Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss. Insbesondere soll das Verfahren eine verbesserte Auslegung von Schmelzsicherungen innerhalb der Anlage erlauben, die die individuellen Gegebenheiten der Anlage und deren Einfluss auf einen eventuell entstehenden Kurzschlussstrom stärker als bisher üblich berücksichtigt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messsystem zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Zur Stützung und Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes (EVN) werden zunehmend große Speicherkraftwerke auf Basis von wiederaufladbaren Batterien und einem bidirektional betreibbaren Wechselrichter verwendet. Bei einer hohen Frequenz des EVN können die Batterien überschüssige Wirkleistung aus dem EVN entnehmen, diese Zwischenspeichern, und dem EVN in einem Zustand bei niedriger Frequenz wiederzuführen. Mittels der Batterie-Speicherkraftwerke ist es auch möglich, über den Austausch von Blindleistung stabilisierend auf eine Amplitude einer Wechselspannung in dem EVN einzuwirken.

Die Speicherkraftwerke weisen typischerweise einen Energiegehalt zwischen einigen MWh - 100 MWh auf und umfassen als DC-Quellen eine Vielzahl von Batteriemodulen. Diese sind mittels einer Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden. Üblicherweise werden dabei mehrere Batteriemodule in Form einer Reihenschaltung zu einem sogenannten Batterie-String elektrisch miteinander verbunden. Mehrere Batterie-Strings sind wiederum parallel zueinander mit einer ersten Sammelschiene, einer sogenannten String-Sammelschiene, verbunden und bilden so eine Gruppe aus. Mehrere derartige Gruppen sind mit deren String-Sammelschienen wiederum parallel zueinander mit einer zweiten Sammelschiene, einer sogenannten Gruppen-Sammelschiene verbunden, die ihrerseits elektrisch mit einem Eingang des Wechselrichters verbunden ist.

Der immense Energiegehalt derartiger Speicherkraftwerke kann in einem Fehlerfall, z.B. bei einem Kurzschlussfehler einer Komponente in dem angeschlossenen Wechselrichter, schnell zu einem Fehlerstrom von 500 kA bis 1000 kA führen, der, wenn er nicht rechtzeitig unterbrochen wird, großen Schaden an dem Wechselrichter oder weiteren Komponenten des Speicherkraftwerks, ggf. auch an in der Nähe befindlichen Personen führen kann.

Um bei einem Fehlerfall den entstehenden Schaden zu minimieren und/oder zu verhindern, wird die Verbindung zwischen den Batterien und dem Wechselrichter über eine Vielzahl von Schmelzsicherungen abgesichert. Konkret ist üblicherweise jeder Batterie-String über eine Schmelzsicherung - eine sogenannte Stringsicherung - mit seiner zugeordneten String-Sammelschiene verbunden. Jede String-Sammelschiene ist nochmals über eine weitere Schmelzsicherung - eine sogenannte Gruppensicherung - mit der ihr zugeordneten Gruppen-Sammelschiene verbunden. Zusätzlich zu den Schmelzsicherungen können noch elektromechanische Schalter vorgesehen sein.

Die Auslöseverhalten einer Schmelzsicherung wird hauptsächlich über ihren Auslösestrom und ihr sogenanntes Grenzlastintegral, auch Schmelzintegral oder Ft- Wert genannt, charakterisiert. Bei Überschreiten des Auslösestroms wird die Schmelzsicherung über den durch sie hindurchtretenden Stromfluss derart erwärmt, dass sie die durch den Strom auf die Schmelzsicherung übertragene Verlustleistung nicht mehr, zumindest nicht mehr vollständig in Form von Abwärme an die Umgebung abgeben kann. Infolgedessen erwärmt sich die Schmelzsicherung, schmilzt auf und unterbricht den Stromkreis. Der Auslösestrom der Schmelzsicherung wirkt quasi als ein Triggerparameter für den Auslöseprozess, wobei der Auslöseprozess erst bei einem Strom oberhalb des Auslösestroms einsetzt / getriggert wird. Bei einem Strom unterhalb des Auslösestroms erfolgt kein Auslösen der Sicherung. Das Grenzlastintegral der Sicherung ist ein Maß für die Energie, die für das Auslösen der Sicherung erforderlich ist. Es beschreibt daher die Dynamik des Auslösens der Sicherung. So hat eine flink auslösende Sicherung ein vergleichsweise kleines Grenzlastintegral relativ zu einer träge auslösenden Sicherung.

Bei den in Frage stehenden Batterie-Speicherkraftwerken wird ein Anstiegsverhalten eines Kurzschlussstroms signifikant über die individuell vorliegende elektrische Verbindung zwischen den Batterie-Modulen als DC-Quelle und dem Wechselrichter als DC-Last beeinflusst. Relevant ist hier insbesondere eine der Verbindung innewohnende, im Folgenden auch als verbindungsimmanent bezeichnete, Impedanz. Beispielsweise können lange Zuleitungen und deren verbindungsimmanente Induktivität zu einer Drosselung im Anstieg des Kurzschlussstroms führen. Weist hingegen die Verbindung eine relativ kleine verbindungsimmanente Induktivität auf, so ist der Stromanstieg deutlich steiler. Wird nun beispielsweise eine zu träge reagierende Sicherung eingesetzt, so kann der Strom je nach Anstiegsgeschwindigkeit bis zum Aufschmelzen der Sicherung schon auf Werte angestiegen sein, die Komponenten des Wechselrichters und/oder andere Komponenten des Speicherkraftwerks beschädigen. Eine zu flink reagierende Schmelzsicherung kann zu einem unerwünschten, nicht mit einem realen Fehlerfall verbundenen Auslösen der Schmelzsicherung führen. Hingegen haben flink reagierende Sicherungen üblicherweise auch eine höhere Verlustleistung im normalen Betrieb des Speicherkraftwerks, was ebenfalls unerwünscht ist.

Für eine korrekte Auslegung der Schmelzsicherungen zur Absicherung des Speicherkraftwerkes gegen einen Kurzschluss ist es daher wünschenswert, das transiente Verhalten eines in einem Fehlerfall entstehenden Kurzschlussstroms möglichst gut zu kennen. Herkömmlicherweise wird dies derzeit über Berechnungen abgeschätzt, in die beispielsweise die auch real vorhandenen Zuleitungslängen zwischen DC-Quelle und DC-Last eingehen. Die Abschätzung ist jedoch teilweise mit einer hohen Ungenauigkeit verbunden. Alternativ oder kumulativ dazu können Laborversuche zum Kurzschlussverhalten einer geplanten Anlage durchgeführt werden. Der Laboraufbau entspricht jedoch nicht zu 100% dem auch real vorliegenden Aufbau der Anlage, weswegen die in dem Laborversuch erzielten Ergebnisse nicht unmittelbar übertragbar sind auf die zukünftige real vorliegende Anlage.

