Marineschiffe, sowie für Offshoreanlagen Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Netz für Un- ter-und Überwasserfahrzeuge, z. B. Marineschiffe, sowie für Offshoreanlagen, das als elektrisches Bord-und/oder Fahrnetz aus AC-, DC-oder AC-und DC-Netzen ausgebildet ist und E- lektroenergieerzeugungseinheiten, Verteileranlagen und Verbrauchereinheiten aufweist.

Derartige elektrische Netze gewinnen zunehmend Bedeutung, da in steigendem Ausmaß dieseldirektangetriebene Schiffe durch vollelektrische Schiffe. verdrängt werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass im Falle vollelektrischer Schiffe besondere Vorzüge im Schiffsdesign zur Geltung gebracht werden können.

Derartige elektrische Netze für Unter-und Überwasserfahrzeu- ge sowie für Offshoreanlagen müssen hohen Anforderungen an die Standfestigkeit, die Manövrierfähigkeit, die Verfügbar- keit und die Zuverlässigkeit genügen.

Als Inselnetze werden sie zumeist aus mindestens zwei Elekt- roenergieerzeugungseinheiten, wie z. B. Generatoren, Brenn- stoffzellenanlagen, Hochleistungsbatterien, Solarzellen oder Kombinationen davon, gespeist.

Zu ihnen gehören elektrische Verteileranlagen mit teilweise hohen Betriebsströmen, da häufig Niederspannungsschaltanlagen <lkV eingesetzt werden. An die elektrischen Anlagen derarti- ger Netze werden im Falle eines Kurzschlußereignisses hohe thermische und dynamische Anforderungen gestellt.

Bedingt durch die Gestaltung des elektrischen Schutzkonzeptes ist mit Spannungseinbrüchen zu rechnen, welche bis zum Black- Out des elektrischen Netzes führen können. Das bedeutet, dass

in bestimmten Situationen auch die Generatorschalter auslö- sen. In einem vollelektrischen Schiff hat dies die Manövrier- unfähigkeit zur Folge, da die Schiffsantriebe dann nicht mehr versorgt werden können ; dies kann bis zum Verlust des Schif- fes führen.

Insbesondere im Falle von Marineschiffen treten häufig mul- tiple Fehler auf, z. B. im Falle eines oder mehrerer Raketen- treffer, bei dem bzw. bei denen verschiedene Abschnitte bzw.

Schalttafeln betroffen sind und deren Vorhersage nicht mög- lich ist, um entsprechende manuelle oder automatische Um- schaltungen vornehmen zu können.

Durch Spannungseinbruch im gesamten elektrischen Netz kommt es zur Beeinflussung des elektronischen Equipments der Auto- matisierungs-und Steuerungstechnik im Bereich von bis zu ei- nigen 10 bis einigen 100 ms, z. B. kann die Reaktionszeit im Hauptbereich zwischen 0,03 und 6 s betragen. Sofern das e- lektronische Equipment nicht unterbrechungsfrei, z. B. über static transfer switch von einer Batterie über Wechselrichter gespeist, versorgt ist, kommt es zum Ausfall des elektroni- schen Equipments, was einen Wiederstart beispielsweise der Betriebssysteme erfordert, welcher weitere Zeit in Anspruch nimmt.

Aus dem Stand der Technik sind die im folgenden angegebenen Maßnahmen bekannt, mittels denen die Verfügbarkeit und die Ausfallsicherheit des derart gestalteten elektrischen Netzes erhöht werden kann. Die Elektroenergieerzeugungseinheiten so- wie die Verbrauchereinheiten werden auf unterschiedliche Schiffssicherheitsabschnitte aufgeteilt. Einzelne Schaltanla- genabschnitte sind durch Kupplungen, die direkt in einer Schaltanlage in einem Feld als Leistungsschalterfeld angeord- net sind, oder Überleitungen, bei denen in jeder Schaltanlage ein Leistungsschalter vorgesehen ist, die mit einer Kabel- strecke verbunden sind, miteinander verbunden.

Die elektrischen Netze sind als Ringnetze oder Strahlennetze mit zum Teil hohem Vermaschungsgrad ausgebildet, wobei Um- schaltungseinrichtungen, z. B. in Form automatischer Schnell- umschaltungen, vorgesehen sind, um den Redundanzanforderungen im geplanten Betrieb gerecht zu werden.

Elektrischer Schutz ist als Sekundärschutz realisiert, bei dem Selektivität zumeist durch Strom-und Zeitstaffelung er- reicht wird. Es wird auf die Auslöser der im Primärkreis be- findlichen Leistungsschalter eingewirkt. In kleineren Abzwei- gungen können auch Sicherungen als Primärschutz vorgesehen sein.

Teilnetze des elektrischen Netzes können schaltanlagentech- nisch galvanisch getrennt werden, z. B. durch Leistungsschal- ter, deren Ausschaltvermögen begrenzt ist.

Darüber hinaus ist eine komponententechnische galvanische Trennung der Schaltanlagenteile durch Transformatoren, DC/DC- oder durch rotierende AC/AC-, DC/AC-oder AC/DC-Umformer mög- lich.

Mit den vorstehend genannten, aus dem Stand der Technik be- kannten Maßnahmen wird jedoch nicht die Möglichkeit gegeben, Spannungseinbrüche im Kurzschlußfall sicher auszuschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eingangs geschil- derte elektrische Netze für Unter-und Überwasserfahrzeuge, z. B. Marineschiffe, sowie für Offshoreanlagen derart weiter- zubilden, dass auch im Falle von Kurzschlußfällen jedwede Be- schädigungen der elektronischen Ausrüstung der Automatisie- rungs-und Steuerungstechnik zumindest eines Teiles 4 des Netzes zuverlässig ausgeschlossen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das elektrische Netz Strombegrenzungsgeräte aufweist, die als HTSL (hochtemperatursupraleitende) -Strombegrenzer und/oder

Halbleiterschalter ausgebildet sind und mittels denen die Rückwirkung von Spannungseinbrüchen im Kurzschlußfall auf nicht betroffene Netzteile auf eine Zeitspanne im niedrigen Millisekundenbereich, insbesondere <lms, begrenz-und damit derartige Spannungseinbrüche auf das jeweils betroffene Netz- teil beschränkbar sind.

