ES2358946T3 - Dispositivo de protección contra sobretensiones para la utilización en redes de corriente continua, particularmente para instalaciones fotovoltaicas. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de protección contra sobretensiones para la utilización en redes de corriente continua, particularmente para instalaciones fotovoltaicas con un circuito paralelo coordinado energéticamente de una primera pista de derivación y una segunda pista de derivación disparable, las cuales presentan cada una un comportamiento de reacción diferente relativo a acontecimientos perturbadores y sobretensiones, en el cual - la primera pista de derivación presenta al menos un varistor (3), cuyo valor de tensión residual es detectado y pasado a un circuito de mando (4), a fin de determinar la carga energética de la primera pista de derivación, - la segunda pista de derivación presenta al menos un explosor (1), cuya entrada del disparador está conectada a una primera salida del circuito de mando (4), caracterizado por el hecho de que - un tercer ramal está conectado en paralelo a la primera y segunda pista de derivación como pista de conmutación y de extinción, el cual contiene un interruptor de cortocircuito, cuya entrada de mando está conectada a una segunda salida del circuito de mando (4), - en el cual la segunda pista de derivación con explosor (1) es activada por el circuito de mando (4) únicamente cuando se espera una sobrecarga energética de la primera pista de derivación reconocida con ayuda de la vigilancia de tensión residual y además, para la limitación eficaz de la corriente secuencial de la red, el interruptor de cortocircuito en el tercer ramal es cerrado durante un período predeterminado después de haber transcurrido un tiempo de retardo, contado desde la reacción del explosor (1) en la segunda pista de derivación.
Description
Dispositivo de protección contra sobretensiones
para la utilización en redes de corriente continua, particularmente
para instalaciones fotovoltaicas.
La invención se refiere a un dispositivo de
protección contra sobretensiones para su empleo en redes de
corriente continua, particularmente para instalaciones
fotovoltaicas, con una conexión en paralelo energéticamente
coordinada de una primera pista de derivación y de una segunda pista
de derivación triggerable (disparable), las cuales presentan
respectivamente una reacción diferente a los acontecimientos
perturbadores y sobretensiones, según el concepto genérico de la
reivindicación 1.
La combinación de diferentes elementos de
protección contra sobretensiones para obtener una unidad de
protección modular contra sobretensiones a fin de limitar
sobretensiones transitorias es conocida por ejemplo de la patente DE
32 28 471 A1. En ella, una limitación de sobretensiones producidas
por maniobras se efectúa por disposición paralela de un explosor con
un varistor con la misma eficacia que la limitación de
acontecimientos perturbadores que surgen a causa de rayos y
presentan por regla general un contenido energético mucho más
grande.
Para ello, según el estado de la técnica
conocido, los elementos protectores están distribuidos sobre dos
pistas de derivación y coordinados de tal manera que se dirijan
sobre una primera pista principalmente las sobretensiones causadas
por maniobras con un flanco ascendente abrupto y con un aporte
energético relativamente escaso y que se dirijan sobre una segunda
pista aquellas sobretensiones con un alto aporte energético, p.ej.
de una descarga de rayo.
Además, según la patente DE 198 38 776 C2 una
circuitería para el control de la coordinación necesaria durante la
conexión en paralelo de varios elementos de protección contra
sobretensiones corresponde al estado de la técnica. Así, en la
solución conocida la evaluación del aporte energético es realizada
en un elemento protector preciso, p. ej. un varistor y a partir de
entonces es activado un elemento protector bruto, es decir un
explosor, según la necesidad. Las pistas previstas en este caso por
consiguiente son coordinadas energéticamente, es decir en el sentido
de que por un componente necesario para ello es captado y evaluado
el aporte energético en la primera pista y en caso de sobrepasar un
valor límite o varios parámetros de valor límite críticos se efectúa
un proceso de conmutación de la primera pista a la segunda
pista.
La patente US 5,325,259 A describe un
dispositivo de protección contra sobretensiones para una capacidad
conectada en serie con dos pistas de derivación. Una pista de
derivación contiene un explosor y la otra pista de derivación
contiene un interruptor de potencia. Después de la activación del
explosor de una de las pistas de derivación, el explosor es
desconectado de nuevo por cierre del interruptor de potencia en la
otra pista de derivación. Un tal dispositivo de protección contra
sobretensiones sin embargo no es adecuado para redes de corriente
continua, puesto que debido a la capacidad no puede fluir ninguna
corriente continua. Además, la velocidad de conexión del interruptor
de potencia es muy baja y durante la conmutación del interruptor de
potencia pueden producirse arcos eléctricos.
Desde hace mucho tiempo son conocidos en la
técnica de protección contra rayos unos explosores aptos de soportar
corrientes de rayo, que se emplean principalmente en el campo de
bajas tensiones. Su desarrollo técnico ulterior se basa en un
dispositivo de encendido que permite determinar dentro de amplios
límites el momento de encendido del recorrido de descarga principal
de un tal explosor disparable, pudiendo efectuarse una sintonización
óptima del momento de encendido, p.ej. con la tensión residual de un
varistor dispuesto en paralelo. Por la asociación de la tensión
residual de un elemento de varistor a la corriente conducida a
través del mismo se puede deducir la carga energética surgida a
través del varistor hasta el momento de encendido del explosor.
