DE262320C

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Publication number: DE262320C
Application number: DENDAT262320D
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVl 262320 KLASSE 21 c. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 6. Januar 1912 ab.

Die Erfindung betrifft eine besondere Ausbildung und Schaltweise von Stromkreisen, die zeitlich veränderliche elektrische Ströme führen, um das Auftreten von Überspannungen infolge von Änderungen des elektrischen Zustandes des Stromsystems selbst oder auch bei Freileitungen infolge von Wanderwellen frei werdender atmosphärischer Elektrizität entweder in einzelnen oder sämtlichen Teilen

ίο des Stromkreises möglichst zu vermeiden, weil sie eine stärkere Isolation erforderlich machen oder aus anderen Gründen schädlich sind.

Die eigentliche Ursache derartiger Überspannungen ist stets die Induktivität des Stromkreises, wenn man von dem ungewöhnlichen Fall der Verkleinerung eines geladenen Kondensators absieht. Die Induktivität kann unmittelbar oder im Zusammenwirken mit der Kapazität des Stromkreises zu Uberspannungen führen. Im ersteren Falle werden Überspannungen dadurch hervorgerufen, daß auf irgendeine Weise eine Abnahme des elektrischen Stromes in der Induktivität von solcher Größe und mit solcher Geschwindigkeit verursacht wird, daß die durch die Abnahme des elektromagnetischen Feldes induzierte elektromotorische Kraft zu der Klemmenspannung oder erzeugenden elektromotorischen Kraft hinzukommt. Diese Erscheinung tritt bekanntlieh häufig beim plötzlichen Ausschalten von Maschinen und Apparaten auf, die induktive Eigenschaften besitzen. Die zweite Art von Überspannungen kommt in schwingungsfähigen Stromkreisen oder -systemen, in denen also außer der Induktivität eine merkliche Wirkung der Kapazität vorhanden ist, bei der Umwandlung von elektromagnetischer Energie in elektrostatische oder umgekehrt vor, wenn sich die entgegengesetzten elektrischen Eigenschaf-, ten, Induktivität und Kapazität, mit der erzeugenden Spannung in Reihenschaltung befinden und die durch sie hervorgerufenen Teilspannungen sich teilweise oder ganz aufheben. Derartige auf unvollkommener oder vollkommener Spannungsresonanz beruhende Über-Spannungserscheinungen können beim Einschwingen wie im Beharrungs- oder eingeschwungenen Zustand und auch beim freien Ausschwingen auftreten, und zwar sowohl in Schwingungsgebilden mit quasistationärer wie auch in solchen mit nicht quasistationärer, sondern wellenförmiger Spannungs- und Stromverteilung. Vollständige, mehr oder weniger scharfe Spannungsresonanz tritt in der Regel nur in Stromkreisen mit nahezu quasistationärem Strom verlauf ein. In Wellenleitern und kombinierten Schwingungsgebilden entstehen Überspannungen durch Reflexionserscheinungen von Wellen nach Art unvollkommener Spannungsresonanz.

Bei der ersten Art von Überspannungen, die lediglich von den durch das elektromagnetische Feld des eigenen Stromes induzierten elektromotorischen Kräften herrühren, können

bedeutend größere Potentialdifferenzen auftreten als bei den auf Spannungsresonanz zurückzuführenden, da die induzierte elektromotorische Kraft in einer Induktivität um so größer ist, je stärker ihr magnetisches Feld ist und in je kürzerer Zeit ihr elektrischer Strom unterbrochen bzw. ihr magnetisches Feld vermindert wird. Durch das Hinzukommen einer Spannungsresonanz, was möglich ist, können

ίο derartige Überspannungen noch vergrößert werden. Man begegnet diesen Überspannungen bekanntlich durch die Benutzung von Ölschaltern, da diese bei richtiger Konstruktion die Eigenschaft besitzen, die Strombahn in dem Augenblick zu unterbrechen, in welchem der Strom nahezu auf den Wert 0 gesunken ist. Die Ölschalter sind jedoch hinsichtlich dieser Wirkungsweise nicht absolut zuverlässig, sondern versagen häufig bekanntlich gerade dann, wenn die Gefahr durch eine plötzliche Stromunterbrechung besonders groß ist, nämlich bei Erd- oder Kurzschlüssen und Überlastungen, bei denen der Strom oft außerordentlich große Werte annimmt.

