WO2022128219A1 - Method for protecting an electrical installation from a short circuit and measurement system for carrying out the method - Google Patents

Method for protecting an electrical installation from a short circuit and measurement system for carrying out the method Download PDF

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WO2022128219A1
WO2022128219A1 PCT/EP2021/079865 EP2021079865W WO2022128219A1 WO 2022128219 A1 WO2022128219 A1 WO 2022128219A1 EP 2021079865 W EP2021079865 W EP 2021079865W WO 2022128219 A1 WO2022128219 A1 WO 2022128219A1
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WO
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circuit
short
source
connection
switching unit
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Application number
PCT/EP2021/079865
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German (de)
French (fr)
Inventor
Tim Roesinger
Alexander SCHIES
Original Assignee
Sma Solar Technology Ag
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/006Calibration or setting of parameters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/74Testing of fuses

Definitions

  • the invention relates to a method for protecting an electrical installation against a short circuit.
  • the method should allow an improved design of safety fuses within the system, which takes into account the individual conditions of the system and their influence on any short-circuit current that may occur to a greater extent than was previously the case.
  • the invention also relates to a measuring system for carrying out the method.
  • EVN energy supply network
  • the batteries can take excess active power from the EVN, store it, and return it to the EVN in a low frequency state.
  • the storage power plants typically have an energy content of between a few MWh and 100 MWh and include a large number of battery modules as DC sources. These are electrically connected to each other using a combination of series and parallel circuits. Usually, several battery modules are electrically connected to one another in the form of a series circuit to form a so-called battery string. Several battery strings are in turn connected parallel to one another with a first busbar, a so-called string busbar, and thus form a group. Several groups of this type are in turn connected parallel to one another with their string busbars to a second busbar, a so-called group busbar, which in turn is electrically connected to an input of the inverter.
  • the immense energy content of such storage power plants can, in the event of a fault, for example in the event of a short-circuit fault in a component in the connected Inverters, quickly lead to a fault current of 500 kA to 1000 kA, which, if not interrupted in time, can cause serious damage to the inverter or other components of the storage power plant, and possibly also to people in the vicinity.
  • each battery string is usually connected to its associated string busbar via a fuse—a so-called string fuse.
  • Each string busbar is connected to the group busbar assigned to it via another fuse - a so-called group fuse.
  • electromechanical switches can also be provided.
  • the triggering behavior of a fuse is mainly characterized by its triggering current and its so-called limit load integral, also known as melting integral or Ft value. If the tripping current is exceeded, the safety fuse is heated by the current flow passing through it in such a way that it can no longer, at least not completely, dissipate the power loss transmitted by the current to the safety fuse to the environment in the form of waste heat. As a result, the fuse will heat up, melt and break the circuit.
  • the tripping current of the safety fuse acts as a kind of trigger parameter for the tripping process, with the tripping process only starting/being triggered at a current above the tripping current. If the current is below the tripping current, the fuse will not trip.
  • the fuse load limit integral is a measure of the energy required to blow the fuse. It therefore describes the dynamics of the triggering of the fuse.
  • a fast-acting fuse has a comparatively small load limit integral relative to a slow-acting fuse.
  • connection-immanent in the following, is relevant here.
  • long supply lines and their connection-immanent inductance can lead to a throttling of the rise in the short-circuit current.
  • connection-immanent in the connection has a relatively small inductance inherent in the connection, the rise in current is significantly steeper.
  • a fuse that reacts too sluggishly the current, depending on the rate of increase, may already have risen to values that damage components of the inverter and/or other components of the storage power plant before the fuse melts.
  • a fuse that reacts too quickly can lead to an undesired triggering of the fuse that is not associated with a real fault.
  • quick-reacting fuses usually also have a higher power loss during normal operation of the storage power plant, which is also undesirable.
  • the switching device comprises at least one semiconductor switch arranged in a current path, electrical measuring devices and a control device, which is designed to evaluate the measured values determined and to control the semiconductor switches. When specific measured values are recorded, the control device automatically triggers specific activations of the semiconductor switches.
  • the conditions for driving the semiconductor switches can be transmitted to the control device by means of an initiation process via a data interface.
  • fuses that are structurally identical per se can be programmed with a different tripping behavior.
  • electronic fuses of this type are usually associated with higher costs, which are disadvantageous in particular when there are a large number of fuses to be used.
  • rapid and reliable triggering of the electronic fuse depends on proper and error-free operation of the semiconductor switch. It has been shown that safety fuses, if they are selected correctly, generally operate more error-free and more reliably.
  • the publication DE 3446958 A1 discloses an arrangement for monitoring short circuits or overloads in electronic proximity switches.
  • a current detection is provided in the output circuit, which influences the current flow by switching off or limiting.
  • a query cycle for current detection has a delay time for the influence and a waiting time between two queries, the waiting time being significantly longer than the delay time, and only the length of the first delay time is selected with regard to a time constant of the line to be connected.
  • the publication DE 199 46 826 A1 describes a safety device for an electric circuit in vehicles with a safety fuse which permanently interrupts the electric circuit when the current load is above the rated current.
  • the safety device has at least one thermal heating element, which is in thermal connection with the safety fuse and additionally supplies a limited amount of heat to the safety fuse. The limited amount of heat supplied by the heating element is less than the energy required to trigger the safety fuse.
  • Document DE 19741828 A1 discloses an electrical safety switch for motor vehicles, in which a positive pole of a vehicle battery is connected to the vehicle electrical system via a fuse link. A negative pole of the vehicle battery is connected via a short-circuit actuation device to a connection of the fuse link that is on a supply line to the vehicle electrical system. If the vehicle is involved in an accident, the short-circuit actuation device uses an information transmitter to short-circuit the battery connections.
  • the publication DE 10 2017 107517 A1 discloses an electronic circuit with an electronic switch and a control circuit for controlling the electronic switch.
  • the control circuit is configured to operate in one of a first mode and a second mode based on a level of a load current of the electronic switch.
  • the control circuit is designed to generate a first protection signal based on a current-time characteristic of the load current and to control the electronic switch based on the first protection signal.
  • the invention is based on the object of specifying an improved method for protecting a system with a DC source and a DC load against a short circuit.
  • the method should allow one or more safety fuses to be designed that take into account the individual conditions of the system, in particular the connection between the DC source and the DC load, the impedance inherent in the connection and its influence on the fault current that occurs in the event of a fault.
  • the method should be able to be carried out as simply and inexpensively as possible. It is also the object of the invention to provide a measuring device suitable for carrying out the method.
  • the invention aims at a method for protecting an electrical installation against a short circuit.
  • the electrical installation comprises a DC circuit with a DC source and a DC load connected to the DC source via supply lines, the connection between the DC source and the DC load having an impedance inherent in the connection.
  • the procedure includes the steps: Bringing about a short circuit of the DC source by closing a switching unit, which is arranged between the DC source and the DC load in the DC circuit, so that the DC source has at least a portion of the connection inherent in the DC circuit that is actually present impedance is short-circuited,
  • the short-circuit current Isc can be detected via one or more current sensors arranged in the DC circuit.
  • a time profile of the short-circuit current Isc means any information that provides information about a change in the short-circuit current Isc over time.
  • the time profile can be detected by detecting one or more corresponding value pairs of the time-dependent short-circuit current Isc(t) and the time t corresponding thereto.
  • the detection of only one corresponding pair of values for short-circuit current and the corresponding time also falls under the term "detection of the time profile of the short-circuit current ISC", provided that another pair of values of short-circuit current and time that are adjacent in time can be assumed to be known.
  • the pair of values can be assumed to be known at the time when the short circuit is brought about by the closing of the switching unit. Specifically, it can correspond to the current flowing at the location of the current sensor during operation of the system. In particular, if no Power flow between DC source and DC load flows, the current when closing the switching unit is OA
  • a measuring system enables protection of an electrical installation against a short circuit.
  • the electrical system comprises a DC circuit with a DC source and a DC load connected to the DC source via supply lines, the connection between the DC source and the DC load having an impedance inherent in the connection.
  • the measuring system comprises: a switching unit which is designed to bring about a short-circuit current Isc in the closed state and to interrupt a short-circuit current Isc in the open state in the DC circuit, at least one current sensor which is designed to detect a short-circuit current Isc occurring in the closed state of the switching unit , in particular its time profile, is an evaluation unit (115) connected to the at least one current sensor, which is set up to analyze the detected short-circuit current Isc, in particular a time profile of the short-circuit current Isc, and a control unit connected to the evaluation unit for controlling the measuring system, in particular the switching unit.
  • the measuring system When installed in the DC circuit, the measuring system is designed and set up for carrying out the method according to the invention.
  • the at least one current sensor for detecting the short-circuit current Isc can comprise only one current sensor, but also a plurality of current sensors.
  • the evaluation unit and the control unit can each be present as separate and/or separate units. As an alternative to this, however, it is also possible for the control unit and the evaluation unit to be combined in the form of a common control and evaluation unit.
  • the evaluation unit can also be set up to signal a correct or incorrect design of a fuse present in the electrical system, particularly in the DC circuit of the electrical system, depending on the analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile. To this end, it can have appropriate signaling means.
  • the evaluation unit can have a communication unit or be connected to one.
  • a short circuit is brought about in a targeted manner via the switching unit on the actual electrical installation, in particular at a suitable point between the DC source and the DC load.
  • the switching unit can be installed where, for example after a risk analysis, a possible short-circuit fault can be assumed to be probable. This can also involve a number of points at which a short circuit is generated one after the other by means of the switching unit.
  • the DC source or at least a part of the DC source, drives an increasing short-circuit current Isc through the switching unit and that part of the connection-immanent impedance between the DC source and the DC load through which the switching unit with the short-circuit current Isc driving DC source is electrically connected. This results in an increase in the short-circuit current Isc over time, which is recorded by one or more current sensors.
  • the increase in the short-circuit current over time depends on the proportion of the impedance inherent in the connection between the DC source and the DC load that caused the short-circuit in the DC source. In concrete terms, this is that part of the connection-immanent impedance that is located between the DC source driving the short circuit and the switching unit.
  • the connection-immanent impedance of the connection between DC source and DC load summarizes the impedances of all components that are inherent in the connection between DC source and DC load of the actual system.
  • the impedance inherent in the connection can be represented as a series connection made up of a resistive and an inductive impedance component.
  • the short-circuit current Isc increases over time, usually exponentially, depending on the shape
  • the parameters Isc.o and T are characteristic of the DC circuit, in particular of the current short-circuit path of the DC circuit.
  • the parameter Isc.o is a theoretical maximum current that would flow in the short-circuit path in the extreme case of long times (t -> °°) if the components arranged in the short-circuit path would withstand this current load without being damaged or destroyed beforehand.
  • the value of the parameter Isc.o mainly depends on the internal resistance Ri of the DC source and the resistive impedance component R a of the connection-immanent impedance - also slightly on the ohmic resistance of the switching unit RSE causing the short-circuit. In many cases, however, the internal resistance Ri is high compared to the remaining resistive components Ra and RSE and is therefore the limiting factor in relation to the maximum short-circuit current Isc.o of the DC source.
  • the DC time constant T describes the dynamics of the increase and depends according to on the inductive impedance component L.
  • the inductive impedance component is influenced on the one hand by the length of the supply lines between the DC source and the DC load, or more precisely in the short-circuit path.
  • the inductive impedance component L is also influenced, for example, by the laying of positive and negative supply lines relative to one another. In concrete terms, for example, positive and negative supply lines that are close together have a lower inductive impedance component L than the supply lines that are otherwise of the same length but are laid further apart from one another.
  • the short-circuit current Isc is interrupted when the termination criterion is met by opening the switching unit.
  • the short-circuit current Isc is usually interrupted well before the theoretical maximum current Isc.o characterizing the equilibrium case is reached, ie at significantly lower values of the short-circuit current Isc.
  • the repeated checking of the termination criterion ensures that no component of the electrical system is damaged when the short circuit is caused.
  • the value pairs of short-circuit current Isc(t) and the corresponding time t detected during the short-circuit that was caused are analyzed.
  • the time constant T which characterizes the increase dynamics of the short-circuit current
  • T can be determined via the time profile of the short-circuit current. According to the present invention, it is not necessary to detect the lapse of time in the entire current range. Rather, it is sufficient to detect only a relatively short period of time after the short circuit was brought about.
  • the remaining time profile can be extrapolated with knowledge of the initial time profile and in particular with knowledge of the basic exponential time behavior according to Equation 1.
  • a design parameter for a fuse that is to be installed in the DC circuit, in particular in the short-circuit path can be determined from the time profile of the short-circuit current Isc. If the check reveals that a fuse installed in the electrical system is not designed correctly, the fuse installed in the system can be exchanged for a fuse with a different tripping behavior.
  • the connection of the DC source to the DC load can also be changed, and via this the inductive impedance component L of the impedance inherent in the connection can be changed.
  • the routing of the supply lines relative to one another and/or their length can be changed, which causes the inductive impedance component L to change.
  • a similar procedure can be followed if the determined design parameters of the fuse still to be installed indicate a fuse that is not available in this form.
  • the inductive impedance component L of the real electrical equipment can be modified as follows that an available backup can be used.
  • the fuse to be checked and/or the fuse still to be installed can be designed in particular as a fuse.
  • the switching unit Before the short circuit is brought about via the switching unit, individual components of the electrical system can be separated from the DC circuit. The components can remain separated from the DC circuit until the short circuit is ended again by opening the switching unit. This is possible in particular when the corresponding components do not affect the short-circuit current Isc in the DC circuit at all or only to an insignificant extent. Specifically, for example, before and during the short circuit that is brought about, the DC load can be separated from the DC circuit if the switching unit—as shown in FIGS. 1 and 5—is arranged in parallel with the DC load.
  • connection-immanent impedances present in the real electrical installation are taken into account when designing the planned fuse and/or checking the existing fuse.
  • a possibly deviating replica of an electrical system and subsequent tests under laboratory conditions are deliberately avoided.
  • This takes account of the rise behavior of the short-circuit current Isc, which varies greatly in some cases, in different electrical systems despite at least largely the same DC sources and/or DC loads.
  • the connection-immanent impedances that are actually present are included in the design/checking of the fuses, they are significantly more precise than can be achieved with a laboratory replica or a simulation calculation.
  • the fuse can be optimized both with regard to the lowest possible on-state resistance during normal operation of the electrical system and still react sufficiently quickly in the event of a short-circuit current that may occur.
  • the compromise between the two fundamentally opposing parameters "low on-state resistance” and “highly dynamic triggering behavior" of a fuse is much better possible by taking into account the actual connection-immanent impedances of the electrical system in question than using conventional laboratory tests or simulation calculations.
  • the measuring system can be produced comparatively inexpensively. It can be designed to be mobile, with a specific measurement system divided into a variety of electrical Systems installed, and can be removed again after the process has been carried out.
  • the method can be automated and carried out in a simple manner. Damage to components of the electrical system is largely ruled out, since the short-circuit caused is only brief, includes constant monitoring of the short-circuit current Isc during the short-circuit caused, and is limited in its maximum occurring short-circuit current by a timely current interruption.
  • the method according to the invention can be used to protect the electrical system against short circuits in a cost-effective and yet comparatively precise manner, which takes into account the individually present connection-immanent impedances of the individually different electrical systems.
  • the DC time constant T assigned to the DC circuit can be determined during the analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile. This can be done, for example, by determining a slope of a tangent to the time profile that describes the point in time at which the short circuit was brought about.
  • a theoretical curve of the exponential time behavior according to Equation 1 by varying the parameters that occur (here: the DC time constant T to be determined and the theoretical maximum current Isc.o) to the detected measured values in such a way that the sum of the squared errors is between the measured values and the theoretical curve becomes minimal.
  • an optimal value for a parameter that describes a triggering threshold or a triggering behavior of a fuse can also be determined during the analysis.
  • a parameter can be, for example, a tripping current and/or a limit load integral of the fuse.
  • the termination criterion can include one or more of the following events: reaching or exceeding a threshold value ITH for the short-circuit current Isc, reaching or exceeding a threshold value Atm for a period of time At that has elapsed since the switching unit was closed, reaching or exceeding a threshold value for a limit load integral i 2 tm assigned to the short-circuit current Isc.
  • the method can preferably be used in a battery storage power plant, in a photovoltaic power plant (PV power plant), or in a combined power plant (i.e. a combination of battery storage power plant and PV power plant).
  • the process can use the DC -Source include a variety of batteries and / or a variety of PV modules, which are arranged in series and / or parallel to each other.
  • the combined cycle power plant can also include fuel cells as DC sources.Furthermore, the DC load can have a DC/AC converter and/or a DC/DC converter that is unidirectional in relation to a power flow passing through it—in the case of a PV power plant—but alternatively also bidirectional—in the case of a battery storage power plant or combined cycle power plant - are operable.
  • the switching unit typically has a first connection, a second connection, a connecting line arranged between the first and the second connection and at least one switch arranged in the connecting line, for example a semiconductor switch or an electromechanical switch.
