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Spannungsregelung von Weehselstromfernleitungen.
In Wechselstromfernleitungen tritt als störende Erscheinung in erster Linie die Wirkung der Kapazität und die der Selbstinduktion auf, durch die einerseits Ladeblindleistung, anderseits induktive Blindleistung erzeugt wird. Es sind Systeme entwickelt worden, mit deren Hilfe man diese beiden Blindleistungen durch Zufuhr äusserer Blindleistung kompensieren kann, soweit sie sich nicht von selbst entgegenwirken. Die Fernleitung wird alsdann im wesentlichen von Wirkstrom durchflossen und verhält sich ähnlich wie eine Gleichstromleitung.
In derartigen kompensieren Fernleitungen, deren Hauptstörungseinflüsse aufgehoben sind, verbleibt nun als störende Nebenerscheinung noch der ohmsche Verlust im Widerstand der Leitungen. Er wird vor allem von den nunmehr fast allein vorhandenen Wirkströmen hervorgerufen und bedingt bei langen Leitungen einen erheblichen Abfall der Spannung zwischen den energieerzeugenden und den energieempfangenden Stationen. In Fig. 1 und Fig. 2 ist Kir eine Fernleitung mit zwei Endstationen und drei Zwischenstationen die beispielsweise Verteilung des Wirkstromes. . längs der Leitung dargestellt. Sowohl die rechte wie die linke Station ist als speisend, die drei Zwischenstationen sind als abnehmend angenommen.
Es findet dann ein erheblicher ohmscher Spannungsverlust von den speisenden Endstationen bis zu den mittleren Abnahmestationen statt, der seinen Richtungssinn umkehren kann, wenn z. B. eine der Zwischenstationen speist und eine der Endstationen Energie verzehrt.
Gemäss der Erfindung wird bei Wechselsstromfernleitungen mit einer oder mehreren Zwischenstationen der ohmsche Spannungsabfall des Wirkstromes in den einzelnen Abschnitten der Fernleitung in der Weise kompensiert oder teilweise über-oder unterkompensiert, dass zusätzliche Blindströme in den Stationen der Fernleitung zugeführt werden, in denen der Fernleitung Wirkströme entnommen oder ihr zugeführt werden, und dass diese zusätzlichen Blindströme in Abhängigkeit von den an derselben Stelle zu-oder abgeführten Wirkströmen eingestellt werden.
In Fig. 3 ist das Vektordiagramm eines Streckenabschnittes dargestellt. Man sieht, dass der Spannungsunterschied zwischen zwei Stationen 81 und 82, deren Spannungen Ei und JE : nur um einen relativ geringen Phasenwinkel voneinander abweichen. gegeben ist durch
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worm R den Widerstand und #L die Induktanz, Ju, den Wirkstrom und Jb den oiindstrom im Leitungsabschnilt bezeichnet.
Um den Spannungsunterschied zwischen den Stationen zum Verschwinden zu bringen, muss daher im Leitungsabschnitt ein Blindstrom fliessen von der Grösse
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hr mu1 atso ais mdukhv aufgefasster btrom dem Wirkstrom entgegengesetzt gerichtet sein.
Fig. 4 zeigt die Verteilung der Blindströme längs der sämtlichen Streckenabschnitte der
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Leitungsabschnitten der Fernleitung erforderlich sind.
Man sieht, dass die Blindströme längs der ganzen Leitung unterschiedliche Grosse haben müssen, je nach der Verteilung der Wirk- ströme. die zu irgendeiner Zeit auf der Leitung vorhanden ist.
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Diese Blindströme werden der Leitung in den einzelnen Stationen zugeführt, in denen auch die Wirkleistung zu-oder abgeführt wird. Damit rechts und links von jeder Station die
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worin mit J", und J"2 die Wirkströme in den angeschlossenen Leitungsabsdmitten bezeichnet sind und mit J. vs die Differenz dieser beiden Wirkströme, die gerade den Wirkstrom der
Station selbst ergibt.
In Fig. 5 ist die Grösse und Verteilung dieses Blindstromes in den verschiedenen End- und Zwischenstationen aufgetragen. Man sieht, dass die Wirkleistung abnehmenden Zwischen- stationen induktiven Blindstrom in die Leitung entsenden müssen, während die Wirkleistung - speisenden Endstationen induktiven Blindstrom entnehmen müssen oder, was dasselbe ist, kapazitiven Blindstrom in die Leitung hineinspeisen müssen, sie müssen also untererregt sein.
