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Verfahren zur Spannungsregelung in Wechselstromnetzen.
Es ist bekannt, bei elektrischen Übertragungsleitungen, die durch die Ohmschen Widerstände, die Induktivitäten und Kapazitäten der Leitungen verursachten Spannungsänderungen durch besondere Phasenschieber auszugleichen. Als derartige Phasenschieber können Deispielsweise Drosselspulen, Kondensatoren oder andere Blindspannungsquellen dienen. Durch den Ausgleich der Spannungsänderungen hat man den Vorteil, dass die Spannung beim Verbraucher die gleiche Grösse besitzt wie die Spannung im Kraftwerk oder in der Unterstation. Bei fehlendem Ausgleich müsste beispielsweise bei einer langen Freileitung mit hoher Induktivität die Spannung im Kraftwerk um einen beträchtlichen Prozentsatz höher sein als die beim Verbraucher.
Bei veränderlicher Belastung ändert sich auch der Spannungsabfall. Es ist bekannt, diesen Ände-
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spannung reguliert. Um im Kraftwerk, an dem die Blindspannungsregulierung erfolgt, die Verbraucherspannung festzustellen, bedürfte man jedoch einer besonderen Messleitung oder einer sogenannten Nachbildung des Netzes. Die Nachteile einer besonderen Messleitung sind offensichtlich ; eine Nachbildung kann besonders bei komplizierten Netzen nur ein unvollkommenes Bild der tatsächlichen Spannungs-
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In dem Diagramm sind s die Induktanz der Leitung, 'der Ohmsehe Widerstand und s= \/ + s die Impedanz der Leitung.
Nach den mathematischen Beziehungen des Diagrammes müssen die Koordination des Punktes./
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zu haltenden Spannung abhängt.
Schreibt man die Gleichung in der Form
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des Wirkstromes darstellen lässt.
Für die Spannungsregulierung ist die Kenntnis des zur Kompensation von iB und i,. notwendigen zusätzlichen Blindstromes il, 1, nicht erforderlich. Will man die Spannung am Anfang und am Ende konstant erhalten, dann braucht nur so reguliert zu werden, dass der Gesamtblindstrom der Gleichung (10) entspricht.
Nach der Erfindung wird entsprechend der Gleichung (10) der Blindstrom abhängig vom Wirkstrom reguliert. Da nun aber, wie Gleichung (0) zeigt. bei Konstanthaltung der Spannung am Anfang und Ende der Leitung, der Blindstrom nur vom Wirkstrom abhängig ist, muss abhängig von dem Wirkstrom auf jeder Leitung auch ein bestimmter cos # herrschen. Dieser ergibt sich zu cos T ==
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Fig. 2 zeigt eine besonders zweckmässige und zugleich einfache Ausführungsform der Erfindung.
Die zugesetzte Blindspannung wird hier über einen von dem cos #-Regler 3 über Kontakte 4 gesteuerten Verstellmotor reguliert. Der cos ( (-Regler ist über einen Spannungswandler 5 und einen Stromwandler 6 an das Netz angeschlossen. Im Stromkreis des cos ( (-Reglers liegt eine Impedanz, in der Abbildung ein Ohmscher Widerstand 2, der von dem wattmetrischen Instrument 1 verstellt wird. Diese Verstellung
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der cos 9-Regler 3 in seiner Nullage und die Kontakte 4 des Verstellmotorkreises sind unterbrochen.
Die Abhängigkeit der Widerstandseinstellung des cos 9-Reglprs von einer gesetzmässigen Beziehung lässt sich auf verschiedene Art erreichen. Eine Lösung würde die entsprechende eigene Charakteristik des Instrumentes oder Ausbildung des Widerstandes (verschiedener Durchmesser einer Spule) bieten.
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mittelnden mechanischen Zwischengliedes, beispielsweise einer Schablone, zwischen wattmetrischem Instrument und Widerstand.