Bei bestimmten Anforderungsprofilen an die Strombegrenzungs- geräte kann es sinnvoll sein, dass jeweils ein HTSL- Strombegrenzer und ein Halbleiterschalter und/oder ein kon- ventioneller mechanischer Leistungsschalter miteinander kom- biniert werden, wobei mittels derartig ausgestalteter Strom- begrenzungsgeräte insbesondere Energiequellen in Form von E- lektroenergieerzeugungseinheiten oder Energiespeichern ge- schützt werden können.

Derartige Strombegrenzungsgeräte haben die Eigenschaft, be- reits den Stoßkurzschlussstrom zu begrenzen, d. h., sie arbei- ten bereits im Stromanstieg. Ihr Einsatz in Netzkupplungen o- der Netzüberleitungen ist in einem Strahlennetz mit Strom/Zeitstaffelung, wie es heutzutage auf Marineschiffen üblich ist, besonders günstig, und zwar insbesondere dann, wenn eine sichere galvanische Trennung erreicht werden kann.

Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, dass das nicht betroffene Teilnetz keinen bedeutenden Spannungseinbruch er- fährt und eine sichere Versorgung der Verbrauchereinheiten in hohem Ausmaß aufrecht erhalten wird.

HTSL-Srombegrenzer können vorteilhaft mit auf die ihnen zuge- ordneten Leistungsschalter wirkenden Sekundärschutzeinrich- tungen kombiniert sein, indem ein vom HTSL-Strombegrenzer ge- neriertes Signal auf diese wirkt.

Die vorstehend genannten Strombegrenzungsgeräte können zur Ausgestaltung eines völlig neuen Netzkonzepts eingesetzt wer- den, wobei das elektrische Netz vorzugshalber so aufgebaut werden kann, dass die Strombegrenzungsgeräte in einer Anord-

nung vorgesehen sind, mittels der eine Stromselektivität er- reicht wird. Zur Vermeidung eines Spannungseinbruchs oder zu dessen Verringerung ist es erforderlich, für bestimmte Verbraucherschaltanlagen auf eine Zeitstaffelung bei bestimm- ten Fehlerereignissen zu verzichten. Damit wird je nach Feh- lerort und Fehlerereignis jedoch sichergestellt, dass ein Teil des elektrischen Fahr-bzw. Bordnetzes nahezu un- beeinflußt bleibt, zumindest dass der Spannungseinbruch so gering ist, dass es zu keiner Beeinträchtigung der Verbrau- chereinheiten kommt. Ist das elektrische Netz so konzipiert, dass ein Teilnetz nahezu unbeeinflußt bleibt, so bleiben die diesem Teilnetz zugeordneten Elektroenergieerzeugungseinhei- ten und Schiffsantriebseinheiten unterbrechungsfrei in Be- trieb ; der fehlerbehaftete Teil des Netzes wird galvanisch abgetrennt.

Wesentlich für die Gestaltung eines stromselektiven Netzes ist die konsequente Ausbildung des Netzkonzeptes als Strah- lennetz mit geringstmöglicher Vermaschung oder einer Verma- schung, die rückwirkungsfrei ausgestaltet ist.

Eine rückwirkungsfreie Ausgestaltung der Vermaschung ist mit- tels diodenentkoppelter Einspeisung von DC-Schaltanlagen oder DC-Verbrauchern von zwei verschiedenen Schiffssicherheitsab- schnitten aus realisierbar.

Eine Zeitstaffelung ist dann notwendig, wenn allein das Kri- terium Strom nicht mehr ausreichend ist. Für den Fall, dass trotz etwaiger Nachteile eine Vermaschung des elektrischen Netzes zweckdienlich ist, müssen für besondere Einsatzfälle besondere Schaltzustände des elektrischen Netzes als Aus- gangszustand definiert werden, z. B. für einen Gefechtsfall.

Mittels dieser besondere Schaltzustände kann dann ein strah- lenförmiger Aufbau des elektrischen Netzes hergestellt wer- den, wobei hierdurch die Wirksamkeit der eingesetzten Strom- begrenzungsgeräte sichergestellt wird. Das erfindungsgemäße elektrische Netz ist somit gemäß einer vorteilhaften Ausfüh-

rungsform der Erfindung aus einem Normalzustand, in dem es als vermaschtes elektrisches Netz ausgebildet ist, in einen Sonderzustand umschaltbar, in dem es als Strahlennetz ausge- bildet und die Wirksamkeit der Strombegrenzungsgeräte gewähr- leistet ist.

Eine Zeitstaffelung ist nicht erforderlich, wenn die einzel- nen Schaltgeräte mit einer Kommunikationseinrichtung versehen sind und im Falle des Versagens eine Meldung an einen überge- ordneten Schalter abgeben, der dann ohne Zeitverzug auslöst.

Um kurze Unterbrechungszeiten sicherzustellen, muß nicht nur der Spannungseinbruch im intakten Abschnitt des elektrischen Netzes vermieden werden, sondern es ist auch erforderlich, die Fehlerstelle zu diagnostizieren und nach Möglichkeit au- tomatisch freizuschalten. Eine manuelle Rekonfiguration benö- tigt längere Zeit, d. h. einen Zeitraum, der länger dauert als eine Minute. Für die automatische Freischaltung ist es erfor- derlich, dass die Informationen an eine Automatisierungs-und Regelungseinrichtung des elektrischen Netzes gelangen, wobei zur Automatisierungs-und Regelungseinrichtung eine On-Time- Diagnoseeinheit mit hoher Rechengeschwindigkeit gehört, die vorzugsweise selbstlernend unter Nutzung von Elementen der Fuzzy-Logik oder eines neuronalen Netzes arbeitet, da nicht alle Fehlerfälle vorprogrammiert werden können und die not- wendigen Schaltbefehle logisch ausgelöst werden.