Gemäss der Erfindung soll der zur Kompensierung des ohmschen Spannungsabfalls dienende
Blindstronianteil jeder Station gemäss Gleichung (3) so geregelt werden, dass er stets proportional dem Wirkstrom der Station ist, mit einem Proportionalitätsfaktor, der durch das Verhältnis von ohmsehem Widerstand und Induktanz der Fernleitung gegeben ist. Führt man eine solche
Regelung selbsttätig durch, so bleibt die Spannung sämtlicher Stationen an der Fernleitung selbsttätig genau konstant.
-Man kann nach der Erfindung auch mit Leichtigkeit eine Überkompensierung des ohmschen Spannungsabfalles erzielen, wenn man den Blindstromanteil Jb etwas grösser als nach Gleichung (3) wählt. Regelt man die Blindstromanteile aller oder einzelner Stationen z. B. so, dass sie den doppelten Wert wie nach Gleichung (3) besitzen, so erhält man an Stelle eines Spannungsabfalles insgesamt einen Spannungsanstieg in Richtung der Strömung der
Wirkleistung, der sich nach Gleichung (1) und (2) berechnet zu
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Man kann also nach der Erfindung die Fernleitung in jedem gewünschten Masse kompensieren, über-oder unterkompensieren.
Ist der Phasenwiukel zwischen zwei Nachbarstationen im Gegensatz zu Fig. 3 von erheblicher Grösse, so werden die Verhältnisse formelmässig etwas komplizierter, jedoch gelingt es auch jetzt stets durch dementsprechend angemessene Regelung des Blindstromes jeder Station, den ohmschen Spannungsabfall auszukompensieren oder überzukompensieren.
Es ist zweckmässig, die Regelung des Blindstromanteiles zur Kompensierung oder Überkompensierung des ohmschen Spannungsabfalls selbsttätig vorzunehmen. Dies kann auf die einfachste Weise dadurch geschehen, dass man den Wirkstrom oder durch Vergleich mit der Spannung E der Station die Wirkleistung mit einem wattmetrischen Instrument misst und auf die sonst vorhandene Regelungseinrichtung des Blindstromes oder der Spannung der Station einen Zusatzeinfluss ausübt.
Diese Regeleinrichtung kann, wie bereits vorgeschlagen, beispielsweise aus einem Indikator bestehen, der auf das Gleichgewicht der folgendenBlindleistullgen reagiert : Die induktive Blindleistung der die Fernleitung durchfliessenden Ströme, die kapazitive Blindleistung der Spannung der Fernleitung und die induktive oder kapazitive Blindleistung, die am Ort der Kompensierungseinrichtung in die Leitung hineingespeist wird. Ist der Blindleistungerzeuger, der von dem Indikator gesteuert wird, parallel zur Leistung angeordnet und bezeichnet man den Strom, welcher der Leitung zugeführt wird, mit Js und mit L1 und L2 die Induktivitäten der beiden von der Station ausgehenden Leitungsabsclmitte, mit J1 und.
J2 die Ströme in diesen Leitungsabschnitten und mit C die Kapazität beider Leitungsabschnitte, so erhält man als Bedingungsgleichung für das Gleichgewicht der Blindleistungen in den Streckenabschnitten der Station die Gleichung
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Um einen dieser Gleichgewichtsbedingung entsprechenden Indikator zu bauen, kann man beispielsweise ein Relais benutzen, auf dessen beweglichen Teil mechanische Kräfte wirken. die den einzelnen Gliedern dieser Gleichung proportional sind. Will man gerade vollkommene Kompensierung des ohmschen Spannungsabfalles erhalten, so kann man auf den Indikator eine Zusatzkraft einwirken lassen, die der Leistung
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entspricht.
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Man kann zu dem Zweck entprechend der Fig. 6 dem Indikator ein Zusatzelement geben, das von Spannung und Wirkstrom der Station entsprechend Gleichung (5) beeinflusst wird, mit einem Proportionalitätsfaktor. der das Verhältnis von Widerstand und Induktanz der Fernleitung enthält. Da dieser Quotient im allgemeinen eine kleine Zahl ist, so wirkt dieses Element meist nur mit einem geringfügigen Zusatzdrehmoment ein und verursacht, dass die Blindleistung der Station um das Mass der linken Seite von Gleichung (5) ansteigt.
Insgesamt erhält man durch Addition der Gleichung (5) und der Bedingungsgleichung
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worin J's den Strom der Station ohne ohmsche Kompensation, und AJb den Zusatzblindstrom für die ohmsche Kompensierung bezeichnet, die zusammen den gesamten Blindstrom der Station bilden. Die Bedingungsgleichung für vollständige Kompensierung aller Blindleistungen und Spannungsabfälle lautet daher
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Man sieht hieraus, dass das dritte Glied zur Kompensation des ohmschen Spannungsabfalls der Leitung bei Leistungsabnahme der betreffenden Station aus der Leitung dasselbe Vorzeichen besitzt wie die beiden letzten Glieder der linken Seite, die den induktiven Spannungsabfall auf der Leitung widerspiegeln.
