Gleichstrom-Energieversorgungs- und -Verteilungsanlage für Schiffe

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Energieversorgungs¬ und -Verteilungsanlage für Schiffe gemäß Oberbegriff des Pa¬ tentanspruchs 1; eine derartige Anlage ist z.B. durch die WO 02/15361 Al bekannt.

Schiffs-Energieversorgungs- und -Verteilungsanlagen sind, insbesondere in Unterwasserschiffen, meist als Gleichstrom- Niederspannungsnetze mit hohen Betriebsspannungen bzw. Poten¬ tialen bis DC 1200 V ausgebildet. Sie weisen zumindest einen, teilweise auch mehrere Energieerzeuger wie z.B. Generatoren, Batterien, ggf. Brennstoffzellen, auf, die verschiedene Ver¬ braucher wie z.B. Fahrmotoren oder ein Bordnetz zur Speisung von Hilfsantrieben mit Energie versorgen. Die Energieerzeuger und die Energieverbraucher sind über Schutz- und Schaltorgane miteinander verbunden, die zum einen ein betriebliches Zu- oder Abschalten (z.B. zur Einstellung verschiedener Fahr¬ schaltungen) einzelner Energieverbraucher, einzelner Energie¬ erzeuger oder bestimmten Teilen der Energieversorgungs- und Verteilungsanlage und zum anderen im Fehlerfall, insbesondere im Fall eines Kurzschlusses, ein Abschalten einzelner Ener¬ gieverbraucher oder Energieerzeuger bis hin zu ganzen Teilen der Energieversorgungs- und Verteilungsanlage ermöglichen sollen. Als Schutz- und Schaltorgane kommen z.B. zweipolige Leistungsschalter zum Einsatz.

Die in einer solchen Anlage fließenden elektrischen Ströme erzeugen magnetische Streufelder. Je größer die Stromstärken sind, desto größer auch die Feldstärken dieser Streufelder. Die Streufelder können einen Einfluss auf die elektromagneti- sehe Verträglichkeit, die Sicherheit und das Betriebsverhal¬ ten der Anlage haben. Beispielsweise können elektronische Steuerungen beeinflusst und somit Fehlschaltungen hervorgeru- fen werden. Bei Marineschiffen kann durch die Streufelder die Gefährdung der Schiffe - beispielsweise durch Magnetminen - erhöht werden.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Gleich- strom-Energieversorgungs- und -Verteilungsanlage der eingangs erwähnten Art mit gegenüber dem Stand der Technik reduzierten magnetischen Streufeldern anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt dadurch, dass zumindest ei¬ nes der Schutz- und Schaltorgane als dreipoliger Leistungs¬ schalter ausgebildet ist, der mit seinen drei Polen derart in die Anlage schaltbar ist, dass sich magnetische Streufelder, die von den durch die drei Pole fließenden Ströme erzeugt werden, zumindest teilweise gegenseitig kompensieren, und wo¬ bei ein Druckluftantrieb zum Schalten der drei Pole vorgese¬ hen ist

Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass ein nicht unbedeutender Anteil der magnetischen Streufelder durch die Schalt- und Schutzorgane erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird deshalb als Schalt- und Schutzorgan ein dreipoliger Leistungsschalter verwendet.

Ein Pol eine Leistungsschalters weist in der Regel ein Kon¬ takt- oder Schaltglied mit üblicherweise zwei Schaltstücken (einem festen und einem bewegbaren Schaltstück) und jeweils zumindest einen Leiteranschluss für jedes der Schaltstücke auf. Unter einem dreipoligen Leistungsschalter wird im Rahmen der Erfindung ein Leistungsschalter mit drei Polen verstan¬ den, deren bewegbare Schaltstücke von einem gemeinsamen An¬ triebselement über eine gemeinsame Antriebsmechanik (z.B. An¬ triebswelle) bewegt werden.

Dreipolige Leistungsschalter werden üblicherweise in Wechsel¬ stromanlagen, aber nicht in Gleichstromanlagen verwendet. Ab¬ weichend hiervon erfolgt nun allerdings gezielt der Einsatz in einer Gleichstromanlage. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass mit Hilfe dreier Pole bzw. dreier Leiter eine bessere Kompensation von Magnetfeldern erzielbar ist, als dies mit nur zwei Polen möglich ist.