Eine geeignete Information der Automatisierungs-und Rege- lungseinrichtung des elektrischen Netzes über den Fehlerort wird sichergestellt, wenn an jedem potentiellen Fehlerort ei- ne Sensor-bzw. Meldeeinheit vorgesehen ist, mittels der ein dem jeweiligen Fehlerort zugeordneter Gerätezustand bzw. eine dem jeweiligen Fehlerort zugeordnete physikalische Größe er- faßbar und an die On-Time-Diagnoseeinheit weiterleitbar ist.

Vorteilhaft sollten die Sensor-bzw. Meldeeinheiten versor- gungsunabhängig von ihrem Fehlerort arbeiten.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindung zwischen der On-Time-Diagnoseeinheit der Auto- matisierungs-und Regelungseinrichtung und den Sensor-bzw.

Meldeeinheiten mittels drahtgebundenen Elementen, z. B. als Kupferleitungen oder Glasfaserverbindungen ausgebildeten Steuer-oder Buskabel, realisiert. In der Weise wird auch die Steuerung der Schalter bewerkstelligt.

Für das Gesamtkonzept bezüglich der Information über den An- lagenzustand sowie bezüglich der Steuerung ist eine dezentra- le Back-up-Lösung wichtig. In einem Schiffsnetz sind Elektro- energieerzeugungseinheiten und Verbrauchereinheiten auf Schiffssicherungsabschnitte aufgeteilt. Falls drei Schiffssi- cherungsabschnitte vorgesehen sind, kann es beispielsweise zur Bildung von zwei Inselnetzen kommen, wenn im mittleren Schiffssicherungsabschnitt ein Totalausfall auftritt. Eine zentrale Meldung und Steuerung der Inselnetze ist dann nicht mehr möglich, wenn die Kabelwege oder die Zentrale selbst zerstört ist.

Einsetzbar ist beispielsweise die sogenannte Power Line Com- munication über die Leistungskabel. Hierbei wird zumindest ein intakter Kabelweg vorausgesetzt. Ihre Wirksamkeit ist nur bei einem hohen Vermaschungsgrad gegeben, welcher jedoch aus Schutzkonzeptionsgründen nicht zweckdienlich ist. Die Zuver- lässigkeit dieser Signalübertragungsart wird dadurch erhöht, dass die Signale an sich bereits kapazitiv und induktiv auf andere Adern/Phasen eines Kabels bzw. auch auf benachbarte Kabel überkoppeln. Dieses Überkoppeln kann durch Übertrager oder Koppelkondensatoren so begünstigt werden, dass die Sig- nalübertragung damit vielfach redundant verläuft.

Eine zweckmäßigere Lösung für dieses Problem ist mit Back-up- Sensoren möglich, die drahtlos detektieren und drahtlos über- tragen. Mit Hilfe dieser Back-up-Sensoren ist es möglich, ei- ne genauere Diagnose des Anlagenzustandes zu treffen. Wenn

beispielsweise die drahtgebundene Informationsübertragung nicht intakt ist, wird ein Zustand mittels des drahtlos über- tragenden Back-up-Sensors gemeldet. Falls eine derartige Mel- dung nicht stattfindet, ist davon auszugehen, dass auch der drahtlos übertragende Back-up-Sensor zerstört ist, was eben- falls als Grundlage für eine bestimmte Diagnose dienen kann.

So kann beispielsweise aus dem zeitlichen Eingang der Signale die Fehlerursache diagnostiziert werden. Derartige drahtlos detektierende und drahtlos übertragende Back-up-Sensoren sind insbesondere deshalb vorteilhaft, da im Störungsfall immer die Möglichkeit besteht, dass Kabelverbindungen zerstört sind. Da das Schiff bzw. das elektrische Netz des Schiffes in Schiffssicherungsabschnitte unterteilt ist, müssen in jedem dieser Schiffssicherungsabschnitte dezentrale Repeater in- stalliert werden, um die Abschirmwirkung innerhalb der Schiffssicherungsabschnitte zu umgehen.

In bestimmten Fällen kann sogar auf die vorstehend bereits erwähnten unterbrechungsfreien Stromversorgungen, wie Batte- rien mit statischen Transferschaltern, verzichtet werden.

Um den zunehmenden Anforderungen an die benötigte Leistung in elektrischen Fahrnetzen sowie den zunehmend verschiedenen E- lektroenergieerzeugungseinheiten bzw. Energiespeichern ge- recht zu werden, ist es sinnvoll, von einem reinen 3AC- Niederspannungsnetz auf andere Netzkonzepte überzuwechseln.

So sind z. B. als zukünftige Elektroenergieerzeugungseinheiten Brennstoffzellen vorteilhaft, welche physikalisch bedingt Gleichspannung erzeugen. Anstelle oder zusätzlich zu Brenn- stoffzellen ist auch der Einsatz von Solarzellen bei entspre- chenden Anforderungspraktiken denkbar. Rotierende Elektro- energieerzeugungseinheiten können mit Gleichspannung arbei- ten, zumeist sind es aber, besonders bei größeren Einheiten, Drehstromgeneratoren. Als Energiespeicher kommen in den meis- ten Fällen Batterien zum Einsatz, zukünftig jedoch auch sta- tische Speicher, wie Magnetspeicher und Kondensatoren, welche physikalisch bedingt mit Gleichstrom betrieben werden, oder

rotierende Speicher, wie Schwungräder, welche wahlweise mit DC oder AC arbeiten.

Darüber hinaus erscheint es zweckmäßig, die primär auslösen- den HTSL-Strombegrenzer mit Sekundärschutzeinrichtungen, die auf die Leistungsschalter wirken, sinnvoll zu kombinieren.

Die erfindungsgemäß im elektrischen Netz eingesetzten HTSL- Strombegrenzer sind als Primärauslöser wirksam, vergleichbar mit einer Sicherung. Das heißt, es liegt keine"externe Trig- gerung"durch Sekundärschutz vor. Die HTSL-Strombegrenzer sind im Normalbetrieb supraleitend, d. h. aus ihnen resultiert keine Impedanz im elektrischen Netz. Im Kurzschlußfall kommt es zu einem sprungartigen Anstieg des Ohm'schen Widerstandes des Supraleiters des HTSL-Strombegrenzers. Der Strom wird be- reits in seinem Anstieg begrenzt. Nach einer definierten Zeit, z. B. einigen 10 ms, erfolgt das Unterbrechen des Strom- kreises von einem in Reihe geschalteten Leistungsschalter.

