WO2023222309A1 - Method for localizing a short circuit in a dc voltage system, and electrical installation - Google Patents

Method for localizing a short circuit in a dc voltage system, and electrical installation Download PDF

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WO2023222309A1
WO2023222309A1 PCT/EP2023/059544 EP2023059544W WO2023222309A1 WO 2023222309 A1 WO2023222309 A1 WO 2023222309A1 EP 2023059544 W EP2023059544 W EP 2023059544W WO 2023222309 A1 WO2023222309 A1 WO 2023222309A1
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electronic circuit
short circuit
circuit breaker
current
time
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PCT/EP2023/059544
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Shivansh BATRA
Thomas Beckert
Michael Hein
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02H7/265—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured making use of travelling wave theory

Definitions

  • the invention relates to a method for locating a short circuit in a DC voltage system and an electrical system with electronic circuit breakers.
  • Modern semiconductor circuit breakers (English: Semiconductor Circuit Breaker, SCCB for short, sometimes also Solid State Circuit Breaker, SSCB for short; the abbreviation SCCB is used below) are able to switch off electrical circuits much more quickly in the event of a short circuit than conventional circuit breakers ( English: Circuit Breaker). This advantageously leads to no further damage occurring on the electrical circuit and in particular at the short-circuit point beyond the damage that caused the short circuit. In particular, the short-circuit currents are limited quickly and to a much lower value, as a result of which less energy is supplied to the short-circuit point.
  • An object of the present invention is therefore to provide a method for localizing a short circuit in a DC voltage system.
  • An advantage of the invention is that the evaluation of two points in time makes it possible to localize a short circuit in a direct current system.
  • Modern electronic circuit breakers have current measuring devices in the main current path as well as evaluation devices that (among other things) evaluate the current-time curve and decide whether the circuit breaker remains closed or is triggered.
  • the present invention makes use of this ability of modern electronic circuit breakers in order to obtain the specified times, preferably from an evaluation of the current-time curve that can be determined by modern electronic circuit breakers without additional sensors at a high sampling rate, or a corresponding time stamp is generated when a Electronic circuit breaker detects a reference current value during a rising current curve that ultimately leads to the electronic circuit breaker being switched off.
  • the short circuit can be localized cost-effectively.
  • the required calculation steps can advantageously be carried out by a central element, for example a controller, or cost-effectively by one of the electronic circuit breakers.
  • a central element for example a controller
  • Fig. 1 is a basic circuit diagram of a DC voltage system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 a simplified flow diagram of an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a DC voltage system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the exemplary DC voltage system 100 has a DC voltage line (busbar) 104, to which four components 110, 120, 130, 140 are connected in the example shown.
  • busbar DC voltage line
  • a representation was chosen that is typical for many applications: a central component 140 feeds electrical energy into the DC voltage system 100, which can be taken from a first component 110 at a first connection 101 and at a second connection 102 can be removed from a second component 120 and can be removed from a third component 130 at a third connection 103.
  • SCCBs Electronic semiconductor circuit breakers
  • SCCBs Electronic semiconductor circuit breakers
  • SCCBs Electronic semiconductor circuit breakers
  • SCCBs Electronic semiconductor circuit breakers
  • SCCBs only selected security devices are designed as SCCBs and Other safety devices are designed, for example, as conventional circuit breakers or as fuses. The selection of conventional circuit breakers or SCCBs can depend on the component connected in each case.
  • the safety devices 111-141 are designed as electronic circuit breakers and have current measuring means for measuring the current flowing through the respective semiconductor circuit breaker.
  • the second component 120 and the third component 130 will be considered below, which are separably connected to the DC voltage line 104 by means of two SCCBs 121, 131.
  • the first, second and third components 110-130 are consumers or Loads that take the energy fed in by the central component 140 from the DC voltage system 100.
  • some or all of the components 110-130 may be sources and the central component 140 may be a component which, in the event of an excess of energy in the DC voltage system 100, releases this energy to a higher-level network (not shown).
  • components which, in addition to being coupled to the DC voltage line 103 by means of electronic circuit breakers, have capacitive elements, for example capacitors such as backup capacitors. This is assumed below for the second and third components.
  • the remaining components, in particular the central components 140, can of course also have capacitive elements.
  • Capacitive elements are common in DC components. Voltage converters of all kinds, for example Direct voltage to direct voltage (DC/DC) converters or direct voltage to alternating voltage (DC/AC) converters practically always have capacitive elements in the form of capacitors, especially in the DC intermediate circuit.
  • DC/DC Direct voltage to direct voltage
  • DC/AC direct voltage to alternating voltage
  • the DC voltage network 100 is a so-called DC microgrid, in which all in Fig. 1 components 110, 120, 130, 140 shown have corresponding capacitors.
  • Capacitances also occur in grounding circuits, so-called earth boxes.
  • Earth boxes for DC applications are characterized by the fact that both poles are connected to earth potential via a capacitor. Accordingly, Earth Boxes always have a certain amount of electrical charge and therefore a certain amount of electrical energy that can be released. Looking at the Fig. 1, some or all of the DC voltage lines leading to the components can be secured using an earth box (not shown).
  • the electronic circuit breakers 121, 131 of at least those components 120, 130 will usually be triggered. switch off that have capacitive elements, since these capacitances release their energy into the short circuit, which will be significantly lower-resistance than the usual energy flow path away from the respective capacitance, regardless of whether the respective component 120, 130 is a load or a Source is .
  • the capacitors/capacitors of the third component 130 begin to discharge into the short circuit.
  • the third electronic circuit breaker 131 uses its current measuring means to detect the current increase and the absolute value of the current and switches off in accordance with the switch-off conditions stored in the third electronic circuit breaker, for example if the current increase exceeds a certain value and / or if the absolute value of the current increased by the third electronic circuit breaker 131 flowing current exceeds a certain value.
  • the first point in time that is determined is the point in time at which the current flowing through the third electronic circuit breaker 131 is before or after. reaches a certain reference current value during the switch-off process.
  • a value below the current value at which the electronic circuit breaker 131 switches off is preferably selected as the reference current value, which is described in detail below, but can be set to this value in exemplary embodiments.
  • the capacitances/capacitors of the second component 120 will also discharge into the short circuit at point 103. Due to the inductance of the section of the DC voltage line between the connection point 102 of the second component to the DC voltage line 104 and the short circuit at point 103, the drop in the line voltage at point 102 is slightly delayed compared to the drop in the line voltage at point 103, which is why the discharging process of the capacitors / capacitors of the second component 120 in the short circuit occurs with a time delay compared to the discharging process of the capacitances/capacitors of the third component 130.
  • the second electronic circuit breaker 121 detects the current increase and the absolute value of the current by means of its current measuring means and switches off according to the switch-off conditions stored in the second electronic circuit breaker, for example when the current increase exceeds a certain value and / or when the absolute value of the current flowing through the second electronic circuit breaker 121 Current exceeds a certain value.
  • the second point in time is now determined as the point in time at which the current flowing through the second electronic circuit breaker 121 is before or after. reaches the reference current value during the switch-off process.
  • the determination of the two points in time does not have to take place in real time.
  • the current-time curves that lead to the electronic circuit breakers 121, 131 being switched off can be stored (temporarily) in storage means and the determination of the two points in time at which the current flowing through the electronic circuit breakers 121, 131 reaches the reference current value , can then be done subsequently based on the stored data, if necessary. through interpolation of the discrete-time measured values.
  • the storage means can be part of the electronic circuit breaker or part of a control device (not shown) of the DC voltage system 100, which in turn can be integrated in one of the electronic circuit breakers, which then represents a type of master circuit breaker (not shown).
  • a control device not shown
  • the storage means can be part of the electronic circuit breaker or part of a control device (not shown) of the DC voltage system 100, which in turn can be integrated in one of the electronic circuit breakers, which then represents a type of master circuit breaker (not shown).
  • the times are brought together in a processing unit and that the respective clocks or Time stamp generators of the electronic circuit breakers 121, 131 are synchronized or any clock deviations are subsequently taken into account.
  • Data exchange and if necessary. Clock synchronization are indicated by the dashed lines 105 and, as already mentioned, can be a central control or. Include processing facility.
  • the electronic circuit breakers 111, 141 of components 110, 140 that are further away from the short circuit switch off later if the components 110, 140 have capacities or are sources. This in turn delayed switching off occurs for the reasons already explained in connection with switching off the second electronic circuit breaker. In embodiments of the present invention, the times at which the current flowing through them reaches the reference current value are also determined for these circuit breakers.
  • Fig. 1 shows an example of a case in which the component 140 is the connection of the DC voltage system 100 to a higher-level network
  • the electronic circuit breaker 141 assigned to this component will typically have a different dimensioning and/or tripping characteristic than the electronic circuit breakers of the individual branches. In particular, its rated current and tripping current will be higher. It does not matter whether energy is taken from the higher-level network (components 110, 120, 130 are therefore primarily consumers) or whether energy is released into the higher-level network (components 110, 120, 130 are sources, for example renewable sources electrical energy such as photovoltaic systems or energy storage such as batteries or flywheels).