Aus der Druckschrift WO 2018185051 A1 ist eine als elektronische Sicherung operierende elektrische Schalteinrichtung bekannt. Die Schalteinrichtung umfasst mindestens einen in einem Stromweg angeordneten Halbleiterschalter, elektrische Messeinrichtungen und eine Steuereinrichtung, die zur Auswertung der ermittelten Messwerte und zur Ansteuerung der Halbleiterschalter ausgebildet ist. Bei Erfassung bestimmter Messwerte bewirkt die Steuereinrichtung selbsttätig bestimmte Ansteuerungen der Halbleiterschalter. Die Bedingungen zur Ansteuerung der Halbleiterschalter sind mittels eines Initiierungsvorgangs über eine Datenschnittstelle an die Steuereinrichtung übermittelbar. Auf diese Weise können an sich baugleiche Sicherungen mit einem unterschiedlichen Auslöseverhalten programmiert werden. Derartige elektronische Sicherungen sind jedoch üblicherweise mit höheren Kosten verbunden, die insbesondere bei einer Vielzahl einzusetzender Sicherungen nachteilig sind. Zudem hängt das schnelle und zuverlässige Auslösen der elektronischen Sicherung von einem ordnungsgemäßen und fehlerfreien Betrieb des Halbleiterschalters ab. Es hat sich gezeigt, dass hier Schmelzsicherungen, sofern sie korrekt ausgewählt sind, prinzipiell fehlerfreier bzw. zuverlässiger operieren.

Die Druckschrift DE 3446958 A1 offenbart eine Anordnung zur Kurzschluss- bzw. Überlastüberwachung bei elektronischen Näherungsschaltern. Dabei ist eine Stromerfassung im Ausgangskreis vorgesehen, die den Stromfluss durch Abschalten oder Begrenzen beeinflusst. Ein Abfragezyklus für die Stromerfassung weist eine Verzögerungszeit für die Beeinflussung und eine Wartezeit zwischen zwei Abfragen auf, wobei die Wartezeit wesentlich größer als die Verzögerungszeit ist, und lediglich die Länge der ersten Verzögerungszeit im Hinblick auf eine Zeitkonstante der anzuschließenden Leitung gewählt ist.

Die Druckschrift DE 199 46 826 A1 beschreibt eine Sicherungsvorrichtung für einen Stromkreis in Fahrzeugen mit einer Schmelzsicherung, die bei einer über dem Nennstrom liegenden Strombelastung den Stromkreis bleibend unterbricht. Die Sicherungsvorrichtung weist mindestens ein thermisches Heizelement auf, das mit der Schmelzsicherung in thermischer Verbindung steht und der Schmelzsicherung zusätzlich eine begrenzte Wärmemenge zuführt. Dabei ist die zugeführte begrenzte Wärmemenge des Heizelementes geringer als die zur Auslösung der Schmelzsicherung benötigte Energie.

Die Druckschrift DE 19741828 A1 offenbart einen elektrischen Sicherheitsschalter für Kraftfahrzeuge, bei dem ein Pluspol einer Fahrzeugbatterie über einen Sicherungseinsatz mit dem Bordnetz verbunden ist. Ein Minuspol der Fahrzeugbatterie ist über eine Kurzschluss-Betätigungseinrichtung mit einem an einer Versorgungsleitung zum Bordnetz liegenden Anschluss des Sicherungseinsatzes verbunden. Bei einem Unfall des Fahrzeugs verursacht die Kurzschluss- Betätigungseinrichtung über einen Informationsgeber ein Kurzschließen der Batterieanschlüsse.

Die Druckschrift DE 10 2017 107517 A1 offenbart eine elektronische Schaltung mit einem elektronischen Schalter und eine Steuerschaltung zur Ansteuerung des elektronischen Schalters. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, basierend auf einem Pegel eines Laststroms des elektronischen Schalters in einer von einer ersten Betriebsart und einer zweiten Betriebsart zu arbeiten. Dabei ist die Steuerschaltung in der ersten Betriebsart dazu ausgebildet, ein erstes Schutzsignal basierend auf einer Strom-Zeit-Charakteristik des Laststroms zu erzeugen und den elektronischen Schalter basierend auf dem ersten Schutzsignal anzusteuern.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Absicherung einer Anlage mit einer DC-Quelle und einer DC-Last gegen einen Kurzschluss anzugeben. Konkret soll das Verfahren eine Auslegung von einer oder mehreren Schmelzsicherungen erlauben, die die individuellen Gegebenheiten der Anlage, insbesondere der Verbindung der DC-Quelle mit der DC-Last innewohnende verbindungsimmanente Impedanz und deren Einfluss auf den in einem Fehlerfall entstehenden Fehlerstrom berücksichtigt. Dabei soll das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchführbar sein. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Messeinrichtung aufzuzeigen.

Lösung

Die Aufgabe, ein Verfahren zur Absicherung einer Anlage gegen einen Kurzschluss aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Messsystem aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 wiedergegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 6 bis 11 genannt.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung zielt auf ein Verfahren zur Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss. Die elektrische Anlage umfasst einen DC-Kreis mit einer DC- Quelle und einer über Zuleitungen mit der DC-Quelle verbundenen DC-Last, wobei die Verbindung zwischen der DC-Quelle und der DC-Last eine verbindungsimmanente Impedanz aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte: Herbeiführen eines Kurzschlusses der DC-Quelle durch Schließen einer Schalteinheit, die zwischen der DC-Quelle und der DC-Last in dem DC-Kreis angeordnet ist, so dass die DC-Quelle zumindest über einen Anteil der in dem DC- Kreis real vorhandenen verbindungsimmanenten Impedanz kurzgeschlossen wird,

Detektion eines bei dem Kurzschluss entstehenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms Isc,

Begrenzung und/oder Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc durch Öffnen der Schalteinheit bei Erfüllung eines Abbruchkriteriums, so dass eine Beschädigung von Komponenten der elektrischen Anlage, insbesondere des DC-Kreises durch den Kurzschlussstrom Isc sicher verhindert wird, und

Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes unter Berücksichtigung zumindest desjenigen Anteils der verbindungsimmanenten Impedanz zwischen der DC-Quelle und der DC-Last, über den der Kurzschluss der DC-Quelle herbeigeführt wurde, und

Überprüfung einer Auslegung einer in der elektrischen Anlage, insbesondere in dem DC-Kreis vorhandenen Sicherung mittels der Analyse, oder Bestimmung einer Auslegung einer in die elektrischen Anlage, insbesondere in den DC-Kreis noch einzubauenden Sicherung mittels der Analyse.

Die Detektion des Kurzschlussstroms Isc kann über einen oder mehrere in dem DC- Kreis angeordnete Stromsensoren erfolgen. Mit einem Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc ist jegliche Information gemeint, die eine Aussage über eine zeitliche Änderung des Kurzschlussstroms Isc liefert. Insbesondere kann die Detektion des Zeitverlaufes über die Detektion eines oder mehrerer korrespondierender Wertepaare des zeitabhängigen Kurzschlussstroms lsc(t) und der dazu jeweils korrespondierenden Zeit t erfolgen. Im Rahmen der Erfindung fällt auch die Detektion lediglich eines korrespondierenden Wertepaares von Kurzschlussstrom und der dazu korrespondierenden Zeit unter den Begriff „Detektion des Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms ISC“, sofern ein anderes zeitlich benachbartes korrespondierendes Wertepaar von Kurzschlussstrom und Zeit als bekannt vorausgesetzt werden kann. Beispielsweise kann das Wertepaar zum Zeitpunkt des Herbeiführens des Kurzschlusses durch das Schließen der Schalteinheit als bekannt vorausgesetzt werden. Konkret kann es dem gerade im Betrieb der Anlage am Ort des Stromsensors fließenden Strom entsprechen. Insbesondere kann dann, wenn kein Leistungsfluss zwischen DC-Quelle und DC-Last fließt, der Strom beim Schließen der Schalteinheit OA betragen

