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Einrichtung zur Regulierung von Wechselstromfernleitungen.
Bei Wechselstromfernübertragungen wünscht man im allgemeinen bei veränderlicher Stromstärke die Spannung konstant zu halten, um sowohl am Erzeuger-und Verbraueherende als auch in beliebigen Zwischenstationen unmittelbaren Anschluss an die üblichen Verteilungsnetze vornehmen zu können.
Nun bewirkt aber einerseits die hohe Selbstinduktion solcher Leitungen erhebliche induktive Spannungsunterschiede, anderseits bewirkt die grosse Kapazität derartiger Hochspannungsfreileitungen oder Kabel das Auftreten starker Ladeströme, die auch wieder Spannungsunterschiede im Gefolge haben. Man muss daher derartige Leitungen mit ihren schädlichen Blindströmen und Blindspannungen durch zusätzliche Einrichtungen regeln, die durch Zuführung äusserer Blindstrome oder Blindspannungen die schädlichen Effekte kompensieren und dadurch das Spannungsniveau der Leitung erhalten. Es sind eine Reihe von Methoden bekannt geworden, wie man derartige Kompensierungseinriehtungen anordnet. Man kann die äusseren Blindleistungserzeuger sowohl parallel wie in Serie zur Leitung schalten.
Man kann als Blindleistungserzeuger Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen, Drosselspule, Kondensatoren usw. verwenden, die in den verschiedensten Schaltungen und Betriebsweisen angewendet werden können.
Zweck der Erfindung ist. eine einfache und exakte Methode anzugeben, mit der diese Blindleistungseinrichtungen zur Kompensierung der Leitung geregelt werden können, und zweckmässige Regelungsmechanismenhiefürzuentwickeln.
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sein. In allen Stationen S wird der Leitung in beliebigem Wechsel Leistung zugeführt oder von ihr entnommen und ausserdem sind in diesen Stationen die Kopensierungseinrichtungen angeordnet. Diese sollen in jeder Station so bemessen sein, dass sie vorwiegend einen bestimmten Teil der Leitung, etwa die Hälfte jedes Leitungsabschnittes, zwischen den einzelnen Stationen kompensieren können.
Es ist nun bekannt, dass man bei langen Weehselstromleitungen am zweckmässigsten in einem solchen Betriebszustande fährt, dass das Verhältnis von Spannung und Strom mit dem resultierenden Wellenwiderstand der Leitung übereinstimmt, dass also
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im allgemeinen spannungsabhängig und zählt mit zur linken Seite der Gleichung (2).
In jedem Falle sind also die Blindleistungen der äusseren Kompensierungseinrichtungen der Leitung in die Leistungsbilanz der Gleichung (2) einzubeziehen, wenn man vollkommenen Ausgleich der Blindleistungen in jedem
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nommenen oder zugeführten Blindkomponenten der Scheinleistungen etwa angeschlossener Netze oder Stromverbraucher sind in dieser Energiebilanz der Blindleistung mitzuzählen.
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Am Beispiel einer Parallelzuitihrung der kompensierenden Blindleistung in einer Station sollen die Verhältnisse näher erläutert werden.
In Fig. 2 bedeutet wieder F die Fernleitung, S die Sammel- schiene einer Station, an die einerseits das beliebig geartete Netz N angeschlossen ist, das Wirk-oder Blindströme in beliebigem Wechsel abgeben oder aufnehmen kann, und anderseits die Kompensierungseinrichtung K, die hier als Synchronmaschine gezeichnet ist, mit ihrem Erregerstromregulator B. Schreibt man die Gleichung (2) in der Form
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so bedeutet darin JI, den gesamten, dem Leitungsabschnitt zugeführten Blindstrom, der sowohl aus dem Ladestrom der Leitung Je als auch aus dem magnetisierenden Blindstromanteil Js. sin T der Station besteht.
Die linke Seite in Gleichung (3) lässt sich daher schreiben
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Seite der Gleichung (2) und (3) besteht aus zwei Summanden, nämlich den Blindleistungen des linken und des rechten Zweiges, die der Station zur Kompensierung zugeordnet sind, und die man getrennt behandeln muss, weil sie verschieden grosse Ströme fuhren können. Es ist daher
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Das Gleichgewicht der Blindleistungen in den Streckenabschnitten dieser Station ist daher nach Ein-
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Um einen dieser Gleichgewichtsbedingung entsprechenden Indikator nach der Erfindung zu bauen, kann man beispielsweise ein Relais benutzen, auf dessen beweglichen Teil mechanische Kräfte wirken, die den einzelnen Gliedern dieser Gleichung proportional sind.
