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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzelement für ein vermaschtes Energieversorgungsnetz eines Transportmittels, insbesondere eines Flugzeugs, ein vermaschtes Energieversorgungsnetz mit derartigen Schutzelementen, ein Verfahren zum Schutz eines solchen vermaschten Energieversorgungsnetzes sowie ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens.
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Energieversorgungsnetze (bei Transportmitteln auch Bordnetze genannt) dienen in einem Transportmittel, wie z. B. einem Flugzeug, einem Schiff, einem U-Boot, einem Bus oder einem Zug, dazu, elektrische Abnehmer (Verbraucher) mit elektrischer Energie zu versorgen. Als Bordnetz wird oftmals die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in dem Transportmittel bezeichnet. Zu den elektrischen Komponenten zählen unter anderem die Verkabelung, Steuergeräte, Sensoren, Anzeigeelemente (wie Warn- und Kontrollleuchten, Displays), Aktoren (wie Elektromotoren, Leuchten und Beleuchtungssysteme), Bussysteme, Energiespeicher (wie Batterien und Akkumulatoren) und Generatoren. Konventionelle Bordnetze sind in Transportmitteln, wie Flugzeugen, normalerweise sternförmig aufgebaut, d. h., jeder Verbraucher wird für gewöhnlich durch eine eigene Leitung von dem oder den Generatoren mit elektrischer Energie versorgt. Zur Absicherung der herkömmlichen Energieversorgungsnetze wird häufig jede Leitung zu einem Verbraucher separat durch einen Überstromschutz (z. B. eine Schmelzsicherung) abgesichert. Übergeordnete Versorgungsleitungen (sogenannte Feeder-Leitungen) sind ebenfalls mit entsprechend größeren Sicherungen abgesichert. Kommt es in einer Versorgungsleitung zu einem Fehler (z. B. einem Erdschluss), spricht die entsprechende Sicherung an und der Verbraucher wird aus dem Energieversorgungsnetz getrennt. Dadurch werden sternförmig aufgebaute Netze zuverlässig abgesichert.
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Der Bedarf an elektrischer Energie in Transportmitteln, wie Flugzeugen, hat in den letzten Jahrzehnten stetig zugenommen. Dies liegt unter anderem daran, dass beispielsweise Flugzeuge immer größer werden, elektrische Lasten und Funktionen hinzugekommen sind, die pneumatische oder hydraulische Systeme ersetzen, und zusätzliche elektrische Verbraucher aufgrund steigender Komfortwünsche der Passagiere hinzugekommen sind. Es wird demnach daran gedacht, zunehmend vermaschte Energieversorgungsnetze (Bordnetze) in Transportmitteln, wie Flugzeugen, einzusetzen. Ein vermaschtes Energieversorgungsnetz weist normalerweise eine Vielzahl von Netzknoten auf, die jeweils mit einem oder mehreren anderen Netzknoten verbunden sind. Diese vermaschten Netzstrukturen sind besonders für Netze hoher Lastdichten geeignet, können jedoch auch bei Netzen geringer Lastdichte eingesetzt werden.
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Zum selektiven Netzschutz von vermaschten Energieversorgungsnetzen in Transportmitteln, wie Flugzeugen, bietet sich der sogenannte Distanz- oder Impedanzschutz an. Bei diesem werden einfache Schalter eingesetzt, die im Falle eines Netzfehlers, den Netzfehler von dem übrigen Netz trennen können. Der herkömmliche selektive Netzschutz ist dezentral aufgebaut, d. h. es ist keine Kommunikation zwischen den Schaltern notwendig. Für jeden Schalter wird in Abhängigkeit des Quotienten aus Spannung und Strom nach dem Fehlereintritt, d. h. aus der zugehörigen Impedanz, eine feste Auslösezeit ermittelt, zu welcher der Schalter sich öffnet (auslöst) und dadurch seine Verbindung zu dem Netzfehler trennt. Die ermittelte Impedanz ist dabei abhängig von der Leitungsimpedanz und der Länge der Leitung zu dem Netzfehler. Je größer die Impedanz ist, desto größer ist auch die Auslösezeit. Dies hat zur Folge, dass fehlernahe Schalter aufgrund der kleineren Impedanz schneller auslösen als fehlerferne Schalter mit einer entsprechend größeren Impedanz. Durch das gestaffelte Auslösen der Schalter wird der Fehler separiert, d. h. von dem übrigen Netz getrennt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schutzelement sowie ein Verfahren zum Schutz eines vermaschten Energieversorgungsnetzes eines Transportmittels, insbesondere eines Flugzeugs, ein vermaschtes Energieversorgungsnetz mit derartigen Schutzelementen und ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens bereitzustellen, mittels welcher ein zuverlässiger und effizienter Schutz des Energieversorgungsnetzes gewährleistet wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Schutzelement gemäß Anspruch 1, ein vermaschtes Energieversorgungsnetz gemäß Anspruch 10, ein Verfahren gemäß Anspruch 11 sowie ein Computerprogramm nach Anspruch 14 gelöst. Besondere Ausführungsformen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Schutzelement für ein vermaschtes Energieversorgungsnetz eines Transportmittels, insbesondere eines Flugzeugs, weist eine Steuereinheit und eine Trenneinheit auf. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, einen Auslösezeitwert von einem ermittelten Fehlerimpedanzwert eines in dem Energieversorgungsnetz aufgetretenen Netzfehlers abzuleiten und den Auslösezeitwert bei einer nachfolgenden Änderung des Fehlerimpedanzwerts des Netzfehlers anzupassen. Die Trenneinheit ist dazu ausgebildet, eine Verbindung zwischen dem Schutzelement und dem Netzfehler in Abhängigkeit von dem Auslösezeitwert zu trennen.