Statt des normalerweise zur Bewegung von Schaltstücken der drei Pole verwendeten elektro-motorischen Antriebes wird ein Druckluftantrieb verwendet. Im Vergleich zu einem elektro¬ motorischen Antrieb weist ein Druckluftantrieb erheblich we- niger magnetische Teile auf und erzeugt somit wesentlich ge¬ ringere magnetische Streufelder. Zudem ist Druckluft auf Schiffen, insbesondere auf Unterwasserschiffen, bereits vor¬ handen und somit eine Druckluftversorgung einfach realisier¬ bar.

Die zumindest teilweise gegenseitig Kompensation der Magnet¬ felder kann technisch-konstruktiv auf einfache Weise dadurch realisiert werden, dass die drei Pole räumlich parallel zu¬ einander angeordnet sind, wobei ein zweiter Pol im Wesentli- chen mittig zwischen einem ersten und einem dritten Pol ange¬ ordnet ist und wobei der durch den ersten und den dritten Pol fließende Strom jeweils halb so groß wie der durch den zwei¬ ten Pol fließende Strom und zu diesem entgegengesetzt gerich¬ tet ist.

Diese Stromgrößen und -richtungen können dadurch auf einfache Weise eingestellt werden, dass der erste und dritte Pol in Parallelschaltung in einen Hinleiter einer elektrischen Last und der zweite Pol in einen Rückleiter dieser elektrischen Last geschaltet sind.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Fol¬ genden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Darin sind für gleiche Elemente die gleichen Be¬ zugszeichen verwendet. Es zeigen: FIG 1 eine Prinzipschaltung einer Gleichstrom-Energieversor- gungs- und -Verteilungsanlage eines Unterwasserschiffes in vereinfachter Darstellung, FIG 2 eine prinzipielle Beschaltung eines dreipoligen Leis- tungsschalters der Anlage von FIG 1, FIG 3 eine perspektivische Ansicht eines dreipoligen Leis¬ tungsschalters mit Druckluftantrieb, FIG 4 den prinzipiellen Aufbau eines dreipoligen Schalters FIG 5 eine Rückansicht eines Schalttafelgerüstes mit einer Sammelschiene und zwei dreipoligen Leistungsschaltern, FIG 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI gemäß FIG 4, FIG 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII gemäß FIG 4.

Eine in FIG 1 gezeigte Gleichstrom-Energieversorgungs- und -verteilungsanlage 1 eines Unterwasserschiffes weist ein ers¬ tes Teilnetz Ia und ein zweites Teilnetz Ib auf, die über Kupplungsstellen 9 miteinander verbunden sind. Die beiden Teilnetze Ia, Ib weisen zur Energieerzeugung Generatoren 2 und Batterien 3 sowie eine Brennstoffzellenanlage 4 auf. Die er- zeugte Energie wird zur Speisung eines Motors 5 (z.B. DC-Mo- tor oder DC-gespeister Motor) zum Antrieb des Unterwasser¬ schiffes sowie eines nicht näher dargestellten Bordnetzes verwendet. Über einen Ladeanschluss 6 ist eine Batterieladung durch eine externe Energiequelle möglich. Der Motor 5 wird hierbei von beiden Teilnetzen Ia, Ib gespeist, so dass der Be¬ trieb des Motors 5 und damit die Manövrierfähigkeit des Schiffes auch bei Ausfall eines der beiden Teilnetze Ia, Ib gewährleistet ist.

Zwischen die einzelnen Komponenten sowie an den Kupplungs¬ stellen 9 sind als Schutz- und Schaltorgane Leistungsschalter 7 mit jeweils drei Polen 7a, 7b, 7c elektrisch geschaltet. Die drei Pole 7a, 7b, 7c sind hierbei derart in die Anlage geschal¬ tet, dass sich magnetische Streufelder, die von den durch die drei Pole fließenden Ströme erzeugt werden, zumindest teil¬ weise gegenseitig kompensieren Die Beschaltung der drei Pole 7a, 7b, 7c erfolgt hierbei gemäß FIG 2 derart, dass durch den Pol 7b ein Strom Ib = I fließt, während durch die Pole 7a und 7c jeweils der halbe Strom Ia,b = 0.5 * .1 fließt, wobei der durch die Pole 7a und 7c fließen- de Strom Ia bzw. Ic entgegengesetzt gerichtet ist zu dem Strom Ib durch den Pol 7b.

