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Die üblichen symmetrischen Mehrphasensysteme besitzen den Nachteil, dass zur Vermeidung von Spannungs-und Stromverlage-'ungen mindestens drei für die Betriebsspannung zu isolierende Leitungen und demnach beiMasehinen, Transformatoren und ähnlichen Apparaten mindestens drei für die Betriebsspannung gewickelte Schenkel erforderlich sind. Dies führt insbesondere bei Fel1lübertragungen zu kost-
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Leitungen und Wicklungssehenkel verteuert werden. Infolgedessen ging man beispielsweise bei Drehstrombahnen, wo diese Nachteile besonders stark hervortreten, dazu über, eine Phase zu erden und deren Strom durch die Schienen bzw. durch die Erde zu leiten, so dass nur noch zwei Oberleitungen für die Energieübertragung übrigbleiben.
Auf grössere Fernleitungen, höhere Spannungen und Periodenzahl angewandt, wie sie bei der allgemeinen Stromversorgung üblich sind, führt ein derartiger Betrieb infolge der ungleichen Leitungskonstanten (Wirk-und Blindwiderstände) zu unsymmetrischen Verlagerungen
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nicht als gangbar erwiesen.
Ähnliche unsymmetrische Verlagerungen der Spannungen und Ströme in Leitungen und Transformatoren werden auch durch die Belastungsströme selbst hervorgerufen, sofern die Belastung lmsym- metrisch auf die Phasen verteilt ist. Es musste daher bei der bisherigen Betriebsweise eine möglichst symmetrische Belastung von den Abnehmern gefordert werden.
Das oben Gesagte trifft in ähnlicher Weise auf alle Mehrphasensysteme zu, demnach auch auf Einphasensysteme mit Mittelleiter, die richtiger als verkettete Zweiphasensysteme anzusehen sind.
Die Erfindung bezieht sich weniger auf den Ausgleich von Unsymmetrien, wie sie z. B. durch Ungenauigkeiten beim Bau der Leitungen, durch Unterschiede der Induktivitäten der Leitungen infolge ihrer verschiedenen Lage zueinander und zur Erde, zum Blitzschutzseil usw., unzureichende Verdrillung, Materialungleiehheiten u. dgl. entstehen, wenn auch die Erfindung die Anwendung auf diese Fälle mitumfasst, sondern in erster Linie auf solche Unsymmetrien von Leitungen und Transformatoren (in besonderen Fällen auch von Generatoren und Anschlussapparaten), die zur Vereinfachung der Leitungs-, Transformatoren-usw. Anlage absichtlich vorgesehen sind und für den Betrieb an den Verbraucherstellen bzw. an den Erzeugungsstellen wieder beseitigt werden sollen.
Die Erfindung kann insbesondere auch dann angewendet werden, wenn es sich um einen mehrphasigen Doppelleitungsbetrieb handelt, bei dem die Ströme bzw. Spannungen in den Leitungen paarweise einander entgegengesetzt gerichtet sind (180 Verschiebung), so dass die Leitungen in normalen Betrieb mehr oder weniger ausgeglichen sind. wobei jedoch eine bei Störungen oder aus andern Gründen vorgenommene zeitweise Abschaltung eines oder mehrerer Leiter eine ungleiche Stromverteilung ergibt und damit zu starken Unsymmetrien der ganzen Anlage führt. Ein Beispiel hiefür bildet die Vierleitei-Zweiphasenübertragung mit 900 oder mit 60 und 120 Phasenverschiebung, deren Verkettungspunkte auf beiden Enden der Leitungen mit Erde verbunden sind.
Solange alle vier Leiter in Betrieb und zweiphasig belastet sind, arbeitet das System praktisch symmetrisch ; die Erdleitungen sind praktisch stromlos. Wird aber eine Leitung bzw., wie es in solchem Fallüblich ist, eine Hälfte, also zwei Leitungen, abgeschaltet, so lässt sich der Betrieb ohne weiteres auf-
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übertragen wird. Dadurch wird der Spannungsabfall in den drei Leitungen sowohl der Grösse wie der Richtung nach ungleich und damit die in Betrieb befindliche Hälfte unsymmetrisch.