  • the switching unit can include a series connection of an actively controllable semiconductor switch and an electromechanical switch arranged in the connecting line between the first and second connection or a series connection of an actively controllable semiconductor switch and a safety fuse.
  • the switching unit can have a series connection of an electromechanical switch and a safety fuse between the first and the second connection.
  • the switching unit is able to react in a fast-switching manner (through the semiconductor switch) as well as to ensure a galvanically isolating current interruption (through the electromechanical switch or the fuse).
  • the at least one current sensor can include a large number of current sensors which are connected to the evaluation unit and which are each designed to detect a short-circuit current Isc flowing in the DC circuit, in particular a time profile of the short-circuit current Isc.
  • the measurement system can include one or more voltage sensors connected to the evaluation unit, which are each designed to detect a voltage Use prevailing in the DC circuit, in particular a time profile of the voltage Use. Since the measuring system has multiple current sensors and/or multiple voltage sensors, multiple time curves of short-circuit current Isc and/or short-circuit voltage Use can be detected simultaneously when a short-circuit occurs, for example at different points in the DC circuit. In this way, the connection-immanent impedances present in the DC circuit can be analyzed more efficiently.
  • the current sensor or one of the current sensors can be arranged in a connecting line between the first connection and the second connection of the switching unit.
  • the current sensor can be set up to detect the short-circuit current Isc flowing between the terminals of the switching unit, in particular its time profile.
  • the voltage sensor or one of the voltage sensors of the measuring system can be connected to the first connection of the switching unit on the one hand and the second connection of the switching unit on the other hand and be set up in this way to detect a voltage Use prevailing between the connections of the switching unit, in particular its time profile.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a measuring system installed in a DC circuit of an electrical installation
  • FIG. 2a shows a first embodiment of a switching unit of the measuring system from FIG. 1;
  • Fig. 2b shows a second embodiment of a switching unit of the measuring system from Fig.
  • FIG. 2c shows a third embodiment of a switching unit of the measuring system from FIG. 1 ;
  • FIG. 3 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention
  • the DC circuit 200 includes a DC source 201 (illustrated in FIG. 1 by way of example as a battery with an effective internal resistance Ri) and a DC load 210 which is connected to the DC source 201 via supply lines 203 .
  • the connection of the DC load 210 and the DC source 201 has a fuse 220 .
  • the connection between the DC load 210 and the DC source 201 can contain other components, for example isolating switches, which are not explicitly shown in FIG. 1 .
  • the connection between the DC source 201 and the DC load 210 has a connection-immanent impedance 202, which is illustrated in FIG.
  • the measuring system 100 includes a switching unit 102 with a series connection of an actively controllable semiconductor switch 103 and a further safety fuse 104, as well as a control device 101 that activates the switching unit 102.
  • the switching unit 102 is connected in the DC circuit 200 in such a way that the DC Source 201 is short-circuited in the closed state of the switching unit 102 via the connection-immanent impedance 202 and the safety fuse 220 to be checked.
  • the measurement system 100 also includes an evaluation unit connected to the control unit 101 115, a current sensor 110 for detecting a short-circuit current Isc flowing in the DC circuit, here in particular in the short-circuit path.
  • the measurement system 100 also includes a first voltage sensor 111a and a second voltage sensor 111b, each for detecting a voltage Use prevailing in the DC circuit 200 .
  • the first voltage sensor 111a is set up to detect a voltage Uma prevailing between connection terminals of the DC source 201, in particular its time profile.
  • the second voltage sensor 111b is set up to detect a voltage Un prevailing between a first connection 106 and a second connection 107 of the switching unit 102, in particular its time profile.
  • FIGS. 2a - 2c Different embodiments of the switching unit 102a - 102c, which can preferably be used in the measuring system 100, are illustrated in FIGS. 2a - 2c.
  • a first embodiment of the switching unit 102a is shown in FIG. 2a.
  • the switching unit 102a comprises a first terminal 106 and a second terminal 107.
  • an actively controllable semiconductor switch 103 for example an IGBT (insulated gate Bipolar transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) arranged.
  • a further safety fuse 104 is arranged in series with the semiconductor switch 103 and also between the terminals 106, 107.
  • the actively controllable semiconductor switch 103 is closed, while it is opened to interrupt the short-circuit current Isc.
  • the additional safety fuse 104 is dimensioned here so that it triggers when a relatively low current threshold value is reached, which is below a value for a short-circuit strength of that component that would most likely be damaged by an overcurrent in the short-circuit path. This ensures that even if the semiconductor switch 103 is operating incorrectly, none of the components in the short-circuit path will be damaged by the short-circuit that has been brought about.
  • one of the voltage sensors of the measuring system 100 - here the second voltage sensor 111b - can be connected to the connections 106, 107 of the switching unit 102 be connected and set up to detect a voltage Un prevailing between the terminals 106, 107 when the short circuit is caused.
  • one of the current sensors - in this case the second current sensor 110b - can be arranged in the connecting line between the first connection 106 and the second connection 107 and set up to detect the short-circuit current Isc flowing in the connecting line, in particular its time profile Isc, during the short circuit that has been brought about.
  • the connection shown of the current sensor 110b and the voltage sensor 111b is optionally also possible in the second and the third embodiment of the switching unit 102 .
  • the second embodiment of the switching unit 102b according to FIG. 2b is similar to the first embodiment according to FIG. To bring about the short circuit, the electromechanical switch 105 is closed if it is not already closed. After that, the semiconductor switch
  • the short-circuit current Isc is interrupted by the actively controllable semiconductor switch 103 being opened. Thereafter, the electromechanical switch 105 can, but does not have to be opened.
  • the fast-response function of the switching unit 102b is provided by the semiconductor switch 103 as in the first embodiment.
  • the electromechanical switch 105 like the further fuse 104 in the first embodiment of the switching unit 102a, provides a galvanic isolation function for the switching unit 102b.
  • the third embodiment of the switching unit 102c comprises a series connection of a further fuse 104 and an electromechanical switch 105.
  • the short circuit is brought about here by closing the electromechanical switch 105, while the short-circuit current flows through the triggering further fuse
  • the further fuse 104 provides the fast switching function of the switching unit 102c.
  • the electromechanical switch 105 is used here mainly for a redundant separation function for the short-circuit current Isc, should the additional fuse 104 not be able to withstand the forced short-circuit current Isc—for example due to an arc burning across the tripped further fuse 104 - to separate.
  • the electromechanical switch 105 can have a comparatively high current-carrying capacity and suitable means for extinguishing the arc (not explicitly shown in FIGS. 2b and 2c).
  • FIG. 3 shows a variant for operating the method according to the invention in the form of a flow chart, as can be carried out, for example, with the measuring system 100 from FIG. 1 installed in the DC circuit 200 of an electrical installation.
  • the method starts with a step A1.
  • step A2 a short circuit in DC circuit 200 is deliberately brought about by closing switching unit 102 .
  • step A2 a short-circuit path is formed in the DC circuit 200 in which the DC source 201 is short-circuited via at least part of the impedance 202 inherent in the connection and the switching unit 102 . Due to the short circuit, an increasing short circuit current Isc is generated in the short circuit path.
  • a time profile of the short-circuit current Isc(t) is now detected via the at least one current sensor 110 in step A3.
  • a time course of the voltage Uma (t) which is present between the connection terminals of the DC source 201 is detected via the first voltage sensor 111a.
  • a time course of a voltage Unib(t) prevailing between the terminals 106, 107 of the switching unit 102 is detected via the second voltage sensor 111b.
  • the fulfillment of an abort criterion is checked continuously by the evaluation unit 115 and in each case with the last detected values of the short-circuit current Isc(t).
  • the termination criterion can be reaching or exceeding a current threshold value ITH due to the increasing short-circuit current lsc(t), reaching or exceeding a time threshold value Atm, the time Atm that has elapsed since the short circuit was caused, and/or reaching or exceeding a predefined threshold value l 2 tm of a limiting load integral lsc 2 t (t) formed by means of the short-circuit current lsc(t).
  • step A3 the method jumps back to step A3. If, on the other hand, the termination criterion is met, the switching unit 102 is opened in step A5, as a result of which the short-circuit current Isc(t) is interrupted. In step A6, the detected time curve for the short-circuit current Isc(t) is analyzed, possibly also taking into account the detected time curves for the voltages Uma, Un. The aim of the analysis is to set a trigger threshold to determine the parameters characterizing the fuse 220, in which the connection-immanent impedances 202 are taken into account, as they actually exist between the DC source 201 and the DC load 210 of the electrical installation.
  • the triggering threshold characterized by the specific parameter can be compared with a triggering threshold of the fuse 220 already installed in the DC circuit 200 . In this way, a correct design of the fuse 220 can be checked and, if necessary, adjusted. Alternatively or in addition to this, it is possible to design a fuse 220 to be installed in the DC circuit 200 appropriately and as optimally as possible using the specific parameters. The method ends in step A7.
  • FIG. 4 shows a variant of an analysis using the example of a time curve for the short-circuit current Isc(t).
  • the analysis pursues the goal of determining a DC time constant T ZU characterizing the DC circuit 200—or more precisely: a DC time constant TZU that characterizes the respective short-circuit path.
  • the course illustrated in FIG. 4 reflects, by way of example, a situation in which reaching or exceeding a predefined current threshold value ITH is set as a termination criterion for measuring system 100 .
  • ITH current threshold value
  • the short-circuit current Isc reaches the predefined current threshold value ITH, which is registered by the evaluation unit 115 and the current sensor 110 connected to it.
  • the switching unit 102 is immediately opened, thereby interrupting the short-circuit current Isc.
  • FIG. 4 there are thus actually detected values for the short-circuit current Isc(t) in the region below the current threshold value ITH, which is symbolized by the solid curve section 401a over time of the short-circuit current Isc(t).
  • the curve portion 401b above the current threshold value ITH only describes a theoretical time profile of the short-circuit current Isc, which is, however, extrapolated taking into account the measured values detected below ITH.
  • Isc.o R K i. + + R K i0 0 2 + + ß K a (4) results.
  • the no-load voltage Uo and the internal resistance Ri of the DC source are usually known with sufficient accuracy from technical data sheets for the DC source 201 used.
  • the variable R102 describes the ohmic resistance of the switching unit 102 used, which is also known with sufficient accuracy from technical data sheets for the components used for the switching unit 102.
  • a fairly good approximation value can be calculated for the resistive impedance component R a taking into account the material and the geometry of the leads in the short-circuit path.
  • all variables are known in order to calculate according to Eq. 4 to calculate the maximum possible short-circuit current Isc.o in the short-circuit path. With the determined slope m of the tangent, according to Eq. 3 calculate the DC time constant T of the short-circuit path.
  • the internal resistance of the battery Ri is the current limiting factor and is large compared to the resistive impedance component R a and also the resistance of the switching unit 102, ie Ri >> R a and Ri >> R102.
  • Equation 3 simplifies to
  • the maximum short-circuit current of the DC source can also be used as a good approximation for the maximum short-circuit current in the short-circuit path, which is also known with sufficient accuracy from data sheets for the DC source. This can also be used to determine the DC time constant T of the short-circuit path from the gradient m determined for the tangent and taking into account equation (3).
  • FIG. 5 shows a battery storage power plant 300 as an electrical system, such as is used to support an energy supply network 330, for example.
  • the storage power plant is secured against a short circuit with a large number of fuses, in particular fuses.
  • a correct design of the fuses can be checked in the battery storage power plant 300 with the measuring system 100 connected therein.
  • the battery storage power plant 300 comprises, as a DC source, a multiplicity of battery modules which are connected to one another by a combination of series and parallel circuits.
  • a series connection of a plurality of battery modules forms a so-called battery string 302a.1-302a.n, 302b.1-302b. n.
  • the series connection of the battery modules is only shown in the form of a battery module.
  • the parallel connected battery strings 302a.1 - 302a. n form a first group 303a in this way.
  • a comparably constructed second group 303b with a plurality of battery strings 302b.1-302b. m is connected to another first busbar 315b.
  • Both groups 303a, 303b are connected parallel to one another to a second busbar 316—a so-called group busbar.
  • the second bus bar 316 is connected to an input of a DC/AC converter 320 as a DC load 210 .
  • the DC/AC converter 320 is connected to the power grid 330 for the exchange of electrical power and for the purpose of grid support.
  • the connecting lines between the first busbars 315a, 315b and the second busbar 316 are each overcurrent fuses 220a, 220b arranged.
  • the function of the overcurrent fuses 220a, 220b is to be checked with the measuring system 100 and, if necessary, adjusted.
  • a temporary short circuit is generated by closing the switching unit 102, which is connected here in parallel to a DC input of the DC/AC converter 320.
  • the short-circuit currents Isc flowing via the connecting lines between the first busbar 315a, 315b and the second busbar 316 are recorded with their time profiles for each group 303a, 303b via one of the current sensors 110a, 110b.
  • time profiles of voltages on the first busbars 315a, 315b by corresponding
  • a current sensor and a voltage sensor are also arranged in switching unit 102 (not explicitly shown in FIG. 5 ), which detects the short-circuit current Isc flowing through switching unit 102 and the voltage U102 dropping across switching unit 102 during the short circuit.
  • the switching unit 102 is opened again, as a result of which the short-circuit current Isc flows through the switching unit 102 and in each of the connecting lines between the first busbars 315a , 315b and the second bus bar 316 is interrupted.
  • the evaluation unit 115 analyzes the detected time curves of the detected short-circuit currents Isc and voltages and can use this to determine an optimum value for a design parameter of the fuses 220a, 220b, taking into account the impedances 202 inherent in the connection that are actually present.
  • the triggering parameters of the existing fuses 220a, 220b can be compared with the optimum value determined via the measuring system 100, whereupon the fuses 220a, 220b can be exchanged for fuses with the determined optimum value, if necessary.

Abstract

The application describes a method for protecting an installation from a short circuit. The installation comprises a DC circuit (200) comprising a DC source (201) and a DC load (210), which is connected to the DC source (201) via feed lines, wherein the connection between the DC source (201) and the DC load (210) has a connection-intrinsic impedance (202). The method comprises the following steps: - causing a short circuit of the DC source (201) by closing a switching unit (102), which is arranged in the DC circuit (200) between the DC source (201) and the DC load (210), such that the DC source (201) is short-circuited at least by means of a portion of the connection-intrinsic impedance (202) actually present in the DC circuit (200), - detecting a time profile of a short-circuit current ISC arising during the short circuit, - limiting and/or interrupting the short-circuit current ISC by opening the switching unit (102) when a termination criterion is satisfied so that damage to components of the electrical installation, in particular of the DC circuit (200), by the short-circuit current ISC is reliably prevented, and - analysing the detected short-circuit current ISC, in particular the time profile thereof, taking into account that portion of the connection-intrinsic impedance (202) between the DC source (201) and the DC load (210) by means of which the short circuit of the DC source (201) has been caused, and - checking a design of a fuse (220) present in the electrical installation, in particular in the DC circuit (200), by means of the analysis, or determining a design of a fuse (220) still to be installed in the electrical installation, in particular in the DC circuit (200), by means of the analysis. The application also describes a measurement system for carrying out the method.

Description

Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss sowie Messsystem zur Durchführung des Verfahrens Method for protecting an electrical system against a short circuit and measuring system for carrying out the method
Technisches Gebiet der Erfindung Technical field of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss. Insbesondere soll das Verfahren eine verbesserte Auslegung von Schmelzsicherungen innerhalb der Anlage erlauben, die die individuellen Gegebenheiten der Anlage und deren Einfluss auf einen eventuell entstehenden Kurzschlussstrom stärker als bisher üblich berücksichtigt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messsystem zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for protecting an electrical installation against a short circuit. In particular, the method should allow an improved design of safety fuses within the system, which takes into account the individual conditions of the system and their influence on any short-circuit current that may occur to a greater extent than was previously the case. The invention also relates to a measuring system for carrying out the method.
Stand der Technik State of the art
Zur Stützung und Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes (EVN) werden zunehmend große Speicherkraftwerke auf Basis von wiederaufladbaren Batterien und einem bidirektional betreibbaren Wechselrichter verwendet. Bei einer hohen Frequenz des EVN können die Batterien überschüssige Wirkleistung aus dem EVN entnehmen, diese Zwischenspeichern, und dem EVN in einem Zustand bei niedriger Frequenz wiederzuführen. Mittels der Batterie-Speicherkraftwerke ist es auch möglich, über den Austausch von Blindleistung stabilisierend auf eine Amplitude einer Wechselspannung in dem EVN einzuwirken. Large storage power plants based on rechargeable batteries and an inverter that can be operated in both directions are increasingly being used to support and stabilize an energy supply network (EVN). At a high frequency of the EVN, the batteries can take excess active power from the EVN, store it, and return it to the EVN in a low frequency state. Using the battery storage power plants, it is also possible to have a stabilizing effect on an amplitude of an AC voltage in the EVN by exchanging reactive power.
