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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Gleichstromnetz für Wasserfahrzeuge,
insbesondere für Unterwasserfahrzeuge,
sowie für
Offshoreanlagen gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1; ein derartiges elektrisches Gleichstromnetz
ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 031 761 B3 bekannt.
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Aus
der
DE 23 11 744 A ist
ein elektrisches Gleichstromnetz mit einer Gleichstromquelle, einem elektrischen
Verbraucher und einer Abschalteinrichtung zur Abschaltung eines
in dem Gleichstromnetz fließenden
Gleichstromes bekannt. Die Abschalteinrichtung umfasst einen in
das Netz geschalteten Hybridschalter, d. h. eine Kombination aus
einem elektromechanischen Leistungsschalter und einem die Löschung des
Stromes übernehmenden
Halbleiterschalter, der parallel zu dem Leistungsschalter geschaltet
ist. Der Hybridschalter ist hierbei 2-polig und weist einen ersten
Schaltpol auf, der in einen Stromzweig von einem Pluspol der Gleichstromquelle
zu dem Verbraucher und einen zweiten Schaltpol, der in einen Stromzweig
von einem Minuspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher geschaltet
ist. Die Abschalteinrichtung umfasst weiterhin eine Kommutierungseinrichtung,
die parallel zu dem Verbraucher geschaltet ist.
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Aus
der
DE 10 2005
031 761 B3 ist ein elektrischen Gleichstromnetz eines Wasserfahrzeuges, insbesondere
eines Unterwasserfahrzeuges, bekannt, bei dem zwischen einer Gleichstromquelle, beispielsweise
einer Batterie oder einer Brennstoffzellenanlage, und einem elektrischen
Verbraucher, beispielsweise einem Fahrmotor oder einem Bordnetz,
eine Stromabschalteinrichtung geschaltet ist, die einen als Vakuumschalter
ausgebildeten Leistungsschalter und eine Kommutierungseinrichtung umfasst.
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Durch
die Kommutierungseinrichtung ist ein Lichtbogen löschbar,
der beim öffnen
des Schalters durch den durch den Schalter fließenden Strom erzeugt wird.
Die Kommutierungseinrichtung beaufschlagt hierzu den Vakuumschalter
unmittelbar nach der Erzeugung des Lichtbogens mit einem entgegengesetzt
gerichteten Strom, der den im Lichtbogen fließenden Strom kompensiert oder
zumindest soweit vermindert, dass der Lichtbogen zum Erlöschen kommt.
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Die
Kommutierungseinrichtung kann hierbei auf vielfältige Weise aufgebaut sein.
Beispielsweise weist die Kommutierungseinrichtung einen parallel zum
Vakuumschalter liegenden Kommutierungsstromkreis auf, der einen
Schalter sowie einen Ladungsspeicher, beispielsweise einen Kondensator, umfasst. Über eine
Steuereinrichtung wird sichergestellt, dass unmittelbar nach dem öffnen des
Vakuumschalters der Schalter so angesteuert wird, dass der Ladungsspeicher
parallel zum Vaku umleistungsschalter und gegensinnig gepolt geschaltet
wird, um den im Schalter beim Öffnen
entstehenden Lichtbogen zu löschen.
Anstelle des Ladungsspeichers kann auch ein Ladungserzeuger, beispielsweise
eine elektrische Spule, vorgesehen sein, der von der Steuereinrichtung
so angesteuert wird, dass er nach dem Öffnen des Vakuumschalters einen
Kompensationsstrom erzeugt, der den beim Öffnen des Vakuumschalters entstehenden
Lichtbogen löscht.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Gleichstromnetz
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass es eine noch höhere Abschaltsicherheit
aufweist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Gleichstromnetz
gemäß Patentanspruch
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Durch
die Anordnung jeweils eines Schaltpoles (d. h. einer Schaltstrecke)
sowohl in dem an dem Pluspol als auch in dem an dem Minuspol angeschlossenen
Stromzweig und durch die mechanische Kopplung der beiden Schaltpole
erfolgt eine gleichzeitige Trennung beider Stromzweige und somit
eine gleichzeitige beidseitige Trennung von Verbraucher und Gleichstromquelle.
