用于直流电网的浪涌放电器和操作浪涌放电器的方法与流程

本发明涉及一种用于直流电网的浪涌放电器以及操作这种浪涌放电器的方法。

背景技术：

1、基于火花隙的浪涌放电器用于释放低压供电网中的瞬态干扰变量。

2、通常布置在电网的各相和中性导体或保护导体之间的所谓的“电网放电器”、即浪涌放电器应该能够释放例如由闪电事件引起的直接的或耦入的冲击电流，并安全地防止或中断电网中的电网续流，而不会导致中断直流电网中的用于消费者的电网供应。

3、迄今为止，已经针对常用的交流电网建立了各种技术，通过这些技术还可以限制相对较高的预期电网续流。对于直至几百安培的较小电流并且在某些情况下对于先前限制的电网续流，在最后一步中通过交流电网中自然电流过零的极性变化来实现熄灭。

4、然而，当供电网转换为直流电压时，自然电流过零不再适用。这也排除了较小的或仅限制的电网续流的自然熄灭。此外，不可能假定保护装置所能够有目的地适配的定义的短路电流。短路电流的水平、馈入方向以及直流电网的时间常数可能变化很大。因此，已知的交流电网熄灭原理并不容易适用于直流电网。

5、可以通过所谓的喇叭式火花隙来限制几十ka的高预期短路电流。这种喇叭式火花隙特别包括在其中点燃火花隙的点火区、用于熄灭电弧的熄灭室、以及位于点火区和熄灭室之间的行进区，被点燃的电弧必须穿过该行进区以使得可以在熄灭室中熄灭。然而，对于电流强度直至几百安培的小直流电，电弧可能只能缓慢地穿过或根本不穿过行进区，从而可能损坏喇叭式火花隙。

6、文献de102007015933a1公开了一种用在具有电子混合电路的光伏系统中的过电压保护装置。该过电压保护装置的特征在于与火花隙并联连接的半导体元件，该半导体元件在火花隙每次点火后激活并用于熄灭可能出现的任何电网续流。该解决方案的缺点是，半导体元件必须能够控制整个预期的电网续流。这限制了过电压保护装置的最大性能。另外，分别要被使用的半导体元件的成本与要控制的最大电流直接相关。

7、文献de102011053415a1公开了一种具有第一放电路径和第二放电路径的过电压保护装置，其中第一放电路径具有火花隙，并且第二放电路径具有可触发开关和串联连接的热敏电阻。此外，过电压保护装置具有控制装置，该控制装置可以基于第一放电路径的状态和/或状态进程而在放电器事件的情况下使可触发开关进行切换。

8、文献de10211796a1示出了一种具有选择组件的过电压保护装置，该选择组件独立于电网和供电电压并且监视在待保护的系统部分和地之间发生的过电压事件以检测瞬态和静态事件，并且在所述选择组件中，取决于事件的类型，激活过电压保护装置的动态短路开关和/或静态短路开关。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种浪涌放电器，其适合于在宽电流强度范围内可靠地熄灭直流续流。特别地，浪涌放电器还应当适合于以成本有效的方式实施。

2、本发明的目的通过一种用于直流电网的浪涌放电器来实现，该浪涌放电器包括用于熄灭直流电网中的电流强度等于或大于指定电流阈值的电网续流的火花隙和分配给火花隙的可触发的熄灭辅助装置，该熄灭辅助装置设置为熄灭低于指定电流阈值的电网续流。浪涌放电器还包括用于触发熄灭辅助装置的评估模块，该评估模块设置为一旦满足至少两个触发条件就触发熄灭辅助装置，这两个触发条件表征如下事实，即，火花隙单独无法在指定时间段内熄灭电网续流。

3、本发明的目的还通过一种操作用于直流电网的浪涌放电器的方法来实现，该方法包括以下步骤：通过浪涌放电器的评估模块来检测是否满足至少两个触发条件，这至少两个触发条件表征如下事实，即，浪涌放电器的火花隙单独无法在先前指定的时间段内熄灭直流电网中出现的电网续流。如果满足这至少两个触发条件，则通过评估模块触发浪涌放电器的熄灭辅助装置。

4、本发明基于这样的基本构思：如果火花隙本身在先前指定的时间段内不能熄灭出现的电网续流，则仅有目的地激活熄灭辅助装置。这意味着，在可以由火花隙本身可靠地控制的冲击电流负荷和电网续流的情况下，熄灭辅助装置保持不激活。这使得可以仅针对电流强度低于指定电流阈值的负荷来设计熄灭辅助装置的部件，从而可以最小化根据本发明的浪涌放电器的成本，而不损害释放冲击电流和熄灭电网续流的可靠性。

5、根据本发明，评估模块仅在满足几个表征性的触发条件时才使熄灭辅助装置触发。换言之，评估模块设置成一旦存在若干条件、特别是与电网续流相关的若干条件就激活熄灭辅助装置，在所述若干条件中火花隙单独无法在指定的时间段内熄灭电网续流。