Ein erfindungsgemäßes Messsystem ermöglicht eine Absicherung einer elektrischen Anlage gegen einen Kurzschluss. Dabei umfasst die elektrische Anlage einen DC- Kreis mit einer DC-Quelle und eine über Zuleitungen mit der DC-Quelle verbundene DC-Last, wobei die Verbindung zwischen der DC-Quelle und der DC-Last eine verbindungsimmanente Impedanz aufweist. Das Messsystem umfasst: eine Schalteinheit, die im geschlossenen Zustand zur Herbeiführung eines Kurzschlussstroms Isc und im geöffneten Zustand zur Unterbrechung eines Kurzschlussstroms Isc in dem DC-Kreis ausgelegt ist, zumindest einen Stromsensor, der zur Detektion eines in dem geschlossenen Zustand der Schalteinheit entstehenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, ausgelegt ist eine mit dem zumindest einen Stromsensor verbundene Auswerteeinheit (115), die zur Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms Isc, eingerichtet ist, und eine mit der Auswerteeinheit verbundene Steuerungseinheit zur Steuerung des Messsystems, insbesondere der Schalteinheit. Das Messsystem ist in einem in den DC-Kreis eingebauten Zustand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und eingerichtet.

Der zumindest eine Stromsensor zur Detektion des Kurzschlussstroms Isc kann lediglich einen, aber auch mehrere Stromsensoren umfassen. Die Auswerteeinheit und die Steuerungseinheit können als jeweils separate und/oder getrennte Einheiten vorliegen. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die Steuerungseinheit und die Auswerteeinheit in Form einer gemeinsamen Steuerungs- und Auswerteeinheit zusammengefasst vorliegen. Die Auswerteeinheit kann zusätzlich eingerichtet sein, abhängig von der Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, eine korrekte oder inkorrekte Auslegung einer in der elektrischen Anlage, insbesondere in dem DC-Kreis der elektrischen Anlage vorhandenen Sicherung zu signalisieren. Hierzu kann sie entsprechende Mittel zur Signalisierung aufweisen. Alternativ oder kumulativ dazu kann sie eingerichtet sein, einen oder mehrere Auslegungsparameter einer in die elektrische Anlage, insbesondere einer in den DC-Kreis der elektrischen Anlage noch einzubauenden Sicherung zu bestimmen und auszugeben. Zur Ausgabe der Auslegungsparameter kann die Auswerteeinheit eine Kommunikationseinheit aufweisen oder mit einer solchen verbunden sein.

Im Rahmen der Erfindung wird über die Schalteinheit an der real vorliegenden elektrischen Anlage, insbesondere an einer geeigneten Stelle zwischen der DC-Quelle und der DC-Last, gezielt ein Kurzschluss herbeigeführt. Dabei kann die Schalteinheit dort eingebracht werden, wo beispielsweise nach einer Risiko-Analyse ein möglicher Kurzschlussfehler als wahrscheinlich angenommen werden kann. Hierbei kann es sich auch um mehrere Stellen handeln, an denen nacheinander mittels der Schalteinheit jeweils ein Kurzschluss erzeugt wird. Bei dem erzwungenen Kurzschluss treibt die DC- Quelle, oder zumindest ein Teil der DC-Quelle, einen ansteigenden Kurzschlussstrom Isc durch die Schalteinheit und denjenigen Teil der verbindungsimmanenten Impedanz zwischen DC-Quelle und DC-Last, über den die Schalteinheit mit der den Kurzschlussstrom Isc treibenden DC-Quelle elektrisch verbunden ist. Hieraus resultiert zeitlicher Anstieg des Kurzschlussstroms Isc, der über einen oder mehrere Stromsensoren erfasst wird.

Der zeitliche Anstieg des Kurzschlussstroms ist von dem Anteil der verbindungsimmanenten Impedanz zwischen DC-Quelle und DC-Last abhängig, über den der Kurzschluss der DC-Quelle herbeigeführt wurde. Konkret ist das derjenige Anteil der verbindungsimmanenten Impedanz, der sich zwischen der den Kurzschluss treibenden DC-Quelle und der Schalteinheit befindet. Unter der verbindungsimmanenten Impedanz der Verbindung zwischen DC-Quelle und DC-Last sind die Impedanzen aller Komponenten zusammengefasst, die der Verbindung zwischen DC-Quelle und DC-Last der real vorliegenden Anlage inhärent sind.

Wie auch in Verbindung mit Fig. 1 und Fig. 2 näher erläutert, lässt sich die verbindungsimmanente Impedanz als eine Reihenschaltung aus einer resistiven und einer induktiven Impedanzkomponente darstellen. Der zeitliche Anstieg des Kurzschlussstroms Isc erfolgt bei einer Herbeiführung des Kurzschlusses üblicherweise exponentiell gemäß einer Abhängigkeit der Form Dabei sind die Parameter Isc.o und T für den DC-Kreis, insbesondere den aktuell vorliegenden Kurzschlusspfad des DC-Kreises charakteristisch. Konkret ist der Parameter Isc.o ein theoretischer Maximalstrom, der im Grenzfall großer Zeiten (t -> °°) in dem Kurzschlusspfad fließen würde, falls die in dem Kurzschlusspfad angeordneten Komponenten dieser Strombelastung standhalten würden, ohne zuvor beschädigt oder zerstört zu werden. Der Wert des Parameters Isc.o hängt hauptsächlich von dem Innenwiderstand Ri der DC-Quelle und der resistiven Impedanzkomponente R _a der verbindungsimmanenten Impedanz - geringfügig auch von dem ohmschen Widerstand der den Kurzschluss herbeiführenden Schalteinheit RSE - ab. In vielen Fällen ist jedoch der Innenwiderstand Ri groß gegen die restlichen resistiven Anteile Ra und RSE und daher in Bezug auf den maximalen Kurzschlussstrom Isc.o der DC- Quelle der begrenzende Faktor. Die DC-Zeitkonstante T beschreibt die Dynamik des Anstiegs und hängt gemäß von der induktiven Impedanzkomponente L ab. Die induktive Impedanzkomponente wird einerseits durch eine Länge der Zuleitungen zwischen DC-Quelle und DC-Last, oder genauer in dem Kurzschlusspfad, beeinflusst. Konkret gilt, je kleiner die induktive Impedanzkomponente in dem Kurzschlusspfad ist, desto steiler erfolgt der zeitliche Anstieg des Kurzschlussstroms. Umgekehrt gilt, je größer die induktive Impedanzkomponente in dem Kurzschlusspfad ist, desto langsamer verläuft der zeitliche Anstieg. Andererseits wird die induktive Impedanzkomponente L beispielsweise auch durch die Verlegung positiver und negativer Zuleitungen relativ zueinander beeinflusst. Konkret haben beispielsweise eng beieinanderliegende positive und negative Zuleitungen eine geringere induktive Impedanzkomponente L als die ansonsten gleichlangen, aber weiter entfernt zueinander verlegten Zuleitungen. Dies liegt daran, dass sich ein Magnetfeld bei eng beieinander liegenden Zuleitungen in einem Außenbereich der Zuleitungen weitgehend kompensiert und nur in einem kleinen Raumbereich zwischen den Zuleitungen in signifikanter Größe ausbildet. Bei weit voneinander entfernten Zuleitungen hingegen ist die gegenseitige Kompensation gering und das Magnetfeld bildet sich um jede der positiven und negativen Zuleitung aus. In dem kurzgeschlossenen Zustand der DC-Quelle wird fortlaufend zeitlich wiederholend eine Erfüllung eines Abbruchkriteriums überprüft. Erfindungsgemäß wird dabei der Kurzschlussstrom Isc bei Erfüllung des Abbruchkriteriums durch ein Öffnen der Schalteinheit unterbrochen. Die Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc erfolgt üblicherweise deutlich vor dem Erreichen des den Gleichgewichtsfall charakterisierenden theoretischen Maxi mal Stroms Isc.o, also bei deutlich geringeren Werten des Kurzschlussstroms Isc. Über das wiederholte Überprüfen des Abbruchkriteriums ist sichergestellt, dass keine Komponente der elektrischen Anlage bei dem herbeigeführten Kurzschluss beschädigt wird.