Hierdurch kann die Abschaltsicherheit in dem Gleichstromnetz vergrößert werden.
Es ist dabei ausreichend, wenn die Abschalteinrichtung für zumindest
einen der beiden Schaltpole eine Kommutierungseinrichtung zum Löschen eines in
diesem Schaltpol erzeugten Lichtbogens aufweist, denn durch das
Abschalten des Stromes in diesem einen Schaltpol wird im Normalfall
aufgrund des Stromnulldurchganges der andere Schaltpol kurzzeitig
stromlos, so dass er ebenfalls einen Stromnulldurchgang erfährt, der
zu einer Löschung
des Lichtbogens in diesem Schaltpol führt.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Abschaltsicherheit kann die Abschalteinrichtung aber auch für jeden der
beiden Schaltpole eine jeweils eigene Kommutierungseinrichtung aufweisen.
Hier durch ist sogar ein Abschalten eines Doppelerdschlusses in einem Gleichstromnetz
möglich.
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Von
Vorteil weist der Vakuumschalter einen weiteren, dritten Schaltpol
auf, der mechanisch mit dem ersten und dem zweiten Schaltpol gekoppelt
ist und der in Reihe zu dem zweiten Schaltpol in den Stromzweig
von dem Minuspol der Gleichstromquelle zu dem Verbraucher geschaltet
ist. Durch eine derartige gleichzeitige zweipolige Abschaltung des
Verbrauchers, d. h. Abschaltung in zwei Stromzweigen, mit einem
einzigen dreipoligen Vakuumschalter und der Serienschaltung von
zwei Polen (d. h. zwei Schaltstrecken) in einem Stromzweig kann
eine besonders hohe Abschaltsicherheit durch Redundanz in der Spannungsfestigkeit
erzielt werden.
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Es
ist dabei nicht notwendig, dass der zweite Schaltpol und der dritte
Schaltpol eine jeweils eigene Kommutierungseinrichtung aufweisen.
Es ist ausreichend, wenn der zweite Schaltpol und der dritte Schaltpol
eine gemeinsame Kommutierungseinrichtung aufweisen, d. h. die Kommutierungseinrichtung ist
parallel zu der Reihenschaltung der beiden Schaltpole geschaltet.
Es ist auch ausreichend, wenn der zweite Schaltpol ein Kommutierungseinrichtung
aufweist, der dritte Schaltpol dagegen keine Kommutierungseinrichtung
aufweist, d. h. nur zu dem zweiten Schaltpol ist parallel eine Kommutierungseinrichtung geschaltet.
Wenn diese Kommutierungseinrichtung den Lichtbogen in dem zweiten
Schaltpol löscht, kommt
es auch zu einem Unterbrechung des Stromflusses und somit zu einer
Löschung
des Lichtbogens in dem dritten Schaltpol.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Kontaktspalt
bei einem geöffneten
Schaltpol zwischen 1.5 mm und 15 mm, vorzugsweise zwischen 2 und
5 mm. Hierdurch kann ein besonders stabiles Magnetfeld in dem Schaltpol
und somit ein besonders gutes Abschaltvermögen erzielt werden.
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Eine
weitere Erhöhung
der Abschaltsicherheit ist dadurch möglich, dass eine Auslösung eines Kommutierungsimpulses
in einer Kommutierungseinrichtung erst bei einem vorgegebenen Mindestkontaktspalt
im Schaltpol erfolgt (z. B. Mindestkontaktspalt von 3 mm). Dies
kann beispielsweise durch eine Verzögerung des Auslöseimpulses
der Kommutierungseinrichtung um eine dem Vakuumschalter entsprechende
Zeitdauer ermöglicht
werden.
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Die
Gesamtinduktivität
eines Kommutierungsstromkreises einer Kommutierungseinrichtung beträgt vorzugsweise
maximal 0,5 μH.
