DE10331822A1

DE10331822A1 - Schiffs-Leistungsschalter sowie einen solchen enthaltende Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage

Info

Publication number: DE10331822A1
Application number: DE10331822A
Authority: DE
Inventors: Gerd Ahlf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-10
Also published as: DE502004011213D1; KR20060033793A; PT1644948E; ATE469428T1; EP1644948B1; ES2344563T3; EP1644948A1; KR101059353B1; WO2005006366A1

Abstract

Ein Schiffs-Leistungsschalter (7, 17), insbesondere für Unterwasserschiffe, weist erfindungsgemäß zumindest eine Lichtbogenkammer (8, 18) auf, die zumindest teilweise mit einem unter Lichtbogeneinwirkung gasabgebenden Auskleidematerial (10) ausgekleidet ist. Durch die Gasabgabe des Auskleidematerials (10) wird die Lichtbogenlöschung begünstigt und gleichzeitig die Lichtbogenkammer vor Lichtbogeneinwirkung geschützt. Es kann somit bei hohem Schaltvermögen des Schiffs-Leistungsschalters die Baugröße der Lichtbogenkammer und somit der für den Einbau des Schiffs-Leistungsschalters in ein Schiff benötigte Raum klein gehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schiffs-Leistungsschalter sowie eine einen solchen enthaltende Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 16; eine derartige Anlage ist z.B. durch die WO 02/15361 A1 bekannt.

Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlagen sind, insbesondere in Unterwasserschiffen, meist als Niederspannungsnetze mit hohen Betriebsspannungen bzw. Potentialen bis DC 1200 V ausgebildet. In größeren Schiffen, z.B. Kreuzfahrtschiffen, kommen darüber hinaus auch als Wechselstromnetze ausgebildete Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlagen zum Einsatz.

Diese Anlagen weisen zumindest einen, teilweise auch mehrere Energieerzeuger, wie z.B. Generatoren, Batterien, gegebenenfalls Brennstoffzellen, auf, die verschiedene Verbraucher, wie z.B. Fahrmotoren, oder ein Bordnetz zur Speisung von Hilfsantrieben mit Energie versorgen. Diese Komponenten sind miteinander elektrisch verbunden, wobei zwischen zumindest einem Teil der Komponenten Leistungsschalter als Schutz- und Schaltorgane geschaltet sind. Diese sollen zum einen ein betriebliches Zu- oder Abschalten (z.B. zur Einstellung verschiedener Fahrschaltungen) von einzelnen Energieverbrauchern, einzelnen Energieerzeugern oder bestimmten Teilen der Energieversorgungs- und -verteilungsanlage ermöglichen. Zum anderen sollen sie im Fehlerfall, insbesondere im Fall eines Kurzschlusses, ein schnelles Abschalten der einzelnen Energieverbraucher, Energieerzeuger bis hin zu ganzen Teilen der Energieversorgungs- und -verteilungsanlage ermöglichen.

An die Leistungsschalter in diesen Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlagen werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Kurzschlussabschaltungsvermögen, Baugröße und Gewicht gestellt. Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlagen sind insbesondere in Unterwasserschiffen zur Verbesserung des Betriebsverhaltens, zur Erhöhung der Spannungsstabilität und zur Verringerung von Netzrückwirkungen sehr niederimpedant ausgelegt. Entsprechend sind in solchen Anlagen sehr hohe, energiereiche und verhältnismäßig lang anhaltende Teil- und Summenkurzschlussströmen bis über 300 kA möglich, wobei wesentliche Quellen für diese Kurzschlussströme die Batterien und Ladegeneratoren sind. Aufgrund des in Schiffen nur begrenzt zur Verfügung stehenden Einbauraumes müssen Schiffs-Leistungsschalter zudem eine möglichst kleine Baugröße aufweisen. Weiterhin besteht die Anforderung an ein ein möglichst geringes Gewicht.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Schiffs-Leistungsschalter zu schaffen, der bei geringer Baugröße und Gewicht ein zuverlässiges Schalten der in einer eingangs beschriebenen Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage auftretenden Betriebs- und Fehlerströme, insbesondere der Kurzschlusströme, ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch einen Schiffs-Leistungsschalter gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Schiffs-Leistungsschalters sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 15. Eine einen solchen Schiffs-Leistungsschalter enthaltende Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage ist Gegenstand des Patentanspruchs 16. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage ist Gegenstand des Patentanspruchs 17.