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Unter dem Begriff der Fehlerimpedanz/des Fehlerimpedanzwerts ist die am Schutzelement im Fehlerfall auftretende Impedanz zu verstehen.
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Die Steuereinheit kann eine Recheneinheit oder einen Prozessor, wie einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller aufweisen oder daraus gebildet sein. Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Steuereinheit, kann der Steuereinheit ein zuvor ermittelter Fehlerimpedanzwert des in dem Energieversorgungsnetz aufgetretenen Netzfehlers zugeführt werden. Von dem zugeführten Fehlerimpedanzwert kann die Steuereinheit einen anfänglichen Auslösezeitwert ableiten. Wird der Steuereinheit nachfolgend beispielsweise ein geänderter Fehlerimpedanzwert zugeführt, so kann die Steuereinheit von dem geänderten Fehlerimpedanzwert einen geänderten Auslösezeitwert ableiten und den anfänglichen Auslösezeitwert durch den geänderten Auslösezeitwert ersetzen.
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Die Trenneinheit kann zum Trennen der Verbindung ein Schaltelement, wie einen elektrischen, elektromechanischen oder elektronischen Schalter (z. B. einen Halbleiterschalter wie einen Transistor) aufweisen oder daraus gebildet sein. Die Trenneinheit kann beispielsweise durch ein von der Steuereinheit geliefertes Auslöse-, Steuer- oder Betätigungssignal ausgelöst werden. Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Trenneinheit kann die Trenneinheit die Verbindung zwischen dem Schutzelement und dem Netzfehler, z. B. durch Öffnen des Schaltelements, zu einem Zeitpunkt trennen, der auf dem Auslösezeitwert basiert oder diesem entspricht.
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Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, nach Auftreten des Netzfehlers periodisch einen Istzeitwert zu erhöhen. Der Istzeitwert kann die real seit Auftreten des Netzfehlers verstrichene Zeit angeben. Die Steuereinheit kann beispielsweise den Auslösezeitwert, z. B. den abgeleiteten (unangepassten) oder angepassten Auslösezeitwert, periodisch mit dem Istzeitwert vergleichen. Wenn von der Steuereinheit erkannt wird, dass der Auslösezeitwert kleiner ist als der Istzeitwert, kann die Steuereinheit die Trenneinheit zum Trennen der Verbindung anweisen. Beispielsweise kann die Steuereinheit hierzu ein Auslösesignal an die Trenneinheit übermitteln, welche dann, in Reaktion auf das Auslösesignal, die Verbindung, z. B. durch Öffnen des Schaltelements, trennt. Durch Trennen der Verbindung kann der Netzfehler von dem übrigen Energieversorgungsnetz separiert werden. Bei dem Netzfehler kann es sich um einen Erdschluss oder Kurzschluss durch eine Leitung, Verbindung oder Kabel Richtung Masse/Erde handeln.
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Falls die Steuereinheit fesstellt, dass der Auslösezeitwert nicht kleiner ist als der Istzeitwert, wird die Verbindung insbesondere nicht getrennt, d. h., die Trenneinheit erhält in diesem Fall beispielsweise kein Auslösesignal von der Steuereinheit. Wird der Auslösezeitwert periodisch mit dem Istzeitwert verglichen, so ist es denkbar, dass die Steuereinheit den Auslösezeitwert so lange bei einer nachfolgenden Änderung des Fehlerimpedanzwerts des Netzfehlers anpasst und periodisch mit dem Istzeitwert vergleicht, bis festgestellt wird, dass der Auslösezeitwert kleiner ist als der Istzeitwert.
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Der Istzeitwert kann von der Steuereinheit zurückgesetzt werden, wenn kein Netzfehler mehr erkannt wird, d. h. wenn der Netzfehler separiert wurde.
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Gemäß einer spezifischen Ausgestaltung kann das Schutzelement weiter eine Ermittlungseinheit aufweisen. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Ermittlungseinheit beispielsweise dazu ausgebildet, den Fehlerimpedanzwert des Netzfehlers aus einer Spannungs-Strom-Beziehung abzuleiten. Zum Beispiel kann, mit Hilfe einer mit der Ermittlungseinheit verbundenen oder in dieser aufgenommenen Messeinheit, die Spannung und der Strom an dem Schutzelement (z. B. die zwischen dem Schutzelement und Masse abfallende Spannung und der durch das Schutzelement fließende Strom) gemessen werden. Aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom kann von der Ermittlungseinheit durch Division der gemessenen Spannung durch den gemessenen Strom die Fehlerimpedanz/der Fehlerimpedanzwert ermittelt werden. Nach Ermittlung des Fehlerimpedanzwerts kann die Ermittlungseinheit den ermittelten Fehlerimpedanzwert an die Steuereinheit weitergeben, die dann daraus den Auslösezeitwert des Schutzelements ermitteln kann.
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Allgemein gesagt, kann die Ermittlungseinheit dazu ausgebildet sein, den Fehlerimpedanzwert des Netzfehlers aus der an dem Schutzelement anliegenden Spannung (der Spannung zwischen Schutzelement und Masse) und dem durch das Schutzelement fließenden Strom zu ermitteln.