Dessen Schaltaufgabe besteht in der Abschaltung des begrenz- ten Stroms sowie der galvanischen Trennung, wobei der be- grenzte Strom z. B. im Bereich des Bemessungsstroms des Leis- tungsschalters liegen kann. Das thermisch/dynamische Schalt- vermögen dieses Leistungsschalters-je nach Einsatzfall des HTSL-Strombegrenzers auch der Leistungsschalter im Fehlerbe- reich, sofern keine zusätzlichen Quellen Kurzschlussstrombei- träge liefern-ist nunmehr nur noch das, was bei Bemessungs- Dauerstrom auftreten kann. Auf eine Auslegung auf Kurz- schlussausschaltvermögen kann verzichtet werden. Daher können einfachere Schalter, wie z. B. Lastschalter, eingesetzt wer- den. Nach erfolgter Abschaltung kühlt der HTSL-Strombegrenzer zurück und wird wieder supraleitend.

Der HTSL-Strombegrenzer begrenzt den Strom auch dann, wenn der in Reihe geschaltete Leistungsschalter versagt. Der HTSL- Strombegrenzer wird zerstört, vergleichbar zu einer Siche- rung. Die Energie wird innerhalb des Kryostaten umgesetzt, in

dem sich der HTSL-Strombegrenzer befindet, so dass keine Lichtbogenauswirkung auf die Umgebung entsteht.

Vorteilhaft wird der HTSL-Strombegrenzer in einer Netzkupp- lung oder einer Netzüberleitung eingesetzt. Diese Netzkupp- lungen oder Netzüberleitungen wurden früher im Falle eines Gefechtsereignisses geöffnet, was zu Lasten der Verfügbarkeit des elektrischen Netzes ging. Entsprechend können die mit den HTSL-Strombegrenzern ausgerüsteten Netzkupplungen und/oder Ü- berleitungen im Falle des erfindungsgemäß ausgestalteten e- lektrischen Netzes nunmehr geschlossen gefahren werden. Die einigen 10 ms Stromführung durch den HTSL-Strombegrenzer sind ausreichend, um eine Selektivität für Abzweige des elektri- schen Netzes sicherzustellen. Hierzu sind die Abzweige-wie im folgenden noch näher erläutert, mit schnell agierenden Halbleiterschaltern ausgerüstet, welche innerhalb kürzester Zeit auslösen.

Ein HTSL-Strombegrenzer besteht aus einem Supraleiter, wel- cher nicht mit Helium gekühlt werden muß, z. B. MgB2, YbaCuO oder Bi-Verbindungen, und kann als Bulk-Material, Bandmateri- al oder Plattenmaterial mit Dünnfilmtechnik ausgeführt sein.

Bei einem HTSL-Strombegrenzer handelt es sich um ein Strombe- grenzungsgerät, welches eine kryotechnische Kühlung in Form eines Refrigerators aufweist. Der HTSL-Strombegrenzer selbst ist in einem geschlossenen Behälter untergebracht, welcher eine kryogene Flüssigkeit als Bad beinhaltet. Die kryogene Flüssigkeit ist vorzugsweise Flüssigstickstoff und der zweck- mäßigste Supraleiter besteht aus YbaCuO-Verbindungen, wobei der Supraleiter in Dünnfilmtechnik ausgeführt ist.

Alternativ ist auch abhängig vom Typ des Supraleiters eine andere kryogene Flüssigkeit, wie Sauerstoff, Wasserstoff, Ne- on, Helium, denkbar. Für den Fall, dass der Supraleiter vom Typ der LTS (Low Temperature Superconductor) ist, kommt als kryogene Flüssigkeit nur Helium in Frage.

Anstatt des HTSL-Strombegrenzers kann generell ein Halblei- terschalter eingesetzt werden und umgekehrt. Der Halbleiter- schalter wird zum Strombegrenzer, wenn er in Parallelschal- tung mit einer Impedanz betrieben wird. Die Impedanz kann ein Ohm scher Widerstand oder eine Induktivität sein. Der Vorteil der Induktivität liegt darin, dass sie keine Verlustleistung in Form von abzuführender Wärme erzeugt.

Als Schaltelemente der Halbleiterschalter kommen bevorzugt IGCTs als Konstruktionsvariante zu GTOs zum Einsatz, da ers- tere besonders geringe Durchlassverluste aufweisen. Es sind jedoch auch IGBTs und für besonders geringe Ströme MOS- Transistoren möglich. Der Halbleiterschalter schaltet inner- halb von ca. 20us ab, wenn sein Schaltelement als IGCT (In- tegrated Gate Commutated Thyristor) ausgebildet ist. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) und MOS-Transistoren schalten noch schneller ab, haben aber im allgemeinen höhere Durchlassverluste ; sie sind aufgrund ihrer Kennlinie selbst schon strombegrenzend.

IGCTs sind mit einer integrierten Treiberschaltung versehen.

Es müssen nur noch eine Stromversorgung und eine potentialge- trennte Ansteuerung über Lichtleiter angeschlossen werden.

Eine Kontrolle der IGCT erfolgt durch einen Monitorausgang, der ebenfalls als Lichtleiter ausgeführt ist.

Da derzeitige IGCTs häufig asymmetrische Bauelemente sind, also in Sperrrichtung keine Sperreigenschaften aufweisen, müssen sie für bidirektionalen Betrieb antiparallel geschal- tet werden, wobei die Sperrung durch Dioden vorzunehmen ist.

Durch Einsatz einer Brückenschaltung kann ein IGCT eingespart werden, was jedoch infolge der Notwendigkeit einer zusätzli- chen Diode zu erhöhten Verlusten führt.