Según la configuración de un disparo descrita en
la patente DE 199 52 004 B4 existe la posibilidad de ajustar
diferentes momentos de encendido y su duración de tiempo con ayuda
de al menos dos valores de tensión residual y de optimizar así más
la coordinación. Así se ocasiona p.ej. el encendido inmediato del
explosor en caso de un impulso breve de corriente por el varistor no
antes de un valor cresta relativamente alto de la corriente,
mientras que esto en un impulso de corriente de larga duración ya es
el caso con un valor cresta relativamente bajo, en cuanto este
sobrepase una señal de tiempo que se encuentre fuera del tiempo del
impulso de corta duración.
De lo anteriormente mencionado es
consecuentemente una tarea de la invención indicar un dispositivo de
protección contra sobretensiones perfeccionado, el cual está
adaptado especialmente para su empleo en redes de corriente continua
y en estas particularmente para las instalaciones fotovoltaicas.
Este dispositivo de protección contra sobretensiones debe ser
realizado de manera modular y ser adecuado para la derivación de
descargas de rayo y las corrientes de rayo relativas a esto, es
decir bajo tales condiciones que aparecen en el sistema de corriente
continua mencionado. Así varían en instalaciones solares los niveles
de tensión y corrientes de servicio, lo cual no es el caso en otras
redes de corriente alterna. La problemática de la utilización del
dispositivo de protección contra sobretensiones preferiblemente en
el sector de instalaciones fotovoltaicas industriales consiste
también en que allí aparecen tensiones continuas del orden de 1000
V.
La solución de la tarea de la invención se
realiza mediante un dispositivo de protección contra sobretensiones
según la combinación de características conforme a la reivindicación
1, representando las reivindicaciones secundarias al menos
configuraciones y perfeccionamientos oportunos.
El dispositivo de protección contra
sobretensiones se compone de varias unidades funcionales que están
alojadas sobre una placa de soporte común, conteniendo la placa de
soporte dispositivos para fijar mecánicamente las unidades
funcionales y permitiendo sus conexiones eléctricas entre sí en la
mayor brevedad posible teniendo en cuenta la compatibilidad
electromagnética.
En el dispositivo de protección contra
sobretensiones para la utilización en redes de corriente continua se
refiere a una conexión en paralelo coordinada energéticamente de un
primera pista de derivación y una segunda pista de derivación
disparable (triggerable), teniendo las dos pistas de derivación una
reacción diferente respecto a los acontecimientos perturbadores y
sobretensiones dadas.
La primera pista de derivación presenta al menos
un varistor, cuyo valor de tensión residual es captado y pasado a un
circuito de mando, para determinar la carga energética de esta
primera pista de derivación.
La segunda pista de derivación presenta al menos
un explosor, cuya entrada de disparador se encuentra en comunicación
con una primera salida del circuito de mando.
Un tercer ramal está conectado en paralelo a la
primera y segunda pista de derivación como una pista de conmutación
y pista de extinción que contiene un interruptor de cortocircuito
consistente en al menos un transistor de potencia, cuya entrada de
mando está conectada a una segunda salida del circuito de mando. En
este punto debe hacerse la observación de que en lugar de un
transistor de potencia pueden emplearse también otros elementos que
conectan rápidamente, como p. ej. tiristores o similares.
La segunda pista de derivación con explosor
únicamente es activada por el circuito de mando cuando se espera una
sobrecarga energética, reconocida con ayuda de una vigilancia de
tensión residual, de la primera pista de derivación, preferiblemente
del varistor. Además, para la supresión eficaz de la corriente
sucesiva de red, el interruptor de cortocircuito es cerrado, es
decir activado en el tercer ramal durante un periodo de tiempo
prefijado después del transcurso del tiempo de retardo, contado a
partir de la respuesta del explosor en la segunda pista.
La reacción del explosor en la segunda pista de
derivación es reconocida por vigilancia de la tensión del sistema en
cuanto a la presencia de caídas de tensión con ayuda del circuito de
mando mencionado.
Alternativamente puede estar previsto un sensor
de corriente para reconocer la reacción del explosor en la segunda
pista de derivación.
El circuito de mando comprende un generador de
reloj para fijar el tiempo de retardo y/o el período de tiempo de
conexión del interruptor de cortocircuito.
El período de tiempo de conexión en una variante
de realización preferida de la invención es del orden de entre 10
\mus y 3 msf.
En la situación de un cortocircuito se vigila la
corriente fluyente en el tercer ramal y en caso de una sobrecarga,
el al menos un transistor de potencia es pasado a un estado de alta
resistencia óhmica.
En caso de una sobrecarga de corriente
particularmente de tipo corriente de impulso, la primera y/o la
segunda pista de derivación puede ser activada de nuevo en el
sentido de una coordinación retroactiva.
El tiempo de retardo para activar el interruptor
de cortocircuito o el al menos un transistor de potencia está
ajustado de tal manera que se puenteen las longitudes de impulso de
impulsos de corriente de choque normalizados.
Puesto que en el caso de una derivación no está
presente una tensión del sistema, el circuito de mando presenta una
unidad de acumulación de energía para su funcionamiento seguro
también en el caso de una derivación.
Para la puesta a tierra según la técnica de
instalaciones de pararrayos, el dispositivo de protección contra
sobretensiones en una configuración está dotado de un aislamiento de
chispas que es insertado en la puesta a tierra.
La invención debe ser explicada a continuación
más en detalle con ayuda de un ejemplo de realización así como con
ayuda de las figuras.