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Mit Hilfe des Schutzelements kann, z. B. unmittelbar nachdem erkannt wurde, dass ein Netzfehler in dem Energieversorgungsnetz aufgetreten ist, ein anfänglicher Auslösezeitwert von dem anfänglich ermittelten Fehlerimpedanzwert abgeleitet werden. Dieser anfängliche Auslösezeitwert kann, solange er sich nicht ändert, kontinuierlich mit dem Istzeitwert verglichen werden. Falls der anfängliche Auslösezeitwert wiederholt nicht kleiner ist als der Istzeitwert, bleibt die Verbindung zwischen dem Schutzelement und dem Netzfehler vorzugsweise erhalten, d. h. sie wird nicht von der Trenneinheit abgetrennt oder von dem übrigen Energieversorgungsnetz separiert. Ändert sich nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne (z. B. von einigen Millisekunden oder Sekunden) der ermittelte Fehlerimpedanzwert des Netzfehlers durch geänderte Netzverhältnisse in dem Energieversorgungsnetz, z. B. dadurch, dass ein anderes in dem Netz vorhandenes Schutzelement seine Verbindung zu dem Netzfehler getrennt hat, so wird aufgrund des geänderten Fehlerimpedanzwerts von der Steuereinheit ein geänderter (selektiver) Auslösezeitwert (die angepasste Sollzeit) abgeleitet, der von dem anfänglichen Auslösezeitwert unterschiedlich sein kann. Der kontinuierliche oder permanente Vergleich mit dem Istzeitwert wird dann nicht mehr mit dem anfänglichen, sondern mit dem geänderten (angepassten) Auslösezeitwert durchgeführt. Es ist sowohl denkbar, dass ein größerer Fehlerimpedanzwert als der ursprüngliche Fehlerimpedanzwert ermittelt wird und dadurch beispielsweise ein größerer Auslösezeitwert als der anfängliche Auslösezeitwert abgeleitet wird. Ebenso ist es umgekehrt denkbar, dass ein geringerer Fehlerimpedanzwert und ein geringerer Auslösezeitwert ermittelt werden. Wird z. B. durch die Änderung des Fehlerimpedanzwerts ein so geringer geänderter Auslösezeitwert abgeleitet, dass der Auslösezeitwert nun geringer ist (kleiner ist) als der Istzeitwert, so wird die Trenneinheit von der Steuereinheit insbesondere augenblicklich dazu angewiesen, z. B. durch Öffnen des Schaltelements, die Verbindung zu dem Netzfehler abzutrennen (den Netzfehler zu separieren).
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Der ermittelte Fehlerimpedanzwert kann abhängig von der Entfernung des Schutzelements von dem Netzfehler, wie z. B. dem Erdschluss oder Kurzschluss, oder der Länge des Pfads zu dem Netzfehler sein. Auch kann der Fehlerimpedanzwert abhängig sein von der Länge und/oder dem Widerstand des Einspeisepfads zu dem Schutzelement. So kann insbesondere der Fehlerimpedanzwert größer sein, je weiter das Schutzelement von dem Netzfehler entfernt ist. Umgekehrt kann der Fehlerimpedanzwert desto kleiner sein, je kürzer die Entfernung des Schutzelements von dem Netzfehler ist. Die mit zunehmender Entfernung größer werdende Impedanz kann dadurch verursacht sein, dass die Leitungsimpedanz bei einer längeren Verbindung größer ist als bei einer kürzeren Verbindung.
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Die Beziehung zwischen dem Fehlerimpedanzwert und dem Auslösezeitwert, basierend auf welcher der Auslösezeitwert von dem Fehlerimpedanzwert ableitbar ist, kann zumindest teilweise linear oder nicht linear sein. Gemäß einer Ausgestaltung können in der Steuereinheit oder in einer mit der Steuereinheit verbundenen oder darin enthaltenen Speichereinheit des Schutzelements, eine Vielzahl, z. B. zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs, lineare und/oder nicht lineare Beziehungen zwischen dem Fehlerimpedanzwert und dem Auslösezeitwert hinterlegt oder gespeichert sein. Die Beziehung oder die Vielzahl von Beziehungen können in Form von mathematischen Funktionen, Tabellen, Funktionskurven oder dergleichen hinterlegt sein. Im Falle einer Vielzahl von hinterlegten Beziehungen kann in Abhängigkeit des Netzzustands oder des Typs des Energieversorgungsnetzes von dem Schutzelement eine Beziehung bestimmt oder von außen wählbar sein. Hierzu kann z. B. auch ein Proportionalitätsfaktor zur Anpassung der Beziehung zwischen dem Fehlerimpedanzwert und dem Auslösezeitwert einstellbar sein.
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Durch Anpassung der Beziehung kann das Schutzelement auf unterschiedliche Netzabschnitte angepasst werden und so auch für Netzabschnitte eingesetzt werden, die sehr kleine Unterschiede in den Leitungs- oder Zuleitungsimpedanzen aufweisen. Solche kleinen Unterschiede können z. B. bei Hauptsammelschienen sinnvoll sein, bei denen die Leitungslängen sehr kurz und damit auch die Unterschiede in der jeweiligen Impedanz sehr klein sein können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein vermaschtes Energieversorgungsnetz eines Transportmittels, insbesondere eines Flugzeugs, bereitgestellt. Das vermaschte Energieversorgungsnetz umfasst ein oder mehrere (z. B. eine Vielzahl von) Energieerzeugungseinrichtungen, ein oder mehrere (z. B. eine Vielzahl von) Energieverbrauchern, die jeweils mit zumindest einer der ein oder mehreren Energieerzeugungseinrichtungen (z. B. über ein oder mehrere Leitungen) verbunden sind, und eine Vielzahl von zwischen den ein oder mehreren Energieerzeugungseinrichtungen und den ein oder mehreren Energieverbrauchern angeordneten Schutzelementen, wie sie hierin beschrieben werden/wurden. Die Schutzelemente können alle gleichartig aufgebaut sein.