In Fig. 2 sind zu dem Zweck vier Berrarisscheiben auf einer Welle angeordnet, die von vier zweispuligen Magnetsystemen beeinflusst werden. Im untersten Element 1 werden beide Spulen von der Spannung E der Fernleitung in der Station beeinflusst, so dass es ein Moment entsprechend E2 entwickelt. Durch geeignete Bemessung und gegebenenfalls durch Einregulierung soll der Proportionalitätsfaktor dieses Drehmomentes auf die Kapazität C der beiden von der Station zu kompensierenden Leitungszweige abgestimmt werden. Dieses Element misst daher die Kapa. zitätsleistung der Leitung. Beim zweiten Ferrarissystem wirkt auf die eine Spule die gleiche Spannung E, auf die andere der Gesamtstrom Js der Station, so dass das Drehmoment proportional E. Js. sin 7 wird.
Dieses Element misst daher die Blindleistung der Station. Das dritte Ferrariselement wird mit seinen beiden Spulen vom Strom j1 des linken Leitungszweiges beeinflusst und ist mit seinem Proportionalitätsfaktor auf die Selbstinduktion Ll des linken Leitungsteiles abgestimmt. Das vierte Ferrariselement wird in gleicher Weise vom Strom J2 des rechten Leitungszweiges beeinflusst und ist auf dessen Selbstinduktion L2 abgestimmt.
Da somit die Drehmomente der vier Scheiben nur bei vollkommener Kompensierung nach Gleichung (6) im Gleichgewicht sind, und sie andernfalls sich nach rechts oder links zu drehen suchen, so könnte man sie direkt zur Verstellung des Erregerregulators R benutzen. Besser ist es aber, wie in
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eines besonderen Hilfsmotors bewirkt und dadurch die Kompensierungsmasehine K zur Abgabe von mehr oder weniger Blindstrom veranlasst. Eine Feder im Relais dient dann zur Einstellung der Ruhelage im Gleichgewichtszustande.
Diese Anordnung führt bei beliebig geänderten Verhältnissen in der Gesamtanlage stets in kürzester Zeit eine vollkommene Ausregulierung und Wiederherstellung der Kompensierung und dadurch der günstigsten Spannungsverteilung herbei. Wächst beispielsweise die durch die Fernleitung strömende Leistung, so. ändern sich mit ihr die Ströme J1 und J2 und erzeugen einen vergrösserten induktiven Spannungsabfall.
Sofort spricht das Relais an, setzt den Regulator in Tätigkeit und verkleinert dessen Blindleistung so weit, bis der gesamte Blindstrom Js der Station um ein solches Mass abgenommen hat, dass sein induktiver Abfall in der Leitung sich um das gleiche Mass vermindert hat, wie es der zunehmende Spannungsabfall der übertragenen Leistung erfordert. Ändert sich anderseits die Nutzlast des an die Station angeschlossenen Netzes N, so werden die Wirkstromänderungen von der Fernleitung aufgenommen und J1 und J2hiedurch geändert mit der gleichen Wirkung wie eben beschrieben.
Die Blindstromänderungen des Netzes verändern den Blindstrom der ganzen Station, wirken dadurch auf das Relais und rufen am Regulator eine solche Änderung hervor, dass der gesamte Stationsblindstrom wieder auf den richtigen Wert zurückkehrt. Ändert sich die Spannung der Frenleitum ! oder der Station, so dass der Kapazitätsstrom der Leitung sich ändert, so macht sieh auch hier dieser Einfluss im Relais geltend und wird durch
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eine Betätigung des Blindstromregulators n sofort ausgeglichen. Man kann mit diesem Reguliersystem mit jeder beliebigen Spannung auf der Fernleitung richtig fahren und hält immer die Kompensierungsbedingungen exakt ein.
