备用电力系统和用于备用电力系统的接地装置

摘要

本发明涉及一种用于备用电力系统的接地装置，用来当负载设备(40)与电能供应网(10)隔离时将负载设备(40)的中性导体(N40)连接到本地的接地导体(21)。该接地装置，其特征在于负载设备(40)的中性导体(N40)通过包括两个开关(1，2)的串联电路被连接到本地电能供应装置(50)的中性导体(N50)，其中两个开关(1，2)之间的中心抽头(3)被连接到本地的接地导体(21)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于备用电力系统的接地装置，用来当负载设备与电 能供应网隔离时将负载设备的中性导体连接到本地的接地导体。本发明进 一步涉及包括这种接地装置的备用电力系统。

背景技术

如果上级公共电能供应网，也称作公共电网，不能提供上述电能，例 如由于上级电能供应网中的故障和/或错误，备用电力系统用来提供电能给 用电负载设备。在这种情形下转接(switchover)装置执行负载设备与电能 供应网的必需的隔离，以及随后连接到本地能量产生装置，诸如，例如， 发电机、光伏系统和/或逆变器，本地能量产生装置被耦合到能量储存装 置，例如电池。这种用于从通过电能供应网供电的正常运行模式转接到通 过本地能量产生器供电的岛运行模式的备用电力系统是已知的，例如，来 自于文献EP 1 965 483 A1。

特别在电能供应网是TT系统(Terre-Terre系统)的形式的情形下， 当负载设备由处于岛运行模式的本地提供的电能供电时，负载设备在所有 的极(pole)与电能供应网隔离是必需的。在所有的极隔离的情形下，在电 能供应网中接地的中性导体或保护中性导体(PEN conductor)也被隔离。 由于隔离，因而在岛运行模式中没有负载设备的中性导体的接地。由于剩 余电流不能通过接地正确地耗散，这会导致使用的剩余电流断路器的问 题，并且，结果是接地故障环路不闭合，剩余电流断路器因此不跳闸。通 常这些剩余电流断路器的替代品，也即绝缘监测装置的应用，在此考虑下 不能用于系统中。

为了避免这个问题，文献DE10 2010 000 502 A1披露了通过电阻将负载 设备中的PEN导体(PEN conductor)永久地连接到接地连接器，即，施加 地电位到所述。然而，在一些电能供应网中，由电能供应网的运行者设置 的指导方针不能由这一步骤满足。此外，可被提供并且直接属于系统连接 的任意剩余电流断路器可能在没有故障时由于在系统运行模式中通过电阻 流动的电流而已经跳闸。

此外，文献DE 20 2010 008 123 U1披露了通过开关将负载设备的中性 导体连接到岛运行模式中的本地接地连接器。这样，负载设备中的中性导 体的接地可被提供为不具有有时不符合指导方针的永久接地。然而，在这 种切换的接地连接的情形下，存在着风险，即连接由接地开关的动作提 供，但是由于与开关的接触问题或者另外的缺陷，这种连接不被实现或者 仅仅通过不足的低接触电阻实现，并且因此人身伤害的防护不再被确保。

已知切换装置中除了主开关外，还提供由主开关正向驱动(positively  drive)的辅助开关，并且辅助开关可被用于确保主开关的切换状态。然 而，凭借这样的辅助开关，仅仅可能安全地确保主开关是打开的，但是不 能确保主开关是否闭合而具有低接触电阻。

从现有技术中，例如从文献EP 0 435 686 B1可以获知，电路通过外加 低电流和测量电压降确定开关的接触电阻，并且其可因此监测开关的正确 的闭合。这一方法原则上也可用在接地开关中，但这与附加的复杂性相 关。

发明内容

因此本发明的一个目标是提供一种接地装置以及备用电力系统，其可 在与电能供应网隔离的情形下根据要求将负载设备的中性导体连接到本地 接地连接(grounding connection)，其中仅当存在负载设备的中性导体的 正确的低电阻接地时，确保能量通过本地电能供应装置也被供给负载设 备。

这个目标通过用于备用电力系统的接地装置获得，其具有独立权利要 求的技术特征。这个目标还通过具有这种接地装置的备用电力系统获得。 该接地装置的有利结构和改进是从属权利要求的主题。

根据本发明的以及开始提及类型的接地装置，其特征在于负载设备的 中性导体通过包括两个开关的串联电路被连接到本地电能供应装置的中性 导体，其中两个开关之间的中心抽头被连接到本地的接地连接。