Aquí muestran:
Fig. 1 una representación en perspectiva de la
estructura mecánica del dispositivo de protección contra
sobretensiones con las respectivas unidades funcionales;
Fig. 1a un detalle del dispositivo de protección
contra sobretensiones con un explosor así como un aislamiento de
chispas previsto facultativamente;
Fig. 2 un esquema de conexiones de principio del
dispositivo de protección contra sobretensiones con respecto a un
modo de conexión entre los polos L+ y L- de una instalación
fotovoltaica;
Fig. 2a el esquema eléctrico del dispositivo de
protección contra sobretensiones con un aislamiento de chispas
adicional;
Fig. 2b la interconexión de las unidades
funcionales, como están dispuestas sobre la cara superior de la
placa de soporte según la Fig. 1;
Fig. 2c la interconexión de las unidades
funcionales, como están dispuestas sobre el lado inferior de la
placa de soporte según la Fig. 1, así como
Fig. 3 curvas de corriente y tensión durante el
proceso de derivación en una representación esquemática.
El dispositivo de protección contra
sobretensiones según la Fig. 1 y 1a comprende una platina de soporte
5, sobre la cual están dispuestos dos elementos de varistor 3 (VDR1
y VDR2) en la cara superior. En la imagen mostrada a la derecha se
halla un circuito disparador que es componente del circuito de mando
que sirve de unidad de coordinación y de vigilancia CCU, referencia
4.
El explosor de la segunda pista de derivación
está dotado de la referencia 1 y el aislamiento de chispas de la
referencia 2. En la Fig. 1 y 1a está representado el carril a tierra
con la referencia 6 y la conexión a tierra con la referencia 6'
(Fig. 1).
Sobre la primera pista de derivación según la
Fig. 2 fluye la corriente I_{p1}. La segunda pista de derivación
con un explosor disparable lleva la corriente I_{p2}.
En la pista de conmutación o de extinción con un
transistor como interruptor de cortocircuito fluye la corriente
I_{p3}. En la segunda pista de derivación se halla aun otro sensor
de corriente S que es guiado sobre una entrada del circuito de mando
CCU (E3).
La tensión sobre el varistor VDR2, es decir
U_{VDR}, accede a las entradas E1 y E2 del circuito de mando CCU,
a cuya salida A1 está conectada la entrada del disparador del
explosor de la segunda pista de derivación.
La salida A2 del circuito de mando CCU se
encuentra en comunicación con la base, es decir, la entrada de
conexión del transistor en el tercer ramal.
U_{VDR} representa la tensión residual sobre
el varistor VDR2, U_{Z} la tensión de encendido o tensión de
reacción del explosor, U_{BO} la tensión de mantenimiento del arco
del explosor y U_{TR} la tensión de cortocircuito sobre el
transistor de conmutación de la pista de extinción o del interruptor
de cortocircuito.
La coordinación de la primera pista con la
corriente I_{p1} con la de la segunda pista que conduce la
corriente I_{p2}, ocurre mediante el circuito de mando CCU,
activando esta mediante una señal de mando el dispositivo disparador
del explosor disparable en la segunda pista a causa de la carga
energética de la primera pista.
A raíz de ello, el recorrido de descarga
principal del explosor es encendido por un impulso de encendido
correspondiente y la corriente de derivación que ha sido derivada al
principio por la primera pista conmuta a la segunda pista. Una
condición para una conmutación completa, en la que la primera pista
queda completamente sin corriente, es una tensión de arco a ser
posible baja con respecto a la tensión del varistor, que se produce
después de su reacción sobre el recorrido de descarga del
explosor.
Debido a la conmutación, el varistor sufre una
descarga, asumiendo el explosor más potente en cierto modo el
proceso de derivación y por lo tanto la corriente de choque.
Puesto que la pista del varistor en estos
momentos ya no es activa eléctricamente, el explosor mismo debe
terminar el proceso de derivación, de modo que luego se presenten de
nuevo las condiciones normales de la red. Esto significa que en
muchos casos el explosor debe desconectar, es decir, eliminar la
corriente subsiguiente de la red aplicada después de haber
disminuido el impulso de corriente de choque. Esta corriente
secuencial de la red o denominada corriente de seguimiento surge, en
cuanto o mientras la tensión "flotante" de la red sobre el
explosor sea superior a su tensión de arco.
Las corrientes de seguimiento pueden representar
una carga considerable para el explosor según el nivel de corriente
y/o duración de tiempo y por eso generalmente no han de abandonarse
en el dictamen de su balance energético. En estado no regulado y
descontrolado pueden dar lugar a que el explosor envejezca
anticipadamente y finalmente falla.
Es por lo tanto necesario evitar la aparición de
corrientes de seguimiento o limitar éstas temporalmente así como en
la amplitud.
Para la solución de la problemática de
corrientes de seguimiento debe tenerse ahora aún en cuenta que en
redes de tensión continua de instalaciones solares se presentan
valores muy elevados de tensión.
\newpage
Según la invención, como primera medida debe ser
evitada la aparición de una corriente de seguimiento, teniendo lugar
la reacción del explosor únicamente cuando exista el riesgo de una
sobrecarga energética para el varistor. Si no existe este riesgo, el
varistor asume el proceso de derivación completamente y de esta
manera una corriente de seguimiento debido al funcionamiento es
imposible.
La evaluación energética se efectúa en el
circuito de mando CCU que genera preferiblemente con ayuda de la
curva de tensión residual una señal de disparador orientada de
manera selectiva por el varistor, haciendo que el explosor
disparable reaccione.
