Gleichstromnetzwerk

Die Erfindung betrifft ein Gleichstromnetzwerk mit einem ers ten und einem zweiten Pol und wenigstens einer Schalteinheit zur Auftrennung eines Leiters des ersten Pols.

DC-Netze sollen in zukünftigen Industrieanlagen Verluste re duzieren, den direkten Energieaustausch zwischen Umrichtern, Speichern und Motoren gewährleisten und eine erhöhte Robust heit erzielen. Netze dieser Art können sehr verschiedenen Ka bellängen zwischen den verschiedenen Lastabgängen und Ein speisungen aufweisen. Vorhandene kleine Kabellängen führen dabei zu sehr kleinen Längsinduktivitäten in den Zuleitungen, so dass Fehlerströme sehr steile Stromanstiege aufweisen kön nen. Dadurch sind eine sehr schnelle Fehlererkennung und Feh lerabschaltung erforderlich. Da mechanische Trennschalter die Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit nicht erfüllen können, werden Leistungshalbleiter verwendet. Nach der Feh lererkennung schalten diese in wenigen 100ns den Fehler ab.

Da der Strom durch die Lastinduktivitäten nun keinen Frei laufpfad hat, kann sich in der Folge über den Leistungshalb leiter eine Spannung aufbauen, die ihn unter Umständen zer stören kann. Um dem zu begegnen, kann der Schalter eine Über spannungsbegrenzung aufweisen. Nachteilig ist, dass diese für jeden Schalter für die tatsächliche vorliegende Leitungslänge oder Zuleitungsinduktivität ausgelegt sein muss, der Schalter also an die vorliegenden Zuleitungen angepasst werden muss, oder aber ein Schalter nur bis zu einer bestimmten Leitungs länge verwendet werden darf, da ansonsten die Gefahr besteht, dass die Überspannungsbegrenzung nicht ausreicht.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleichstrom netzwerk anzugeben, das das eingangs genannte Problem vermin dert oder löst. Diese Aufgabe wird durch ein Gleichstromnetz werk mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Gleichstromnetzwerk weist einen elektri schen Leiter und eine an einem Ende des Leiters angeordnete Schalteinheit zur Auftrennung der elektrischen Verbindung über den Leiter auf. Die Schalteinheit umfasst wenigstens ei nen seriell in den Strompfad des Leiters geschalteten steuer baren Leistungshalbleiter.

Der Leiter ist von der Schalteinheit ausgehend in einen ers ten und einen zweiten Abschnitt unterteilt. Mit anderen Wor ten erstreckt sich der erste Abschnitt von der Schalteinheit aus bis zu einem Verbindungspunkt von erstem und zweitem Ab schnitt. Ab dem Verbindungspunkt erstreckt sich der zweite Abschnitt .

Eine erste Überspannungs-Schutzvorrichtung ist zwischen den Verbindungspunkt von erstem und zweitem Abschnitt und einen zweiten Pol des Gleichstromnetzwerks geschaltet. Der Leiter bildet also den ersten Pol des Gleichstromnetzwerks. Eine zweite Überspannungs-Schutzvorrichtung ist zwischen das von der Schalteinheit abgewandte Ende des zweiten Abschnitts und den zweiten Pol geschaltet. Die erste und zweite Überspan nungs-Schutzvorrichtung sind also parallelgeschaltet; zwi schen ihren Anschlusspunkten an den Leiter, also den ersten Pol des Gleichstromnetzwerks, befindet sich aber ein Leiter stück mit der Länge des zweiten Abschnitts. Zwischen dem An schlusspunkt der ersten Überspannungs-Schutzvorrichtung und der Schalteinheit befindet sich ein Leiterstück mit der Länge des ersten Abschnitts.

Die Überspannungs-Schutzvorrichtungen weisen jeweils einen Kondensator auf.

Die Längen von erstem und zweitem Abschnitt betragen dabei zweckmäßig wenigstens mehr als 1 m, insbesondere mehr als 10 m, in einer besonderen Ausgestaltung mehr als 50 m.