Die Pole 7a und 7c des Leistungsschalters 7 sind hierbei mit ihren Anschlüssen 7.1 und 7.2 bzw. 7.5 und 7.6 in Parallel- Schaltung in einen Hinleiter L+ einer Last L (z.B. den Motor 5 der Anlage 1 von FIG 1) geschaltet, während der Pol 7b mit seinen Anschlüssen 7.3 und 7.4 in einen Rückleiter L- der Last L geschaltet ist.

Wie FIG 3 zeigt, sind die drei Pole 7a, 7b, 7c des Leistungs¬ schalters 7 räumlich parallel zueinander angeordnet, wobei der Pol 7b im Wesentlichen mittig zwischen dem Pol 7a und dem Pol 7c angeordnet ist. Zur Bewegung der nicht näher darge¬ stellten Schaltstücke der Pole 7a-c ist ein Druckluftantrieb 15 vorgesehen, der über einen Druckluftanschluss 15a aus ei¬ ner nicht,- näher dargestellten Druckluftanlage des Unt,erwas- serschiffes mit Druckluft versorgt wird.

Durch die räumliche Anordnung der Pole 7a-c gemäß FIG 3 und der Beschaltung gemäß FIG 2 werden bei Stromfluss durch den Schalter 7 die Magnetfelder, die durch den durch den Pol 7b fließenden Strom Ib = I erzeugt werden, weitgehend durch die Magnetfelder kompensiert, die durch Ströme Ia und Ib erzeugt werden, die durch die Pole 7a bzw. 7c fließen. Der Leistungs- Schalter 7 weist somit bei Stromfluss nur geringe magnetische Streufelder auf. Aufgrund des Druckluftantriebs wird dabei die Erzeugung magnetischer Streufelder durch den Antrieb des Leistungsschalters bei Schaltvorgängen des Leistungsschalters 7 vermieden.

Der Leistungsschalter 7 ist als ein selbsttragender Aufbau¬ schalter ohne besondere Grundplatte ausgebildet. Jeder der Pole 7a-c ist in jeweils einem aus Isolierstoffwänden beste¬ henden Gehäuse 13 angeordnet und weist eine Lichtbogenkammer 8 mit einer Anzahl etwa gleich großer Löschbleche 11 auf. Die Gehäuse 13 der drei Pole 7a-c sind zu einem festen Schalter- gerüst zusammengespannt. Den vorderen Abschluss des Leis¬ tungsschalters 7 bildet eine Frontplatte 10. In den Seiten¬ wänden 14 des Schalters 7 sind verschiedene Wellen 12 (z.B. eine oder mehrere Schaltwellen, Antriebswellen und/oder Aus¬ lösewellen) der für alle Pole 7a-c gemeinsamen Antriebs-, Schalt- und Auslösemechanik gelagert. Der Druckluftantrieb 15 zum Antrieb der Antriebsmechanik ist auf der Vorderseite der Frontplatte 10 angeordnet.

Der prinzipielle Aufbau des dreipoligen Leistungsschalters 7 ist in FIG 4 dargestellt. Jeder der Pole 7a-c weist ein Schaltglied 18 mit jeweils einem feststehenden Schaltstück 18a und einem beweglichen Schaltstück 18b auf. Der Druckluft¬ antrieb 15 wirkt über mechanische Zwischenglieder (z.B. Schaltschlösser 16 , Wellen 12) auf die beweglichen Schalt- stücke 18b. Zusätzlich weist jeder der Pole 7a-c einen magne¬ tischen Überstromauslöser 19 auf. ,>

Die magnetischen Streufelder können noch weiter reduziert werden, wenn der Leistungsschalter 7 zumindest teilweise aus amagnetischen Materialen besteht. Da die Wellen aufgrund ver¬ gleichsweise großer Masse und Volumen in besonderem Maße mag¬ netische Streufelder verursachen, besteht bevorzugt zumindest eine der Wellen 12, im besten Fall sämtliche Wellen 12, aus einem amagnetischen Material. Ähnliches gilt für die Front- platte 10, die deshalb bevorzugt ebenfalls aus einem amagne¬ tischen Material besteht.