Erfindungsgemäß weist der Schiffs-Leistungsschalter zumindest eine Lichtbogenkammer auf, die zumindest teilweise mit einem unter Lichtbogeneinwirkung gasabgebenden Material ausgeklei det ist. Ein bei einem stromdurchflossenen Schiffs-Leistungsschalter bei einem Öffnen seiner Schaltkontakte entstehender Lichtbogen führt in dieser Lichtbogenkammer somit zu einer Gasabgabe des Auskleidematerials. Da das abgegebene Gas eine wesentlich geringere Temperatur als der Lichtbogen aufweist, wird der Lichtbogen durch das Gas abgekühlt und die Löschung des Lichtbogens begünstigt. Zugleich schützt sich das Auskleidematerial durch die Gasabgabe vor der Zerstörung durch heiße Lichtbogengase. Es ist somit möglich, ein hohes Schaltvermögen bei gleichzeitig geringer Baugröße und geringem Gewicht der Lichtbogenkammer und somit auch geringem Gewicht des gesamten Leistungsschalters zu erzielen. Im Vergleich zu Lichtbogenkammern ohne gasabgebendes Auskleidematerial ist es möglich, die Baugröße der Lichtbogenkammer und damit des Leistungsschalters bei ansonsten gleichem Schaltvermögen zu verkleinern bzw. bei gleichbleibender Baugröße der Lichtbogenkammer das Schaltvermögen des Leistungsschalters zu erhöhen.

Das gasabgebende Auskleidematerial für die Lichtbogenkammer besteht bevorzugt aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Duroplast wie z.B. Polyesterharz. Diese Materialien sind aufgrund ihrer Halogenfreiheit und Raucharmut besonders für den Einsatz in Schiffen geeignet. Das durch sie unter Lichtbogen-Einwirkung abgebbare Wasserstoffgas führt zu einer besonders guten Lichtbogenkühlung.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das gasabgebende Auskleidematerial in der Lichtbogenkammer ortsabhängig unterschiedlich gasabgebend ausgebildet. Durch die Gasabgabe ist das Laufverhalten des Lichtbogens beeinflussbar. Durch eine ortsabhängig unterschiedliche starke Gasabgabe kann eine Optimum zwischen zu wenig und zu viel Gasabgabe und somit ein besonders ruhiges Laufverhalten des Lichtbogens erzielt werden, das eine zuverlässige Löschung des Lichtbogens ermöglicht.