Die Speicherkraftwerke weisen typischerweise einen Energiegehalt zwischen einigen MWh - 100 MWh auf und umfassen als DC-Quellen eine Vielzahl von Batteriemodulen. Diese sind mittels einer Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden. Üblicherweise werden dabei mehrere Batteriemodule in Form einer Reihenschaltung zu einem sogenannten Batterie-String elektrisch miteinander verbunden. Mehrere Batterie-Strings sind wiederum parallel zueinander mit einer ersten Sammelschiene, einer sogenannten String-Sammelschiene, verbunden und bilden so eine Gruppe aus. Mehrere derartige Gruppen sind mit deren String-Sammelschienen wiederum parallel zueinander mit einer zweiten Sammelschiene, einer sogenannten Gruppen-Sammelschiene verbunden, die ihrerseits elektrisch mit einem Eingang des Wechselrichters verbunden ist. The storage power plants typically have an energy content of between a few MWh and 100 MWh and include a large number of battery modules as DC sources. These are electrically connected to each other using a combination of series and parallel circuits. Usually, several battery modules are electrically connected to one another in the form of a series circuit to form a so-called battery string. Several battery strings are in turn connected parallel to one another with a first busbar, a so-called string busbar, and thus form a group. Several groups of this type are in turn connected parallel to one another with their string busbars to a second busbar, a so-called group busbar, which in turn is electrically connected to an input of the inverter.
Der immense Energiegehalt derartiger Speicherkraftwerke kann in einem Fehlerfall, z.B. bei einem Kurzschlussfehler einer Komponente in dem angeschlossenen Wechselrichter, schnell zu einem Fehlerstrom von 500 kA bis 1000 kA führen, der, wenn er nicht rechtzeitig unterbrochen wird, großen Schaden an dem Wechselrichter oder weiteren Komponenten des Speicherkraftwerks, ggf. auch an in der Nähe befindlichen Personen führen kann. The immense energy content of such storage power plants can, in the event of a fault, for example in the event of a short-circuit fault in a component in the connected Inverters, quickly lead to a fault current of 500 kA to 1000 kA, which, if not interrupted in time, can cause serious damage to the inverter or other components of the storage power plant, and possibly also to people in the vicinity.
Um bei einem Fehlerfall den entstehenden Schaden zu minimieren und/oder zu verhindern, wird die Verbindung zwischen den Batterien und dem Wechselrichter über eine Vielzahl von Schmelzsicherungen abgesichert. Konkret ist üblicherweise jeder Batterie-String über eine Schmelzsicherung - eine sogenannte Stringsicherung - mit seiner zugeordneten String-Sammelschiene verbunden. Jede String-Sammelschiene ist nochmals über eine weitere Schmelzsicherung - eine sogenannte Gruppensicherung - mit der ihr zugeordneten Gruppen-Sammelschiene verbunden. Zusätzlich zu den Schmelzsicherungen können noch elektromechanische Schalter vorgesehen sein. In order to minimize and/or prevent the damage that occurs in the event of a fault, the connection between the batteries and the inverter is protected by a large number of fuses. Specifically, each battery string is usually connected to its associated string busbar via a fuse—a so-called string fuse. Each string busbar is connected to the group busbar assigned to it via another fuse - a so-called group fuse. In addition to the safety fuses, electromechanical switches can also be provided.
Die Auslöseverhalten einer Schmelzsicherung wird hauptsächlich über ihren Auslösestrom und ihr sogenanntes Grenzlastintegral, auch Schmelzintegral oder Ft- Wert genannt, charakterisiert. Bei Überschreiten des Auslösestroms wird die Schmelzsicherung über den durch sie hindurchtretenden Stromfluss derart erwärmt, dass sie die durch den Strom auf die Schmelzsicherung übertragene Verlustleistung nicht mehr, zumindest nicht mehr vollständig in Form von Abwärme an die Umgebung abgeben kann. Infolgedessen erwärmt sich die Schmelzsicherung, schmilzt auf und unterbricht den Stromkreis. Der Auslösestrom der Schmelzsicherung wirkt quasi als ein Triggerparameter für den Auslöseprozess, wobei der Auslöseprozess erst bei einem Strom oberhalb des Auslösestroms einsetzt / getriggert wird. Bei einem Strom unterhalb des Auslösestroms erfolgt kein Auslösen der Sicherung. Das Grenzlastintegral der Sicherung ist ein Maß für die Energie, die für das Auslösen der Sicherung erforderlich ist. Es beschreibt daher die Dynamik des Auslösens der Sicherung. So hat eine flink auslösende Sicherung ein vergleichsweise kleines Grenzlastintegral relativ zu einer träge auslösenden Sicherung. The triggering behavior of a fuse is mainly characterized by its triggering current and its so-called limit load integral, also known as melting integral or Ft value. If the tripping current is exceeded, the safety fuse is heated by the current flow passing through it in such a way that it can no longer, at least not completely, dissipate the power loss transmitted by the current to the safety fuse to the environment in the form of waste heat. As a result, the fuse will heat up, melt and break the circuit. The tripping current of the safety fuse acts as a kind of trigger parameter for the tripping process, with the tripping process only starting/being triggered at a current above the tripping current. If the current is below the tripping current, the fuse will not trip. The fuse load limit integral is a measure of the energy required to blow the fuse. It therefore describes the dynamics of the triggering of the fuse. A fast-acting fuse has a comparatively small load limit integral relative to a slow-acting fuse.
Bei den in Frage stehenden Batterie-Speicherkraftwerken wird ein Anstiegsverhalten eines Kurzschlussstroms signifikant über die individuell vorliegende elektrische Verbindung zwischen den Batterie-Modulen als DC-Quelle und dem Wechselrichter als DC-Last beeinflusst. Relevant ist hier insbesondere eine der Verbindung innewohnende, im Folgenden auch als verbindungsimmanent bezeichnete, Impedanz. Beispielsweise können lange Zuleitungen und deren verbindungsimmanente Induktivität zu einer Drosselung im Anstieg des Kurzschlussstroms führen. Weist hingegen die Verbindung eine relativ kleine verbindungsimmanente Induktivität auf, so ist der Stromanstieg deutlich steiler. Wird nun beispielsweise eine zu träge reagierende Sicherung eingesetzt, so kann der Strom je nach Anstiegsgeschwindigkeit bis zum Aufschmelzen der Sicherung schon auf Werte angestiegen sein, die Komponenten des Wechselrichters und/oder andere Komponenten des Speicherkraftwerks beschädigen. Eine zu flink reagierende Schmelzsicherung kann zu einem unerwünschten, nicht mit einem realen Fehlerfall verbundenen Auslösen der Schmelzsicherung führen. Hingegen haben flink reagierende Sicherungen üblicherweise auch eine höhere Verlustleistung im normalen Betrieb des Speicherkraftwerks, was ebenfalls unerwünscht ist. In the battery storage power plants in question, the rise behavior of a short-circuit current is significantly influenced by the individual electrical connection between the battery modules as the DC source and the inverter as the DC load. In particular, an impedance inherent in the connection, also referred to as connection-immanent in the following, is relevant here. For example, long supply lines and their connection-immanent inductance can lead to a throttling of the rise in the short-circuit current. If, on the other hand, the connection has a relatively small inductance inherent in the connection, the rise in current is significantly steeper. If, for example, a fuse that reacts too sluggishly is used, the current, depending on the rate of increase, may already have risen to values that damage components of the inverter and/or other components of the storage power plant before the fuse melts. A fuse that reacts too quickly can lead to an undesired triggering of the fuse that is not associated with a real fault. On the other hand, quick-reacting fuses usually also have a higher power loss during normal operation of the storage power plant, which is also undesirable.
Für eine korrekte Auslegung der Schmelzsicherungen zur Absicherung des Speicherkraftwerkes gegen einen Kurzschluss ist es daher wünschenswert, das transiente Verhalten eines in einem Fehlerfall entstehenden Kurzschlussstroms möglichst gut zu kennen. Herkömmlicherweise wird dies derzeit über Berechnungen abgeschätzt, in die beispielsweise die auch real vorhandenen Zuleitungslängen zwischen DC-Quelle und DC-Last eingehen. Die Abschätzung ist jedoch teilweise mit einer hohen Ungenauigkeit verbunden. Alternativ oder kumulativ dazu können Laborversuche zum Kurzschlussverhalten einer geplanten Anlage durchgeführt werden. Der Laboraufbau entspricht jedoch nicht zu 100% dem auch real vorliegenden Aufbau der Anlage, weswegen die in dem Laborversuch erzielten Ergebnisse nicht unmittelbar übertragbar sind auf die zukünftige real vorliegende Anlage. In order to correctly design the fuses to protect the storage power plant against a short circuit, it is therefore desirable to know as well as possible the transient behavior of a short circuit current that occurs in the event of a fault. Conventionally, this is currently estimated using calculations that include, for example, the actual cable lengths between the DC source and the DC load. However, the estimation is partly associated with a high degree of inaccuracy. Alternatively or in addition to this, laboratory tests on the short-circuit behavior of a planned system can be carried out. However, the laboratory setup does not correspond 100% to the real setup of the system, which is why the results obtained in the laboratory test cannot be directly transferred to the future real system.
Aus der Druckschrift WO 2018185051 A1 ist eine als elektronische Sicherung operierende elektrische Schalteinrichtung bekannt. Die Schalteinrichtung umfasst mindestens einen in einem Stromweg angeordneten Halbleiterschalter, elektrische Messeinrichtungen und eine Steuereinrichtung, die zur Auswertung der ermittelten Messwerte und zur Ansteuerung der Halbleiterschalter ausgebildet ist. Bei Erfassung bestimmter Messwerte bewirkt die Steuereinrichtung selbsttätig bestimmte Ansteuerungen der Halbleiterschalter. Die Bedingungen zur Ansteuerung der Halbleiterschalter sind mittels eines Initiierungsvorgangs über eine Datenschnittstelle an die Steuereinrichtung übermittelbar. Auf diese Weise können an sich baugleiche Sicherungen mit einem unterschiedlichen Auslöseverhalten programmiert werden. Derartige elektronische Sicherungen sind jedoch üblicherweise mit höheren Kosten verbunden, die insbesondere bei einer Vielzahl einzusetzender Sicherungen nachteilig sind. Zudem hängt das schnelle und zuverlässige Auslösen der elektronischen Sicherung von einem ordnungsgemäßen und fehlerfreien Betrieb des Halbleiterschalters ab. Es hat sich gezeigt, dass hier Schmelzsicherungen, sofern sie korrekt ausgewählt sind, prinzipiell fehlerfreier bzw. zuverlässiger operieren. An electrical switching device operating as an electronic fuse is known from the publication WO 2018185051 A1. The switching device comprises at least one semiconductor switch arranged in a current path, electrical measuring devices and a control device, which is designed to evaluate the measured values determined and to control the semiconductor switches. When specific measured values are recorded, the control device automatically triggers specific activations of the semiconductor switches. The conditions for driving the semiconductor switches can be transmitted to the control device by means of an initiation process via a data interface. In this way, fuses that are structurally identical per se can be programmed with a different tripping behavior. However, electronic fuses of this type are usually associated with higher costs, which are disadvantageous in particular when there are a large number of fuses to be used. In addition, rapid and reliable triggering of the electronic fuse depends on proper and error-free operation of the semiconductor switch. It has been shown that safety fuses, if they are selected correctly, generally operate more error-free and more reliably.
Die Druckschrift DE 3446958 A1 offenbart eine Anordnung zur Kurzschluss- bzw. Überlastüberwachung bei elektronischen Näherungsschaltern. Dabei ist eine Stromerfassung im Ausgangskreis vorgesehen, die den Stromfluss durch Abschalten oder Begrenzen beeinflusst. Ein Abfragezyklus für die Stromerfassung weist eine Verzögerungszeit für die Beeinflussung und eine Wartezeit zwischen zwei Abfragen auf, wobei die Wartezeit wesentlich größer als die Verzögerungszeit ist, und lediglich die Länge der ersten Verzögerungszeit im Hinblick auf eine Zeitkonstante der anzuschließenden Leitung gewählt ist. The publication DE 3446958 A1 discloses an arrangement for monitoring short circuits or overloads in electronic proximity switches. A current detection is provided in the output circuit, which influences the current flow by switching off or limiting. A query cycle for current detection has a delay time for the influence and a waiting time between two queries, the waiting time being significantly longer than the delay time, and only the length of the first delay time is selected with regard to a time constant of the line to be connected.
Die Druckschrift DE 199 46 826 A1 beschreibt eine Sicherungsvorrichtung für einen Stromkreis in Fahrzeugen mit einer Schmelzsicherung, die bei einer über dem Nennstrom liegenden Strombelastung den Stromkreis bleibend unterbricht. Die Sicherungsvorrichtung weist mindestens ein thermisches Heizelement auf, das mit der Schmelzsicherung in thermischer Verbindung steht und der Schmelzsicherung zusätzlich eine begrenzte Wärmemenge zuführt. Dabei ist die zugeführte begrenzte Wärmemenge des Heizelementes geringer als die zur Auslösung der Schmelzsicherung benötigte Energie. The publication DE 199 46 826 A1 describes a safety device for an electric circuit in vehicles with a safety fuse which permanently interrupts the electric circuit when the current load is above the rated current. The safety device has at least one thermal heating element, which is in thermal connection with the safety fuse and additionally supplies a limited amount of heat to the safety fuse. The limited amount of heat supplied by the heating element is less than the energy required to trigger the safety fuse.
Die Druckschrift DE 19741828 A1 offenbart einen elektrischen Sicherheitsschalter für Kraftfahrzeuge, bei dem ein Pluspol einer Fahrzeugbatterie über einen Sicherungseinsatz mit dem Bordnetz verbunden ist. Ein Minuspol der Fahrzeugbatterie ist über eine Kurzschluss-Betätigungseinrichtung mit einem an einer Versorgungsleitung zum Bordnetz liegenden Anschluss des Sicherungseinsatzes verbunden. Bei einem Unfall des Fahrzeugs verursacht die Kurzschluss- Betätigungseinrichtung über einen Informationsgeber ein Kurzschließen der Batterieanschlüsse. Document DE 19741828 A1 discloses an electrical safety switch for motor vehicles, in which a positive pole of a vehicle battery is connected to the vehicle electrical system via a fuse link. A negative pole of the vehicle battery is connected via a short-circuit actuation device to a connection of the fuse link that is on a supply line to the vehicle electrical system. If the vehicle is involved in an accident, the short-circuit actuation device uses an information transmitter to short-circuit the battery connections.
Die Druckschrift DE 10 2017 107517 A1 offenbart eine elektronische Schaltung mit einem elektronischen Schalter und eine Steuerschaltung zur Ansteuerung des elektronischen Schalters. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, basierend auf einem Pegel eines Laststroms des elektronischen Schalters in einer von einer ersten Betriebsart und einer zweiten Betriebsart zu arbeiten. Dabei ist die Steuerschaltung in der ersten Betriebsart dazu ausgebildet, ein erstes Schutzsignal basierend auf einer Strom-Zeit-Charakteristik des Laststroms zu erzeugen und den elektronischen Schalter basierend auf dem ersten Schutzsignal anzusteuern. The publication DE 10 2017 107517 A1 discloses an electronic circuit with an electronic switch and a control circuit for controlling the electronic switch. The control circuit is configured to operate in one of a first mode and a second mode based on a level of a load current of the electronic switch. In the first operating mode, the control circuit is designed to generate a first protection signal based on a current-time characteristic of the load current and to control the electronic switch based on the first protection signal.
Aufgabe der Erfindung object of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Absicherung einer Anlage mit einer DC-Quelle und einer DC-Last gegen einen Kurzschluss anzugeben. Konkret soll das Verfahren eine Auslegung von einer oder mehreren Schmelzsicherungen erlauben, die die individuellen Gegebenheiten der Anlage, insbesondere der Verbindung der DC-Quelle mit der DC-Last innewohnende verbindungsimmanente Impedanz und deren Einfluss auf den in einem Fehlerfall entstehenden Fehlerstrom berücksichtigt. Dabei soll das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchführbar sein. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Messeinrichtung aufzuzeigen. The invention is based on the object of specifying an improved method for protecting a system with a DC source and a DC load against a short circuit. In concrete terms, the method should allow one or more safety fuses to be designed that take into account the individual conditions of the system, in particular the connection between the DC source and the DC load, the impedance inherent in the connection and its influence on the fault current that occurs in the event of a fault. The method should be able to be carried out as simply and inexpensively as possible. It is also the object of the invention to provide a measuring device suitable for carrying out the method.
