DE19701729A1 - Drehstrom-Freileitung zur Elektroenergieübertragung mit mindestens einem gesplitteten Phasenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehstrom-Freileitung zur Elektroenergieübertra­ gung mit mindestens einem gesplitteten Phasenleiter gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

In der Umgebung von Freileitungen wird - bedingt durch die Übertragungsströme - un­ vermeidlich ein Magnetfeld erzeugt. Es ist unter anderem durch den Effektivwert seiner magnetischen Induktion gekennzeichnet.

Um schädliche Wechselwirkungen dieses Magnetfeldes mit der menschlichen Gesund­ heit zu vermeiden, sollte es an Orten, die nicht nur zum vorübergehenden Aufenthalt von Menschen bestimmt sind, möglichst niedrig sein und darf in Empfehlungen verein­ barte und/oder festgesetzte gesetzliche Grenzwerte keinesfalls überschreiten.

In diesem Zusammenhang ist aus der WO 95/20835 A1 die Kombination von "passive shielding", "phase splitting" und "kapazitiver Kompensation" bekannt. Bei "passive shielding" umfaßt eine geschlossene Leiterschleife die stromführenden Phasenleiter eines Drehstromsystems oder mehrerer Drehstromsysteme. Die in der Schleife indu­ zierte Spannung treibt einen Strom, der dem Magnetfeld - erzeugt von den Strömen der Phasenleiter - entgegenwirkt. Beim "phase splitting" wird mindestens ein Phasenleiter im allgemeinen in zwei Teilleiter aufgesplittet, wobei beide Teilleiter die Hälfte des Stromes führen. Die Teilleiter werden weit voneinander als Außenleiter angeordnet. Das überlagerte Magnetfeld ist in der Nähe der Erdoberkante reduziert. Die Impedanz der Schleife kann durch einen Reihenkondensator reduziert und dadurch der Strom erhöht werden. Diese "kapazitive Kompensation" führt in bestimmten Grenzen zu einer weiteren Reduktion des Magnetfeldes.

Bei der Kombination von "passive shielding" und "phase splitting" werden die gesplitte­ ten und weit auseinander liegenden Phasenleiter in gewissen Abständen miteinander verbunden, damit geschlossene Schleifen entstehen, in denen Ströme fließen, die das Magnetfeld reduzieren.

Dabei ist es jedoch für häufig eingesetzte Freileitungskonfigurationen nicht möglich, das Magnetfeld extrem zu reduzieren. Beispielsweise bilden der für maximale Feldre­ duktion notwendige Kompensationsstrom in der Schleife und die in der Schleife indu­ zierte Kompensationsspannung, die diesen Strom antreiben müßte, bei einer Horizon­ talanordnung der Phasenleiter einen Phasenwinkel von 90°. Deshalb könnte der not­ wendige Kompensationsstrom in diesem Fall nur fließen, wenn die Schleifenimpedanz rein induktiv wäre und die Schleife keinen ohmschen Widerstand hätte. In der Praxis bedeutet dies, daß die Magnetfeldreduktion nur unvollkommen ist, weil der ohmsche Widerstand der Schleife nicht Null sein kann. Um die Magnetfeldreduktion trotz dieses prinzipiellen Nachteils zu optimieren, sind die gesplitteten Leiter mit großem Quer­ schnitt, d. h. niedrigem längenbezogenen Widerstand, und damit hohem Materialauf­ wand auszuführen - ganz im Gegensatz zu der Erwartung, daß man die gesplitteten Leiter mit verkleinertem Querschnitt und damit materialsparend ausführen könne, weil nur der halbe Phasenstrom zu tragen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bezüglich des Materialeinsatzes opti­ mierte Drehstrom-Freileitung zur Elektroenergieübertragung anzugeben, die in ausge­ wählten Abschnitten der Leitung und insbesondere im Bereich unterhalb der Leiter und in der Nähe der Erdoberkante, vorzugsweise bis zu einer Höhe von 2 bis 3 m über der Oberfläche, ein wesentlich reduziertes Magnetfeld erzeugt.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs­ gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sowohl das Maximum des Effektivwertes der magnetischen Induktion B_effmax im Bereich 2 bis 3 m Höhe über dem Erdboden als auch der Abstand x_0,2µT zu der Freileitungsachse, bei dem der Effektivwert der magnetischen Induktion in 2 m Höhe über der Erdoberkante den Wert von 0,2 µT erreicht und für größere Abstände unterschreitet, extrem redu­ ziert werden. Dies hat seine Ursache darin, daß Kompensationsschleife (insbesondere Phase und Amplitude des Kompensationsstromes) und Freileitung hinsichtlich der ma­ gnetischen Kopplung aufeinander abgestimmt sind, d. h. Kompensationsschleife, Zu­ satzschleife und Freileitung werden als geometrische und elektrische Einheit betrach­ tet.