Die Erfindung hat den Zweck, bei verketteten Mehrphasensystemen die aus den angegebenen oder ähnlichen Gründen zwischen Anfang und Ende des Leitungssystemes oder eines Teiles desselben hervorgerufenen Änderungen des Symmetriegrades der Spannungen oder Ströme oder beider zugleich an einer
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allein oder gleichzeitig verwenden, sie an verschiedenen oder an der gleichen Stelle oder Stellen einbauen, man kann sie getrennt voneinander ausführen oder zu einem gemeinsamen Apparat vereinigen. Ebenso ist es im Prinzip für den Erfindungsgedanken einerlei, ob die erwähnten Vorrichtungen unmittelbar in den zu kompensierenden Teil des Systems eingeschaltet werden, oder ob dies mittelbar mit Hilfe magnetischer oder kapazitiver Kupplungen nach bekannten Schaltmethoden erfolgt.
Wir wollen uns darauf beschränken, von den zahlreichen Schaltmöglichkeiten nach dem angegebenen Prinzip einen Fall der Drehstromübertragung näher zu beschreiben.
In Fig. 1 bedeutet a einen normalen Drehstromgenerator. Seine Spannung wird in zwei Einphasentransformatoren c und d umgeformt unter Verwendung der bekannten V-Schaltung. Hochvoltseitig sei der Verkettungspunkt geerdet, u. zw. sowohl am Anfang wie am Ende der Fernübertragung ; eine besondere Rückleitung ist in diesem Falle also überflüssig. Die Belastung am Ende möge bestehen aus drei gleich grossen, in Stern geschalteten Wirkwiderständen, so dass der Leistungsfaktor in allen drei Phasen am Ende der Leitung praktisch = 1 ist. Nehmen wird weiter an, dass oberhalb der Freileitungsmaste ein Erdseil verlegt sei, welches einen andern Querschnitt und infolgedessen auch andere Widerstandskonstanzen besitze wie die andern beiden isolierten Leitungen, so erhält man das in Fig. 3 dargestellte kapazitive Schema der Fernleitung, aus dem sich die Verteilung der Ladeströme ergibt.
Der
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grösseren Ladestrom führt wie jede der beiden isolierten Leitungen. Die Symmetrie der Ladeströme in den drei Leitungen, u. zw. sowohl nach der Grösse wie nach Richtung kann man nun entweder dadurch herstellen, dass man die Kapazität k23 vergrössert, indem man zwischen die Phasen 2 und 3 unmittelbar oder mittelbar eine (kapazitive) Blindbelastung schaltet, oder dadurch, dass man die Kapazitätswerte k02 und k03 entsprechend verkleinert, indem man unmittelbar oder mittelbar zwischen Leiter 2 und Erde und Leiter 3 und Erde eine induktive Belastung von entsprechender Grösse schaltet. Bei dem in Fig. 1 dargestelltenBeispielistderletztereFallgezeigt.
Der Differenzwert der Ladeströme der Sekundärwicklungen wird mittelbar über die beiden Transformatoren c und d durch die Drosselspule e in Grösse und Richtung kompensiert. Die Belastung durch die Drosselspule ist praktisch gleichbedeutend mit der Vergrösserung des Leerlaufstromes der Transformatoren. Man kann daher die gewünschte Kompensation auch durch die Veränderung des Leerlaufstromes der Transformatoren allein erreichen, die bekanntlich in einfacher Weise durch Vergrösserung des magnetischen Widerstandes des Eisenkerns (z. B. Vergrösserung des Luftspaltes) bewirkt wird. Will man einen genauen Ausgleich der Ladestromungleichheiten erzielen, so ist in dem zuletzt genannten Fall die Grösse der Drosselspule gleich dem Unterschied zwischen der zu kompensierenden Kapazitätsleistung und der Leerlaufblindleistung der Transformatoren zu bemessen.
