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Es ist bekannt, dass bei Hochspannungsfernleitungen die Selbstinduktion der Höhe der zu übertragenden elektrischen Leistung eine Grenze setzt. Um diesen schädlichen Einfluss zu bekämpfen, hat man in Serie in die Leitung eingeschaltete Kapazitäten über die ganze Länge der Leitung verteilt.
Bei einer derartigen Anordnung, bei der längs der Leitung Blindstromerzeuger verteilt und in Serie in die Leitung eingeschaltet sind, werden gemäss der Erfindung Regeleinrichtungen vorgesehen, welche selbsttätig zwecks Kompensierung der Blindleistungen auf der Leitung auch bei veränderlicher zu übertragender Leistung die erforderliche Einstellung der Blindstromerzeuger herbeiführen. Die Blindstromerzeuger brauchen nicht unter allen Umständen Kapazitäten, sondern können auch Induktivitäten sein.
In Fig. 1 ist eine bekannte Anordnung dargestellt, bei der Serienkapazitäten über die Leitung in gleichmässigen Abständen verteilt sind. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass der auftretende kapazitive Strom mindestens ebenso störend wirkt wie die induktiven Spannungsabfälle ohne die eingeschalteten Kapazitäten, was sich namentlich bei geringeren Belastungen in äusserst störender Weise geltend macht.
Die Fig. 2 zeigt eine Form der Erfindung, in der an erster Stelle ein Kondensator über einen Transformator in Serie in die Leitung geschaltet ist und in der an zweiter, dritter und fünfter Stelle gezeigt wird, wie der Wert der wirksamen Kapazität dieser über Transformatoren in Serie eingeschalteten Kondensatoren geregelt werden kann, u. zw. erfolgt die Regelung der für die Leitung wirksamen Serienkapazität durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Transformatoren oder durch Änderung der Kapazität der Kondensatoren. Durch die Anwendung von Transformatoren kann man die Spannung und damit die Beanspruchung der Kondensatoren zweckmässig wählen. An vierter Stelle ist gezeigt, dass man auch eine Synchronmaschine als Blindstromerzeuger verwenden kann.
Die zur Einstellung ihrer Blindströme notwendigen Regeleinrichtungen sind hier nicht miteingezeichnet.
Für die Einstellung der Regelung der Blindstromerzeuger gelten folgende Gesichtspunkte. Es ist günstig, Hochspannungsfernleitungen für grosse Entfernungen so zu betreiben, dass das Verhältnis von Spannung E zum Strome J gleich dem Wellenwiderstand Z der Leitung, das ist die Wurzel aus dem Verhältnis von Selbstinduktion L zur Kapazität C der Leitung, wird. Es soll also sein
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denn dann ist die in der Selbstinduktion der Leitung aufgespeicherte Energie genau so gross wie die in ihrer Kapazität aufgespeicherte, so dass diese beiden Energiemengen gegenseitig hin und her schwingen und keine Zufuhr von Blindleistung von ausserhalb erforderlich ist. Die Leitung befindet sich dabei also in kompensiertem Betrieb in bezug auf ihre induktive und kapazitive Blindleistung.
Erweitert man die Gleichung (1) mit E, so erhält man die in kompensiertem Zustande übertragende Leistung zu
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Diese Leistung, die ohne das Auftreten von Blindströmen und Blindspannungen nach aussen übertragen wird, ist also bei gegebener Betriebsspannung um so grösser, je grösser die Kapazität C der Leitung und
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je kleiner ihre Selbstinduktion L ist. Die Gleichung zeigt, dass die bekannte Einrichtung nach Fig. 1 die Leistungsübertragung der Fernleitung verbessert. Die Verbesserung ist aber nur bei grossen Belastungen vorhanden.
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Die äquivalente Selbstinduktion L jedes Leitungsabschnittes setzt sich dabei stets aus der Selbstinduktion LI der entsprechenden Länge der Fernleitung und der eingeschalteten Kapazität c zusammen nach der Beziehung
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wobei 11'gleich dem 2'1t fachen der Frequenz des Wechselstromes ist. Man kann hienach durch eine Regelung der Serienkapazität, die bei jedem Wert des Stromes J der Formel (2) genügt, die zu übertragende Leistung ohne Erzielung von schädlichen Kapazitätsströmen oder induktiven Spannungsabfällen auf wesentliche höhere Werte bringen.
