EP2122647B1 - Elektrisches gleichstromnetz für wasserfahrzeuge sowie für offshoreanlagen mit erhöhter abschaltsicherheit - Google Patents

Elektrisches gleichstromnetz für wasserfahrzeuge sowie für offshoreanlagen mit erhöhter abschaltsicherheit Download PDF

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EP2122647B1
EP2122647B1 EP08701641.6A EP08701641A EP2122647B1 EP 2122647 B1 EP2122647 B1 EP 2122647B1 EP 08701641 A EP08701641 A EP 08701641A EP 2122647 B1 EP2122647 B1 EP 2122647B1
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EP
European Patent Office
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direct current
switch
pole
commutation
current network
Prior art date
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EP08701641.6A
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EP2122647A1 (de
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Gerd Ahlf
Werner Hartmann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02Details
    • H01H33/59Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H33/596Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63GOFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/08Propulsion
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66Vacuum switches
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric

Definitions

  • the invention relates to an electrical DC network for watercraft, especially for underwater vehicles, as well as for offshore installations according to the preamble of claim 1;
  • Such an electrical DC network is for example from the DE 10 2005 031 761 B3 known.
  • the commutation device acts on the vacuum switch immediately after the generation of the arc with an oppositely directed current which compensates for the current flowing in the arc or at least reduces it to such an extent that the arc is extinguished.
  • the commutation device has a commutation circuit lying parallel to the vacuum switch and comprising a switch and a charge store, for example a capacitor.
  • a control device ensures that immediately after the opening of the vacuum switch, the switch is controlled so that the charge storage parallel to the vacuum circuit breaker and reversed polarity is switched to extinguish the arc resulting when opening the arc.
  • a charge generator such as an electric coil, may be provided, which is controlled by the control device so that it generates a compensation current after opening the vacuum switch, which extinguishes the resulting arc when opening the vacuum switch.
  • the switch-off device for at least one of the two switching poles has a commutation device for extinguishing an arc generated in this switching pole, because by switching off the current in this one switching pole is usually de-energized due to the current zero crossing of the other switching pole momentarily, so that he also experiences a current zero crossing, which leads to a deletion of the arc in this switching pole.
  • the turn-off device can also have its own commutation device for each of the two switching poles. hereby even a shutdown of a double ground fault in a DC network is possible.
  • the vacuum switch to a further, third switching pole, which is mechanically coupled to the first and the second switching pole and which is connected in series with the second switching pole in the current branch from the negative pole of the DC power source to the consumer.
  • the second switching pole and the third switching pole each have their own commutation. It is sufficient if the second switching pole and the third switching pole have a common commutation device, i. the commutation device is connected in parallel with the series connection of the two switching poles. It is also sufficient if the second switching pole has a commutation device, whereas the third switching pole has no commutation device, i. only to the second switching pole is connected in parallel a commutation device. If this commutation extinguishes the arc in the second switching pole, there is also an interruption of the current flow and thus a deletion of the arc in the third switching pole.
  • the contact gap with an open switching pole between 1.5 mm and 15 mm, preferably between 2 and 5 mm. In this way, a particularly stable magnetic field in the switching pole and thus a particularly good breaking capacity can be achieved.
  • a further increase in the switch-off safety is possible in that a commutation pulse is triggered in a commutation device only at a predetermined minimum contact gap in the switching pole (for example minimum contact gap of 3 mm). This can be made possible, for example, by a delay of the triggering pulse of the commutation device by a time corresponding to the vacuum switch.
  • the total inductance of a commutation circuit of a commutation device is preferably at most 0.5 ⁇ H.
  • a commutation pulse is triggered only after a minimum arc duration has expired. This can ensure that the arc is sufficiently diffused and thus a safe shutdown is possible.
  • transient recovery voltages at the switching pole can be limited to values below 500 V / ⁇ s.
  • the switch-off device preferably has a device for measuring tripping characteristics in the DC network and for generating a tripping pulse for a mechanical opening mechanism of the vacuum switch and for the commutation device from one or more of these tripping characteristics.
  • the shutdown device has at least one overcurrent release for the vacuum switch, as an overcurrent release both instantaneous overcurrent release (ie delay of the overcurrent trip only by the proper time of the switch) and delayed overcurrent release (ie delay of the overcurrent trip through the proper time of the switch and one in the overcurrent release adjustable Time) can be used.
  • an overcurrent release both instantaneous overcurrent release (ie delay of the overcurrent trip only by the proper time of the switch) and delayed overcurrent release (ie delay of the overcurrent trip through the proper time of the switch and one in the overcurrent release adjustable Time) can be used.
  • instantaneous overcurrent release ie delay of the overcurrent trip only by the proper time of the switch
  • delayed overcurrent release ie delay of the overcurrent trip through the proper time of the switch and one in the overcurrent release adjustable Time
  • FIG. 1 in a particularly simplified representation shown DC network 1 has a DC power source 2, an electrical load 3 and a turn-off device 4 for switching off a current flowing between the DC power source 2 and the load 3 current.
  • the switch-off device 4 has a switched between the DC power source 2 and the consumer 3 vacuum switch 5 with three switching poles (ie three switching paths) 5a, 5b, 5c.
  • the switching poles are in this case mechanically coupled to each other and have a common mechanical drive, ie an opening or closing of the three switching poles always takes place simultaneously.
  • the switching pole 5a is connected in a current branch 6, which connects a positive pole of the DC power source 2 to the consumer 3.
  • the switching poles 5b and 5c are connected in series in a current branch 7, which connects a negative pole of the DC power source 2 to the load 3.
  • the turn-off device 4 has a first commutation device 8, which is connected in parallel with the switching pole 5a and serves to extinguish arcs in the switching pole 5a by applying a countercurrent to the switching pole 5a. Furthermore, the turn-off device 4 has a second commutation device 9, which is connected in parallel with the series connection of the two switching poles 5b and 5c.
  • the turn-off device 4 may also have only the commutation device 8 or only the commutation device 9.
  • a measuring device 19 is used to measure Auslensekenngrö ⁇ en in the DC network 1 and to generate a trigger pulse for a mechanical opening mechanism 21 of the vacuum switch 5 and the commutation devices 8, 9 from one or more of these tripping characteristics.
  • the measuring device 19 is connected via control lines 20 to the opening mechanism 21 and the commutation devices 8, 9.
  • the turn-off device 4 shown with two commutation devices 8, 9 and a total of three series-connected and mechanically coupled switching poles (or switching paths) 5a, 5b, 5c is characterized by a particularly high breaking capacity and a particularly high shutdown safety with great compactness. Due to the two commutation devices 8, 9 even a shutdown of a double ground fault in the DC network 1 is possible.
  • a high-power semiconductor switch 11 for high pulse currents such as a thyristor
  • a surge capacitor 12 for charging the capacitor 12
  • an igniter 14 for igniting the high-power semiconductor switch 11.
  • FIG. 3 shows a side view of an advantageous embodiment of the turn-off device 4 according to Fig. 1 ,
  • the vacuum circuit breaker 5 is arranged above the commutation device 8 or 9, which is formed essentially by the high-performance thyristor 11 and the capacitor 12.
  • the vacuum interrupters 15 of the vacuum circuit breaker 5 are connected via insulators 16 to a housing of the switch drive 17.
  • the capacitor 12 and the high-performance thyristor 11 are connected via current paths 18 in parallel to the vacuum interrupter 15.
  • switching tubes 15 and insulators 16 are used for low nominal voltages, which allow a much more compact and lighter design.
  • FIG. 4 shows a front view of in FIG. 3 shown in side view advantageous embodiment of the shutdown device 4 according to Fig. 1 ,
  • the three vacuum interrupters 15 of the three poles 5a, 5b, 5c of the switch 5 are - as already in FIG. 3 shown - arranged over the commutation devices 8, 9 and connected via insulators with the housing of the switch drive 17. The current paths are not shown for reasons of clarity.
  • the commutation device 8 is connected in parallel with the switching pole 5a and the commutation device 9 in parallel with the series connection of the switching poles 5b and 5c.
  • the commutation devices 8, 9 each have a high-power thyristor 11 and a capacitor 12.

