DE102011050646A1 - Messung transienter elektrischer Aktivität in Flugzeug-Energieverteilungssystemen - Google Patents

Abstract

Ein elektrisches Energieverteilungssystem (21) für ein Flugzeug umfasst eine Energiequelle (12), die elektrisch mit einem elektrischen Verbraucher (14) verbunden ist, und wenigstens eine Stromkreisunterbrechungseinrichtung zum Unterbrechen eines Stroms in dem Energieverteilungssystem (21). Eine Unterscheidungseinrichtung (23) ist mit dem System (21) verbunden, um ein transientes elektrisches Ereignis (15) in dem System von einem stationären Niveau einer elektrischen Aktivität in dem System zu unterscheiden, wobei das transiente elektrische Ereignis (15) eine Potenzialdifferenz über der gesamten Unterscheidungseinrichtung (23) oder einem Teil derselben induziert. Die Stromkreisunterbrechungseinrichtung ist zum Unterbrechen eines durch das Energieverteilungssystem (21) fließenden Stroms, wenn die Potenzialdifferenz über der Unterscheidungseinrichtung (23) eine Schwellenwertspannung überschreiten, betreibbar.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Energieverteilungssysteme für Flugzeuge und insbesondere auf die Messung transienter elektrischer Aktivität in diesen Systemen.
• Elektrische Energieversorgungssysteme von Flugzeugen und andere Energieverteilungssysteme sind einem weiten Bereich von Störungen ausgesetzt, die transiente elektrische Ereignisse hervorrufen können. Z. B. können Komponentenausfälle und Blitzschläge zu Strom- und Spannungstransienten führen. Kurzschlusszustände können ebenfalls zu transienten Stromstößen führen. Derartige Transienten können auch eine elektrische Lichtbogenbildung in dem Energieverteilungssystem und/oder eine Überhitzung von Stromkreiskomponenten bewirken, die ihrerseits Feuergefahren erzeugen.
• Vor diesem Hintergrund besteht eine Neigung, Flugzeug- und andere elektrische Energieversorgungssysteme so auszulegen, dass sie mit immer höheren Spannungen und dementsprechend geringeren Strömen betrieben werden, die eine Verringerung des Gewichtes der Kabel des Systems zulassen. In einem Flugzeug können sowohl Gleichstrom(DC)- als auch Wechselstrom(AC)-Energieversorgungssysteme verwendet werden.
• Im Stand der Technik sind Transienten traditionell unter Verwendung eines Stromwandlers gemessen worden, der in DC-Systemen den zu messenden Stromkreis unterbrechen muss, um in diesen eingesetzt zu werden. 1 zeigt ein derartiges System nach dem Stand der Technik, das ein Energieverteilungssystem 11 mit einer DC-Quelle 12, die mit einem Verbraucher 14 verbunden ist, enthält. Ein Lichtbogenereignis 15 wird durch einen Stromwandler 13 gemessen, der in dem Stromkreis zwischen dem Verbraucher 14 und der Energieversorgung 12 in Reihe geschaltet ist. Der Lichtbogen erzeugt in dem Stromkreis eine Gegenspannung von etwa 20 V, wobei die Gegenspannung im Wesentlichen von der Quellenspannung unabhängig ist. Wenn höhere Quellenspannungen verwendet werden, wird die Änderung des Stroms im Zusammenhang mit dem Lichtbogenereignis verglichen mit dem gesamten Systemstrom zunehmend klein, und dadurch ist die Änderung des Stroms schwieriger zu messen.
• Ein alternativer Ansatz nach dem Stand der Technik umfasst die Messung einer sich fortbewegenden Welle, die der Systemspannung überlagert ist und von der elektrischen Transiente geliefert wird. Dieses Verfahren stützt sich auf eine Kenntnis einer charakteristischen Impedanz des Stromkreises, die in einer elektrischen Installation unkontrolliert ist.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein elektrisches Energieverteilungssystem für ein Flugzeug, wobei das System eine Energiequelle, die elektrisch mit einen elektrischen Verbraucher verbunden ist, und wenigstens eine elektrische Stromkreisschalteinrichtung zum Unterbrechen eines Stroms in dem Energieverteilungssystem enthält, das weiterhin eine mit dem System verbundene Unterscheidungseinrichtung zum Unterscheiden eines transienten elektrischen Ereignisses in dem System von einem stationären Niveau einer elektrischen Aktivität in dem System enthält, wobei das transiente elektrische Ereignis eine Potenzialdifferenz über der gesamten Unterscheidungseinrichtung oder einem Teil derselben induziert, wobei die Stromkreisschalteinrichtung zum Unterbrechen eines durch das Energieverteilungssystem fließenden Stroms, wenn die Potenzialdifferenz über der Unterscheidungseinrichtung eine Schwellenwertspannung überschreitet, betreibbar ist.
• Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen einer transienten elektrischen Aktivität in einem elektrischen Energieverteilungssystem für ein Flugzeug, wobei das Verfahren das Verbinden einer Unterscheidungseinrichtung mit dem Energieverteilungssystem, wobei die Unterscheidungseinrichtung zum Trennen eines transienten elektrischen Ereignisses in dem System von einem Hintergrundniveau einer elektrischen Aktivität in dem System betreibbar ist, wobei die transiente elektrische Aktivität in dem System eine Potenzialdifferenz über der gesamten Unterscheidungseinrichtung oder einem Teil derselben induziert, das Überwachen der Potenzialdifferenz, die über der gesamten Unterscheidungseinrichtung oder dem Teil derselben induziert wird, und das Betreiben einer Stromkreisunterbrechungseinrichtung zum Unterbrechen eines durch das System fließenden Stroms, wenn die Potenzialdifferenz eine Schwellenwertspannung überschreitet, enthält.
• In einem stationären DC-Betrieb des elektrischen Systems ohne Lichtbogenbildung oder irgendeine andere Form von auftretenden Stromstößen fließt im Wesentlichen kein Strom durch die Unterscheidungseinrichtung. Wenn jedoch ein Stromstoß auftritt, ändert sich der Strom, der durch das System und demnach durch den Sensor fließt, relativ schnell, und die Unterscheidungseinrichtung ermöglicht dem Strom, durch sie hindurch zu fließen. Weil es die Änderung des Stroms ist, deren Messung durch die Unterscheidungseinrichtung ermöglicht wird, erschwert der Betrag des/der stationären Hintergrundstroms/-spannung die Messung nicht. Die vorliegende Erfindung entkoppelt in vorteilhafter Weise die Transienten von dem stationären Strom, was eine einfache Messung der Transienten ermöglicht. Verglichen mit dem Ansatz der Messung einer sich ausbreitenden Welle, die der Systemspannung überlagert ist, nach dem Stand der Technik schafft die vorliegende Erfindung wesentliche einfachere und kostengünstigere Mittel zur Messung einer Transienten.
• Verschiedene ergänzende Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Unterscheidungseinrichtung wenigstens einen Widerstand enthalten, der mit wenigstens einem Kondensator verbunden ist. Unter Verwendung einfacher Schaltungskomponenten, die in der Unterscheidungseinrichtung geeignet angeordnet sind, ermöglicht die Einrichtung nur den Fluss transienter Ströme in dem Energieverteilungssystem.
• Es folgt eine detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung nur zum Zwecke eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen:
• 1 ist ein schematischer Schaltplan, der ein elektrisches System nach dem Stand der Technik zeigt; und
• die 2 bis 4 sind schematische Schaltpläne, die jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
• 1 zeigt ein Flugzeug-Energieverteilungssystem 11 nach dem Stand der Technik, das eine Energiequelle 12, die eine AC- oder eine DC-Quelle sein kann, und einen Verbraucher 14 enthält, der irgendwelche der elektrischen Verbraucher eines Flugzeugs, wie z. B. Flugsteuerungssysteme oder Beleuchtungssysteme enthalten kann. In dem Energieverteilungssystem 11 tritt ein Lichtbogen 15 auf, wodurch eine transiente Fluktuation in dem Strom hervorgerufen wird, der durch das System fließt. Ein Stromwandler 13 ist direkt in dem Stromkreis in Reihe mit dem Verbraucher 14 angeordnet, um eine direkte Messung der Änderung des Stroms vorzunehmen, die durch das Lichtbogenereignis 15 verursacht wird.
• Der Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf die Tatsache gestützt, dass während einer Transiente in dem Stromkreis, wie z. B. einem Lichtbogenereignis, eine momentane Spannungstransiente in das System eingeführt wird. In dem Augenblick des Lichtbogenereignisses muss der Strom infolge der Induktivität des Stromkreises konstant bleiben; und dies wird durch eine Umwandlung eines Teils der induktiven Energie ( 1 / 2 LI²) in eine Spannung erreicht, wodurch der transiente Spannungseffekt neutralisiert und es dem Strom in dem Stromkreis ermöglicht wird, in dem Moment des Beginns der elektrischen Transiente unverändert zu bleiben. Dieser transiente Anstieg der Systemspannung kann gemessen werden, wenn die Messung unter Bezug auf die Gesamtesystemspannung oder irgendeine invariante neutrale Systemspannung vorgenommen wird.
• 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein elektrisches Energieverteilungssystem 21 eines Flugzeugs schematisch gezeigt ist. Die Energiequelle 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine DC-Quelle.