Durch die Erfindung wird diese Unsicherheit im Betriebe vermindert bzw. völlig beseitigt, und zwar durch geeignete Ausbildung des Stromkreises und geeignete Anordnung der Unterbrechungsstelle. Der Erfindungsgedanke geht von der Erkenntnis aus, daß beim Schalten von Stromkreisen ohne jede Induktanz oder Kapazität, z. B. solchen, die nur Glühlampen enthalten, keine Überspannungen auftreten. Um dasselbe bei Stromkreisen mit Induktanz oder Kapazität oder mit beiden Eigenschaften zu erreichen, müßte also die Schaltung so vorgenommen werden, daß von ihr nur die Wattkomponente des betreffenden Stromkreises betroffen wird. Zu diesem Zwecke sollen gemäß der Erfindung einerseits Maschinen, Apparate, Leitungen u. dgl. mit derart bemessenen Nebenschlüssen von entgegengesetzter Eigenschaft wie der zu kompensierende Stromkreis versehen werden, daß die so entstandenen Schwingungskreise nach dem Prinzip der Stromresonanz vollkommen oder auch nur teilweise abgestimmt sind. In diesen Schwingungskreisen sind bekanntlich die durch die Induktanz und Kapazität erzeugten Spannungskomponenten ganz oder teilweise kompensiert, und Überspannungen können nicht auftreten, sondern nur solche Spannungen, die ganz oder annähernd der aufgedrückten Spannung gleich sind. Andererseits sollen die Regulier-, Schalt- oder Sicherheitsvorrichtungen zur Regelung der Spannung bzw. Energiezufuhr an solchen Stellen angeordnet werden, daß sie den aus den Stromverzweigungen resultierenden oder Gesamtstrom führen, der praktisch keine Phasenverschiebung gegen die erzeugende Spannung besitzt, so daß z. B. beim Ausschalten desselben die Magnetisierungskomponente des betreffenden Stromzweiges praktisch nicht mitunterbrochen wird.

Beispielsweise sollen Stromkreise mit der Wirkung von Induktivitäten mit Nebenschlüssen von der Wirkung einer Kapazität versehen werden, die so bemessen oder erforderlichenfalls vor dem Ausschalten von Hand oder selbsttätig so reguliert werden, daß sie die Magnetisierungskomponente des Stromes der Induktivität nach dem Prinzip der Stromresonanz so weit aufheben bzw. lokalisieren, daß die Unterbrechung des der Stromverzweigung zuzuführenden resultierenden Gesamtstromes keine wesentliche Überspannung erzeugt. Bei vollständiger Stromresonanz ist der resultierende Strom gleich der Summe der Wattkomponenten der verzweigten Ströme. In diesem Falle findet eine direkte Beeinfmssung der Magnetisierungskomponente des Stromes der Induktivität bei der Unterbrechung des Gesamtstromes überhaupt nicht statt. Deshalb tritt selbst bei momentaner Unterbrechung des letzteren keine Spannungserhöhung an der Induktivität ein, sondern der Strom im Schwingungsgebilde schwingt in gedämpften Schwingungen allmählich aus, bis alle elektrische Energie in Wärme umgewandelt

ist. CjO

Besitzt beispielsweise der betreffende Stromkreis die Wirkung einer Kapazität (Kondensator, übererregter Synchronmotor o. dgl.), so muß der zuzuschaltende Nebenschluß die Wirkung einer Induktivität besitzen.