Ein besonderer Vorteil der vorgeschlagenen Leiterkonfiguration ist es, daß die maximal mögliche Magnetfeldreduktion unter Einsatz lediglich vier stromführender Leiter bei einer Einfachleitung (ein Drehstromsystem) erzielt wird, wobei die vorzusehenden Lei­ terquerschnitte der Teilleiter relativ gering sind. Dies führt zu einer hinsichtlich des Materialeinsatzes optimierten magnetfeldreduzierten Drehstrom-Freileitungsanord­ nung.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer magnetfeldreduzierten Freileitung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer magnetfeldreduzierten Freileitung,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer magnetfeldreduzierten Freileitung,

Fig. 4 ein Zeigerbild interessierender Ströme und Spannungen, passend zur Ausführungsform nach Fig. 1.

Bei allen drei Ausführungsformen werden "phase splitting", passive shielding", "kapazitive Kompensation" und "active shielding" vorteilhaft kombiniert. "Active shiel­ ding" geht davon aus, daß in einer Leiterschleife, die die Phasenleiter umfaßt, ein Kompensationsstrom eingespeist wird. Der Betrag des vom Drehstromsystem selbst erzeugten Kompensationsstromes, dessen Phasenlage sowie die Lage der Leiter der Kompensationsschleife sind unter Beachtung der Wirk- und Blindwiderstände der Strombahn, der Geometrie der Anordnung und der Phasenströme so berechenbar, daß eine höchstmögliche Reduktion des Magnetfeldes in vorgegebener Höhe über der Erd­ oberkante und deren Umgebung erreicht wird. Die Stromeinspeisung mit optimaler Hö­ he und Phasenlage wird durch Kompensationsschleife mit einer Zu­ satzschleife realisiert. Hierzu wird ausdrücklich auf die Ausführungen der DE 196 45 001 A1 verwiesen.

Bei der Drehstrom-Freileitung wird in eine Kompensationsschleife mittels einer treiben­ den Kompensationsspannung ein Kompensationsstrom eingespeist, dessen Phasenla­ ge und Amplitude derart bezüglich der Phasenlage und der Amplitude des im Phasen­ leiter fließenden Phasenstromes eingestellt ist, daß der hierdurch erzeugte Magnetfluß dem vom Phasenstrom erzeugten Magnetfluß entgegenwirkt, wobei die treibende Kom­ pensationsspannung für den Kompensationsstrom in der Kompensationsschleife und in mindestens einer Zusatzschleife erzeugt wird, welche mit der Kompensationsschleife verbunden ist, so daß die Freileitung in mindestens zwei Hauptabschnitte unterteilt ist, nämlich in mindestens einen Abschnitt mit Kompensationsschleife und in mindestens einen Abschnitt mit Zusatzschleife.

Bei allen Ausführungsformen gemäß den Fig. 1, 2, 3 weist die magnetfeldreduzierte Freileitung drei übereinander angeordnete Phasenleiter L₁ (beispielsweise R), L₂ (beispielsweise S), L₃ (beispielsweise T) eines Drehstromsystems (mit drei je 120° phasenverschobenen Strömen iR, iS, iT, wobei Phasenwinkel ϕ(iR) = 0°, Phasenwinkel ϕ(iS) = -120°, Phasenwinkel ϕ(iT) = -240°) auf, wobei der Phasenleiter L₁ (beispiels­ weise R) in zwei Teilleiter L_1a, L_1b gesplittet ist. Phasenleiter L₂ ist nacheilend bezüglich Phasenleiter L₁ und Phasenleiter L₃ ist voreilend bezüglich Phasenleiter L₁. Die Freilei­ tung ist horizontal in vier aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilt, in einen Abschnitt a ohne maximale Magnetfeldreduktion, in einen Abschnitt b mit Kompensationsschleife 1 in einen Abschnitt c mit Zusatzschleife 2 und in einen Abschnitt d ohne maximale Ma­ gnetfeldreduktion.