Lösung solution
Die Aufgabe, ein Verfahren zur Absicherung einer Anlage gegen einen Kurzschluss aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Messsystem aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 wiedergegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 6 bis 11 genannt. The object of demonstrating a method for protecting a system against a short circuit is achieved according to the invention with the features of independent patent claim 1 . The object of demonstrating a measuring system suitable for carrying out the method is achieved according to the invention with the features of independent claim 5 . Advantageous embodiments of the method are set out in claims 2 to 4. Claims 6 to 11 specify advantageous embodiments of the device.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Die Erfindung zielt auf ein Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss. Die elektrische Anlage umfasst einen DC-Kreis mit einer DC- Quelle und einer über Zuleitungen mit der DC-Quelle verbundenen DC-Last, wobei die Verbindung zwischen der DC-Quelle und der DC-Last eine verbindungsimmanente Impedanz aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte: Herbeiführen eines Kurzschlusses der DC-Quelle durch Schließen einer Schalteinheit, die zwischen der DC-Quelle und der DC-Last in dem DC-Kreis angeordnet ist, so dass die DC-Quelle zumindest über einen Anteil der in dem DC- Kreis real vorhandenen verbindungsimmanenten Impedanz kurzgeschlossen wird,The invention aims at a method for protecting an electrical installation against a short circuit. The electrical installation comprises a DC circuit with a DC source and a DC load connected to the DC source via supply lines, the connection between the DC source and the DC load having an impedance inherent in the connection. The procedure includes the steps: Bringing about a short circuit of the DC source by closing a switching unit, which is arranged between the DC source and the DC load in the DC circuit, so that the DC source has at least a portion of the connection inherent in the DC circuit that is actually present impedance is short-circuited,
Detektion eines bei dem Kurzschluss entstehenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms Isc, Detection of a short-circuit current Isc occurring during the short-circuit, in particular a time profile of the short-circuit current Isc,
Begrenzung und/oder Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc durch Öffnen der Schalteinheit bei Erfüllung eines Abbruchkriteriums, so dass eine Beschädigung von Komponenten der elektrischen Anlage, insbesondere des DC-Kreises durch den Kurzschlussstrom Isc sicher verhindert wird, und Limiting and/or interrupting the short-circuit current Isc by opening the switching unit when a termination criterion is met, so that damage to components of the electrical system, in particular the DC circuit, is reliably prevented by the short-circuit current Isc, and
Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes unter Berücksichtigung zumindest desjenigen Anteils der verbindungsimmanenten Impedanz zwischen der DC-Quelle und der DC-Last, über den der Kurzschluss der DC-Quelle herbeigeführt wurde, und Analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile, taking into account at least that part of the connection-immanent impedance between the DC source and the DC load, via which the short circuit of the DC source was brought about, and
Überprüfung einer Auslegung einer in der elektrischen Anlage, insbesondere in dem DC-Kreis vorhandenen Sicherung mittels der Analyse, oder Bestimmung einer Auslegung einer in die elektrischen Anlage, insbesondere in den DC-Kreis noch einzubauenden Sicherung mittels der Analyse. Checking a design of a fuse present in the electrical system, in particular in the DC circuit, using the analysis, or determining a design of a fuse still to be installed in the electrical system, in particular in the DC circuit, using the analysis.
Die Detektion des Kurzschlussstroms Isc kann über einen oder mehrere in dem DC- Kreis angeordnete Stromsensoren erfolgen. Mit einem Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc ist jegliche Information gemeint, die eine Aussage über eine zeitliche Änderung des Kurzschlussstroms Isc liefert. Insbesondere kann die Detektion des Zeitverlaufes über die Detektion eines oder mehrerer korrespondierender Wertepaare des zeitabhängigen Kurzschlussstroms lsc(t) und der dazu jeweils korrespondierenden Zeit t erfolgen. Im Rahmen der Erfindung fällt auch die Detektion lediglich eines korrespondierenden Wertepaares von Kurzschlussstrom und der dazu korrespondierenden Zeit unter den Begriff „Detektion des Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms ISC“, sofern ein anderes zeitlich benachbartes korrespondierendes Wertepaar von Kurzschlussstrom und Zeit als bekannt vorausgesetzt werden kann. Beispielsweise kann das Wertepaar zum Zeitpunkt des Herbeiführens des Kurzschlusses durch das Schließen der Schalteinheit als bekannt vorausgesetzt werden. Konkret kann es dem gerade im Betrieb der Anlage am Ort des Stromsensors fließenden Strom entsprechen. Insbesondere kann dann, wenn kein Leistungsfluss zwischen DC-Quelle und DC-Last fließt, der Strom beim Schließen der Schalteinheit OA betragen The short-circuit current Isc can be detected via one or more current sensors arranged in the DC circuit. A time profile of the short-circuit current Isc means any information that provides information about a change in the short-circuit current Isc over time. In particular, the time profile can be detected by detecting one or more corresponding value pairs of the time-dependent short-circuit current Isc(t) and the time t corresponding thereto. Within the scope of the invention, the detection of only one corresponding pair of values for short-circuit current and the corresponding time also falls under the term "detection of the time profile of the short-circuit current ISC", provided that another pair of values of short-circuit current and time that are adjacent in time can be assumed to be known. For example, the pair of values can be assumed to be known at the time when the short circuit is brought about by the closing of the switching unit. Specifically, it can correspond to the current flowing at the location of the current sensor during operation of the system. In particular, if no Power flow between DC source and DC load flows, the current when closing the switching unit is OA
Ein erfindungsgemäßes Messsystem ermöglicht eine Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss. Dabei umfasst die elektrische Anlage einen DC- Kreis mit einer DC-Quelle und eine über Zuleitungen mit der DC-Quelle verbundene DC-Last, wobei die Verbindung zwischen der DC-Quelle und der DC-Last eine verbindungsimmanente Impedanz aufweist. Das Messsystem umfasst: eine Schalteinheit, die im geschlossenen Zustand zur Herbeiführung eines Kurzschlussstroms Isc und im geöffneten Zustand zur Unterbrechung eines Kurzschlussstroms Isc in dem DC-Kreis ausgelegt ist, zumindest einen Stromsensor, der zur Detektion eines in dem geschlossenen Zustand der Schalteinheit entstehenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, ausgelegt ist eine mit dem zumindest einen Stromsensor verbundene Auswerteeinheit (115), die zur Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms Isc, eingerichtet ist, und eine mit der Auswerteeinheit verbundene Steuerungseinheit zur Steuerung des Messsystems, insbesondere der Schalteinheit. Das Messsystem ist in einem in den DC-Kreis eingebauten Zustand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und eingerichtet. A measuring system according to the invention enables protection of an electrical installation against a short circuit. In this case, the electrical system comprises a DC circuit with a DC source and a DC load connected to the DC source via supply lines, the connection between the DC source and the DC load having an impedance inherent in the connection. The measuring system comprises: a switching unit which is designed to bring about a short-circuit current Isc in the closed state and to interrupt a short-circuit current Isc in the open state in the DC circuit, at least one current sensor which is designed to detect a short-circuit current Isc occurring in the closed state of the switching unit , in particular its time profile, is an evaluation unit (115) connected to the at least one current sensor, which is set up to analyze the detected short-circuit current Isc, in particular a time profile of the short-circuit current Isc, and a control unit connected to the evaluation unit for controlling the measuring system, in particular the switching unit. When installed in the DC circuit, the measuring system is designed and set up for carrying out the method according to the invention.
Der zumindest eine Stromsensor zur Detektion des Kurzschlussstroms Isc kann lediglich einen, aber auch mehrere Stromsensoren umfassen. Die Auswerteeinheit und die Steuerungseinheit können als jeweils separate und/oder getrennte Einheiten vorliegen. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die Steuerungseinheit und die Auswerteeinheit in Form einer gemeinsamen Steuerungs- und Auswerteeinheit zusammengefasst vorliegen. Die Auswerteeinheit kann zusätzlich eingerichtet sein, abhängig von der Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, eine korrekte oder inkorrekte Auslegung einer in der elektrischen Anlage, insbesondere in dem DC-Kreis der elektrischen Anlage vorhandenen Sicherung zu signalisieren. Hierzu kann sie entsprechende Mittel zur Signalisierung aufweisen. Alternativ oder kumulativ dazu kann sie eingerichtet sein, einen oder mehrere Auslegungsparameter einer in die elektrische Anlage, insbesondere einer in den DC-Kreis der elektrischen Anlage noch einzubauenden Sicherung zu bestimmen und auszugeben. Zur Ausgabe der Auslegungsparameter kann die Auswerteeinheit eine Kommunikationseinheit aufweisen oder mit einer solchen verbunden sein. The at least one current sensor for detecting the short-circuit current Isc can comprise only one current sensor, but also a plurality of current sensors. The evaluation unit and the control unit can each be present as separate and/or separate units. As an alternative to this, however, it is also possible for the control unit and the evaluation unit to be combined in the form of a common control and evaluation unit. The evaluation unit can also be set up to signal a correct or incorrect design of a fuse present in the electrical system, particularly in the DC circuit of the electrical system, depending on the analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile. To this end, it can have appropriate signaling means. Alternatively or in addition to this, it can be set up to incorporate one or more design parameters into the electrical system, in particular into to determine and output the fuse still to be installed in the DC circuit of the electrical system. To output the design parameters, the evaluation unit can have a communication unit or be connected to one.
Im Rahmen der Erfindung wird über die Schalteinheit an der real vorliegenden elektrischen Anlage, insbesondere an einer geeigneten Stelle zwischen der DC-Quelle und der DC-Last, gezielt ein Kurzschluss herbeigeführt. Dabei kann die Schalteinheit dort eingebracht werden, wo beispielsweise nach einer Risiko-Analyse ein möglicher Kurzschlussfehler als wahrscheinlich angenommen werden kann. Hierbei kann es sich auch um mehrere Stellen handeln, an denen nacheinander mittels der Schalteinheit jeweils ein Kurzschluss erzeugt wird. Bei dem erzwungenen Kurzschluss treibt die DC- Quelle, oder zumindest ein Teil der DC-Quelle, einen ansteigenden Kurzschlussstrom Isc durch die Schalteinheit und denjenigen Teil der verbindungsimmanenten Impedanz zwischen DC-Quelle und DC-Last, über den die Schalteinheit mit der den Kurzschlussstrom Isc treibenden DC-Quelle elektrisch verbunden ist. Hieraus resultiert zeitlicher Anstieg des Kurzschlussstroms Isc, der über einen oder mehrere Stromsensoren erfasst wird. Within the scope of the invention, a short circuit is brought about in a targeted manner via the switching unit on the actual electrical installation, in particular at a suitable point between the DC source and the DC load. In this case, the switching unit can be installed where, for example after a risk analysis, a possible short-circuit fault can be assumed to be probable. This can also involve a number of points at which a short circuit is generated one after the other by means of the switching unit. In the forced short-circuit, the DC source, or at least a part of the DC source, drives an increasing short-circuit current Isc through the switching unit and that part of the connection-immanent impedance between the DC source and the DC load through which the switching unit with the short-circuit current Isc driving DC source is electrically connected. This results in an increase in the short-circuit current Isc over time, which is recorded by one or more current sensors.
Der zeitliche Anstieg des Kurzschlussstroms ist von dem Anteil der verbindungsimmanenten Impedanz zwischen DC-Quelle und DC-Last abhängig, über den der Kurzschluss der DC-Quelle herbeigeführt wurde. Konkret ist das derjenige Anteil der verbindungsimmanenten Impedanz, der sich zwischen der den Kurzschluss treibenden DC-Quelle und der Schalteinheit befindet. Unter der verbindungsimmanenten Impedanz der Verbindung zwischen DC-Quelle und DC-Last sind die Impedanzen aller Komponenten zusammengefasst, die der Verbindung zwischen DC-Quelle und DC-Last der real vorliegenden Anlage inhärent sind. The increase in the short-circuit current over time depends on the proportion of the impedance inherent in the connection between the DC source and the DC load that caused the short-circuit in the DC source. In concrete terms, this is that part of the connection-immanent impedance that is located between the DC source driving the short circuit and the switching unit. The connection-immanent impedance of the connection between DC source and DC load summarizes the impedances of all components that are inherent in the connection between DC source and DC load of the actual system.
Wie auch in Verbindung mit Fig. 1 und Fig. 2 näher erläutert, lässt sich die verbindungsimmanente Impedanz als eine Reihenschaltung aus einer resistiven und einer induktiven Impedanzkomponente darstellen. Der zeitliche Anstieg des Kurzschlussstroms Isc erfolgt bei einer Herbeiführung des Kurzschlusses üblicherweise exponentiell gemäß einer Abhängigkeit der Form
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Dabei sind die Parameter Isc.o und T für den DC-Kreis, insbesondere den aktuell vorliegenden Kurzschlusspfad des DC-Kreises charakteristisch. Konkret ist der Parameter Isc.o ein theoretischer Maximalstrom, der im Grenzfall großer Zeiten (t -> °°) in dem Kurzschlusspfad fließen würde, falls die in dem Kurzschlusspfad angeordneten Komponenten dieser Strombelastung standhalten würden, ohne zuvor beschädigt oder zerstört zu werden. Der Wert des Parameters Isc.o hängt hauptsächlich von dem Innenwiderstand Ri der DC-Quelle und der resistiven Impedanzkomponente Ra der verbindungsimmanenten Impedanz - geringfügig auch von dem ohmschen Widerstand der den Kurzschluss herbeiführenden Schalteinheit RSE - ab. In vielen Fällen ist jedoch der Innenwiderstand Ri groß gegen die restlichen resistiven Anteile Ra und RSE und daher in Bezug auf den maximalen Kurzschlussstrom Isc.o der DC- Quelle der begrenzende Faktor. Die DC-Zeitkonstante T beschreibt die Dynamik des Anstiegs und hängt gemäß
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von der induktiven Impedanzkomponente L ab. Die induktive Impedanzkomponente wird einerseits durch eine Länge der Zuleitungen zwischen DC-Quelle und DC-Last, oder genauer in dem Kurzschlusspfad, beeinflusst. Konkret gilt, je kleiner die induktive Impedanzkomponente in dem Kurzschlusspfad ist, desto steiler erfolgt der zeitliche Anstieg des Kurzschlussstroms. Umgekehrt gilt, je größer die induktive Impedanzkomponente in dem Kurzschlusspfad ist, desto langsamer verläuft der zeitliche Anstieg. Andererseits wird die induktive Impedanzkomponente L beispielsweise auch durch die Verlegung positiver und negativer Zuleitungen relativ zueinander beeinflusst. Konkret haben beispielsweise eng beieinanderliegende positive und negative Zuleitungen eine geringere induktive Impedanzkomponente L als die ansonsten gleichlangen, aber weiter entfernt zueinander verlegten Zuleitungen. Dies liegt daran, dass sich ein Magnetfeld bei eng beieinander liegenden Zuleitungen in einem Außenbereich der Zuleitungen weitgehend kompensiert und nur in einem kleinen Raumbereich zwischen den Zuleitungen in signifikanter Größe ausbildet. Bei weit voneinander entfernten Zuleitungen hingegen ist die gegenseitige Kompensation gering und das Magnetfeld bildet sich um jede der positiven und negativen Zuleitung aus. In dem kurzgeschlossenen Zustand der DC-Quelle wird fortlaufend zeitlich wiederholend eine Erfüllung eines Abbruchkriteriums überprüft. Erfindungsgemäß wird dabei der Kurzschlussstrom Isc bei Erfüllung des Abbruchkriteriums durch ein Öffnen der Schalteinheit unterbrochen. Die Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc erfolgt üblicherweise deutlich vor dem Erreichen des den Gleichgewichtsfall charakterisierenden theoretischen Maxi mal Stroms Isc.o, also bei deutlich geringeren Werten des Kurzschlussstroms Isc. Über das wiederholte Überprüfen des Abbruchkriteriums ist sichergestellt, dass keine Komponente der elektrischen Anlage bei dem herbeigeführten Kurzschluss beschädigt wird.
As also explained in more detail in connection with FIGS. 1 and 2 , the impedance inherent in the connection can be represented as a series connection made up of a resistive and an inductive impedance component. When the short circuit is brought about, the short-circuit current Isc increases over time, usually exponentially, depending on the shape
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In this case, the parameters Isc.o and T are characteristic of the DC circuit, in particular of the current short-circuit path of the DC circuit. Specifically, the parameter Isc.o is a theoretical maximum current that would flow in the short-circuit path in the extreme case of long times (t -> °°) if the components arranged in the short-circuit path would withstand this current load without being damaged or destroyed beforehand. The value of the parameter Isc.o mainly depends on the internal resistance Ri of the DC source and the resistive impedance component R a of the connection-immanent impedance - also slightly on the ohmic resistance of the switching unit RSE causing the short-circuit. In many cases, however, the internal resistance Ri is high compared to the remaining resistive components Ra and RSE and is therefore the limiting factor in relation to the maximum short-circuit current Isc.o of the DC source. The DC time constant T describes the dynamics of the increase and depends according to
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on the inductive impedance component L. The inductive impedance component is influenced on the one hand by the length of the supply lines between the DC source and the DC load, or more precisely in the short-circuit path. Specifically, the smaller the inductive impedance component in the short-circuit path, the steeper the rise in the short-circuit current over time. Conversely, the greater the inductive impedance component in the short circuit path, the slower the rate of rise. On the other hand, the inductive impedance component L is also influenced, for example, by the laying of positive and negative supply lines relative to one another. In concrete terms, for example, positive and negative supply lines that are close together have a lower inductive impedance component L than the supply lines that are otherwise of the same length but are laid further apart from one another. This is due to the fact that a magnetic field is largely compensated for in an outer area of the supply lines when the supply lines are close together and is only formed to a significant extent in a small spatial area between the supply lines. On the other hand, if the leads are far apart, the mutual compensation is low and the magnetic field forms around each of the positive and negative leads. In the short-circuited state of the DC source, compliance with a termination criterion is continuously and repeatedly checked over time. According to the invention, the short-circuit current Isc is interrupted when the termination criterion is met by opening the switching unit. The short-circuit current Isc is usually interrupted well before the theoretical maximum current Isc.o characterizing the equilibrium case is reached, ie at significantly lower values of the short-circuit current Isc. The repeated checking of the termination criterion ensures that no component of the electrical system is damaged when the short circuit is caused.