IGCTs sind zweckmäßigerweise durch Snubberschaltungen zu schützen. Eine solche Snubberschaltung besteht aus einer RCD- Kombination, die einen Spannungsanstieg beim Übergang aus dem

leitenden in den nichtleitenden Zustand über ein zulässiges du/dt vermeidet, und einem Varistor, der die Spannung über dem IGCT auf ein höchst zulässiges Maß begrenzt. Bevorzugt ist für den Varistor ein MO-Varistor einzusetzen, da dieser eine besonders flache Kennlinie aufweist.

Die Halbleiterschalter werden sekundär angesteuert, d. h., die Fehlerstromerfassung erfolgt mittels Messung und Auswertung des Fehlerkriteriums Stromanstieg.

Ein betrieblicher Überstrom, z. B. aufgrund von Motordirektan- läufen, wie Thruster, muß in die Dimensionierung der Halblei- terschalter einkalkuliert werden. Bei einem Fehlerüberstrom erfolgt die Auslösung ebenfalls über den Sekundärschutz, je- doch mit Hilfe anderer bekannter Kriterien, wie z. B. ein Schutzverfahren, das auf der Auswertung von Strom-i und Stromänderungssignal di/dt beruht. Ein Überstrom-Zeitschutz ist deshalb nicht vorteilhaft, da ein Halbleiterschalter häu- fig so ausgelegt ist, dass er schon weit vor Erreichen des Wertes des prospektiven Kurzschlußstromes zerstört wird und damit jegliche zeitliche Verzögerung vermieden werden muß.

Die galvanische Unterbrechung des Stromkreises erfolgt durch einen in Reihe geschalteten Leistungsschalter. Dieser Leis- tungsschalter kann auch die Back-up-Funktion gewährleisten, wenn der Halbleiterschalter oder seine Ansteuerung versagen.

Besonders vorteilhaft lassen sich Halbleiterschalter in Ab- zweigen einbauen. Da Halbleiterschalter innerhalb von us ab- schalten können, lassen sie sich selektiv zu den vorstehend erläuterten HTSL-Strombegrenzern einsetzen. Der fehlerhafte Abzweig kann abgeschaltet werden, bevor der HTSL- Strombegrenzer anspricht. Die Selektivität wird über den Stromanstieg di/dt oder den Strom i erreicht. Dadurch, dass der Halbleiterschalter in us abschaltet und der HTSL- Strombegrenzer einen Überstrom gemäß seiner i/t-Kennlinie to- leriert, ergibt sich eine dimensionierbare bzw. projektierba-

re, jedoch bezüglich des HTSL-Strombegrenzers nicht einstell- bare Staffelung. Die Sekundärschutzelemente der Halbleiter- schalter können parametriert werden. Eine weitere Stromstaf- felung ist dann nur möglich, wenn auch in der Netzhierarchie unten liegende Verbraucherabzweige mit Halbleiterschaltern ausgerüstet sind. Wird darauf aus Kostengründen verzichtet, so muß auf konventionelle Geräteeinheiten zurückgegriffen werden, was u. U. eine Nichtselektivität in Untergruppen zur Folge hat.

Die Diagnose gestaltet sich dann schwieriger, da ggf. die ge- samte Untergruppe abgeschaltet ist, obwohl möglicherweise nur ein fehlerhafter Abzweig vorliegt. Daher ist es u. U. sinn- voll, Untergruppen diodenentkoppelt mit Gleichspannung zu versorgen.

Bei Versagen des Halbleiterschalters im Abzweig wird der Kurzschlußstrom in der Kupplung durch HTSL-Strombegrenzer be- grenzt, wodurch das betroffene Teilnetz vom nicht betroffenen Teilnetz getrennt wird.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, Halbleiterschal- ter in Netzkupplungen oder Netzüberleitungen einzusetzen. Ei- ne Zerstörung eines Halbleiterschalters im Störungsfall ver- läuft jedoch unvorhersagbar ; es kann ein Kurzschluß entste- hen, z. B. durch Durchlegieren, oder aber auch eine Trennung.

Damit kann der unbedingt zu vermeidende Spannungseinbruch nicht ausgeschlossen werden. Das ist z. B. ein in Reihe ge- schalteter Leistungsschalter, welcher auch Kurzschlussab- schaltvermögen hat und über seine Sekundärschutzeinrichtungen ausgelöst wird.

Eine weitere Ausführungsvariante ist die unmittelbare Reihen- schaltung eines Halbleiterschalters mit einem HTSL- Strombegrenzer, wobei die galvanische Trennung immer durch ein weiteres in Reihe zu setzendes Gerät, wie z. B. einen Leistungs-oder Lastschalter, erfolgen muß.

Mittels der mit den vorstehend beschriebenen Halbleiterschal- tern und HTSL-Strombegrenzern ausgerüsteten erfindungsgemäßen elektrischen Netze lassen sich die thermischen und dynami- schen Beanspruchungen der Anlagen und Geräte im Fehlerfall verringern, wodurch Verbesserungen der Personen-und Anlagen- sicherheit sowie eine Verringerung des Aufwands für Wartung und Instandhaltung erreichbar sind.

Eine komponententechnische galvanische Trennung der Schaltan- lagenteile ist im Falle des erfindungsgemäß ausgebildeten e- lektrischen Netzes auch durch AC-oder Mittelfrequenzschalt- netzteile realisierbar.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen : FIGUR 1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Netzes für Un- ter-und Überwasserfahrzeuge ; und FIGUR 2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen elektrischen Netzes für Unter-und Überwasserfahrzeuge.

Ein in FIGUR 1 beispielhaft gezeigtes elektrisches Netz 1 kommt an Bord von Unter-oder Überwasserfahrzeugen, z. B. an Bord von Marineschiffen, zum Einsatz und ist in-im darge- stellten Ausführungsbeispiel-in drei Schiffssicherungsab- schnitte 2,3 und 4 untergliedert.