在根据本发明的接地装置的例子中，负载设备的中性导体和电能供应 装置通过两个开关的连接导致了通过这些开关由本地电能供应装置到负载 设备的电力供应。由于开关之间的中心抽头和接地连接的连接，地电位被 施加到供电系统的中性导体，即所述中性导体被接地。用于供给负载设备 的电流从本地电能供应装置通过同时也执行接地的开关流到负载设备，由 于这一事实，其中负载设备通过电能供应装置供电且负载设备的中性导体 不具有任何接地的运行状态被排除。

在接地装置的另一实施例中，两个开关是公共切换装置的静态开关， 其当切换装置没有被致动时被闭合。该公共切换装置因此可与通过操作开 关(闭合触点)将负载设备连接到电能供应网的切换装置并联连接。当该 操作开关打开并且负载设备与电能供应网隔离时，通过接地装置进行接 地。

在接地装置的进一步的有利配置中，至少一个另外的开关被布置得与 包括两个开关的串联电路并联，其中该至少一个另外的开关被反向地耦合 到该两个开关中的至少一个。在此意义上，反向耦合意味着该至少一个另 外的开关当该两个开关中的至少一个闭合的时候是打开的，反之亦然。电 能储存器(例如本地电能供应装置的电池)从电能供应网的充电，可通过 这些另外的开关进行而不影响接地。

在接地装置的进一步的有利结构中，附加的开关与该两个开关的每个 并联连接，或者至少一个附加的另外开关与该至少一个另外的开关并联连 接。这些附加的开关因此相对于接地装置的实际的(主要)开关被提供冗 余，并且进一步提高了接地装置的运行可靠性。此外，这些附加开关当其 被致动为相对于主要开关而具有时间偏移时适于确保用电装置的不间断运 行。

在接地装置的进一步的有利结构中，提供与至少一个开关并联连接的 用于监测该开关在闭合状态下的接触电阻的附加的电路，所述附加的电路 具有用于测量电流流经该开关的电流源或电压源。这也进一步提高了接地 装置的运行可靠性。

根据本发明的一种备用电力系统，用于选择性地将负载设备运行在电 能供应网上或者本地能量产生装置上，其特征在于具有这种接地装置。相 应地带来了与根据本发明的接地装置有关的提及的优点。

在备用电力系统的一个有利结构中，提供用于将负载设备连接到或者 将负载设备隔离于电能供应网的开关，其中这些开关被耦合到接地装置的 所述两个开关中的至少一个。优选地，该备用电力系统具有控制装置，用 于致动切换装置，切换装置包括用于将负载设备连接到或者将负载设备隔 离于电能供应网的开关，接地装置的开关和另外的开关。特别优选地，控 制装置包括系统故障检测器。这样，负载设备与电能供应网或者本地电能 供应装置的连接可通过控制装置与同时发生的本地接地以协调的方式进 行。

在进一步的有利结构中，备用电力系统具有切换装置，其具有与用于 接地的开关并联连接的附加的开关，其中这种切换装置由本地电能供应装 置致动。优选地，这种切换装置具有至少一个另外的附加开关，其被布置 为与附加开关的串联连接相并联，并且其反向耦合到两个附加开关中的至 少一个。该附加开关和另外的附加开关代表相对于接地装置的该(主要) 开关和另外的开关的冗余开关，并且提高了备用电力系统的运行可靠性。 这些附加开关由本地电能供应装置致动，这与接地装置的主要开关由控制 装置切换相反。这导致附加开关和主要开关在切换时间上的某些时间偏 移。这一时间偏移避免了本地接地装置和负载设备之间的连接的中断，该 中断可能发生在当仅使用一个切换装置时，或者当切换装置被同步地致动 时。

附图说明

本发明将在下面借助三幅附图参照示例实施例而被更加详细地说明， 其中：

图1示出了第一示例实施例中的接地装置的电路方框图；

图2示出了第二示例实施例中的具有接地装置的备用电力系统的电路 方框图；以及

图3示出了接地装置的用于监测开关的监测电路。

具体实施方式

图1示出了用于备用电力系统的接地装置的第一实施例的电路方框 图。接地装置具有连接，通过这些连接接地装置耦合到备用电力系统中的 电能供应网10、用电装置40和本地电能供应装置50。电能供应网10、用 电装置40和本地电能供应装置50为了清楚的原因没有示于图中。在各自 的连接件处表示的参考标记基于下面进一步解释的图2而被选择。