Die während dem herbeigeführten Kurzschluss detektierten Wertepaare von Kurzschlussstrom lsc(t) und dazu korrespondierender Zeit t werden analysiert. Über den Zeitverlauf des Kurzschlussstroms lässt sich beispielsweise die Zeitkonstante T ermitteln, die die Anstiegsdynamik des Kurzschlussstroms charakterisiert. Erfindungsgemäß ist es nicht notwendig, den Zeitverlauf in dem gesamten Strombereich zu erfassen. Vielmehr ist es ausreichend, lediglich einen relativ kurzen Zeitabschnitt ab Herbeiführung des Kurzschlusses zu detektieren. Der restliche Zeitverlauf ist unter Kenntnis des anfänglichen Zeitverlauf und insbesondere unter Kenntnis des prinzipiellen exponentiellen Zeitverhaltens gemäß Gleichung 1 extrapolierbar. Unter Kenntnis des anfänglichen Zeitverlaufes lässt sich überprüfen, ob eine in dem DC-Kreis, insbesondere eine in dem Kurzschlusspfad eingebaute Sicherung korrekt ausgelegt ist. Gleichfalls lässt sich aus dem Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc ein Auslegungsparameter für eine Sicherung ermitteln, die in den DC-Kreis, insbesondere in den Kurzschlusspfad eingebaut werden soll. Wenn die Überprüfung ergibt, dass eine in der elektrischen Anlage verbaute Sicherung nicht korrekt ausgelegt ist, kann die in der Anlage verbaute Sicherung gegen eine Sicherung mit einem anderen Auslöseverhalten getauscht werden. Alternativ oder kumulativ dazu kann auch die Verbindung der DC-Quelle mit der DC-Last, und darüber die induktive Impedanzkomponente L der verbindungsimmanenten Impedanz geändert werden. Konkret kann beispielsweise eine Verlegung der Zuleitungen relativ zueinander und/oder deren Länge geändert werden, was eine Änderung der induktiven Impedanzkomponente L bewirkt. In ähnlicher Weise kann vorgegangen werden, wenn der ermittelte Auslegungsparameter der noch einzubauenden Sicherung eine Sicherung indiziert, die in dieser Form nicht verfügbar ist. In diesem Fall kann die induktive Impedanzkomponente L der realen elektrischen Anlage so abgeändert werden, dass eine verfügbare Sicherung verwendet werden kann. Dabei kann die zu überprüfende Sicherung und/oder die noch einzubauende Sicherung insbesondere als eine Schmelzsicherung ausgebildet sein.

Vor dem Herbeiführen des Kurzschlusses über die Schalteinheit können einzelne Komponenten der elektrischen Anlage von dem DC-Kreis abgetrennt werden. Dabei können die Komponenten solange von dem DC-Kreis getrennt bleiben, bis der Kurzschluss über das Öffnen der Schalteinheit wieder beendet wird. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die entsprechenden Komponenten den Kurzschlussstrom Isc in dem DC-Kreis gar nicht, oder nur unwesentlich beeinflussen. Konkret kann beispielsweise vor und während dem herbeigeführten Kurzschluss die DC-Last von dem DC-Kreis getrennt werden, sofern die Schalteinheit - wie in Fig. 1 und Fig. 5 gezeigt - parallel zu der DC-Last angeordnet ist.

Erfindungsgemäß werden bei der Auslegung der geplanten Sicherung und/oder der Überprüfung der vorhandenen Sicherung die in der realen elektrischen Anlage vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen berücksichtigt. Auf einen gegebenenfalls abweichenden Nachbau einer elektrischen Anlage und daran nachgestellte Versuche unter Laborbedingungen wird bewusst verzichtet. Damit wird einem teilweise stark variierenden Anstiegsverhalten des Kurzschlussstroms Isc bei unterschiedlichen elektrischen Anlagen trotz zumindest weitgehend gleichen DC- Quellen und/oder DC-Lasten Rechnung getragen. Da die real vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen in die Auslegung / in die Überprüfung der Sicherungen einfließen, sind diese deutlich genauer, als sie mit einem Labornachbau bzw. einer Simulationsberechnung erzielbar sind. Konkret kann die Sicherung sowohl hinsichtlich eines möglichst geringen Durchlasswiderstandes im normalen Betrieb der elektrischen Anlage optimiert sein, und dennoch im Falle eines eventuell auftretenden Kurzschlussstroms ausreichend flink reagieren. So ist insbesondere der Kompromiss der beiden prinzipiell gegenläufigen Parameter „geringer Durchlasswiderstand“ und „hochdynamisches Auslöseverhalten“ einer Schmelzsicherung durch die Berücksichtigung der real vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen der in Frage stehenden elektrischen Anlage deutlich besser möglich, als unter Nutzung der herkömmlichen Laborversuche oder Simulationsberechnungen.

Das Messsystem ist vergleichsweise kostengünstig herstellbar. Es kann mobil ausgelegt sein, wobei ein bestimmtes Messsystem in eine Vielzahl von elektrischen Anlagen eingebaut, und nach Durchführung des Verfahrens wieder ausgebaut werden kann. Das Verfahren kann automatisiert und in einfacher Art und Weise durchgeführt werden. Dabei ist eine Beschädigung von Komponenten der elektrischen Anlage in hohem Masse ausgeschlossen, da der herbeigeführte Kurzschluss lediglich kurz erfolgt, eine ständige Überwachung des Kurzschlussstroms Isc während des herbeigeführten Kurzschlusses beinhaltet, und insbesondere durch eine rechtzeitige Strom Unterbrechung in seinem maximal auftretenden Kurzschlussstrom begrenzt ist. Zusammenfassend kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine kostengünstige und dennoch vergleichsweise genaue Absicherung der elektrischen Anlage gegen Kurzschluss erfolgen, die die individuell vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen der individuell unterschiedlichen elektrischen Anlagen berücksichtigt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.