Man kann die Arbeitsspannung der Leitung daher noch nach einem andern Gesichtspunkt bestimmen. Beispielsweise kann man sie durch einen Spannungsregler irgendeiner an die Fernleitung angeschlossenen Station festlegen lassen. Wünscht man eine Unabhängigkeit von der Spannung nicht, so braucht man nur im Relais an Stelle des untersten Ferrarissystems, das die Spannung misst, ein konstantes Drehmoment wirken zu lassen, etwa durch ein Gewicht oder eine vorgespannte Feder, und erhält alsdann eine Regulierung auf konstante Spannung, deren Grösse durch Verändern des Gewichtes oder der Federstärke beliebig einstellbar ist. Ebenso könnte man durch Ersetzen des zweiten Ferrarissystems von unten durch eine einstellbare Kraft natürlich auch auf einen bestimmten Blindstrom der Station regulieren. jedoch ist dieses meist von geringerer Bedeutung.
An Stelle des Ferrarisrelais kann man natürlich auch irgendwelche andere Relais oder Messeinrichtungen benutzen, die in der Lage sind, Drehmomente gemäss der Bedienungsgleichung (6) zu liefern. Beispielsweise Drehspulelemente, die auf E. J. sin q ; ansprechen, Weicheisenelemente, die auf E2 ansprechen, oder ähnliche an sich bekannte Elemente. Man kann auch die Gleichgewichtsbedingung (6) auf rein elektrische Weise abbilden und statt der mechanischen Kräfte beispielsweise durch Gleichrichter entsprechend starke Gleichströme erzeugen, die sieh summieren lassen.
Wesentlich für die Erfindung ist nur, dass das Gleichgewicht der Blindleistungen in der Anlage gemäss Gleichung (6) in einem Indikator so abgebildet wird, dass die Regeleinrichtung für die Blindleistung in den Stationen auf das mangelnde Gleichgewicht reagiert und es wieder herstellt. Es ist auch gleichgültig für die Erfindung, was für Kompensierungseinrichtungen in den Stationen stehen, ob es, wie in Fig. 2, eine Synchronmaschine oder irgend ein anderes der eingangs erwähnten Kompensierungmittel ist.
Es ist auch gleichgültig, auf welche Weise man die einzelnen Ströme und Spannungen für den Indikator von den Leitungen abnimmt, ob man sie durch Strom-und Spannungswandler, durch Widerstände, durch Hilfskapazitäten oder Selbstinduktionen herstellt oder ob man einzelne Ströme zerspaltet
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erhalten.
Genau wie es hier am Beispiel einer parallel zur Leitung liegenden Kompensierungseinrichtung geschildert ist, lassen sich nach der Erfindung Indikatoren und Regelungsmethoden entwickeln für
Kompensierungseinriehtungen, die in Serie zur Leitung liegen. Man hat dann nur in Gleichung (2) nicht die linke, sondern die rechte Seite in ihre verschiedenen Anteile zu zerspalten, die der Leitung selbst und der Kompensierungseinrichtung angehören. Man kommt auch da auf eine Gleichgewiehtsbedingung, die sich durch ebenso einfache Indikatoren abbilden lässt.
Die Regelungseinrichtungen des Blindstromes in de, einzelnen Stationen sind nach der Erfindung für den regulären Betrieb der Anlage entsprechend der allgemeinen Gleichung (2) oder der spezielleren
Gleichung (6) so abgestimmt, dass sie die Blindleistungen eines ganz bestimmten Leitungsabschnittes überwachen und zum Ausgleich bringen. Jeder Station ist also ein bestimmter Abschnitt der Leitung zugeordnet. Es kann nun aber durch eine zufällige Störung die Regelungsanordnung oder die Kompensierungseinrichtung oder die ganze Station ausser Betrieb kommen. Dann ist der Leitungsabschnitt, der zu dieser Station gehört, zunächst unkompensiert, und seine Blindströme fliessen in andern Abschnitte hinein.
Es ist zweckmässig, dass in einem solchen Fall jede der Nachbarstationen für den umkompensierten Teil einspringt, der direkt an ihren eigenen kompensierten Leitungsteil grenzt. Dies kann dadurch erzielt werden, dass man die Proportionalitätsfaktoren der einzelnen Elemente des Indikators, die dem ersten Glied und einem der beiden letzten Glieder der linken Seite der Gleichung (6) entsprechen, um ein angemessenes Mass vergrössert. Da jede Naehbarstation mit ihrem Blindstrom J,.,.. sin < p nun noch einen weiteren Leitungsabschnitt kompensieren soll, so vergrössert sich die ihr zugehörige Kapazität C und die ihr zugehörige Selbstinduktion L1 oder L2 um das Mass des neuen Streckenabschnittes.