Anstatt für die Drosselspule eine dritte Transformatorwicklung zu benutzen, kann man sie naturgemäss auch zwischen die entsprechenden Phasen des Generators legen oder auf der Hochvoltseite zwischen die beiden Spannung führenden Leitungen und Erde. Ebenso lässt sich diese Kompensation naturgemäss an beliebigen Punkten auf der Strecke vornehmen, u. zw. mit und ohne Hilfe eines besonderen Transformators.
Die Symmetrie der Spannungen wird bei dem vorliegenden Beispiel durch die Vorrichtung f bewirkt, welche aus einem Wirk-und einem Blindwiderstand besteht. Ihre Wirkungsweise ist aus der Fig. 2 zu ersehen. Hiebei ist angenommen, dass am Ende der Leitung Spannungs-und Stromsymmetrie vorhanden sei und dass die Leitungen la, 2a, 3a durch drei gleich grosse in Stern geschaltete Ohmsche Widerstände belastet werden. Die Rückleitung der Phase la möge durch Erde erfolgen und ihr Widerstand vernachlässigbar sein. Beträgt in den Leitungen der Ohmsche Widerstand etwa 5% und der induktive Wider-
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so betragen die drei Aussenspannungen auf der Niedervoltseite der Transformatoren näh 1rungsweise la 2 : la 3c und 2c 3e.
Trotz der symmetrischen Belastung am Ende der Leitung ist demnach die
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klein ist gegenüber dem Blind spannungsabfall und nur wenig zur Spannungsverwerfung beiträgt, ander- seits aber zusätzliche Energieverluste hervorruft, wird man in vielen Fällen auf die Kompensation des Wirkwiderstandes verzichten und sich mit der Kompensation des Blindwiderstandes begnügen. Anstatt der symmetrischen Drehstrombelastung hätte man naturgemäss auch jede andere Belastungsart (einphasig, zweiphasig) u. zw. symmetrische wie unsymmetrische annehmen können ; in jedem Falle lässt sich die Unsymmetrie der Spannungen und der Ströme oder beider gleichzeitig mit den angegebenen Mitteln nach Wunsch regeln.
In Fig. 1 ist ferner noch der Fall dargestellt, dass zwei Systeme der durch die Erfindung gekenn- zeichneten Art parallel geschaltet sind und dass ihre Fernleitungen nebeneinander laufen, also beispielsweise auf einem Mastgestänge verlegt sind. In diesem Fall wird eine teilweise Kompensation der unsymme- trischen Spannungs-und Stromverlagerung dadurch erreicht, dass die einander entsprechenden Phasen beider Systeme um 1800 gegeneinander versetzt sind (in Fig. 1 beispielsweise durch Umkehrung der Hoch-
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wicidlmg als Verkettungspunkt wählt und die Enden als Spannungsphasen für die Fernleitung verwendet.
Die zum Spannungsausgleich dienenden Wirk-oder Blindstrom verbrauchenden Vorrichtungen könnenauehzwisehenzwei oder mehrere Verkettungspunkte von Phasengruppen des Systems geschlatet sein.
Die Unsymmetrien der Spannung können gemäss der Erfindung anstatt unter Benutzung eines Verkettungspunktes auch in den Phasen selbst ausgeglichen werden. Hienaeh werden die Symmetrievorrichtungen mit den einzelnen Phasen in Reihe geschaltet und durch Kupplung zwischen den einzelnen Phasen so belastet, dass sie eine Spannungsverwerfung der Phasen von solcher Grösse und Richtung hervorrufen, dass der gewünschte Symmetliegrad erreicht wird. Handelt es sich beispielsweise um eine l-Sehal- tung bei Drehstrom und um eine Symmetrierung am Transformator, so können hienach die Symmetrievorrichtungen an beliebigen Stellen der Transformatorwicklungen angebracht werden.