In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens kann bei der Analyse des detektierten Kurzschlussstroms Isc, insbesondere dessen Zeitverlaufes, die dem DC-Kreis zugeordnete DC-Zeitkonstante T bestimmt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Steigung einer Tangente an den Zeitverlauf, die den Zeitpunkt der Herbeiführung des Kurzschlusses beschreibt, bestimmt wird. Alternativ ist es möglich, eine theoretische Kurve des exponentiellen Zeitverhaltens gemäß Gleichung 1 unter Variation der auftretenden Parameter (hier: die zu ermittelnde DC-Zeitkonstante T und den theoretischen Maximalstrom Isc.o) so an die detektierten Messwerte anzupassen, dass die Summe der Fehlerquadrate zwischen den Messwerten und der theoretischen Kurve minimal wird. Alternativ oder kumulativ zur Bestimmung der Zeitkonstante kann bei der Analyse auch ein optimaler Wert für einen Parameter bestimmt werden, der eine Auslöseschwelle oder ein Auslöseverhalten einer Sicherung beschreibt. Ein derartiger Parameter kann beispielsweise ein Auslösestrom und/oder ein Grenzlastintegral der Sicherung sein.

In einer Variante des Verfahrens kann das Abbruchkriterium eines oder mehrere der folgenden Ereignisse umfassen: ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes ITH für den Kurzschlussstrom Isc, ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes Atm für eine seit dem Schließen der Schalteinheit vergangene Zeitdauer At, ein Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes für ein dem Kurzschlussstrom Isc zugeordnetes Grenzlastintegral i ² tm.

Das Verfahren kann bevorzugt in einem Batterie-Speicherkraftwerk, in einem Photovoltaik- Kraftwerk (PV- Kraftwerk), oder in einem Kombi-Kraftwerk (i.e. einer Kombination aus Batterie-Speicherkraftwerk und PV-Kraftwerk - angewendet werden. Konkret kann bei dem Verfahren die DC-Quelle eine Vielzahl von Batterien und/oder eine Vielzahl von PV-Modulen umfassen, die in Serien- und/oder Parallelschaltung zueinander angeordnet sind. Zudem kann das Kombi-Kraftwerk auch Brennstoffzellen als DC-Quellen umfassen. Weiterhin kann die DC-Last einen DC/AC-Wandler und/oder einen DC/DC-Wandler umfassen, die in Bezug auf einen durch sie hindurchtretenden Leistungsfluss unidirektional - im Falle eines PV-Kraftwerks -, alternativ aber auch bidirektional - im Falle eines Batterie-Speicherkraftwerks oder Kombi-Kraftwerk - betreibbar sind.

Die Schalteinheit weist typischerweise einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, eine zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnete Verbindungsleitung und zumindest einen in der Verbindungsleitung angeordneten Schalter auf, beispielsweise einen Halbleiterschalter oder einen elektromechanischen Schalter. In einer Ausführungsform des Messsystems kann die Schalteinheit eine in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeordnete Serienschaltung eines aktiv steuerbaren Halbleiterschalters und eines elektromechanischen Schalters oder eine Serienschaltung eines aktiv steuerbaren Halbleiterschalters und einer Schmelzsicherung umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Schalteinheit zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eine Serienschaltung eines elektromechanischen Schalters und einer Schmelzsicherung aufweisen. Durch die Kombination aus Halbleiterschalter einerseits und elektromechanischem Schalter oder Schmelzsicherung andererseits ist die Schalteinheit in ihrem Betrieb in der Lage, sowohl schnellschaltend zu reagieren (durch den Halbleiterschalter) wie auch eine galvanisch trennende Strom Unterbrechung zu gewährleisten (durch den elektromechanischen Schalter oder die Schmelzsicherung). In einer Ausführungsform des Messsystems kann der zumindest eine Stromsensor eine Vielzahl von Stromsensoren umfassen, die mit der Auswerteeinheit verbunden sind, und die jeweils zur Detektion eines in dem DC-Kreis fließenden Kurzschlussstroms Isc, insbesondere eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms Isc ausgelegt sind. Alternativ oder kumulativ kann das Messsystem einen oder mehrere mit der Auswerteeinheit verbundene Spannungssensoren umfassen, der/die jeweils zur Detektion einer in dem DC-Kreis herrschenden Spannung Use, insbesondere eines Zeitverlaufes der Spannung Use ausgelegt sind. Indem das Messsystem mehrere Stromsensoren und/oder mehrere Spannungssensoren aufweist, können gleichzeitig mehrere Zeitverläufe von Kurzschlussstrom Isc und/oder Kurzschlussspannung Use bei einem herbeigeführten Kurzschluss, beispielsweise an unterschiedlichen Stellen des DC-Kreises, detektiert werden. Auf diese Weise können die in dem DC-Kreis vorhandenen verbindungsimmanenten Impedanzen effizienter analysiert werden.

In einer vorteilhaften Variante des Messsystems kann der Stromsensor beziehungsweise kann einer der Stromsensoren in einer Verbindungsleitung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Schalteinheit angeordnet sein. Konkret kann der Stromsensor eingerichtet sein, den zwischen den Anschlüssen der Schalteinheit fließenden Kurzschlussstrom Isc, insbesondere dessen Zeitverlauf zu detektieren. Weiterhin kann der Spannungssensor beziehungsweise kann einer der Spannungssensoren des Messsystems mit dem ersten Anschluss der Schalteinheit einerseits und dem zweiten Anschluss der Schalteinheit andererseits verbunden sein und auf diese Weise eingerichtet sein, eine zwischen den Anschlüssen der Schalteinheit herrschende Spannung Use, insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren.

Kurzbeschreibunq der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform eines in einem DC-Kreis einer elektrischen Anlage eingebauten Messsystems;

Fig. 2a eine erste Ausführungsform einer Schalteinheit des Messsystems aus Fig. 1 ;

Fig. 2b eine zweite Ausführungsform einer Schalteinheit des Messsystems aus Fig.

1 ; Fig. 2c eine dritte Ausführungsform einer Schalteinheit des Messsystems aus Fig. 1 ;

Fig. 3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 eine Analyse der detektierten Messwerte am Beispiel eines Zeitverlaufes des Kurzschlussstroms lsc(t);

Fig. 5 Batterie-Speicherkraftwerk als elektrische Anlage mit einem darin verbauten Messsystem;

Figurenbeschreibunq

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines in einem DC-Kreis 200 einer elektrischen Anlage eingebauten Messsystems 100 dargestellt. Der DC Kreis 200 umfasst eine DC- Quelle 201 (in Fig. 1 exemplarisch als Batterie mit einem wirksamen Innenwiderstand Ri illustriert) und eine DC-Last 210, die über Zuleitungen 203 mit der DC-Quelle 201 verbunden ist. Die Verbindung der DC-Last 210 und der DC-Quelle 201 weist eine Schmelzsicherung 220 auf. Neben der Schmelzsicherung 220 und den Zuleitungen 203 kann die Verbindung zwischen DC-Last 210 und DC-Quelle 201 weitere Komponenten, beispielsweise Trennschalter beinhalten, die in Fig. 1 nicht explizit dargestellt sind. Die Verbindung zwischen DC-Quelle 201 und DC-Last 210 weist eine verbindungsimmanente Impedanz 202 auf, die in Figur 1 exemplarisch als Serienschaltung aus einer resistiven Impedanzkomponente R _a und einer induktiven Impedanzkomponente L illustriert ist.