Eine gute mechanische Festigkeit des Auskleidematerials gegen Gasdruck und Schockbeanspruchung kann dadurch ermöglicht werden, dass das Auskleidematerial faserhaltig ist, wobei das Fasermaterial insbesondere Gewebeform oder Mattenform aufweist.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Außenansicht eines Leistungsschalters mit zwei dreiteilig ausgeführten Lichtbogenkammern,
2 eine vereinfachte Seitenansicht einer dreiteiligen Lichtbogenkammer von 1,
3 die Lichtbogenkammer von 2 im Schnittverlauf III-III,
4 eine räumliche Darstellung der Lichtbogenkammer von 3 mit Darstellung der Querschnittsflächen der Kammerteile,
5 eine perspektivische Außenansicht eines zweipoligen Leistungsschalters mit zwei einteilig ausgeführten Lichtbogenkammern,
6 eine Darstellung eines Einbaus eines Leistungsschalters in eine Schalttafel eines Unterwasserschiffes, und
7 eine Prinzipdarstellung einer Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungs-anlage eines Unterwasserschiffes mit Darstellung eines Doppelerdschlusses.
1 zeigt einen zweipoligen Schiffs-Leistungsschalter 7 in perspektivischer Ansicht. An seiner Vorderseite 19 wird der Leistungsschalter 7 durch eine metallene Frontplatte 16 abgeschlossen. Der eigentliche Schalter mit der Schaltermechanik ist in der Schalterteinheit 15 untergebracht. Jeder Pol 29 des Leistungsschalters 7 weist jeweils ein Anschlusstück 25 und 26 und eine Lichtbogenkammer 8 auf. Die Lichtbogenkammern 8 weisen zur Gewichtseinsparung einen selbsttragenden Aufbau auf und sind an der Rückseite 20 des Leistungsschalters 7 angeordnet. Die Anschlusstücke 25, 26 für Stromschienen sind hierbei an der Oberseite 22 und der Unterseite 21 des Leistungsschalters 7 herausgeführt. Durch die Anordnung der Lichtbogenkammer 8 an der Rückseite 20 des Leistungsschalters 7 wird der Lichtbogen weg von der Frontplatte 16 des Schiffs-Leistungsschalters 7 und somit auch weg von möglicherweise an der Frontplatte 16 tätigem Bedienpersonal geleitet.
Wie aus der Seitenansicht der Lichtbogenkammer 8 gemäß 2 und des in 3 dargestellten Schnittverlaufes entlang der Schnittlinie III-III der 2 ersichtlich ist, weist die Lichtbogenkammer 8 zumindest teilweise einen rechteckförmigen Querschnitt auf und in ihrem vom Schalter 7 bzw. Schalterteil 15 abgewandten Teil sind Löschbleche 15 angeordnet. Dies ermöglicht einen einfachen und stabilen mechanischen Aufbau der Lichtbogenkammer 8. Wie aus 2 in Verbindung mit der räumlichen Darstellung der Lichtbogenkammer 8 gemäß 4 hervorgeht, weist die Lichtbogenkammer 8 ausgehend von dem Schalter 7 bzw. Schalterteil 15 einen zuerst konstanten Querschnitt A1, dann einen vergrößernden Querschnitt A2 und dann wieder einen konstanten Querschnitt A3 auf und ermöglicht somit eine optimale Ausnutzung eines hinter dem Leistungsschalter 7 verfügbaren Einbauraums und gleichzeitig eine kompakte Bauform des Leistungsschalters 7 und der Lichtbogenkammer 8.
Die Lichtbogenkammer 8 ist bevorzugt dreiteilig ausgeführt und weist ein erstes Kammerteil 8a in Quaderform, ein zweites Kammerteil 8b in Trapezform und ein drittes Kammerteil 8c in Quaderform auf. Eine besonders gute Lichtbogenlöschung und somit ein besonders hohes Schaltvermögen des Leistungsschalters 7 kann dadurch erreicht werden, dass die Querschnittsfläche A1 des ersten Kammerteils 8a zu der Querschnittsfläche A3 des dritten Kammerteils 8c im Verhältnis 1:1,5 bis 1:2,5, insbesondere 1:2 steht.
Die Lichtbogenkammer 8 ist teilweise mit einem unter Lichtbogen-Einwirkung gasabgebenden Auskleidematerial ausgekleidet. Das gasabgebende Auskleidematerial besteht bevorzugt aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Duroplast wie z.B. Polyesterharz. Dieses kann z.B. in Form von Poyesterharz-Hartmatten vorliegen. Als Trägermaterial können Textilglasmatten genutzt werden. Das gasabgebende Auskleidematerial ist in der Lichtbogenkammer 8 ortsabhängig unterschiedlich gasabgebend ausgebildet. Es hat sich herausgestellt, dass eine besonders gute Lichtbogenlöschung und damit ein besonders hohes Schaltvermögen des Leistungsschalters 7 bei gleichzeitig geringer Baugröße der Lichtbogenkammer 8 dadurch erzielbar ist, dass das gasabgebende Auskleidematerial und, z.B. im Bereich der als Zwischenstücke 14 ausgebildeten Seitenwände vorliegendes, nicht-gasabgebendes Auskleidematerial in der Lichtbogenkammer 8 im Flächenverhältnis 2:3 angeordnet sind.