Im Schiffssicherungsabschnitt 2 sowie im Schiffssicherungsab- schnitt 4 ist als Elektroenergieerzeugungseinheit jeweils ei- ne Brennstoffzelle 5 vorgesehen. Diese Brennstoffzelle 5, die einen Gleichstrom generiert, speist elektrische Energie über einen DC/AC-Wandler 6 in ein AC-Hauptnetz 7 ein. Die Netz-

spannung wird während der Projektierung optimiert und festge- legt und kann bis zu 15 kV betragen. In FIGUR 1 sind bei- spielhaft AC 3,3kV angegeben. Zwischen dem DC/AC-Wandler 6 und dem Hauptnetz 7 ist ein Leistungs-bzw. Lastschalter 8 vorgesehen.

Im Schiffssicherungsabschnitt 3 sind als Elektroenergieerzeu- gungseinheiten zwei Generatoren 9 vorgesehen, die über je- weils einen Leistungs-bzw. Lastschalter 8 elektrische Ener- gie in das Hauptnetz 7 einspeisen.

Im Schiffssicherungsabschnitt 3 weist das Hauptnetz 7 eine Netzkupplung 10 auf, in der ein Strombegrenzungsgerät in Form eines HTSL-Strombegrenzers 11 angeordnet ist, dem ein Leis- tungsschalter 12 zugeordnet ist. Mittels der Netzkupplung 10 werden im Schiffssicherungsabschnitt 3 zwei Netzteile ausge- bildet, von denen jeweils einer einem der beiden Generatoren 9 zugeordnet ist.

Zwischen dem Schiffssicherungsabschnitt 2 und dem Schiffssi- cherungsabschnitt 3 sowie zwischen dem Schiffssicherungsab- schnitt 3 und dem Schiffssicherungsabschnitt 4 ist jeweils eine Netzüberleitung 13 vorgesehen, mittels der das Hauptnetz 7 über die Grenzen der Schiffssicherungsabschnitte 2,3, 4 verbunden bzw. verbindbar ist. Auch in den beiden in FIGUR 1 gezeigten Netzüberleitungen 13 ist jeweils ein HTSL- Strombegrenzer 11 vorgesehen, dem seitens beider Schiffssi- cherungsabschnitte 2,3 bzw. 3,4 jeweils ein Leistungs-oder Lastschalter 12 zugeordnet ist.

Aus dem Hauptnetz 7 sind die in den FIGUREN nicht gezeigten Schiffsantriebseinheiten mit elektrischer Energie versorgbar.

Dies geschieht, wie sich aus FIGUR 1 prinzipiell ergibt, mit- tels Abzweigen 14, die die in den FIGUREN nicht gezeigten Schiffsantriebseinheiten an das Hauptnetz 7 anschließen.

Des weiteren gehören zu dem in FIGUR 1 gezeigten elektrischen Netz Bordnetzzwischenkreise 15, von denen im in FIGUR 1 ge- zeigten Ausführungsbeispiel in jedem Schiffssicherungsab- schnitt 2,3 und 4 einer vorgesehen ist. Die Bordnetzzwi- schenkreise 15 sind über Abzweige 16 an das Hauptnetz 7 ange- schlossen, wobei jeder Bordnetzzwischenkreis 15 mittels zwei- er Abzweige 16 an das Hauptnetz 7 angeschlossen ist und die einem Bordnetzzwischenkreis 15 zugeordneten Abzweige 16 in unterschiedlichen Schiffssicherungsabschnitten 2,3, 4 an das Hauptnetz 7 angeschlossen sind. So ist beispielsweise der Bordnetzzwischenkreis 15 mittels eines Abzweigs 16 im Schiffssicherungsabschnitt 2 und mittels eines weiteren Ab- zweigs 16 im Schiffssicherungsabschnitt 3 an das Hauptnetz 7 angeschlossen. Der Bordnetzzwischenkreis 15 im Schiffssiche- rungsabschnitt 3 ist mittels eines Abzweigs 16 an das Haupt- netz 7 im Schiffssicherungsabschnitt 2 und mittels eines Ab- zweigs 16 an das Hauptnetz 7 im Schiffssicherungsabschnitt 4 angeschlossen. Der Bordnetzzwischenkreis 15 im Schiffssiche- rungsabschnitt 4 ist mittels eines Abzweigs an das Hauptnetz 7 im Schiffssicherungsabschnitt 4 und mittels eines Abzweigs 16 an das Hauptnetz 7 im Schiffssicherungsabschnitt 3 ange- schlossen.

In jedem Abzweig 16, mittels dem ein Bordnetzzwischenkreis 15 an das Hauptnetz 7 angeschlossen ist, ist ein Halbleiter- schalter 17 für bidirektionalen Strom angeordnet, dem ein Leistungsschalter 12 zugeordnet ist. Des weiteren ist in je- dem Bordnetzzwischenkreis 15 ein Energiespeicher 18 vorgese- hen, der über einen DC/AC-Wandler 19, der optional mit einem Transformator ausgerüstet sein kann, mit dem jeweiligen Bord- netzzwischenkreis 15 verbunden ist.

Die Bordnetzzwischenkreise 15 sind mittels Abzweigen 20, in denen jeweils ein Leistungsschalter 8 vorgesehen ist, an drei Bordnetz-Hauptgruppen angeschlossen, von denen Verbraucherab- zweige 22 zu einzelnen Verbrauchern, die in den FIGUREN nicht dargestellt sind, führen. Spannung und Frequenz der Bordnetz-

Hauptgruppen richten sich nach den Anforderungen der ange- schlossenen Verbraucher und sind in FIGUR 1 beispielhaft mit 3-AC 400 V angegeben.

Das in FIGUR 2 gezeigte elektrische Netz 1 hat ein DC- Hauptnetz, welches entsprechend der anhand FIGUR 1 gezeigten Ausführungsform ebenfalls in die drei Schiffssicherungsab- schnitte 2,3 und 4 untergliedert ist. Die Spannung des Bord- netzes 7 richtet sich nach den Anforderungen der angeschlos- senen Energieerzeugungseinheiten und der Verbraucher sowie an die Gesamtleistung des Netzes und wird während der Projektie- rung optimiert. In FIGUR 2 ist beispielhaft der Bereich DC... nkV angegeben.