Vorteilhaft erreicht die Erfindung, dass die Schalteinheit durch die Überspannungs-Schutzvorrichtungen, die in Abständen am Leiter angeordnet sind, geschützt ist vor dem Aufbau einer Überspannung, die im Zuge einer Abschaltung durch die Schalt einheit auftritt und schädigend oder zerstörend auf den Leis tungshalbleiter wirkt. Die Schalteinheit selbst muss dabei nur für Überspannungen ausgelegt sein, die durch die Indukti vität des nächstliegenden Abschnitts, also des ersten Ab schnitts hervorgerufen werden. Die Induktivität des zweiten Abschnitts dagegen spielt dafür keine Rolle mehr.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass an der Stelle von An passungen der Schalteinheit Anpassungen des Leiters in Form der Überspannungs-Schutzvorrichtungen verwendet werden kön nen. Somit können bevorzugt gleichartige Schutzvorrichtungen im Gleichstromnetzwerk verwendet werden und auch gleichartige Schalteinheiten. Es werden also im Vergleich zu einem Netz werk mit angepassten Schalteinheiten zwar mehr Komponenten, aber dafür nur gleichartige Komponenten verwendet, was den Aufwand verringert und die Sicherheit erhöht. Das Gleich stromnetzwerk wird dadurch besser planbar und beherrschbar.

Vorteilhaft bietet die Überspannungs-Schutzvorrichtungen mit dem Kondensator zwischen den Polen des Gleichstromnetzwerks Spannungsstabilität und Regelreserve. Da dieser Kondensator ein schwingfähiges System mit der Leitungsinduktivität bil det, ist ein Reihenwiderstand als Dämpfung vorhanden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleich stromnetzwerks gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen An sprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugswei se auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen sein:

- Das Gleichstromnetzwerk kann eine oder mehrere Lasten, eine Mehrzahl von weiteren Schalteinheiten und eine Mehrzahl von weiteren elektrischen Leitern umfassen, wobei die weiteren Leiter die Schalteinheiten und Lasten verbinden. Die weiteren Leiter sind ebenfalls in Abschnitte unterteilt, wobei für die Verbindungsstellen jeweils zweier verbundener Abschnitte der weiteren Leiter eine Überspannungs-Schutzvorrichtung zwischen die jeweilige Verbindungsstelle und den zweiten Pol geschal tet ist. Auch in einem ausgedehnten Gleichstromnetzwerk wer den also die weiteren Schalteinheiten geschützt vor zu hoher Überspannung durch das Einfügen von Überspannungs- Schutzvorrichtungen in die Leiter.

- Bevorzugt sind in dem Gleichstromnetzwerk die Schalteinheit und die weiteren Schalteinheiten gleich aufgebaut. Mit ande ren Worten wird nur ein Typ von Schalteinheit, ausgelegt auf eine maximal zu sperrende Spannung, verwendet. Die Länge oder die Induktivität der Abschnitte ist dabei zweckmäßig so ge wählt, dass eine sich bei Abschaltung durch eine der Schalt einheiten ausbildende Überspannung unterhalb der Durchbruchs spannung des steuerbaren Leistungshalbleiters bleibt. Insge samt werden also vorteilhaft nur zwei verschiedene Typen von Komponente für die Abschaltung im Gleichstromnetzwerk verwen det, nämlich ein Typ von Schalteinheit und ein Typ von Über spannungs-Schutzvorrichtung .

- Die Schalteinheit kann einen Schalteinheits-Kondensator um fassen, der zwischen den ersten und zweiten Pol des Gleich stromnetzwerks geschaltet ist und eine Kapazität von wenigs tens lOpF, insbesondere wenigstens 50pF, insbesondere wenigs tens lOOpF aufweist. Dadurch hat auch der Schalter selbst ei ne intrinsische Fähigkeit, die Überspannung einer bestimmten Leiter-Induktivität schadlos aufzunehmen.

- Die Kondensatoren der Überspannungs-Schutzvorrichtungen können jeweils eine Kapazität von wenigstens 10 pF, insbeson dere wenigstens 50 pF, insbesondere wenigstens 100 pF aufwei sen. Erst ausreichend hohe Kapazitäten wirken ausreichend stabilisierend auf die Spannung, um die Schalteinheit wir kungsvoll zu entlasten. - Die Überspannungs-Schutzvorrichtungen können jeweils einen Widerstand zur Schwingungsdämpfung in Serienschaltung zum Kondensator aufweisen, insbesondere einen Widerstand, der kleiner als 10 Ohm ist. Damit werden Schwingungen im schwing fähigen System aus dem Kondensator und den Leitungsinduktivi täten vermieden, wobei gleichzeitig durch den geringen Wider stand die Möglichkeit einer schnellen Aufladung des Kondensa tors gewahrt bleibt.