Die während dem herbeigeführten Kurzschluss detektierten Wertepaare von Kurzschlussstrom lsc(t) und dazu korrespondierender Zeit t werden analysiert. Über den Zeitverlauf des Kurzschlussstroms lässt sich beispielsweise die Zeitkonstante T ermitteln, die die Anstiegsdynamik des Kurzschlussstroms charakterisiert. Erfindungsgemäß ist es nicht notwendig, den Zeitverlauf in dem gesamten Strombereich zu erfassen. Vielmehr ist es ausreichend, lediglich einen relativ kurzen Zeitabschnitt ab Herbeiführung des Kurzschlusses zu detektieren. Der restliche Zeitverlauf ist unter Kenntnis des anfänglichen Zeitverlauf und insbesondere unter Kenntnis des prinzipiellen exponentiellen Zeitverhaltens gemäß Gleichung 1 extrapolierbar. Unter Kenntnis des anfänglichen Zeitverlaufes lässt sich überprüfen, ob eine in dem DC-Kreis, insbesondere eine in dem Kurzschlusspfad eingebaute Sicherung korrekt ausgelegt ist. Gleichfalls lässt sich aus dem Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc ein Auslegungsparameter für eine Sicherung ermitteln, die in den DC-Kreis, insbesondere in den Kurzschlusspfad eingebaut werden soll. Wenn die Überprüfung ergibt, dass eine in der elektrischen Anlage verbaute Sicherung nicht korrekt ausgelegt ist, kann die in der Anlage verbaute Sicherung gegen eine Sicherung mit einem anderen Auslöseverhalten getauscht werden. Alternativ oder kumulativ dazu kann auch die Verbindung der DC-Quelle mit der DC-Last, und darüber die induktive Impedanzkomponente L der verbindungsimmanenten Impedanz geändert werden. Konkret kann beispielsweise eine Verlegung der Zuleitungen relativ zueinander und/oder deren Länge geändert werden, was eine Änderung der induktiven Impedanzkomponente L bewirkt. In ähnlicher Weise kann vorgegangen werden, wenn der ermittelte Auslegungsparameter der noch einzubauenden Sicherung eine Sicherung indiziert, die in dieser Form nicht verfügbar ist. In diesem Fall kann die induktive Impedanzkomponente L der realen elektrischen Anlage so abgeändert werden, dass eine verfügbare Sicherung verwendet werden kann. Dabei kann die zu überprüfende Sicherung und/oder die noch einzubauende Sicherung insbesondere als eine Schmelzsicherung ausgebildet sein. The value pairs of short-circuit current Isc(t) and the corresponding time t detected during the short-circuit that was caused are analyzed. For example, the time constant T, which characterizes the increase dynamics of the short-circuit current, can be determined via the time profile of the short-circuit current. According to the present invention, it is not necessary to detect the lapse of time in the entire current range. Rather, it is sufficient to detect only a relatively short period of time after the short circuit was brought about. The remaining time profile can be extrapolated with knowledge of the initial time profile and in particular with knowledge of the basic exponential time behavior according to Equation 1. Knowing the initial course of time, it is possible to check whether a fuse installed in the DC circuit, in particular a fuse installed in the short-circuit path, is designed correctly. Likewise, a design parameter for a fuse that is to be installed in the DC circuit, in particular in the short-circuit path, can be determined from the time profile of the short-circuit current Isc. If the check reveals that a fuse installed in the electrical system is not designed correctly, the fuse installed in the system can be exchanged for a fuse with a different tripping behavior. Alternatively or in addition to this, the connection of the DC source to the DC load can also be changed, and via this the inductive impedance component L of the impedance inherent in the connection can be changed. Specifically, for example, the routing of the supply lines relative to one another and/or their length can be changed, which causes the inductive impedance component L to change. A similar procedure can be followed if the determined design parameters of the fuse still to be installed indicate a fuse that is not available in this form. In this case, the inductive impedance component L of the real electrical equipment can be modified as follows that an available backup can be used. The fuse to be checked and/or the fuse still to be installed can be designed in particular as a fuse.
Vor dem Herbeiführen des Kurzschlusses über die Schalteinheit können einzelne Komponenten der elektrischen Anlage von dem DC-Kreis abgetrennt werden. Dabei können die Komponenten solange von dem DC-Kreis getrennt bleiben, bis der Kurzschluss über das Öffnen der Schalteinheit wieder beendet wird. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die entsprechenden Komponenten den Kurzschlussstrom Isc in dem DC-Kreis gar nicht, oder nur unwesentlich beeinflussen. Konkret kann beispielsweise vor und während dem herbeigeführten Kurzschluss die DC-Last von dem DC-Kreis getrennt werden, sofern die Schalteinheit - wie in Fig. 1 und Fig. 5 gezeigt - parallel zu der DC-Last angeordnet ist. Before the short circuit is brought about via the switching unit, individual components of the electrical system can be separated from the DC circuit. The components can remain separated from the DC circuit until the short circuit is ended again by opening the switching unit. This is possible in particular when the corresponding components do not affect the short-circuit current Isc in the DC circuit at all or only to an insignificant extent. Specifically, for example, before and during the short circuit that is brought about, the DC load can be separated from the DC circuit if the switching unit—as shown in FIGS. 1 and 5—is arranged in parallel with the DC load.
Erfindungsgemäß werden bei der Auslegung der geplanten Sicherung und/oder der Überprüfung der vorhandenen Sicherung die in der realen elektrischen Anlage vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen berücksichtigt. Auf einen gegebenenfalls abweichenden Nachbau einer elektrischen Anlage und daran nachgestellte Versuche unter Laborbedingungen wird bewusst verzichtet. Damit wird einem teilweise stark variierenden Anstiegsverhalten des Kurzschlussstroms Isc bei unterschiedlichen elektrischen Anlagen trotz zumindest weitgehend gleichen DC- Quellen und/oder DC-Lasten Rechnung getragen. Da die real vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen in die Auslegung / in die Überprüfung der Sicherungen einfließen, sind diese deutlich genauer, als sie mit einem Labornachbau bzw. einer Simulationsberechnung erzielbar sind. Konkret kann die Sicherung sowohl hinsichtlich eines möglichst geringen Durchlasswiderstandes im normalen Betrieb der elektrischen Anlage optimiert sein, und dennoch im Falle eines eventuell auftretenden Kurzschlussstroms ausreichend flink reagieren. So ist insbesondere der Kompromiss der beiden prinzipiell gegenläufigen Parameter „geringer Durchlasswiderstand“ und „hochdynamisches Auslöseverhalten“ einer Schmelzsicherung durch die Berücksichtigung der real vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen der in Frage stehenden elektrischen Anlage deutlich besser möglich, als unter Nutzung der herkömmlichen Laborversuche oder Simulationsberechnungen. According to the invention, the connection-immanent impedances present in the real electrical installation are taken into account when designing the planned fuse and/or checking the existing fuse. A possibly deviating replica of an electrical system and subsequent tests under laboratory conditions are deliberately avoided. This takes account of the rise behavior of the short-circuit current Isc, which varies greatly in some cases, in different electrical systems despite at least largely the same DC sources and/or DC loads. Since the connection-immanent impedances that are actually present are included in the design/checking of the fuses, they are significantly more precise than can be achieved with a laboratory replica or a simulation calculation. In concrete terms, the fuse can be optimized both with regard to the lowest possible on-state resistance during normal operation of the electrical system and still react sufficiently quickly in the event of a short-circuit current that may occur. In particular, the compromise between the two fundamentally opposing parameters "low on-state resistance" and "highly dynamic triggering behavior" of a fuse is much better possible by taking into account the actual connection-immanent impedances of the electrical system in question than using conventional laboratory tests or simulation calculations.
Das Messsystem ist vergleichsweise kostengünstig herstellbar. Es kann mobil ausgelegt sein, wobei ein bestimmtes Messsystem in eine Vielzahl von elektrischen Anlagen eingebaut, und nach Durchführung des Verfahrens wieder ausgebaut werden kann. Das Verfahren kann automatisiert und in einfacher Art und Weise durchgeführt werden. Dabei ist eine Beschädigung von Komponenten der elektrischen Anlage in hohem Masse ausgeschlossen, da der herbeigeführte Kurzschluss lediglich kurz erfolgt, eine ständige Überwachung des Kurzschlussstroms Isc während des herbeigeführten Kurzschlusses beinhaltet, und insbesondere durch eine rechtzeitige Strom Unterbrechung in seinem maximal auftretenden Kurzschlussstrom begrenzt ist. Zusammenfassend kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine kostengünstige und dennoch vergleichsweise genaue Absicherung der elektrischen Anlage gegen Kurzschluss erfolgen, die die individuell vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen der individuell unterschiedlichen elektrischen Anlagen berücksichtigt.The measuring system can be produced comparatively inexpensively. It can be designed to be mobile, with a specific measurement system divided into a variety of electrical Systems installed, and can be removed again after the process has been carried out. The method can be automated and carried out in a simple manner. Damage to components of the electrical system is largely ruled out, since the short-circuit caused is only brief, includes constant monitoring of the short-circuit current Isc during the short-circuit caused, and is limited in its maximum occurring short-circuit current by a timely current interruption. In summary, the method according to the invention can be used to protect the electrical system against short circuits in a cost-effective and yet comparatively precise manner, which takes into account the individually present connection-immanent impedances of the individually different electrical systems.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können. Advantageous refinements of the invention are specified in the following description and the dependent claims, the features of which can be used individually and in any combination with one another.
In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens kann bei der Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, die dem DC-Kreis zugeordnete DC-Zeitkonstante T bestimmt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Steigung einer Tangente an den Zeitverlauf, die den Zeitpunkt der Herbeiführung des Kurzschlusses beschreibt, bestimmt wird. Alternativ ist es möglich, eine theoretische Kurve des exponentiellen Zeitverhaltens gemäß Gleichung 1 unter Variation der auftretenden Parameter (hier: die zu ermittelnde DC-Zeitkonstante T und den theoretischen Maximalstrom Isc.o) so an die detektierten Messwerte anzupassen, dass die Summe der Fehlerquadrate zwischen den Messwerten und der theoretischen Kurve minimal wird. Alternativ oder kumulativ zur Bestimmung der Zeitkonstante kann bei der Analyse auch ein optimaler Wert für einen Parameter bestimmt werden, der eine Auslöseschwelle oder ein Auslöseverhalten einer Sicherung beschreibt. Ein derartiger Parameter kann beispielsweise ein Auslösestrom und/oder ein Grenzlastintegral der Sicherung sein. In an advantageous variant of the method, the DC time constant T assigned to the DC circuit can be determined during the analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile. This can be done, for example, by determining a slope of a tangent to the time profile that describes the point in time at which the short circuit was brought about. Alternatively, it is possible to adapt a theoretical curve of the exponential time behavior according to Equation 1 by varying the parameters that occur (here: the DC time constant T to be determined and the theoretical maximum current Isc.o) to the detected measured values in such a way that the sum of the squared errors is between the measured values and the theoretical curve becomes minimal. As an alternative or in addition to determining the time constant, an optimal value for a parameter that describes a triggering threshold or a triggering behavior of a fuse can also be determined during the analysis. Such a parameter can be, for example, a tripping current and/or a limit load integral of the fuse.
In einer Variante des Verfahrens kann das Abbruchkriterium eines oder mehrere der folgenden Ereignisse umfassen: ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes ITH für den Kurzschlussstrom Isc, ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes Atm für eine seit dem Schließen der Schalteinheit vergangene Zeitdauer At, ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes für ein dem Kurzschlussstrom Isc zugeordnetes Grenzlastintegral i2tm. In a variant of the method, the termination criterion can include one or more of the following events: reaching or exceeding a threshold value ITH for the short-circuit current Isc, reaching or exceeding a threshold value Atm for a period of time At that has elapsed since the switching unit was closed, reaching or exceeding a threshold value for a limit load integral i 2 tm assigned to the short-circuit current Isc.
Das Verfahren kann bevorzugt in einem Batterie-Speicherkraftwerk, in einem Photovoltaik- Kraftwerk (PV- Kraftwerk), oder in einem Kombi-Kraftwerk (i.e. einer Kombination aus Batterie-Speicherkraftwerk und PV-Kraftwerk - angewendet werden. Konkret kann bei dem Verfahren die DC-Quelle eine Vielzahl von Batterien und/oder eine Vielzahl von PV-Modulen umfassen, die in Serien- und/oder Parallelschaltung zueinander angeordnet sind. Zudem kann das Kombi-Kraftwerk auch Brennstoffzellen als DC-Quellen umfassen. Weiterhin kann die DC-Last einen DC/AC-Wandler und/oder einen DC/DC-Wandler umfassen, die in Bezug auf einen durch sie hindurchtretenden Leistungsfluss unidirektional - im Falle eines PV-Kraftwerks -, alternativ aber auch bidirektional - im Falle eines Batterie-Speicherkraftwerks oder Kombi-Kraftwerk - betreibbar sind. The method can preferably be used in a battery storage power plant, in a photovoltaic power plant (PV power plant), or in a combined power plant (i.e. a combination of battery storage power plant and PV power plant). Specifically, the process can use the DC -Source include a variety of batteries and / or a variety of PV modules, which are arranged in series and / or parallel to each other.In addition, the combined cycle power plant can also include fuel cells as DC sources.Furthermore, the DC load can have a DC/AC converter and/or a DC/DC converter that is unidirectional in relation to a power flow passing through it—in the case of a PV power plant—but alternatively also bidirectional—in the case of a battery storage power plant or combined cycle power plant - are operable.
Die Schalteinheit weist typischerweise einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, eine zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnete Verbindungsleitung und zumindest einen in der Verbindungsleitung angeordneten Schalter auf, beispielsweise einen Halbleiterschalter oder einen elektromechanischen Schalter. In einer Ausführungsform des Messsystems kann die Schalteinheit eine in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnete Serienschaltung eines aktiv steuerbaren Halbleiterschalters und eines elektromechanischen Schalters oder eine Serienschaltung eines aktiv steuerbaren Halbleiterschalters und einer Schmelzsicherung umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Schalteinheit zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eine Serienschaltung eines elektromechanischen Schalters und einer Schmelzsicherung aufweisen. Durch die Kombination aus Halbleiterschalter einerseits und elektromechanischem Schalter oder Schmelzsicherung andererseits ist die Schalteinheit in ihrem Betrieb in der Lage, sowohl schnellschaltend zu reagieren (durch den Halbleiterschalter) wie auch eine galvanisch trennende Strom Unterbrechung zu gewährleisten (durch den elektromechanischen Schalter oder die Schmelzsicherung). In einer Ausführungsform des Messsystems kann der zumindest eine Stromsensor eine Vielzahl von Stromsensoren umfassen, die mit der Auswerteeinheit verbunden sind, und die jeweils zur Detektion eines in dem DC-Kreis fließenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms Isc ausgelegt sind. Alternativ oder kumulativ kann das Messsystem einen oder mehrere mit der Auswerteeinheit verbundene Spannungssensoren umfassen, der/die jeweils zur Detektion einer in dem DC-Kreis herrschenden Spannung Use, insbesondere eines Zeitverlaufes der Spannung Use ausgelegt sind. Indem das Messsystem mehrere Stromsensoren und/oder mehrere Spannungssensoren aufweist, können gleichzeitig mehrere Zeitverläufe von Kurzschlussstrom Isc und/oder Kurzschlussspannung Use bei einem herbeigeführten Kurzschluss, beispielsweise an unterschiedlichen Stellen des DC-Kreises, detektiert werden. Auf diese Weise können die in dem DC-Kreis vorhandenen verbindungsimmanenten Impedanzen effizienter analysiert werden.The switching unit typically has a first connection, a second connection, a connecting line arranged between the first and the second connection and at least one switch arranged in the connecting line, for example a semiconductor switch or an electromechanical switch. In one embodiment of the measuring system, the switching unit can include a series connection of an actively controllable semiconductor switch and an electromechanical switch arranged in the connecting line between the first and second connection or a series connection of an actively controllable semiconductor switch and a safety fuse. In a further embodiment, the switching unit can have a series connection of an electromechanical switch and a safety fuse between the first and the second connection. Due to the combination of a semiconductor switch on the one hand and an electromechanical switch or fuse on the other hand, the switching unit is able to react in a fast-switching manner (through the semiconductor switch) as well as to ensure a galvanically isolating current interruption (through the electromechanical switch or the fuse). In one embodiment of the measuring system, the at least one current sensor can include a large number of current sensors which are connected to the evaluation unit and which are each designed to detect a short-circuit current Isc flowing in the DC circuit, in particular a time profile of the short-circuit current Isc. Alternatively or cumulatively, the measurement system can include one or more voltage sensors connected to the evaluation unit, which are each designed to detect a voltage Use prevailing in the DC circuit, in particular a time profile of the voltage Use. Since the measuring system has multiple current sensors and/or multiple voltage sensors, multiple time curves of short-circuit current Isc and/or short-circuit voltage Use can be detected simultaneously when a short-circuit occurs, for example at different points in the DC circuit. In this way, the connection-immanent impedances present in the DC circuit can be analyzed more efficiently.
