- bei positiver Richtung, Erniedrigen 505 des Zählers b für den Verbraucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 um Eins; danach
- falls der Zähler b für den Verbraucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 kleiner gleich Null ist, Öffnen 590 des elektromechanischen Schalters 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030 und Beenden 599 des Verfahrens; oder
- falls der Zähler b für den Verbraucher 1050; 1051;
1052; 1053; 1054; 1055 nicht kleiner gleich Null ist, Abwar ten 507 der Abschaltzeit tEMCB der elektromechanischen Schal ter 2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030 und der Ladezeit tcharge der Vor-Ladevorrichtung 140; und danach
- Prüfen 508, ob die Aufladung auf Seiten der Verbrau cher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 möglich ist; und ent weder :
- falls die Aufladung möglich ist, Abwarten 509 der Ladezeit tCharge2 vor dem automatischen Schließen der Vorrich tungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 und Springen zum Setzen 501 des Zählers b für den Verbraucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055, oder
- falls die Aufladung nicht möglich ist, Springen zum Erniedrigen 505 des Zählers b für den Verbraucher 1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055 um Eins.
In den Figuren 6, 7, 8 und 9 ist jeweils das elektrische Netzwerk 1000 gemäß Figur 3 dargestellt mit den Ebenen p=0 (an den Verbrauchern), p=l, p=2 und p=3 (an den Einspeisun gen) . Anhand möglicher Fehler-Szenarien wird für einen Fehler 1500 in Figur 6, für einen Fehler 1501 in Figur 7, einen Feh ler 1502 in Figur 8 und einen Fehler 1503 in Figur 9 das er findungsgemäße Verfahren näher erläutert.
In Figur 6 ist ein möglicher Fehler 1500 zwischen der automa tisch elektrisch schließbare Vorrichtung 2010 in einem
Gleichstromkreis und dem elektromechanischen Schalter 2020 aufgetreten. Der Fehler 1500 tritt somit zwischen der Ein speisung 1010 und der Sammelschiene 200 auf. Alle automatisch elektrisch schließbare Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 in einem Gleichstromkreis an den Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 und den Verbrau chern 2014; 2015; 2016 öffnen instantan. Der elektromechani sche Schalter 2020 erfährt einen negativen Fehlerstrom Ifauit und öffnet daher ebenfalls. Somit ist der Fehler innerhalb von tEMCB isoliert, der Schaltzeit der elektromechanischen Schalter. Die übrigen elektromechanischen Schalter an den Einspeisungen erfahren einen positiven Fehlerstrom Ifauit und öffnen daher nicht, genauso wie die elektromechanischen
Schalter an den Verbrauchern, die einen negativen Fehlerstrom Ifauit erfahren. Die automatisch elektrisch schließbare Vor richtung 2010 in einem Gleichstromkreis versucht verbraucher seitig die Spannung wiederherzustellen, was aber aufgrund des Fehlers 1500 nicht möglich ist, so dass die automatisch elektrisch schließbare Vorrichtung 2010 in einem Gleichstrom kreis geöffnet bleibt. Die übrigen automatisch elektrisch schließbare Vorrichtungen 2011; 2012; 2013 in einem Gleich stromkreis an den Einspeisungen können die Spannung wieder herstellen, da hier kein Fehler vorliegt. Insgesamt hat sich das elektrische Netzwerk 1000 innerhalb der Zeitspanne tEMCB + tcharge + tcharge2 + ttran wiederhergeste111 und ist innerhalb dieser Zeit wieder betriebsfähig.
In Figur 7 ist ein weiterer möglicher Fehler 1501 zwischen dem elektromechanischen Schalter 2020 und dem elektromechani schen Schalter 2021 aufgetreten. Der Fehler 1501 tritt somit an der Sammelschiene 200 auf.
