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Anordnung zur Fernleitung von Wechselströmen über lange Leitungen und Kabel.
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Es ist bekannt, dass sich Kraftübertragungsleitungen für Wechselstrom, deren Länge gleich ist der halben Wellenlänge der zu übertragenden Wechselstromfrequenz,. bei hinreichend geringem Ohmschen Widerstand praktisch wie Leitungen ohne Kapazität und Selbstinduktion verhalten. Infolge der mehr oder minder vollkommenen Ausbildung einer stehenden Halbwelle-längs der Leitung.
(daher auch"Halbwellenleitung"genannt) besitzen Strom und Spannung in allen Punkten der Leitung dieselbe, durch die Natur der Belastung am Leitungsende bestimmte Phasenverschiebung, ihre Werte am Leitungsende sind annähernd
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beliebigen Vielfachen der halben Wellenlänge ist,
Diese, bekannten Vorzüge der Halbwellenleitungen im-Hinblick auf die energie- verzehrenden-tadeströme konnten bisher für-die Technik nicht nutzbar gemacht werden, da bei den gebräuchlichen Frequenzen das zu verwendende Kabel etwa 1000 bis 1500 km und eine Freileitung etwa doppelt so lang sein müsste, was praktisch nicht in Betracht kommt.
Gemäss dem Erfindungsgegenstande werden nun in eine Leitung gegebener Länge Drosselspulen von einer-solchen Anzahl und Grösse eingeschaltet, dass durch die so geschaffene wirksame Gesamtinduktivität die Fortpflanzungswellenlänge des zu übertragenden Wechsel- stromes längs dieser Leitung genau auf den doppelten Betrag der Leitungslänge reduziert, die Leitung also künstlich in einè-Halbwellenleitung verwandelt'wird. -
Die Serieneinschaltung punktweise konzentrierter Selbstinduktion in lange Leitungen und Kabel zur Verringerung ihrer Dämpfung ist schon seit. Heaviside bekannt und durch Pupin für die Zwecke der Schwachstromtechnik praktisch verwertbar gemacht worden.
Die hierbei gleichzeitig auftretende Wellenverkürzung ist jedoch keineswegs durch die Anordnung bezweckt und hätte wegen der Vielheit der Frequenzen-auch keinerlei Sinn ; vielmehr stellt dieser Begleitumstand einen der grössten Nachteile des Pupinsystems ; dar, da im Verhältnis der Wellenverkürzung auch die Spulen enger gesetzt werden müssen ; was die Anordnung erheblich verteuert.
Die Anwendung des Pupinsystems auf Starkstrom-Kraftübertragungen kommt wirtschaftlich kaum in Betracht, da schon bei mässig grossen Übertragüngsleistungen Drosselspulen unverhältnismässig grosser Scheinleistung und Spannung zur Kompensierung der Leitungskapazität erforderlich. sind.
Bei Vernachlässigung des Spulenwiderstandes berechnet sich bekanntlich die zur vollständigen Kompensierung benötigte Selbstinduktion pro km- Leitung aus :
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worin K, Rund A die kilometrischen Werte der Kapazität, des Ohmschen Widerstandes und der Ableitung bedeuten--
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Bei dem Erfindungsgegenstande hingegen bestimmt sich die benötigte kilometrische Selbstinduktion aus :
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worin l die Leitungslänge und n die sekundliche Periodenzahl bedeuten.
Dieser Wert ist demnach von Widerstand und Ableitung unabhängig, wird bei gegebener Kapazität und Frequenz um so günstiger, je länger die Leitung ist und bleibt im allgemeinen bedeutend unter dem oben angegebenen Werte von Im gleichen Verhältnis werden aber auch die erforderliche Scheinleistung und Spannung der Drosselspule verringert.
Die quantitativen Verhältnisse, auf die allein es in der Praxis ankommt, lassen sich am besten an Hand eines Zahlenbeispiels überblicken. Es sei eine Einphasenleistung von W = 400 KVA (50 Perioden) auf eine Entfernung von l = 200 km mittels eines Kabels zu übertragen, dessen Konstanten mit R = 0'2 Ohm, L 0-0004 Henry, K = 0#2 Mikro- farad und A = 10-7 Mho gegeben sind. Mit n = 50 wird zur Schaffung einer künstlichen Halbwellenleitung pro km eine Selbstinduktion : LI = 0-0125 Henry benötigt. Angenommen, dass alle km eine Drosselspule eingeschaltet wird (Teilstrecke s = 1 km), so muss diese eine Selbstinduktion Li=Ls-'=0-0121 Henry erhalten.