6、要考虑的触发条件适配于分别使用的火花隙和熄灭辅助装置的类型和操作模式。

7、火花隙的类型从根本上不再受限，使得根据本发明的浪涌放电器能够灵活地适配相应的预期使用场所。

8、在一种变型中，火花隙是喇叭式火花隙或气体管放电器。这种火花隙特别适合用于可靠地处理冲击电流并且可在全球范围内以低成本提供。

9、优选地，火花隙为喇叭式火花隙，所述喇叭式火花隙包括用于点燃电弧的点火区、用于熄灭电弧的熄灭室以及位于点火区和熄灭室之间的行进区，电弧可穿过行进区以从点火区行进至熄灭室中。

10、在另一变型中，火花隙是根据电弧通道中的压力建立或气流的原理操作的火花隙。

11、因此，一方面提出，如果火花隙本身能够在先前指定的时间段内熄灭出现的电网续流，则熄灭辅助装置保持不激活，并且其中当火花隙本身不能在先前指定的时间段内熄灭出现的电网续流时，熄灭辅助装置被激活。换句话说，浪涌放电器具有主动操作模式(熄灭辅助装置激活)和被动操作模式(熄灭辅助装置不激活)。然而，电网续流在被动操作模式和主动操作模式中均被熄灭，即通过火花隙本身或通过激活的熄灭辅助装置的支持来熄灭。

12、所述至少两个触发条件可以基于以下参数中的至少两个：火花隙中电弧的出现、移动和/或燃烧持续时间、火花隙的点火辅助装置的触发、直流电网的分配给浪涌放电器的路径中的电流流动、以及在直流电网的分配给浪涌放电器的路径中低于指定电流阈值，特别是在指定时间段之后低于指定电流阈值。

13、电弧的出现、移动和/或燃烧持续时间特别适合用于确定火花隙的行为。

14、电弧出现的位置和形式以及电弧移动的程度取决于相应使用的火花隙的类型。

15、如果没有出现电弧，则这可能表明尚未达到电流阈值。在这种情况下，仅需要通过另一条件确定是否必须通过熄灭辅助装置来处理电流强度低于阈值的电流。

16、电弧的移动和/或燃烧持续时间允许得出关于冲击电流或电网续流的当前电流强度的结论，其中较高的电流强度通常导致电弧更快地移动且燃烧更短的持续时间。

17、具体地，可以将电弧保持在点火范围内确定为触发条件。这可以是由于电网续流低于指定电流阈值和/或火花隙的老化效应，这要求火花隙要由熄灭辅助装置支持。

18、火花隙的点火辅助装置的触发允许得出关于火花隙中电弧开始出现的结论。例如，点火辅助装置可以包括气体管放电器，其点火被用作使点火辅助装置触发的信号。为此目的，可以为点火辅助装置分配光学传感器和/或磁场传感器。变压器产生的电压或者在电流负荷下点火辅助装置的部件中的电压变化也可以用作指示点火辅助装置触发的信号。

19、直流电网的分配给浪涌放电器的路径(也称为“主路径”)中的电流允许得出关于相关冲击电流或电网续流是否需要处理或仍然必须处理的结论。这一点特别重要，因为浪涌放电器用于直流电网的交叉支路并且因此交叉支路中的任何电流通常要被归类为剩余电流，如果剩余电流足够高且足够长，则可能会使得用于系统或个人保护的下游装置触发并导致不必要的电网中断。

20、为了能够可靠地处理低电流强度的电网续流，可以将在指定时间段后低于直流电网的分配给浪涌放电器的路径中的指定电流阈值用作触发条件。

21、在这方面，所述至少两个触发条件可以基于不同的参数，特别是不同地检测到的这些参数。

22、浪涌放电器可以包括用于检测火花隙中的电弧的光学传感器、用于测量直流电网中的电流强度的电流传感器、和/或电压传感器，所述传感器以信号传输方式连接至评估模块。因此，火花隙中的电弧可以通过光学传感器来检测，直流电网中的电流强度可以通过电流传感器来测量，和/或电压可以通过电压传感器来测量，光学传感器、电流传感器和/或电压传感器检测至少一个参数，基于所述至少一个参数来检查所述至少两个触发条件。

23、为了进一步降低浪涌放电器的成本，光学传感器、电流传感器和/或电压传感器可以设计为阈值传感器。

24、浪涌放电器可具有至少一个光学传感器以确定电弧的出现、移动和/或燃烧持续时间。光学传感器设置为检测由电弧发射的光，使得可以例如从特性光谱导出电弧的存在和位置。

25、特别地，所述至少一个光学传感器可以布置在熄灭室中、点火区中和/或设计为喇叭式火花隙的火花隙的行进区中。

26、浪涌放电器还可以具有光学部件，该光学部件设置为将由电弧发射的光引导至所述至少一个光学传感器。这样，光学传感器可以特别灵活地定位，因为它不必直接安装在电弧出现的位置处或附近。具体地，这样的设计允许光学传感器要定位在膜片元件后面，使得干扰源对由光学传感器执行的测量的影响可以最小化。