In Fig. S ist eine Schaltung für den Fall dargestellt, dass ein Uhrwerk in eine Leitung eingeschaltet ist, das von zwei Seiten aus Strom erhalten kann. Die als Wattrelais ausgebildeten Richtungsrelais 11 und 12 steuern Schalter 7-3 und. M ; durch deren Einwirkung ist jeweils diejenige cos #-Reglerschaltung 15 oder 16 eingeschaltet, durch die Strom in Richtung auf das Werk bzw. die es darstellenden Sammelschienen 17 fliesst. Fliesst von beiden Richtungen aus Strom nach den Sammelschienen 77, dann sind auch beide cos 9-Regler 15 und 16 angeschlossen.
Statt jedem cos -Regler eine besondere Blindspannungsquelle zuzuordnen, kann man mehrere cos #-Reglor auf denselben Steuerapparat für die Blindspannung arbeiten lassen. In Fig. 3 geschieht dies
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arbeiten.
Die bisher beschriebene Spannungsregelung lässt sieh noch vereinfachen, u. zw. insbesondere in dem häufig eintretenden Fall. dass der Verbraucher nur Wirkstrom oder sehr wenig Blindstrom abnimmt. oder dass sein Blindstrom durch einen besonderen an dem Verbrauchsort aufgestellten Phasenschieber od. dgl. völlig oder zum grössten Teil kompensiert wird.
Nach der Erfindung wird in einem solchen Falle die Regelung der Zusatzspannung derart vorgenommen, dass abhängig vom Wirkstrom Zusatzspannungen in die Leitung eingeführt werden, die in einer bestimmten eindeutig festgelegten Beziehung zu dem Wirkstrom stehen.
Die dem weiteren Vorschlag zugrunde liegenden Erkenntnisse gehen aus dem in der Fig. 1 gezeichneten Betriebsdiagramm hervor. Hiebei wurde die gleiche Darstellungsart wie in Fig. 1 gewählt, nur dass die Spannungsabfalldreiecke in anderer Reihenfolge aufgezeichnet wurden.
Oss ist wieder die im Kraftwerk nötige Spannung ohne Einführung einer Zusatzspannung beim
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Ort gleicher Spannung ist ein Kreis um 0. Konstantem Wirkstrom der Leitung entsprechen parallel Gerade zu CE. Da nun vorausgesetzt wurde, dass der Verbraucher keinen Blindstrom abnimmt oder dass sein Blindstrom am Verbrauchsort kompensiert wird, lassen sich aus der Zeichnung für jeden Wirkstrom die Blindspannungen abgreifen, die erforderlich sind, um im Kraftwerk und beim Verbraucher die gleiche Spannung zu erhalten.
Soll beispielsweise die Verbraucherspannung gleich OA sein, so muss für den gezeichneten Wirkstrom, der das Abfalldreieck EFG erzeugt, eine Blindspannung ( ? J eingeführt werden, bei einem geringeren Wirkstrom, beispielsweise entsprechend der Strecke EK, ', muss eine Blindspannung KL in die Leitung eingeführt werden.
Die Ausführung der beschriebenen Regelung erfolgt nach dem weiteren Vorschlag so, dass man die Belastung der Leitung mittels eines Wattmeters misst und durch dieses Wattmeter entweder stetig. mittels eines als Phasenschieber wirkenden Drehtransformators, oder aber auch unstetig etwa durch Zu-
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Blindspannung in die Leitung einführt.
Statt eines Wattmeters zur Steuerung von Blindspannungen, das man mit mehreren Kontakten ausführen würde, kann man auch mehrere wattmetrische Relais benutzen, die, je nachdem der durch sie hindurchgeführte Wattstrom den Schwellenwert des Relais erreicht oder verlässt, die Zu-oder Abschaltung der Blindspannung veranlassen.
