DE2927982C2

DE2927982C2 - Verfahren zur Übertragung von Wechsel- oder Drehstrom über große Entfernungen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2927982C2
Application number: DE19792927982
Authority: DE
Inventors: Karl Dr.-Ing. 6800 Mannheim Schlosser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-11
Filing date: 1979-07-11
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE2927982A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Wechsel- oder Drehstrom über große Entfernungen und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Die heutige Energieübertragung mit Wechselstrom ist durch zwei Merkmale gekennzeichnet: Alle Verbraucher werden parallel geschaltet und die speisende Spannung soll möglichst konstant sein, gleichgültig, wieviele Verbraucher angeschlossen sind. Die Konstanthaltung der Spannung der später entstandenen übergeordneten Netze war die logische Folge und ist bis heute auch bei langen Übertragungsleitungen die Basis aller Überlegungen (siehe z. B. Buchhold/Happoldt »Elektrische Kraftwerke und Netze«, Springer Verlag 1956, S. 507 bis 511).

Die zu wählende Nennspannung wird in etwa der zu übertragenden maximalen Leistung angepaßt. Maßgebend hierbei ist der Wellenwiderstand der Leitung Z₀, für den gilt

L' = Induktionsbelag = wirksame Induktivität pro km C" = Kapazitätsbelag = wirksame Kapazität pro km

Bündelleiter verkleinern den Betrag von Z₀ wesentlich; ansonsten ist er von den Abständen der Phasenleiter gegeneinander und gegen Erde weitgehend unabhängig.

P_n =

Bei dieser Leistung herrschen optimale Verhältnisse. Der Verlauf von Spannung und Strom längs der Leitung ist eine mit Lichtgeschwindigkeit fortschreitende Welle,

ίο ohne Reflexion am Ende der Leitung, weil der Belastungswiderstand Zi=Z₀ ist. Der Vorgang ist identisch mit der natürlichen Ausbreitung einer elektromagnetischen Weile auf einer unendlich langen Leitung: Spannung und Strom sind an jeder Stelle in

is Phase, ihr Quotient ist gleich Z₀, es wird nur Wirkleistung übertragen. Am Ende der Leitung eilen die Vektoren von Spannung und Strom gegenüber jenen am Anfang um den Übertragungswinkel Φ nach.

Φ =ßl

β = ö)V

β = Phasenmaß = 0,06°/km bei 50 Hz und 0,072°/km

bei 60 Hz

/ = Leitungslänge

ω = Kreisfrequenz

Da aber im Betrieb die jeweilige Leistung, die zu übertrafen ist, von den Verbrauchern abhängt und deshalb in einem großen Bereich schwankt, im Grenzfall zwischen Null und P_max = P_n, stellt P_n nur einen Einzelfall dar. Bei kleineren Leistungen gehen die optimalen Verhältnisse verloren. Es treten Reflexionen am Ende der Leitung auf, die zu vielen Nachteilen führen. Einer davon sind die Überspannungen am Ende der Leitung. Die Verfolgung der Vorgänge längs der Leitung durch Überlagerung von hin- und rücklaufenden Wellen wird unübersichtlich. Sehr von Nutzen sind dagegen die »vereinfachten Leitungsgleichungen«, die aber nur Auskunft geben über die Werte von Spannung und Strom am Anfang (Index 1) und Ende (Index 2) der Leitung. S'c lauten:

t/, = U₂ cos Φ +JI₂Z₀ sin Φ

I₁ = I₂ cos Φ +j -φ sin Φ
Z

(5)

(6)

Bei einer mit 50 Hz betriebenen 1000 km (Φ = 60°) langen Leitung steigt z. B. die Spannung Ui am Ende bei Leerlauf gemäß Gl. 5 auf das Doppelte an. Solche Überspannungen sind unzulässig hoch. Da es wirtschaftlich vertretbar nicht möglich ist, die Generatorspannung bis etwa auf die Hälfte ihres Nennwertes herunter zu regeln, um am Ende der Leitung die Nennspannung zu halten, müssen zusätzliche Einrichtungen, wie Parallelspulen und übererregte Synchronmaschinen mit dazugehörigen Transformatoren, zum Einsatz kommen, um die Spannung am Ende in Grenzen zu halten.