Bei Abnahme von mehr und mehr Leistung aus der Station wird daher der Blindstrom durch das zweite Glied der Gleichung (7) mehr und mehr verkleinert.
Bei Leistungsabgabe in die Leitung hinein kehrt sich das Vorzeichen des ohmschen Gliedes um, während das der induktiven Glieder erhalten bleibt.
Die Kompensierung des ohm'schen Spannungsabfalles in der Leitung und ihre Regelung nach der Erfindung ist ganz unabhängig von der Grosse der Streckenlängen, die der Wirkstrom auf der Leitung durchfliesst. Ferner ist die Regelung jeder einzelnen Station und der ihr angeschlossenen Leitungsstrecke unabhängig davon, wie die andern Stationen regulieren. Auch bei völligem Ausfall irgendeiner Station bleibt die Regulierung der andern und damit die gesamte ohmsche Kompensation vollständig intakt. Es rührt dies daher, dass nach der hier beschriebenen Methode nur der Blindstrom in den Station um ein solches Mass verstärkt oder geschwächt wird, dass sich der Kompensationsblindstrom auf den Leitungen von selbst richtig einstellt.
Die Grösse des Kompensationsgliedes nach dieser Erfindung, also des dritten Gliedes in Gleichung (7), macht bei Fernleitungen mit ihrer hohen Induktanz im Durchschnitt nur einen geringen Prozentsatz der andern Glieder aus. Bei Kabeln jedoch, wo die Induktanz gering-
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kabelanlagen ist die Anordnung daher von besonderer Wichtigkeit.
Für die Wirkungsweise der Erfindung ist es gleichgültig, ob der Blindstrom zur ohmschen Kompensation nach Gleichung (3) oder die dementsprechende Blindleistung nach Gleichung (5), so wie es in Fig. 3 gezeichnet ist. auf die Regelung von Blindstrommaschinen einwirkt oder oh man diese Zusatzregelung auf Drosselspulen. Kondensatoren oder ähnliche ruhende Blindleistungserzeuger einwirken lässt. Ja man kann sogar die Zusatzkompensation auch auf Transformatoren zur Spannungsregelung einwirken lassen, die etwa zwischen die Fernleitung und das Belastungsnetz N der Station mit seinen Generatoren oder ähnliche eingeschaltet sind. da man auch hiedurch den gesamten Blindstrom der Station beeinflusst.
Jedes der Glieder von Gleichung (7) kann durch ein Element des Indikators nach Fig. G abgebildet werden und bewirkt eine dementsprechende Einstellung des Stationsblindstromes.
Will man ein weiteres Messsystem im Indikator sparen, so kann man das zweite und dritte Glied der Gleichung (7) zusammenfassen zu
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Das gemeinsame Messsystem bildet Gleichung (8) ab. Man muss ihm deshalb einen Proportio-
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Spannungsabfall kompensiert werden soll, nicht mehr nach Gleichung (3) vornehmen. Der Kompensierungsblindstrom nach Gleichung (2) gilt jetzt vielmehr für jeden Leitungsabschnitt getrennt. Daher muss man in der Station nunmehr einen Blindstrom zuführen in der Grösse
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Eine einfache Beziehung zu dem Wirkstrom der Station ist jetzt nicht mehr vorhanden.
Man muss vielmehr die beiden Leitnngsströme selbst bestehen lassen und erhält an Stelle des dritten Gliedes'der Gleichgewichtsbedingung (7) nunmehr den Leistungswerl
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Zur Abbildung dieser Glieder im Indikator lässt man am besten die in den Leitungsabschnitten jeder Station fliessenden Wirkleistungen auf getrennte wattmetrische Elemente arbeiten, während
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1.
Anordnung zur Spannungsregelung von mit einer oder mehreren Zwischenstationen versehenen Wechselstromfernleitungen, deren induktive und kapazitive Blindleistung durch Zufuhr äusserer Blindleistungen annähernd oder vollständig kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet. dass der ohmsche Spannungsabfall des Wirkstromes in den einzelnen Abschnitten der Fernleitung in der Weise ganz kompensiert oder teilweise über-oder unterkompensiert wird, dass zusätzliche Blindströme in denjenigen Stationen der Fernleitung zugeführt werden, in denen der Fernleitung Wirkströme zugeführt oder entnommen werden, und dass diese zusätzlichen Blindströme in Abhängigkeit von den an derselben Stelle zu-oder abgeführten Wirkströmen
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