- Die Überspannungs-Schutzvorrichtung kann eine Diode in Se rienschaltung zum Kondensator umfassen, wobei die Diode so geschaltet ist, dass Stromfluss vom Kondensator zum ersten Pol des Gleichstromnetzwerks blockiert wird. Diese Beschal tung erlaubt ein schnelles Aufnehmen der Energie durch den Kondensator im Falle des Abschaltens im Kurzschlussfall. Das Entladen wird zweckmäßig weiterhin erlaubt, aber gebremst durch den Widerstand.

- Die Überspannungs-Schutzvorrichtung kann eine Funkenstrecke in Serienschaltung zum Kondensator umfassen. Diese schafft beim Aufbau einer unzulässig hohen Spannung über dem Wider stand einen niederohmigen Strompfad, der ein schnelles Auf nehmen der Energie durch den Kondensator ermöglicht.

- Die Überspannungs-Schutzvorrichtung kann einen steuerbaren Leistungshalbleiter parallel zum Widerstand aufweisen, insbe sondere einen Thyristor. Dadurch wird es möglich, den niede rohmigen Strompfad zuzuschalten.

- Die Überspannungs-Schutzvorrichtung kann parallel zum Kon densator ein Überspannungselement, insbesondere einen Varis tor umfassen. Ferner kann parallel zum Kondensator ein Entla dewiderstand vorhanden sein, wobei dieser insbesondere größer als 1 kOhm, insbesondere größer als 10 kOhm oder größer als 100 kOhm ist. Dadurch wird das Entladen des Kondensators un terstützt, indem bei zu hoher Spannung auf dem Kondensator die Energie abgeführt wird und die Überspannungs- Schutzvorrichtung bei wiederholtem Auslösen schnell wieder einsatzbereit gemacht.

- Die Schalteinrichtung kann einen zweiten Leistungshalblei ter umfassen, wobei die beiden Leistungshalbleiter antiseri ell oder antiparallel geschaltet sind. Bei den Leistungshalb ^¬ leitern kann es sich beispielsweise um IGBTs handeln.

Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.

Es zeigen:

Figur 1 ein Gleichstromnetzwerk mit Schalteinheiten zur Auf trennung elektrischer Leiter und Überspannungs- Schutzvorrichtungen

Figuren 2 bis 6 Varianten der Überspannungs- Schutzvorrichtungen .

Figur 1 zeigt schematisiert ein Gleichstromnetzwerk 10. Das Gleichstromnetzwerk 10 umfasst eine Gleichspannungsquelle 11 und eine Last 16, die durch elektrische Leiter 121...123 mitei ^¬ nander verbunden sind. Dabei bilden die ersten zwei Leiter 121, 122 gemeinsam einen ersten Pol des Gleichstromnetzwerks 10, während der dritte Leiter 123 den zweiten Pol bildet. Die ersten zwei Leiter 121, 122 sind in Reihe zueinander geschal tet, wobei an ihrer Verbindungsstelle eine Schalteinheit 19 angeordnet ist.

Die Schalteinheit 19 dient als Unterbrecher für die elektri ^¬ sche Verbindung von der Gleichspannungsquelle 11 zur Last 16. Eine Unterbrechung kann beispielsweise notwendig sein, wenn im Bereich der Last 16 ein Fehler, also ein Kurzschluss auf- tritt und sehr hoher Strom von der Gleichspannungsquelle 11 zu der Kurzschluss-Stelle fließen würde. Die Schalteinheit 19 umfasst zumindest einen Leistungshalbleiter, der seriell zwi- sehen die beiden ersten Leiter 121, 122 geschaltet ist und den Strompfad durch diese Leiter unterbrechen kann. In alter nativen Ausgestaltungen kann die Schalteinheit 19 auch zwei Leistungshalbleiter umfassen, die antiseriell geschaltet sind .

