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Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromkreises
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromkreises,
die für die Verwendung in Gleichstromübertragungssystemen mit hoher Spannung und
großer Kapazität geeignet ist.
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Bei einem Unterbrecher in einem Wechselstromkreis wird ein zwischen
getrennten Kontakten gezündeter Lichtbogen gelöscht, wenn der Strom durch Null geht.
Bei einem Gleichstromnetz gehen Strom und Spannung aber nicht durch Null, und es
müssen deshalb Strom und Spannung stark verringert werden. Für diesen Zweck sind
zahlreiche Vorrichtungen vorgeschlagen worden.
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Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer solchen Vorrichtung, in welcher ein
Stromkreisunterbrecher CB in Form eines Vakuumschalters oder eines Stromkreisunterbrechers,
bei dem ein den Lichtbogen löschendes Medium, wie SF6, Luft, Öl usw. verwendet ist,
in Reihe mit einer Gleichstromleitung geschaltet ist, wobei eine Oszillatorschaltung
mit einem Kondensator C, einer Spule L und ein Schalter S parallel zum Stromkreisunterbrecher
CB geschaltet ist. Wenn der
Stromkreisunterbrecher CB geöffnet wird,
wird der Schalter S geschlossen, um einen oszillierenden Entladungsstrom des Kondensators
C durch den zwischen den Kontakten des Stromkreisunterbrechers CB brennenden Lichtbogen
fließen zu lassen, wodurch in dem zu unterbrechenden Strom ein Nulldurchgang erzeugt
wird.
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Fig. 2 zeigt einen Teil eines Gleichstromübertragungssystems unter
Verwendung einer Stromkreis-Unterbrechungsvorrichtung nach Fig. 1, wobei Tr einen
Transformator, Re einen Gleichrichter oder Umformer, Ls eine Glättungs-Drosselspule
und F einen Filter mit einem Kondensator bezeichnet. Wenn der Gleichstrom I durch
den oszillierenden Hochfrequenz-Entladungsstrom unterbrochen wird, wird in der Glättungs-Drosselspule
LS die Energie 1/2 LS I2 gespeichert, wobei LS die Induktivität bedeutet. Diese
Energie lädt den Kondensator des Filters F auf eine übermäßig hohe Spannung auf.
Um eine solche übermäßige Spannung zu vermeiden, ist eine in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung
entwickelt worden, in welcher R einen Widerstand für die Aufladung des Kondensators
C, R ein nicht lineares Widerstands-5 element aus Siliziumkarbid als charakteristisches
Element eines Ableiters und TR1, TR2, TR3 Triggerspalte bezeichnen, d.h. Lichtbogenspalte,
die mit Triggerelektroden versehen sind, wie es später im einzelnen beschrieben
ist. Gleichzeitig mit der Öffnung des Stromkreisunterbrechers CB wird der Trigger-Spalt
TG1 gezündet, wodurch über den Lichtbogen des Stromkreisunterbrechers CB ein oszillierender
Entladungsstrom 10 durch den Lichtbogen fließt und den Strom I unterbricht. Die
oben beschriebene übermäßige Spannung
steuert den Trigger-Spalt
TG2, wodurch die in der Glättungs-Drosselspule gespeicherte Energie durch das nicht
lineare Widerstandselement R5 abgeleitet und die übermäßige Spannung unterdrückt
wird.
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Danach fließt ein Gleichstrom entsprechend der Gleichspannung der
übertragungsleitung durch den Trigger-Spalt TG2 und das nicht lineare Widerstandselement
Rs. Wenn der Trigger-Spalt TG3 nach Unterdrückung der übermäßigen Spannung angesteuert
wird, fließt oszillierender Entladungsstrom I1 des Kondensators C über beide Trigger-Spalten
TG2 und TG3, wodurch der durch den Trigger-Spalt TG2 fließende Strom unterbrochen
wird. Wenn die Isolationsfestigkeit des Trigger-Spaltes TG2 wieder erreicht ist,
wird das nicht lineare Widerstandselement Rs von der übertragungsleitung isoliert.
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Eine weitere Gleichstrom-Unterbrechungsvorrichtung, wie sie in Fig.
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4 gezeigt ist, ist ebenfalls entwickelt worden, in welcher eine Reihenschaltung
mit einem nicht linearen Widerstandselement Rs und ein Stromkreisunterbrecher CB1
parallel zu einem Gleichstrom-Unterbrecher CB geschaltet sind. Wenn der Stromkreisunterbrecher
CB geöffnet wird, erscheint an den getrennten Kontakten des Stromkreisunterbrechers
eine hohe Abschaltspannung, so daß der zu unterbrechende Strom I zum nicht linearen
Widerstandselement Rs übertragen wird.