Alle automatisch elektrisch schließbare Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 in einem Gleichstromkreis an den Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 und den Verbrau chern 2014; 2015; 2016 öffnen instantan, sobald der Fehler strom die Schwelle von Imst übersteigt. Die elektromechani schen Schalter 2020; 2021; 2022; 2023 einspeiseseitig (p=2) erfahren einen positiven Fehlerstrom Ifauit und öffnen daher nicht. Die verbraucherseitigen elektromechanischen Schalter erfahren einen negativen Fehlerstrom Ifauit und öffnen daher nicht. Nach dem Warten der Zeit tEMCB wird das Wiederladen der Sammelschiene 200 angestoßen, welches aufgrund des zweiten Fehlers 1501 (auf der Sammelschiene 200 selbst) nicht möglich ist. Die einspeiseseitigen elektromechanischen Schalter 2020; 2021; 2022; 2023 schließen innerhalb der Zeit 3 x tEMCB + 2 X tcharge und isolieren den Fehler 1501. Das elektrische Netzwerk 1000 bleibt wegen des Fehlers in der Sammelschiene außerbe trieb .
In Figur 8 ist ein weiterer möglicher Fehler 1502 zwischen dem elektromechanischen Schalter 2024 und der Sammelschiene 200' aufgetreten. Der Fehler 1502 tritt somit zwischen der Sammelschiene 200 und der Sammelschiene 200' auf.
Alle automatisch elektrisch schließbare Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 in einem Gleichstromkreis an den Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 und den Verbrau chern 2014; 2015; 2016 öffnen instantan, sobald der Fehler strom die Schwelle von Imst übersteigt. Die einspeiseseitigen elektromechanischen Schalter 2020; 2021; 2022; 2023 (p=2) er fahren einen positiven Fehlerstrom Ifauit und öffnen daher nicht. Gleiches gilt für den elektromechanischen Schalter 2024. Alle übrigen elektromechanischen Schalter verbraucher seitig erfahren einen negativen Fehlerstrom Ifauit und öffnen daher nicht. Nach der Wartezeit tEMCB versuchen die automa tisch elektrisch schließbaren Vorrichtungen in einem Gleich stromkreis die Spannung auf der Sammelschiene 200 wiederher zustellen, was nicht möglich ist, da der Fehler noch nicht isoliert wurde. Da der Fehler als verbraucherseitig erkannt wurde, öffnet der elektromechanische Schalter 2024, insgesamt nach einer Zeitspanne von 2 x tEMCB + tcharge und der Fehler ist isoliert. Alle einspeiseseitigen, automatisch elektrisch schließbaren Vorrichtungen in einem Gleichstromkreis können nun die Spannung auf der Sammelschiene 200 wiederherstellen und das restliche elektrische Netzwerk ist innerhalb der Zeitspanne 2 x (tEMCB + tcharge) + tCharge2 + ttran wiederherge- stellt und innerhalb dieser Zeit wieder betriebsfähig. Die verbraucherseitige automatisch elektrisch schließbare Vor richtung 2014 in einem Gleichstromkreis kann aufgrund des Fehlers 1502 nicht wieder eingeschaltet werden, sondern bleibt getrennt.
In Figur 9 ist ein weiterer möglicher Fehler 1503 zwischen der automatisch elektrisch schließbaren Vorrichtung 2014 in einem Gleichstromkreis und dem elektromechanischen Schalter 2030 aufgetreten. Der Fehler 1503 tritt somit zwischen dem Verbraucher 1052 und der Sammelschiene 200' auf.
Alle automatisch elektrisch schließbaren Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 in einem Gleichstromkreis an den Einspeisungen 1010; 1011; 1012; 1013 und den Verbrau chern 2014; 2015; 2016 öffnen instantan, sobald der Fehler strom die Schwelle von Imst übersteigt. Die einspeiseseitigen elektromechanischen Schalter 2020; 2021; 2022; 2023 (p=2) er fahren einen positiven Fehlerstrom Ifauit und öffnen daher nicht. Gleiches gilt für den elektromechanischen Schalter 2024. Der verbrauchsseitige elektromechanische Schalter 2030 (p=0) erfährt ebenfalls einen positiven Fehlerstrom Ifauit und öffnet daher. Somit ist der Fehler 1503 innerhalb der Zeit spanne tEMCB isoliert. Alle automatisch elektrisch schließba ren Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2015; 2016 in einem Gleichstromkreis versuchen nun die Spannung auf der Sammel schiene wiederherzustellen, so dass das restliche elektrische Netzwerk innerhalb der Zeitspanne tEMCB + tcharge + tCharge2 + ttran wiederhergestellt und innerhalb dieser Zeit wieder betriebs fähig ist. Die verbraucherseitige automatisch elektrisch schließbare Vorrichtung 2014 in einem Gleichstromkreis kann aufgrund des Fehlers 1503 nicht wieder eingeschaltet werden, sondern bleibt getrennt.