  • the method starts in step 210 with the already mentioned determination of the first point in time at which the current flowing through the electronic circuit breaker that first switches off due to a short circuit in the DC voltage line 104 corresponds to a reference current value.
  • this is the time at which the current flowing through the third electronic circuit breaker 131 reaches the reference current value for the first time before or during switching off.
  • the determination can take place in real time or quasi-real time during the shutdown process or subsequently by evaluating stored measured values and their time stamps.
  • the method can be started when a current increase indicating a short circuit is detected in one of the electronic circuit breakers of the DC voltage system 100.
  • the method can be started by an operator who examines the system 100 after it has been switched off due to the short circuit, in which case the method runs on the basis of stored measured values.
  • the method continues with the already mentioned determination of the second point in time at which the current flowing through the electronic circuit breaker that switches off second due to the short circuit in the DC voltage line 104 corresponds to the reference current value. In the case considered here as an example, in which there is a short circuit at point 103, this is the time at which the current flowing through the second electronic circuit breaker 121 reaches the reference current value for the first time before or during switching off.
  • the determination can in turn be carried out during the switch-off process in real time or quasi-real time or subsequently by evaluating stored measured values and their time stamps.
  • step 230 the substeps described in step 220 are carried out for further electronic circuit breakers of the DC voltage system 100 and further points in time are determined.
  • step 240 the times determined in steps 210, 220 and optionally 230 are evaluated.
  • the relationship between the first and second points in time is considered, optionally the first and each further point in time.
  • differences are particularly important, i.e. H .
  • the time difference At between the second time t2 and the first time tl is determined, i.e. H .
  • At t2 - tl.
  • the sign of At is taken into account
  • At is positive and corresponds to the largest possible value.
  • At is negative and corresponds to the smallest possible value.
  • the timestamps can first be sorted in ascending order in step 240. The method described above is then carried out with the proviso that tl corresponds to the first, i.e. H . oldest, timestamp and t2 the second, d . H . second oldest, timestamp corresponds to .
  • a determination or at least an estimate of the time tO of the short circuit can be made, which can then be used to determine the time differences between the time stamps tl and . t2 on the one hand and tO on the other hand are determined and related to each other.
  • tl and Atl are assigned to the SCCB that triggers first, as already described above, and t2 and At2 are assigned to the SCCB that triggers second.
  • r At2/Atl
  • the determination or estimation of the time tO can be carried out in exemplary embodiments of the invention based on the increase in the current in the first-triggering SCCB, for example by linear interpolation of current values stored in the first-triggering SCCB before and during the shutdown due to the short circuit.
  • the time at which the linearly interpolated current increase began can be approximately determined as tO.
  • a value below the current value at which the SCCB with the lowest nominal current value in the DC voltage system 100 switches off in the event of a short circuit is preferably selected as the reference current value, the achievement of which is determined at least at times tl, t2 when the SCCB is switched off .
  • SCCB 111, 121, 131, 141 with different nominal current values are installed.
  • Fig. 1 exemplarily outlines the component 140 of the connection of the DC voltage system 100 to a higher-level network. Therefore, the SCCB 141 assigned to this component generally has a higher rated current than the SCCB 111, 121, 131 of the individual branches 110, 120, 130.
  • an excess of the rated current by a certain value is tolerated for a certain time before the SCCB in question switches off, for example an overcurrent of 20% for 30 seconds or 1 minute.
  • this tripping behavior can be precisely parameterized; the permissible number of repetitions of such tolerable overcurrent events in a certain unit of time can also be parameterized, for example, so that if this number is exceeded, they are also triggered. is switched off if the individual event could be viewed as tolerable in itself.
  • This tolerable overcurrent value forms the lower limit for the selection of the reference current value Ir, i.e. Ir > 1, 2 * In in the example described above.
  • the upper limit for Ir results from the maximum current value that is achieved by the SCCB 111, 121, 131 during a short-circuit shutdown. This value also depends on the selected parameterization of the SCCB. For example, an SCCB may be parameterized to tolerate a very high inrush current and must accordingly be able to distinguish an inrush current from a short circuit event, for example based on the increase in current flowing through the SCCB and/or the duration of the current event. In many practical applications, the current value at which a short-circuit shutdown occurs is likely to be approximately 4- times to 5 times the nominal current In, so to simplify Ir ⁇ 4 * In.
  • a value which satisfies the following conditions can therefore be selected as the reference current value for the present invention: 1, 2 * In ⁇ Ir ⁇ 4 * In, where In is the lowest rated current value of the SCCB 111, 121, 131, 141 connected to the DC voltage line 104 .
  • step 250 the result of the calculations described in detail above is output or prepared for output to an operator and the method is ended.
  • the procedure can be carried out in real time or after a short circuit event using the data stored in the SCCB.
  • data exchange and clock synchronization 105 between the SCCB can be dispensed with. This exemplary embodiment is described below.
  • SCCB 121 and 131 are the SCCB 121 and 131 in accordance with the description above.
  • An operator uses a portable device, for example a smartphone with a suitable app, which can be temporarily connected to this SCCB for data exchange (wirelessly using a radio or flashing signal or wired), and calls up the current-time history stored in the SCCB 121 in connection with the short-circuit shutdown.
  • the discrepancy between the clock of the portable device and the clock of the SCCB 121 is determined and stored. This process is repeated for SCCB 131.
  • the time stamps of the non-synchronized clocks of the SCCB 121, 131 can subsequently be related to one another.
  • this step can be omitted if the SCCB clocks are synchronized.
  • the portable device determines tl and t2 according to the method described above.
  • a preset value can be used as the reference current value.
  • the only possible values for Ir are those that are passed through by both SCCBs under consideration during the respective short-circuit-related shutdown process and are preferably only passed through once during the current increase.
  • the (if necessary subsequently synchronized) timestamps of when Ir was reached by the two SCCBs can be used. were obtained by interpolation of the sample values for the current, which is related to Fig. 2 explained procedures are carried out on the portable device and the result is displayed to the operator.
  • the evaluation described above can of course also be carried out by a central device or a control center.
  • control includes those in the SCCB includes controllers, processors and processing units used in the broadest sense, for example universal processors, digital signal processors, application-specific integrated circuits (AS ICs), programmable logic circuits such as FPGAs, discrete analog or digital
  • Processors can consist of one or more devices. If a processor consists of several devices, they can be configured to process instructions in parallel or sequentially.

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Abstract

The present invention relates to a method for localizing a short circuit in a DC voltage system (100), wherein the DC voltage system has a DC voltage line (104) and at least two components (110, 120, 130, 140) which each have a capacitance and which are each connected to the DC voltage line disconnectably by means of an electronic circuit breaker (111, 121, 131, 141). The electronic circuit breakers each have current measuring means for measuring the current flowing through the circuit breaker in question. According to the method, a first point in time is determined, at which the current flowing through the electronic circuit breaker that switches off first owing to a short circuit in the DC voltage line corresponds to a reference current value. Furthermore, a second point in time is determined, at which the current flowing through the electronic circuit breaker that switches off second owing to the short circuit in the DC voltage line corresponds to the reference current value, and the approximate distance between the short circuit and one of the two electronic circuit breakers is calculated from the determined points in time.

Description

Beschreibung Description
Verfahren zur Lokalisierung eines Kurzschlusses in einem Gleichspannungssystem sowie elektrische Anlage Method for locating a short circuit in a DC voltage system and electrical system
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Lokalisierung eines Kurzschlusses in einem Gleichspannungssystem sowie eine elektrische Anlage mit elektronischen Schutzschaltern . The invention relates to a method for locating a short circuit in a DC voltage system and an electrical system with electronic circuit breakers.
Moderne Halbleiter-Leistungsschalter ( englisch : Semiconductor Circuit Breaker, kurz SCCB, mitunter auch Solid State Circuit Breaker, kurz SSCB ; im Folgenden wird die Abkürzung SCCB verwendet ) sind in der Lage , elektrische Stromkreise im Kurzschluss fall sehr viel schneller abzuschalten als herkömmliche Leistungsschalter ( englisch : Circuit Breaker ) . Das führt vorteilhafterweise dazu, dass am elektrischen Stromkreis und insbesondere an der Kurzschlussstelle keine weiteren, über die den Kurzschluss auslösende Beschädigung hinausgehenden Schäden auftreten . Insbesondere werden die Kurzschlussströme rasch und auf einen viel geringeren Wert begrenzt , wodurch der Kurzschlussstelle weniger Energie zugeführt wird . Modern semiconductor circuit breakers (English: Semiconductor Circuit Breaker, SCCB for short, sometimes also Solid State Circuit Breaker, SSCB for short; the abbreviation SCCB is used below) are able to switch off electrical circuits much more quickly in the event of a short circuit than conventional circuit breakers ( English: Circuit Breaker). This advantageously leads to no further damage occurring on the electrical circuit and in particular at the short-circuit point beyond the damage that caused the short circuit. In particular, the short-circuit currents are limited quickly and to a much lower value, as a result of which less energy is supplied to the short-circuit point.