In den Schiffssicherungsabschnitten 2 und 4 ist jeweils der Brennstoffzelle 5 ein DC/DC-Wandler bzw. DC/DC-Hochsetz- steller 23 zugeordnet, über die die Brennstoffzellen 5 elekt- rische Energie in das DCl.. nkV-Hauptnetz 7 einspeisen. Ent- sprechend sind die beiden im mittleren Schiffssicherungsab- schnitt 3 vorgesehenen Generatoren 9 über AC/DC-Wandler bzw.

Gleichrichter 24 an das Hauptnetz 7 angeschlossen. Jeder E- lektroenergieerzeugungseinheit 5,9 ist des weiteren ein Leistungs-bzw. Lastschalter 8 zugeordnet. Dieser Leistung- schalter 7 oder ein weiterer Leistungsschalter kann auch zwi- schen Generator und dem Gleichrichter bzw. AC/DC-Umrichter 24 angeordnet sein.

Die Ausgestaltung des Hauptnetzes 7 mit der im Schiffssiche- rungsabschnitt 3 vorgesehenen Netzkupplung 10 und den beiden Netzüberleitungen 13 zwischen dem Schiffssicherungsabschnitt 2 und dem Schiffssicherungsabschnitt 3 bzw. dem Schiffssiche- rungsabschnitt 3 und dem Schiffssicherungsabschnitt 4 ent- spricht derjenigen des in FIGUR 1 gezeigten elektrischen Net- zes 1.

Ober die Abzweige 14 werden aus dem Hauptnetz 7 heraus die Schiffsantriebseinheiten, die in FIGUR 2 nicht gezeigt sind,

mit elektrischer Energie versorgt. Es sei darauf hingewiesen, dass die beiden im Schiffssicherungsabschnitt 2 und im Schiffssicherungsabschnitt 4 angeordneten, zu den Schiffsan- triebseinheiten führenden Abzweige 14 mit Halbleiterschaltern 25 für unidirektionalen Strom versehen sind, denen jeweils ein Leistungsschalter 12 zugeordnet ist.

Aus dem DC-Hauptnetz 7 werden des weiteren die drei Bordnetz- zwischenkreise 15 mit elektrischer Energie versorgt. Hierzu ist der Bordnetzzwischenkreis 15 im Schiffssicherungsab- schnitt 2 über einen Abzweig 16 an das Hauptnetz 7 im Schiffssicherungsabschnitt 2 und über einen Abzweig 16 an das Hauptnetz 7 im Schiffssicherungsabschnitt 3 angeschlossen. In jedem dieser beiden Abzweige 16 ist ein Halbleiterschalter 25 für unidirektionalen Strom in Kombination mit einem Leis- tungsschalter 12 und einer Diode 26 angeordnet, wobei es sich bei der Diode 26 um ein optionales Bauteil handelt, das der Entkopplung der Leitungen zwischen verschiedenen Schiffssi- cherungsabschnitten im Fehlerfall dient.

Der Bordnetzzwischenkreis 15 im Schiffssicherungsabschnitt 3 ist über ebenfalls zwei wie vorstehend beschrieben ausgestal- tete Abzweige 16 an das Hauptnetz 7 im Schiffssicherungsab- schnitt 2 und im Schiffssicherungsabschnitt 4 angeschlossen.

Entsprechend ist der Bordnetzzwischenkreis 15 im Schiffssi- cherungsabschnitt 4 über zwei wie vorstehend beschrieben aus- gestaltete Abzweige 16 an das Hauptnetz 7 im Schiffssiche- rungsabschnitt 3 und im Schiffssicherungsabschnitt 4 ange- schlossen.

Den Bordnetzzwischenkreisen 15 in den Schiffssicherungsab- schnitten 2,3 und 4 ist jeweils ein Energiespeicher 18 zuge- ordnet, der über einen Halbleiterschalter 25 für unidirektio- nalen Strom ge-bzw. entladen wird.

Der Bordnetzzwischenkreis 15 jedes Schiffssicherungsab- schnitts 2,3 und 4 ist über einen Abzweig 20 an drei

-AC400V-Bordnetz-Hauptgruppen 21 angeschlossen, wobei in je- <BR> <BR> dem Abzweig 20 ein DC/AC-Wandler bzw. -Tiefsetzsteller 27 in Verbindung mit einem Leistungsschalter 8 angeordnet ist.

Über die Verbraucherabzweige 22 werden aus den Bordnetz- Hauptgruppen 21 die einzelnen Verbraucher mit elektrischer E- nergie versorgt.

Bei den in den FIGUREN 1 und 2 näher erläuterten elektrischen Netzen 1 sind die in den unterschiedlichen Schiffssicher- heitsabschnitten 2,3 und 4 angeordneten Netzteile in geeig- neter Weise miteinander gekuppelt. Für den Fall eines Kurz- schlusses im Schiffssicherheitsabschnitt 2 wird der Kurz- schlussstromanteil aus dem Schiffssicherheitsabschnitt 3 durch den HTSL-Strombegrenzer 11 in der Netzüberleitung 13 zwischen dem Schiffssicherheitsabschnitt 2 und dem Schiffssi- cherheitsabschnitt 3 begrenzt ; durch diese Netzüberleitung 13 zwischen dem Schiffssicherheitsabschnitt 2 und dem Schiffssi- cherheitsabschnitt 3 fließt nur noch der begrenzte Strom, da- mit bleiben der Schiffssicherheitsabschnitt 3 und der Schiffssicherheitsabschnitt 4 ohne spürbaren Spannungsein- bruch. Der zusätzliche Betrag des begrenzten Stromes muß im Selektivschutz des Generatorschalters berücksichtigt werden, d. h. ggf. Überstrom über den Generatorschalter.