Gemäss der Erfindung werden die Einschaltstellen der Blindstromerzeuger in Entfernungen voneinander angeordnet, die im Verhältnis zur natürlichen Wellenlänge, welche die Wechselstlöme auf der Leitung besitzen, klein sind, weil der Winkel zwischen den Spannungsvektoren an zwei Einschaltstellen nicht zu gross werden darf. Wird er zu gross, so fallen die hier arbeitenden Wechselstromerzeuger ausser Tritt. Eine Leistungsübertragung ist nicht mehr möglich.
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gemacht werden, zu verwenden. Dadurch verkleinert man jedoch die natürliche Wellenlänge der Weehsel- ströme auf der Leitung. Man ist deshalb gezwungen, bei diesen bekannten Anordnungen die Abstände zwischen den Einschaltstellen der Kapazitäten klein zu halten.
Schaltet man dagegen zur Steigerung
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wird die Wellenlänge der Wechselströme auf der Leitung vergrössert. Man kann daher verhältnismässig grosse Abstände zwischen den Kapazitäten zulassen und kann daher meist die Kapazitäten in schon vorhandenen Schaltstationen anordnen.
Es ist auch schon vor Jahrzehnten vorgeschlagen worden, am Anfang oder am Ende einer Hochspannungsfernleitung eine Serienkapazität anzuordnen, um den Spannungsverlust auszugleichen, der durch die Selbstinduktion in der Leitung entsteht. Hiedurch werden aber die Konstanten der Leitung selbst in keiner Weise beeinflusst. Erst wenn man in passend gewählten Abständen längs der Leitung geeignete Blindstromerzeuger verteilt, wird das Problem lösbar, eine Fernleitung herzustellen, die über beliebige Entfernungen ausgedehnt werden kann und sich im wesentlichen ebenso verhält, als wenn sie mit Gleichstrom betrieben würde.
An Stelle von elektrostatischen Kondensatoren kann man nach der Erfindung auch jedes andere Mittel zur Erzeugung von Blindströmen verwenden, beispielsweise elektrolytisehe Zellen, Synchronmaschinen (wie an der vierten Stelle Fig. 2 angedeutet ist), asynchrone Phasenschieber beliebiger Bauart usw.
Bei der Anwendung von Maschinen zur Erzeugung der Blindströme ist es leicht möglich, an Stelle der kapazitiven Wirkung auch eine induktive Wirkung zu erreichen ; man kann dann die Selbstinduktion L in Gleichung (2) und (3) über LI vergrössern und damit die Leitung auch bei kleineren übertragenen Leistungen nach Gleichung (2) stets voll kompensieren, so dass auch geringe Leistungen ohne übergrosse Kapazitätsströme oder Spannungserhöhungen auf beliebige Entfernungen übertragen werden können.
Durch die Regeleinrichtungen, welche eine Regelung der Blindstromerzeuger gestatten, kann man
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wie ein Ohmscher Widerstand, wenn man die Regelung der Blindstromerzeuger genügend schnell gegen- über der Änderung der Übertragungsleitung vornimmt, so dass unmittelbar bei Änderung der Leistung die Regelvorrichtungen einsetzen. Dann können auch die Regelungen keinen Anlass zu Pendelungen grosser Kraftwerke geben, die an die Leitung angeschlossen sind. Die Regeleinrichtungen werden deshalb so ausgebildet, dass sie eine Regelung in einem Bruchteil der Zeit gestatten, die einer Pendelschwingung von an die Leitung angeschlossenen Kraftwerken entspricht.
Die Anordnung besitzt jedoch noch zwei Nachteile. Einerseits findet man. dass die Blindstrom- erzeuger bei starker Steigerung der Leistung über die natürliche Leistung hinaus recht grosse Dimensionen annehmen. Als natürliche Leistung der Leitung ist hiebei diejenige Leistung bezeichnet, bei der der induktive Spannungsabfall und die kapazitive Spannungserhöhung in der Leitung sich gerade aufheben.
Beispielsweise zeigt eine Zahlenrechnung, dass man bei 50 Perioden/Sek. und 1000 km Entfernung und
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Steigerung der Leistung auf die doppelte natürliche Leistung der Leitung bereits ein Blindleistung in der Kapazität vom dreifachen Betrag der natürlichen übertragenen Leistung benötigt. Anderseits ist die dauernde Regelung der wirksamen Serienkapazität bei Schwankungen der übertragenen Leistung recht unbequem.