Puesto que la conexión de la segunda pista de
derivación se efectúa en dependencia del rendimiento de los
varistores en la primera pista, entonces resulta una zona amplia
seleccionable, dentro de la cual el varistor puede efectuar la
derivación completa del impulso de corriente, sin que exista por una
parte el riesgo de una sobrecarga del varistor y por otra parte si
se presenta una corriente de seguimiento.
Esta zona puede ser ampliada mediante la
evaluación orientada de manera selectiva con ayuda del circuito de
mando con respecto a métodos de evaluación sencillos, de modo que
p.ej. en caso de un impulso de corriente de choque pobre en energía
de la forma de ondas 8/20 \mus, un determinado tipo de varistor
puede ser cargado hasta 10 kA y el mismo tipo en otro impulso de
corriente rico en energía de la forma de ondas 10/350 \mus puede
ser cargado hasta 1,5 kA.
Con el método arriba descrito es imposible que
se presente una corriente de seguimiento ya con corrientes de
impulso débiles en energía, que puedan surgir p.ej. a consecuencia
de tensiones de conmutación o de influencias indirectas de rayos
moderadas en una secuencia relativamente frecuente. También por la
gama total de las influencias indirectas de rayos, representadas por
la forma de ondas 8/20 \mus, no se esperan corrientes de
seguimiento. Por lo contrario, el explosor es conectado
adicionalmente conforme a su destino en caso de influencias directas
del rayo reproducidas por la forma de ondas 10/350 \mus. Se tiene
que contar por lo tanto con pocos acontecimientos de corriente de
seguimiento a título comparativo debido a esta configuración.
Como otra medida para impedir la presencia de
corrientes de seguimiento se vigila en primer lugar, cuando el
explosor está conectado directamente y cuando comienza el transcurso
de un tiempo de retardo. Si se evalúa el momento en el cual ha
disminuido la corriente de impulso o si ha terminado el tiempo de
retardo prefijado, se activa el interruptor que cortocircuita la
tensión de arco del explosor en el tercer ramal, es decir, en la
pista de conmutación y de extinción, de modo que se conmuta la
corriente de seguimiento que está a punto de comenzar o ha comenzado
y se apaga el explosor que se encuentra entonces sin corriente.
Después de un corto tiempo de conexión, el cortocircuito es
eliminado de nuevo abriendo el interruptor en la pista de extinción
y se restablece el estado de funcionamiento originario, como ha
existido antes del proceso de derivación.
En comparación con métodos conocidos, la
solución se puede poner en práctica fácilmente, ahorrando espacio y
de manera económica. Por ello resulta la ventaja de que pueden ser
aprovechadas las configuraciones de explosores, las cuales de la
manera habitual hasta ahora sólo se emplean en redes de tensión
alterna o han sido concebidas para redes de este tipo.
Como ya se puede deducir de los diagramas de
bloques, la pista de extinción presenta un interruptor de
cortocircuito que físicamente es apto de cumplir tanto los
requisitos eléctricos como mecánicos, como se presentan en relación
con el proceso de conmutación. Además, el interruptor es controlable
para que pueda realizarse una conexión y desconexión coordinada por
el circuito de mando CCU.
En relación con el proceso de conmutación existe
la exigencia de que, además de la capacidad de una alta carga de
conexión, el proceso de conmutación en sí ocurra sin formación de un
arco eléctrico por conexión. Por ello pueden ahorrarse cámaras
apagachispas laboriosas y por lo tanto una alta necesidad en espacio
que resultaría adicionalmente. Puesto que es posible apagar la
corriente de seguimiento dentro de un corto tiempo de conexión o
lograr una reestabilización de la distancia de aislamiento de un
explosor, el interruptor está concebido tanto para ser conectado
rápidamente como también para ser desconectado de nuevo, es decir,
tiene una alta velocidad de conmutación
dinámica.
dinámica.
En cuanto a las ventajas que resultan de la
puesta en práctica de la teoría de invención, deberá señalarse aún
lo siguiente.
El esfuerzo de apagar una corriente de
seguimiento en caso de una tensión continua de aprox. 1000 V es con
la utilización de un explosor muy alto y requiere habitualmente
medidas muy caras para la extinción del arco eléctrico. Los
explosores habitualmente bastante económicos están dimensionados y
concebidos para el dominio de tensiones alternas en el campo de baja
tensión. Las tensiones a dominar son claramente más bajas en este
caso de aplicación, además se apaga el arco eléctrico
independientemente en el retorno a cero natural de la corriente. En
una tensión continua no existe ningún retorno a cero natural de la
corriente y los explosores por lo tanto deben trabajar según el
principio de apagado de la corriente continua. La potencia conmutada
necesitada para una desconexión exitosa de la corriente de
seguimiento es considerable y requiere explosores desarrollados de
una manera especial así como también explosores que precisan de
mucho espacio y son muy caros, los cuales han de adaptarse
exclusivamente para el caso de aplicación previamente citada. El
envejecimiento de un explosor de este tipo es considerable a causa
de la potencia conmutada necesitada que se ha aumentado. Finalmente,
los explosores correspondientes deben disponer de cámaras
apagachispas complicadas con una alta necesidad en espacio.
Con la invención se consigue mediante la pista
de cortocircuito retornable separadamente hacer utilizables los
explosores habituales y convencionales del campo de bajas tensiones,
los cuales disponen sólo de un poder de apagado suficiente de la
corriente de seguimiento en caso de corriente alterna y de tensiones
claramente más bajas, también para aplicaciones en el rango de
tensiones continuas de hasta 1000 V.