Die Lichtbogenkammer 8 weist bevorzugt zumindest eine mehrlagig ausgeführte Seitenwand 11 auf, wobei zumindest eine der Lagen, im Fall des Leistungsschalters 7 die Lage 12, faserverstärkt ist. Eine gute Isolation bei gleichzeitig geringem Gewicht der Lichtbogenkammer 8 kann hierbei dadurch erreicht werden, dass die zumindest eine mehrlagig ausgeführte Seitenwand 11 eine innere, zumindest teilweise aus dem gasabgebenden Auskleidematerial 10 bestehende Lage 12 und eine äußere, aus einem Schichtpressstoff bestehende Lage aufweist. Wie aus 3 ersichtlich, weist die Lichtbogenkammer 8 zwei derart ausgestaltete, gegenüberliegend angeordnete Seitenwände 11 auf, wobei die Lage 13 aus dem vorgenannten Schichtpresstoff besteht.
5 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Außenansicht eines zweipoligen Leistungsschalters 17 mit zwei, im Unterschied zu vorstehend erläutertem Leistungsschalter 7, jeweils nur einteilig ausgeführten Lichtbogenkammern 18. Die Lichtbogenkammern 18 sind ebenfalls zumindest teilweise mit einem unter Lichtbogeneinwirkung gasabgebenden Auskleidematerial ausgekleidet. Die Lichtbogenkammern 18 weisen aufgrund ihrer Quaderform einen besonders einfachen Aufbau und eine besonders hohe mechanische Festigkeit gegen Rüttel- und Schockbeanspruchung auf.
6 zeigt einen Teilbereich eines Unterwasserschiffes im Querschnitt. Eine Hülle 23 umschließt den Tauchkörper des Unterwasserschiffs. Mehrere Leistungsschalter 7 gemäß 1 bis 4 sind in einer Schalttafel 24 angeordnet. Durch die Anordnung der Lichtbogenkammern 8 an der Rückseite der Leistungsschalter kann ein zwischen der Schalttafel 24 und der Hülle 23 ausgebildeter Wartungsraum 26 als Lichtbogen-Freiraum genutzt werden. Die Anordnung der Lichtbogenkammern 8 an der Rückseite der Leistungsschalter 7 sowie der Anschlusstücke 25 und 26 an der Oberseite bzw. Unterseite des Leistungsschalters ermöglicht einen besonders platzsparenden Einbau der Leistungsschalter 7 in die Schalttafel 24. Räumliche Beeinträchtigungen z.B. durch Schutzhauben, wie sie bei einer auf der Oberseite des Leistungsschalters 7 angeordneten Lichtbogenkammer notwendig wären, werden somit vermieden. Der Lichtbogen wird aufgrund der Anordnung der Lichtbogenkammer 8 auf der Rückseite des Leistungsschalters 7 weg von ggfs. an der Schalttafel 24 tätigem Bedienpersonal 27 geleitet und somit die Sicherheit für das Bedienpersonal erhöht.
7 zeigt eine Prinzipschaltung einer Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage 1 eines Unterwas serschiffes in vereinfachter Darstellung. Die Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage 1 weist Generatoren 2, Batterien 3 und eine Brennstoffzellenanlage 4 zur Energieerzeugung sowie einen Fahrmotor 5 und ein nicht im Detail dargestelltes Bordnetz zur Speisung von Hilfsantrieben als Energieverbraucher auf. Die Energieerzeuger und die Energieverbraucher sind miteinander elektrisch verbunden. Zwischen den Komponenten sind Leistungsschalter 7 gemäß 1 bis 4 bzw. Leistungsschalter 17 gemäß 5 geschaltet. Die Leistungsschalter 7 weisen aufgrund der in ihren Lichtbogenkammern enthaltenen gasabgebenden Materialien ein hohes Schaltvermögen bei im Verhältnis zu den hohen Betriebsspannungen geringer Baugröße der Lichtbogenkammer und damit des Leistungsschalters auf. Aufgrund der Vielzahl der in der Schiffs-Versorgungs- und -verteilungsanlage 1 zum Einsatz kommenden Leistungsschalter kann somit im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsschaltern in hohem Maße Einbauraum gespart werden. Bevorzugt ist ein Schiffs-Leistungsschalter 7 mit seiner(seinen) Lichtbogenkammer(n) derart ausgebildet, dass ein Doppelerdschluss in der Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage 1, in 7 beispielhaft durch Kurzschluss-Pfeile 28 veranschaulicht, durch einen einzigen Pol des Leistungsschalters 7 abschaltbar ist. Ein einziger Pol 19 des zweipoligen Leistungsschalters 7 gemäß 1 bzw. Leistungsschalters 17 gemäß 5 ist somit in der Lage, bei Doppelerdschlussstrom die maximale in der Schiffs-Versorgungs- und -verteilungsanlage anliegende Spannung abzuschalten. Somit ist ein sicherer Betrieb der Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage auch im Fall eines Doppelerdschlusses gegeben.
Der Leistungsschalter 7 kann dadurch besonders einfach in die Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage 1 geschaltet werden, dass er derart ausgebildet ist, dass er mit beliebiger Polarität in einen Stromkreis geschaltet werden kann. Dies ermöglicht z.B. eine Vereinfachung der Schaltta felverschienung zum Anschluss der Anschlussstücke 25 und 26 des Leistungsschalters 7.