In einer vorteilhaften Variante des Messsystems kann der Stromsensor beziehungsweise kann einer der Stromsensoren in einer Verbindungsleitung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Schalteinheit angeordnet sein. Konkret kann der Stromsensor eingerichtet sein, den zwischen den Anschlüssen der Schalteinheit fließenden Kurzschlussstrom Isc, insbesondere dessen Zeitverlauf zu detektieren. Weiterhin kann der Spannungssensor beziehungsweise kann einer der Spannungssensoren des Messsystems mit dem ersten Anschluss der Schalteinheit einerseits und dem zweiten Anschluss der Schalteinheit andererseits verbunden sein und auf diese Weise eingerichtet sein, eine zwischen den Anschlüssen der Schalteinheit herrschende Spannung Use, insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren. In an advantageous variant of the measuring system, the current sensor or one of the current sensors can be arranged in a connecting line between the first connection and the second connection of the switching unit. Specifically, the current sensor can be set up to detect the short-circuit current Isc flowing between the terminals of the switching unit, in particular its time profile. Furthermore, the voltage sensor or one of the voltage sensors of the measuring system can be connected to the first connection of the switching unit on the one hand and the second connection of the switching unit on the other hand and be set up in this way to detect a voltage Use prevailing between the connections of the switching unit, in particular its time profile.
Kurzbeschreibunq der Figuren Brief description of the characters
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigenThe invention is illustrated below with the aid of figures. From these show
Fig. 1 eine Ausführungsform eines in einem DC-Kreis einer elektrischen Anlage eingebauten Messsystems; 1 shows an embodiment of a measuring system installed in a DC circuit of an electrical installation;
Fig. 2a eine erste Ausführungsform einer Schalteinheit des Messsystems aus Fig. 1 ; FIG. 2a shows a first embodiment of a switching unit of the measuring system from FIG. 1; FIG.
Fig. 2b eine zweite Ausführungsform einer Schalteinheit des Messsystems aus Fig. Fig. 2b shows a second embodiment of a switching unit of the measuring system from Fig.
1 ; Fig. 2c eine dritte Ausführungsform einer Schalteinheit des Messsystems aus Fig. 1 ; 1 ; FIG. 2c shows a third embodiment of a switching unit of the measuring system from FIG. 1 ;
Fig. 3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; 3 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention;
Fig. 4 eine Analyse der detektierten Messwerte am Beispiel eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms lsc(t); 4 shows an analysis of the measured values detected using the example of a time profile of the short-circuit current Isc(t);
Fig. 5 Batterie-Speicherkraftwerk als elektrische Anlage mit einem darin verbauten Messsystem; 5 battery storage power plant as an electrical system with a measuring system installed therein;
Figurenbeschreibunq character description
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines in einem DC-Kreis 200 einer elektrischen Anlage eingebauten Messsystems 100 dargestellt. Der DC Kreis 200 umfasst eine DC- Quelle 201 (in Fig. 1 exemplarisch als Batterie mit einem wirksamen Innenwiderstand Ri illustriert) und eine DC-Last 210, die über Zuleitungen 203 mit der DC-Quelle 201 verbunden ist. Die Verbindung der DC-Last 210 und der DC-Quelle 201 weist eine Schmelzsicherung 220 auf. Neben der Schmelzsicherung 220 und den Zuleitungen 203 kann die Verbindung zwischen DC-Last 210 und DC-Quelle 201 weitere Komponenten, beispielsweise Trennschalter beinhalten, die in Fig. 1 nicht explizit dargestellt sind. Die Verbindung zwischen DC-Quelle 201 und DC-Last 210 weist eine verbindungsimmanente Impedanz 202 auf, die in Figur 1 exemplarisch als Serienschaltung aus einer resistiven Impedanzkomponente Ra und einer induktiven Impedanzkomponente L illustriert ist. 1 shows an embodiment of a measuring system 100 installed in a DC circuit 200 of an electrical installation. The DC circuit 200 includes a DC source 201 (illustrated in FIG. 1 by way of example as a battery with an effective internal resistance Ri) and a DC load 210 which is connected to the DC source 201 via supply lines 203 . The connection of the DC load 210 and the DC source 201 has a fuse 220 . In addition to the fuse 220 and the supply lines 203, the connection between the DC load 210 and the DC source 201 can contain other components, for example isolating switches, which are not explicitly shown in FIG. 1 . The connection between the DC source 201 and the DC load 210 has a connection-immanent impedance 202, which is illustrated in FIG.
Mit dem Messsystem 100 soll nun eine korrekte Auslegung der Schmelzsicherung 220 unter Berücksichtigung der verbindungsimmanenten Impedanz 202 überprüft werden. Hierzu umfasst das Messsystem 100 eine Schalteinheit 102 mit einer Serienschaltung aus einem aktiv steuerbaren Halbleiterschalter 103 und einer weiteren Schmelzsicherung 104, sowie eine die Schalteinheit 102 ansteuernde Steuerungseinrichtung 101. Exemplarisch ist die Schalteinheit 102 in dem DC-Kreis 200 so verschaltet, dass die DC-Quelle 201 im geschlossenen Zustand der Schalteinheit 102 über die verbindungsimmanente Impedanz 202 und die zu überprüfende Schmelzsicherung 220 kurzgeschlossen wird. Das Messsystem 100 umfasst weiterhin eine mit der Steuerungseinheit 101 verbundene Auswerteeinheit 115, einen Stromsensor 110 zur Detektion eines in dem DC-Kreis, hier insbesondere in dem Kurzschlusspfad fließenden Kurzschlussstroms Isc. Das Messsystem 100 umfasst zudem einen ersten Spannungssensor 111a und einen zweiten Spannungssensor 111 b, jeweils zur Detektion einer in dem DC-Kreis 200 herrschenden Spannung Use. Exemplarisch ist der erste Spannungssensor 111a eingerichtet, eine zwischen Anschlussklemmen der DC-Quelle 201 herrschende Spannung Uma, insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren. Der zweite Spannungssensor 111 b ist hingegen eingerichtet, eine zwischen einem ersten Anschluss 106 und einem zweiten Anschluss 107 der Schalteinheit 102 herrschende Spannung Un , insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren. Ein Betrieb des Messsystems 100 wird in Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 detaillierter erläutert. A correct design of the safety fuse 220 is now to be checked with the measuring system 100, taking into account the impedance 202 inherent in the connection. For this purpose, the measuring system 100 includes a switching unit 102 with a series connection of an actively controllable semiconductor switch 103 and a further safety fuse 104, as well as a control device 101 that activates the switching unit 102. By way of example, the switching unit 102 is connected in the DC circuit 200 in such a way that the DC Source 201 is short-circuited in the closed state of the switching unit 102 via the connection-immanent impedance 202 and the safety fuse 220 to be checked. The measurement system 100 also includes an evaluation unit connected to the control unit 101 115, a current sensor 110 for detecting a short-circuit current Isc flowing in the DC circuit, here in particular in the short-circuit path. The measurement system 100 also includes a first voltage sensor 111a and a second voltage sensor 111b, each for detecting a voltage Use prevailing in the DC circuit 200 . By way of example, the first voltage sensor 111a is set up to detect a voltage Uma prevailing between connection terminals of the DC source 201, in particular its time profile. The second voltage sensor 111b, on the other hand, is set up to detect a voltage Un prevailing between a first connection 106 and a second connection 107 of the switching unit 102, in particular its time profile. An operation of the measurement system 100 is explained in more detail in connection with FIGS.
In den Fig. 2a - 2c sind unterschiedliche Ausführungsformen der Schalteinheit 102a - 102c illustriert, die bevorzugt in dem Messsystem 100 verwendet werden können. Eine erste Ausführungsform der Schalteinheit 102a ist in Fig. 2a dargestellt Die Schalteinheit 102a umfasst einen ersten Anschluss 106 und einen zweiten Anschluss 107. In einer Verbindungsleitung zwischen den Anschlüssen 106, 107 ist ein aktiv steuerbarer Halbleiterschalter 103, beispielsweise ein IGBT (Insulated-Gate-Bipolar- Transistor) oder ein MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) angeordnet. In Reihenschaltung zu dem Halbleiterschalter 103 und ebenfalls zwischen den Anschlüssen 106, 107 ist eine weitere Schmelzsicherung 104 angeordnet. Zur Herbeiführung des Kurzschlusses wird der aktiv steuerbare Halbleiterschalter 103 geschlossen, während er zur Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc geöffnet wird. Die weitere Schmelzsicherung 104 ist hier so dimensioniert, dass sie schon bei Erreichen eines relativ geringen Stromschwellwertes auslöst, der unterhalb eines Wertes für eine Kurzschlussfestigkeit derjenigen Komponente liegt, die in dem Kurzschlusspfad am ehesten von einem Überstrom beschädigt werden würde. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch bei einem fehlerhaften Betrieb des Halbleiterschalter 103 keine der Komponenten in dem Kurzschlusspfad durch den herbeigeführten Kurzschluss beschädigt werden. Different embodiments of the switching unit 102a - 102c, which can preferably be used in the measuring system 100, are illustrated in FIGS. 2a - 2c. A first embodiment of the switching unit 102a is shown in FIG. 2a. The switching unit 102a comprises a first terminal 106 and a second terminal 107. In a connecting line between the terminals 106, 107 is an actively controllable semiconductor switch 103, for example an IGBT (insulated gate Bipolar transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) arranged. A further safety fuse 104 is arranged in series with the semiconductor switch 103 and also between the terminals 106, 107. To bring about the short circuit, the actively controllable semiconductor switch 103 is closed, while it is opened to interrupt the short-circuit current Isc. The additional safety fuse 104 is dimensioned here so that it triggers when a relatively low current threshold value is reached, which is below a value for a short-circuit strength of that component that would most likely be damaged by an overcurrent in the short-circuit path. This ensures that even if the semiconductor switch 103 is operating incorrectly, none of the components in the short-circuit path will be damaged by the short-circuit that has been brought about.
Vorteilhaft kann einer der Spannungssensoren des Messsystems 100 - hier der zweite Spannungssensor 111 b - mit den Anschlüssen 106, 107 der Schalteinheit 102 verbunden sein und eingerichtet sein, bei dem herbeigeführten Kurzschluss eine zwischen den Anschlüssen 106, 107 herrschende Spannung Un zu detektieren. Weiterhin kann einer der Stromsensoren - hier der zweite Stromsensor 110b - in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Anschluss 106 und dem zweiten Anschluss 107 angeordnet sein und eingerichtet sein, während des herbeigeführten Kurzschlusses den in der Verbindungsleitung fließenden Kurzschlussstrom Isc, insbesondere dessen Zeitverlauf Isc zu detektieren. Die gezeigte Verschaltung des Stromsensors 110b und des Spannungssensors 111 b ist optional auch bei der zweiten und der dritten Ausführungsform der Schalteinheit 102 möglich. Advantageously, one of the voltage sensors of the measuring system 100 - here the second voltage sensor 111b - can be connected to the connections 106, 107 of the switching unit 102 be connected and set up to detect a voltage Un prevailing between the terminals 106, 107 when the short circuit is caused. Furthermore, one of the current sensors - in this case the second current sensor 110b - can be arranged in the connecting line between the first connection 106 and the second connection 107 and set up to detect the short-circuit current Isc flowing in the connecting line, in particular its time profile Isc, during the short circuit that has been brought about. The connection shown of the current sensor 110b and the voltage sensor 111b is optionally also possible in the second and the third embodiment of the switching unit 102 .
Die zweite Ausführungsform der Schalteinheit 102b gemäß Fig. 2b ähnelt der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2a, allerdings weist sie eine Serienschaltung aus einem aktiv steuerbaren Halbleiterschalter 103 und einem elektromechanischen Schalter 105 zwischen dem ersten 106 und dem zweiten Anschluss 107 der Schalteinheit 102 auf. Zur Herbeiführung des Kurzschlusses wird der elektromechanische Schalter 105 geschlossen, sofern er nicht schon geschlossen ist. Danach wird der HalbleiterschalterThe second embodiment of the switching unit 102b according to FIG. 2b is similar to the first embodiment according to FIG. To bring about the short circuit, the electromechanical switch 105 is closed if it is not already closed. After that, the semiconductor switch
103 geschlossen. Der Kurzschlussstrom Isc wird unterbrochen, indem der aktiv steuerbare Halbleiterschalter 103 geöffnet wird. Danach kann, jedoch muss nicht zwingend, der elektromechanische Schalter 105 geöffnet werden. Wie auch in der ersten Ausführungsform wird die schnell reagierende Funktion der Schalteinheit 102b von dem Halbleiterschalter 103 bereitgestellt. Der elektromechanischer Schalter 105 stellt, ähnlich wie die weitere Sicherung 104 in der ersten Ausführungsform der Schalteinheit 102a, eine galvanische Trennungsfunktion für die Schalteinheit 102b bereit. 103 closed. The short-circuit current Isc is interrupted by the actively controllable semiconductor switch 103 being opened. Thereafter, the electromechanical switch 105 can, but does not have to be opened. The fast-response function of the switching unit 102b is provided by the semiconductor switch 103 as in the first embodiment. The electromechanical switch 105, like the further fuse 104 in the first embodiment of the switching unit 102a, provides a galvanic isolation function for the switching unit 102b.
Die dritte Ausführungsform der Schalteinheit 102c umfasst eine Serienschaltung aus einer weiteren Sicherung 104 und einem elektromechanischen Schalter 105. Der Kurzschluss wird hier durch ein Schließen des elektromechanischen Schalters 105 herbeigeführt, während der Kurzschlussstrom durch die auslösende weitere SicherungThe third embodiment of the switching unit 102c comprises a series connection of a further fuse 104 and an electromechanical switch 105. The short circuit is brought about here by closing the electromechanical switch 105, while the short-circuit current flows through the triggering further fuse
104 unterbrochen wird. Somit stellt in der dritten Ausführungsform die weitere Sicherung 104 die schnell schaltende Funktion der Schalteinheit 102c bereit. Der elektromechanische Schalter 105 dient hier hauptsächlich einer redundanten Trennungsfunktion für den Kurzschlussstrom Isc, sollte die weitere Sicherung 104 einmal nicht in der Lage sein, den erzwungenen Kurzschlussstrom Isc - beispielsweise aufgrund eines über der ausgelösten weiteren Sicherung 104 brennenden Lichtbogens - zu trennen. Hierzu kann der elektromechanische Schalter 105 eine vergleichsweise hohe Stromtragfähigkeit und geeignete Mittel zur Löschung des Lichtbogens aufweisen (in Fig. 2b und Fig. 2c nicht explizit dargestellt). 104 is interrupted. Thus, in the third embodiment, the further fuse 104 provides the fast switching function of the switching unit 102c. The electromechanical switch 105 is used here mainly for a redundant separation function for the short-circuit current Isc, should the additional fuse 104 not be able to withstand the forced short-circuit current Isc—for example due to an arc burning across the tripped further fuse 104 - to separate. For this purpose, the electromechanical switch 105 can have a comparatively high current-carrying capacity and suitable means for extinguishing the arc (not explicitly shown in FIGS. 2b and 2c).