Entsprechend kommt es in von SCCB geschützten Stromkreisen meist nicht zu den typischen, durch die Umwandlung der Kurzschlussenergie in thermische Energie hervorgerufenen Kurzschlussmerkmalen wie Rauch- oder Geruchsentwicklung, Verfärbungen oder anderen sichtbaren Schäden, was die anschließende Fehlersuche erheblich erschwert . Accordingly, in circuits protected by SCCB, the typical short-circuit characteristics caused by the conversion of short-circuit energy into thermal energy, such as smoke or odor development, discoloration or other visible damage, usually do not occur, which makes subsequent troubleshooting considerably more difficult.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Lokalisierung eines Kurzschlusses in einem Gleichspannungssystem anzugeben . An object of the present invention is therefore to provide a method for localizing a short circuit in a DC voltage system.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch eine elektrische Anlage mit elektronischen Schutzschaltern . Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben . This task is solved by a method with the features of independent patent claim 1 and by an electrical system with electronic circuit breakers. Advantageous developments of the present invention are specified in the subclaims.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch Auswertung von zwei Zeitpunkten die Lokalisierung eines Kurzschlusses in einem Gleichstromsystem ermöglicht wird . Moderne elektronische Schutzschalter weisen Strommessmittel im Hauptstrompfad auf sowie Auswertemittel , die (unter anderem) den Strom-Zeit-Verlauf auswerten und entscheiden, ob der Schutzschalter geschlossen bleibt oder ausgelöst wird . Diese Fähigkeit moderner elektronischer Schutzschalter macht sich die vorliegende Erfindung zunutze , um die genannten Zeitpunkte vorzugsweise aus einer Auswertung des von modernen elektronischen Schutzschaltern ohne zusätzliche Sensoren mit hoher Abtastrate ermittelbaren Strom-Zeit-Verlaufs zu gewinnen, oder es wird ein entsprechender Zeitstempel generiert , wenn ein elektronischer Schutzschalter während eines ansteigenden und schließlich zum Abschalten des elektronischen Schutzschalters führenden Stromverlaufs einen Referenzstromwert detektiert . Durch Auswertung der mit hoher Präzision ermittelbaren Zeitpunkte von mindestens zwei an der gleichen Gleichspannungsleitung angeschlossenen elektronischen Schutzschaltern kann dann anhand der Topologie , d . h . anhand der Anordnung der elektronischen Schutzschalter entlang der Gleichspannungsleitung, die Lokalisierung des Kurzschlusses kostengünstig erfolgen . An advantage of the invention is that the evaluation of two points in time makes it possible to localize a short circuit in a direct current system. Modern electronic circuit breakers have current measuring devices in the main current path as well as evaluation devices that (among other things) evaluate the current-time curve and decide whether the circuit breaker remains closed or is triggered. The present invention makes use of this ability of modern electronic circuit breakers in order to obtain the specified times, preferably from an evaluation of the current-time curve that can be determined by modern electronic circuit breakers without additional sensors at a high sampling rate, or a corresponding time stamp is generated when a Electronic circuit breaker detects a reference current value during a rising current curve that ultimately leads to the electronic circuit breaker being switched off. By evaluating the times of at least two electronic circuit breakers connected to the same DC voltage line, which can be determined with high precision, it is then possible to use the topology, i.e. H . Based on the arrangement of the electronic circuit breakers along the DC voltage line, the short circuit can be localized cost-effectively.
Dabei können die erforderlichen Berechnungsschritte vorteilhaft durch ein zentrales Element , beispielsweise eine Steuerung oder kostengünstig durch einen der elektronischen Schutzschalter durchgeführt werden . Alternativ ist es möglich, die Berechnungsschritte auf mehrere elektronische Schutzschalter zu verteilen oder die Berechnungsschritte durch alle elektronischen Schutzschalter, die über die notwendigen Daten verfügen, durchführen zu lassen . Dies hat den Vorteil , dass die ungefähre Lage des Kurzschlusses dann auf allen Schutzschaltern des Systems zur Anzeige gebracht werden kann oder durch ein temporär drahtlos oder drahtgebunden koppelbares externes Gerät ausgelesen werden kann . The required calculation steps can advantageously be carried out by a central element, for example a controller, or cost-effectively by one of the electronic circuit breakers. Alternatively, it is possible to distribute the calculation steps across several electronic circuit breakers or to have the calculation steps carried out by all electronic circuit breakers that have the necessary data. This has the advantage that the approximate location of the short circuit can then be displayed on all circuit breakers in the system or can be read by an external device that can be temporarily connected wirelessly or wired.
Im folgenden werden Aus führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert . In the following, exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail with reference to drawings.
Darin zeigen : Show in it:
Fig . 1 ein Prinzipschaltbild eines Gleichspannungssystems gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und Fig. 1 is a basic circuit diagram of a DC voltage system according to an exemplary embodiment of the present invention; and
Fig . 2 ein vereinfachtes Ablauf diagramm eines Aus führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens . Fig. 2 a simplified flow diagram of an exemplary embodiment of the method according to the invention.
Fig . 1 ein Prinzipschaltbild eines Gleichspannungssystems 100 gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung . Das beispielhafte Gleichspannungssystem 100 weist eine Gleichspannungsleitung ( engl . : Busbar ) 104 auf , an welche im dargestellten Beispiel vier Komponenten 110 , 120 , 130 , 140 angeschlossen sind . Dabei wurde ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine Darstellung gewählt , die für viele Anwendungsfälle typisch ist : eine zentrale Komponente 140 speist elektrische Energie in das Gleichspannungssystem 100 ein, welche an einem ersten Anschluss 101 von einer ersten Komponente 110 entnommen werden kann, an einem zweiten Anschluss 102 von einer zweiten Komponenten 120 entnommen werden kann und an einem dritten Anschluss 103 von einer dritten Komponente 130 entnommen werden kann . Fig. 1 is a schematic diagram of a DC voltage system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention. The exemplary DC voltage system 100 has a DC voltage line (busbar) 104, to which four components 110, 120, 130, 140 are connected in the example shown. Without limiting the generality, a representation was chosen that is typical for many applications: a central component 140 feeds electrical energy into the DC voltage system 100, which can be taken from a first component 110 at a first connection 101 and at a second connection 102 can be removed from a second component 120 and can be removed from a third component 130 at a third connection 103.
Jede der genannten Komponenten ist über eine Sicherungsvorrichtung 111 , 121 , 131 , 141 trennbar mit der Gleichspannungsleitung verbunden . Dabei kommen vorzugsweise für alle Sicherungsvorrichtungen elektronische Halbleiter-Leistungsschalter ( SCCB ) der eingangs genannten Art zum Einsatz , die j eweils Strommessmittel zum Messen des durch den j eweiligen Halbleiter-Leistungsschalter fließenden Stroms aufweisen . In anderen Aus führungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind nur ausgewählte Sicherungsvorrichtungen als SCCB ausgebildet und andere Sicherungsvorrichtungen sind beispielsweise als herkömmliche Leistungsschalter oder als Schmel zsicherungen ausgebildet . Die Auswahl herkömmlicher Leistungsschalter oder SCCB kann dabei abhängig von der j eweils angeschlossenen Komponente erfolgen . Each of the components mentioned is separably connected to the DC voltage line via a safety device 111, 121, 131, 141. Electronic semiconductor circuit breakers (SCCBs) of the type mentioned above are preferably used for all safety devices, each of which has current measuring means for measuring the current flowing through the respective semiconductor circuit breaker. In other exemplary embodiments of the present invention, only selected security devices are designed as SCCBs and Other safety devices are designed, for example, as conventional circuit breakers or as fuses. The selection of conventional circuit breakers or SCCBs can depend on the component connected in each case.
Für die vorliegende Erfindung ist es lediglich erforderlich, dass mindestens zwei der Sicherungsvorrichtungen 111- 141 als elektronische Schutzschalter ausgebildet sind und über Strommessmittel zum Messen des durch den j eweiligen Halbleiter- Leistungsschalter fließenden Stroms verfügen . Ohne Beschränkung der Allgemeinheit werden im Folgenden vorrangig die zweite Komponente 120 und die dritte Komponente 130 betrachtet , die mittels zweier SCCB 121 , 131 trennbar mit der Gleichspannungsleitung 104 verbunden sind . For the present invention it is only necessary that at least two of the safety devices 111-141 are designed as electronic circuit breakers and have current measuring means for measuring the current flowing through the respective semiconductor circuit breaker. Without limiting the generality, the second component 120 and the third component 130 will be considered below, which are separably connected to the DC voltage line 104 by means of two SCCBs 121, 131.