Mit dem Messsystem 100 soll nun eine korrekte Auslegung der Schmelzsicherung 220 unter Berücksichtigung der verbindungsimmanenten Impedanz 202 überprüft werden. Hierzu umfasst das Messsystem 100 eine Schalteinheit 102 mit einer Serienschaltung aus einem aktiv steuerbaren Halbleiterschalter 103 und einer weiteren Schmelzsicherung 104, sowie eine die Schalteinheit 102 ansteuernde Steuerungseinrichtung 101. Exemplarisch ist die Schalteinheit 102 in dem DC-Kreis 200 so verschaltet, dass die DC-Quelle 201 im geschlossenen Zustand der Schalteinheit 102 über die verbindungsimmanente Impedanz 202 und die zu überprüfende Schmelzsicherung 220 kurzgeschlossen wird. Das Messsystem 100 umfasst weiterhin eine mit der Steuerungseinheit 101 verbundene Auswerteeinheit 115, einen Stromsensor 110 zur Detektion eines in dem DC-Kreis, hier insbesondere in dem Kurzschlusspfad fließenden Kurzschlussstroms Isc. Das Messsystem 100 umfasst zudem einen ersten Spannungssensor 111a und einen zweiten Spannungssensor 111 b, jeweils zur Detektion einer in dem DC-Kreis 200 herrschenden Spannung Use. Exemplarisch ist der erste Spannungssensor 111a eingerichtet, eine zwischen Anschlussklemmen der DC-Quelle 201 herrschende Spannung Uma, insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren. Der zweite Spannungssensor 111 b ist hingegen eingerichtet, eine zwischen einem ersten Anschluss 106 und einem zweiten Anschluss 107 der Schalteinheit 102 herrschende Spannung Un , insbesondere deren Zeitverlauf zu detektieren. Ein Betrieb des Messsystems 100 wird in Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 detaillierter erläutert.

In den Fig. 2a - 2c sind unterschiedliche Ausführungsformen der Schalteinheit 102a - 102c illustriert, die bevorzugt in dem Messsystem 100 verwendet werden können. Eine erste Ausführungsform der Schalteinheit 102a ist in Fig. 2a dargestellt Die Schalteinheit 102a umfasst einen ersten Anschluss 106 und einen zweiten Anschluss 107. In einer Verbindungsleitung zwischen den Anschlüssen 106, 107 ist ein aktiv steuerbarer Halbleiterschalter 103, beispielsweise ein IGBT (Insulated-Gate-Bipolar- Transistor) oder ein MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) angeordnet. In Reihenschaltung zu dem Halbleiterschalter 103 und ebenfalls zwischen den Anschlüssen 106, 107 ist eine weitere Schmelzsicherung 104 angeordnet. Zur Herbeiführung des Kurzschlusses wird der aktiv steuerbare Halbleiterschalter 103 geschlossen, während er zur Unterbrechung des Kurzschlussstroms Isc geöffnet wird. Die weitere Schmelzsicherung 104 ist hier so dimensioniert, dass sie schon bei Erreichen eines relativ geringen Stromschwellwertes auslöst, der unterhalb eines Wertes für eine Kurzschlussfestigkeit derjenigen Komponente liegt, die in dem Kurzschlusspfad am ehesten von einem Überstrom beschädigt werden würde. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch bei einem fehlerhaften Betrieb des Halbleiterschalter 103 keine der Komponenten in dem Kurzschlusspfad durch den herbeigeführten Kurzschluss beschädigt werden.

Vorteilhaft kann einer der Spannungssensoren des Messsystems 100 - hier der zweite Spannungssensor 111 b - mit den Anschlüssen 106, 107 der Schalteinheit 102 verbunden sein und eingerichtet sein, bei dem herbeigeführten Kurzschluss eine zwischen den Anschlüssen 106, 107 herrschende Spannung Un zu detektieren. Weiterhin kann einer der Stromsensoren - hier der zweite Stromsensor 110b - in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Anschluss 106 und dem zweiten Anschluss 107 angeordnet sein und eingerichtet sein, während des herbeigeführten Kurzschlusses den in der Verbindungsleitung fließenden Kurzschlussstrom Isc, insbesondere dessen Zeitverlauf Isc zu detektieren. Die gezeigte Verschaltung des Stromsensors 110b und des Spannungssensors 111 b ist optional auch bei der zweiten und der dritten Ausführungsform der Schalteinheit 102 möglich.

Die zweite Ausführungsform der Schalteinheit 102b gemäß Fig. 2b ähnelt der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2a, allerdings weist sie eine Serienschaltung aus einem aktiv steuerbaren Halbleiterschalter 103 und einem elektromechanischen Schalter 105 zwischen dem ersten 106 und dem zweiten Anschluss 107 der Schalteinheit 102 auf. Zur Herbeiführung des Kurzschlusses wird der elektromechanische Schalter 105 geschlossen, sofern er nicht schon geschlossen ist. Danach wird der Halbleiterschalter

103 geschlossen. Der Kurzschlussstrom Isc wird unterbrochen, indem der aktiv steuerbare Halbleiterschalter 103 geöffnet wird. Danach kann, jedoch muss nicht zwingend, der elektromechanische Schalter 105 geöffnet werden. Wie auch in der ersten Ausführungsform wird die schnell reagierende Funktion der Schalteinheit 102b von dem Halbleiterschalter 103 bereitgestellt. Der elektromechanischer Schalter 105 stellt, ähnlich wie die weitere Sicherung 104 in der ersten Ausführungsform der Schalteinheit 102a, eine galvanische Trennungsfunktion für die Schalteinheit 102b bereit.

Die dritte Ausführungsform der Schalteinheit 102c umfasst eine Serienschaltung aus einer weiteren Sicherung 104 und einem elektromechanischen Schalter 105. Der Kurzschluss wird hier durch ein Schließen des elektromechanischen Schalters 105 herbeigeführt, während der Kurzschlussstrom durch die auslösende weitere Sicherung

104 unterbrochen wird. Somit stellt in der dritten Ausführungsform die weitere Sicherung 104 die schnell schaltende Funktion der Schalteinheit 102c bereit. Der elektromechanische Schalter 105 dient hier hauptsächlich einer redundanten Trennungsfunktion für den Kurzschlussstrom Isc, sollte die weitere Sicherung 104 einmal nicht in der Lage sein, den erzwungenen Kurzschlussstrom Isc - beispielsweise aufgrund eines über der ausgelösten weiteren Sicherung 104 brennenden Lichtbogens - zu trennen. Hierzu kann der elektromechanische Schalter 105 eine vergleichsweise hohe Stromtragfähigkeit und geeignete Mittel zur Löschung des Lichtbogens aufweisen (in Fig. 2b und Fig. 2c nicht explizit dargestellt).