27、此外，浪涌放电器可以包括至少一个磁场传感器，该磁场传感器设置为经由由电弧产生的磁场来检测和/或定位电弧。

28、电流传感器还可以分配给火花隙的部件，其中由电流传感器检测到的电流强度可以用于得出关于电弧的结论，特别是关于电弧位置的结论。

29、为了检测电弧已经到达熄灭室，用于检测电弧的部分电流的探测器可以存在于熄灭室中。

30、关于用于评估电弧行为的可能性，还参考de102019210236a1、de102019210234b3、de102019101212a1和de102019101200a1，其中对火花隙的开关行为的评估指定为用于将火花隙与电网断开。

31、指定电流阈值是根据火花隙和熄灭辅助装置的相应设计而指定的。具体地，指定电流阈值是在指定时间段内由火花隙可靠地熄灭的具有最低电流强度的电流。因此，电流阈值确定了熄灭辅助装置所需的最小熄灭能力。

32、在一种变型中，指定电流阈值小于100a。

33、例如，指定电流阈值的范围为1至100a。对于电流强度为100a或以上的电网续流，传统火花隙的熄灭能力得到充分提高，因此熄灭辅助装置将必须使用得越来越不频繁。

34、指定时间段具体取决于在用于系统或个人保护的下游装置被触发和/或直流电网的下游部件被损坏之前低于电流阈值的电流可以流过火花隙的最大时间。这可取决于各自的应用情况或使用区。

35、在一种变型中，指定时间段短于10ms，该指定时间段特别指定从火花隙的点火到可能的电网续流的关断之间的目标总关断时间。

36、例如，指定时间段的范围为1ms至10ms。根据本发明的浪涌放电器使得能够在即使持续时间如此之短的情况下也经由熄灭辅助装置可靠地熄灭低于指定电流阈值的电网续流，而不必求助于不经济的昂贵部件。

37、熄灭辅助装置可以是混合电路、缓冲电路、逆流电路、有源谐振电路和/或无源谐振电路。

38、为了保护火花隙和/或熄灭辅助装置免受不可控电流的损坏，浪涌放电器可以具有后备保护装置，该后备保护装置设置为如果在直流电网的分配给浪涌放电器的路径中出现会导致火花隙和/或熄灭辅助装置损坏的电流时将火花隙和/或熄灭辅助装置从直流电网断开。在这方面，如果在直流电网的分配给浪涌放电器的路径中出现会导致火花隙和/或熄灭辅助装置损坏的电流，则火花隙和/或熄灭辅助装置可以从直流电网断开。

39、后备保护装置可以主动触发或被动触发。

40、例如，后备保护装置包括与火花隙串联连接的开关，并且该开关设置为如果在直流电网的分配给浪涌放电器的路径中出现会导致损坏火花隙的电流，则将火花隙从直流电网断开。

41、此外，后备保护装置可以具有与熄灭辅助装置并联连接的短路器。

42、另一方面提出，评估模块具有机器学习模块，该机器学习模块设置为基于训练数据集和/或包括关于过去由浪涌放电器处理的电网续流的信息的数据集来适配指定电流阈值、指定时间段和/或所考虑的触发条件。因此可以在操作期间、特别是连续地适配浪涌放电器的操作。因此，可以考虑甚至补偿所使用的部件的老化效应或变化的影响。总的来说，这确保了熄灭辅助装置始终根据需要激活。

43、此外，可以连续调整用于浪涌放电器的操作的参数。这些参数尤其可以包括触发条件、阈值和/或延迟时间。连续适配可以基于由所述至少一个传感器记录的传感器值或者基于估计，并且特别是由机器学习模块来进行。在这方面，可以存储自学习系统，该自学习系统尤其连续地适配用于激活熄灭辅助装置的算法，从而确保根据需要激活熄灭辅助装置。

44、可以考虑关于火花隙的预期行为的信息来确定火花隙单独是否能够在指定时间段内熄灭出现在直流电网中的电网续流。该信息可以存储在评估模块中。所记录的测量数据，特别是来自所述至少一个传感器的测量数据，与所存储的信息一起使用来确定火花隙单独是否能够在限定的时间段内熄灭出现在直流电网中的电网续流。据此，熄灭辅助装置被触发或不被触发，即被激活或保持不激活。

45、熄灭辅助装置可以设计为与火花隙并联或与火花隙串联的单独模块。

46、这使得能够将熄灭辅助装置特别灵活地分配给直流电网中的火花隙。这样，如果需要的话，可以用熄灭辅助装置灵活地改装或扩展已有的浪涌放电器。

47、在另一构造中，单独模块可以包括火花隙(特别是气体管放电器)和熄灭辅助装置的并联连接。这种单独模块可以很容易地与另外的限流浪涌保护装置串联，以在直流熄灭能力(也称为“dc extinguishing capacity”)方面升级所述另外的限流浪涌保护装置。特别地，该配置使得可以提高所述另外的限流浪涌保护装置的直流熄灭能力，而不必修改它们。

48、在一种变型中，浪涌放电器包括多个串联连接的火花隙，为至少一个火花隙分配可触发的熄灭辅助装置。