Eine weitere besonders vorteilhafte Anwendung des Erfindungsgedankens, zusätzlich eingeführte
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tischen vorkommenden Belastungsbereich die Verbraucherspannung möglichst wenig von einem vorbestimmten Mittelwert abweicht. Um dieser Bedingung Genüge zu leisten, muss der einznhaltende cos t wieder in einer bestimmten funktionellen Beziehung zum Belastungsbereich stehen. Die Art dieser funktionellen Beziehung lässt sich am einfachsten zeichnerisch festlegen.
In Fig. 5 sind die einer derartigen Spannungsregelung zugrunde liegenden Betriebsbedingungen an einem Diagramm dargestellt. OG wäre die orne einführung einer Zusatzspannung beim Verbraucher im Kraftwerk nötige Spannung, OA ist die Spannung beim Verbraucher. Das Dreieck ABC entspricht der durch den Ladestrom i. verursachten Spannungserhöhung. Das Dreieck ODE entspricht den durch den Wirkstrom iu. und EFG den durch den Magnetisierungsstrom ib verursachten Spannungsverlusten.
Während nun nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 so reguliert wird, dass die Verbraucherspannung und Kraftwerkspannung gleich bleiben, also der Spannung OG ein Spannungsvektor hinzugefügt wurde, dessen Endpunkt auf dem Kreise mit dem Radius 0 A um 0 lag, wird nach dem vorliegenden
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In einem Beispiel sei eine Schwankung der Spannung um + 1 :, e zugelassen. Die zulässigen pannungen liegen dann innerhalb der Kreise um 0 mit den Radien E + A e und J-A e.
Es soll nun nicht ein von dem Wirkstrom abhängiger cos ; p eingestellt werden, sondern ein bestimmter Mittelwert dieses cos. D, der innerhalb der zugelassenen Spannungsschwankungen die grösste Leistungsübertragung über die Leitung erlaubt. Da in dem Diagramm der Fig. 5 die Strecke CE proportional dem Wirkstrom und die Strecke CE, die senkrecht auf CE steht, proportional dem Blindstrom ist, muss der geometrische Ort des Endpunktes des Verbraucherspannungsvektors für gleiche Wirkleistunss- übertragung auf der Linie GE liegen.
Einem konstanten cos s an der Regulierungsstelle, in der die Spannung 0 A herrscht, entspricht eine Gerade durch den Punkt A. Sind also nun die Spannungssehwankungen
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bestimmten Wert festlegen kann, der dem jeweilig erwarteten Belastungsbereich entspricht.
Die Zuführung der Blindspannung oder des Blindstromes kann man entweder stetig mittels eines als Phasenschieber wirkenden Drehtransformators bewirken, oder aber durch Zuschaltung und Abschaltung von Drosseln bzw. Kondensatoren. Die Grösse und Abstufung der Einzeldrosseln ist dann entsprechend den zuzulassenden Spannungsschwankungen zu wählen.
Die Grösse der zum Ausgleich des Spannungsabfalles auf den stromführenden Leitungen eingeführten Blindspannungen hängt von der Länge der Leitungen und von deren Konstanten ab.
In Fig. 6 ist eine Übertragungsleitung mit den Stationen A, B, C, D, E dargestellt, in der die Ver- braucherspannung durch zugeführte Blindspannungen oder-ströme konstant gehalten werden soll. Tritt eine Umkehr der Stromriehtung in den Speiseleitungen ein, z. B. derart, dass einmal Station 1 speist,
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Umschaltung des Steuerapparates und der Blindspannung ist nun für den Betrieb naturgemäss nachteilig ; insbesondere bei Pendeln der Leistung nach beiden Richtungen um den Nullwert erweist sich das ständige Umschalten der Steuerapparate und Blindspannungen als überaus lästig.
Vorteilhafterweise erfolgt nun die Zuführung der Blindspannungen zur Kompensation des Spannungsabfalles nicht entsprechend den tatsächlichen verschiedenen Leitungslängen oder-konstanten der zu beiden Seiten der Station liegenden Leitungsabschnitte ; vielmehr wird die Blindspannungsregelung derart vorgenommen, als ob die zu beiden Seiten jeder Station liegenden Leitungsabsehnitte elektrisch gleichwertig wären.