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Für das Energieversorgungsnetz ist jede vermaschte Netzstruktur denkbar, wie auch eine Ringnetzstruktur (z. B. ein geschlossener Ring) als einfachste Form der Vermaschung mit z. B. zwei Einspeisungen.
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Je nachdem, wie weit die Schutzelement jeweils von einem aufgetretenen Netzfehler entfernt oder wie hoch die Impedanzen auf ihrem Pfad zu den Netzfehlern sind, können von jedem Schutzelement unabhängig unterschiedliche Fehlerimpedanzwerte ermittelt oder gemessen und damit auch unterschiedliche anfängliche Auslösezeitwerte abgeleitet werden. Das Schutzelement, dessen anfängliche Auslösezeit als erstes beispielsweise den Istzeitwert unterschreitet, d. h. das Schutzelement mit dem geringsten anfänglichen Auslösezeitwert, wird als erstes seine Verbindung von dem Netzfehler abtrennen. Bedingt durch das Abtrennen können sich die beispielsweise periodisch ermittelten Fehlerimpedanzwerte in einem, mehreren oder allen der Schutzelemente (der übrigen Schutzelemente bis auf das bereits abgeschaltete) ändern, so dass sich dementsprechend auch einer, mehrere oder alle der Auslösezeitwerte ändern können. Wiederum kann beispielsweise das Schutzelement mit dem nun geringsten geänderten Auslösezeitwert (angepassten Auslösezeitwert) z. B. dann auslösen, sobald der geänderte Auslösezeitwert den Istzeitwert unterschreitet. Daraufhin können sich wieder einer, mehrere oder alle der übrigen Fehlerimpedanzwerte der übrigen Schutzelemente und damit auch der/die Auslösezeitwerte ändern.
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Auf diese Weise kann adaptiv auf Veränderungen in dem Energieversorgungsnetz, z. B. auf durch Auslösen von Schutzelementen hervorgerufene Veränderungen, reagiert werden, so dass stets das Schutzelement mit der aktuell geringsten Auslösezeit tatsächlich auslöst.
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Bei dem Energieversorgungsnetz kann es sich beispielsweise um ein vermaschtes Netz handeln, in dem hochohmige Fehler auftreten können, wie z. B. um ein vermaschtes Netz in einem Flugzeug mit Kohlefaserverstärktem-Kunststoff-Rumpf (Carbon Fibre Kunststoff (CFK)). Mit Hilfe der Vermaschung des Energieversorgungsnetzes sind ferner Gewichtseinsparungen möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz eines vermaschten Energieversorgungsnetzes eines Transportmittels, insbesondere eines Flugzeugs, weist die folgenden Schritte auf: Ableiten eines Auslösezeitwerts von einem ermittelten Fehlerimpedanzwert eines in dem Energieversorgungsnetz aufgetretenen Netzfehlers; Anpassen des Auslösezeitwerts bei einer nachfolgenden Änderung des Fehlerimpedanzwerts des Netzfehlers; und Trennen einer Verbindung zwischen dem Schutzelement und dem Netzfehler in Abhängigkeit von dem Auslösezeitwert.
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Das Verfahren kann weiter die folgenden Schritte aufweisen: Periodischen Erhöhen eines Istzeitwerts nach Auftreten des Netzfehlers; periodisches Vergleichen des Auslösezeitwerts mit dem Istwert; und Trennen der Verbindung, wenn der Auslösezeitwert kleiner ist als der Istzeitwert. Der Auslösezeitwert kann aus einer linearen oder nicht linearen Beziehung zwischen dem Fehlerimpedanzwert und dem Auslösezeitwert von dem Fehlerimpedanzwert abgeleitet werden.
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Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, das, wenn es in einen Computer oder einen Prozessor (beispielsweise einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller) geladen ist, oder auf einem Computer oder Prozessor (z. B. einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller) läuft, den Computer oder Prozessor (z. B. den Mikroprozessor oder Mikrocontroller) dazu veranlasst, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen. Zudem betrifft die Erfindung ein Programmspeichermedium oder Computerprogrammprodukt mit dem genannten Computerprogramm.
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Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf das Schutzelement oder das Energieversorgungsnetz beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch als Verfahren oder als ein das Verfahren ausführendes Computerprogramm implementiert sein. Genauso können in Bezug auf das Verfahren beschriebene Aspekte durch geeignete Einheiten in dem Schutzelement realisiert sein oder durch das Computerprogramm ausgeführt werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. Es stellen dar:
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1a eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines herkömmlichen Impedanzschutzglieds;
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1b eine schematische Darstellung der Reaktionszeit des Impedanzschutzglieds aus 1a in Abhängigkeit von der Impedanz;
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2a eine vereinfachte Darstellung eines Energieversorgungsnetzes mit doppelt gespeistem hochohmigem Fehler;
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2b eine vereinfachte Darstellung eines Energieversorgungsnetzes mit doppelt gespeistem niederohmigem Fehler;
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3 eine schematische Darstellung eines Schutzelements gemäß einer ersten Ausführungsform;
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4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schutz von Energieversorgungsnetzen einer ersten Ausführungsform;
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5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schutz von Energieversorgungsnetzen gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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6 eine schematische Darstellung eines vermaschten Energieversorgungsnetzes mit mehreren Schutzelementen;
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7 eine schematische Darstellung der Abhängigkeiten von Auslösezeiten und Impedanz;
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8 einen Ausschnitt des Energieversorgungsnetzes aus 6;
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9 einen schematischen Verlauf von Schutzelementimpedanzen; und
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10 eine schematische Darstellung eines vermaschten Energieversorgungsnetzes an Bord eines Flugzeugs.