Bei der ersten, zweiten und dritten Komponente 110- 130 handelt es sich im betrachteten Beispiel um Verbraucher bzw . Lasten, welche die von der zentralen Komponente 140 eingespeiste Energie aus dem Gleichspannungssystem 100 entnehmen . In anderen Aus führungsbeispielen kann es sich bei einigen oder allen Komponenten 110- 130 um Quellen handeln und bei der zentralen Komponente 140 um eine Komponente , welche im Fall eines Energieüberschusses im Gleichspannungssystem 100 diese Energie an ein übergeordnetes Netz (nicht dargestellt ) abgibt . In the example under consideration, the first, second and third components 110-130 are consumers or Loads that take the energy fed in by the central component 140 from the DC voltage system 100. In other exemplary embodiments, some or all of the components 110-130 may be sources and the central component 140 may be a component which, in the event of an excess of energy in the DC voltage system 100, releases this energy to a higher-level network (not shown).
Relevant für die vorliegende Erfindung sind Komponenten, die neben der Kopplung an die Gleichspannungsleitung 103 mittels elektronischer Schutzschalter kapazitive Elemente aufweisen, beispielsweise Kondensatoren wie Stützkondensatoren . Dies sei im folgenden für die zweite und dritte Komponente angenommen . Die übrigen Komponenten, insbesondere die zentrale Komponenten 140 , können natürlich ebenfalls kapazitive Elemente aufweisen . Relevant to the present invention are components which, in addition to being coupled to the DC voltage line 103 by means of electronic circuit breakers, have capacitive elements, for example capacitors such as backup capacitors. This is assumed below for the second and third components. The remaining components, in particular the central components 140, can of course also have capacitive elements.
Kapazitive Elemente treten in Gleichspannungskomponenten häufig auf . Spannungswandler aller Art , beispielsweise Gleichspannung- zu-Gleichspannung ( DC/DC ) Wandler oder Gleich- spannung- zu-Wechselspannung ( DC/AC ) Wandler, weisen praktisch immer kapazitive Elemente in Form von Kondensatoren, insbesondere im DC Zwischenkreis , auf . In einem typischen Anwendungs fall handelt es sich beim Gleichspannungsnetzwerk 100 um ein sogenanntes DC Microgrid, bei dem alle in Fig . 1 dargestellten Komponenten 110 , 120 , 130 , 140 entsprechende Kondensatoren aufweisen . Capacitive elements are common in DC components. Voltage converters of all kinds, for example Direct voltage to direct voltage (DC/DC) converters or direct voltage to alternating voltage (DC/AC) converters practically always have capacitive elements in the form of capacitors, especially in the DC intermediate circuit. In a typical application, the DC voltage network 100 is a so-called DC microgrid, in which all in Fig. 1 components 110, 120, 130, 140 shown have corresponding capacitors.
Zudem treten Kapazitäten in Erdungsschaltungen, sogenannten Earth Boxes , auf . Earth Boxes für Gleichspannungsanwendungen zeichnen sich dadurch aus , dass beide Pole über j eweils einen Kondensator mit dem Erdpotential verbunden sind . Entsprechend weisen Earth Boxes stets eine bestimmte Menge elektrischer Ladung und damit eine bestimmte Menge freisetzbarer elektrischer Energie auf . Mit Blick auf die Fig . 1 können einige oder alle zu den Komponenten führenden Gleichspannungsleitungen mittels Earth Box gesichert sein (nicht dargestellt ) . Capacitances also occur in grounding circuits, so-called earth boxes. Earth boxes for DC applications are characterized by the fact that both poles are connected to earth potential via a capacitor. Accordingly, Earth Boxes always have a certain amount of electrical charge and therefore a certain amount of electrical energy that can be released. Looking at the Fig. 1, some or all of the DC voltage lines leading to the components can be secured using an earth box (not shown).
Im Fall eines Kurzschlusses entlang der Gleichspannungsleitung 104 werden in aller Regel die elektronischen Schutzschalter 121 , 131 zumindest auch derj enigen Komponenten 120 , 130 auslösen bzw . ausschalten, die kapazitive Elemente aufweisen, da diese Kapazitäten ihre Energie in den Kurzschluss abgeben, der deutlich niederohmiger sein wird als der übliche Energieflussweg weg von der j eweiligen Kapazität , und zwar unabhängig davon, ob die j eweilige Komponente 120 , 130 eine Last oder eine Quelle ist . In the event of a short circuit along the DC voltage line 104, the electronic circuit breakers 121, 131 of at least those components 120, 130 will usually be triggered. switch off that have capacitive elements, since these capacitances release their energy into the short circuit, which will be significantly lower-resistance than the usual energy flow path away from the respective capacitance, regardless of whether the respective component 120, 130 is a load or a Source is .
Tritt beispielsweise ein Kurzschluss am Punkt 103 auf , beginnen sich die Kapazitäten / Kondensatoren der dritten Komponente 130 in den Kurzschluss hinein zu entladen . Der dritte elektronische Schutzschalter 131 detektiert mittels seines Strommessmittels den Stromanstieg und den Absolutwert des Stroms und schaltet gemäß der im dritten elektronischen Schutzschalter hinterlegten Abschaltbedingungen ab, beispielsweise wenn der Stromanstieg einen bestimmten Wert übersteigt und/oder wenn der Absolutwert des durch den dritten elektronischen Schutzschalter 131 fließenden Stroms einen bestimmten Wert übersteigt . For example, if a short circuit occurs at point 103, the capacitors/capacitors of the third component 130 begin to discharge into the short circuit. The third electronic circuit breaker 131 uses its current measuring means to detect the current increase and the absolute value of the current and switches off in accordance with the switch-off conditions stored in the third electronic circuit breaker, for example if the current increase exceeds a certain value and / or if the absolute value of the current increased by the third electronic circuit breaker 131 flowing current exceeds a certain value.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun als erster Zeitpunkt der Zeitpunkt ermittelt , zu dem der durch den dritten elektronischen Schutzschalter 131 fließende Strom vor bzw . während des Abschaltvorgangs einen bestimmten Referenzstromwert erreicht . Als Referenzstromwert , der weiter unten im Detail beschrieben ist , wird vorzugsweise ein Wert unterhalb des Stromwertes gewählt , bei dem der elektronische Schutzschalter 131 ausschaltet , kann aber in Aus führungsbeispielen auf diesen Wert festgelegt werden . According to the present invention, the first point in time that is determined is the point in time at which the current flowing through the third electronic circuit breaker 131 is before or after. reaches a certain reference current value during the switch-off process. A value below the current value at which the electronic circuit breaker 131 switches off is preferably selected as the reference current value, which is described in detail below, but can be set to this value in exemplary embodiments.