Ventajosa es además la reducción drástica de la
potencia convertida dentro del explosor, puesto que la tensión de
arco eléctrico de > 1000 V necesaria en el principio de apagado
de corriente continua habitual no debe ser generada, sino la tensión
de arco p.ej. puede ser sólo de 30 V. En caso de corriente continua,
la potencia conmutada, la carga del explosor y el envejecimiento por
consiguiente pueden ser reducidos en más del factor 30.
El principio básico según la invención se basa
en apagar la corriente de seguimiento no con ayuda del explosor,
sino en desplazar la función de apagado para la corriente secuencial
de la red a un componente de semiconductor sin envejecimiento y sin
arco eléctrico. Por consiguiente existe prácticamente una separación
funcional y un reparto de funciones entre el explosor y el
componente del semiconductor. La combinación del explosor y el
varistor realiza en total la función de la derivación de magnitudes
perturbadoras en forma de impulso, asumiendo el semiconductor la
función de apagado de la corriente de seguimiento sin arco
eléctrico. Una condición para ello es la conmutación completa de la
corriente de seguimiento desde el explosor a la pista de
semiconductor y una reestabilización suficiente del explosor tanto
en la altura como también en la velocidad, antes de que el elemento
del semiconductor desconecte la corriente de seguimiento. La
conmutación completa se logra en que la caída de tensión de la pista
de apagado sea mas baja que la tensión de arco eléctrico del
explosor. El tiempo de conexión del semiconductor depende de la
diferencia de las tensiones U_{TR} y U_{BO} así como del tiempo
de reestabilización del explosor, según se describe esto más en
detalle en el ejemplo de realización con referencia a la Fig. 3 del
mismo.
Para poder determinar exactamente el momento de
conexión adicional para la pista de extinción así como para evitar
que una corriente de impulso fluya sobre la misma o la corriente de
seguimiento permanezca demasiado tiempo en la pista de derivación
del explosor, no sólo es necesaria una conexión de reacción rápida
del interruptor de cortocircuito, sino también es necesario un
dispositivo técnico de circuitos que ofrezca la posibilidad de un
acoplamiento con una unidad sensorial para la vigilancia de la pista
del explosor.
Así p.ej. la corriente es detectable por el
explosor, de modo que puede ser activado el interruptor de
cortocircuito directamente después de la disminución de la corriente
de impulso. Una corriente de seguimiento indeseada se evita por el
explosor y se reduce la carga energética del explosor así como el
envejecimiento debido al guiado de la corriente de impulso, como
resulta de una sobretensión transitoria. Como interruptor de
cortocircuito se utiliza preferiblemente un transistor de potencia
que no está sometido a ningún fenómeno de envejecimiento o de
desgaste, bajo la condición de que no se excedan sus valores límites
eléctricos.
Según la invención se ha cuidado de que aquellas
partes de conexión, de las cuales parte una gran emisión
interferente, se encuentren desacopladas de aquellos componentes que
están expuestos a una sensibilidad a la perturbación. Esto se
realiza de manera que las funciones individuales estén divididas en
grupos que reúnan por un lado solamente fuentes perturbadoras o
partes de conexión insensibles, y por otra parte aquellas que son
sensibles a la perturbación, siendo proyectadas las combinaciones de
los grupos entre sí por la vía más breve a pesar de la separación
espacial.
El interruptor de cortocircuito puede ser
compuesto de transistores en cascada, para lograr en estado
desconectado una alta resistencia a tensiones que se encuentra por
encima del nivel de protección del dispositivo de protección contra
sobretensiones.
Para impedir un deterioro del interruptor de
transistor, éste es conmutado con alta resistencia óhmica, cuando se
alcanza o sobrepasa la integral máxima admisible de la corriente. En
caso de sobrecarga de corriente para el caso de la conexión, esta
casi desconexión de emergencia prevista da eventualmente lugar a que
se interrumpa el proceso de extinción o de conmutación. Es por lo
tanto necesario distinguir tal desconexión de emergencia de un
proceso de conmutación regular e iniciar contrariamente a esto otros
intentos de extinción, hasta que se lleve a cabo un proceso de
conmutación regular.
Como proceso de conmutación regular rige aquel
que dispone del tiempo de conexión total fijo ajustado sin
interrupción. El tiempo de conexión se compone del tiempo de
extinción y el tiempo de reposo que necesita el explosor
generalmente en dependencia de la carga para pasar del área
conductor de baja resistencia óhmica al área aislante de alta
resistencia óhmica. Conforme a ello, el tiempo de conexión preciso
puede estar en el margen de aprox. 10 \mus a 3 ms.
Si la sobrecarga de corriente tiene lugar
después de estar ya conectados los transistores, la desconexión de
emergencia debe producirse igualmente y según está descrito debe
generar en su caso uno o varios otros ciclos de apagado, hasta que
se inicie un proceso de conmutación regular.
La desconexión de emergencia da lugar a que el
interruptor de cortocircuito conmute la pista de apagado con alta
resistencia óhmica. Esto sin embargo significa también que, para el
caso de que la sobrecarga de corriente sea una corriente de impulso,
la tensión puede ascender ampliamente vía la pista de apagado, de
manera que dé lugar a una nueva reacción de la primera o incluso de
la segunda pista de derivación. Por ello el dispositivo de
protección contra sobretensiones presenta ventajosamente no sólo una
coordinación continua sencilla, sino también retroactiva, en la cual
la última fase de la disposición (tercer ramal) en el caso de
necesidad repercute a la primera fase.