Da nach Erhöhung der Selbstinduktion der Ohmsche Widerstand R gegen die induktive Reaktanz (ó LI praktisch ebenso vernachlässigt werden kann, wie die Ableitung 1'gegenüber der Kapazitätsreaktanz WK, so erhält man den besten Wirkungsgrad, wenn das Verhältnis von Stromstärke und Spannung am Leitungsende-==2K =='1/250 gewählt wird. Bei der angenommenen (induktionsfreien) Belastung 1. V = 400 KW ergeben sich für die günstigste Spannung und Stromstärke die Werte : I = 40 Amp., V=Io.ooo Volt, und der Wirkungsgrad der Übertragung (unter Vernachlässigung der Ableitung) beträgt :
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Die einzelnen Spulen sind für eine Scheinleistung Ws = 6 KVA und eine Klemmenspannung Vs = Iso-Volt zu bemessen, stellen also kleine Niederspannungsapparate ein-
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Unterteilung möglichst weit zu treiben, so dass die einzelnen Drosselspulen in entsprechend gross gehaltene Kabelverbindungskästen eingebaut und darin mit Isoliermasse vergossen werden können. Erst bei grossen Leistungen und namentlich geringen'Übertragungsweiten wird'man von diesem Prinzip abgehen und eine kleinere Anzahl, z. B, 8 bis 10 Drosselspulen grösserer Leistung längs der Leitung anordnen.
Dass durch die angegebene Massnahme ein erheblicher technischer Fortschritt erzielt wird, geht aus dem Vergleich mit einer gleichwertigen Anordnung nach Pupinschem System hervor. Soll hierbei das Maximum des Wirkungsgrades erreicht werden, so beträgt
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man eine Anzahl grösserer Drosseln-hier mindestens 20 Stück zu je 2000 KVA bei 50. 000 Volt - würde unterbringen müssen. Eine" solche, Massnahme kommt wirtschaftlich
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ansehen, so wäre der Wirkungsgrad für induktionsfreie Belastung unter Vernachlässigung der Ableitungsverluste : #'= 85.6%.
Für die blosse Leistung ganz ohne Spulen berechnet sich für den günstigsten induktionsfreien Belastungswiderstand der maximale Wirkungsgrad des Kabels zu :.' ,'YJomax =¯63'20/0'
Bekanntlich ist die Erreichung des Verhältnisses L1/K = RIA auch nicht annähernd erforderlich, um schon eine beträchtliche Verringerung der Dämpfung bzw. Verbesserung der Wirkungsgrades einer Wechselstromleitung zu erzielen. Indessen auch der Vergleich mit einer derartigen unvollkommenen Pupinleitung fällt zu deren Ungunsten aus, soferne sie nicht zufällig eine Viertel- oder Halbwellenleitung darstellt.
Es sei beispielsweise über ein 1200 km langes Drehstromkabel von 3X10 qmm Querschnitt eine Leistung von 700 KW (cos q) == i)
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bei einer verketteten-Endspannung von 30. 000 Volt und 15 Per. pro Sek. zu übertragen. Die Kabeldaten sind mit R = 1-81 Ohm, E'== o'i Mikrofarad und L = 0'000484 Henry gegeben. Wird dieses Kabel durch Einschaltung der erforderlichen Drosselspulen mit einer Scheinleistung von n KVA pro km in eine Halbwellenleitung verwandelt, so kann die verlangte Leistung mit einem Wirkungsgrade von 75'5%, also eben noch wirtschaftlich, übertragen werden. Sobald man-aber, z.