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Der durch das Widerstandselement Rs fließende Strom 11 ist kleiner
als der zu unterbrechende Strom. Danach wird der Stromkreisunterbrecher CB1 geöffnet,
um den Strom I1 zu unterbrechen. Da zu dieser Zeit der Strom r1 durch das Widerstandselement
Rs begrenzt ist, ist die Unterbrechung leicht. Wenn die Stromkreis-Unterbrechervorrichtung
nach Fig.4 in dem Gleichstrom-Ubertragungssystem nach
Fig. 2 verwendet
wird, wird die in der Glättungs-Drosselspule LS gespeicherte Energie durch die Lichtbögen
der Stromkreisunterbrecher CB und CB1 und das Widerstandselement 4 abgeführt.
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Gleichstrom-Unterbrechervorrichtungen sind im allgemeinen an beiden
Enden mit einer Gleichstrom-Ubertragungsleitung verbunden, wie es in Fig. 5 gezeigt
ist, in welcher DCCB1 und DCCB2 Gleichstrom-Unterbrechervorrichtungen, LS1 und LS2
Glättungs-Drosselspulen, F1 und F2 Filter, Re1 ein Gleichrichter (oder Umformer)
und Re2 ein Umformer (oder Gleichrichter) sind. Wenn eine Gleichstrom-Unterbrechervorrichtung
gemäß Fig. 3 verwendet wird und wenn in der Ubertragungsleitung ein Fehler auftritt,
wird die durch die Glättungs-Drosselspule LS1 hervorgerufene übermäßige Spannung
durch das zugeordnete nicht lineare Widerstandselement Rs unterdrückt, jedoch wird
die durch die Glättungs-Drosselspule LS2 am gegenüberliegenden Ende hervorgerufene
übermäßige Spannung nicht unterdrückt werden kann, weil der Stromkreisunterbrecher
DCCB2 nicht geöffnet wird. Wenn andererseits die Stromkreis-Unterbrechervorrichtung
nach Fig. 4 in einer Gleichstrom-Ubertragungsleitung verwendet wird, könnte die
Energie beider Glättungs-Drosselspulen LS1 und LS2 absorbiert werden. Mit der in
Fig. 4 dargestellten Konstruktion ergibt sich aber eine komplizierte und teure Konstruktion,
da es notwendig ist, für die Unterbrechung des Stromflusses durch das Widerstandselement
einen zusätzlichen Stromkreisunterbrecher CB2 zu verwenden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum
Unterbrechen
eines Gleichstromkreises zu schaffen, deren Konstruktion einfach ist und die einen
großen Gleichstrom bei hoher Spannung schnell unterbrechen kann. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromkreises
mit einem Unterbrecher, mit einer einen Kondensator und eine Spule enthaltenden
Oszillatorschaltung, mit einer Schaltvorrichtung, welche bei Öffnung des Unterbrechers
diesem die Oszillatorschaltung parallelschaltet, und mit einem Widerstand für die
Aufladung des Kondensators, parallel zur Oszillatorschaltung ein nicht linearer
Widerstand geschaltet ist, der eine gesinterte Metalloxidmischung enthält. Diese
Metalloxidmischung kann aus ZnO, MgO, CoO, NiO, Sb2O3 oder Bs 203 bestehen.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1: ein Schaltbild einer Gleichstrom-Unterbrechervorrichtung
mit einem Lichtbogen-Löschkreis gemäß dem Stand der Technik, Fig. 2: ein Schaltbild,
das ein Ende einer Gleichstrom-tJbertragungsleitung zeigt, wobei die in Fig. 1 gezeigte
Unterbrechervorrichtung verwendet ist, Fig. 3 Schaltbilder, welche weitere bekannte
Beispiele an Gleich-und 4: strom-Unterbrechervorrichtungen zeigen, Fig. 5: ein Schaltbild
einer Gleichstrom-Ubertragungsleitung, Fig. 6: ein Schaltbild, welches ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt,
Fig. 7: eine graphische Darstellung, welche
die Spannungs-Strom-Charakteristik eines nicht linearen Widerstandselementes zeigt,
das in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 verwendet ist, und Fig. 8, Schaltbilder,
welche abgewandelte Ausführungen der Erfin-9 u.10: dung darstellen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in
Fig. 6 gezeigt ist, ist ein Haupt-Stromkreisunterbrecher CB in Reihe mit einem Leiter
10 einer Gleichstrom-Ubertragungsleitung 1 geschaltet, und es ist eine Reihenschaltung
aus einem nicht linearen Widerstandselement RN und einem Trigger-Spalt TG parallel
zum Haupt-Stromkreisunterbrecher CB geschaltet. Wie allgemein bekannt, ist ein Trigger-Spalt
ein Entladungsspalt, der mit einer Trigger-Elektrode versehen ist, die nahe einer
Spaltelektrode angeordnet ist, wobei ein Lichtbogen zwischen den Spaltelektroden
gezündet wird, wenn der Trigger-Elektrode ein Trigger-Impuls zugeführt wird. Eine
Oszillator-Schaltung mit einem Kondensator C und einer Drosselspule L ist parallel
zum nicht linearen Widerstandselement RN geschaltet, und es ist ein Widerstand R
für die Aufladung des Kondensators C an die Verbindung zwischen der Drosselspule
L und dem Trigger-Spalt TG geführt. Das andere Ende des Widerstandes R ist mit dem
anderen Leiter 11 der Ubertragungsleitung verbunden.