Wie sich herausgestellt hat, sollten bei hohen Anforderungen an die Amagnetik die Löschbleche 11 so weit möglich ebenfalls aus einem .amagnetischen Material bestehen. So werden bevor¬ zugt so weit möglich nur Bleche 11 aus einem amagnetischen Material verwendet, und nur für die Stabilität der Lichtbo- genkammer erforderliche Bleche 11 sind aus einem magnetischen und somit in der Regel mechanisch festeren Material gefertigt sein. Vorteilhafterweise bestehen deshalb zumindest 50 % der Löschbleche aus einem amagnetischen Material, insbesondere aus Kupfer. Bevorzugt beträgt der Anteil der amagnetischen Bleche etwa 80 %, die verbleibenden 20% aus magnetischem Ma¬ terial dienen der Stabilität der Lichtbogenkammer.

Eine weitere Reduzierung der magnetischen Streufelder kann dadurch erreicht werden, dass der dreipolige Leistungsschal¬ ter 7, wie in FIG 5 - 7 dargestellt, in einem Schaltgerüst 20 mit zumindest einer Sammelschiene 21 mit einem im wesentli¬ chen röhrenförmigen Außenleiter 22 und einem im wesentlichen koaxial zu diesem angeordneten Innenleiter 23 angeordnet ist, wobei der erste Pol 7a und der dritte Pol 7c mit dem Innen¬ leiter 23 und der zweite Pol 7b mit dem Außenleiter 22 elekt¬ risch verbunden sind. Hierdurch können magnetische Streufel¬ der nicht nur im direkten Bereich der Leistungsschalter , sondern auch im Bereich ihrer Stromzuführungen reduizert wer- den. Ein Schaltgerüst 20 mit einer solchen Sammelschiene 21 ist z.B. aus der DE 200 08 566 Ul bekannt.

Die Außenleiter 22 und der Innenleiter 23 sind hierbei z.B. mittels eines Schrauben-/Isolatorensystems 24 relativ zuein- ander fixiert. Die Außenleiter 22 bestehen aus zwei Profil¬ schienen 22a, 22b mit offenem Querschnitt, im gezeigten Aus¬ führungsbeispiel mit einem U-förmigen Querschnitt. Diese sind durch Anschlussstücke 25 mit einem T-förmigen Querschnitt verbunden und befestigbar. Ein T-Schenkel 29 ragt aus den Profilschienen heraus und dient der Befestigung und Kontak- tierung.

Der als Flachteil ausgebildete Innenleiter 23 hat stellenwei¬ se quer zu Längsmittelachse abstehende Anschlussstücke 26, die elektrisch isoliert den Schlitz zwischen den beiden den Außenleiter bildenden Profilschienen 22a, 22b durchragen und der Kontaktierung und Befestigung dienen. Das Schaltgerüst 20 besteht aus unterschiedlichen holmartigen (amagnetischen) Aluminium-Strangpressprofilen 31,32, die mit¬ tels Eckverbindern 34 miteinander verbunden sind.

Ein erster dreipoliger Leistungsschalter 7 ist oberhalb der Sammelschiene 21 und ein zweiter dreipoliger Leistungsschal¬ ter 17 ist unterhalb der Sammelschiene 21 in dem Schaltgerüst 20 angeordnet. Die Leistungsschalter 7,17 sind auf Montage¬ einheiten 37 befestigt, die ihrerseits mittels Befestigungs- stücken 42 an den Strangpressprofilen 31 befestigt sind. Die Anschlüsse 7.2 und 7.6 des Schalters 7 und die Anschlusstücke 7.1 und 7.5 des Leistungsschalters 17 sind mit Anschlussstü¬ cken 25 des Außenleiters 22, der Anschluss 7.4 des Leistungs¬ schalters 7 und der Anschluss 7.3 des Leistungsschalters 17 sind mit Anschlussstücken 26 des Innenleiters 23 elektrisch verbunden. Die verbleibenden Anschlussstücke der Leistungs¬ schalters 7, 17 sind in nicht näher dargestellter Weise z.B. über Kabelverbindungen elektrisch mit Anlagenkomponenten ver¬ bunden.

Durch die Anordnung der Leistungsschalber 7 und 17 oberhalb bzw. unterhalb der Sammelschiene 21 in dem Schaltgerüst 20 ist eine weitere Reduzierung der Streufelder möglich, da sich die in den beiden Leistungsschaltern 7,17 erzeugten Magnet- feider teilweise gegenseitig kompensieren.

Die Erfindung wurde zwar anhand einer Gleichstrom-Energiever- sorgungs- und -Verteilungsanlage 1 eines Unterwasserschiffes erläutert, kann aber in entsprechend abgewandelter Form auch an Bord eines Uberwasserschiffes, insbesondere eines Navy- Überwasserschiffes, Anwendung finden.