Isolationsüberwachung für elektrische Systeme in Flugzeugen
Die großen Passagierflugzeuge von heute sind auf Niederspannungs-Verteilersysteme angewiesen, die von der Avionik und der Steuerung bis hin zur Beleuchtung und dem Unterhaltungsprogramm an Bord alles versorgen. Mit der zunehmenden Elektrifizierung der Flugzeuge sind jedoch auch höhere Spannungen erforderlich. „Angesichts des prognostizierten Anstiegs der Nachfrage nach Hochspannungsstrom in großen Passagierflugzeugen und anderen elektrischen Flugzeugkonzepten sind neue elektrische Verteilungssysteme nötig, um sichere, leichte und hocheffiziente elektrische Antriebssysteme zu konzipieren“, erklärt Antonio Griffo, Professor für Leistungselektronik und elektrische Antriebe an der Universität Sheffield(öffnet in neuem Fenster). Höhere Spannungen bedeuten aber auch eine stärkere Beanspruchung der elektrischen Isolierung von Kabeln, Maschinen und Bauteilen. Das bedeutet auch, dass die Isolationsüberwachung und die Fehlererkennung in sicherheitskritischen Systemen, wie der Stromversorgung von Flugzeugen, von entscheidender Bedeutung sind. Hier kommt das EU-finanzierte Projekt IMITAES(öffnet in neuem Fenster) ins Spiel. Im Rahmen des Projekts, das von dem Gemeinsamen Unternehmen Clean Sky 2(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurde, wurden innovative Isolationsüberwachungssysteme entworfen, demonstriert und geliefert, die speziell auf die Anforderungen der Luft- und Raumfahrt zugeschnitten sind.
IT-Erdung
Bei den Stromverteilungssystemen der meisten konventionellen Flugzeuge dient die metallische Flugzeugzelle als Erdungssystem. Die Erdung bei den Elektroflugzeugen der Zukunft muss jedoch robuster sein. Eine Alternative ist die IT-Erdung (Isolation Terra), die sich dadurch auszeichnet, dass keine absichtliche leitende Verbindung zur Erdung vorhanden ist. Ein Erdungssystem besteht aus einer Reihe von Leitern und Elektroden, die im Falle eines Fehlers oder einer Störung einen Pfad mit niedrigem Widerstand bilden, um den Strom zur Erde umzuleiten. Auf diese Weise wird die Sicherheit der Fahrgäste und der Besatzung sowie die durchgehende Funktion der Bordausrüstung des Flugzeugs gewährleistet. „In elektrischen Hochleistungssysteme in hochzuverlässigen Anwendungen kommen oft IT-Erdungen zum Einsatz, die Vorteile wie Fehlerstrommanagement und die fortlaufende Funktion nach einem Fehler bieten“, sagt Griffo, der Projektkoordinator von IMITAES. Die IT-Erdung bringt jedoch auch neue Herausforderungen mit sich, z. B. die Möglichkeit, zu überwachen und korrekt zu bestimmen, wann ein Isolationsfehler aufgetreten ist.
Überwachung elektrischer Systeme mit IT-Erdung
Trotz der entscheidenden Funktion der Isolationsüberwachung bei der Gewährleistung der Sicherheit von Flugzeugen wurden sie im Großen und Ganzen noch nicht für die Anwendung in der Luft- und Raumfahrt getestet, erprobt, optimiert oder kommerzialisiert. Zumindest bis jetzt. Durch die Arbeit im Rahmen des IMITAES-Projekts könnte eine solche Technologie bald marktreif sein. „Wir haben mit Rolls Royce(öffnet in neuem Fenster) zusammengearbeitet, einem Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und Bereitstellung komplexer Energie- und Antriebslösungen für sicherheitskritische Flugzeuganwendungen spezialisiert hat, um die spezifischen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt einzubeziehen“, erklärt Griffo. Auf der Grundlage dieser Spezifikationen und in Zusammenarbeit mit Bender(öffnet in neuem Fenster), einem führenden Anbieter von Systemen für die elektrische Sicherheit, wurde im Rahmen des Projekts eine Reihe von Modellen und Prototypen für die Überwachung von elektrischen Systemen mit IT-Erdung aufgestellt. Jede Lösung wurde anhand einer umfangreichen Versuchsreihe verifiziert und validiert. Die Versuchsumgebung spiegelte dabei auf das Energiesystems eines Flugzeugs wieder.
Die Elektrifizierung der Flugzeuge von morgen schon heute
Das IMITAES-Team arbeitet derzeit daran, die Überwachungslösungen weiter auszureifen und sie für die Erprobung in der Praxis vorzubereiten. Die Forschenden stehen auch mit Normungsausschüssen in Kontakt, um sicherzustellen, dass die Isolationsüberwachung in künftigen Flugzeugen zur Standardausrüstung gehört. „All diese Arbeit stützt die Einführung von Systemen mit IT-Erdung und letztlich die weitere Elektrifizierung der Flugzeuge von morgen“, so Griffo abschließend.
Schlüsselbegriffe
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