Por ello, el dispositivo de protección contra
sobretensiones puede superar también las llamadas descargas de rayo
múltiples, en las cuales aparecen en ciertos intervalos varias
sobretensiones o impulsos de corriente, cuando debía tener lugar
otra carga eléctrica durante la fase activada de la pista de
extinción. Por esta función de reacoplamiento se reacciona casi
automáticamente el correspondiente escalón del descargador, es decir
la primera o segunda pista de derivación.
El circuito de mando CCU está destinado a
detectar todas las informaciones sobre los transcursos temporales de
los grupos funcionales y de emitir las correspondientes órdenes de
ajuste o de mando a los elementos de ajuste. Una de las funciones
más importante del circuito de mando CCU es la coordinación de las
funciones implementadas en la pista de extinción, además de la
evaluación de la carga del varistor y la emisión de los señales
resultantes para el disparo selectivo del explosor.
A las mismas pertenecen las funciones auxiliares
que están relacionadas con la desconexión de emergencia, también
aquellas que van acompañadas con el proceso de apagado, es decir
comenzando con el reconocimiento de que el explosor ha reaccionado a
la conexión del interruptor de cortocircuito controlada por sucesos
o tiempo hasta incluso su desconexión o redisparo con el proceso
definitivo de conmutación regular.
La detección de que el explosor ha respondido,
puede ser realizada de manera que la tensión del sistema aplicada es
controlada respecto a caídas de tensión que típicamente corresponden
a la reacción de un explosor y presentan p.ej. una determinada
velocidad de crecimiento de la tensión, quedando un determinado
valor de tensión simultáneamente por debajo de su valor mínimo.
Las caídas de tensión de procesos externos que
corresponden a esta trama, se detectan por ello ventajosamente
también, por lo cual igualmente puede ser controlado y apagado p.ej.
un arco eléctrico perturbador producido por errores de aislamiento
en el circuito total.
Las presentes informaciones son evaluadas por el
circuito de mando CCU y rigen por ejemplo como condición de arranque
para el tiempo de retardo y transcurrido este tiempo se conecta la
pista de cortocircuito.
El tiempo de retardo puede ser ajustado de
manera que haga desaparecer o puentee p.ej. las longitudes de
impulso de los impulsos de corriente de choque normalizados de la
forma de ondas 8/20 \mus o 10/350 \mus.
Para un impulso eléctrico 10/350 \mus habría
que estimar entonces un tiempo de retardo de aprox. 2 ms, el cual
causa posiblemente también en caso de impulsiones más breves una
corriente de seguimiento que corresponde aproximadamente a este
período de tiempo.
Dada la función de la desconexión de emergencia,
puede ser ajustado también un tiempo inefectivo más breve que se
orienta en el impulso eléctrico más breve de 8/20 \mus, p.ej. un
tiempo de 60 \mus, de modo que en caso de impulsos más largos,
p.ej. 10/350 \mus, se activa la desconexión de emergencia
cíclicamente durante tanto tiempo que la corriente es superior a la
corriente de conexión admisible en la pista de cortocircuito.
En el supuesto tiempo inefectivo de 60 \mus la
pista de cortocircuito intenta activar el interruptor de
cortocircuito mediante varios ciclos de conexión periódicos para
iniciar la conmutación, hasta que finalmente el valor restante de la
corriente de impulso haya disminuido hasta la corriente de conexión
admisible. Con esta medida se puede realizar una predeterminación
temporal en el sentido de un tiempo de ciclo mediante el ajuste del
tiempo de retardo y una vez transcurrido este tiempo debe tener
lugar un intento de conexión para la conmutación. La ventaja de este
ajuste se encuentra en la reducción de la fase de corriente de
seguimiento particularmente en caso de elevadas corrientes de
seguimiento a esperar.
En otra forma de realización de la invención se
dispone en la segunda pista de derivación un sensor de corriente,
cuya detección de señal es ajustable por el circuito de mando en la
corriente de impulso o la corriente de seguimiento o ambos tipos de
corriente. Con ello existe la posibilidad de iniciar el proceso de
conmutación independientemente de un tiempo de retardo fijo ajustado
ya en el momento en el que haya bajado la corriente de impulso sobre
el explosor a un valor que corresponde a la corriente de conexión
admisible en la pista de extinción. Debido al tiempo de reacción más
reducido de la conexión con la alta velocidad de conmutación de los
interruptores de cortocircuito en la pista de extinción no se
produce por lo tanto ninguna corriente de seguimiento. Esta es otra
posibilidad para poner el momento de conexión a ser posible cerca de
la transición de la corriente de choque decreciente a la corriente
de seguimiento a aplicar en caso de esperar elevadas corrientes de
seguimiento.
Los ejemplos de realización comentados para la
detección de las condiciones de conexión para la pista de
cortocircuito muestran que una adaptabilidad y flexibilidad es
posible en un margen amplio utilizando el circuito de mando. En las
funciones ulteriores que puede efectuar el circuito de mando es
también posible una combinación o un enlazamiento lógico de
diferentes características, para p.ej. ampliar los criterios de
conexión, creando la pista de extinción un cortocircuito permanente
deseado para determinadas situaciones o limitando a un valor
determinado una sobretensión persistente durante mucho tiempo y que
aparece fuera del intervalo de tiempo transitorio. Otras tareas que
han de efectuarse con el circuito de mando CCU es también una
prolongación automática del tiempo de conexión, cuando dentro de un
lapso de tiempo predeterminado en principio no se efectúa ninguna
extinción o la inclusión de la temperatura de calentamiento del
explosor en el cálculo del tiempo de conexión del interruptor de
cortocircuito, es decir, del tiempo de extinción.