In Fig. 3 wird eine Variante für einen Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms dargestellt, wie es beispielsweise mit dem in den DC- Kreis 200 einer elektrischen Anlage eingebauten Messsystem 100 aus Fig. 1 durchgeführt werden kann. Das Verfahren startet mit einem Schritt A1 . In dem Schritt A2 wird bewusst ein Kurzschluss in dem DC-Kreis 200 durch ein Schließen der Schalteinheit 102 herbeigeführt. Hierdurch wird in dem DC-Kreis 200 ein Kurzschlusspfad ausgebildet, bei dem die DC-Quelle 201 über zumindest einen Teil der verbindungsimmanenten Impedanz 202 und die Schalteinheit 102 kurzgeschlossen wird. Aufgrund des Kurzschlusses wird in dem Kurzschlusspfad ein ansteigender Kurzschlussstrom Isc erzeugt. Über den zumindest einen Stromsensor 110 wird nun in dem Schritt A3 ein Zeitverlauf des Kurzschlussstroms lsc(t) detektiert. Zusätzlich wird über den ersten Spannungssensor 111a ein Zeitverlauf der Spannung Uma (t) detektiert, die zwischen den Anschlussklemmen der DC-Quelle 201 anliegt. Weiterhin wird über den zweiten Spannungssensor 111 b ein Zeitverlauf einer zwischen den Anschlüssen 106, 107 der Schalteinheit 102 herrschenden Spannung Unib (t) detektiert. In dem Schritt A4 wird durch die Auswerteeinheit 115 fortlaufend und jeweils mit den zuletzt detektierten Werten des Kurzschlussstroms Isc (t) eine Erfüllung eines Abbruchkriteriums überprüft. Dabei kann das Abbruchkriterium das Erreichen oder Überschreiten eines Stromschwellwertes ITH durch den ansteigenden Kurzschlussstrom lsc(t), das Erreichen oder Überschreiten eines Zeitschwellwertes Atm, der seit Herbeiführung des Kurzschlusses ablaufenden Zeitdauer At, und/oder das Erreichen oder Überschreiten eines vordefinierten Schwellwertes l2tm eines mittels des Kurzschlussstroms lsc(t) gebildeten Grenzlastintegrales lsc2t (t) sein.FIG. 3 shows a variant for operating the method according to the invention in the form of a flow chart, as can be carried out, for example, with the measuring system 100 from FIG. 1 installed in the DC circuit 200 of an electrical installation. The method starts with a step A1. In step A2, a short circuit in DC circuit 200 is deliberately brought about by closing switching unit 102 . As a result, a short-circuit path is formed in the DC circuit 200 in which the DC source 201 is short-circuited via at least part of the impedance 202 inherent in the connection and the switching unit 102 . Due to the short circuit, an increasing short circuit current Isc is generated in the short circuit path. A time profile of the short-circuit current Isc(t) is now detected via the at least one current sensor 110 in step A3. In addition, a time course of the voltage Uma (t) which is present between the connection terminals of the DC source 201 is detected via the first voltage sensor 111a. Furthermore, a time course of a voltage Unib(t) prevailing between the terminals 106, 107 of the switching unit 102 is detected via the second voltage sensor 111b. In step A4, the fulfillment of an abort criterion is checked continuously by the evaluation unit 115 and in each case with the last detected values of the short-circuit current Isc(t). The termination criterion can be reaching or exceeding a current threshold value ITH due to the increasing short-circuit current lsc(t), reaching or exceeding a time threshold value Atm, the time Atm that has elapsed since the short circuit was caused, and/or reaching or exceeding a predefined threshold value l 2 tm of a limiting load integral lsc 2 t (t) formed by means of the short-circuit current lsc(t).
Solange das Abbruchkriterium nicht erfüllt ist, springt das Verfahren zurück zum Schritt A3. Ist hingegen das Abbruchkriterium erfüllt, wird in dem Schritt A5 die Schalteinheit 102 geöffnet, wodurch der Kurzschlussstrom Isc (t) unterbrochen wird. In dem Schritt A6 erfolgt eine Analyse des detektierten Zeitverlaufes für den Kurzschlussstrom Isc (t), gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung der detektierten Zeitverläufe für die Spannungen Uma, Un . Die Analyse verfolgt das Ziel, einen eine Auslöseschwelle der Sicherung 220 charakterisierenden Parameter zu bestimmen, bei dem die verbindungsimmanenten Impedanzen 202 berücksichtigt sind, wie sie zwischen der DC-Quelle 201 und der DC-Last 210 der elektrischen Anlage real vorliegen. Die mittels des bestimmten Parameters charakterisierte Auslöseschwelle kann mit einer Auslöseschwelle der in dem DC-Kreis 200 bereits verbauten Sicherung 220 verglichen werden. Hierdurch kann eine korrekte Auslegung der Sicherung 220 überprüft und gegebenenfalls angepasst werden. Alternativ oder kumulativ dazu ist es möglich, mit dem bestimmten Parameter eine in den DC-Kreis 200 noch einzubauende Sicherung 220 passend und möglichst optimal auszulegen. Das Verfahren wird in dem Schritt A7 beendet. As long as the termination criterion is not met, the method jumps back to step A3. If, on the other hand, the termination criterion is met, the switching unit 102 is opened in step A5, as a result of which the short-circuit current Isc(t) is interrupted. In step A6, the detected time curve for the short-circuit current Isc(t) is analyzed, possibly also taking into account the detected time curves for the voltages Uma, Un. The aim of the analysis is to set a trigger threshold to determine the parameters characterizing the fuse 220, in which the connection-immanent impedances 202 are taken into account, as they actually exist between the DC source 201 and the DC load 210 of the electrical installation. The triggering threshold characterized by the specific parameter can be compared with a triggering threshold of the fuse 220 already installed in the DC circuit 200 . In this way, a correct design of the fuse 220 can be checked and, if necessary, adjusted. Alternatively or in addition to this, it is possible to design a fuse 220 to be installed in the DC circuit 200 appropriately and as optimally as possible using the specific parameters. The method ends in step A7.
Fig. 4 zeigt eine Variante einer Analyse am Beispiel eines Zeitverlaufes für den Kurzschlussstrom lsc(t). Dabei verfolgt die Analyse das Ziel, eine den DC-Kreis 200 - oder genauer: eine den jeweiligen Kurzschlusspfad - charakterisierende DC- Zeitkonstante T ZU bestimmen. Der in Fig. 4 illustrierte Verlauf spiegelt exemplarisch eine Situation wider, bei der als Abbruchkriterium des Messsystems 100 ein Erreichen oder Überschreiten eines vordefinierten Stromschwellwertes ITH eingestellt ist. Bei der Zeit t=0 wird der Kurzschluss durch ein Schließen der Schalteinheit 102 herbeigeführt, wodurch in dem Kurzschlusspfad ein ansteigender Kurzschlussstrom lsc(t) hervorgerufen wird. Zum Zeitpunkt ti erreicht der Kurzschlussstrom Isc den vordefinierten Strom sch well wert ITH, was von der Auswerteeinheit 115 und dem damit verbundenen Stromsensor 110 registriert wird. In Reaktion darauf wird unmittelbar die Schalteinheit 102 geöffnet, wodurch der Kurzschlussstrom Isc unterbrochen wird. In Fig. 4 sind somit in dem Bereich unterhalb des Stromschwellwertes ITH real detektierte Werte für den Kurzschlussstrom lsc(t) vorhanden, was durch den durchgezogen gezeichneten Kurvenabschnitt 401a im Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc (t) symbolisiert ist. Hingegen beschreibt der Kurvenanteil 401 b oberhalb des Stromschwellwertes ITH lediglich einen theoretischen Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc, der jedoch unter Berücksichtigung der unterhalb von ITH detektierten Messwerte extrapoliert ist. Dies ist in Fig. 4 durch den gestrichelt gezeichneten Kurvenabschnitt 401 b symbolisiert. Aufgrund der Serienschaltung aus der resistiven und der induktiven Impedanzkomponente der verbindungsimmanenten Impedanz 202 ergibt sich insgesamt eine exponentiell gegen den Grenzwert Isc.o strebender Kurve 401 für den Zeitverlauf des Kurzschlussstroms lsc(t). Zur Bestimmung der DC-Zeitkonstante T wird nun eine Tangente 402 an den Kurvenabschnitts 401a bei t=0 - also zum Zeitpunkt der Herbeiführung des Kurzschlusses - angeschmiegt und deren Steigung m ermittelt. Es lässt sich zeigen, dass die Steigung m der Tangente 402 gemäß m = — = Y (3) dem Quotient aus Leerlaufspannung Uo der DC-Quelle 201 und der induktiven Impedanzkomponente L der verbindungsimmanenten Impedanz 202 entspricht und zusätzlich ein Maß für die DC-Zeitkonstante T des Kurzschlusspfades ist. Weiterhin ist aus Fig. 1 leicht ersichtlich, dass sich im Kurzschlussfall der maximal mögliche Kurzschlussstrom Isc.o in dem dargestellten Kurzschlusspfad aus der Leerlaufspannung Uo der DC-Quelle 201 , dem Innenwiderstand Ri der DC-Quelle 201 , des Widerstandes R102 der Schalteinheit 102, sowie der resistiven Impedanzkomponente Ra der verbindungsimmanenten Impedanz 202 gemäßFIG. 4 shows a variant of an analysis using the example of a time curve for the short-circuit current Isc(t). The analysis pursues the goal of determining a DC time constant T ZU characterizing the DC circuit 200—or more precisely: a DC time constant TZU that characterizes the respective short-circuit path. The course illustrated in FIG. 4 reflects, by way of example, a situation in which reaching or exceeding a predefined current threshold value ITH is set as a termination criterion for measuring system 100 . At time t=0, the short circuit is brought about by a closing of the switching unit 102, causing an increasing short circuit current Isc(t) in the short circuit path. At the time ti, the short-circuit current Isc reaches the predefined current threshold value ITH, which is registered by the evaluation unit 115 and the current sensor 110 connected to it. In response to this, the switching unit 102 is immediately opened, thereby interrupting the short-circuit current Isc. In FIG. 4 there are thus actually detected values for the short-circuit current Isc(t) in the region below the current threshold value ITH, which is symbolized by the solid curve section 401a over time of the short-circuit current Isc(t). In contrast, the curve portion 401b above the current threshold value ITH only describes a theoretical time profile of the short-circuit current Isc, which is, however, extrapolated taking into account the measured values detected below ITH. This is symbolized in FIG. 4 by the curve section 401b drawn in broken lines. Due to the series connection of the resistive and the inductive impedance components of the connection-immanent impedance 202, a curve 401 for the time profile of the short-circuit current Isc(t) results that tends exponentially towards the limit value Isc.o. To determine the DC time constant T, a tangent 402 is now nestled against the curve section 401a at t=0—ie at the point in time at which the short circuit is brought about—and its slope m is determined. It can be shown that the gradient m of the tangent 402 according to m = - = Y (3) corresponds to the quotient of open-circuit voltage Uo of the DC source 201 and the inductive impedance component L of the connection-immanent impedance 202 and also a measure of the DC time constant T of the short-circuit path. Furthermore, it is easy to see from Fig. 1 that in the event of a short circuit, the maximum possible short circuit current Isc.o in the short circuit path shown consists of the no-load voltage Uo of the DC source 201, the internal resistance Ri of the DC source 201, the resistor R102 of the switching unit 102, and the resistive impedance component R a of the connection-immanent impedance 202 according to
Isc.o = R Ki.+ + R Ki002 + + ß Ka (4) ergibt. Dabei sind die Leerlaufspannung Uo und der Innenwiderstand Ri der DC-Quelle üblicherweise aus technischen Datenblättern der verwendeten DC-Quelle 201 hinreichend genau bekannt. Die Größe R102 beschreibt den ohmschen Widerstand der verwendeten Schalteinheit 102, der ebenfalls aus technischen Datenblättern der verwendeten Komponenten für die Schalteinheit 102 hinreichend genau bekannt ist. Für die resistive Impedanzkomponente Ra lässt sich unter Berücksichtigung des Materials und der Geometrie der Zuleitungen in dem Kurzschlusspfad ein recht guter Näherungswert berechnen. Somit sind alle Größen bekannt, um gemäß Gl. 4 den maximal möglichen Kurzschlussstrom Isc.o in dem Kurzschlusspfad zu berechnen. Mit der ermittelten Steigung m der Tangente lässt sich dann gemäß Gl. 3 die DC- Zeitkonstante T des Kurzschlusspfades berechnen. Isc.o = R K i. + + R K i0 0 2 + + ß K a (4) results. The no-load voltage Uo and the internal resistance Ri of the DC source are usually known with sufficient accuracy from technical data sheets for the DC source 201 used. The variable R102 describes the ohmic resistance of the switching unit 102 used, which is also known with sufficient accuracy from technical data sheets for the components used for the switching unit 102. A fairly good approximation value can be calculated for the resistive impedance component R a taking into account the material and the geometry of the leads in the short-circuit path. Thus, all variables are known in order to calculate according to Eq. 4 to calculate the maximum possible short-circuit current Isc.o in the short-circuit path. With the determined slope m of the tangent, according to Eq. 3 calculate the DC time constant T of the short-circuit path.
In einigen Fällen ist der Innenwiderstand der Batterie Ri der strombegrenzende Faktor und ist groß gegen die resistive Impedanzkomonente Ra und auch den Widerstand der Schalteinheit 102, d.h. es gilt Ri » Ra und Ri » R102. In diesem Fall vereinfacht sich Gleichung 3 zu
Figure imgf000022_0001
In diesen Fällen kann für den maximalen Kurzschlussstrom in dem Kurzschlusspfad in guter Näherung auch der maximale Kurzschlussstrom der DC-Quelle verwendet werden, der ebenfalls aus Datenblättern der DC-Quelle hinreichend genau bekannt ist. Auch damit kann aus der bestimmten Steigung m der Tangente und unter Berücksichtigung von Gleichung (3) die DC-Zeitkonstante T des Kurzschlusspfades ermittelt werden.
In some cases, the internal resistance of the battery Ri is the current limiting factor and is large compared to the resistive impedance component R a and also the resistance of the switching unit 102, ie Ri >> R a and Ri >> R102. In this case Equation 3 simplifies to
Figure imgf000022_0001
In these cases, the maximum short-circuit current of the DC source can also be used as a good approximation for the maximum short-circuit current in the short-circuit path, which is also known with sufficient accuracy from data sheets for the DC source. This can also be used to determine the DC time constant T of the short-circuit path from the gradient m determined for the tangent and taking into account equation (3).
In Fig. 5 ist ein Batterie-Speicherkraftwerk 300 als elektrische Anlage dargestellt, wie es beispielsweise zur Stützung eines Energieversorgungsnetzes 330 verwendet wird. Das Speicherkraftwerk ist mit einer Vielzahl von Sicherungen, insbesondere Schmelzsicherungen gegen einen Kurzschlussfall abgesichert. Eine Überprüfung einer korrekten Auslegung der Sicherungen kann in dem Batterie-Speicherkraftwerk 300 mit dem darin angeschlossenen Messsystem 100 erfolgen. FIG. 5 shows a battery storage power plant 300 as an electrical system, such as is used to support an energy supply network 330, for example. The storage power plant is secured against a short circuit with a large number of fuses, in particular fuses. A correct design of the fuses can be checked in the battery storage power plant 300 with the measuring system 100 connected therein.
Das Batterie-Speicherkraftwerk 300 umfasst als DC-Quelle eine Vielzahl von Batteriemodulen, die durch eine Kombination aus Serien- und Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Dabei bildet eine Serienschaltung von mehreren Batteriemodulen jeweils einen sogenannten Batterie-String 302a.1 - 302a.n, 302b.1 - 302b. n. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Fig. 5 in jedem der Batterie-Strings 302a.1 - 302a. n, 302b.1 - 302b. n die Reihenschaltung der Batteriemodule lediglich in Form eines Batteriemoduls dargestellt. In dem Batterie-Speicherkraftwerk sind nun mehrere Batterie-Strings 302a.1 - 302a. n parallel zueinander jeweils über eine Trennschaltung 310 aus einem Trennschalter 312 und einer String-Sicherung 311 an eine erste Sammelschiene 315a - eine sogenannte String-Sammelschiene - angeschlossen. Die parallel geschalteten Batterie-Strings 302a.1 - 302a. n bilden auf diese Weise eine erste Gruppe 303a aus. Eine vergleichbar aufgebaute zweite Gruppe 303b mit einer Mehrzahl von Batterie-Strings 302b.1 - 302b. m ist an eine weitere erste Sammelschiene 315b angeschlossen. Beide Gruppen 303a, 303b sind parallel zueinander an eine zweite Sammelschiene 316 - eine sogenannte Gruppen- Sammelschiene - angeschlossen. Die zweite Sammelschiene 316 ist mit einem Eingang eines DC/AC-Wandlers 320 als DC-Last 210 verbunden. Der DC/AC-Wandler 320 ist zum Austausch von elektrischer Leistung und zum Zwecke der Netzstützung mit dem Energieversorgungsnetz 330 verbunden. In den Verbindungsleitungen zwischen den ersten Sammelschienen 315a, 315b und der zweiten Sammelschiene 316 sind jeweils Überstromsicherungen 220a, 220b angeordnet. Die Funktion der Überstromsicherungen 220a, 220b soll mit dem Messsystem 100 überprüft und gegebenenfalls angepasst werden. The battery storage power plant 300 comprises, as a DC source, a multiplicity of battery modules which are connected to one another by a combination of series and parallel circuits. A series connection of a plurality of battery modules forms a so-called battery string 302a.1-302a.n, 302b.1-302b. n. For reasons of clarity, in FIG. 5 in each of the battery strings 302a.1-302a. n, 302b.1 - 302b. n the series connection of the battery modules is only shown in the form of a battery module. Several battery strings 302a.1-302a are now in the battery storage power station. n connected parallel to one another via an isolating circuit 310 consisting of an isolating switch 312 and a string fuse 311 to a first busbar 315a—a so-called string busbar. The parallel connected battery strings 302a.1 - 302a. n form a first group 303a in this way. A comparably constructed second group 303b with a plurality of battery strings 302b.1-302b. m is connected to another first busbar 315b. Both groups 303a, 303b are connected parallel to one another to a second busbar 316—a so-called group busbar. The second bus bar 316 is connected to an input of a DC/AC converter 320 as a DC load 210 . The DC/AC converter 320 is connected to the power grid 330 for the exchange of electrical power and for the purpose of grid support. In the connecting lines between the first busbars 315a, 315b and the second busbar 316 are each overcurrent fuses 220a, 220b arranged. The function of the overcurrent fuses 220a, 220b is to be checked with the measuring system 100 and, if necessary, adjusted.