Durch einen derart niederinduktiven Aufbau kann ein besonders schneller
Stromanstieg (dI/dt) erreicht werden.
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Bevorzugt
erfolgt eine Auslösung
eines Kommutierungsimpulses erst nach Ablauf einer Mindestlichtbogendauer.
Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Lichtbogen ausreichend
diffus wird und somit eine sichere Abschaltung möglich wird.
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Wenn
die Kommutierungseinrichtung parallel zu einem Schaltpol geschaltete
RC-Glieder und/oder Varistoren aufweist, können transiente Wiederkehrspannungen
an dem Schaltpol (Einschwingspannung nach erfolgter Kurzschlussstromunterbrechung)
auf Werte unter 500 V/μs
begrenzt werden.
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Bevorzugt
weist die Abschalteinrichtung eine Einrichtung zur Messung von Auslösekenngrößen in dem
Gleichstromnetz und zur Erzeugung eines Auslöseimpulses für einen
mechanischen Öffnungsmechanismus
des Vakuumschalters sowie für
die Kommutierungseinrichtung aus einer oder mehreren dieser Auslösekenngrößen auf.
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Von
Vorteil weist die Abschalteinrichtung zumindest einen Überstromauslöser für den Vakuumschalter
auf, wobei als Überstromauslöser sowohl unverzögerte Überstromauslöser (d.
h. Verzögerung der Überstromauslösung nur
durch die Eigenzeit des Schalters) und verzögerte Überstromauslöser (d.
h. Verzögerung
der Überstromauslösung durch
die Eigenzeit des Schalters und durch eine in dem Überstromauslöser einstellbare Zeit)
zum Einsatz kommen können.
Hierdurch ist eine Selektivität
bzw. Staffelung in der Überstromauslösung verschiedener Schalter
in einem Gleichstromnetz möglich.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmalen
der Unteransprüche
werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert; es
zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung
mit einem zwischen einer Gleichstromquelle und einem Verbraucher
geschalteten dreipoligen Vakuumschalter und zwei Kommutierungseinrichtungen,
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2 eine
vorteilhafte Ausgestaltung einer Kommutierungseinrichtung,
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3 eine
Seitenansicht einer Abschalteinrichtung,
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4 eine
Frontansicht einer Abschalteinrichtung,
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Ein
in 1 in einer besonders vereinfachten Darstellung
gezeigtes Gleichstromnetz 1 weist eine Gleichstromquelle 2,
einen elektrischen Verbraucher 3 und eine Abschalteinrichtung 4 zur
Abschaltung eines zwischen der Gleichstromquelle 2 und
dem Verbraucher 3 fließenden
Stromes auf. Die Abschalteinrichtung 4 weist einen zwischen
die Gleichstromquelle 2 und den Verbraucher 3 geschalteten
Vakuumschalter 5 mit drei Schaltpolen (d. h. drei Schaltstrecken) 5a, 5b, 5c auf.
Die Schaltpole sind hierbei mechanisch miteinander gekoppelt und weisen
eine gemeinsamen mechanischen Antrieb auf, d. h. ein Öffnen bzw.
Schließen
der drei Schaltpole erfolgt immer gleichzeitig.
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Der
Schaltpol 5a ist in einen Stromzweig 6 geschaltet,
der einen Pluspol der Gleichstromquelle 2 mit dem Verbraucher 3 verbindet.
Die Schaltpole 5b und 5c sind in Reihe in einen
Stromzweig 7 geschaltet, der einen Minuspol der Gleichstromquelle 2 mit dem
Verbraucher 3 verbindet.
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Die
Abschalteinrichtung 4 weist eine erste Kommutierungseinrichtung 8 auf,
die parallel zu dem Schaltpol 5a geschaltet ist und zur
Löschung
von Lichtbögen
in dem Schaltpol 5a durch Beaufschlagung des Schaltpols 5a mit
einem Gegenstrom dient. Weiterhin weist die Abschalteinrichtung 4 eine
zweite Kommutierungseinrichtung 9 auf, die parallel zu
der Reihenschaltung der beiden Schaltpole 5b und 5c geschaltet
ist.