Anstatt der Zeitsteuerung der einzelnen Schutzeinrichtungen (automatisch elektrisch schließbare Vorrichtungen in einem Gleichstromkreis und elektromechanische Schalter) , können mittels Befehle die Schutzeinrichtungen koordiniert werden. Die Kommunikationszeit tComm kann im Bereich ms (Milli Sekun de) liegen. Dadurch lässt sich beispielsweise die Zeit bis zur Isolation des Fehlers beim Fehler 1502 (Figur 8) auf tEMCB + tcomm reduzieren und die Wiederanlaufzeit auf die Zeitspanne tEMCB + tcomm + tcharge + tcharge2 + ttran ·
In Figur 10 ist die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 zum Öffnen oder Schließen eines Gleichstromkreises mit mindestens einer Sammelschiene 200 dargestellt. Die Vor richtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 umfasst da zu einen elektrischen Schalter 110 zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises, eine Fehlerstromerkennung 120, eine Auslöseeinheit 130 und eine Vor-Ladevorrichtung 140, wobei bei Detektion eines Fehlerstroms durch die Fehlerstromerken nung 120 der elektrische Schalter 110 mittels der Auslöseein heit 130 den Gleichstromkreis öffnet und wobei die Vor- Ladevorrichtung 140 vor dem Schließen des elektrischen Schal ters 110 die Spannung auf der Sammelschiene 200 wieder her stellt. Zum automatischen Schließen ist des Weiteren bei der Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 eine Steuereinheit 150 vorgesehen, die den elektrischen Schalter 110 nach der Vorladung automatisch schließen kann.
Der elektrische Schalter 110 der Vorrichtung 2010; 2011;
2012; 2013; 2014; 2015; 2016 kann beispielsweise ein Festkör perschalter oder ein Halbleiterschalter sein. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Halbleiterschalter auf Silicon (Si) - Basis, Siliciumcarbid (SiC) - Basis oder auf Gallium nitrid (GaN) - Basis handeln.
Wie in Figur 10 dargestellt, kann die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 des Weiteren eine Einheit 180 zur Kommunikation umfassen. Diese Einheit 180 zur Kommunika tion kann Befehle von einer übergeordneten Steuereinheit er halten und/oder in einem Verteilnetzwerk 2000 angeordnete Vorrichtungen 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 koor dinieren .
Des Weiteren kann die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013;
2014; 2015; 2016 eine Steuereinheit 160 zum Unterdrücken ei ner Einschalttransiente umfassen. Beispielsweise kann die Steuereinheit 160 bei einer Einschalttransiente den hohen Einschaltström unterdrücken, um Fehlerauslösung zu vermeiden.
Die Vorrichtung 2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016 kann des Weiteren eine Messeinheit 170 zur Messung von Strom- und/oder Spannungswerten umfassen.
Die Vor-Ladevorrichtung 140 kann die Spannung auf der Sammel schiene 200 nach einer ersten Wartezeit wiederherstellen. Al ternativ stellt die Vor-Ladevorrichtung 140 die Spannung auf der Sammelschiene 200 nach Erhalt eines Befehls wieder her. Der Befehl kann über die Einheit 180 zur Kommunikation an die Vor-Ladevorrichtung 140 gegeben werden.
Die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen des
elektrischen Schalters 110 kann diesen automatisch nach einer zweiten Wartezeit schließen. Ebenso kann die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters 110 diesen nach Wiederherstellung einer Spannung auf der Sam melschiene 200 oberhalb eines Schwellwerts schließen. Dazu kann die Steuereinheit 150 zum automatischen Schließen eines elektrischen Schalters 110 von der Messeinheit 170 die Span nungswerte auf der Sammelschiene 200 erhalten.