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1a und 1b zeigen die prinzipielle Funktionsweise eines herkömmlichen Impedanzschutzglieds. In 1a ist schematisch eine Brennstoffzelle 2 als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gezeigt. Auch wenn in 1a beispielhaft eine Brennstoffzelle 2 gezeigt ist, so kann anstelle der Brennstoffzelle 2 jede Art von Generator oder jede Art von Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Das Impedanzschutzglied ist in 1a vereinfacht als Schalter S10 dargestellt und misst sowohl eine Spannung (dargestellt durch V, als Abkürzung für das englische Wort für Spannung „Voltage”) als auch einen Strom (dargestellt durch I). Aus dem Quotienten aus Spannung und Strom ermittelt das Schutzglied die zugehörige Impedanz Z. Diese ist dabei abhängig von der Leitungsimpedanz und der Länge der Leitung. Je größer die Impedanz ist, desto größer ist auch die Auslösezeit. Dies wird in 1b veranschaulicht, welche die Abhängigkeit einer Auslösezeit t von der Impedanz Z zeigt. Wie aus 1b zu erkennen, ist die Auslösezeit t direkt proportional zur Impedanz Z, d. h. je größer die Impedanz ist, desto größer ist auch die Auslösezeit, und umgekehrt, je kleiner die Impedanz ist, desto kleiner ist auch die Auslösezeit. Dies hat zur Folge, dass fehlernahe Impedanzschutzglieder aufgrund der kleinen Impedanz schneller auslösen als fehlerferne Impedanzschutzglieder. Dementsprechend wird ein Fehler dadurch separiert, dass zunächst das fehlernahe Schutzglied öffnet und bei Versagen des fehlernahen Schutzglieds mit zunehmender Entfernung die weiteren Schutzglieder auslösen (wenn auf Grund des Versagens des fehlernahen Schutzglieds der Fehler noch vorhanden ist), wie z. B. ihren Schalter öffnen.
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2a zeigt schematisch ein vereinfachtes Energieversorgungsnetz, an welchem es zu einem durch den Blitz angedeuteten Kurzschluss kommt. In diesem Fall handelt es sich um einen hochohmigen Fehler (1 Ohm). Wie in 2a zu erkennen, wird der Netzfehler von der rechten Seite wesentlich hochohmiger gespeist (auf Grund der Netzimpedanz von 9,9 Ohm) als von der linken Seite (Netzimpedanz 1,9 Ohm). Dementsprechend erkennt das linke Schutzglied S10 eine Fehlerimpedanz von 1,32 Ohm (die Fehlerimpedanz ergibt sich aus der zwischen dem Schutzelement S10 und Masse abfallenden Spannung und dem das Schutzelement S10 durchfließenden Strom) und stellt eine zugehörige Auslösezeit nach 1b ein. Das rechte Schutzglied S20 hingegen erkennt eine Fehlerimpedanz von 5,6 Ohm und stellt, gemäß 1b, eine entsprechend höhere Auslösezeit ein. Demgemäß löst zunächst das linke Schutzglied S10 aus, öffnet seinen Schalter und trennt dadurch seine Verbindung zu dem Kurzschluss ab. Nach einiger Zeit trennt schließlich zu der entsprechend späteren, festgelegten Auslösezeit das Schutzglied S20 seine Verbindung zu dem Kurzschluss. Da das Schutzglied S20 einen um ca. viermal größeren Fehlerimpedanzwert erkannt hat, ist seine Auslösezeit auch ungefähr viermal größer als die Auslösezeit des Schutzglieds S10. Weitere, nicht dargestellte, Impedanzschutzglieder, deren Auslösezeiten zwischen der des Schutzglieds S10 und des Schutzglieds S20 liegen, würden in der Zwischenzeit vor dem Schutzglied S20 auslösen.
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Eine ähnliche Situation wie in 2a zeigt 2b, allerdings mit einem niederohmigen Fehler (0,01 Ohm). Bei dem niederohmigen Fehler ist auch die Impedanz und damit auch die Auslösezeit des Schutzglieds S10 kleiner als die Impedanz und die Auslösezeit des Schutzglieds S20, jedoch in geringerem Maße als in 2a. Dementsprechend wird das Schutzglied S20 kurz nach dem Schutzglied S10 auslösen.
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Herkömmliche Impedanzschutzglieder messen nach Fehlereintritt die Fehlerimpedanz und legen abhängig von der gemessenen Fehlerimpedanz eine Auslösezeit fest, die während der gesamten Separierung des Netzfehlers unverändert bleibt. Das bedeutet, jedes Schutzglied separiert den Netzfehler nach der festgelegten Auslösezeit, unabhängig davon, ob es durch das Auslösen der anderen Schutzglieder zu Netzveränderungen kommt.
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3 zeigt schematisch ein Schutzelement S1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Schutzelement S1 weist eine Steuereinheit 14 und eine Trenneinheit 16 auf. Ferner kann, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, das Schutzelement S1 zusätzlich eine Ermittlungseinheit 12 aufweisen. Die Ermittlungseinheit 12 kann jedoch auch außerhalb des Schutzelements S1 vorgesehen sein und das Schutzelement S1 mit den ermittelten Informationen versorgen. Die Funktionsweise des Schutzelements S1 soll weiter anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben werden.