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Alternativ
kann die Abschalteinrichtung 4 auch nur die Kommutierungseinrichtung 8 oder
nur die Kommutierungseinrichtung 9 aufweisen.
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Eine
Messeinrichtung 19 dient zur Messung von Auslösekenngrößen in dem
Gleichstromnetz 1 und zu Erzeugung eines Auslöseimpulses
für einen mechanischen Öffnungsmechanismus 21 des
Vakuumschalters 5 sowie für die Kommutierungseinrichtungen 8, 9 aus
einer oder mehreren dieser Auslösekenngrößen. Die
Messeinrichtung 19 ist hierzu über Steuerleitungen 20 mit
dem Öffnungsmechanismus 21 und
den Kommutierungseinrichtungen 8, 9 verbunden.
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Die
gezeigte Abschalteinrichtung 4 mit zwei Kommutierungseinrichtungen 8, 9 und
insgesamt drei in Serie geschalteten und mechanisch miteinander
gekoppelten Schaltpolen (bzw. Schaltstrecken) 5a, 5b, 5c zeichnet
sich durch ein besonders hohes Abschaltvermögen und eine besonders hohe
Abschaltsicherheit bei großer
Kompaktheit aus. Aufgrund der zwei Kommutierungseinrichtungen 8, 9 ist sogar
ein Abschalten eines Doppelerdschlusses in dem Gleichstromnetz 1 möglich.
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Jede
der Kommutierungseinrichtungen 8, 9 weist hierbei
bevorzugt – wie
in 2 dargestellt – einen als Impulskreis 10 ausgebildeten
Kommutierungsstromkreis auf, der einen Hochleistungshalbleiterschalter 11 für hohe Impulsströme, z. B.
einen Thyristor, einen Stoßkondensator 12,
eine Ladevorrichtung 13 zur Aufladung des Kondensators 12 und
eine Zündvorrichtung 14 zur
Zündung
des Hochleistungshalbleiterschalters 11 umfasst.
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer vorteilhaften Ausbildung der Abschalteinrichtung 4 gemäß 1.
Der Vakuumleistungsschalter 5 ist oberhalb der Kommutierungseinrichtung 8 bzw. 9 angeordnet, die
im Wesentlichen durch den Hochleistungsthyristor 11 und
den Kondensator 12 gebildet wird. Die Vakuumschaltröhren 15 des
Vakuumleistungsschalters 5 sind dabei über Isolatoren 16 mit
einem Gehäuse des
Schalterantriebs 17 verbunden. Der Kondensator 12 und
der Hochleistungsthyristor 11 sind über Strombahnen 18 parallel
zu der Vakuumschaltröhre 15 geschaltet.
In einer optimierten Anordnung werden Schaltröhren 15 und Isolatoren 16 für niedrige Nennspannungen
eingesetzt, welche eine deutlich kompaktere und leichtere Bauweise
zulassen.
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4 zeigt
eine Frontansicht der in 3 in Seitenansicht gezeigten
vorteilhaften Ausbildung der Abschalteinrichtung 4 gemäß 1.
Die drei Vakuumschaltröhren 15 der
drei Pole 5a, 5b, 5c des Schalters 5 sind – wie bereits
in 3 gezeigt – über den
Kommutierungseinrichtungen 8, 9 angeordnet und über Isolatoren
mit dem Gehäuse
des Schalterantriebes 17 verbunden. Die Strombahnen sind
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Die Kommutierungseinrichtung 8 ist parallel
zu dem Schaltpol 5a und die Kommutierungseinrichtung 9 parallel
zu der Reihenschaltung der Schaltpole 5b und 5c geschaltet.
Die Kommutierungseinrichtungen 8, 9 weisen jeweils
einen Hochleistungsthyristor 11 und ein Kondensator 12 auf.