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  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Komutierungseinrichtung 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 Vakuumleistungsschalter 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.
  • Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Gleichstromnetz gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass es eine noch höhere Abschaltsicherheit aufweist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Gleichstromnetz gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
  • 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 Schältpole 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.
  • Zur weiteren Erhöhung der Abschaltsicherheit kann die Abschalteinrichtung aber auch für jeden der beiden Schaltpole eine jeweils eigene Kommutierungseinrichtung aufweisen. Hierdurch ist sogar ein Abschalten eines Doppelerdschlusses in einem Gleichstromnetz möglich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • FIG 1
    ein Prinzipschaltbild eines Gleichstromnetzes mit einer Abschalteinrichtung mit einem zwischen einer Gleichstromquelle und einem Verbraucher geschalteten dreipoligen Vakuumschalter und zwei Kommutierungseinrichtungen,
    FIG 2
    eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Kommutierungseinrichtung,
    FIG 3
    eine Seitenansicht einer Abschalteinrichtung,
    FIG 4
    eine Frontansicht einer Abschalteinrichtung,
  • Ein in FIG 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.
  • 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.
  • 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.
  • Alternativ kann die Abschalteinrichtung 4 auch nur die Kommutierungseinrichtung 8 oder nur die Kommutierungseinrichtung 9 aufweisen.
  • Eine Messeinrichtung 19 dient zur Messung von Auslösekenngröβen 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.
  • 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.
  • Jede der Kommutierungseinrichtungen 8, 9 weist hierbei bevorzugt - wie in FIG 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.
  • FIG 3 zeigt eine Seitenansicht einer vorteilhaften Ausbildung der Abschalteinrichtung 4 gemäß Fig. 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.
  • FIG 4 zeigt eine Frontansicht der in FIG 3 in Seitenansicht gezeigten vorteilhaften Ausbildung der Abschalteinrichtung 4 gemäß Fig. 1. Die drei Vakuumschaltröhren 15 der drei Pole 5a, 5b, 5c des Schalters 5 sind - wie bereits in FIG 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.
  • 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.
  • 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 2mm, vorteilhaft 2 - 5mm, gröβer 5 bis max. 15mm; Begründung für kleiner 15mm: bei gröβerem 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).