Um die Überspannungen infolge von Wellenreflexion der fortzuleitenden Schwingungen möglichst zu vermindern, soll gemäß der Erfindung die Wellenausbildung dadurch verringert werden, daß die Leitung nach dem bekannten Thompsonschen System in bestimmten Abständen mit geeigneten Nebenschlüssen versehen wird, so daß die Wellenausbildung für die zu übertragenden Periodenzahlen auf die Partialwellen innerhalb der Leitungselemente beschränkt wird, also nach dem Prinzip der Stromresonanz abgestimmte Schwingungskreise mit praktisch quasistationärer Spannungsverteilung entstehen. Die Regulier-, Schalt- oder Sicherheitsvorrichtungen zur Regelung der Energiezufuhr sollen außerdem an ebensolchen Stellen, wie zuvor angegeben, angeordnet werden.

In den Figuren sind einige Beispiele von Anwendungen der Erfindung schematisch ahgegeben.

Fig. ι stellt eine Kraftübertragung zwischen den Stationen Z und V dar. Der Wechselstromgenerator G liefert die Energie mittels des Transformators T, über die Regulier-, Schalt- oder Sicherheitsvorrichtung S und die Doppelleitung l_a, l_b an den Transformator T_v

der Verbrauchsstelle V, der sie seinerseits an den Verbrauchsapparat M, z. B. einen Motor, weitergibt. Es ist angenommen, daß die Leitung bei Belastung einen der Spannung nacheilenden Strom aufnimmt, sich also wie eine Induktivität verhält. Um die Magnetisierungskomponente bei der Regelung der Energiezufuhr mittels der Einrichtung S nicht plötzlich zu verringern, ist sie durch den

ίο Nebenschluß K_t mit der Wirkung einer Kapazität kompensiert und die Schaltvorrichtung S in der Bahn des resultierenden Stromes angeordnet. Bei Anlagen mit stärkeren Belastungsänderungen muß die Kompensation der jeweiligen wattlosen Komponente des Belastungsstromes durch entsprechende Regelung der wattlosen Komponente des Nebenschlusses, z. B. durch Zu- und Abschalten von Kondensatoren oder Regulierung der Erregung von Synchronmotoren usw., von Hand oder.selbsttätig mittels geeigneter Regulatoren, Relais o. dgl. oder direkt auf elektrischem Wege durch Spannungsregulierung, Kompensierung, Kompoundierung o. dgl. geschehen.

Die Regulier- oder Schaltvorrichtung S wird außerdem zweckmäßig so eingerichtet, daß sie stärkere Stromverminderung oderUnterbrechung nur bei Phasengleichheit des resultierenden Stromes mit der Spannung zuläßt. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß sie eine Sperrvorrichtung erhält, welche nach dem Ferrarisschen Prinzip als Differentialsystem für die beiden wattlosen Stromkomponenten des Belastungskreises und des Kompensationsnebenschlusses ausgebildet ist und bei Ungleichheit derselben in Tätigkeit tritt. In Betrieben mit plötzlichen starken Belastungsänderungen, wie z. B. bei Bahnen, muß die Lokalisation bzw. Kompensation der wattlosen Ströme der jeweiligen Belastung entsprechend möglichst momentan, also mit geeigneten Mitteln selbsttätig erfolgen. Als eine solche Reguliervorrichtung kann beispielsweise das angegebene Differentialsystem nach Ferrarisschem Prinzip ebenfalls verwendet werden. In Fig. ι ist die Ausbildung der Schaltvorrichtung 5. als Differentialsystem nach Ferrarisschem Prinzip dadurch angedeutet, daß sie mittels der Stromtransformatoren // und Jj₁ mit dem Belastungsstrom der Leilung l_a und dem des Kompensators Ki verbunden ist.