Ist im Schiffssicherheitsabschnitt 2, z. B. im Abzweig 20, ein Kurzschluß, so ist mittels der Halbleiterschalter 17 bzw. 25 in den beiden Abzweigen 16, mittels denen der Bordnetzzwi- schenkreis 15 im ersten Schiffssicherungsabschnitt an das Hauptnetz 7 angeschlossen ist, eine selektive Abzweigabschal- tung möglich ; sofern der Spannungseinbruch kurzgehalten wer- den kann, kann ggf. das Hauptnetz 7 auch im Schiffssicher- heitsabschnitt 2 aufrecht erhalten werden.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Unterverteilungen 21 ggf. über das Kriterium Strom-i und Stromänderung di/dt mit Halbleiterschaltern oder aber konventionell über

Strom/Zeitstaffelung zu schützen, wobei hier die eingeleite- ten Schutzmaßnahmen nach der Wichtigkeit gewählt werden.

Wenn die Unterverteilung 21 konventionell über Strom/Zeitstaffelung geschützt wird, darf der Strom niemals den für die Halbleiterschalter 17 bzw. 25 zulässigen Wert ü- berschreiten.

Gegebenenfalls müssen in nachgeordneten Teilnetzen ebenfalls Halbleiterschalter eingesetzt werden und eine Selektivi- tät/Back-up-Funktion über eine Kommunikation zwischen den Halbleiterschaltern gewährleistet sein.

Aufgrund der Funktion des HTSL-Strombegrenzers 11 wird die Netzüberleitung 13 zwischen dem Schiffssicherungsabschnitt 2 und dem Schiffssicherungsabschnitt 3 ausgeschaltet ; sie kann unmittelbar nach Klärung des fehlerhaften Abzweigs, mittels der Halbleiterschalter 17 bzw. 25, wieder eingeschaltet wer- den.

Jeder HTSL-Strombegrenzer 11 hat im supraleitenden Zustand einen nicht meßbaren, vernachlässigbar kleinen elektrischen Widerstand. Im Falle eines Stromes, der oberhalb des Bemes- sungsstroms liegt, steigt der elektrische Widerstand des HTSL-Strombegrenzers 11 sprungartig an, bis sein supraleiten- der Zustand in seinen normalleitenden Zustand überwechselt.

Der HTSL-Strombegrenzer bzw. dessen Supraleiter nimmt dann einen endlichen Widerstand an, bis er wieder zurückgekühlt wird.

In einem Stromnetz wird der HTSL-Strombegrenzer 11-wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen-in Ver- bindung mit einem galvanisch trennenden Element mit Aus- schaltvermögen eingesetzt ; im Falle der Ausführungsbeispiele ist als solches der Leistungsschalter 12 vorgesehen. Auch der Einsatz von Lastschaltern ist möglich.

Zum Schutz einer Elektroenergieerzeugungseinheit oder eines Verbrauchers kann eine Kombination aus einem HTSL- Strombegrenzer, einem Halbleiterschalter und einem Leistungs- bzw. Lastschalter vorteilhaft sein.

Bei den in den FIGUREN 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispie- len des erfindungsgemäßen elektrischen Netzes 1 handelt es sich um Schiffsnetze. Als Vorzugsvariante ist die in FIGUR 2 angegebene Kombination aus AC-und DC-Netzen anzusehen.

Als Elektroenergieerzeugungseinheiten können beispielsweise Brennstoffzellen, Solarzellen, Gasturbosätze und Dieselgene- ratorsätze zum Einsatz kommen.

Die Energiespeicher 18, z. B. auch Supercaps, können bei- spielsweise in Form von Batterien, Kondensatoren, Schwungrad- generatoren, supraleitenden Magnetenergiespeichern etc. aus- geführt sein, wobei allen genannten Energiespeichern im Falle der in FIGUR 2 gezeigten Vorzugsvariante gemeinsam ist, dass sie über Halbleiterschalter 25 zur Reserveenergieeinspeisung an die zugeordnete Verbraucherebene zugeschaltet werden müs- sen.

Es sind verschiedene vorzugshalber zu verwendende Spannungs- ebenen, vorzugshalber für entsprechende Übertragungsleistun- gen, möglich : - >LMVA in Mittelspannung DC 1kV bis DC 15kV, vorzugshalber jedoch DC 1kV bis DC 6kV, - >1MVA in Mittelspannung 16 2/3Hz oder 50Hz oder 60 Hz Wechselstrom-oder Drehstromsystem AC 1kV bis AC 24kV, vorzugshalber jedoch in den Spannungsreihen nach ANSI oder IEC ; z. B. nach IEC 3-AC 3,6kV ; 3-AC 7,2kV ; 3-AC 12kV ; 3-AC 17,5kV ; 3-AC 24kV, - <1MVA bis zu mehreren MVA in Niederspannung <lkV, vorzugshalber jedoch in den bekannten 60Hz bzw. 50Hz AC Betriebsspannungen, z. B. 380V, 400V, 415V, 480V, 690V

jeweils AC oder z. B. DC 220V, 440V, 660V, 880V oder aber verschiedene Bereiche abdeckend, da bestimmte Elemente, z. B. Batterien, eine stark ladezustandsabhängige und Brennstoffzellensysteme eine stark stromabhängige Span- nungskennlinie haben.

Das Schiffsnetz hat ein Erdungs-und Potentialsystem, welches nach einer der Varianten nach VDE DIN bzw. IEC ausgeführt wird ; vorzugsweise hat das Schiffsnetz einen isolierten Sternpunkt bei AC-Mittel-bzw.-Niederspannung, wobei für Gleichspannungsnetze ebenfalls ein isoliertes System (IT- Netz) möglich ist. Das isolierte System ist bevorzugt, weil ein Erdschluß einer Phase nicht sofort zum Kurzschluß führt.

Die HTSL-Strombegrenzer können an Quellen, z. B. an Generato- ren, Batterien, Brennstoffzellen od. dgl., angeordnet werden, vorzugshalber sind sie jedoch in Kupplungen oder Überleitun- gen anzuordnen.

Die Halbleiterschalter können ebenfalls an Quellen, z. B. Ge- neratoren, Batterien, Brennstoffzellen, in Kupplungen oder Ü- berleitungen angeordnet werden ; vorzugsweise können derartige Halbleiterschalter jedoch in Abzweigen mit unidirektionaler Stromrichtung angeordnet werden, wobei sie so dimensioniert werden, dass ein selektiver Schutz realisiert werden kann.