Die unterschiedlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vor richtung 100 werden über die Stromversorgung 190 mit elektri scher Energie versorgt. Die Stromversorgung 190 kann extern oder intern ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Koordinieren eines Verteilnetzwerks (2000) unterschiedlicher Ebenen aus elektromechanischen Schal tern (2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030) und automatisch elektrisch schließbaren Vorrichtungen (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015;
2016) in einem Gleichstromkreis, wobei das Verteilnetzwerk (2000) zwischen Einspeisungen (1010; 1011; 1012; 1013) und Verbrauchern (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) an geordnet ist mit mindestens einer Sammelschiene (200), wobei die Vorrichtungen (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) jeweils umfassen
- einen elektrischen Schalter (110) zum Öffnen oder Schließen des Gleichstromkreises,
- eine Fehlerstromerkennung (120),
- eine Auslöseeinheit (130), und
- eine Vor-Ladevorrichtung (140),
wobei bei Detektion eines Fehlerstroms (Ifauit) durch die Fehlerstromerkennung (120) der elektrische Schalter (110) mittels der Auslöseeinheit (130) den
Gleichstromkreis öffnet und die Vor-Ladevorrichtung (140) vor dem Schließen des elektrischen Schalters (110) die Spannung auf der Sammelschiene (200) wiederherstellt, und wobei die Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014;
2015; 2016) eine Steuereinheit (150) zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters (110) nach der er folgreichen Vor-Ladung umfasst, mit den Schritten:
- bei einer Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) an einer Einspeisung (1010; 1011; 1012; 1013) : Setzen (401) eines Zählers (a) für die Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) auf die Nummer der Ebene (p) im Verteilnetzwerk (2000);
- Erkennen (402) mittels der Fehlerstromerkennung (120), ob ein Fehlerfall vorliegt und falls kein Fehler fall vorliegt Springen zum Erkennen (402), ob ein Fehler fall vorliegt; danach - falls ein Fehlerfall vorliegt, Bestimmen (403) , ob der Fehlerstrom (Ifauit) eine Stromschwelle (Imst) über schreitet; danach
- falls der Fehlerstrom (Ifauit) die Stromschwelle überschreitet, Öffnen (404) der Vorrichtungen (2010;
2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016); danach
- Bestimmung (405) der Richtung des Fehlerstroms (Ifauit) ; danach
- bei einer Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) an einem Verbraucher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) :
- bei positiver Richtung, Beenden (499) des Verfahrens; oder
- bei negativer Richtung, Überprüfen (450), ob die Netzspannung auf der Sammelschiene (200; 200') wie derhergestellt ist und wenn dies der Fall automatisches Schließen (412) der Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016); und danach
- Springen (402) zum Erkennen, ob ein Fehler fall vorliegt;
oder
- bei einer Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) an einer Einspeisung (1010; 1011; 1012; 1013) :
- bei negativen Richtung, Beenden (499) des Verfahrens; oder
- bei positiver Richtung, Erniedrigen (406) des Zählers (a) für die Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) um Eins; und danach
- falls der Zähler (a) für die Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) kleiner gleich Null ist (407), Beenden (499) des Verfahrens; oder
- falls der Zähler (a) für die Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) größer Null ist (407), Abwarten (408) der Abschaltzeit (tEMCß) der elektromechanischen Schalter (2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030); und danach - Laden (409) mit der Vor-Ladevorrichtung (140) zum Testen, ob der Fehler behoben ist, innerhalb von ms (tcharge, Milli Sekunden) ; und danach
- Prüfen (410), ob die Aufladung auf Seiten der Verbraucher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) mit tels der Vor-Ladevorrichtung (140) möglich ist; und ent weder :
- falls die Aufladung möglich ist, Wiederladen
(411) des Verteilnetzwerks (2000) innerhalb von einigen 10 ms (tcharge2, Milli Sekunden) , automatisches Einschalten
(412) der Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014;
2015; 2016), Unterdrücken (413) der Schalttransiente
(tträn) und Springen zum Erkennen (402), ob ein Fehlerfall vorliegt, oder
- falls die Aufladung nicht möglich ist,
Springen zum Erniedrigen (406) des Zählers (a) für die Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) um Eins .
