WO2008090175A1 - 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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WO2008090175A1
WO2008090175A1 PCT/EP2008/050759 EP2008050759W WO2008090175A1 WO 2008090175 A1 WO2008090175 A1 WO 2008090175A1 EP 2008050759 W EP2008050759 W EP 2008050759W WO 2008090175 A1 WO2008090175 A1 WO 2008090175A1
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pole
switch
commutation
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PCT/EP2008/050759
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Gerd Ahlf
Werner Hartmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
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    • B63G8/08—Propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24—Transmitting 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 known for example from DE 10 2005 031 761 B3.
  • an electrical DC network of a watercraft in particular an underwater vehicle, known in which between a DC power source, such as a battery or a fuel cell system, and an electrical load, such as a traction motor or a vehicle electrical system, a Stromabschalt adopted is connected, which comprises a formed as a vacuum switch circuit breaker and a commutation device.
  • a DC power source such as a battery or a fuel cell system
  • an electrical load such as a traction motor or a vehicle electrical system
  • 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 comes to an end.
  • the commutation device has a commutation circuit lying parallel to the vacuum switch and comprising a switch and a charge accumulator, for example a capacitor.
  • a control device Via a control device, it is ensured that the switch is activated immediately after the opening of the vacuum switch in such a way that the charge accumulator runs parallel to the vacuum. circuit breaker and polarity reversed in order to extinguish the arc resulting in the switch when opening.
  • 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 arc resulting from the opening of the vacuum switch.
  • the turn-off device for at least one of the two switching poles has a commutation device for deleting an arc generated in this switching pole, because by switching off the current in this one switching pole is normally 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.
  • the turn-off device can also have its own commutation device for each of the two switching poles.
  • 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.
  • 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 (eg 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 interrupter, wherein as 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 through an adjustable in the overcurrent release Time) can be used.
  • 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 through an adjustable in the overcurrent release Time) can be used.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a DC network with a turn-off device with a switched between a DC power source and a consumer three-pole vacuum switch and two commutation
  • Figure 2 shows an advantageous embodiment of a commutation
  • FIG. 3 shows a side view of a switch-off device
  • FIG. 4 shows a front view of a switch-off device
  • a DC power supply 1 shown in FIG. 1 in a particularly simplified representation has a DC power source 2, an electrical load 3 and a disconnection device 4 for disconnecting a current flowing between the DC power source 2 and the load 3.
  • the turn-off device 4 has a vacuum switch 5 connected between the DC power source 2 and the load 3 and having three switching poles (i.e., three switching paths) 5a, 5b, 5c.
  • the switching poles are mechanically coupled to each other and have a common mechanical drive, i. 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 in series in one
  • 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 serves to measure tripping characteristics in the DC network 1 and to generate a tripping pulse for a mechanical opening mechanism 21 of FIG
  • Vacuum switch 5 and for the commutation 8, 9 from one or more of these tripping characteristics are 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 switched in series and mechanically coupled to each other switching poles (or switching sections) 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.
  • Each of the commutation 8, 9 here preferably - as shown in Figure 2 - designed as a pulse circuit 10 Kommut réellesstrom Vietnamese on a high-power semiconductor switch 11 for high pulse currents, such as a thyristor, a surge capacitor 12, a charging device 13 for charging the capacitor 12 and a Ignition device 14 for ignition of the high-power semiconductor switch 11 comprises.
  • the vacuum circuit breaker 5 is arranged above the commutation device 8 or 9, which is essentially formed by the high-power 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.
  • 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 the advantageous embodiment of the shut-off device 4 according to FIG. 1, shown in side view in FIG. 1.
  • the three vacuum interrupters 15 of the three poles 5a, 5b, 5c of the switch 5 are - as already shown in FIG. 3 - via the commutation devices 8 , 9 arranged 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-performance thyristor 11 and a capacitor
  • the shutdown device is further characterized by the following features: Limiting the maximum rate of change of current through the vacuum interrupters to less than 2000 A / ⁇ s during the commutation process,
  • transient recovery voltage transient voltage after a short circuit current interruption

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Abstract

Bei einem elektrisches Gleichstromnetz (1) für Unter- und Überwasserfahrzeuge sowie für Offshoreanlagen, mit zumindest einer Gleichstromquelle (2), insbesondere einer Batterie- und/oder Brennstoffzellenanlage, zumindest einem elektrischen Verbraucher (3), z.B. einem elektrischen Antriebsmotor oder 10 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, kann die Abschaltsicherheit dadurch erhöht werden, 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.