Da bei einer Unterbrechung des Strompfads durch die Schalt ^¬ einheit 19 kein Freilaufpfad für den Strom vorhanden ist, entsteht kurz nach der Unterbrechung eine überhöhte Spannung über die Schalteinheit 19, also über den Leistungshalbleiter. Die Höhe der überhöhten Spannung hängt unter anderem von der Größe der Induktivität ab, in der elektrische Energie gespei ^¬ chert ist. Diese wiederum wird maßgeblich durch die Indukti ^¬ vität der an die Schalteinheit angrenzenden ersten zwei Lei ^¬ ter 121, 122 bestimmt. Je länger diese Leiter 121, 122 sind, desto größer ist ihre Induktivität. Um die Schalteinheit 19 nicht an die Leiterlänge anpassen zu müssen, sind die ersten zwei Leiter 121, 122 in Abschnitte 141...146 unterteilt. Die Abschnitte 141...146 sind dabei in diesem Beispiel so gewählt, dass die Leiterlänge jedes Abschnitts 141...146 nicht mehr als 100 m beträgt. Damit ist die maximale Induktivität jedes der Abschnitte 141...146 festgelegt. In einer alternativen Ausge staltung werden die Abschnitte 141...146 nach einer festgeleg ten maximalen Induktivität von beispielsweise 50 mH gewählt. Bei dieser Variante muss vorteilhaft nicht beachtet werden, ob die Leiter 121, 122 gleichartig sind oder ob verschiedene elektrische Leiter zum Einsatz kommen, um eine maximale In duktivität pro Abschnitt 141...146 zu wahren.

An der Verbindungsstelle zwischen je zwei benachbarten Ab ^¬ schnitten 141...146 ist eine Überspannungs-Schutzvorrichtung 181...184 angeordnet. Die Überspannungs-Schutzvorrichtung

181...184 ist dabei zwischen die Verbindungsstelle, die in den ersten zwei Leitern 121, 122 liegt und somit Teil des ersten Pols des Gleichstromnetzwerks 10 ist und den zweiten Pol in Form des dritten Leiters 123 geschaltet. Die Überspannungs- Schutzvorrichtungen 181, 182 im ersten Leiter 121 sind also - abgesehen von der Induktivität 152 des zwischenliegenden zweiten Abschnitts 142 - parallelgeschaltet. Ebenso sind die Überspannungs-Schutzvorrichtungen 183, 184 im zweiten Leiter

122 - abgesehen von der Induktivität 155 des zwischenliegen den fünften Abschnitts 145 - parallelgeschaltet.

Die Überspannungs-Schutzvorrichtungen 181...184 sorgen dafür, dass bei einer Unterbrechung des Stromflusses durch die

Schalteinheit 19 die Entstehung von Überspannungen in den Leitern 121, 122 abschnittsweise verhindert oder verzögert wird. Dadurch wird erreicht, dass eine sich entwickelnde Überspannung an der Schalteinheit 19 begrenzt ist auf die Wirkung der Induktivität derjenigen Abschnitte 141, 144, die direkt an der Schalteinheit 19 anliegen. Die Schalteinheit 19 ist zweckmäßig ausgelegt für derartige Überspannungen.

Dadurch wird also erreicht, dass die Schalteinheit 19 ohne eine Anpassung auch dann verwendet werden kann, wenn die an liegenden elektrischen Leiter 121, 122 wesentlich länger sind als es der für die Schalteinheit 19 maximale Induktivitäts ^¬ wert erlauben würde. An die Stelle einer Änderung in der Schalteinheit 19 tritt also eine Anpassung der Gestaltung der Leiter 121, 122, die mit den Überspannungs-

Schutzvorrichtungen 181...184 versehen werden. Die Schaltein heit selbst hat einen nicht gezeigten Überspannungsschutz, der ausreichend ist für die an der Schalteinheit anliegende Leitungslänge oder Induktivität, beispielsweise einen Über ^¬ spannungsschutz für eine Induktivität von 100 mH.

Ein reales Gleichstromnetzwerk 10 in einer industriellen Um gebung ist typischerweise komplexer und umfasst mehrere Las ^¬ ten 16, mehrere elektrische Leiter 121...123 von teilweise un terschiedlicher Länge und eine Mehrzahl von Schalteinheiten 19. Es kann ferner auch Verzweigungen aufweisen. Daher ist das Gleichstromnetzwerk 10 der Figur 1 als ein vereinfachter Ausschnitt eines realen Gleichstromnetzwerks zu sehen. Durch die Erfindung ist es aber möglich, auch in einem ausgedehnten Gleichstromnetzwerk 10 nur Schalteinheiten 19 eines einzigen Aufbaus zu verwenden. Auch die Überspannungs- Schutzvorrichtungen 181...184 weisen bevorzugt nur einen Aufbau auf .