Diesem Vorschlag liegt die Erkenntnis zugrunde, dass man, ohne einen allzu grossen Fehler für die Spannungskompensation zu begehen, bei der einzelnen Station die Spannung so kompensieren kann, als ob die an sie grenzenden Leitungsabschnitte gleich oder wenigstens annähernd gleich wären, vorausgesetzt, dass die Übertragungsleitung in ihrer Gesamtheit richtig kompensiert ist.
In den Fig. 6,7, 8 ist die Erfindung an einem Zahlenbeispiel dargestellt.
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den Stationen. Bei verschiedenen Leitungskonstanten sind die reinen Leitungslängen naturgemäss entsprechend zu reduzieren. Bei Energielieferung von Station A aus müsste in B die Leitungslänge 1, in C die Leitungslänge 7, in D die Leitungslängen J und in E die Leitungslänge 3 kompensiert werden. Bei
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Nach dem neuen Vorschlag erfolgt nun in jeder der Stationen A, B, C, D, E des Leitungsnetzes die Blindspannungsregelung so, als ob die angrenzenden Leitungslängen gleich wären. In dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel ist die Länge der angrenzenden fiktiven Leitungsabschnitte gleich dem arithmetischen Mittel aus den angrenzenden wirkliehen Leitungslängen gewählt worden.
An die Station B grenzen die Leitungen mit den Längen 1 und 7. Es wird also etwa auf die Leitungslänge--== kom- pensiert. In der Station C wird auf die Leitungslänge # # # = 6, in der Station D auf die Leitung-
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+ li, länge 2 2 kompensiert. Für die an die Stationen A und E grenzenden Leitungsabsehnitte ist hiebei, wie stets bei der Leitungsbereehnung üblich, die Leitung als geschlossener Ring betrachtet.
In den Fig. 7 und 8 sind die Regulierungsverhältnisse dargestellt, wie sie sich nun aus der Erfindung ergeben.
Bei der in Fig. 7 vorausgesetzten Energielieferung von Station A aus wird in B der Spannungsabfall der Leitung A-B. in C der Spannungsabfall der Leitung B-C usw. kompensiert. Da die Station B
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ergeben sich die in der Zeichnung angegebenen fiktiven Leitungslängen.
Auf die entsprechende Weise sind für die Energielieferung von Station E aus die fiktiven Leitungs- längen ermittelt. Das Leitungsnetz ist mit diesen fiktiven Leitungslängen in Fig. 8 aufgezeichnet.
Durch Summierung der fiktiven Leitungslängen ergibt sich, wie aus einer Nachrechnung ohne weiteres hervorgeht, wieder die Gesamtlänge der Leitung.
Für die praktische Ausführung der Erfindung ist es naturgemäss nicht erforderlich, die fiktiven Leitungslängen genau nach dem arithmetischen Mittel der benachbarten wirklichen Längen zu bemessen.
Das wesentliche besteht vielmehr darin, diese fiktiven Längen, abweichend von den tatsächlichen
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zugleich so zu bestimmen, dass die Leitung in ihrer Gesamtlänge trotz dem praktisch kompensiert ist, d. h., eine annähernd konstante Spannung besitzt. Die hiebei erreichten Vorteile für die Spannungsregulierung rechtfertigen stets die Zulassung geringer Abweichungen vom Sollwert in den Unterstationen.
Da die Bemessung der Kompensationsleistungen in bezug auf die Leitungslänge nicht einem linearen, sondern quadratischen Gesetze folgt, ist es unter Umständen erforderlich, bei Gesamtkompensation der Leitung von der Einhaltung der tatsächlichen Gesamtleistungslänge etwas abzuweichen. Wesentlich bleibt, dass die Gesamtleitung in elektrischer Beziehung kompensiert ist.