In Fig. 3 wird eine Variante für einen Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms dargestellt, wie es beispielsweise mit dem in den DC- Kreis 200 einer elektrischen Anlage eingebauten Messsystem 100 aus Fig. 1 durchgeführt werden kann. Das Verfahren startet mit einem Schritt A1 . In dem Schritt A2 wird bewusst ein Kurzschluss in dem DC-Kreis 200 durch ein Schließen der Schalteinheit 102 herbeigeführt. Hierdurch wird in dem DC-Kreis 200 ein Kurzschlusspfad ausgebildet, bei dem die DC-Quelle 201 über zumindest einen Teil der verbindungsimmanenten Impedanz 202 und die Schalteinheit 102 kurzgeschlossen wird. Aufgrund des Kurzschlusses wird in dem Kurzschlusspfad ein ansteigender Kurzschlussstrom Isc erzeugt. Über den zumindest einen Stromsensor 110 wird nun in dem Schritt A3 ein Zeitverlauf des Kurzschlussstroms lsc(t) detektiert. Zusätzlich wird über den ersten Spannungssensor 111a ein Zeitverlauf der Spannung Uma (t) detektiert, die zwischen den Anschlussklemmen der DC-Quelle 201 anliegt. Weiterhin wird über den zweiten Spannungssensor 111 b ein Zeitverlauf einer zwischen den Anschlüssen 106, 107 der Schalteinheit 102 herrschenden Spannung Unib (t) detektiert. In dem Schritt A4 wird durch die Auswerteeinheit 115 fortlaufend und jeweils mit den zuletzt detektierten Werten des Kurzschlussstroms Isc (t) eine Erfüllung eines Abbruchkriteriums überprüft. Dabei kann das Abbruchkriterium das Erreichen oder Überschreiten eines Stromschwellwertes ITH durch den ansteigenden Kurzschlussstrom lsc(t), das Erreichen oder Überschreiten eines Zeitschwellwertes Atm, der seit Herbeiführung des Kurzschlusses ablaufenden Zeitdauer At, und/oder das Erreichen oder Überschreiten eines vordefinierten Schwellwertes l ² tm eines mittels des Kurzschlussstroms lsc(t) gebildeten Grenzlastintegrales lsc ² t (t) sein.

Solange das Abbruchkriterium nicht erfüllt ist, springt das Verfahren zurück zum Schritt A3. Ist hingegen das Abbruchkriterium erfüllt, wird in dem Schritt A5 die Schalteinheit 102 geöffnet, wodurch der Kurzschlussstrom Isc (t) unterbrochen wird. In dem Schritt A6 erfolgt eine Analyse des detektierten Zeitverlaufes für den Kurzschlussstrom Isc (t), gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung der detektierten Zeitverläufe für die Spannungen Uma, Un . Die Analyse verfolgt das Ziel, einen eine Auslöseschwelle der Sicherung 220 charakterisierenden Parameter zu bestimmen, bei dem die verbindungsimmanenten Impedanzen 202 berücksichtigt sind, wie sie zwischen der DC-Quelle 201 und der DC-Last 210 der elektrischen Anlage real vorliegen. Die mittels des bestimmten Parameters charakterisierte Auslöseschwelle kann mit einer Auslöseschwelle der in dem DC-Kreis 200 bereits verbauten Sicherung 220 verglichen werden. Hierdurch kann eine korrekte Auslegung der Sicherung 220 überprüft und gegebenenfalls angepasst werden. Alternativ oder kumulativ dazu ist es möglich, mit dem bestimmten Parameter eine in den DC-Kreis 200 noch einzubauende Sicherung 220 passend und möglichst optimal auszulegen. Das Verfahren wird in dem Schritt A7 beendet.

Fig. 4 zeigt eine Variante einer Analyse am Beispiel eines Zeitverlaufes für den Kurzschlussstrom lsc(t). Dabei verfolgt die Analyse das Ziel, eine den DC-Kreis 200 - oder genauer: eine den jeweiligen Kurzschlusspfad - charakterisierende DC- Zeitkonstante T ZU bestimmen. Der in Fig. 4 illustrierte Verlauf spiegelt exemplarisch eine Situation wider, bei der als Abbruchkriterium des Messsystems 100 ein Erreichen oder Überschreiten eines vordefinierten Stromschwellwertes ITH eingestellt ist. Bei der Zeit t=0 wird der Kurzschluss durch ein Schließen der Schalteinheit 102 herbeigeführt, wodurch in dem Kurzschlusspfad ein ansteigender Kurzschlussstrom lsc(t) hervorgerufen wird. Zum Zeitpunkt ti erreicht der Kurzschlussstrom Isc den vordefinierten Strom sch well wert ITH, was von der Auswerteeinheit 115 und dem damit verbundenen Stromsensor 110 registriert wird. In Reaktion darauf wird unmittelbar die Schalteinheit 102 geöffnet, wodurch der Kurzschlussstrom Isc unterbrochen wird. In Fig. 4 sind somit in dem Bereich unterhalb des Stromschwellwertes ITH real detektierte Werte für den Kurzschlussstrom lsc(t) vorhanden, was durch den durchgezogen gezeichneten Kurvenabschnitt 401a im Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc (t) symbolisiert ist. Hingegen beschreibt der Kurvenanteil 401 b oberhalb des Stromschwellwertes ITH lediglich einen theoretischen Zeitverlauf des Kurzschlussstroms Isc, der jedoch unter Berücksichtigung der unterhalb von ITH detektierten Messwerte extrapoliert ist. Dies ist in Fig. 4 durch den gestrichelt gezeichneten Kurvenabschnitt 401 b symbolisiert. Aufgrund der Serienschaltung aus der resistiven und der induktiven Impedanzkomponente der verbindungsimmanenten Impedanz 202 ergibt sich insgesamt eine exponentiell gegen den Grenzwert Isc.o strebender Kurve 401 für den Zeitverlauf des Kurzschlussstroms lsc(t). Zur Bestimmung der DC-Zeitkonstante T wird nun eine Tangente 402 an den Kurvenabschnitts 401a bei t=0 - also zum Zeitpunkt der Herbeiführung des Kurzschlusses - angeschmiegt und deren Steigung m ermittelt. Es lässt sich zeigen, dass die Steigung m der Tangente 402 gemäß m = — = Y (3) dem Quotient aus Leerlaufspannung Uo der DC-Quelle 201 und der induktiven Impedanzkomponente L der verbindungsimmanenten Impedanz 202 entspricht und zusätzlich ein Maß für die DC-Zeitkonstante T des Kurzschlusspfades ist. Weiterhin ist aus Fig. 1 leicht ersichtlich, dass sich im Kurzschlussfall der maximal mögliche Kurzschlussstrom Isc.o in dem dargestellten Kurzschlusspfad aus der Leerlaufspannung Uo der DC-Quelle 201 , dem Innenwiderstand Ri der DC-Quelle 201 , des Widerstandes R102 der Schalteinheit 102, sowie der resistiven Impedanzkomponente R _a der verbindungsimmanenten Impedanz 202 gemäß

Isc.o = _R ^K i. ₊ ⁺ _R ^K i0 ⁰ 2 ₊ ⁺ _ß ^K a (4) ergibt. Dabei sind die Leerlaufspannung Uo und der Innenwiderstand Ri der DC-Quelle üblicherweise aus technischen Datenblättern der verwendeten DC-Quelle 201 hinreichend genau bekannt. Die Größe R102 beschreibt den ohmschen Widerstand der verwendeten Schalteinheit 102, der ebenfalls aus technischen Datenblättern der verwendeten Komponenten für die Schalteinheit 102 hinreichend genau bekannt ist. Für die resistive Impedanzkomponente R _a lässt sich unter Berücksichtigung des Materials und der Geometrie der Zuleitungen in dem Kurzschlusspfad ein recht guter Näherungswert berechnen. Somit sind alle Größen bekannt, um gemäß Gl. 4 den maximal möglichen Kurzschlussstrom Isc.o in dem Kurzschlusspfad zu berechnen. Mit der ermittelten Steigung m der Tangente lässt sich dann gemäß Gl. 3 die DC- Zeitkonstante T des Kurzschlusspfades berechnen.