In den beschriebenen Ausführungsformen gemäß den Fig. 1, 2, 3 wird beispielhaft stets eine vertikale Leiterkonfiguration mit übereinander angeordneten Leitern behan­ delt. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auch bei horizontalen Leiterkonfigura­ tionen mit nebeneinander angeordneten Leitern anwendbar. Bei einer horizontalen Leiterkonfiguration entspricht beispielsweise der linke Leiter der horizontalen Leiter­ konfiguration dem oberen Leiter der vertikalen Leiteranordnung und der rechte Leiter der horizontalen Leiterkonfiguration entspricht dem unteren Leiter der vertikalen Lei­ teranordnung. Die in den Fig. 1, 2, 3 für vertikale Leiteranordnungen dargestellten Seitenansichten sind somit gleichzeitig Draufsichten bei horizontalen Leiteranordnun­ gen.

In den Abschnitten a und b ergibt sich eine vertikale Leiterkonfiguration L_1a, L₂, L₃, L_1b von unten nach oben. Am Übergang des Abschnitts a zum Abschnitt b befindet sich ein seitlicher Verbindungsleiter zwischen den Teilleitern L_1a und L_1b, so daß die Kompen­ sationsschleife 1 im Abschnitt b von den Teilleitern L_1a, L_1b und diesem seitlichen Ver­ bindungsleiter gebildet wird. Die mit der Kompensationsschleife 1 direkt verbundene Zusatzschleife 2 im Abschnitt c wird durch die Leiter L_1a, L_1b und einen die beiden Lei­ ter L_1a, L_1b am Übergang des Abschnitts c zum Abschnitt d verbindenden seitlichen Verbindungsleiter mit Reihenkondensator 5 gebildet. Die vorstehenden Ausführungen sind für alle Ausführungsformen gemäß den Fig. 1, 2 und 3 gültig.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ergibt sich am Übergang des Abschnitts b zum Abschnitt c eine Kreuzung 3, an der die Leiter L_1a und L₂ ihre Positionen vertauschen. Im Abschnitt c ergibt sich eine vertikale Leiterkonfiguration L₂, L_1a, L₃, L_1b von unten nach oben. Am Übergang vom Abschnitt c zum Abschnitt d befindet sich eine Kreuzung 4, an der die Leiter L_1a und L₂ spiegelbildlich zur Kreuzung 3 ihre Positionen tauschen, so daß sich im Abschnitt d wiederum die Leiterkonfiguration des Abschnittes a einstellt. Die Ausführungsform nach Fig. 1 ist gleichermaßen für horizontale und vertikale Leiter­ konfigurationen geeignet. Die Ausführungsform nach Fig. 1 ist notwendig, wenn die gesplitteten Leiter L_1a und L_1b als Zusatzschleife einen zum Strom i_R in L_1a und L_1b vorei­ lenden Strom i_T in L₃ umfassen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ergibt sich am Übergang des Abschnitts b zum Abschnitt c eine Kreuzung 3, an der alle Leiter mit Ausnahme von L₂ ihre Positionen verändern. Im Abschnitt c ergibt sich eine vertikale Leiterkonfiguration L_1b, L₂, L_1a, L₃ von unten nach oben. Am Übergang vom Abschnitt c zum Abschnitt d befindet sich ei­ ne Kreuzung 4, an der die Leiter L₃, L_1a ihre Positionen tauschen, so daß sich im Ab­ schnitt d die Leiterkonfiguration L_1b, L₂, L₃, L_1a von unten nach oben einstellt. Die Aus­ führungsform nach Fig. 2 ist insbesondere für horizontale und weniger für vertikale Leiterkonfigurationen geeignet. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist notwendig, wenn die gesplitteten Leiter L_1a und L_1b als Zusatzschleife einen zum Strom i_R in L_1a und L_1b nacheilenden Strom i_T in L₂ umfassen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ergibt sich am Übergang des Abschnitts b zum Abschnitt c eine Kreuzung 3, an der alle Leiter mit Ausnahme von L_1b ihre Positionen verändern. Im Abschnitt c ergibt sich eine vertikale Leiterkonfiguration L₂, L₃, L_1a, L_1b von unten nach oben. Am Übergang vom Abschnitt c zum Abschnitt d befindet sich ei­ ne Kreuzung 4, an der die Leiter L₂, L₃, L_1a spiegelbildlich zur Kreuzung 3 ihre Positio­ nen ändern, so daß sich im Abschnitt d wiederum die Leiterkonfiguration des Abschnit­ tes a einstellt. Die Ausführungsform nach Fig. 3 ist gleichermaßen für horizontale und vertikale Leiterkonfigurationen geeignet, jedoch weniger wirkungsvoll als die Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1.