B. die Sclbstinduktion der Drosseln und damit ihre Scheinleistung verdoppelt, wird der Wirkungsgrad keineswegs erhöht, sondern sinkt im Gegenteil auf 62'5 %, kommt daher trotz höherer Aufwendungen für das Leitungsmaterial wirtschaftlich nicht mehr in Frage. Das blosse Kabel ohne jede zusätzliche Selbstinduktion würde nur einen Wirkungsgrad von 6'8''/, aufweisen und-zur Übertragung der genannten Leistung einen Anfangsstrom von 60 Amp. pro Phase bei einer verketteten Spannung von 120. 600 Volt aumehmemnüssen. Diese am Leitungsanfang benötigte Leistung von 12.
600c KVA würde aber wegen der unzulässigen Beanspruchung des Kupfers und Isoliermaterials überhaupt nicht in das Kabel hineingesendet werden können, Ähnliche Eigenschaften wie Halbwellenleitungen weisen sogenannte Viertelwellenleitungen auf, deren Länge gleich ist einem Viertel der Wellenlänge bei der verwendeten Periodenzahl.
Ist der Ohmsche Widerstand hinlänglich klein, so zeigen derartige Leitungen bekanntlich-ein den Boucherotschen Kondensator-Transformatoren ähnliches Verhalten : einer konstanten aufgedrückten Spannung am LeitungsanfÅang entspricht konstante Stromstärke am Leitungsende unabhängig vom Belastungswiderstand, und umgekehrt kann eine konstante Endspannung nur durch eine konstante Anfangsstromstärke erzielt werdeni Bei Kurzschluss am Leitungsende herrscht am Anfang der Leerlaufzustand, und eine Stromunterbrechung am Ende wirkt wie ein Kurzschluss am Leitungsanfang, weshalb der Belastungswiderstand nicht abgeschaltet, sondern nur kurzgeschlossen werden darf.
Praktisch kommt eine derartige Anordnung entweder., bei Verwendung-von auf konstanten Strom regulierenden Stromerzeugern oder für eine Belastungsart in Frage, bei der es vornehmlich auf Einhaltung
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Wie aus der allgemeinen Formel für den maximalen Wirkungsgrad ni hervorgeht, kann'für ein bestimmtes Kabel gegebener Länge der Wirkungsgrad auf zweierlei Art erhöht werden : entweder durch Vermehrung der Viertelwellenzahl c auf der Leitung, oder durch Verringerung der Periodenzahl n.
Die erstere Massnahme kommt-wirtschaftlich kaum in Frage, da hierbei auch die Drosselleistung und-spannung im gleichen Masse vergrössert werden müssen. Dagegen bringt die Frequenzverringerung vollen Erfolg, weil Spulenleistung und-spannung von M unabhängig, sind. Wenn also etwa das Kabel des ersten Beispieles die doppelte Betriebsspannung. verträgt, so kann es bei 25 Perioden und 20. 000 Volt die doppelte Leistung mit einem Wirkungsgrad #2@ = ##@0 = 92'3% über die gleiche Länge von 200 km übertragen.
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(bzw. viertel) -Wellenlänge oder ein Vielfaches davon voneinander entfernt sind.
Macht eine derartige'Einteilung Schwierigkeiten, so hat man es aber auch in der Hand, jede der Teilstrecken unabhängig von den anderen so mit zusätzlicher Selbstinduktion zu belasten, dass sie für sich allein bei der gegebenen Periodenzahl eine Halb- (bzw. Viertel-) Wellenleitung darstellt. Dasselbe gilt sinngemäss für von der Hauptleitung ausgehende Zweigleitungen, deren Länge zwischen. Abzweigungs- und Endpunkt durch entsprechende Grösse der zur sätzlichen Selbstinduktion zu einer halben (bzw. viertel) Wellenlänge gemacht wird.
--Es ist klar, dass auch jede andere Methode der künstlichen Selbstinduktionsvermehrung, z, B, die Anbringung ferromagnetischer Hüllen um den Leiter, bei der angegebenen Dosierung der zusätzlichen Induktivität die gleiche Wirkung hat, wie die Einschaltung von Drosselspulen in genügend kleinen-Abständeni PATENT-ANSPRÜCHE:
12 Leitung für Wechselströme mit vermehrter Leitungsinduktivität, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der wirksamen- Selbstinduktion der Leitung, dass im wesent-
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