In einigen Fällen ist der Innenwiderstand der Batterie Ri der strombegrenzende Faktor und ist groß gegen die resistive Impedanzkomonente R _a und auch den Widerstand der Schalteinheit 102, d.h. es gilt Ri » R _a und Ri » R102. In diesem Fall vereinfacht sich Gleichung 3 zu In diesen Fällen kann für den maximalen Kurzschlussstrom in dem Kurzschlusspfad in guter Näherung auch der maximale Kurzschlussstrom der DC-Quelle verwendet werden, der ebenfalls aus Datenblättern der DC-Quelle hinreichend genau bekannt ist. Auch damit kann aus der bestimmten Steigung m der Tangente und unter Berücksichtigung von Gleichung (3) die DC-Zeitkonstante T des Kurzschlusspfades ermittelt werden.

In Fig. 5 ist ein Batterie-Speicherkraftwerk 300 als elektrische Anlage dargestellt, wie es beispielsweise zur Stützung eines Energieversorgungsnetzes 330 verwendet wird. Das Speicherkraftwerk ist mit einer Vielzahl von Sicherungen, insbesondere Schmelzsicherungen gegen einen Kurzschlussfall abgesichert. Eine Überprüfung einer korrekten Auslegung der Sicherungen kann in dem Batterie-Speicherkraftwerk 300 mit dem darin angeschlossenen Messsystem 100 erfolgen.

Das Batterie-Speicherkraftwerk 300 umfasst als DC-Quelle eine Vielzahl von Batteriemodulen, die durch eine Kombination aus Serien- und Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Dabei bildet eine Serienschaltung von mehreren Batteriemodulen jeweils einen sogenannten Batterie-String 302a.1 - 302a.n, 302b.1 - 302b. n. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Fig. 5 in jedem der Batterie-Strings 302a.1 - 302a. n, 302b.1 - 302b. n die Reihenschaltung der Batteriemodule lediglich in Form eines Batteriemoduls dargestellt. In dem Batterie-Speicherkraftwerk sind nun mehrere Batterie-Strings 302a.1 - 302a. n parallel zueinander jeweils über eine Trennschaltung 310 aus einem Trennschalter 312 und einer String-Sicherung 311 an eine erste Sammelschiene 315a - eine sogenannte String-Sammelschiene - angeschlossen. Die parallel geschalteten Batterie-Strings 302a.1 - 302a. n bilden auf diese Weise eine erste Gruppe 303a aus. Eine vergleichbar aufgebaute zweite Gruppe 303b mit einer Mehrzahl von Batterie-Strings 302b.1 - 302b. m ist an eine weitere erste Sammelschiene 315b angeschlossen. Beide Gruppen 303a, 303b sind parallel zueinander an eine zweite Sammelschiene 316 - eine sogenannte Gruppen- Sammelschiene - angeschlossen. Die zweite Sammelschiene 316 ist mit einem Eingang eines DC/AC-Wandlers 320 als DC-Last 210 verbunden. Der DC/AC-Wandler 320 ist zum Austausch von elektrischer Leistung und zum Zwecke der Netzstützung mit dem Energieversorgungsnetz 330 verbunden. In den Verbindungsleitungen zwischen den ersten Sammelschienen 315a, 315b und der zweiten Sammelschiene 316 sind jeweils Überstromsicherungen 220a, 220b angeordnet. Die Funktion der Überstromsicherungen 220a, 220b soll mit dem Messsystem 100 überprüft und gegebenenfalls angepasst werden.

Hierzu wird über ein Schließen der Schalteinheit 102, die hier parallel zu einem DC- Eingang des DC/AC-Wandlers 320 verschaltet ist, ein temporärer Kurzschluss erzeugt. Die über die Verbindungsleitungen zwischen der ersten Sammelschiene 315a, 315b und der zweiten Sammelschiene 316 fließenden Kurzschlussströme Isc werden mit ihren Zeitverläufen für jede Gruppe 303a, 303b jeweils über einen der Stromsensoren 110a, 110b erfasst, Zusätzlich werden Zeitverläufe von Spannungen an den ersten Sammelschienen 315a, 315b durch entsprechende

Spannungssensoren 111 a, 111 b detektiert. Auch in der Schalteinheit 102 ist ein Stromsensor und ein Spannungssensor angeordnet (in Fig. 5 nicht explizit gezeigt), der die durch die Schalteinheit 102 fließenden Kurzschlussstrom Isc und die über die Schalteinheit 102 während des Kurzschlusses abfallende Spannung U102 detektiert. Nach Erreichen oder Überschreiten eines vordefinierten Abbruchkriteriums - beispielsweise das Erreichen oder Überschreiten eines Stromschwellwertes Ith für den durch die Schalteinheit 102 fließenden Kurzschlussstrom Isc wird die Schalteinheit 102 wieder geöffnet, wodurch der Kurzschlussstrom Isc durch die Schalteinheit 102 und in jeder der Verbindungsleitungen zwischen den ersten Sammelschienen 315a, 315b und der zweiten Sammelschiene 316 unterbrochen wird. Die Auswerteeinheit 115 analysiert die detektierten Zeitverläufe der detektierten Kurzschlussströme Isc und Spannungen und kann hieraus einen optimalen Wert für einen Auslegungsparameter der Sicherungen 220a, 220b unter Berücksichtigung der real vorliegenden verbindungsimmanenten Impedanzen 202 bestimmen. Die Auslöseparameter der vorhandenen Sicherungen 220a, 220b können mit dem über das Messsystem 100 bestimmten optimalen Wert verglichen werden, woraufhin die Sicherungen 220a, 220b gegebenenfalls gegen Sicherungen mit dem bestimmten optimalen Wert getauscht werden können. Alternativ oder kumulativ dazu ist es möglich, die verbindungsimmanente Impedanz der Verbindung zwischen der DC-Quelle und der DC-Last des Speicherkraftwerkes 300 über eine Änderung der Zuleitungen in Bezug auf deren Länge und / oder in Bezug auf deren Lage relativ zueinander anzupassen. Bezuqszeichenliste

100 Messsystem

101 Steuerungseinheit

102 Schalteinheit

103 Halbleiterschalter

104 Sicherung

105 elektromechanischer Schalter

106 Anschluss

107 Anschluss

110, 110a, 110b Stromsensor

111 , 111a, 111 b Spannungssensor

115 Auswerteeinheit

200 DC-Kreis

201 DC-Quelle

202 verbindungsimmanente Impedanz

203 Zuleitung

210 DC-Last

220, 220a, 220b Sicherung

300 Batterie-Speicherkraftwerk

302. a.1 - 3O2.a.n Batterie String

302. b.1 - 3O2.b.n Batterie-String

303a, 303b Gruppe

315a, 315b String-Sammelschiene

316 Gruppen-Sammelschiene

320 DC/AC-Wandler

330 Energieversorgungsnetz

Isc Kurzschlussstrom

401a, 401 b Kurvenabschnitt

402 Tangente

A1 - A7 Verfahrensschritt