Bei allen Ausführungsformen gemäß den Fig. 1, 2, 3 kompensiert der in der Zusatz­ schleife 2 angeordnete Reihenkondensator 5 allgemein den induktiven Spannungsab­ fall in der Zusatzschleife und bewirkt eine gewünschte Phasendrehung des Kompensa­ tionsstromes in die erforderliche Phasenlage.

Wie allgemein aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, wird die Magnetfeldreduktion in bestimmten Freileitungsabschnitten erzielt, indem eine Kombination von "phase splitting", "passive shielding", "kapazitiver Kompensation" und "active shielding" gewählt wird. In dem Abschnitt b mit reduziertem Magnetfeld wird die Kom­ pensationsschleife 1 jedoch nicht geschlossen, sondern mit der Zusatzschleife 2 in ei­ nem benachbarten Abschnitt c der Freileitung verbunden. Die Zusatzschleife 2 umfaßt beispielsweise einen der beiden ungesplitteten Phasenleiter und wird unverkreuzt mit der Kompensationsschleife 1 verbunden, wenn ein zum gesplitteten Leiter voreilender Phasenleiter umfaßt wird. Umfaßt die Zusatzschleife 2 einen nacheilenden Phasenlei­ ter, so wird die Zusatzschleife verkreuzt mit der Kompensationsschleife 1 verbunden. Bei einer vertikalen Leiteranordnung ist der Effekt der Magnetfeldreduzierung größer, wenn der obere Phasenleiter umfaßt wird.

Mit der Zusatzschleife 2 wird allgemein erreicht, daß der Impedanzwinkel zwischen induzierter Gesamtspannung in beiden Schleifen 1, 2 und dem notwendigen Kompen­ sationsstrom verkleinert wird (siehe hierzu auch Fig. 4). Hierdurch kann der ohmsche Widerstand und damit auch der längenbezogene Widerstand der Teilleiter größere Werte als im bekannten Fall (WO 95/20835 A1) annehmen. Demzufolge können Teil­ leiter mit geringerem Querschnitt verwendet werden, was vorteilhaft eine Materialer­ sparnis und Kostenersparnis zur Folge hat.

Je länger Kompensationsschleife 1 und Zusatzschleife 2 sind, desto niedriger ist die zur Kompensation notwendige Kapazität des Reihenkondensators 5.

Kommt es nicht darauf an, das Magnetfeld auf den minimal möglichen Wert zu reduzie­ ren, sondern nur abzusenken, führt die Kombination von Kompensations- und Zusatz­ schleife - gebildet aus einem gesplitteten Phasenleiter - zu einem höheren Effekt als der Einsatz der Kompensationsschleife ("passive shielding") allein.

Für die optimale Magnetfeldreduktion muß der Impedanzwinkel ϕ_k zwischen dem erfor­ derlichen Kompensationsstrom I_komp und der induzierten Gesamtspannung U_ges in der zusammengeschalteten Kompensations- und Zusatzschleife kleiner als 90° sein, damit mittels kapazitiver Reihenkompensation die erforderliche Phasenlage des Kompensati­ onsstromes eingestellt werden kann. Allgemein wird in der Zusatzschleife eine solche Spannung U_zus induziert, daß die Überlagerung (Addition oder Subtraktion) beider Spannungen (in Zusatzschleife und Kompensationsschleife) die vorstehend angege­ bene Phasenbedingung erfüllt.