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Die 4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform illustriert. Dabei ist der Schritt 402 als optional anzusehen und kann, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, auch entfallen. In dem Schritt 402 kann mit Hilfe der Ermittlungseinheit 12 ein durch einen erkannten Netzfehler, wie einen Kurzschluss oder Erdschluss, aufgetretener Fehlerimpedanzwert ermittelt werden. Hierzu kann, wie hinsichtlich der 1a und 1b erläutert, die Ermittlungseinheit 12 oder eine in der Ermittlungseinheit 12 vorhandene oder mit der Ermittlungseinheit 12 verbundene Messeinheit eine Spannung und einen Strom des Netzfehlers messen. Die Ermittlungseinheit 12 kann dann aus dem Quotienten aus Spannung und Strom die Fehlerimpedanz ermitteln. Die gemessene bzw. ermittelte Fehlerimpedanz kann von der Ermittlungseinheit 12 an die Steuereinheit 14 weitergereicht werden.
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In dem Schritt 404 leitet die Steuereinheit 14 aus der ermittelten Fehlerimpedanz die zugehörige Auslösezeit (den zugehörigen Auslösezeitwert) für das Schutzelement S1 ab. Dies kann beispielsweise anhand einer der in 7 gezeigten Kurven geschehen, was nachstehend noch erläutert wird. Der Auslösezeitwert gibt an, zu welcher Zeit das Schutzelement S1 auslösen soll, d. h. den Fehler abtrennen soll. Hierfür vergleicht die Steuereinheit 14 periodisch, z. B. alle 0,1 Millisekunden, den Auslösezeitwert mit einem Istzeitwert (Schritt 406). Der Istzeitwert wird unmittelbar nach Fehlererkennung von der Steuereinheit 14 periodisch, z. B. auch in Schritten von 0,1 Millisekunden, hochgezählt. Mit der gleichen Periode, z. B. von 0,1 Millisekunden, wird der Istzeitwert in Schritt 406 mit dem Auslösezeitwert verglichen. Wird in dem Schritt 406 festgestellt, dass der Istzeitwert größer ist als der Auslösezeitwert, so löst das Schaltelement S1 aus. Hierzu gibt die Steuereinheit 14 ein Auslösesignal an die Trenneinheit 16 weiter, die in Reaktion auf das Auslösesignal die Verbindung zu dem Netzfehler trennt (Schritt 408). Die Trenneinheit 16 kann als einfacher elektromechanischer oder elektronischer Schalter ausgebildet sein. Wird jedoch in dem Schritt 406 festgestellt, dass der Istzeitwert nicht größer ist als der Auslösezeitwert, so wird das Verfahren erneut ausgeführt. Die Periode der erneuten Verfahrensausführung kann auf die Periode des Hochzählens des Istzeitwerts sowie des Vergleichs von Istzeitwert und Auslösezeitwert abgestimmt sein.
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Ist in dem Verfahren aus 4 der Schritt 402 vorhanden, so beginnt das Verfahren erneut mit dem Ermitteln eines Fehlerimpedanzwerts (andernfalls mit dem Schritt 404). Hat z. B. ein in dem Energieversorgungsnetz vorhandenes anderes Schutzelement festgestellt, dass seine anfänglich festgelegte Auslösezeit kleiner ist als der Istzeitwert (der in jedem Schutzelement in dem Netz vorzugsweise gleich groß ist), hat das andere Schutzelement seine Verbindung zu dem Netzfehler abgetrennt. Diese Abtrennung des anderen Schutzelements kann dazu führen, dass das Schutzelement S1 nach der Abschaltung des anderen Schutzelements einen veränderten Fehlerimpedanzwert in dem Schritt 402 ermittelt, als vor der Abschaltung des anderen Schutzelements. Der veränderte Fehlerimpedanzwert, der in dem Schritt 402 nun ermittelt wird, führt dazu, dass in dem Schritt 404 ein veränderter Auslösezeitwert von dem Fehlerimpedanzwert abgeleitet wird. Dementsprechend kann der veränderte Auslösezeitwert in Schritt 406 kleiner sein als der nun geltende Istzeitwert, obwohl der anfängliche Auslösezeitwert noch größer gewesen wäre. Ist der geänderte Auslösezeitwert tatsächlich kleiner als der Istzeitwert in Schritt 406, so wird der Netzfehler in Schritt 408 abgetrennt, Andernfalls wird das Verfahren erneut ausgeführt und der Istzeitwert erhöht, solange der Fehler vorhanden ist.
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5 zeigt ein Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform (zur Fehlerseparierung eines Netzfehlers). In Schritt 502 wird zunächst die Fehlerimpedanz, wie zuvor beschrieben, ermittelt. In Schritt 504 wird z. B. durch Vergleich der Fehlerimpedanzwert mit einem vorgegebenen Schwellenwert überprüft, ob ein Fehler vorliegt. Wenn ein Fehler erkannt wird, wird in Schritt 506 ein Zeitgeber angewiesen, einen Istzeitwert zu starten, der in Schritt 508 in periodischen Abständen erhöht wird. Gleichzeitig zu dem Starten des Zeitgebers wird in Schritt 510 aus der ermittelten Fehlerimpedanz die Auslösezeit des Schutzelements S1 bestimmt. In Schritt 512 wird der Istzeitwert mit dem Auslösezeitwert verglichen. Wird in Schritt 512 festgestellt, dass der Istzeitwert nicht größer ist als der Auslösezeitwert, startet das Verfahren in Schritt 502 erneut. Ist hingegen der Istzeitwert größer als der Auslösezeitwert, wird in Schritt 514 abgefragt, ob der Fehler noch vorhanden ist. Falls in Schritt 514 bestimmt wird, dass der Fehler noch vorhanden ist, wird in Schritt 516 das Schutzelement S1 ausgelöst. Falls hingegen in Schritt 514 bestimmt wurde, dass der Fehler nicht mehr vorhanden ist, wird der Zeitgeber in Schritt 518 zurückgesetzt.