In den Fällen, in welchen der Generatorkreis merkliche Streuselbstinduktivität oder Drosselspulen D_a und D_b zum Schutz gegen Oberschwingungen, Wanderwellen oder direkte atmosphärische Entladungen usw. besitzt, empfiehlt es sich, vor stärkerer Verminderung bzw. vollständiger Unterbrechung des Maschinenstromes einen Nebenschluß K_g mit Kapazitätswirkung von genügender Größe für die in Frage kommende Überspannungsenergie parallel zum Generatorkreis zu legen. Dieser Nebenschluß wird zweckmäßig mit einem entsprechend bemessenen Dämpfungswiderstand Wk bzw. W'u versehen, um beim Einschalten oszillatorische Schwingungen zu verhüten. Die Vorrichtung zum Einschalten des Nebenschlusses wird zweckmäßig derart zwangläufig mit der Schaltvorrichtung 5 verbunden, daß diese vor der Stromverminderung den Neben-Schluß einschaltet und unmittelbar nach derselben ihn wieder unterbricht.

In Fig. 2 ist eine Energieübertragung zwischen den entsprechend Fig. 1 ausgebildeten Stationen Z und V über eine längere Fernleitung l_a, l_b dargestellt. Es ist angenommen, daß die Fernleitung infolge von Wellenausbildung Überspannungen besitzt. Um diese zu vermindern, ist die Leitung mit Nebenschlüssen N₁ bis N_n von geeigneter Wirkung in bestimmten Abständen nach dem Thompsonschen System ausgerüstet. Einige Nebenschlüsse (N₂ und 2V„_,) sind über die Widerstände w im Nullpunkt geerdet, einerseits um zu verhüten, daß die Hin- oder Rückleitung bei einem Erdschluß die Gesamtspannung erhält, oder daß Resonanzerscheinungen bei einem Kurz- oder Erdschluß auftreten, andererseits um den Ausgleich von Ladungen der Leitung infolge des elektrischen Erdfeldes und von Wanderwellen bei schneller Änderung - des elektrischen Erdfeldes bei Freileitungen zu bewerkstelligen; hierzu erhalten Nebenschlüsse mit der Wirkung einer Induktivität zweckmäßig gemeinschaftlichen Kraftlinienfluß für die Symmetriehälften bzw. -phasen mit möglichst geringer Streuung, damit sich ihre Induktivität für die in der Leitung gleichgerichteten Entladungsströme soweit wie möglich aufhebt. Die Regulier-, Schalt- oder Sicherheitsvorrichtungen sind in Fig. 2 doppelpolig (S _a, S_b) ausgebildet, da dies bekanntlich bei Mehrfachleitungen für Wechselstrom höherer Spannung notwendig ist; weiter ist es erforderlich, daß die vielpoligen Unterbrechungen gleichzeitig geschehen. Die Regulier-, Schaltoder Sicherheitseinrichtungen 5 sind außerdem gemäß der Erfindung so angeordnet, daß sie den resultierenden Gesamtstrom führen und dieser an den betreffenden Stellen in Phase mit der Spannung sich befindet oder reguliert wird. An Stelle der Station Z kann auch ein Verzweigungspunkt einer anderen Leitung oder eines Netzes angenommen werden, in welchem Falle die Leitung l_a, l_b als Teil einer Energieübertragung anzusehen ist.

In Fig. 3 ist eine Energieübertragung entsprechend den Prinzipien nach Fig. 1 und 2 dargestellt, bei welcher am Anfang und Ende der Leitung l_a, l_b Schutzvorrichtungen angebracht sind, einerseits gegen das Eindringen von Einschaltwellen und höheren Harmonischen

der fortzuleitenden Periodenzahl in die Leitung zwecks Verhütung von Überspannungen infolge von Reflexions- oder Resonanzerscheinungen, andererseits zur Abflachung der Stirn von Wanderwellen atmosphärischer Elektrizität in Freileitungen und zu deren Fernhaltung von Maschinen und Apparaten. Die bei der Station Z dargestellte derartige Schutzvorrichtung besteht aus unterteilten Drosselspulen L₁, L₂,