Dasselbe gilt für Freileitungen, bei denen die Symmetrievorrichtungen ebenfalls an beliebiger Stelle der Leitungsstrecke einzubauen sind, u. zw. ohne Zuhilfenahme eines Verkettungspunktes.
Diese Anordnung ist vorwiegend für lange Leitungen und solche Fälle geeignet, in welchen dm Symmetrierung des Leitungssystem'3 an den Endpunkten nicht ausreicht. Die Symmetrierung auf der Strecke unter Zuhilfenahme eines Verkettungspunktes hat, abgesehen von den Mehrkosten, sofern erst ein künstlicher Verkettungspunkt geschaffen werden muss, den Nachteil, dass der Grad der Unsymmetrie auf der Strecke mit der Belastung wechselt und dass deshalb, um unter allen Belastungsverhältnisseu
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Verhältnissen zweckmässig erscheint, ist durch entsprechende Bemessung der Vorrichtung zu erreichen.
dass der Symmetriegrad unter allen Belastungsverhältnissen konstant ist oder sich mit der Belastung in bestimmtem Masse ändert, wobei es selbstverständlich unbenommen bleibt, ausserdem noch eine besondere Regelung der Symmetrievorrichtung vorzusehen.
Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Schaltbeispiele der Phasensymmetrierung an Leitungen in Verbindung mit der V-Schaltung. 12 und 18 stellen die beiden Phasen der Fernleitung dar, während die Rückleitung über 11 durch Erde gedacht ist. An einer beliebigen Stelle der Strecke sind die Symmetriervorrichtungen s, b und e, d in die einzelnen Leitungen eingebaut. In dem durch Fig. 4 angedeuteten Beispiel besteht die Vorrichtung aus einem gemischten Widerstand (Blind- und Wirkwiderstand) b bzw. d, der parallel geschaltet ist zu einem Reihentransformator a bzw. e. Die Sekundärwicklungen der beiden Reihentransformatoren sind untereinander verbunden.
Bei dem in der Fig. 5 gezeigten Beispiel sind die Primärwick- lungen der Reihentransformatoren unmittelbar magnetisch miteinander gekuppelt, so dass die Sekundärwicklungen ganz wegfallen und somit nur ein einziger Transformator gebraucht wird.
Die Wirkungsweise in diesen Fällen ist folgende : Der Betriebsstrom J2 der Leitung verteilt sich, wenn wir von dem einfachen Fall ausgehen, dass die Widerstände b und d einander gleich sind. dass das Übersetzungsverhältnis der Reihentransformatoren 1 : 1 beträgt und dass die Verluste der Reihentrans- formatoren vernachlässigt werden können, zur Hälfte auf den Widerstand b und zur Hälfte auf die Primärwicklung des Transformators ? ; durch die Transformatoren wird infolgedessen bewirkt, dass in dem Wider-
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die Leitung la abgeführt werden kann.
In der gleichen Weise verteilt sich der Betriebsstrom J, der Leitung 3 hälftig auf den Widerstand und die Primärwicklung des Transformators e, von wo die letztere Hälfte in den Widerstand b geleitet wird. Demnach fliessen infolge Stromüberlagerung in den Wider-
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die geometrische Summe aus % J2 + % Ja. Das hat aber zur Folge, dass zwischen den Punkten e und f die Spannungen der beiden Leitungen k, und la einen Spannungsabfall erfahren,
dessen Richtung gleich
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ist der resultierenden Richtung der beiden Betriebsströme J2 und J3 und dessen Grösse proportional ist den Wiederständen b und d einerseits und der geometrischen Summe der beiden Betriebsströme anderseits und sich demnach bei konstanten Widerständen proportional mit der Belastung verändert.