电能通过中性导体N10和导体L由电能供应网10(下面称为系统10) 提供。代替所示出的单相实施例，也可以使用具有多相和相应地多个导体 的供电系统。导体L和中性导体N10通过两个彼此耦合的开关5被连接到 负载设备40的导体L和中性导体N40。所述开关5为切换装置K2(例如 接触器)的触点对。

切换装置K2例如通过系统监测装置(此处未示出)在系统10的正常 运行模式中被致动。在系统10的正常运行模式中，负载设备40的导体L 和中性导体N40各自通过开关5被连接到系统10的导体L和中性导体 N10。因此，负载设备40通过系统10被供给电能。

本地电能供应装置50与负载设备40并联连接，其中，在该实施例 中，导体L被直接连接到电能供应装置50。

电能供应装置50的中性导体N50通过包括两个开关1，2的串联电路 被连接到负载设备40的中性导体N40。通过到本地接地导体21的连接，地 电位PE被施加到包括两个开关1，2的串联电路中的中心抽头3。因此， 可以通过开关1，2获得负载设备40的中性导体N40的接地。开关1，2因 此在下文中被称作接地开关1，2，从而其可更容易区分于设备中的其他开 关。

在图1示出的示例实施例中，接地开关1为接地装置K2的静态开关， 即当切换装置不被致动时为闭合的开关。接地开关2为另外的切换装置K3 的静态开关，切换装置K3与切换装置2并联地致动。值得注意的是在接地 装置的其他配置中开关1和2到切换装置K2，K3的分配可以不同于此处 示出的接地装置。例如，可以为两个接地开关1和2提供分配到另外的切 换装置K3，其与切换装置K2一起被致动。在这种情形中，切换装置K2 仅负责开关5。这种情形被示于图2所示的示例实施例中。

在系统10的正常运行模式中，切换装置K2被致动并且开关5被闭 合，因此耦合到其的接地开关1被打开。在示出的实例中，开关5和接地 开关1都属于切换装置K2，并且所述开关被机械地耦合和正向驱动。因 此，开关5的闭合仅能发生在当接地开关1被实际上打开时。在例如由于 接地开关1的触点的焊接而导致接地开关1的永久性闭合的缠住或粘结的 情形中，开关5因此不能闭合。这防止了负载设备40的中性导体N40通过 接地开关1被同时连接到系统10的中性导体N10和接地导体21。

此外，负载设备40的中性导体N40通过另外的开关4被耦合到电能供 应装置50。另外的开关4是切换装置K3的操作开关(常开开关)。开关4 因此被正向耦合，这与接地开关2相反。电能供应装置50在正常操作期间 通过该另外的开关4也被连接到系统10，在正常操作期间负载设备40被连 接到系统10。电能供应装置50包括例如电池逆变器，其耦合到电池作为储 能装置。电能供应装置50的来自系统10的供电于是例如用作电能供应装 置50的电池的再充电或者用来维持电能供应装置50的电池的充电状态。 另外的开关4因此在下面被称作充电开关，以更容易地区分其与设备中的 其他开关。

在供电系统10的故障操作状态中，切换装置K2和K3被解除致动。 结果，开关5打开，将负载设备40和电能供应装置50都与系统10隔离。 通过打开充电开关4，负载设备40的中性导体N40也与电能供应装置50的 中性导体N50隔离。

然而，这一连接然后通过包括闭合的接地开关1和2的串联电路被重 现。当接地开关1，2都闭合时，发生负载设备40的通过电能供应装置50 的供电。由于接地开关1，2之间的中心抽头3与接地连接21的连接，于 是确保在这种情形下地电位PE被施加到供电系统40的中性导体N40。电 流从电能供应装置50通过接地开关1流到负载设备40。同时，接地开关1 也提供负载设备40的中性导体N40与接地导体21之间的连接。相应地， 其中负载设备40通过电能供应装置50供电且不具有负载设备40的中性导 体N40接地的运行状态被排除。

在所述接地装置的进一步配置中，开关1，2，4到切换装置K2，K3 的分配可不同于此处示出的接地装置。例如，在供电系统10的故障情况下 在电能供应装置50与负载设备40之间产生连接的两个接地开关1和2，， 可以共同地与切换装置例如切换装置K3相关联。切换装置K3于是例如为 具有至少三个开关1，2和4的接触器，其中开关1和2是静态开关(具有 常闭触点)，而另外的开关4是操作开关(具有常开触点)。通过切换装 置K2和切换装置K3中的附加的辅助触点可以进行相互的机电互锁，以便 例如防止切换装置K2被致动(并且因此通过5产生到系统50的连接)， 只要另外的切换装置K3不被致动，并且因此通过开关1，中心抽头3和本 地接地导体21的N40的接地是有效的。