En virtud de los hechos de que durante todo el
proceso de derivación la tensión del sistema prácticamente no está
disponible, el circuito de mando dispone de un acumulador de energía
que asegura la alimentación eléctrica necesaria para esta fase.
Como ya se había explicado, el interruptor del
semiconductor, como interruptor de cortocircuito, consiste
preferiblemente en un transistor de potencia que como componente
apropiado dispone de las funciones de conexión y de desconexión
exigidas en intervalos de tiempo cortos también en caso de elevadas
corrientes de conexión. En este caso son imaginables también
soluciones alternativas que utilizan p.ej. un tiristor conmutable o
un tiristor o descargador de gas disparable en serie con un varistor
o un elemento PTC.
Con referencia a la Fig. 2a y 2c y bajo
determinadas condiciones de utilización se exige que el circuito
activo, p.ej. los polos caracterizados en instalaciones solares con
L+/L debe ser separado con seguridad del potencial de tierra
(tierra) o debe estar instalado.
Desde el punto de vista técnico de protección
contra rayos, en este caso debe tener lugar la puesta a tierra
necesaria mediante un aislamiento de chispas. Para este caso de
necesidad puede ser integrado en el dispositivo de protección contra
sobretensiones modular un tal aislamiento de chispas 2 (véase la
Fig. 1 y 1a), abriendo el carril de tierra 6 y conectándolo por
medio del aislamiento de chispas a la conexión a tierra 6'. No
habiendo necesidad en este sentido, no procede este explosor 2 y se
sustituye por parte de la fábrica por un carril de tierra continuo
(conexión
6 y 6').
6 y 6').
La fig. 3 muestra curvas típicas de corriente y
de tensión durante el proceso de derivación.
El área "impulso" se refiere en este caso
al proceso de derivación en sí hasta la disminución de la magnitud
de influencia U_{rayo}, mientras que el área "sistema"
representa la fase de cancelación con una corriente de seguimiento
que aparece sobre el explosor hasta el retorno de la tensión del
sistema.
Para la conmutación de corriente mostrada en las
fases individuales I_{p1} hasta I_{p3} rige la condición
siguiente:
U_{TR} <
U_{BO} <
U_{VDR}
En el intervalo de tiempo t0 a t1, la magnitud
de influencia U_{rayo} solicita en principio el varistor en la
pista de derivación I_{p1} y provoca allí la tensión
U_{VDR}.
Si esta tensión sobrepasa la carga admisible del
varistor (un valor ajustado a la cantidad y la duración) en relación
con la corriente correspondiente, la corriente en el momento t1
conmuta a la pista de derivación I_{p2} del explosor conforme a la
representación según la Fig. 1 y 1a, de modo que la tensión del
varistor U_{VDR} interviene en el valor U_{BO} por debajo de la
tensión del sistema U_{dc}. Una vez disminuida la magnitud de
influencia, aparece sobre el explosor 1 en el momento t2 una
corriente secuencial de la red que es conmutada en el momento t3 a
la pista de cortocircuito I_{p3} y es desconectada por esta en el
momento t4. Entre los momentos t3 y t4 se baja la tensión a la
tensión del transistor U_{TR}.
El intervalo de tiempo t2 a t3 representa un
intervalo, en el cual en el presente caso aparece una corriente de
seguimiento indeseada sobre el explosor (representación rayada). En
combinación con una sensórica, particularmente un sensor de
corriente S, y un interruptor de cortocircuito rápido, puede ser
acortado este intervalo de tiempo indeseado hasta que ya no
represente ninguna carga adicional más allá de la carga eléctrica de
impulso para el explosor.
En resumen, el dispositivo de protección contra
sobretensiones según la invención dispone de propiedades, para
sistemas de corriente continua, que permiten utilizar explosores
según el estado de la técnica en aplicaciones de corriente continua,
aspirando las soluciones a evitar una corriente de seguimiento
mientras se incluye el explosor únicamente en caso de necesidad en
el proceso de derivación. Las corrientes de seguimiento se evitan de
manera que el interruptor de cortocircuito en la pista de extinción
conmuta inmediatamente después de la disminución de la corriente de
impulso o las corrientes de seguimiento pueden ser limitadas
temporalmente, mientras una caída de tensión definida en la tensión
del sistema impulsa un tiempo de retardo y transcurrido este tiempo,
el interruptor de cortocircuito es activado en la pista de
extinción.
Junto a la pista del explosor en sí está
prevista otra pista de derivación con un elemento protector contra
sobretensión que puede conducir corrientes de impulso más bajas
hasta incluso medias, sin crear el mismo corrientes de seguimiento.
Adicionalmente está presente una pista de extinción que reconoce una
corriente de seguimiento y que provoca una conmutación de corriente
de la pista del explosor en la pista de extinción debido al
cortocircuito de la tensión de arco del explosor. El proceso de
extinción es controlado y eventualmente repetido, en cuanto se
reconozca que no ha tenido lugar ninguna extinción regular.