Auch die Kapazitäten / Kondensatoren der zweiten Komponente 120 werden sich in den Kurzschluss im Punkt 103 hinein entladen . Aufgrund der Induktivität des Abschnitts der Gleichspannungsleitung zwischen dem Anschlusspunkt 102 der zweiten Komponente an die Gleichspannungsleitung 104 und dem Kurzschluss am Punkt 103 verzögert sich der Abfall der Leitungsspannung am Punkt 102 gegenüber dem Abfall der Leitungsspannung am Punkt 103 etwas , weswegen der Entladevorgang der Kapazitäten / Kondensatoren der zweiten Komponente 120 in den Kurzschluss zeitverzögert gegenüber dem Entladevorgang der Kapazitäten / Kondensatoren der dritten Komponente 130 einsetzt . Der zweite elektronische Schutzschalter 121 detektiert den Stromanstieg und den Absolutwert des Stroms mittels seines Strommessmittels und schaltet gemäß der im zweiten elektronischen Schutzschalter hinterlegten Abschaltbedingungen ab, beispielsweise wenn der Stromanstieg einen bestimmten Wert übersteigt und/oder wenn der Absolutwert des durch den zweiten elektronischen Schutzschalter 121 fließenden Stroms einen bestimmten Wert übersteigt . The capacitances/capacitors of the second component 120 will also discharge into the short circuit at point 103. Due to the inductance of the section of the DC voltage line between the connection point 102 of the second component to the DC voltage line 104 and the short circuit at point 103, the drop in the line voltage at point 102 is slightly delayed compared to the drop in the line voltage at point 103, which is why the discharging process of the capacitors / capacitors of the second component 120 in the short circuit occurs with a time delay compared to the discharging process of the capacitances/capacitors of the third component 130. The second electronic circuit breaker 121 detects the current increase and the absolute value of the current by means of its current measuring means and switches off according to the switch-off conditions stored in the second electronic circuit breaker, for example when the current increase exceeds a certain value and / or when the absolute value of the current flowing through the second electronic circuit breaker 121 Current exceeds a certain value.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun als zweiter Zeitpunkt der Zeitpunkt ermittelt , zu dem der durch den zweiten elektronischen Schutzschalter 121 fließende Strom vor bzw . während des Abschaltvorgangs den Referenzstromwert erreicht . Die Ermittlung der beiden Zeitpunkte muss dabei nicht in Echtzeit erfolgen . Beispielsweise können die Strom-Zeit- Verläufe , die zum Abschalten der elektronischen Schutzschalter 121 , 131 führen, in Speichermitteln ( zwischen- ) gespeichert werden und die Ermittlung der beiden Zeitpunkte , zu denen der durch die elektronischen Schutzschalter 121 , 131 fließende Strom den Referenzstromwert erreicht , kann dann nachträglich anhand der gespeicherten Daten erfolgen, ggf . durch Interpolation der zeitdiskret ermittelten Messwerte . Die Speichermittel können dabei Bestandteil der elektronischen Schutzschalter sein oder Bestandteil einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt ) des Gleichspannungssystems 100 , die ihrerseits in einem der elektronischen Schutzschalter integriert sein kann, welcher dann eine Art Master- Schutzschalter darstellt (nicht dargestellt ) . Für die im folgenden beschriebenen Schritte ist es lediglich erforderlich, dass die Zeitpunkte in einer Verarbeitungseinheit zusammengeführt werden und dass die j eweiligen Uhren bzw . Zeitstempelgeneratoren der elektronischen Schutzschalter 121 , 131 synchronisiert sind oder etwaige Uhrenabweichungen nachträglich berücksichtigt werden . Datenaustausch und ggf . Uhrensynchronisation sind durch die gestrichelten Linien 105 angedeutet und können wie bereits erwähnt eine zentrale Steuer- bzw . Verarbeitungseinrichtung einschließen . According to the present invention, the second point in time is now determined as the point in time at which the current flowing through the second electronic circuit breaker 121 is before or after. reaches the reference current value during the switch-off process. The determination of the two points in time does not have to take place in real time. For example, the current-time curves that lead to the electronic circuit breakers 121, 131 being switched off can be stored (temporarily) in storage means and the determination of the two points in time at which the current flowing through the electronic circuit breakers 121, 131 reaches the reference current value , can then be done subsequently based on the stored data, if necessary. through interpolation of the discrete-time measured values. The storage means can be part of the electronic circuit breaker or part of a control device (not shown) of the DC voltage system 100, which in turn can be integrated in one of the electronic circuit breakers, which then represents a type of master circuit breaker (not shown). For the steps described below it is only necessary that the times are brought together in a processing unit and that the respective clocks or Time stamp generators of the electronic circuit breakers 121, 131 are synchronized or any clock deviations are subsequently taken into account. Data exchange and if necessary. Clock synchronization are indicated by the dashed lines 105 and, as already mentioned, can be a central control or. Include processing facility.
Die elektronischen Schutzschalter 111 , 141 weiter vom Kurzschluss entfernt liegender Komponenten 110 , 140 schalten wiederum später ab, sofern die Komponenten 110 , 140 Kapazitäten aufweisen oder Quellen sind . Dieses wiederum verzögerte Abschalten erfolgt aus den im Zusammenhang mit dem Abschalten des zweiten elektronischen Schutzschalters bereits erläuterten Gründen . In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden auch für diese Schutzschalter die Zeitpunkte ermittelt , zu denen der durch sie fließende Strom den Referenzstromwert erreicht . The electronic circuit breakers 111, 141 of components 110, 140 that are further away from the short circuit switch off later if the components 110, 140 have capacities or are sources. This in turn delayed switching off occurs for the reasons already explained in connection with switching off the second electronic circuit breaker. In embodiments of the present invention, the times at which the current flowing through them reaches the reference current value are also determined for these circuit breakers.
In dem in Fig . 1 beispielhaft ski z zierten Fall , in dem die Komponente 140 der Anbindung des Gleichspannungssystems 100 an ein übergeordnetes Netz dient , wird typischerweise der dieser Komponente zugeordnete elektronische Schutzschalter 141 eine andere Dimensionierung und/oder Auslösecharakteristik aufweisen als die elektronischen Schutzschalter der einzelnen Abzweige . Insbesondere wird dessen Nennstrom und Auslösestrom höher sein . Dabei kommt es nicht darauf an, ob Energie aus dem übergeordneten Netz entnommen wird (Komponenten 110 , 120 , 130 also primär Verbraucher sind) oder ob Energie in das übergeordnete Netz abgegeben wird (Komponenten 110 , 120 , 130 also Quellen sind, beispielsweise Quellen regenerativer elektrischer Energie wie Photovoltaik-Anlagen oder Energiespeicher wie beispielsweise Batterien oder Flywheels ) . In the one shown in Fig. 1 shows an example of a case in which the component 140 is the connection of the DC voltage system 100 to a higher-level network, the electronic circuit breaker 141 assigned to this component will typically have a different dimensioning and/or tripping characteristic than the electronic circuit breakers of the individual branches. In particular, its rated current and tripping current will be higher. It does not matter whether energy is taken from the higher-level network (components 110, 120, 130 are therefore primarily consumers) or whether energy is released into the higher-level network (components 110, 120, 130 are sources, for example renewable sources electrical energy such as photovoltaic systems or energy storage such as batteries or flywheels).
Anhand von Fig . 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren im folgenden mit weiteren Details erläutert . Das Verfahren startet im Schritt 210 mit der bereits erwähnten Ermittlung des ersten Zeitpunkts , zu welchem der durch den zuerst aufgrund eines Kurzschlusses in der Gleichspannungsleitung 104 ausschaltende elektronische Schutzschalter fließende Strom einem Referenzstromwert entspricht . Im hier beispielhaft betrachteten Fall , bei dem ein Kurzschluss am Punkt 103 vorliegt , ist dies der Zeitpunkt , zu dem der durch den dritten elektronischen Schutzschalter 131 fließende Strom vor oder während des Abschaltens erstmals den Referenzstromwert erreicht . Die Ermittlung kann dabei , wie bereits erwähnt , während des Abschaltvorgangs in Echtzeit oder Quasi-Echtzeit erfolgen oder nachträglich durch Auswertung gespeicherter Messwerte und deren Zeitstempel . Based on Fig. 2, the method according to the invention is explained below with further details. The method starts in step 210 with the already mentioned determination of the first point in time at which the current flowing through the electronic circuit breaker that first switches off due to a short circuit in the DC voltage line 104 corresponds to a reference current value. In the case considered here as an example, in which there is a short circuit at point 103, this is the time at which the current flowing through the third electronic circuit breaker 131 reaches the reference current value for the first time before or during switching off. As already mentioned, the determination can take place in real time or quasi-real time during the shutdown process or subsequently by evaluating stored measured values and their time stamps.
Das Verfahren kann dabei gestartet werden, wenn in einem der elektronischen Schutzschalter des Gleichspannungssystems 100 ein auf einen Kurzschluss hindeutender Stromanstieg detek- tiert wird . Alternativ kann das Verfahren durch einen Bediener gestartet werden, der die Anlage 100 nach deren Abschalten aufgrund des Kurzschlusses untersucht , wobei in diesem Fall das Verfahren auf Basis gespeicherter Messwerte abläuft . Im Schritt 220 setzt sich das Verfahren mit der ebenfalls bereits erwähnten Ermittlung des zweiten Zeitpunkts , zu welchem der durch den aufgrund des Kurzschlusses in der Gleichspannungsleitung 104 als zweites ausschaltende elektronische Schutzschalter fließende Strom dem Referenzstromwert entspricht . Im hier beispielhaft betrachteten Fall , bei dem ein Kurzschluss am Punkt 103 vorliegt , ist dies der Zeitpunkt , zu dem der durch den zweiten elektronischen Schutzschalter 121 fließende Strom vor oder während des Abschaltens erstmals den Referenzstromwert erreicht . Die Ermittlung kann dabei wiederum während des Abschaltvorgangs in Echtzeit oder Quasi- Echtzeit oder nachträglich durch Auswertung gespeicherter Messwerte und deren Zeitstempel erfolgen . The method can be started when a current increase indicating a short circuit is detected in one of the electronic circuit breakers of the DC voltage system 100. Alternatively, the method can be started by an operator who examines the system 100 after it has been switched off due to the short circuit, in which case the method runs on the basis of stored measured values. In step 220, the method continues with the already mentioned determination of the second point in time at which the current flowing through the electronic circuit breaker that switches off second due to the short circuit in the DC voltage line 104 corresponds to the reference current value. In the case considered here as an example, in which there is a short circuit at point 103, this is the time at which the current flowing through the second electronic circuit breaker 121 reaches the reference current value for the first time before or during switching off. The determination can in turn be carried out during the switch-off process in real time or quasi-real time or subsequently by evaluating stored measured values and their time stamps.