图2示出了根据本申请的具有接地装置的备用电力系统的电路方框 图。在这个例子中相同的参考标记表示与图1中的那些相同或者功能相同 的元件。

该备用电力系统被连接到上级电能供应网10，其具有在此例中通过实 例的方式表示的不提供任何独立的接地线作为PE导体的TT系统的拓扑。 替代地，电能供应网10的中性导体在合适的点上被连接到系统10中的接 地连接11，以便提供供电系统10中的地电位PE。根据本申请的接地装置 同样可被用于与具有不同拓扑的电能供应网的连接。

在电气服务连接区域20中(也称作连接点)，提供本地接地连接21， 其提供PE导体，例如用于将负载接地。本地接地连接21处的电位在下面 称为地电位PE，即使当相对于供电系统10的接地连接11的电位差可以产 生时。

服务连接20现在通过转接装置30连接到负载设备40和本地电能供应 装置50两者。在示出的例子中，转接装置30具有可选的能量表(energy  meter)31，具有三条导体L1，L2，L3(也称作相)，以及被提供在所述 能量表的输出处的系统10的中性导体N10。三条导体L1至L3与系统10 的中性导体N10通过开关5，6被连接到负载设备40的相应的导体L1至 L3和中性导体N40。所述开关每个都是两个切换装置K1和K2的(例如接 触器的)操作开关(常开触点)。为了冗余的原因提供两个串联连接的开 关5，6，以便确保负载设备40与供电系统10进行完全地隔离。接触器K1 和K2通过转接装置30的控制装置32致动。后者包括例如系统故障检测 器，其对应于系统10的运行状态来致动接触器K1和K2。

中性导体N40和一条导体(在此例中为负载设备40的导体L1)例如 被连接到本地电能供应装置50。本地电能供应装置50包括电池逆变器 51，其在DC侧连接到电池作为能量储存装置(图中未示出)，并且在系 统10的故障情形中通过切换装置K5在至少一相上在AC侧为负载设备40 供电。除了故障情形中的电能供应以外，另外的本地电能供应单元例如光 伏系统和/或发电机可被使用。系统故障检测器也可被提供在本地电能供应 装置50中，特别是在电池逆变器51中，而不是在控制装置32中。

电能供应装置50通过控制线路33被连接到控制装置32。此外，提供 互锁线路53，通过互锁线路53互锁开关54可经由本地电能供应装置50切 换。互锁开关54作用于切换装置K2和K3。除了通过控制线路33的有线 互锁，也可使用无线通信。

在这个示例的实施例中，接地装置包括两个开关组，其中第一开关组 与切换装置K3相关联，并包括两个串联连接的接地开关1，2和两个同样 串联连接的充电开关4a，4b。第二组与另外的切换装置K4相关联，并具 有两个附加接地开关1’和2’以及两个附加充电开关4a’和4b’。

如图1示出的实施例中，接地开关1，2通过插入的中心抽头3被连接 到本地接地连接21，并且因此地电位PE施加到所述接地开关。包括充电 开关4a，4b的串联电路被布置得与包括接地开关1，2的串联电路并联。 充电开关4a，4b被共同致动，并且就其功能而言对应于图1所示的示例实 施例中的充电开关4的功能。

在系统10的正常运行状态中，其中切换装置K1和K2被致动，并且 所有相关联的开关因此被闭合，并且负载设备40被连接到供电系统10，相 应地充电开关4a和4b闭合以便通过被同样致动的切换装置K5从供电系统 10提供电能到电池逆变器51，例如用于充电能量储存。此外，在正常运行 状态中，控制开关52打开并且切换装置K4不被致动。附加充电开关4a’和 4b’为静态开关，因此在该运行状态中同样地闭合。它们提供与充电开关 4a，4b相并联的电流通路。