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei einem elektromechanischen Schalter (2020; 2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030) mit den weiteren Schritten:
- Setzen (501) eines Zählers (b) für den Verbrau cher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) auf die Nummer der Ebene (p) im Verteilnetzwerk (2000); und danach
- Erkennen (502) mittels der Fehlerstromerkennung (120), ob ein Fehlerfall vorliegt und falls kein Fehler fall vorliegt Springen zum Setzen (501) des Zählers (b) ; danach
- Bestimmen (503) , ob der Fehlerstrom eine Strom schwelle (Imst) überschreitet und wenn dies der Fall ist:
- Bestimmung (504) der Richtung des Fehlerstroms (I fault) ; danach
- bei positiver Richtung, Erniedrigen (505) des Zählers (b) für den Verbraucher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) um Eins; danach
- falls der Zähler (b) für den Verbraucher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) kleiner gleich Null ist,
Öffnen (590) des elektromechanischen Schalters (2020;
2021; 2022; 2023; 2024; 2025; 2026; 2027; 2028; 2029;
2030) und Beenden (599) des Verfahrens; oder
- falls der Zähler (b) für den Verbraucher (1050;
1051; 1052; 1053; 1054; 1055) nicht kleiner gleich Null ist, Abwarten (507) der Abschaltzeit (tEMCß) der elektro mechanischen Schalter (2020; 2021; 2022; 2023; 2024;
2025; 2026; 2027; 2028; 2029; 2030) und der Ladezeit
(tcharge) der Vor-Ladevorrichtung (140); und danach
- Prüfen (508), ob die Aufladung auf Seiten der
Verbraucher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) möglich ist; und entweder:
- falls die Aufladung möglich ist, Abwarten (509) der Ladezeit (tCharge2) vor dem automatischen Schlie ßen der Vorrichtungen (2010; 2011; 2012; 2013; 2014;
2015; 2016) und Springen zum Setzen (501) des Zählers (b) für den Verbraucher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055), oder
- falls die Aufladung nicht möglich ist,
Springen zum Erniedrigen (505) des Zählers (b) für den Verbraucher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) um Eins.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Prüfung
(405; 508), ob die Aufladung auf Seiten der Verbraucher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) möglich ist, über prüft wird, ob eine vordefinierte Spannungs-Schwelle (Ures) erreicht ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Prüfung
(405; 508), ob die Aufladung auf Seiten der Verbraucher (1050; 1051; 1052; 1053; 1054; 1055) möglich ist, über prüft wird, ob eine vordefinierte Schwelle für die Span nungsänderung (du/dt) erreicht ist.
5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der elektrische Schalter (110) der mindestens einen Vorrich- tung (2010; 2011; 2012; 2013; 2014; 2015; 2016) ein Halb leiterschalter ist.
6. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013;
2014; 2015; 2016) des Weiteren eine Einheit (180) zur Kommunikation umfasst.
7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Vorrichtung (2010; 2011; 2012; 2013;
2014; 2015; 2016) des Weiteren eine Steuereinheit (160) zum Unterdrücken einer Einschalttransiente umfasst.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei der die Steuereinheit
(160) für eine Einschalttransiente einen hohen Strom bei nominaler Spannung als Einschalttransiente erzeugt.
9. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vor-Ladevorrichtung (140) die Spannung auf der Sammel schiene (200, 200') wiederherstellt nach einer ersten Wartezeit .
10. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vor-Ladevorrichtung (140) die Spannung auf der Sammelschiene (200, 200') wiederherstellt nach Erhalt ei nes Befehls.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Vor- Ladevorrichtung (140) den Befehl über die Einheit (180) zur Kommunikation erhält.
12. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (150) zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters (110) diesen automatisch nach ei ner zweiten Wartezeit schließt.
13. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (150) zum automatischen Schließen des elektrischen Schalters (110) diesen nach Wiederherstel lung einer Spannung auf der Sammelschiene (200, 200') oberhalb eines Schwellwerts schließt.
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