In einem oder mehreren optionalen Schritten 230 werden die in Schritt 220 beschriebenen Teilschritte für weitere elektronische Schutzschalter des Gleichspannungssystems 100 ausgeführt und weitere Zeitpunkte ermittelt . In one or more optional steps 230, the substeps described in step 220 are carried out for further electronic circuit breakers of the DC voltage system 100 and further points in time are determined.
In Schritt 240 werden die in den Schritten 210 , 220 und optional 230 ermittelten Zeitpunkte ausgewertet . Dabei wird insbesondere die Beziehung des ersten und des zweiten Zeitpunktes betrachtet , optional des ersten und j edes weiteren Zeitpunktes . In step 240, the times determined in steps 210, 220 and optionally 230 are evaluated. In particular, the relationship between the first and second points in time is considered, optionally the first and each further point in time.
In Betracht kommen in bevorzugten Aus führungsbeispielen insbesondere Di f ferenzbildungen, d . h . es wird beispielsweise die Zeitdi f ferenz At zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und dem ersten Zeitpunkt tl ermittelt , d . h . At = t2 - tl . Dabei wird das Vorzeichen von At berücksichtigt In preferred exemplary embodiments, differences are particularly important, i.e. H . For example, the time difference At between the second time t2 and the first time tl is determined, i.e. H . At = t2 - tl. The sign of At is taken into account
Im bislang betrachteten Fall , bei dem der Kurzschluss am Punkt 103 auftritt , ist At positiv und entspricht dem größtmöglichen Wert . In the case considered so far, in which the short circuit occurs at point 103, At is positive and corresponds to the largest possible value.
Liegt der Kurzschluss in der Mitte zwischen den Punkten 103 und 102 ist At = 0 . "Mitte" bezieht sich dabei auf die Leitungslänge zwischen den Punkten 102 und 103 , unter der Vo- raussetzung, dass der Induktivitätsbelag der Gleichspannungsleitung 104 konstant ist oder nur geringfügig mit der Länge variiert . If the short circuit is halfway between points 103 and 102, At = 0. "Middle" refers to the line length between points 102 and 103, under which condition that the inductance of the DC voltage line 104 is constant or varies only slightly with the length.
Liegt der Kurzschluss am Punkt 102 oder an einem anderen Punkt , der von Punkt 103 weiter entfernt ist als der Punkt 102 , dann ist At negativ und entspricht dem kleinstmöglichen Wert . If the short circuit is at point 102 or at another point that is further away from point 103 than point 102, then At is negative and corresponds to the smallest possible value.
Damit kann in Aus führungsbeispielen in Schritt 240 anhand von At die Lage der Kurzschlussstelle zumindest annähernd bestimmt werden . I st At = 0 dann befindet sich die Kurzschlussstelle etwa in der Mitte zwischen den Punkten 102 und 103 , vorausgesetzt die Anschlussleitungen zwischen den Punkten 102 und 103 und den j eweiligen SCCB 121 , 131 sind annähernd gleich lang . I st At > 0 befindet sich der Kurzschluss zwischen der Mitte zwischen den Punkten 102 und 103 und dem Punkt 103 und ist At < 0 befindet sich der Kurzschluss zwischen der Mitte zwischen den Punkten 102 und 103 und dem Punkt 102 oder zwischen Punkt 102 und Punkt 101 . This means that in exemplary embodiments in step 240 the position of the short-circuit point can be at least approximately determined based on At. I st At = 0 then the short-circuit point is located approximately in the middle between points 102 and 103, provided that the connecting lines between points 102 and 103 and the respective SCCB 121, 131 are approximately the same length. If At > 0 the short circuit is between the middle between points 102 and 103 and point 103 and if At < 0 the short circuit is between the middle between points 102 and 103 and point 102 or between point 102 and point 101.
Werden mehr als zwei Zeitpunkte tl , t2 ermittelt , idealerweise für alle SCCB 111- 141 des Systems 100 , so kann in Schritt 240 zunächst eine Sortierung der Zeitstempel in aufsteigender Reihenfolge vorgenommen werden . Anschließend wird das vorstehend beschriebene Verfahren mit der Maßgabe durchgeführt , dass tl dem ersten, d . h . ältesten, Zeitstempel und t2 dem zweiten, d . h . zweitältesten, Zeitstempel entspricht . If more than two times tl, t2 are determined, ideally for all SCCBs 111-141 of the system 100, the timestamps can first be sorted in ascending order in step 240. The method described above is then carried out with the proviso that tl corresponds to the first, i.e. H . oldest, timestamp and t2 the second, d . H . second oldest, timestamp corresponds to .
Alternativ oder zusätzlich kann, insbesondere wenn At V 0 , eine Ermittlung oder zumindest eine Abschätzung des Zeitpunktes tO des Kurzschlusses vorgenommen werden, anhand dessen dann die Zeitdi f ferenzen zwischen den Zeitstempeln tl bzw . t2 einerseits und tO andererseits ermittelt und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden . In Formeln ausgedrückt : Alternatively or additionally, particularly if At V 0 , a determination or at least an estimate of the time tO of the short circuit can be made, which can then be used to determine the time differences between the time stamps tl and . t2 on the one hand and tO on the other hand are determined and related to each other. Expressed in formulas:
Atl = tl - tO und At2 = t2 - tO sowie r = Atl /At2 oder r ' = At2 / Atl . Dabei werden zur Vereinfachung der Betrachtung tl und Atl dem zuerst auslösenden SCCB zugeordnet , wie oben bereits beschrieben, und t2 und At2 dem als zweites auslösenden SCCB zugeordnet . Atl = tl - tO and At2 = t2 - tO as well as r = Atl / At2 or r ' = At2 / Atl. To simplify the consideration, tl and Atl are assigned to the SCCB that triggers first, as already described above, and t2 and At2 are assigned to the SCCB that triggers second.
Dann gilt , falls das Verhältnis gemäß r = Atl /At2 gebildet wird, dass r = 1 dem Fall entspricht , in welchem At = 0 , d . h . der Abstand des Kurzschlusses zu den beiden zuerst auslösenden SCCB ist annähernd gleich, und im Übrigen ist r < 1 ein Maß dafür, wie weit entfernt der Kurzschluss von der Mitte in Richtung des zuerst auslösenden SCCB liegt . Then, if the ratio is formed according to r = Atl /At2, then r = 1 corresponds to the case in which At = 0, d. H . the distance of the short circuit to the two SCCBs that trip first is approximately the same, and r < 1 is a measure of how far the short circuit is from the center in the direction of the SCCB that trips first.
Wird das Verhältnis hingegen gemäß r ' = At2 /Atl gebildet , entspricht r = 1 ebenfalls dem Fall , in welchem At = 0 , d . h . der Abstand des Kurzschlusses zu den beiden zuerst auslösenden SCCB ist annähernd gleich, und im Übrigen ist r ' > 1 ein Maß dafür, wie weit entfernt der Kurzschluss von der Mitte in Richtung des zuerst auslösenden SCCB liegt . Aus dem Wert r bzw . r ' kann mit dem bekannten Abstand zwischen den Punkten 102 zu 103 und dem Induktivitätsbelag auf den geometrischen Abstand näherungsweise geschlossen werden . However, if the ratio is formed according to r' = At2/Atl, r = 1 also corresponds to the case in which At = 0, i.e. H . the distance of the short circuit to the two SCCBs that trip first is approximately the same, and r ' > 1 is a measure of how far the short circuit is from the center in the direction of the SCCB that trips first. From the value r or . r' can be approximated to the geometric distance using the known distance between the points 102 to 103 and the inductance coating.
Die Ermittlung oder Abschätzung des Zeitpunkts tO kann in Aus führungsbeispielen der Erfindung anhand des Anstiegs des Stroms im zuerst auslösenden SCCB erfolgen, beispielsweise durch lineare Interpolation von im zuerst auslösenden SCCB gespeicherten Stromwerten vor und während der aufgrund des Kurzschlusses erfolgenden Abschaltung . Als tO kann beispielsweise näherungsweise der Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem der linear interpolierte Stromanstieg begann . The determination or estimation of the time tO can be carried out in exemplary embodiments of the invention based on the increase in the current in the first-triggering SCCB, for example by linear interpolation of current values stored in the first-triggering SCCB before and during the shutdown due to the short circuit. For example, the time at which the linearly interpolated current increase began can be approximately determined as tO.