Es ist deshalb vorteilhaft, noch einen Schritt weiter zu gehen und die Kapazität der Leitung einerseits und ihre Selbstinduktion anderseits getrennt voneinander vollständig zu kompensieren. Die Eigenkapazität der Leitung C'kann man dadurch kompensieren, dass man in an sich bekannter Weise Drosselspulen oder äquivalente Mittel verwendet und über die Leitung verteilt und parallel zur Leitung schaltet. Bezeichnet man die parallel geschaltete Induktivität mit 1, so wird die resultierende Kapazität G gleich
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und man kann sie durch entsprechende Wahl von zu Null bringen. Die natürliche Selbstinduktion der Leitung L'kann man nach Gleichung (3) durch geeignete Serienkapazität c ebenfalls vollständig kom- pensieren.
Man erhält dann eine Fernleitung, wie sie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, wobei die künstlich eingeschalteten Blindleistungsapparate den Bedingungsgleic1nmgen gehorchen
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Die eingeschalteten Selbstinduktionen und Kapazitäten stehen also in Resonanz mit den natürlichen
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spannungen werden. Man kann durch zweckmässige Unterteilung die Einzelströme und Einzelspannungen an den Zusatzapparaten sogar beliebig gering halten.
Schaltet man diese festen Werte von c und l in die Leitung, so wird damit nach den Gleichungen (3)
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die mit voller Kompensation übertragene Leistung nach Gleichung (2) jeden beliebigen Wert erhalten. Die Fernleitung kann also bei beliebiger Länge und beliebiger Konstruktion sowohl in Ausführung als Freileitung, wie als Kabel für niedrige oder hohe Spannungen und Ströme jede beliebige kleine oder beliebig grosse Leistung übertragen, ohne dass kapazitive Ströme oder induktive Spannungen nach aussen auftreten. Lediglich der Ohmsche Spannungsanfall im Wider stand der Leitung bleibt bestehen, die Fernleitung verhält sich also jetzt genau wie eine Gleichstromleitung. Alle Nachteile der Wechselstrom- Übertragung gegenüber der Gleichstromübertragung sind verschwunden.
Irgendwelche Regulierung innerhalb des Leitungssystems ist nicht mehr erforderlich, die zusätzlichen Kapazitäten und Selbstinduktionen werden ein für allemal für die Betriebsfrequenz der Leitung gemäss der Gleichung (5) und (6) eingestellt.
Die Wellenlänge der Wechselströme auf einer solchen Leitung ist unendlich gross geworden, die beliebig lange Fernleitung verhält sich also in jeder Hinsicht genau so wie die heute üblichen kurzen Leitungen, die Grenzen der elektrischen Energieübertragung mit Wechselstrom sind dadurch bis auf beliebige Entfernungen heraufgedrückt und nur noch durch die Energieverluste, also die Ohmschen Spannungsabfälle und die Erwärmung der Leitung begrenzt.
Da Freileitungen stets relativ grosse Selbstinduktion und geringe Kapazität, dagegen Kabel geringe Selbstinduktion und grosse Kapazität besitzen, so sind die letzteren bei gegebener Spannung nach Gleichung (2) schon an sich besser befähigt zur Übertragung grosser Leistungen. Bei Kompensierung der Induktivität des Kabels durch in Serie eingeschaltete Kapazitäten sind auch diese Kapazitäten nur für eine geringere Seheinleistung zu bemessen, als es bei der Freileitung der Fall wäre, da die Induktivität des Kabels klein ist.
Die Erfindung ist auf Drehstromleitungen genau so anwendbar wie auf die bildlich dargestellten einphasigen Leitungen. Auch die Formeln gelten für Drehstrom genau so, man hat nur in alle Gleichungen die verketteten Werte einzusetzen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Hochspannungsfernleitungen mittels längs der Leitung verteilter, zweckmässig regelbarer Vorrichtungen zur Erzeugung von Blindströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die in Serie in die Leitung eingeschalteten Blindstromerzeuger durch Regeleinrichtungen selbsttätig derart gesteuert werden, dass auch bei veränderlicher zu übertragender Leistung die Blindleistungen auf der Leitung kompensiert sind.