• Es kann erkannt werden, dass eine konzentrierte Schaltungsinduktivität 29 vorhanden ist, die über die Schaltung verteilt ist, die die Quelle 12 mit dem Verbraucher 14 verbindet. Sollte ein Lichtbogenereignis 15 auftreten, entsteht eine Spannung über dem Lichtbogen selbst. Diese Spannungstransiente hätte die Wirkung, die Verbraucherspannung und dadurch den Verbraucherstrom zu verringern, allerdings wird es dem momentanen Strom infolge der Schaltungsinduktivität nicht ermöglicht, sich zu verringern. Die Schaltungsinduktivität bewirkt eine Erhöhung der Systemspannung, um die Lichtbogenspannungstransiente auszugleichen. Eine Unterscheidungseinrichtung 23, die hierin auch als Sensor 23 bezeichnet wird, ist an den Anschlusspunkten 26 und 27 mit dem System 21 verbunden. Die Unterscheidungseinrichtung 23 ermöglicht es, dass eine transiente elektrische Aktivität von einer stationären elektrischen Aktivität unterschieden wird. Die Einrichtung 23 bildet einen Parallelkreisabschnitt, der mit den Polen der Energiequelle 12 verbunden ist.
• Die Unterscheidungseinrichtung 23 enthält einen Kondensator 24 und einen Widerstand 25, und unter normalen Bedingungen ist der Kondensatorstrom gleich Null, und in dem vollständig geladenen Zustand des Kondensators beträgt die Spannung über dem Widerstand 25 ebenfalls Null. Der Kondensator 24 und der Widerstand 25 sind in Reihe geschaltet.
• Unter transienten Bedingungen ist die Spannung über dem Sensor 23 infolge der kompensierenden induktiven Energie der Schaltung erhöht, allerdings kann sich die Spannung über dem Kondensator infolge des Widerstandes 25, der mit dem Kondensator in Reihe geschaltet ist, nicht augenblicklich ändern. Dadurch tritt die Spannungstransiente über dem Widerstand 25 auf, die ihrerseits gemessen werden kann. Die Spannung wird über den Punkten 27 und 28 gemessen, wie sie in 2 gezeigt sind.
• 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Unterscheidungseinrichtung oder der Sensor 33 eine Spule bzw. Induktivität 34 sowie den Kondensator 24 und den Widerstand 25 aus dem ersten Ausführungsbeispiel enthält. Demnach enthält der Sensor 33 einen Schwingkreis, der für eine Zeit proportional zu der Lichtbogentransienten schwingt. Die Induktivität 34, der Kondensator 24 und der Widerstand 25 sind in Reihe geschaltet, wobei jedoch vielfältige Konfigurationen dieser Komponenten verwendet werden können. In diesem Beispiel kann die Energiequelle 12 eine AC- oder eine DC-Quelle sein. Wo eine DC-Quelle verwendet wird, fließt in dem stationären Betrieb des Energieverteilungssystems 31 kein Strom durch den Sensor 33.
• 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das insbesondere für AC-Energiequellen geeignet ist, wobei die Unterscheidungseinrichtung/Sensor 43 einen Kondensator 24 und einen Widerstand 25 enthält, die wiederum in Reihe geschaltet sind. Der Sensor 43 enthält eine Diodenbrücke, die eine erste, zweite, dritte und vierte Diode 44–47 umfasst, um das AC-Signal über dem Sensor 43 gleichzurichten. Dadurch drosselt die Diodenbrücke 44, 45, 46 und 47 den Fluss des stationären AC-Stroms entlang der Unterscheidungseinrichtung 43 in dem stationären AC-Betrieb des Systems wesentlich, ermöglicht es aber einem transienten Stoß, entlang der Unterscheidungseinrichtung 43 übertragen und über dem Widerstand 25 gemessen zu werden. Der Messwert des Sensors wird durch Messung der Potenzialdifferenz zwischen den Punkten 48 und 49 in 4 erfasst.
• In jedem der Ausführungsbeispiele ist die über dem Widerstand 25 gemessene Spannung in einem stationären Betrieb des Energieverteilungssystems gering oder im Wesentlichen Null. Wenn irgendwo in dem System eine elektrische Transiente auftritt, bewirkt der Energiestoß, dass über dem Widerstand 25 eine Potenzialdifferenz ansteigt, die unter Verwendung eines Voltmeters gemessen wird. Wenn die Spannung über dem Widerstand einen Schwellenwert überschreitet, kann eine Maßnahme ergriffen werden, um Schaden von dem Energieverteilungssystem abzuwenden. Z. B. kann ein Schalter in dem System ausgelöst werden, um den Stromfluss zu beenden.
• Die Unterscheidungseinrichtung 23, 33, 43 gemäß der vorliegenden Erfindung kann in vorhandenen Energieverteilungssystemen nachgerüstet werden.