Claims

Schiffs-Leistungsschalter (7, 17), insbesondere für Unterwassserschiffe, mit zumindest einer Lichtbogenkammer (8, 18), die zumindest teilweise mit einem unter Lichtbogeneinwirkung gasabgebenden Auskleidematerial (10) ausgekleidet ist.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das gasabgebende Auskleidematerial (10) für die Lichtbogenkammer (8, 18) aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Duroplast, besteht.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasabgebende Auskleidematerial (10) in der Lichtbogenkammer (8, 18) ortsabhängig unterschiedlich gasabgebend ausgebildet ist.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasabgebende Auskleidematerial (10) und nichtgasabgebendes Auskleidematerial in der Lichtbogenkammer (8, 18) im Flächenverhältnis 2:3 angeordnet sind.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasabgegebende Auskleidematerial (10) faserhaltig ist, wobei das Fasermaterial insbesondere Gewebeform oder Mattenform aufweist.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenkammer (8, 18) zumindest eine mehrlagig ausgeführte Sei tenwand (11) aufweist, wobei zumindest eine der Lagen (12 bzw. 13) faserverstärkt ist.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine mehrlagig ausgeführte Seitenwand (11) eine innere, zumindest teilweise aus dem gasabgebenden Auskleidematerial (10) bestehende Lage (12) und eine äußere, aus einem Schichtpreßstoff bestehende Lage (13) aufweist.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenkammer (8, 18) einen selbsttragenden Aufbau aufweist.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenkammer (8, 18) zumindest teilweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist und in ihrem vom Schalter (7, 17) abgewandten Teil Löschbleche (9) angeordnet sind.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenkammer (8) ausgehend von dem Schalter (7) einen zuerst konstanten, dann vergrößernden und dann wieder konstanten Querschnitt (A1 bzw. A2 bzw. A3) aufweist.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenkammer (8) dreiteilig ausgeführt ist und ein erstes Kammerteil (8a) in Quaderform, ein zweites Kammerteil (8b) in Trapezform und eine drittes Kammerteil (8c) in Quaderform aufweist.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (A1) des ersten Kammerteils (8a) zu der Querschnittsfläche (A3) des dritten Kammerteils (8c) im Verhältnis 1:1,5 bis 1:2,5, insbesondere 1:2 steht.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Pol (19) des Leistungsschalters (7,17) jeweils eine Lichtbogenkammer (8, 18) vorgesehen ist.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenkammer (8, 18) an der Rückseite (20) des Leistungsschalters (7, 17) angeordnet ist und Anschlusstücke (25, 26) für Stromschienen an der Oberseite (22) und der Unterseite (21) des Leistungsschalters (7, 17) herausgeführt sind.
Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (7, 17) derart ausgebildet ist, dass er mit beliebiger Polarität in einen Stromkreis geschaltet werden kann.
Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage (1), insbesondere für Unterwasserschiffe, mit – Energieerzeugern, z.B. Generatoren (2), Batterien (3), ggf. eine Brennstoffzellenanlage (4), – Energieverbrauchern, z.B. Fahrmotoren (5), Bordnetz zur Speisung von Hilfsantrieben, die miteinander elektrisch verbunden sind, wobei zwischen zumindest einem Teil der Komponenten Leistungsschalter (7, 17) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen der Leistungsschalter (7, 17) ein Schiffs- Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiffs-Leistungsschalter (7, 17) mit seiner (seinen) Lichtbogenkammer(n) (8, 18) derart ausgebildet ist, dass ein Doppelerdschlusses in der Schiffs-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage (1) durch einen einzigen Pol (19) des Leistungsschalters (7, 17) abschaltbar ist.