Gerät und Schmelzsicherung für Gleichspannungsstromkreise

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung mit einem Gehäu se für einen Niederspannungsgleichstromkreis nach dem Oberbe griff von Patentanspruch 1; ein Gerät, das über einen Gleich spannungsanschluss mit Energie versorgt wird, nach dem Ober begriff von Patentanspruch 7; eine Niederspannungsgleich stromenergieverteilungsanlage nach dem Oberbegriff von Pa tentanspruch 10; einen Sicherungshalter für eine Schmelzsi cherung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 16 und ein Verfahren für eine Niederspannungsgleichstromenergievertei lungsanlage nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 18.

Schmelzsicherungen für elektrische Stromkreise, insbesondere für Niederspannungsstromkreise sind allgemein bekannt. Eine Schmelzsicherung ist eine Überstromschutzeinrichtung, die durch das Abschmelzen eines Schmelzleiters den Stromkreis un terbricht, wenn die Stromstärke einen bestimmten Wert während einer bestimmten Zeit überschreitet.

Schmelzsicherungen bestehen aus einem Gehäuse, wie einem iso lierenden Körper, der zwei durch einen Schmelzleiter verbun dene elektrische Kontakte aufnimmt . Der Schmelzleiter wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der Bemessungsstrom (Nennstrom) der Sicherung für eine bestimmte Zeit überschritten wird. Diese Schutzfunktion wird „Auslösen der Sicherung" genannt. Ausgelöste Schmelzsicherun gen sind unbrauchbar und müssen ersetzt werden.

Der Schmelzleiter ist in der Regel aus Elektrolytkupfer (E- CU) oder Feinsilber (Ag 1000/1000) hergestellt und von Luft oder Quarzsand umgeben. Der Sand dient als Lichtbogenlösch mittel .

Schmelzsicherungen werden meist in entsprechende Sockel bzw. Sicherungshalter eingesetzt. Damit eine Sicherung im Kurzschlussfall sicher auslösen kann, ist es wichtig, dass ihr Schaltvermögen (Ausschaltvermögen) nicht überschritten wird. Das Schaltvermögen ist der maximale zu erwartende „prospektive" (unbeeinflusste) Kurzschluss strom, den die Sicherung noch sicher abschalten kann, ohne dass ein Lichtbogen stehen bleibt oder die Sicherung selbst zerstört wird (z. B. Zerplatzen des Keramikkörpers) .

Die Angabe des Schaltvermögens ist nur sinnvoll zusammen mit Betriebsspannung und Stromart. Das Schaltvermögen sinkt mit steigender Betriebsspannung. Das Schaltvermögen für Gleich strom ist wesentlich geringer als für Wechselstrom. Schmelz sicherungen, die für Gleichstrom vorgesehen sind, können be denkenlos auch für Wechselstrom verwendet werden, jedoch nicht umgekehrt .

Mit Schmelzsicherung im Sinne der Erfindung sind insbesondere Geräteschutzsicherungen, kurz GS-Sicherungen oder G-Sicherun- gen, Schraubsicherungen, Niederspannungssicherungen bzw. Nie derspannungs-Hochleistungssicherungen, kurz NH-Sicherungen, gemeint .

Geräteschutzsicherungen bestehen aus einem kleinen Glas- oder Keramikrohr als Gehäuse mit Metallkappen an beiden Enden, zwischen denen sich der Schmelzdraht befindet. Dieser

Schmelzdraht ist freiliegend oder in Quarzsand eingebettet. Sie werden auch als Gerätesicherungen, Feinsicherungen oder Glasrohrsicherungen bezeichnet.

Niederspannungssicherungen werden in Verteilanlagen bzw.

Verteilnetzen, insbesondere im Sicherungskasten, eingesetzt. Es gibt verschiedenen Bauformen (z. B. Schraubsicherungen, NH-Sicherungen, Zylindersicherungen) . Niederspannungs-Hoch- leistungs-Sicherungen, kurz NH-Sicherungen, sind auch unter den Namen Messersicherung, Schwert _S icherung oder (in Verbin dung mit Hausanschlusskästen) als Panzersicherung bekannt.

Sie werden im Bereich der Hauptverteilungen in Niederspan- nungsnetzen eingesetzt. Merkmal ist das gegenüber Schraubsi cherungen deutlich größere Bauvolumen sowie massive Kontakt messer an beiden Enden. Daher können sie größere Ströme füh ren und trennen. NH-Sicherungen sind in Industrieanlagen weit verbreitet, außerdem werden sie im (öffentlichen) Stromnetz verwendet, z. B. in Trafostationen, Hauptverteilungen, oder im Hausanschlusskasten von Gebäuden und als Zählervorsiche- rung .

Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1500 Volt Gleichspan nung gemeint. Mit Niederspannung sind spezieller insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung mit 120 Volt Gleichspannung sind. Mit Gleichspannung sind insbesonde re Spannungen von 400-800 Volt gemeint.

Mit Gleichstromenergieverteilungsanlage sind elektrische Stromkreise für Gleichspannung gemeint, wie Gleichstromkreise Gleichstromnetze, Verteilnetze bzw. Anlagen etc., für Ströme, insbesondere Nennströme bzw. maximal Ströme, von 2 bis 500 Ampere; spezieller für Ströme von 2 Ampere bis 400 Ampere oder 200 Ampere.

Mit Gerät, das einen Gleichspannungsanschluss zur Energiever sorgung aufweist, ist ein Gerät mit einer Leistung von 1 Ki lowatt bis 200 Kilowatt gemeint.

Mit Schmelzsicherung im Sinne der Erfindung sind Schmelzsi cherungen für Gleichspannungen bzw. Gleichströme gemeint.

Mittlerweile werden verstärkt Niederspannungsgleichstromnetze entwickelt und aufgebaut, beispielsweise insbesondere für den Anschluss von Wechselrichtern.

Ein Wechselrichter (auch Inverter) ist ein elektrisches Ge rät, das Gleichspannung/-strom in Wechselspannung/-strom um wandelt. Wechselrichter bilden neben Gleichrichtern, die Wechselspannung in Gleichspannung umwandeln, Gleichspannungs wandlern, die eine Gleichspannung in eine andere Gleichspan- nung umwandeln, und Umrichtern (auch Frequenzumrichter) , die eine Wechselspannung in eine Wechselspannung anderer Frequenz umwandeln, eine Untergruppe der Stromrichter. Stromrichter sind ruhende Geräte bzw. Anlagen, die die Umwandlung ohne be wegliche Teile durchführen und meist auf Halbleiterbasis fun gieren .

Werden mehrere Geräte, wie Wechselrichter, an einer Nieder spannungsgleichstrom (energie) _V erteilungsanlage, wie bei spielsweise einem Gleichspannungs-Bus, kurz DC-Bus, ange schlossen bzw. betrieben, so werden üblicherweise Schmelzsi cherungen zum Schutz eingesetzt, um die Geräte im Fehlerfall z.B. vor einem Brand zu schützen.

Dabei besteht das Problem, dass im Fehlerfall, z.B. beim De fekt eines Gerätes, nicht nur die Schmelzsicherung des zu schützenden Gerätes, sondern auch die Schmelzsicherung eines benachbarten, nicht fehlerbehafteten Gerätes auslösen kann.

Dieses Problem soll anhand von Figur 1 erläutert werden. Fi gur 1 zeigt eine Niederspannungsgleichstromenergievertei lungsanlage NS, aufweisend:

- einen gemeinsamen Plusleiter DCP und einen gemeinsamen Mi nusleiter DCN, die an eine nicht dargestellte Gleichspan nungsenergieversorgung, beispielsweise mit einer Gleichspan nung von 600 Volt, angeschlossen sind,

- wobei am gemeinsamen Plusleiter DCP ein abgangsseitiger erster Plusleiter DCP1 und am gemeinsamen Minusleiter DCN ein abgangsseitiger erster Minusleiter DCN1 angeschlossen ist, die andererseits mit einem ersten Gerät Gl, ein Gleichspan nungsgerät, das über diesen Gleichspannungsanschluss mit Energie versorgt wird, verbunden sind,

- der erste Plusleiter DCP1 oder der erste Minusleiter DCN1 weisen eine erste Schmelzsicherung S1 auf, im Beispiel der erste Plusleiter DCP1; die erste Sicherung S1 ist in diesem Beispiel innerhalb des ersten Gerätes Gl angeordnet, sie kann alternativ auch außerhalb des ersten Gerätes Gl angeordnet sein; - am gemeinsamen Plusleiter DCP ist ein abgangsseitiger zwei ter Plusleiter DCP2 und am gemeinsamen Minusleiter DCN ein abgangsseitiger zweiter Minusleiter DCN2 angeschlossen, die andererseits mit einem zweiten Gerät G2, ein Gleichspan nungsgerät, das über diesen Gleichspannungsanschluss mit Energie versorgt wird, verbunden sind,