El dispositivo de protección contra
sobretensiones está coordinado de manera que la primera pista de
derivación con el varistor conmute en caso de sobrecarga a la
segunda pista de derivación de mayor rendimiento con explosor. Una
vez disminuido el impulso de corriente en la pista del explosor,
tiene lugar una conmutación en la pista de extinción. En caso de
sobrecarga de la pista de extinción del cortocircuito se puede
conmutar de nuevo con una desconexión de emergencia a la primera
pista del varistor y desde donde se puede conmutar eventualmente a
la segunda pista con explosor.
- 1
- Explosor disparable (FS1)
- 2
- Aislamiento de chispas (FS2)
- 2'
- Soporte de conexión
- 3
- Elemento de varistor (VDR1/VDR2)
- 4
- Circuito de mando como unidad de coordinación y de control (CCU)
- 5
- Placa de soporte
- 6
- Carril de tierra
- 6'
- Conexión a tierra
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de los documentos relacionados por el
solicitante ha sido recopilada exclusivamente para la información
del lector y no forma parte del documento de patente europea. La
misma ha sido confeccionada con la mayor diligencia; la OEP sin
embargo no asume responsabilidad alguna por eventuales errores u
omisiones.
- \bullet DE 3228471 A1 [0002]
- \bullet US 5325259 A [0005]
- \bullet DE 19838776 C2 [0004]
- \bullet DE 19952004 B4 [0007]
Claims (10)
1. Dispositivo de protección contra
sobretensiones para la utilización en redes de corriente continua,
particularmente para instalaciones fotovoltaicas con un circuito
paralelo coordinado energéticamente de una primera pista de
derivación y una segunda pista de derivación disparable, las cuales
presentan cada una un comportamiento de reacción diferente relativo
a acontecimientos perturbadores y sobretensiones, en el cual
- -
- la primera pista de derivación presenta al menos un varistor (3), cuyo valor de tensión residual es detectado y pasado a un circuito de mando (4), a fin de determinar la carga energética de la primera pista de derivación,
- -
- la segunda pista de derivación presenta al menos un explosor (1), cuya entrada del disparador está conectada a una primera salida del circuito de mando (4), caracterizado por el hecho de que
- -
- un tercer ramal está conectado en paralelo a la primera y segunda pista de derivación como pista de conmutación y de extinción, el cual contiene un interruptor de cortocircuito, cuya entrada de mando está conectada a una segunda salida del circuito de mando (4),
- -
- en el cual la segunda pista de derivación con explosor (1) es activada por el circuito de mando (4) únicamente cuando se espera una sobrecarga energética de la primera pista de derivación reconocida con ayuda de la vigilancia de tensión residual y además, para la limitación eficaz de la corriente secuencial de la red, el interruptor de cortocircuito en el tercer ramal es cerrado durante un período predeterminado después de haber transcurrido un tiempo de retardo, contado desde la reacción del explosor (1) en la segunda pista de derivación.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Dispositivo de protección contra
sobretensiones según la reivindicación 1, caracterizado por
el hecho de que la reacción del explosor (1) en la segunda pista de
derivación es reconocida por la vigilancia de la tensión del sistema
en relación a la aparición de caídas de tensión, con ayuda del
circuito de mando (4).
3. Dispositivo de protección contra
sobretensiones según la reivindicación 1, caracterizado por
el hecho de que un sensor de corriente está previsto en la segunda
pista de derivación para reconocer la reacción del explosor (1).
4. Dispositivo de protección contra
sobretensiones según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por el hecho de que el circuito de mando (4)
presenta un generador de reloj para fijar el tiempo de retardo y/o
el tiempo de conexión del interruptor de cortocircuito.
5. Dispositivo de protección contra
sobretensiones según la reivindicación 4, caracterizado por
el hecho de que el período de tiempo de conexión es del orden de
entre 10 \mus y 3 ms.
6. Dispositivo de protección contra
sobretensiones según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por el hecho de que en la situación de
cortocircuito, la corriente fluyente en el tercer ramal es vigilada
y en caso de sobrecarga, un transistor de potencia empleado como
interruptor de cortocircuito es pasado a un estado abierto, de alta
resistencia óhmica.
7. Dispositivo de protección contra
sobretensiones según la reivindicación 6, caracterizado por
el hecho de que en caso de sobrecarga de corriente particularmente
del tipo de corriente de impulso son activadas la primera y/o la
segunda pista de derivación.
8. Dispositivo de protección contra
sobretensiones según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por el hecho de que el tiempo de retardo es
ajustado de tal manera que se puentean las longitudes de impulso de
impulsos de corriente de choque normalizados.
9. Dispositivo de protección contra
sobretensiones según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por el hecho de que el circuito de mando (4)
presenta una unidad de acumulación de energía para su funcionamiento
en el caso de derivación.
10. Dispositivo de protección contra
sobretensiones según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por el hecho de que para la puesta a tierra
según la técnica de protección contra rayos está previsto un
aislamiento de chispas (2) que está integrado en la puesta a
tierra.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102007001091 | 2007-01-04 | ||
| DE102007001091 | 2007-01-04 | ||
| DE102007015933 | 2007-04-02 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2358946T3 true ES2358946T3 (es) | 2011-05-17 |
Family
ID=43920182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES07822072T Active ES2358946T3 (es) | 2007-01-04 | 2007-10-31 | Dispositivo de protección contra sobretensiones para la utilización en redes de corriente continua, particularmente para instalaciones fotovoltaicas. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2358946T3 (es) |
-
2007
- 2007-10-31 ES ES07822072T patent/ES2358946T3/es active Active
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