DE3442932C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens (DE-AS 26 51 863).

In der DE-AS 26 51 863 ist ein akkumulatorgespeistes elektrisches Gerät mit einer Schaltungsanordnung zum Laden der vorzugsweise gasdichten Akkumulatoren mit Fotoelementen (<Solarzellen<) als Ladestromquelle bekannt. Es ist eine zum Akkumulator parallel geschaltete Reihenschaltung aus einer Zener-Diode und einem Widerstand zum Schutz vor Zerstörung des Akkumulators durch unzulässig hohe Ladeströme vorgesehen, insbesondere für die Verwendung in Verbindung mit elektronischen Taschenrechnern. Um die ordnungsgemäße Ladung des Akkumulators auch bei Kunstlichtbeleuchtung ungehindert zu ermöglichen und auch bei nur geringer Leistungsaufnahme zusätzlich die Gefahr einer Tiefenentladung zu vermeiden, ist der Widerstand so bemessen, daß bei Verwendung des Gerätes in einem z. B. durch Kunstlicht nur mäßig beleuchteten Raum ein ausreichender Ladestrom fließt. Der Widerstand ist durch einen für den Bediener zugänglich angeordneten Schalter überbrückbar, welcher bei starker Beleuchtung (z. B. durch Sonnenlicht) zu schließen ist. Bei diesem elektrischen Gerät wird somit ein Schutz gegen unzulässig hohe Ladeströme durch Betätigung eines mechanischen Schalters erzielt.

Weiterhin ist aus der DE-OS 20 22 831 eine Anordnung zur Begrenzung von grundfrequenten Überspannungen in Wechselstromnetzen für hohe Spannungen bekannt. Es sind ein induktiver Nebenschluß und mit dem indukiven Nebenschluß in Reihe angeordneter Schnellschließer vorgesehen. Der Schnellschließer ist normalerweise offen. Er hält aber in geschlossener Lage den induktiven Nebenschluß zum Netz eingeschaltet. Ein am Netz angeschlossenes spannungsabtastendes Gerät gibt bei im Netz auftretenden Überspannungen einen Schließimpuls an den Schnellschließer ab. Als spannungsabtastendes Gerät kann ein Ventilableiter verwendet werden, dessen Löschspannung von dem Niveau der grundfrequenten Überspannungen bestimmt wird, die bei eingeschaltetem induktiven Nebenschluß auftreten können.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

In beiden Anschlußleitungen 4 und 5 befindet sich jeweils eine gleichstromkompensierte Spule T1 bzw. T2 ausreichend großer Induktivität, die auf der Seite der Verbrauchereinheit über eine Zenerdiode V2 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Jede Spule T1 bzw. T2 ist über einen vorzugsweise gasgefüllten Überspannungsableiter F1 bzw. F2 an Erde gelegt, wobei in der nicht näher bezeichneten Verbindungsleitung zwischen der Spule T1 und dem Überspannungsableiter F1 die Primärwicklung eines Stromtransformators T3 angeordnet ist. Die Sekundärspule des Stromtransformators T3 speist einen Löschkreis zur Lichtbogenlöschung der Überspannungsableiter F1 und F2.

Im vorliegenden Beispiel besteht der Löschkreis aus einer Reihenschaltung eines Thyristors V1 und eines Relais K mit parallel angeordnetem Kondensator C1, wobei diese Reihenschaltung und der als Schließer ausgebildete Kontakt K1 des Relais K parallel zur Zenerdiode V2 liegen. Die Steuerelektrode des Thyristors V1 erhält von der Sekundärspule des Stromtransformators T3 einen Zündstromimpuls. Dies kann über eine Gleichrichterschaltungsanordnung V4 erfolgen, die zwischen der genannten Sekundärwicklung und der Steuerelektrode sowie der Kathode des Thyristors V1 angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist die Steuerelektrode mit der Kathode noch durch einen Beschaltungswiderstand R elektrisch leitend verbunden.

Ein Kurzschluß des Solargenerators 1 bzw. der Funkenstrecken der Überspannungsableiter F1 und F2 für eine zur Lichtbogenlöschung ausreichende Zeit werden für den Fall eines direkten oder indirekten Blitzschlages erläutert:

Infolge des hohen Potentialunterschiedes zwischen Einschlagsort und dem Ort der Geräteaufstellung können Blitzteilströme, I Blitz, oder induzierte Ströme auf beiden Anschlußleitungen 4 und 5 zwischen den Bauelementen der Blitzschutzschaltungsanordnung und Solargenerator 1 fließen. Diese Ströme rufen z. B. an der gleichstromkompensierten Spule T1 einen derart hohen und rasch ansteigenden Spannungsabfall hervor, daß die Überspannungsableiter F1 und F2 (oder zumindest einer) zünden und die Ströme gegen Erde ableiten. Zündet nur der Ableiter F2, verlöscht der Lichtbogen im Ableiter nach Abklingen des Überstromes I Blitz, da kann keine Energiequelle zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens mehr zur Verfügung steht. Gleiches gilt, falls nur der Ableiter F1 zündet.