Hierzu wird über ein Schließen der Schalteinheit 102, die hier parallel zu einem DC- Eingang des DC/AC-Wandlers 320 verschaltet ist, ein temporärer Kurzschluss erzeugt. Die über die Verbindungsleitungen zwischen der ersten Sammelschiene 315a, 315b und der zweiten Sammelschiene 316 fließenden Kurzschlussströme Isc werden mit ihren Zeitverläufen für jede Gruppe 303a, 303b jeweils über einen der Stromsensoren 110a, 110b erfasst, Zusätzlich werden Zeitverläufe von Spannungen an den ersten Sammelschienen 315a, 315b durch entsprechendeFor this purpose, a temporary short circuit is generated by closing the switching unit 102, which is connected here in parallel to a DC input of the DC/AC converter 320. The short-circuit currents Isc flowing via the connecting lines between the first busbar 315a, 315b and the second busbar 316 are recorded with their time profiles for each group 303a, 303b via one of the current sensors 110a, 110b. In addition, time profiles of voltages on the first busbars 315a, 315b by corresponding
Spannungssensoren 111 a, 111 b detektiert. Auch in der Schalteinheit 102 ist ein Stromsensor und ein Spannungssensor angeordnet (in Fig. 5 nicht explizit gezeigt), der die durch die Schalteinheit 102 fließenden Kurzschlussstrom Isc und die über die Schalteinheit 102 während des Kurzschlusses abfallende Spannung U102 detektiert. Nach Erreichen oder Überschreiten eines vordefinierten Abbruchkriteriums - beispielsweise das Erreichen oder Überschreiten eines Stromschwellwertes Ith für den durch die Schalteinheit 102 fließenden Kurzschlussstrom Isc wird die Schalteinheit 102 wieder geöffnet, wodurch der Kurzschlussstrom Isc durch die Schalteinheit 102 und in jeder der Verbindungsleitungen zwischen den ersten Sammelschienen 315a, 315b und der zweiten Sammelschiene 316 unterbrochen wird. Die Auswerteeinheit 115 analysiert die detektierten Zeitverläufe der detektierten Kurzschlussströme Isc und Spannungen und kann hieraus einen optimalen Wert für einen Auslegungsparameter der Sicherungen 220a, 220b unter Berücksichtigung der real vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen 202 bestimmen. Die Auslöseparameter der vorhandenen Sicherungen 220a, 220b können mit dem über das Messsystem 100 bestimmten optimalen Wert verglichen werden, woraufhin die Sicherungen 220a, 220b gegebenenfalls gegen Sicherungen mit dem bestimmten optimalen Wert getauscht werden können. Alternativ oder kumulativ dazu ist es möglich, die verbindungsimmanente Impedanz der Verbindung zwischen der DC-Quelle und der DC-Last des Speicherkraftwerkes 300 über eine Änderung der Zuleitungen in Bezug auf deren Länge und / oder in Bezug auf deren Lage relativ zueinander anzupassen. Bezuqszeichenliste Voltage sensors 111 a, 111 b detected. A current sensor and a voltage sensor are also arranged in switching unit 102 (not explicitly shown in FIG. 5 ), which detects the short-circuit current Isc flowing through switching unit 102 and the voltage U102 dropping across switching unit 102 during the short circuit. After a predefined termination criterion has been reached or exceeded - for example a current threshold value Ith for the short-circuit current Isc flowing through the switching unit 102 has been reached or exceeded, the switching unit 102 is opened again, as a result of which the short-circuit current Isc flows through the switching unit 102 and in each of the connecting lines between the first busbars 315a , 315b and the second bus bar 316 is interrupted. The evaluation unit 115 analyzes the detected time curves of the detected short-circuit currents Isc and voltages and can use this to determine an optimum value for a design parameter of the fuses 220a, 220b, taking into account the impedances 202 inherent in the connection that are actually present. The triggering parameters of the existing fuses 220a, 220b can be compared with the optimum value determined via the measuring system 100, whereupon the fuses 220a, 220b can be exchanged for fuses with the determined optimum value, if necessary. Alternatively or in addition to this, it is possible to adjust the connection-immanent impedance of the connection between the DC source and the DC load of the storage power plant 300 by changing the length of the supply lines and/or their position relative to one another. Reference character list
100 Messsystem 100 measurement system
101 Steuerungseinheit 101 control unit
102 Schalteinheit 102 switching unit
103 Halbleiterschalter 103 semiconductor switches
104 Sicherung 104 backup
105 elektromechanischer Schalter105 electromechanical switch
106 Anschluss 106 connection
107 Anschluss 107 connection
110, 110a, 110b Stromsensor 110, 110a, 110b current sensor
111 , 111a, 111 b Spannungssensor 111, 111a, 111b tension sensor
115 Auswerteeinheit 115 evaluation unit
200 DC-Kreis 200 DC circuit
201 DC-Quelle 201 DC source
202 verbindungsimmanente Impedanz202 connection inherent impedance
203 Zuleitung 203 lead
210 DC-Last 210 DC load
220, 220a, 220b Sicherung 220, 220a, 220b fuse
300 Batterie-Speicherkraftwerk300 Battery Storage Power Plant
302. a.1 - 3O2.a.n Batterie String 302.a.1 - 3O2.a.n battery string
302. b.1 - 3O2.b.n Batterie-String 302. b.1 - 3O2.b.n battery string
303a, 303b Gruppe 303a, 303b group
315a, 315b String-Sammelschiene 315a, 315b string busbar
316 Gruppen-Sammelschiene 316 group busbar
320 DC/AC-Wandler 320 DC/AC converter
330 Energieversorgungsnetz 330 power grid
Isc Kurzschlussstrom Isc short-circuit current
401a, 401 b Kurvenabschnitt 401a, 401b curve section
402 Tangente 402 tangent
A1 - A7 Verfahrensschritt A1 - A7 process step

Claims

- 24 - - 24 -
Patentansprüche Verfahren zur Absicherung einer Anlage gegen einen Kurzschluss, wobei die Anlage einen DC-Kreis (200) mit einer DC-Quelle (201 ) und eine über Zuleitungen mit der DC-Quelle (201) verbundene DC-Last (210) umfasst, und wobei die Verbindung zwischen der DC-Quelle (201) und der DC-Last (210) eine verbindungsimmanente Impedanz (202) aufweist, umfassend die Schritte: Method for protecting a system against a short circuit, the system comprising a DC circuit (200) with a DC source (201) and a DC load (210) connected to the DC source (201) via supply lines, and wherein the connection between the DC source (201) and the DC load (210) has a connection-inherent impedance (202), comprising the steps of:
- Herbeiführen eines Kurzschlusses der DC-Quelle (201) durch Schließen einer Schalteinheit (102), die zwischen der DC-Quelle (201) und der DC-Last (210) in dem DC-Kreis (200) angeordnet ist, so dass die DC-Quelle (201) zumindest über einen Anteil der in dem DC-Kreis (200) real vorhandenen verbindungsimmanenten Impedanz (202) kurzgeschlossen wird, - Causing a short circuit of the DC source (201) by closing a switching unit (102) which is arranged between the DC source (201) and the DC load (210) in the DC circuit (200), so that the DC source (201) is short-circuited at least over a portion of the connection-immanent impedance (202) actually present in the DC circuit (200),
- Detektion eines Zeitverlaufes eines bei dem Kurzschluss entstehenden Kurzschlussstroms Isc, - Detection of a time profile of a short-circuit current Isc occurring during the short-circuit,
- Begrenzung und/oder Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc durch Öffnen der Schalteinheit (102) bei Erfüllung eines Abbruchkriteriums, so dass eine Beschädigung von Komponenten der elektrischen Anlage, insbesondere des DC- Kreises (200) durch den Kurzschlussstrom Isc sicher verhindert wird, und - Limiting and/or interrupting the short-circuit current Isc by opening the switching unit (102) when a termination criterion is met, so that damage to components of the electrical system, in particular the DC circuit (200), is reliably prevented by the short-circuit current Isc, and
- Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes unter Berücksichtigung desjenigen Anteils der verbindungsimmanenten Impedanz (202) zwischen der DC-Quelle (201) und der DC-Last (210), über den der Kurzschluss der DC-Quelle (201) herbeigeführt wurde, und - Analysis of the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile, taking into account that portion of the connection-immanent impedance (202) between the DC source (201) and the DC load (210) through which the short circuit of the DC source (201) was brought about , and
- Überprüfung einer Auslegung einer in der elektrischen Anlage, insbesondere in dem DC-Kreis (200) vorhandenen Sicherung (220) mittels der Analyse, oder Bestimmung einer Auslegung einer in die elektrische Anlage, insbesondere in den DC-Kreis (200) noch einzubauenden Sicherung (220) mittels der Analyse. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei bei der Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc eine dem DC-Kreis (200) zugeordnete DC-Zeitkonstante T und/oder ein eine Auslöseschwelle einer Sicherung (220) charakterisierender Parameter, beispielsweise ein Auslösestrom und/oder ein Grenzlastintegral, bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Abbruchkriterium zumindest eines der folgenden Ereignisse umfasst: - Checking a design of a fuse (220) present in the electrical system, in particular in the DC circuit (200) by means of the analysis, or determining a design of a fuse still to be installed in the electrical system, in particular in the DC circuit (200). (220) using the analysis. Method according to claim 1, wherein during the analysis of the detected short-circuit current Isc a DC time constant T assigned to the DC circuit (200) and/or a parameter characterizing a tripping threshold of a fuse (220), for example a tripping current and/or a limit load integral, is determined becomes. Method according to one of the preceding claims, wherein the termination criterion comprises at least one of the following events:
- ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes ITH für den Kurzschlussstrom Isc, - reaching or exceeding a threshold value ITH for the short-circuit current Isc,
- ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes At™ für eine seit dem Schließen der Schalteinheit (102) vergangene Zeitdauer At, - a threshold value At™ being reached or exceeded for a period of time At which has elapsed since the switching unit (102) was closed,
- ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes für ein dem Kurzschlussstrom Isc zugeordnetes Grenzlastintegral i2t™. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die DC-Quelle (201) eine Vielzahl von Batterien (5) und/oder eine Vielzahl von PV-Modulen umfasst, die in Serien- und/oder Parallelschaltung zueinander angeordnet sind, und wobei die DC-Last (210) einen DC/AC-Wandler (501 ) und/oder einen DC/DC-Wandler umfasst. Messsystem (100) zur Absicherung einer Anlage gegen einen Kurzschluss, wobei die Anlage einen DC-Kreis (200) mit einer DC-Quelle (201) und eine über Zuleitungen mit der DC-Quelle (201) verbundene DC-Last (210) umfasst, und wobei die Verbindung zwischen der DC-Quelle (201) und der DC-Last (210) eine verbindungsimmanente Impedanz (202) aufweist, umfassend eine Schalteinheit (102), die im geschlossenen Zustand zur Herbeiführung und im geöffneten Zustand zur Unterbrechung eines Kurzschlussstroms Isc in dem DC-Kreis (200) ausgelegt ist, zumindest einen Stromsensor (110), der zur Detektion eines im geschlossenen Zustand der Schalteinheit (102) entstehenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, ausgelegt ist eine mit dem zumindest einen Stromsensor (110) verbundene Auswerteeinheit (115), die zur Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, eingerichtet ist, und eine mit der Auswerteeinheit (115) verbundene Steuerungseinheit (101 ) zur Steuerung des Messsystems (100), insbesondere der Schalteinheit (102), dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (100) in einem in den DC-Kreis (200) eingebauten Zustand zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgelegt und eingerichtet ist. Messsystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (102) eine Serienschaltung eines aktiv steuerbaren Halbleiterschalters (103) und eines elektromechanischen Schalters (105) umfasst, oder eine Serienschaltung eines aktiv steuerbaren Halbleiterschalters (103) und einer Schmelzsicherung (104) umfasst. Messsystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (102) eine Serienschaltung eines elektromechanischen Schalters- reaching or exceeding a threshold value for a limit load integral i 2 t™ assigned to the short-circuit current Isc. Method according to one of the preceding claims, wherein the DC source (201) comprises a plurality of batteries (5) and/or a plurality of PV modules which are arranged in series and/or parallel connection with one another, and wherein the DC Last (210) comprises a DC / AC converter (501) and / or a DC / DC converter. Measuring system (100) for protecting a system against a short circuit, the system comprising a DC circuit (200) with a DC source (201) and a DC load (210) connected to the DC source (201) via supply lines , and wherein the connection between the DC source (201) and the DC load (210) has a connection-immanent impedance (202), comprising a switching unit (102) which in the closed state for bringing about and in the open state for interrupting a short-circuit current Isc is designed in the DC circuit (200), at least one current sensor (110) which is designed to detect a short-circuit current Isc occurring in the closed state of the switching unit (102), in particular its time profile, with the at least one current sensor (110) connected evaluation unit (115), which is set up to analyze the detected short-circuit current Isc, in particular its time profile, and a control unit (101) connected to the evaluation unit (115). Control of the measuring system (100), in particular the switching unit (102), characterized in that the measuring system (100) is designed and set up when installed in the DC circuit (200) for carrying out the method according to one of the preceding claims. Measuring system (100) according to Claim 5, characterized in that the switching unit (102) comprises a series connection of an actively controllable semiconductor switch (103) and an electromechanical switch (105), or a series connection of an actively controllable semiconductor switch (103) and a safety fuse (104 ) includes. Measuring system (100) according to Claim 5, characterized in that the switching unit (102) is a series circuit of an electromechanical switch
(105) und einer Schmelzsicherung (104) aufweist. Messsystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Stromsensor (110) eine Vielzahl von Stromsensoren (110a, 110b) umfasst. Messsystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, zusätzlich umfassend einen oder mehrere mit der Auswerteeinheit (115) verbundene Spannungssensoren (111 , 111a, 11 b), der/die jeweils zur Detektion einer in dem DC-Kreis (200) herrschenden Spannung Use, insbesondere eines Zeitverlaufes der in dem DC-Kreis (200) herrschenden Spannung Use ausgelegt sind. Messsystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssensor (111) oder einer der Spannungssensoren (111 , 111a, 111 b) mit einem ersten Anschluss (106) und einem zweiten Anschluss (107) der Schalteinheit (102) verbunden ist und eingerichtet ist, eine zwischen den Anschlüssen (106, 107) herrschende Spannung Use, insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren. Messsystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (110) oder einer der Stromsensoren (110, 110a, 110b) in einer Verbindungsleitung zwischen einem ersten Anschluss(105) and a safety fuse (104). Measuring system (100) according to one of Claims 5 to 7, characterized in that the at least one current sensor (110) comprises a multiplicity of current sensors (110a, 110b). Measuring system (100) according to one of Claims 5 to 8, additionally comprising one or more voltage sensors (111, 111a, 11b) connected to the evaluation unit (115), each of which is/are used to detect a voltage in the DC circuit (200). Voltage Use, in particular a time profile of the voltage Use prevailing in the DC circuit (200). Measuring system (100) according to Claim 9, characterized in that the voltage sensor (111) or one of the voltage sensors (111, 111a, 111b) is connected to a first connection (106) and a second connection (107) of the switching unit (102). and is set up to detect a voltage Use prevailing between the terminals (106, 107), in particular its time profile. Measuring system (100) according to one of claims 5 to 10, characterized in that the current sensor (110) or one of the current sensors (110, 110a, 110b) in a connecting line between a first connection
(106) und einem zweiten Anschluss (107) der Schalteinheit (102) angeordnet ist, und eingerichtet ist, den zwischen den Anschlüssen (106, 107) fließenden Kurzschlussstrom Isc, insbesondere dessen Zeitverlauf zu detektieren. (106) and a second terminal (107) of the switching unit (102) and is set up to detect the short-circuit current Isc flowing between the terminals (106, 107), in particular its time profile.
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