In Fig. 4 ist an Hand eines Zeigerbildes beispielhaft die Bildung einer geeigneten trei­ benden Spannung durch Addition von Kompensationsspannung und Zusatzspannung dargestellt. Die Spannungsaddition ist für die Ausführungsform gemäß Fig. 1 für eine vertikale Anordnung mit Phasenfolge von unten nach oben R/2, S, T, R/2 gültig (bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 erfolgt eine Spannungssubtraktion). Es sind die not­ wendige Lage und Größe des Kompensationsstromes I_komp, der halbe Strom I_R/2 der Bezugsphase (im Ausführungsbeispiel entspricht der Phasenleiter L₁ der Bezugsphase R), der Gesamtstrom I_L1b im oberen Teilleiter, der Gesamtstrom I_L1a im unteren Teillei­ ter, die in der Kompensationsschleife induzierte Leerlaufspannung U_komp, die in der Zu­ satzschleife induzierte Leerlaufspannung U_zus, die gesamte induzierte Spannung U_ges und der notwendige Impedanzwinkel ϕ_k zwischen I_komp und U_ges zu erkennen. Wie er­ sichtlich ist, wird durch vektorielle Addition der Leerlaufspannungen U_zus + U_komp eine Gesamtspannung U_ges erzeugt, welche in Richtung der gewünschten Phasenlage des Kompensationsstromes I_komp so gedreht wird, daß der Impedanzwinkel ϕ_k zwischen I_komp und U_s kleiner als 90° ist. U_zus erhöht die Gesamtspannung U_ges.

Im Abschnitt b mit der Kompensationsschleife 1 werden vorteilhaft B_effmax und x_0,2µT sehr stark reduziert, während diese das Magnetfeld kennzeichnenden Größen im Abschnitt c mit der Zusatzschleife 2 aufgrund des Einsatzes der Zusatzschleife geringfügig er­ höht werden. Dies ist bei der Projektierung der Freileitung und insbesondere bei der Wahl der Länge und Lage der Kompensationsschleife 1 und Zusatzschleife 2 zu be­ achten.

Claims (4)

1. Drehstrom-Freileitung zur Elektroenergieübertragung mit mindestens einer, aus den Teilleitern (L_1a, L_1b) mindestens eines gesplitteten Phasenleiters (L₁) gebilde­ ten und mindestens einen ungesplitteten Phasenleiter (L₂, L₃) umfassenden Kompen­ sationsschleife (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschleife mit einer ebenfalls aus den gleichen Teilleitern mindestens eines gesplitteten Phasenleiters gebildeten Zusatzschleife (2) verbunden ist und zusammen mit dieser eine geschlos­ sene Schleife bildet, so daß die Freileitung in mindestens zwei Hauptabschnitte unter­ teilt ist, nämlich in mindestens einen Abschnitt mit Kompensationsschleife und in min­ destens einen Abschnitt mit Zusatzschleife und daß die Zusatzschleife entweder kei­ nen ungesplitteten Phasenleiter oder lediglich einen ungesplitteten Phasenleiter um­ faßt und einen Reihenkondensator (5) aufweist, wobei in die Kompensationsschleife mittels einer in der Kompensationsschleife und der Zusatzschleife erzeugten treiben­ den Spannung ein Kompensationsstrom eingespeist wird, dessen Phasenlage und Amplitude derart bezüglich der Phasenlage und der Amplitude des im umfaßten Pha­ senleiter fließenden Phasenstromes eingestellt ist, daß der hierdurch erzeugte Ma­ gnetfluß dem vom Phasenstrom erzeugten Magnetfluß entgegenwirkt.

2. Freileitung zur Elektroenergieübertragung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zusatzschleife (2) einen ungesplitteten, zum gesplitteten Pha­ senleiter (L₁) voreilenden Phasenleiter (L₃) umfaßt und unverkreuzt mit der Kompensa­ tionsschleife (1) verbunden ist (Fig. 1).

3. Freileitung zur Elektroenergieübertragung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zusatzschleife (2) einen ungesplitteten, zum gesplitteten Pha­ senleiter (L₁) nacheilenden Phasenleiter (L₂) umfaßt und verkreuzt mit der Kompensati­ onsschleife (1) verbunden ist (Fig. 2).

4. Freileitung zur Elektroenergieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschleife (2) bei einer Leiterkonfiguration mit übereinander angeordneten Leitern den oberen ungesplitteten Phasenleiter (L₃) umfaßt (Fig. 1).