• Ein elektrisches Energieverteilungssystem 21 für ein Flugzeug umfasst eine Energiequelle 12, die elektrisch mit einem elektrischen Verbraucher 14 verbunden ist, und wenigstens eine Stromkreisunterbrechungseinrichtung zum Unterbrechen eines Stroms in dem Energieverteilungssystem 21. Eine Unterscheidungseinrichtung 23 ist mit dem System 21 verbunden, um ein transientes elektrisches Ereignis 15 in dem System von einem stationären Niveau einer elektrischen Aktivität in dem System zu unterscheiden, wobei das transiente elektrische Ereignis 15 eine Potenzialdifferenz über der gesamten Unterscheidungseinrichtung 23 oder einem Teil derselben induziert. Die Stromkreisunterbrechungseinrichtung ist zum Unterbrechen eines durch das Energieverteilungssystem 21 fließenden Stroms, wenn die Potenzialdifferenz über der Unterscheidungseinrichtung 23 eine Schwellenwertspannung überschreiten, betreibbar.

Claims (12)

1. Elektrisches Energieverteilungssystem für ein Flugzeug, wobei das Energieverteilungssystem eine Energiequelle aufweist, die elektrisch mit einem elektrischen Verbraucher und wenigstens einer Stromkreisunterbrechungseinrichtung zum Unterbrechen eines Stroms in dem Energieverteilungssystem verbunden ist, und weiterhin eine Unterscheidungseinrichtung aufweist, die mit dem System verbunden ist, um ein transientes elektrisches Ereignis in dem System von einem stationären Niveau einer elektrischen Aktivität in dem System zu unterscheiden, wobei das transiente elektrische Ereignis eine Potenzialdifferenz über der gesamten Unterscheidungseinrichtung oder einem Teil derselben induziert, wobei die Stromkreisunterbrechungseinrichtung zum Unterbrechen des durch das Energieverteilungssystem fließenden Stroms, wenn die Potenzialdifferenz über der Unterscheidungseinrichtung eine Schwellenwertspannung überschreitet, betreibbar ist.
2. System nach Anspruch 1, bei dem die Unterscheidungseinrichtung wenigstens einen Widerstand aufweist, der mit wenigstens einem Kondensator verbunden ist.
3. System nach Anspruch 2, bei dem die Unterscheidungseinrichtung weiterhin wenigstens eine Induktivität enthält.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Unterscheidungseinrichtung zu der Energiequelle und dem Verbraucher parallel geschaltet ist.
5. System nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Widerstand und der wenigstens eine Kondensator und/oder die wenigstens eine Induktivität miteinander in Reihe geschaltet sind.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Energiequelle eine AC-Quelle enthält und die Unterscheidungseinrichtung eine Diodenbrücke zum Filtern eines AC-Stroms enthält.
7. Verfahren zum Messen einer transienten elektrischen Aktivität in einem elektrischen Energieverteilungssystem für ein Flugzeug, wobei das Verfahren das Verbinden einer Unterscheidungseinrichtung mit dem Energieverteilungssystem, wobei die Unterscheidungseinrichtung zum Trennen eines transienten elektrischen Ereignisses in dem System von einem Hintergrundniveau einer elektrischen Aktivität in dem System betreibbar ist, wobei die transiente elektrische Aktivität in dem System eine Potenzialdifferenz über der gesamten Unterscheidungseinrichtung oder einem Teil derselben induziert, das Überwachen der über der gesamten Unterscheidungseinrichtung oder einem Teil derselben induzierten Potenzialdifferenz und das Betreiben einer Stromkreisunterbrechungseinrichtung zum Unterbrechen des durch das System fließenden Stroms, wenn die Potenzialdifferenz eine Schwellenwertspannung überschreitet, enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Unterscheidungseinrichtung einen Widerstand enthält und der Schritt des Überwachens das Überwachen der Potenzialdifferenz über dem Widerstand enthält.
9. Unterscheidungseinrichtung zum Anschließen an ein Flugzeug-Energieverteilungssystem, wobei die Unterscheidungseinrichtung zum Unterscheiden eines transienten elektrischen Ereignisses in dem System von einem Hintergrundniveau einer elektrischen Aktivität in dem System betreibbar ist, wobei das transiente elektrische Ereignis eine Potenzialdifferenz über der gesamten Unterscheidungseinrichtung oder einem Teil derselben induziert.
10. Elektrisches Energieverteilungssystem im Wesentlichen wie es hierin unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist.
11. Verfahren zum Messen einer transienten elektrischen Aktivität im Wesentlichen wie es hierin unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist.
12. Unterscheidungseinrichtung im Wesentlichen wie sie hierin unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist.

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