Claims (12)

  1. Elektrisches Gleichstromnetz (1) für Unter- und Überwasserfahrzeuge sowie für Offshoreanlagen mit erhöhter Abschaltsicherheit, mit zumindest einer Gleichstromquelle (2), insbesondere einer Batterie- und/oder Brennstoffzellenanlage, zumindest einem elektrischen Verbraucher (3), z.B. einem elektrischen Antriebsmotor oder einem Bordnetz, und zumindest einer Abschalteinrichtung (4) zur Abschaltung eines in dem Gleichstromnetz (1) fließenden Gleichstromes, wobei die Abschalteinrichtung (4) einen in das Netz geschalteten Vakuumschalter (5) und eine Kommutierungseinrichtung (8 bzw. 9) aufweist, durch welche ein beim Öffnen des Schalters (5) erzeugter Lichtbogen löschbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumschalter (5) einen ersten Schaltpol (5a) und einen zweiten Schaltpol (5b) aufweist, wobei der erste Schaltpol (5a) in einen Stromzweig (6) von einem Pluspol der Gleichstromquelle (2) zu dem Verbraucher (3) und der zweite Schaltpol (5b) in einen Stromzweig (7) von einem Minuspol der Gleichstromquelle (2) zu dem Verbraucher (3) geschaltet ist, wobei die beiden Schaltpole (5a, 5b) mechanisch miteinander gekoppelt sind und wobei die Abschalteinrichtung (4) für zumindest einen der beiden Schaltpole (5a, 5b) eine Kommutierungseinrichtung (8 bzw. 9) zum Löschen eines in diesem Schaltpol (5a bzw. 5b) erzeugten Lichtbogens aufweist.
  2. Gleichstromnetz (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (4) für jeden der beiden Schaltpole (5a, 5b) eine jeweils eigene Kommutierungseinrichtung (8 bzw. 9) aufweist.
  3. Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumschalter (5) einen weiteren, dritten Schaltpol (5c) aufweist, der mechanisch mit dem ersten und dem zweiten Schaltpol (5a, 5b) gekoppelt ist und der in Reihe zu dem zweiten Schaltpol (5b) in den Stromzweig (8) von dem Minuspol der Gleichstromquelle 2) zu dem Verbraucher (3) geschaltet ist.
  4. Gleichstromnetz (1) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltpol (5b) und der dritte Schaltpol (5c) eine gemeinsame Kommutierungseinrichtung (9) aufweisen.
  5. Gleichstromnetz (1) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltpol eine Kommutierungseinrichtung und der dritte Schaltpol keine Kommutierungseinrichtung aufweist.
  6. Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktspalt bei einem geöffneten Schaltpol (5a, 5b, 5c) zwischen 1.5 mm und 15 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm, beträgt.
  7. Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslösung eines Kommutierungsimpulses in der Kommutierungseinrichtung (8, 9) eines Schaltpoles (5a, 5b, 5c) erst bei einem vorgegebenen Mindestkontaktspalt im Schaltpol (5a, 5b, 5c) erfolgt.
  8. Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kommutierungsstromkreis (10) einer Kommutierungseinrichtung (8, 9) eine Gesamtinduktivität von maximal 0,5 µH aufweist.
  9. Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslösung eines Kommutierungsimpulses in der Kommutierungseinrichtung (8, 9) erst nach Ablauf einer Mindestlichtbogendauer erfolgt.
  10. Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (4) parallel zu einem Schaltpol (5a, 5b, 5c) geschaltete RC-Glieder und/oder Varistoren zur Begrenzung transienter Wiederkehrspannungen an dem Schaltpol (5a, 5b, 5c) aufweist.
  11. Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (4) eine Einrichtung (19) zur Messung von Auslösekenngrößen in dem Gleichstromnetz (1) und zu Erzeugung eines Auslöseimpulses für einen mechanischen Öffnungsmechanismus (21) des Vakuumschalters (5) sowie für die Kommutierungseinrichtung (8, 9) aus einer oder mehreren dieser Auslösekenngrößen aufweist.
  12. Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (4) zumindest einen Überstromauslöser für den Vakuumschalter (5) aufweist.
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