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Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines nicht
linearen Widerstandes aus einer gesinterten Metalloxid-Mischung.
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Nach einem Beispiel hat die Mischung folgende Zusammensetzung:
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bis 12 Mol % ZnO, 12 bis 8 Mol % MeO (wobei MeO wenigstens eines der Bestandteile
MgO, CoO und NiO darstellt), 1 bis 30 Mol % So203 und 0,5 bis 10 Gew.-% BiLO 23
2 3 Nach einem anderen Beispiel hat die Mischung folgende Zusammensetzung: 0,08
bis 4,0 Mol % Bi2O3, 0,05 bis 4,5 Mol % CoO, 0,07 bis 5,0 Mol % Mno, 0,05 bis 6,0
Mol % Sb2O3 und Rest ZnO. Viele andere ähnliche Metalloxidwiderstände mit nicht
linearer Kennlinie sind allgemein bekannt. Ein solcher nicht linearer Widerstand
hat eine Spannungs-Strom-Kennlinie, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Wie ersichtlich,
hat der Widerstand eine beträchtliche nicht lineare oder negative Widerstandskennlinie,
so daß, wenn die Spannung über dem Widerstand einen kritischen Wert E überschreitet,
der Strom 0 stark anwächst, während, solange die Leitungsspannung E niedriger als
der kritische Wert E ist, ein Strom mit vernachlässigbarem 0 Wert in der Größenordnung
von Milliampere fließt. Außerdem wird der Widerstand RN nicht thermisch beschädigt,
und zwar auch dann nicht, wenn eine normale Gleichspannung E, die nur wenig niedriger
als der kritische Wert E ist, ständig zugeführt wird. Aus diesem 0 Grunde wird der
Widerstand RN nicht thermisch beschädigt, obwohl er parallel zum Kondensator C geschaltet
ist, der durch den Widerstand R auf die Leitungsspannug E aufgeladen wird. Obgleich
die Ladung des Kondensators C sich normalerweise durch den Widerstand RN entlädt,
ist ein solcher Entladungsstrom klein, weil die Leitungsspannung E so gewählt ist,
daß sie niedriger ist als die kritische Spannung Eo, und es wird der Strom ergänzt
durch den ladestrom
durch den Widerstand R.
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Wenn ein Kurzschluß oder eine andere abnormale Bedingung in der Gleichstrom-Ubertragungsleitung
auftritt, wird der Stromkreis-Unterbrecher CB geöffnet, und es wird gleichzeitig
der Trigger-Spalt TG zu einer Entladung veranlaßt. Dann wird der Lichtbogen des
Stromkreisunterbrechers CB durch den oszillierenden Entladungsstrom lo in einer
solchen Weise gelöscht, wie es oben beschrieben worden ist. Aufgrund der in der
Glättungs-Drosselspule gespeicherten Energie wird eine steile Schaltspannung an
den nicht linearen Widerstand angelegt, die größer ist als die kritische Spannung
Eo, wodurch der Strom I zum nicht linearen Widerstand RN übertragen wird. Wenn im
einzelnen in einem Gleichstrom-Ubertragungssystem, wie es in Fig. 5 gezeigt ist,
nach Ableitung der in den Glättungs-Drosselspulen LS1 und LS2 gespeicherten Energie,
das ist 1/2 LS1 12+ 1/2LS212, durch den nicht linearen Widerstand RN erfolgt ist,
nimmt der durch diesen Widerstand fließende Strom auf einen geringen Wert ab. Es
fließt dann ein Strom durch den Trigger-Spalt TG, der gleich der Summe dieses kleinen
Wertes und dem durch den Ladekreis fließenden Strom ist. Eine solche kleine Stromsumme
kann leicht durch den Trigger-Spalt gelöscht werden, und es ist der Gleichstromkreis
vollständig unterbrochen.