- der zweite Plusleiter DCP2 oder der zweite Minusleiter DCN2 weisen eine zweite Schmelzsicherung S2 auf, im Beispiel der zweite Plusleiter DCP2, die innerhalb (oder außerhalb) des zweiten Gerätes G2 angeordnet sein kann;

- am gemeinsamen Plusleiter DCP ist ein abgangsseitiger drit ter Plusleiter DCP3 und am gemeinsamen Minusleiter DCN ein abgangsseitiger dritter Minusleiter DCN3 angeschlossen, die andererseits mit einem dritten Gerät G3, ein Gleichspan nungsgerät, das über diesen Gleichspannungsanschluss mit Energie versorgt wird, verbunden sind,

- der dritte Plusleiter DCP3 oder der dritte Minusleiter DCN3 weisen eine dritte Schmelzsicherung S3 auf, im Beispiel der dritte Plusleiter DCP3, die innerhalb (oder außerhalb) des dritten Gerätes G3 angeordnet sein kann.

Im Beispiel gemäß Figur 1 können die Geräte ein Wechselrich ter sein bzw. eine Wechselrichterbaugruppe Wl, W2, W3 aufwei sen. Die elektrische Kapazität des Gerätes bzw. der Wechsel richterbaugruppe ist durch jeweilige erste, zweite und dritte Kapazitäten CI, C2, C3 zwischen Plus- und Minusleiter einge zeichnet .

Die Geräte können ein Gehäuse aufweisen. Die Schmelzsicherung kann innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.

Tritt im ersten Gerät Gl ein Fehler F zwischen dem ersten Plusleiter DCP1 und erstem Minusleiter DCN1 auf, dargestellt durch ein Blitz-Symbol F, so wird sich die Energie der ersten Kapazität CI (respektive des ersten Kondensators CI) des be troffenen ersten Gerätes Gl in die Fehlerstelle entladen. Zu sätzlich wird sich auch die Energie der zweiten Kapazität C2 und dritten Kapazität C3 der nicht betroffenen zweiten und dritten Geräte G2, G3 in die Fehlerstelle entladen.

In der ersten Sicherung S1 fließt die Summe aller Ströme, die auch durch die benachbarten Geräte gespeist wird. Die erste Sicherung S1 sollte im Regelfall auslösen. Die zweite und dritte Sicherung S2 und S3 sollen jedoch nicht auslösen, wenn ein Fehler im ersten Gerät Gl auftritt. Dies ist jedoch nicht immer sichergestellt, denn die zweiten und dritten Kapazitä ten C2, C3 können einen hohen (Fehler-) Strom liefern.

Besitzt beispielsweise das dritte Gerät 3 einen kleinen Nenn strom, so ist die dritte Sicherung S3 dementsprechend klein bemessen und kann auslösen, auch wenn der Fehler in einem an deren Gerät wie Gerät Gl aufgetreten ist.

Für den Betreiber der Geräte ist ein derartiges fälschliches Auslösen einer Sicherung sehr ärgerlich, denn er muss dann auch z.B. das Gerät 3 reparieren, obwohl es überhaupt keinen Fehler hatte.

In gleicher Weise können Sicherungen fälschlicherweise auslö sen, wenn ein Fehler zwischen dem gemeinsamen Plusleiter DCP und dem gemeinsamen Minusleiter DCN auftritt.

Bislang wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass bei der Projektierung die unmittelbare Anordnung von Geräten stark unterschiedlicher Leistung nicht erlaubt war. Dies führt zu starken Einschränkungen in der Projektierung. Mitunter wurde auch das Restrisiko eines fälschlichen Auslösens einer Siche rung akzeptiert, was die Verfügbarkeit einer Anlage reduziert und die Reparaturkosten erhöht .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für das genannte Problem anzugeben, insbesondere eine Selektivi tät des Auslösens von Schmelzsicherungen in Niederspannungs gleichstromnetzen / Niederspannungsgleichstromenergievertei lungsanlagen zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch eine Schmelzsicherung mit den Merk malen des Patentanspruchs 1, ein Gerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, eine Niederspannungsgleichstromenergiever teilungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, ei nen Sicherungshalter für eine Schmelzsicherung mit den Merk malen des Patentanspruchs 16 oder ein Verfahren für eine Niederspannungsgleichstromenergieverteilungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, dass eine Schmelzsicherung nur noch dann auslösen soll, wenn der Feh lerstrom in das Gerät hineinfließt. Fließt der Strom aus dem Gerät heraus, soll die Sicherung nicht auslösen. Erfindungs gemäß wird diese Richtungsselektivität dadurch erreicht, dass der Sicherung ein Halbleiterbauelement parallel geschaltet wird, welches in einer Stromrichtung leitet und in die entge gengesetzte Stromrichtung sperrt. In einer einfachen Lösung wird dies durch eine Diode erreicht.