Als Referenzstromwert , dessen Erreichen während des Ausschaltens der SCCB zumindest der Zeitpunkte tl , t2 bestimmt , wird in Aus führungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wie erwähnt vorzugsweise ein Wert unterhalb des Stromwertes gewählt , bei dem der SCCB mit dem niedrigsten Nennstromwert im Gleichspannungssystem 100 im Kurzschluss fall abschaltet . In vielen praktischen Anwendungen von Gleichspannungssystemen 100 sind SCCB 111 , 121 , 131 , 141 mit verschiedenen Nennstromwerten verbaut . Wie bereits erwähnt dient in dem in Fig . 1 beispielhaft ski z zierten Fall die Komponente 140 der Anbindung des Gleichspannungssystems 100 an ein übergeordnetes Netz . Deswegen weist der dieser Komponente zugeordnete SCCB 141 in der Regel einen höheren Nennstrom auf als die SCCB 111 , 121 , 131 der einzelnen Abzweige 110 , 120 , 130 . In exemplary embodiments of the present invention, as mentioned, a value below the current value at which the SCCB with the lowest nominal current value in the DC voltage system 100 switches off in the event of a short circuit is preferably selected as the reference current value, the achievement of which is determined at least at times tl, t2 when the SCCB is switched off . In many practical applications of DC voltage systems 100 SCCB 111, 121, 131, 141 with different nominal current values are installed. As already mentioned, in Fig. 1 exemplarily outlines the component 140 of the connection of the DC voltage system 100 to a higher-level network. Therefore, the SCCB 141 assigned to this component generally has a higher rated current than the SCCB 111, 121, 131 of the individual branches 110, 120, 130.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei angenommen, dass die die SCCB 111 , 121 , 131 der einzelnen Abzweige 110 , 120 , 130 den gleichen Nennstrom In aufweisen, beispielsweise In = 50A. Häufig wird eine Überschreitung des Nennstroms um einen bestimmten Wert für eine bestimmte Zeit toleriert , bevor der betref fende SCCB abschaltet , beispielsweise ein Überstrom von 20% für 30 Sekunden oder 1 Minute . In SCCB ist dieses Auslöseverhalten präzise parametrierbar , auch die zulässige Zahl der Wiederholungen solcher tolerierbarer Überstromereignisse in einer bestimmten Zeiteinheit kann beispielsweise parame- triert werden, so dass beim Überschreiten dieser Zahl auch dann ausgelöst bzw . abgeschaltet wird, wenn das Einzelereignis für sich genommen als tolerierbar anzusehen wäre . Without limiting generality, it is assumed that the SCCB 111, 121, 131 of the individual branches 110, 120, 130 have the same nominal current In, for example In = 50A. Often, an excess of the rated current by a certain value is tolerated for a certain time before the SCCB in question switches off, for example an overcurrent of 20% for 30 seconds or 1 minute. In SCCB, this tripping behavior can be precisely parameterized; the permissible number of repetitions of such tolerable overcurrent events in a certain unit of time can also be parameterized, for example, so that if this number is exceeded, they are also triggered. is switched off if the individual event could be viewed as tolerable in itself.
Dieser tolerierbare Überstromwert bildet die Untergrenze für die Wahl des Referenzstromwertes Ir, im vorstehend beschriebenen Beispiel also Ir > 1 , 2 * In . This tolerable overcurrent value forms the lower limit for the selection of the reference current value Ir, i.e. Ir > 1, 2 * In in the example described above.
Die Obergrenze für Ir ergibt sich aus dem maximalen Stromwert , der bei einer Kurzschlussabschaltung durch die SCCB 111 , 121 , 131 erreicht wird . Auch dieser Wert ist abhängig von der gewählten Parametrierung der SCCB . Beispielsweise kann ein SCCB parametriert sein, einen sehr hohen Einschaltstrom zu tolerieren und muss entsprechend in der Lage sein, einen Einschaltstrom von einem Kurzschlussereignis zu unterscheiden, beispielsweise anhand der Anstiegs des durch den SCCB fließenden Stroms und/oder der Dauer des Stromereignisses . In vielen praktischen Anwendungen dürfte der Stromwert , bei dem eine Kurzschlussabschaltung erfolgt , etwa dem 4- fachen bis 5- fachen des Nennstroms In betragen, vereinfachend also Ir < 4 * In . The upper limit for Ir results from the maximum current value that is achieved by the SCCB 111, 121, 131 during a short-circuit shutdown. This value also depends on the selected parameterization of the SCCB. For example, an SCCB may be parameterized to tolerate a very high inrush current and must accordingly be able to distinguish an inrush current from a short circuit event, for example based on the increase in current flowing through the SCCB and/or the duration of the current event. In many practical applications, the current value at which a short-circuit shutdown occurs is likely to be approximately 4- times to 5 times the nominal current In, so to simplify Ir < 4 * In.
Damit kann als Referenzstromwert für die vorliegende Erfindung ein Wert gewählt werden, der folgende Bedingungen erfüllt : 1 , 2 * In < Ir < 4 * In, wobei In der niedrigste Nennstromwert der an die Gleichspannungsleitung 104 angeschlossenen SCCB 111 , 121 , 131 , 141 ist . A value which satisfies the following conditions can therefore be selected as the reference current value for the present invention: 1, 2 * In < Ir < 4 * In, where In is the lowest rated current value of the SCCB 111, 121, 131, 141 connected to the DC voltage line 104 .
Als besonders geeignet haben sich Referenzstromwerte erwiesen, die von den vorstehend genannten Grenzwerten beabstandet sind, insbesondere 1 , 5 * In < Ir < 3 * In und bevorzugt Ir = 2 * In . Reference current values that are spaced from the above-mentioned limit values have proven to be particularly suitable, in particular 1.5 * In < Ir < 3 * In and preferably Ir = 2 * In.
In Schritt 250 wird das Ergebnis der vorstehend im Detail beschriebenen Berechnungen an einen Bediener ausgegeben oder zur Ausgabe vorbereitet und das Verfahren beendet . In step 250, the result of the calculations described in detail above is output or prepared for output to an operator and the method is ended.
Wie bereits erwähnt kann das Verfahren in Echtzeit oder nach einem Kurzschlussereignis anhand der in den SCCB gespeicherten Daten durchgeführt werden . In einem besonders bevorzugten Aus führungsbeispiel kann dabei auf den Datenaustausch und die Uhrensynchronisation 105 zwischen den SCCB verzichtet werden . Dieses Aus führungsbeispiel wird im folgenden beschrieben . As already mentioned, the procedure can be carried out in real time or after a short circuit event using the data stored in the SCCB. In a particularly preferred exemplary embodiment, data exchange and clock synchronization 105 between the SCCB can be dispensed with. This exemplary embodiment is described below.
Es sei angenommen, dass zumindest zwei der SCCB aufgrund eines Kurzschlussereignisses ausgeschaltet bzw . ausgelöst haben, dies seien in Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung die SCCB 121 und 131 . Ein Bediener verwendet ein portables Gerät , beispielsweise ein Smartphone mit einer geeigneten App, das zum Datenaustausch temporär mit diesen SCCB verbindbar ist ( drahtlos mittels Funk oder Blinksignal oder drahtgebunden) , und ruft die den im SCCB 121 gespeicherten Strom-Zeit-Verlauf im Zusammenhang mit der Kurzschlussabschaltung ab . Außerdem wird die Abweichung der Uhr des portablen Geräts und der Uhr des SCCB 121 festgestellt und gespeichert . Dieser Vorgang wird für den SCCB 131 wiederholt . Aus den Abweichungen der Uhren der beiden SCCB bezüglich der Uhr des portablen Geräts können die Zeitstempel der nicht synchronisierten Uhren der SCCB 121 , 131 nachträglich in Beziehung zueinander gesetzt werden . Dieser Schritt kann natürlich entfallen, wenn die Uhren der SCCB synchronisiert sind . It is assumed that at least two of the SCCBs are switched off due to a short circuit event. have triggered, these are the SCCB 121 and 131 in accordance with the description above. An operator uses a portable device, for example a smartphone with a suitable app, which can be temporarily connected to this SCCB for data exchange (wirelessly using a radio or flashing signal or wired), and calls up the current-time history stored in the SCCB 121 in connection with the short-circuit shutdown. In addition, the discrepancy between the clock of the portable device and the clock of the SCCB 121 is determined and stored. This process is repeated for SCCB 131. From the deviations of the clocks of the two SCCBs with respect to the clock of the portable device, the time stamps of the non-synchronized clocks of the SCCB 121, 131 can subsequently be related to one another. Of course, this step can be omitted if the SCCB clocks are synchronized.