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Die
Verwendung eines derartigen dreipoligen Vakuumleistungsschalters 5 mit
zwei Kommutierungseinrichtungen 8, 9 erlaubt höchste Abschaltsicherheit
mit insgesamt drei Schaltstrecken in Serie, von denen zwei aktiv
kommutiert werden, bei kompakter Bauweise.
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Die
Abschalteinrichtung zeichnet sich weiterhin durch folgende Merkmale
aus:
- – Begrenzung
der maximalen Stromänderungsrate
durch die Vakuumschaltröhren
auf unter 2000 A/μs
während
des Kommutierungsvorgangs,
- – Begrenzung
der transienten Wiederkehrspannung (Einschwingspannung nach erfolgter
Kurzschlussstromunterbrechung) an den Vakuumschaltröhren durch
Beschaltung mit parallelen RC-Gliedern
und/oder Varistoren auf Werte unter 500 V/μs,
- – niederinduktiver
Aufbau mit einer Gesamtinduktivität im Kommutierungsstromkreis
von maximal 0,5 μH,
- – Messung
des im Gleichstromnetz fließenden Stroms
und/oder der darin auftretenden Stromsteilheiten und/oder der Netzspannung,
und Erzeugung eines Auslöseimpulses
für den
mechanischen Öffnungsmechanismus
des Vakuumschalters sowie den Kommutierungsstromkreis aus einer
oder mehreren dieser Auslösekenngrößen,
- – analoge
Verwendung der Auslösekenngrößen zur
Gewinnung eines Auslösesignals,
z. B. Strommesswandler,
- – Digitalisierung
der notwendigen Auslösekenngrößen und
digitale Verarbeitung zu einem Auslösesignal,
- – Mindestkontaktspalt
1,5 bis 2 mm, vorteilhaft 2–5
mm, größer 5 bis
max. 15 mm; Begründung für kleiner
15 mm: bei größerem Abstand
nimmt das stabilisierende Magnetfeld ab und damit auch das Abschaltvermögen,
- – Auslösung des
Kommutierungsimpulses erst bei einem Mindestkontaktspalt im Vakuumschalter von
3 mm durch Messung des Kontaktabstandes,
- – Auslösung des
Kommutierungsimpulses erst bei einem Mindestkontaktspalt im Vakuumschalter von
3 mm durch Verzögerung
des Auslöseimpulses
des Kommutierungsstromkreises um eine dem Vakuumschaltgerät entsprechende
Zeitdauer,
- – Verwendung
eines Vakuumschaltantriebs mit einer maximalen Auslöseverzögerung (Anlegen Auslöseimpuls
bis Kontaktöffnung ≥ 3 mm) von maximal
50 ms,
- – Verwendung
eines Vakuumschaltantriebs mit einer Auslöseverzögerung (Anlegen Auslöseimpuls bis
Kontaktöffnung ≥ 3 mm) von < 50 ms, vorzugsweise < 30 ms,
- – Verwendung
eines Vakuumschaltantriebs mit einer Kontaktandruckkraft von mindestens
4 kN pro Schaltröhre,
- – Begrenzung
des Kontakthubes auf maximal 5...6 mm, um ein maximales Schaltvermögen der eingesetzten
Vakuumschaltröhren
zu erreichen,
- – Verwendung
von Vakuumschaltröhren
mit Axialmagnetfeldkontakten mit einer typischen Axialfeldstärke von
mindestens 5 mT/kA, möglichst 8...10
mT/kA,
- – galvanische
Trennung der Ladevorrichtung des Energiespeichers durch ein elektromechanisch oder
pneumatisch betätigbares
Schaltelement zeitgleich oder nach dem Auslöseimpuls,
- – extrem
kompakter Aufbau durch Verwendung eines dreipoligen Vakuumschalters,
- – besonders
kompakter Aufbau durch Verwendung von rückwärts leitenden Halbleiterschaltern für die Zuschaltung
des Energiespeichers (Kondensators).