Erfindungsgemäß wird in einer Variante das Halbleiterbauele ment innerhalb der Schmelzsicherung angeordnet, so dass die Schmelzsicherung im Falle einer Diode einen anodenseitigen ersten Anschluss und einen kathodenseitigen zweiten Anschluss aufweist .

Erfindungsgemäß weist in einer Variante ein Sicherungshalter das Halbleiterbauelement auf, so dass der Sicherungshalter im Falle einer Diode einen anodenseitigen ersten Anschluss und einen kathodenseitigen zweiten Anschluss aufweist.

Erfindungsgemäß ist in einer Variante das Halbleiterbauele ment der Sicherung in einer Niederspannungsgleichstromvertei lungsanlage parallel geschaltet.

Erfindungsgemäß ist in einer Variante das Halbleiterbauele ment der Sicherung in einem Gerät parallel geschaltet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Diode eine niedrige Schleusenspannung auf, insbesondere ist sie aus dem Halbleitermaterial Silizium oder Germanium herge stellt oder insbesondere als Schottky-Diode ausgeführt.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass je geringer die Schleu senspannung der Diode, desto eher wird die Diode leitend und desto geringer ist der Widerstand in Durchlassrichtung im Falle eines Stromes, der die Sicherung nicht auslösen soll. Damit wird der Reststrom über die Sicherung minimiert. Germa nium hat dabei eine geringere Schleusenspannung als Silizium. Eine Schottky-Diode hat eine geringere Schleusenspannung als eine pn-Diode bzw. Germanium-Diode.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Halbleiterbauelement Teil eines Halbleiterschalter, insbeson dere als Bipolartransistor ausgestaltet.

Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine geringer Schleu senspannung realisierbar ist und gleichzeitig eine aktive Steuerung möglich ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein nebengeordnetes Verfahren beansprucht.

Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1, 7, 10, 16 oder 18, als auch rückbe zogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinati onen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung der (Richtungs-) Selektivität des Auslösens von Schmelzsicherungen in Niederspannungsgleichstromnetzen / Niederspannungsgleich stromenergieverteilungsanlagen. Dadurch können Geräte unter schiedlicher Leistungsklassen an gemeinsamen Gleichspannungs leitungen bzw. einer gemeinsamen Gleichspannungsenergiever sorgung betrieben werden. Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt :

Figur 1 eine Niederspannungsgleichstromenergieverteilungs anlage mit Geräten nach dem Stand der Technik;

Figur 2 eine erfindungsgemäße Niederspannungsgleichstrom energieverteilungsanlage mit Geräten;

Figur 3 eine erfindungsgemäße Schmelzsicherung.

Figur 1 zeigt eine Niederspannungsgleichstromenergiever teilungsanlage mit Geräten, wie sie bereits vorstehend be schrieben wurde.

Figur 2 zeigt eine Niederspannungsgleichstromenergievertei lungsanlage mit Geräten, die erfindungsgemäß modifiziert wur de. Figur 2 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 1, mit dem Un terschied, dass der ersten Schmelzsicherung S1 ein Halblei terbauelement in Form einer ersten Diode Dl parallel geschal tet ist.

Die Diode ist derart angeordnet, dass die Flussrichtung der Diode entgegen der Flussrichtung des Stromes im Betriebsfall ist. D.h. im vorliegen Fall einer plusleiterseitigen (DCP1) Schmelzsicherung S1 ist die Katode der ersten Diode Dl mit dem gemeinsamen Plusleiter DCP verbunden ist und die Anode der ersten Diode Dl mit dem gleichspannungsgeräteseitigen ersten Plusleiter verbunden.

Im Falle einer (nicht dargestellten) minusleiterseitigen (DCN1) Schmelzsicherung wäre die Anode der ersten Diode Dl mit dem gemeinsamen Minusleiter DCN verbunden ist und die Ka tode der ersten Diode Dl mit dem gleichspannungsgeräteseiti gen ersten Minusleiter verbunden.