Wenn man daher dem Indikator beispielsweise in Fig. 2 durch Veränderung der Empfindlichkeit der Ferrariselemente 1 und 4 bzw. 1 und 3 die. entsprechenden Zuschläge erteilt, so stellt er die Gleichgewichtsbedingung auf das neue Leitungssystem mit zugeschalteten rechten oder linken Streckenabschnitten der ausgeschalteten Station richtig dar.
Diese Umschaltung kann im allgemeinen durch Ändern der Widerstände oder Selbstinduktionen oder Windungszahlen im Messstromkreis erzielt werden. Man leitet sie entweder von Hand auf eine Benachrichtigung von der defekten Station her ein, man kann sie aber auch selbsttätig dadurch zur Wirkung bringen, dass man in jeder Station ein Relais anordnet, das entweder auf unzulässige Spannungserhöhung oder auf unzulässige, die Fernleitung in der Station durchfliessende Blindströme oder auf beides gemeinsam anspricht. Gute Dienste hiefür leistet beispielsweise ein Blindleistungsrelais, dessen Spannungspule von der Spannung E der Leitung und dessen Stromspule von der Summe der Ströme J1 und J2 in den beiden Leitungsabschnitten durchflossen wird.
Ein solches Relais spricht dann an, wenn beim
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Ausfall einer Station deren bisher gelieferter Blindstrom nunmehr sieh in eine oder beide Seiten der Fernleitung ergiesst und die Nachbarstationen bis zu den Enden der Leitung durchfliesst.
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der Blindstrom Js der Station in zwei ungleiche Zweige nach rechts und links gabelt, so ist es zweckmässig, das ebengenannte Sehutzrelais nicht einfach auf die Summe von J1 und J2 ansprechen zu lassen, sondern diese Ströme umgekehrt proportional der Wurzel aus dem Verhältnis der Länge der von ihnen durchflossenenLeitungsabschnittewirkenzu lassen.
Lässt man das Relais ansprechen auf
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so bleibt dieser Ausdruck beim regulären Arbeiten sämtlicher Stationen in jeder Station gleich null, springt aber beim Ausfall der Kompensierung an irgendeiner Stelle in den Nachbarstationen des Fehlerortes sofort auf einen bemerkenswert hohen Betrag, der zur Umschaltung dieser Station auf die neue Gleichgewichtsbedingung ausreicht. Da ein solches Leistungsrelais gleichzeitig die Richtung anzeigt, von der der nichtkompensierte Blindstrom kommt, so zeigt es selektiv das gestört Gleichgewicht der linken oder rechten Anschlussleitung jeder Station an und kann dazu dienen, dementsprechend das erste und das dritte oder vierte Glied des Indikators nach Fig. 2 oder der Gleichung (6) zu korrigieren.
Genau so wie in den Zwischenstationen kann die Regulierung nach der Erfindung auch in den Endstationen angewandt werden. Man kann sich hiefür entweder die eine Leitung Li in die Fig. 2 fortdenken und den Indikator auf eine reine Kompensierungseinrichtung K wirken lassen, die dann nur den ersten Leitungsabschnitt von der Station aus kompensiert. Die Generatoren der Station können in diesem Falle ebenso wie das sonstige Verbraucher-oder Erzeugernetz N an die Sammelsehienen S angeschlossen sein. Man kann aber auch an Stelle der Leitung die Generatoren der Endstation treten lassen und deren unerwünschten Blindstrom selbsttätig mitkompensierten.
Schliesslich kann man auch diese Generatoren als Kompensienmgsei1ll'ichtung K auffassen und vom Indikator aus deren Erregung automatisch regeln, entweder allein oder zusätzlich zu irgendeiner andern Regulierungsart. In diesem Falle ersetzt man das untere Spannungselement 1 des Indikators 2 am besten durch eine konstante Kraft, um neben der Kompensierung gleichzeitig auf eine bestimmte Spannung der Station einzuregeln.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Regulierung von Weehselstromfernleitungen mittels längs der Leitung verteilten Kompensierungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kompensierungseinrichtungen je von einem Indikator beeinflusst werden, der auf eine Störung des Gleichgewichtes der folgenden Blind-
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Blindleistung der Spannung der Fernleitung und die induktive oder kapazitive Blindleistung, die am Ort der Kompensierungseinrichtung in die Leitung hineingespeist wird.