ίο L₃. . ., zu denen Nebenschlüsse K₁, K₂, K₃.. . mit der Wirkung einer Kapazität und mit Dämpfungswiderständen W₁, w₂, w₃... parallel geschaltet sind. Die auf diese Weise gebildeten einzelnen Stromverzweigungen bilden bei verschiedener Abstimmung auf die höheren Harmonischen der zu übertragenden Periodenzahl für diese Harmonischen und für die in Frage kommenden Wanderwellen hohe Widerstände gegenüber den einfachen Drosselspulen, während sie für die zu übertragende Periodenzahl verhältnismäßig kleine induktive Widerstände darstellen. Um ihre Wirkung namentlich in bezug auf die Wanderwellen und Einschaltwellen noch zu erhöhen, sind die Neben-Schlüsse K_n und N₁ vorgesehen, durch welche gleichzeitig die wattlose Stromkomponente der Leitung bzw. ihrer Verlängerung durch die abgestuften Drosselspulen kompensiert wird. Die Schutzvorrichtung bei der Station V ist als sogenannte künstliche Keilleitung ausgebildet, bei welcher das Verhältnis der Induktivität U₁ ... zu der Kapazität K\. . . allmählich zu- oder abnimmt und zweckmäßig wesentlich kleiner zu wählen ist (größere Kapazität bei gleicher Induktivität) als dasjenige der Leitung. Mittels der Nebenschlüsse K'„ und L_n sollen auch hier die wattlosen Stromkomponenten der Verbrauchsapparate bzw. der ihnen vorgeschalteten künstlichen Leiterelemente der zweckmäßig als Keilleitung ausgebildeten Schutzvorrichtung kompensiert und die Schutzwirkung gegen Überspannungen der genannten verschiedenen Arten erhöht werden. Es mag noch hinzugefügt werden, daß die in der Zeichnung dargestellten Einzelheiten an sich bekannt sind; die Erfindung beruht lediglich in der besonderen Schaltung und Bemessung dieser Einzelheiten.

Durch die Beseitigung der verschiedenen Ursachen der Überspannungen gemäß der Erfindung ist es möglich, die Isolation der ganzen Anlage, sowohl der Maschinen und Apparate wie auch der Leitungen, wesentlich schwächer als bisher zu halten, da sie lediglich mit Rücksicht auf die durch die Betriebsspannung gegebene Spannungsverteilung bemessen zu werden braucht. Hierdurch ist besonders bei Hochspannungskraftübertragungen ein bedeutender Fortschritt erzielt, da die Kosten für die Isolierung der Anlage wesentlich vermindert sind, was besonders für die Verwendung von Kabeln von großer Bedeutung ist.

Die angegebene Schaltweise und Anordnung von Stromkreisen zur Verminderung von schädlichen Überspannungen kann nicht nur bei Einfach- oder Doppelleitungen, sondern auch bei beliebigen Mehrfachleitungen und mehrphasigen Wechselströmen angewandt werden.

Claims

Patent-Anspruch:

Schaltweise für zeitlich veränderliche elektrische Ströme zwecks Verminderung oder Verhütung von Überspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreise durch Hinzufügung von Nebenschlüssen mit der Wirkung von Induktanzen oder Kapazitäten in einzelne hintereinander, parallel oder nach beiden Schaltungsarten liegende, nach dem Prinzip der Stromresonanz möglichst vollkommen abgestimmte Schwingungskreise mit praktisch quasistationärer Stromverteilung zerlegt sind und die Schalt- oder Regelungsvorrichtungen den resultierenden Strom einzelner, mehrerer oder sämtlicher Schwingungskreise bei jeder Belastung erst bei möglichst gleicher Phase mit der Spannung beeinflussen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.