Weiterhin ist der zweiten Schmelzsicherung S2, die sich im Beispiel gemäß Figur 2 im zweiten Plusleiter DCP2 befindet, ein Halbleiterbauelement in Form einer zweiten Diode D2 pa rallel geschaltet.

Die zweite Diode D2 ist wiederum so angeordnet, dass die Flussrichtung der Diode entgegen der Flussrichtung des Stro mes im Betriebsfall ist. D.h. bei einer plusleiterseitigen (DCP2) zweiten Schmelzsicherung S2 ist die Katode der zweiten Diode D2 mit dem gemeinsamen Plusleiter DCP verbunden und die Anode der zweiten Diode D2 mit dem gleichspannungsgerätesei tigen zweiten Plusleiter verbunden.

Im Falle einer minusleiterseitigen (DCN2) zweiten Schmelzsi cherung S2 wäre die Anode der zweiten Diode D2 mit dem ge meinsamen Minusleiter DCN verbunden und die Katode der zwei ten Diode D2 mit dem gleichspannungsgeräteseitigen zweiten Minusleiter verbunden.

Des Weiteren ist der dritten Schmelzsicherung S3, die sich im Beispiel gemäß Figur 2 im dritten Plusleiter DCP3 befindet, ein Halbleiterbauelement in Form einer dritten Diode D3 pa rallel geschaltet.

In analoger Weise ist die dritte Diode D3 wiederum so ange ordnet, dass die Flussrichtung der Diode entgegen der Fluss richtung des Stromes im Betriebsfall ist.

In analoger Weise können weitere Geräte respektive Gleich spannungsgeräte vorgesehen sein.

Im Beispiel gemäß Figur 2 fließt im Fehlerfall ein Fehler strom i2 des zweiten Gerätes G2 und ein Fehlerstrom i3 des dritten Gerätes G3 zur Fehlerstelle im ersten Gerät Gl . Die- ser würde gemäß Figur 1 über die zweite und dritte Schmelzsi cherung S2, S3 fließen. Erfindungsgemäß fließt er nun gemäß Figur 2 über die zweite und dritte Diode D2, D3.

Im ersten Gerät Gl fließ der Fehlerstrom nach wie vor über die erste Sicherung SI, die damit wunschgemäß auslöst. Erfin dungsgemäß lösen die zweite und dritte Sicherung S2, S3 nicht aus, da der Strom über das parallel geschaltete Halbleiter bauelement, z.B. in Form einer Diode, vorbeigeführt wird.

Dadurch lösen die Schmelzsicherungen nur bei Stromfluss in einer Richtung aus. Die Dioden sind mit ihren Flussrichtungen entgegen der Flussrichtung des elektrischen Stromes im Be triebsfall angeordnet.

Da sich der zweite Fehlerstrom i2 des zweiten Gerätes auf die zweite Diode D2 und die zweite Sicherung S2 aufteilt (analog der dritte Fehlerstrom i3 bezüglich der dritten Diode D3 und dritten Sicherung S3) , wird die parallel geschaltete Diode möglichst niederohmig gewählt, um einen möglichst großen An teil des Fehlerstroms zu übernehmen.

Bevorzugt kann diese Diode als (Silizium-, Germanium-)

Schottkydiode ausgeführt werden oder ein Material mit einer niedrigen Schleusenspannung aufweisen.

Alternativ kann statt einer Diode ein aktiver Halbleiter schalter verwendet werden, z.B. mit einem Bipolartransistor.

Der Halbleiterschalter muss so ausgeführt sein, dass dieser in Rückwärtsrichtung sperrt.

Figur 3 zeigt eine Schmelzsicherung SI mit einem Gehäuse GE. Erfindungsgemäß ist der Schmelzsicherung SI eine Diode DI pa rallel geschaltet, so dass die Schmelzsicherung SI einen ano denseitigen ersten Anschluss AA und einen kathodenseitigen zweiten Anschluss AK aufweist. Erfindungsgemäß wird eine Schmelzsicherung derartig beschäl tet, dass sie nur bei Stromfluss in einer Richtung auslöst. Dadurch kann die Verfügbarkeit von Geräten, z.B. Wechselrich tern, die an einem gemeinsamen DC-Bus bzw. einer Gleichstrom- energieverteilanlage betrieben werden, erhöht werden sowie unnötige Reparaturkosten vermieden werden.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.