Zünden dagegen beide Überspannungsableiter F1 und F2 (der wahrscheinlichste Fall), treibt der Solargenerator 1 tagsüber den Strom über die Ableiter F1 und F2, der zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens auch nach Abklingen des Überstromes benötigt wird. Die Ableiter F1 und F2, die nicht löschen, solange bei Spannungen <15 Volt Gleichspannung noch mehr als ca. 100 mA über die Überspannungsableiter F1 und F2 fließen können, was bei niederohmigen Solargeneratoren der Fall ist, würden dadurch nach kurzer Zeit zerstört. Dieses wird dadurch verhindert, daß der Solargenerator 1 und damit die Reihenschaltung beider Funkenstrecken F1 und F2 für eine zur Lichtbogenlöschung ausreichende Zeit kurzgeschlossen werden. Reihenschaltungen von mehreren Überspannungsableitern zur Erzielung einer genügend großen Lichtbogenbrennspannung haben den Nachteil, daß zum Zünden der gesamten Strecke derart hohe Spannungen benötigt werden, daß unkontrollierte Überschläge gegen Erde und in den Betriebsmitteln auftreten können. Zur Lichtbogenlöschung wird beispielsweise der Überspannungsableiter F1 infolge Überspannung gezündet. Es fließt somit der Ableiterstrom I_a auch über den Stromtransformator T3. Der dabei entstehende Strompuls zündet den Thyristor V1. Der Strom durch den Thyristor wird im ersten Augenblick durch den Ladestrom von C1 bestimmt und gewährleistet sicheres Einrasten. Nach ca. 5-10 ms zieht das Relais K an und schließt über seinen Kontakt K1 die Überspannungsableiter F1 und F2 kurz. Diese erlöschen. Die Spannung an dem Kondensator C1 treibt nun einen negativen Strom durch den Thyristor V1 und sperrt diesen. Das Relais K fällt ab, und die Schutzschaltung ist wieder voll funktionstüchtig. Insgesamt sind die Überspannungsableiter ca. 100 ms kurzgeschlossen. Die Rückstromsperrdiode V3 verhindert, daß die Batterie kurzgeschlossen wird. Die Relaiskontakte brauchen nur den Generatorkurzschlußstrom zu schalten, der etwa 10% über dem Nennstrom liegt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Schutz von Ladegeräten, Schaltschränken oder Verbrauchern in photovoltaischen Energieversorgungsanlagen gegen direkten Blitzeinschlag in die Anlage, gegen die Auswirkung von indirektem Blitzeinschlag oder gegen induzierte Überspannungen, unter Verwendung einer in einer Anschlußleitung des Solargenerators zu einer Batterie bzw. zu einem Verbraucher angeordneten Rückstromsperrdiode und daß jede Anschlußleitung (4, 5) über einen gasgefüllten Überspannungsableiter (F1, F2) geerdet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (1) und die Funkenstrecken der Überspannungsableiter (F1, F2) für eine zur Lichtbogenlöschung ausreichende Zeit kurzgeschlossen werden.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Anschlußleitungen (4, 5) des Solargenerators (1) jeweils eine gleichstromkompensierte Spule (T1, T2) ausreichend großer Induktivität angeordnet ist, die auf der Seite des Verbrauchers (2) über eine Zenerdiode (V2) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, daß die eine Spule (T2) über den einen Überspannungsableiter (F2) geerdet ist, und daß die andere Spule (T1) über den anderen Überspannungsableiter (F1) und die Primärspule eines Stromtransformators (T3) geerdet ist, wobei die Sekundärspule des Stromtransformators (T3) an einen Löschkreis zur Lichtbogenlöschung der Überspannungsableiter (F1, F2) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkreis eine Reihenschaltung aus einem Thyristor (V1) und einem Relais (K) mit parallel angeordnetem Kondensator (C1) aufweist, daß die aus Thyristor (V1) und Relais (K) bestehende Reihenschaltung sowie der als Schließer ausgebildete Kontakt (K1) des Relais (K) parallel zur Zenerdiode (V2) angeordnet sind, und daß die Sekundärspule des Stromtransformators (T2) einen Zündstromimpuls an die Steuerelektrode des Thyristors (V1) abgibt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Gleichrichterschaltungsanordnung (V4), die zwischen der Sekundärwicklung des Stromtransformators (T3) und der Steuerelektrode sowie der Kathode des Thyristors (V1) angeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen die Steuerelektrode und die Kathode des Thyristors (V1) verbindenden Beschaltungswiderstand (R).