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Die obige Beschreibung betrifft einen durchgehenden Fehler, jedoch
ist bei einem inneren Fehler, wie es durch eine gestrichelte Linie in Fig. 5 gezeigt
ist, die Energie, die durch den nicht linearen Widerstand verbraucht wird, die in
der Drosselspule LS 1 gespeicherte
Energie, und es ist der Strom,
der unterbrochen werden soll, der Reststrom des nicht linearen Widerstandes.
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Da der Strom, der durch den Trigger-Spalt unterbrochen werden soll,
klein ist, d.h. in der Größenordnung von 1 Ampere, kann der Trigger-Spalt durch
einen einfachen mechanischen Schalter ersetzt werden.
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Da bei der oben beschriebenen Gleichstrom-Unterbrechervorrichtung
der Widerstandswert des nicht linearen Widerstandes abnimmt, ist die Spannung über
dem Widerstand klein, wenn der zu unterbrechende Strom hierhin übertragen wird.
Dies ist wünschenswert, weil es möglich ist, die übermäßige Spannung des Gleichstrom-Übertragungssystems
zu bekämpfen. Wenn jedoch der Widerstandswert des nicht linearen Widerstandes klein
ist, wird der normalerweise durch ihn vom Kondensator her fließende Strom übermäßig
groß, wodurch der nicht lineare Widerstand beschädigt wird.
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In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist ein Widerstand
R2 parallel zu einem nicht linearen Widerstand RN geschaltet. Durch Auswahl des
Wertes des Widerstandes R2 um eine Größenordnung kleiner als der nicht lineare Widerstand
ist es möglich, die Gleichspannung auf die Widerstände R und R2 aufzuteilen. Wenn
R=R2, so wird nur die hälfte der Gleichspannung dem nicht linearen Widerstand zugeführt,
wodurch der normalerweise durch ihn fließende Strom herabgesetzt wird. Mit anderen
Worten ist es möglich, den Widerstandswert des nicht linearen Widerstandes bei normaler
Spannung herabzusetzen.
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In dem in Fig. 9 gezeigten Fall enthält der Trigger-Spalt TG mit Abstand
angeordnete Haupt-Entladungselektroden 1 und 2 und eine Trigger-Elektrode 3, die
nahe der Hauptelektrode 1 angeordnet ist, die mit der Leitung verbunden ist. In
diesem Falle ist eine Klemme des nicht linearen Widerstandes RN mit der Trigger-Elektrode
3 verbunden, so daß diese Elektrode durch die Schaltspannung am Stromkreisunterbrecher
CB betätigt wird. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß diese Ausführung in der
gleichen Weise arbeitet wie die Ausführung nach Fig. 6, daß sie aber insofern vorteilhaft
ist, als es nicht erforderich ist, eine besondere Stromimpulsquelle zu verwenden,
welche die Trigger-Elektrode 3 betätigt.
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Bei einer anderen Ausführung gemäß Fig. 10 ist ein Widerstand R2 parallel
zum nicht linearen Widerstand RN geschaltet, und es ist ein Kondensator C2 über
die Haupt-Entladungselektrode 1 und die Trigger-Elektrode 3 geschaltet. Mit dieser
Anordnung wird der größte Teil der Lichtbogenspannung der Hauptelektrode 1 und der
Trigger-Elektrode 3 aufgedrückt, so daß ein großer Lichtbogen hierzwischen erzeugt
werden kann, wodurch ein sofortiges Ansprechen des Trigger-Spaltes sichergestellt
ist.
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Mit den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungen ist es möglich,
einen nicht linearen Widerstand gegen den den Kondensator ladenden Widerstand R
auszutauschen oder einen nicht linearen Widerstand zum Widerstand R parallel zu
schalten.
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L e e r s e i t e