Description

Beschreibung
Elektrisches Gleichstromnetz für Wasserfahrzeuge sowie für Offshoreanlagen mit erhöhter Abschaltsicherheit
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gleichstromnetz für Wasserfahrzeuge, insbesondere für Unterwasserfahrzeuge, sowie für Offshoreanlagen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ; ein derartiges elektrisches Gleichstromnetz ist beispielswei- se 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 Gleich- Stromquelle, 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 Kommutie- rungseinrichtung umfasst.
Durch die Kommutierungseinrichtung ist ein Lichtbogen löschbar, der beim Öffnen des Schalters durch den durch den Schalter fließenden Strom erzeugt wird. Die Kommutierungseinrich- tung 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 La- dungsspeicher, beispielsweise einen Kondensator, umfasst. Ü- ber eine Steuereinrichtung wird sichergestellt, dass unmittelbar nach dem Öffnen des Vakuumschalters der Schalter so angesteuert wird, dass der Ladungsspeicher parallel zum Vaku- umleistungsschalter und gegensinnig gepolt geschaltet wird, um den im Schalter beim Öffnen entstehenden Lichtbogen zu löschen. Anstelle des Ladungsspeichers kann auch ein Ladungserzeuger, beispielsweise eine elektrische Spule, vorgesehen sein, der von der Steuereinrichtung so angesteuert wird, dass er nach dem Öffnen des Vakuumschalters einen Kompensationsstrom erzeugt, der den beim Öffnen des Vakuumschalters entstehenden Lichtbogen löscht.
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 Gleichstrom- quelle. Hierdurch kann die Abschaltsicherheit in dem Gleichstromnetz vergrößert werden. Es ist dabei ausreichend, wenn die Abschalteinrichtung für zumindest einen der beiden Schaltpole eine Kommutierungseinrichtung zum Löschen eines in diesem Schaltpol erzeugten Lichtbogens aufweist, denn durch das Abschalten des Stromes in diesem einen Schaltpol wird im Normalfall aufgrund des Stromnulldurchganges der andere Schaltpol kurzzeitig stromlos, so dass er ebenfalls einen Stromnulldurchgang erfährt, der zu einer Löschung des Lichtbogens in diesem Schaltpol führt.
Zur weiteren Erhöhung der Abschaltsicherheit kann die Abschalteinrichtung aber auch für jeden der beiden Schaltpole eine jeweils eigene Kommutierungseinrichtung aufweisen. Hier- durch ist sogar ein Abschalten eines Doppelerdschlusses in einem Gleichstromnetz möglich.
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 Kommutie- rungseinrichtung 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 Min- destkontaktspalt im Schaltpol erfolgt (z.B. Mindestkontakt- spalt 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 (dl/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 Auslösekenn- großen auf.
Von Vorteil weist die Abschalteinrichtung zumindest einen Ü- berstromauslöser für den Vakuumschalter auf, wobei als Über- stromauslöser 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 Abschaltein- richtung 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 Kommu- tierungseinrichtung 8 oder nur die Kommutierungseinrichtung 9 aufweisen .
Eine Messeinrichtung 19 dient zur Messung von Auslösekenngrößen in dem Gleichstromnetz 1 und zu Erzeugung eines Auslöse- impulses 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. Schalt- strecken) 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 Hochleistungsthy- ristor 11 und den Kondensator 12 gebildet wird. Die Vakuumschaltröhren 15 des Vakuumleistungsschalters 5 sind dabei ü- ber 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 Vakuumleistungs- Schalters 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 (Einschwing- Spannung 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, größer 5 bis max . 15mm; Begründung für kleiner 15mm: bei größerem Abstand nimmt das stabilisierende Magnetfeld ab und damit auch das Abschaltvermögen,
- Auslösung des Kommutierungsimpulses erst bei einem Mindest- kontaktspalt im Vakuumschalter von 3 mm durch Messung des
Kontaktabständes,
- 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 Auslösever- zögerung (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 Axialmagnetfeldkon- takten 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

Patentansprüche
1. Elektrisches Gleichstromnetz (1) für Unter- und Überwasserfahrzeuge sowie für Offshoreanlagen mit erhöhter Abschalt- Sicherheit, 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 Kom- mutierungseinrichtung (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 Mindest- kontaktspalt 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 Gesamtinduk- tivität 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 Auslöseimpul- ses 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 Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (4; zumindest einen Überstromauslöser für den Vakuumschalter (5) aufweist .
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