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6 zeigt schematisch ein vermaschtes Energieversorgungsnetz. In dem Energieversorgungsnetz sind beispielhaft zwei Generatoren 10, 20 angeordnet. Die gezeigte Anzahl an Generatoren 10, 20 ist nur als beispielhaft zu verstehen und es kann jede Mehrzahl von Generatoren in dem Energieversorgungsnetz angeordnet sein. Ebenso sind in 6 die Generatoren 10, 20 beispielhaft als Brennstoffzellen (Fuel Cell (FC)) ausgebildet, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern können als jeder Art von Energieerzeugungseinrichtungen ausgebildet sein. In dem Energieversorgungsnetz sind zwei Sammelschienensysteme 1000, 2000 vorhanden, nämlich ein Primäres Elektrisches Energie-Verteilungs-Zentrum (Primary Electrical Power Distribution Center (PEPDC)) 2000 und ein Brennstoffzellen-Verteilungs-Zentrum (Fuel Cell Distribution Center (FCDC)) 1000. In dem FCDC 1000 sind beispielhaft fünf Schutzelemente S1, S2, S3, S4, S5 angeordnet. Diese Anzahl ist auch nur als beispielhaft zu verstehen und es kann jede Mehrzahl von Schutzelementen in dem FCDC 1000 angeordnet sein. In dem PEPDC 2000 sind ebenso beispielhaft fünf Schutzelemente S6, S7, S8, S9, S10 angeordnet, es kann jedoch jede Mehrzahl von Schutzelementen in dem PEPDC 2000 angeordnet sein. Vorzugsweise sind alle Schutzelemente gleichartig wie das in 3 gezeigte Schutzelemente S1 ausgebildet. Das FCDC 1000 und das PEPDC 2000 sind über zwei Leitungen C1, C2 miteinander verbunden. In diesen Leitungen C1, C2 kann es zu Netzfehlern, wie zu Erdschlüssen oder Kurzschlüssen, kommen. Ferner sind zwei Lasten 100, 200 als elektrische Verbraucher mit dem PEPDC 2000 verbunden, es kann jedoch eine beliebige Anzahl an Lasten in dem Energieversorgungsnetz angeordnet sein. In Bezug auf 8 und 9 wird die Funktionsweise des Energieversorgungsnetzes erläutert werden.
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In 7 sind vier verschiedene Kurven dargestellt, die das Verhältnis zwischen gemessener/ermittelter Impedanz/Fehlerimpedanz und eingestellter Auslösezeit darstellen. Diese Kurven können von der Steuereinheit 12 des Schutzelements flexibel ausgewählt werden oder es kann eine der Kurven voreingestellt werden. Dabei kann z. B. die Netztopologie bei der Auswahl oder der Voreinstellung berücksichtigt werden. Wie in 4 zu erkennen, gibt eine Kurve einen linearen Zusammenhang zwischen der Impedanz und dem Auslösezeitwert an, während die drei anderen Kurven einen nicht linearen Zusammenhang, wie einen logarithmischen Zusammenhang, angeben. Bei allen Kurven ist vorgegeben, dass eine Impedanz von einem Ohm zu einer Auslösezeit von einer Sekunde führt, d. h. alle Kurven schneiden sich in diesem einen Punkt (x = 1 Ω; y = 1 s). Mit Hilfe eines einstellbaren Vorfaktors oder Proportionalitätsfaktors können die Kurven angepasst werden. Dieser Proportionalitätsfaktor kann die in 7 dargestellten Beziehungen zwischen Auslösezeit und Impedanz festlegen.
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Durch die Auswahl aus den verschiedenen Kurven kann gewährleistet werden, dass auch Netzabschnitte mit einem Impedanzschutz ausgestattet werden können, die sehr kleine Unterschiede in den Zuleitungsimpedanzen aufweisen. Dies kann beispielsweise bei der Absicherung der Hauptsammelschienen sinnvoll sein. Hier sind die Leitungslängen sehr kurz und damit auch die Unterschiede in der Impedanz sehr klein.
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8 zeigt einen Ausschnitt aus 6, in dem ein Netzfehler in der Leitung C1 aufgetreten ist. Wie durch die Dicke der Pfeile in 8 angedeutet, fließt durch den Pfad von dem Generator 10, über das Schutzelement S1 und das Schutzelement S2 der größte Strom, da dieser Pfad aufgrund seiner kürzesten Länge die kleinste Leitungsimpedanz, d. h. den geringsten Widerstand, aufweist. Der kleinste Strom fließt von dem Generator 20 über die Schutzelemente S4, S5, S9, S8 und S6. Dieser Pfad ist der längste zu dem Netzfehler und weist somit die höchste Leitungsimpedanz auf. Ein anderer Teil des Stroms aus dem Generator 20 fließt über das Schutzelement S4 zu dem Schutzelement S3 und schließlich über das Schutzelement S2 zu dem Netzfehler. Die Reaktion der Schutzelemente auf den Netzfehler wird nun in Bezug auf 8 und 9 beschrieben.