Mögliche Varianten für den Aufbau der Überspannungs- Schutzvorrichtungen 181...184 sind in den Figuren 2 bis 6 dar gestellt. Dem Prinzip nach und als einfachste Aus führungsVa ^¬ riante ist als Überspannungs-Schutzvorrichtungen 181...184 ein Kondensator 30 ausreichend. Dieser stellt Spannungsstabilität und Regelreserve zur Verfügung. Da dieser Kondensator 30 aber ein schwingfähiges System mit der Leitungsinduktivität

151...156 bildet, ist ein Reihenwiderstand 31 als Dämpfung vor ^¬ teilhaft. Diese Überspannungs-Schutzvorrichtung 20 ist in Fi gur 2 dargestellt.

Figur 3 zeigt eine erweiterte Überspannungs-Schutzvorrichtung 21 nach der Ausführung von Figur 2, bei der parallel zum Rei henwiderstand 31 eine Diode 32 vorhanden ist. Diese bewirkt, dass der Kondensator 30 sehr schnell Energie aufnehmen kann, was in der Ausführung nach Figur 2 durch den Reihenwiderstand 31 begrenzt wird. Gerade beim Abschalten eines Kurzschlusses ist eine sehr schnelle Aufnahme der Energie wichtig. Das Ent ^¬ laden wird aber weiterhin durch den Reihenwiderstand 31 ge- dämpft .

Eine Alternative zur Verwendung der Diode 32 zeigt Figur 4.

In dem Überspannungs-Schutzvorrichtung 22 gemäß Figur 4 ist parallel zum Reihenwiderstand 31 eine Funkenstrecke 33 ange ^¬ ordnet, um beim Aufbau einer unzulässig hohen Spannung über dem Reihenwiderstand 31 einen niederohmigen Strompfad zu schaffen. Wird die Spannung über der Funkenstrecke 33 klein genug, verlischt der Lichtbogen in der Funkenstrecke 33 wie ^¬ der. Das Entladen des Kondensators 30 erfolgt wieder über den Reihenwiderstand 31.

Eine weitere Alternative ist in Figur 5 dargestellt. Bei die ^¬ ser Überspannungs-Schutzvorrichtung 23 ist der niederohmige Strompfad zuschaltbar durch ein getriggertes Halbleiterbau ^¬ element wie in diesem Beispiel durch den Thyristor 34. Wird hier der Strom durch den Thyristor 34 kleiner als sein Hal testrom, dann wird dieser wieder hochohmig. Das Entladen des Kondensators 30 erfolgt wieder über den Reihenwiderstand 31. In der Überspannungs-Schutzvorrichtung 24 gemäß Figur 6 wird das Entladen des Kondensators 30 unterstützt durch einen Ent ladewiderstand 35 und ein Überspannungselement wie den hier gezeigten Varistor 36, um bei zu hoher Spannung auf dem Kon densator 30 die Energie abzuführen und die Schutzschaltung bei wiederholtem Auslösen schnell wieder einsatzbereit zu ma chen. Dabei sind der Entladewiderstand 35 und der Varistor 36 parallel zum Kondensator 30 angeordnet. In Serie zum Konden sator 30 ist in diesem Beispiel eine Diode 32 angeordnet. Da bei ist dieses Beispiel aber auch kombinierbar mit den Aus- führungen der Figuren 3 bis 5, d.h. hier kann auch ein Rei henwiderstand 31 oder eine Funkenstrecke 33 in Reihe zum Kon densator 30 verwendet werden.

Bezugszeichenliste

10 Gleichstromnetzwerk

12 1...123 elektrische Leitung

14 1...14 6 Abschnitt

151...156 Induktivität der Abschnitte

11 Gleichspannungsquelle

19 Schalteinheit

1 6 Last

181...186 Überspannungs-Schutz orrichtung

20...24 Varianten der Überspannungs-Schutzvorrichtung

30 Kondensator

31 Reihenwiderstand

32 Diode

33 Funkenstrecke

34 Thyristor

35 Entladewiderstand

36 Varistor