Anschließend ermittelt das portable Gerät gemäß des oben beschriebenen Verfahrens tl und t2 . Dabei kann als Referenzstromwert ein voreingestellter Wert verwendet werden . Alternativ kann das portable Gerät aber auch zunächst die abgerufenen Strom-Zeit-Verläufe analysieren und anhand dieser Analyse einen Referenzwert speziell für die j eweilige Auswertung festlegen, beispielsweise wenn die Abweichungen der Nennstromwerte der SCCB so groß sind, dass der Standardwert Ir = 2 * In zu nah an dem vom SCCB mit dem höheren Nennstromwert für zeitweise Überschreitung tolerierten Stromwert liegt . Generell kommen für Ir nur Werte infrage , die von beiden betrachteten SCCB während des j eweiligen kurzschlussbedingten Abschaltvorgangs durchlaufen werden und vorzugsweise während des Stromanstiegs nur einmal durchlaufen werden . The portable device then determines tl and t2 according to the method described above. A preset value can be used as the reference current value. Alternatively, the portable device can also first analyze the retrieved current-time curves and use this analysis to determine a reference value specifically for the respective evaluation, for example if the deviations in the nominal current values of the SCCB are so large that the standard value Ir = 2 * In is too close to the current value tolerated by the SCCB with the higher rated current value for temporary overshoot. In general, the only possible values for Ir are those that are passed through by both SCCBs under consideration during the respective short-circuit-related shutdown process and are preferably only passed through once during the current increase.
Nachdem Ir festgelegt oder der Standardwert für Ir als geeignet festgestellt wurde , kann anhand der ( ggf . nachträglich synchronisierten) Zeitstempel des Erreichens von Ir durch die beiden SCCB, die ggf . durch Interpolation der Abtastwerte für den Strom gewonnen wurden, das im Zusammenhang mit Fig . 2 erläuterte Verfahren auf dem portablen Gerät ausgeführt und das Ergebnis dem Bediener angezeigt werden . After Ir has been set or the standard value for Ir has been determined to be suitable, the (if necessary subsequently synchronized) timestamps of when Ir was reached by the two SCCBs, which may be possible, can be used. were obtained by interpolation of the sample values for the current, which is related to Fig. 2 explained procedures are carried out on the portable device and the result is displayed to the operator.
Anstelle mittels eines portablen Gerätes kann die vorstehend beschriebene Auswertung natürlich auch durch eine zentrale Einrichtung oder eine Leitstelle durchgeführt werden . Instead of using a portable device, the evaluation described above can of course also be carried out by a central device or a control center.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Aus führungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden können . Ferner sei darauf hingewiesen, dass der Begri f f " Steuerung" , wie hier verwendet , einschließlich der in den SCCB eingesetzten Steuerungen, Prozessoren und Verarbeitungseinheiten im weitesten Sinne umfasst , also beispielsweise Universalprozessoren, digitale Signalprozessoren, anwendungsspezi fische integrierte Schaltungen (AS ICs ) , programmierbare Logikschaltungen wie FPGAs , diskrete analoge oder digitaleIt should be noted that the exemplary embodiments described above can be combined with one another in any way. It should also be noted that the term "control" as used herein includes those in the SCCB includes controllers, processors and processing units used in the broadest sense, for example universal processors, digital signal processors, application-specific integrated circuits (AS ICs), programmable logic circuits such as FPGAs, discrete analog or digital
Schaltungen und beliebige Kombinationen davon, einschließlich aller anderen dem Fachmann bekannten oder in Zukunft entwickelten Verarbeitungseinheiten . Prozessoren können dabei aus einer oder mehreren Vorrichtungen bestehen . Besteht ein Pro- zessor aus mehreren Vorrichtungen, können diese zur parallelen oder sequentiellen Verarbeitung von Instruktionen konfiguriert sein . Circuits and any combinations thereof, including any other processing units known to those skilled in the art or developed in the future. Processors can consist of one or more devices. If a processor consists of several devices, they can be configured to process instructions in parallel or sequentially.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Verfahren zum Lokalisieren eines Kurzschlusses in einem Gleichspannungssystem ( 100 ) , wobei das Gleichspannungssystem mindestens zwei Komponenten ( 110 , 120 , 130 , 140 ) aufweist , die j eweils eine Kapazität aufweisen und die j eweils mittels eines elektronischen Schutzschalters ( 111 , 121 , 131 , 141 ) mit einer Gleichspannungsleitung ( 104 ) trennbar verbunden sind, wobei die elektronischen Schutzschalter Strommessmittel zum Messen des durch den j eweiligen Schutzschalter fließenden Stroms aufweisen; mit folgenden Verfahrensschritten : 1 . Method for locating a short circuit in a DC voltage system ( 100 ), wherein the DC voltage system has at least two components ( 110 , 120 , 130 , 140 ), each of which has a capacity and each of which is protected by means of an electronic circuit breaker ( 111 , 121 , 131 , 141) are separably connected to a direct voltage line (104), the electronic circuit breakers having current measuring means for measuring the current flowing through the respective circuit breaker; with the following process steps:
- Ermitteln eines ersten Zeitpunkts , zu welchem der durch den zuerst aufgrund eines Kurzschlusses in der Gleichspannungsleitung ausschaltende elektronische Schutzschalter fließende Strom einem Referenzstromwert entspricht ; - Determining a first point in time at which the current flowing through the electronic circuit breaker that first switches off due to a short circuit in the DC voltage line corresponds to a reference current value;
- Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts , zu welchem der durch den aufgrund des Kurzschlusses in der Gleichspannungsleitung als zweites ausschaltende elektronische Schutzschalter fließende Strom dem Referenzstromwert entspricht ; und - Determining a second point in time at which the current flowing through the second electronic circuit breaker that switches off due to the short circuit in the DC line corresponds to the reference current value; and
- Berechnen des ungefähren Abstands des Kurzschlusses von einem der beiden elektronischen Schutzschalter aus den ermittelten Zeitpunkten . - Calculating the approximate distance of the short circuit from one of the two electronic circuit breakers from the determined times.
2 . Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem aus den beiden Zeitpunkten eine Di f ferenz gebildet und der ungefähre Abstand des Kurzschlusses von einem der beiden elektronischen Schutzschalter aus dieser Di f ferenz berechnet wird . 2. Method according to claim 1, in which a difference is formed from the two points in time and the approximate distance of the short circuit from one of the two electronic circuit breakers is calculated from this difference.
3 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem der Abstand des Kurzschlusses ausgehend von dem Schutzschalter berechnet wird, welcher zuerst aufgrund des Kurzschlusses abschaltet . 3. Method according to one of the preceding claims, in which the distance of the short circuit is calculated starting from the circuit breaker which first switches off due to the short circuit.
4 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem als Referenzstromwert ein Stromwert zwischen dem niedrigsten von einem der elektronischen Schutzschalter für eine kurze , vorgebbare Zeit tolerierten Überstrom und dem durch den zuerst ausschaltenden elektronischen Schutzschalter während des Kurzschlusses maximal fließenden Stromes gewählt wird, vorzugsweise ein Stromwert, der zwischen dem 1,5-fachen und dem 3-fachen des niedrigsten Nennstromwerts eines der elektronischen Schutzschalter liegt. 4. Method according to one of the preceding claims, in which the reference current value is a current value between the lowest of one of the electronic circuit breakers for a short, Overcurrent tolerated for a predetermined time and the maximum current flowing through the electronic circuit breaker that switches off first during the short circuit is selected, preferably a current value that is between 1.5 times and 3 times the lowest rated current value of one of the electronic circuit breakers.
5. Elektrische Anlage (100) , die folgendes aufweist: 5. Electrical system (100), which has the following:
- eine Gleichspannungsleitung (104) ; - a DC voltage line (104);
- mindestens zwei Komponenten (110, 120, 130, 140) , die jeweils eine Kapazität aufweisen und die jeweils mittels eines elektronischen Schutzschalters (111, 121, 131, 141) mit der Gleichspannungsleitung trennbar verbunden sind, wobei die elektronischen Schutzschalter Strommessmittel zum Messen des durch den jeweiligen Schutzschalter fließenden Stroms aufweisen; - at least two components (110, 120, 130, 140), each of which has a capacity and which are each separably connected to the DC voltage line by means of an electronic circuit breaker (111, 121, 131, 141), the electronic circuit breakers having current measuring means for measuring the current flowing through the respective circuit breaker;
- Mittel zum Umsetzen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche . - Means for implementing the method according to one of the preceding claims.
6. Elektrische Anlage nach Anspruch 5, bei welcher die Mittel zum Umsetzen des Verfahrens Bestandteil einer Steuerung sind, welche über Mittel zum Austausch von Daten mit den elektronischen Schutzschaltern verfügt. 6. Electrical system according to claim 5, in which the means for implementing the method are part of a control system which has means for exchanging data with the electronic circuit breakers.
7. Elektrische Anlage nach Anspruch 5, bei welcher die Mittel zum Umsetzen des Verfahrens Bestandteil eines der elektronischen Schutzschalter sind. 7. Electrical system according to claim 5, in which the means for implementing the method are part of one of the electronic circuit breakers.
8. Elektrische Anlage nach Anspruch 5, bei welcher die Mittel zum Umsetzen des Verfahrens auf die elektronischen Schutzschalter verteilt sind. 8. Electrical system according to claim 5, in which the means for implementing the method are distributed among the electronic circuit breakers.
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