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Beispielhaft angenommen kommt es auf der Kabelstrecke C1 zwischen den beiden Sammelschienen 1000, 2000 bei t gleich fünf Sekunden zu einer hochohmigen Erdberührung (0,1 Ohm). Die Erdimpedanz ist dabei größer als die entsprechenden Leitungsimpedanzen. Ebenso beispielhaft wird ein Proportionalitätsfaktor von 1 angenommen, d. h. aus 7 wählt die Steuereinheit 14 des Schutzelements S1 die lineare Beziehung zwischen Impedanz und Auslösezeitwert aus. In sind die Impedanzverläufe aller betroffenen Schutzelemente, d. h. der Schutzelemente S1, S2, S3, S4 und S6 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass zunächst bei t gleich fünf Sekunden das Schutzelement S2 die kleinste Impedanz (0,12 Ohm) misst. Somit wird für das Schutzelement S2 die kleinste Auslösezeit von 0,12 s (aufgrund der linearen Beziehung zwischen Impedanz und Auslösezeit) festgelegt, so dass dieses am schnellsten auslöst, nämlich nach 5,12 Sekunden. Das Schutzelement S6 misst zunächst die größte Impedanz und würde bei einem konventionellen Distanzschutz aufgrund der größten Auslösewartezeit am spätesten auslösen. Jedoch passiert in dem Versorgungsnetz folgendes, wenn Schutzelemente nach 3 verwendet werden, die nach einem der Verfahren aus 4 und 5 arbeiten.
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Zunächst misst das Schutzelement S2 aufgrund seiner geringsten Entfernung die kleinste Impedanz (wie zuvor ausgeführt, ist die Leitungsimpedanz von dem Generator 10 über das Schutzelement S1 und das Schutzelement S2 am geringsten). Das Schutzelement S2 misst eine Impedanz von 0,12 Ohm, was nach der Kurve aus 7 bei einem Proportionalitätsfaktor von 1 einem Auslösezeitwert von 0,12 Sekunden entspricht. Hingegen misst das Schutzelement S6 aufgrund der hohen Leitungsimpedanz einen Impedanzwert von mehr als 0,6 Ohm und würde dementsprechend erst nach mehr als 0,6 Sekunden auslösen. Die anderen Schutzelemente S1, S3, S4 messen dazwischenliegende Impedanzwerte (Impedanzwerte zwischen 0,2 und 0,4 Ohm) und würden dementsprechend früher auslösen als das Schutzelement S6 aber später als das Schutzelement S2. Löst nun das Schutzelement S2 aus, was auch durch den Statuswert 1 in dem Zustandsspeicher S60 verdeutlicht wird (der Zustand 0 entspricht dem geschlossenen Zustand des Schutzelements und der Zustand 1 dem offenen Zustand des Schutzelements), kann aufgrund des ausgelösten (geöffneten) Schutzelements S2 kein Strom mehr durch dieses zu dem Netzfehler fließen. Dadurch springen die Impedanzwerte der Schutzelemente S1, S3 und S4 in die Höhe, während der Impedanzwert des Schutzelements S6 auf 0,12 Ohm fällt (der Pfad von dem Generator 20 über die Schutzelemente S4, S5, S9, S8, S6 zu dem Kabel C1 kann nun mit geringster Leitungsimpedanz durchflossen werden). Dadurch verkürzt sich die Auslösezeit auf 0,12 Sekunden und wird plötzlich kleiner als der Istzeitwert. Damit öffnet sich auch das Schutzelement S6 zumindest nahezu gleichzeitig mit dem Schutzelement S2 (Zustand 1 = offen) und der Netzfehler wird rasch separiert.
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Mit diesem Verfahren können Fehler rasch behoben werden. Beim konventionellen Verfahren hätten die Schutzelemente S1 oder S4 die nächsthöhere Auslösezeit. Da der Fehler nach dem Schalten von S2 immer noch anliegt, würde S4 ebenfalls schalten. Auch nach dem Schalten von Schutzelement S4 kann der Fehler über die Schutzelemente S1 und S3 weiterhin gespeist werden, so dass gestaffelt auch diese beiden Schutzelemente auslösen würden. Damit wäre das gesamte Netz abgeschaltet und es hätte keine Fehlerseparierung stattgefunden.
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Mit dem Verfahren nach 4 und 5 und dem zugehörigen Schutzelement nach 3 kann der Netzfehler aus 8 rasch separiert werden.
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10 zeigt abschließend schematisch ein vermaschtes Bordnetz mit mehreren Einspeisern 10, 20 an Bord eines Flugzeugs. Auch hier sind beispielhaft mehrere Lasten (z. B. Lasten 100, 200) als Verbraucher angeordnet. In dem vermaschten Bordnetz können, wie in 6 und 8 beispielhaft gezeigt, Schutzelemente S1 aus 3 angeordnet sein.
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Bei dem Rumpf des in 10 gezeigten Flugzeugs kann es sich um einen Kohlefaserverstärkten-Kunststoff-Rumpf (CFK-Rumpf) handeln, bei dem die Masse durch ein Netzwerk mit elektrischer Struktur (z. B. ein Electrical-Struktur-Network (ESN)) realisiert wird. Diese Struktur kann oftmals keine niederohmige Masse zur Verfügung stellen, d. h. die Erdimpedanz ist für gewöhnlich groß. Aufgrund von Gewichtsoptimierungen wird in diese Rümpfe (im Gegensatz zu Aluminium-Rümpfen) nur wenig elektrisch leitfähiges Material in die Struktur eingearbeitet.