在系统10的故障情形中，切换装置K1和K2被解除致动，负载设备 40与供电系统10隔离。切换装置K3断开与切换装置K2的并联连接，结 果充电开关4a，4b打开，接地开关1，2闭合，并将负载设备40的中性导 体N40接地。在此情形中初始一直闭合的附加充电开关4a’和4b’防止了本 地电能供应装置50与负载设备40之间的连接的短期中断，如果不提供与 切换装置K4相关联的第二开关组，这将会由于切换装置K3的转接操作而 发生。切换装置K4于是通过控制开关52致动，具有相对于切换装置K3 的小的时间偏移，由此，对应的附加接地开关1’和2’闭合，于是提供负载 设备40的中性导体N40的冗余接地。

在系统10的恢复时，切换装置K1-K4的开关顺序将有利地相反进行。 切换装置K4首先被断开连接，然后再经过小的时间偏移，切换装置K3和 K1和K2被致动。

除了切换装置K3和K4的接地和充电开关1，2，4a，4b和1’，2’， 4a’，4b’，所述切换装置各自可具有辅助开关，它们与互锁开关54相互作用 以便防止有缺陷的切换装置K3或K4或者其开关的堵塞触点可能导致的在 系统10的正常运行期间中性导体N10的接地。

图3示出了附加电路60，其用来监测接地装置的接地开关。该附加电 路可被用于例如与图1或2中所示的示例实施例的接地开关1，2或1’，2’ 中的一个相连。值得注意的是这种附加电路也可被用于监测不是根据本申 请的接地装置的开关。

附加电路60包括电流或电压源61，下面简称电源61，其具有并联连 接的旁路二极管62。电源61连接到连接件，例如在此例中将其负极连接到 接地开关1的连接件之一。电源61的另一连接件通过二极管63，测量电阻 器64，熔断器65和开关66连接到要监测的接地开关1的另一连接件。二 极管62和63以及熔断器65在此例中用于保护附加电路自身，特别是电源 61。

开关66可被机械地耦合到接地开关1，结果当接地开关1闭合时其同 样闭合。如果开关1，66都闭合，测量电阻器64上的电压降可被测量。此 外，这个电路中存在的电阻可以从该电压降确定，其中该电阻可为例如接 地开关1的过高接触电阻带来的结果。

此外，电容器67和低阻电阻器68被可选地与包括开关66和要被监测 的接地开关1的串联电路并联连接。当开关1，66打开时，电容器67充电 到由电源61预定的最大电压。在开关1和66闭合后，电容器67通过两个 开关1，66放电，其电流仅由电阻器68限制。电阻器68和电容器67在此 例中设计为使得至少对于短期时间，具有充足电流水平的浪涌电流流经开 关1，66以去除形成在开关1，66的触点之间的氧化物层。这一过程也被 称为通过烧穿的触点清洁。如果电容器67已经放电，电源61和测量电阻 器64处的实际测量电流由开关1，66设置，由此接地开关1的正确的低电 阻闭合被监测。

在根据本申请的接地装置中，作为在系统故障情形中通过接地开关1 从本地电能供应装置50流到负载设备40的消耗电流的结果，接地开关1 的触点保持没有氧化物层。因而与其中负载设备的中性导体通过单一的接 地开关接地的接地装置相比，经由电容器67来产生电流浪涌与本申请的接 地装置更加无关。

特别是，在具有电容器67和电阻器68的附加电路的实施例中，开关 66是需要的，因为否则的话，当接地开关1打开时电容器67的充电在大多 情形下是不可能的，因为在供电系统10的正常运行期间负载设备的中性导 体N40与供电系统的中性导体N10互连(比较图1和2)，并且这一中性 导体N10处于地电位。当没有开关66接地开关1被打开时，电容器67的 充电将因此为不可能。在任何情况下，开关66对于从供电系统的中性导体 N10解耦附加电路特别是电源61来说是额外有利的，结果，可以保护其防 止可能相对于地电位PE发生在中性导体上的过电压。

参考标记列表

1，2  开关(接地开关)

3     中心抽头

4     另外的开关(充电开关)

5，6  开关(系统隔离点)

10    电能供应网

11    供电系统的接地连接

20    电气服务连接

21    本地接地连接器

30    转接装置

31    能量表

32    控制装置

33    控制线路

40    负载设备

50    本地电能供应装置

51    电池逆变器

52    控制开关

53    互锁线路

54    互锁开关

60    附加电路

61    电流或电压源

62    旁路二极管

63    二极管

64    测量电阻器

65    熔断器

66    开关

67    电容器

68    电阻器

K1至K5  切换装置

N10   供电系统的中性导体

N40  负载设备的中性导体

N50  本地电能供应装置的中性导体

L，L1，L2，L3  导体

PE   地电位