Wie bei diesem Beispiel die Symmetrierung der Spannung im einzelnen erfolgt, ist aus dem Spannungsdiagramm Fig. 6 zu eIsehen. Hierin stellt la 2a 3a das Spannungsdreieck am Ende der Leitung dar, das als symmetrisch angenommen ist.
Infolge des Ohmschen und induktiven Spannungsabfalls der Fernleitung erhält man an der Stelle e (Fig. 4) der Leitung das unsymmetrische Spannungs dreieck la 2b 3b. Nimmt man die Widerstände b und d (Fig. 4) zunächst als rein Ohmsche Widerstände an, so verläuft der Spannungsabfall zwischen e und t (Fig. 4) in Richtung der Ströme, welche die Widerstände durchfliessen, d. h. in Richtung, der Resultierenden aus den beiden Betriebsströmen, deren Richtung durch die Vektoren 0 2a, und 0 3a (Fig. 6) dargestellt wird, wenn man mit einer rein Ohmschen Sternbelastung am Ende der Leitung rechnet.
Demnach ist der Spannungsabfall in den Widerständen im Diagramm vertikal von 2b bzw. 3b aus abzutragen. Sofern die Widerstände bund d, wie in den Fig. 4 und 5 angedeutet ist, neben dem Ohmschen auch induktiven Widerstand besitzen, verursacht der letztere einen Spannungsabfall, der dem Ohmschen Spannungsabfall um 900 nacheilt. Infolgedessen erhält man an den Stellen f (Fig. 4 und 5) der Leitungen das Spannungsdreieck la 2e 3c (Fig. 6).
Werden nun die Widerstände bund d entsprechend demjenigen des zu symmetrierenden Leitungsabschnittes gewählt, also beispielsweise jeder gleich 20 Ohm, wenn der Widerstand des Leitungsabschnittes in jeder Phase (12 bzw. 13) 10 Ohm beträgt, so besteht unter allen Belastungsverhältnissen Gleichheit der Strecken :
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Da unter den vereinfachten Voraussetzungen weiterhinauch die WinkeUa22a 2c und la 3a 3c einander gleich sind, so folgt, dass das Spannungsdreieck hinter der Symmetrievorrichtung, also an der Stelle f (Fig. 4 und 5) gleichseitig ist und dass demnach an dieser Stelle für alle Belastungsverhältnisse die Spannungssymmetrie wieder hergestellt ist.
Aus der Fig. 6 geht ohne weiteres hervor, dass man durch Änderung der Widerstände bund d (Fig. 4 und 5) eine beliebige Verschiebung der Punkte 2c und 3c gegenüber 2b und 3b hervorrufen und daher einen beliebigen Grad der Symmetrierung einstellen, insbesondere auch Spannungsunsymmetrien ausgleichen kann, die durch Ungleichheit der Betriebsströme in den beiden Leitungen hervorgerufen werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verkettetes Mehrphasensytem, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen des Symmetriegrades zwischen Anfang und Ende eines Leitungssystemes, welche durch das Leitungssystem (Leitungen, Trans- formatoren usw. ) hervorgerufen werden, in beliebigem Masse ausgeglichen werden, u. zw.
Unsymmetrien der Spannung durch Zwischenschaltung von Wirk-oder Blindstrom verbrauchenden Vorrichtungen mit unveränderlichem oder veränderlichem'Widerstand oder von beiden Vorrichtungen unmittelbar oder mittelbar zwischen Verkettungspunkt und eine Phase oder zwischen zwei oder mehrere Verkettungspunkte von Phasengruppen, Unsymmetrieen der Ströme durch unmittelbare oder mittelbare Zwischenschaltung von Wirk-oder Blindstrom verbrauchenden Vorrichtungen mit unveränderlichem oder veränderlichem Widerstand oder von beiden Vorrichtungen zwischen einzelne Phasen.