Parallelspulen, längs der Leitung gleichmäßig verteilt angeordnet, wirken der Leitungskapazität entgegen, sie verkleinern in ihrer Auswirkung C (siehe Gl. 1), vergrößern somit den Wellenwiderstand Z₀₅ des Systems, bestehend jetzt aus Leitung und Parallelspulen, und verkleinern den Übertragungswinkel Φ_ε des Systems (siehe Gl. 3 und 4). Da sich diese Spulen aber nur mit festem Induktivitätswert bewährt haben, also

nicht regelbar sind, werden zusatzlich übererregte Synchronmaschinen eingesetzt, die über Transformatoren an die Leitung angeschlossen werden. Sie haben die Eigenschaft einer regelbaren Kapazität, d. h. mit ihrer Hufe kann der Einfluß der Parallelspulen stetig wieder zurückgenommen werden. Auf diese Weise werden der Wellenwiderstand Z₀₅ und der Übertragungswinkel Φ₅ des Systems variabel und Z₀₅ kann der Leistung angepaßt werden. Für die sich ändernde Leistung P gilt dann Gl. 2 in der Form

P =

(2a)

10

15

Wenn diese Abstimmung vorliegt, sind die Spannungen und die Ströme am Anfang und Ende der Leitung ihrem Betrag nach gleich groß, jeweils auch in Phase aber um den Winkel Φ₅ verschoben. Für die Spannungswerte längs der Leitung und an den Anschlußpunkten der Parallelspulen und Synchronmaschine" gilt dies, je nach Anordnung, nur noch annähernd. Die optimalen Verhältnisse sind verloren gegangen. Hinzu kommen die Verluste in den Parallelspulen und Synchronmaschinen mit ihren Transformatoren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art so zu gestalten, daß ein kontinuierlicher Leitungsbetrieb bei Fernübertragung unter Verzicht auf die Forderung nach konstanter Spannung erfolgen kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Spannungen auf den anderen Seiten der Transformatoren, also auf der Generatorseite einerseits und im Verteilernetz der Verbraucher andererseits, bleiben wie bisher konstant. Dadurch entfallen alle zusätzlichen Einrichtungen wie Parallelspulen, übererregte Synchronmaschinen mit den dazugehörigen Transformatoren oder ähnlich wirksame andere Kompensationsmittel so daß bei allen Leistungen innerhalb des gewählten Spannungsbereiches der Quotient aus Spannung und Strom an jeder Stelle der Leitung immer gleich Zo ist. Es werden somit die Kosten für die nicht benötigten Einrichtungen und die Kosten für die dauernd auftretenden elektrischen Verluste in diesen Einrichtungen gespart.

Den Zusammenhang zwischen der variablen Leistung Pund der zu wählenden Betriebsspannung zeigt Fig. 1. Wählt man z. B. einen Spannungsbereich, bei dem die Spannung bis auf die Hälfte ihres max. Wertes unter Last abgesenkt werden kann, dann erhält man für den Leistungsbereich (0,25- 1,0) P_n optimale bzw. natürliche Übertragungsverhältnisse.

Die theoretisch wirtschaftlichste Lösung des Stufentransformators läge vor, wenn man die Stufenwicklungen und die Schaltereinrichtungen im Haupttransformator unterbringen könnte. Nach dem heutigen Stand der Technik macht man davon Gebrauch bei Oberspannungen bis 500 kV und einem Regelbereich von etwa ±11%, also 22% insgesamt, die aber dem Zweck dienen, den Spannungsabfall auf den Leitungen auszugleichen, also zur Konstanthaltung der Spannung beitragen. Eine solche Lösung wird aber heute bei 765-kV-Transformatoren und höher auch bei relativ kleinem Regelbereich wegen der zu hohen Stoßbeanspruchungen an den Stufenwicklungen und Schaltereinrichtungen nicht empfohlen. Es ist deshalb zweckmäßig, die gesamte Regelung in einem eigenen, zusätzlichen Stufentransformator auf indirekte Weise vorzunehmen, wie in Fig.2 dargestellt Der Transformatorensatz besteht nunmehr aus einem Haupttransformator mit den Wicklungen 1 und 2, einem Zusatztransformator mit den Wicklungen 3 und 4, dessen Wicklung 4 von der variablen und unter Last einstellbaren Spannung des Stufentransformators, bestehend aus den Wicklungen 5, 6 und 7, gespeist wird. Die Wicklung 6 kann aus einer oder mehreren Grobstufen bestehen, von denen jede so groß ist wie die gesamte Feinstufenwicklung. Damit kann die Spannung an der Wicklung 3 des Zusatztransformators von Null bis auf einen Höchstwert eingestellt werden. Bezeichnet man mit r das Verhältnis aus der maximalen Zusatzspannung £/3 und der Oberspannung des Haupttransformators Ui

U₂

dann kann z. B. mit τ = 1 die Übertragungsspannung vom maximalen Wert bis auf seinen halben Wert bei z. B. 15 Feinstufen und 3 Grobstufen in 60 Stufen unter Last heruntergeregelt werden. Die Leistungen der drei Transformatoren betragen:

Haupttransformator P₁₁ = P_n

Zusatztransformator

Stufentransformator

l+r

r l+r

777'

wenn P_n die natürliche Leistung bei der höchsten Spannung ist. Die indirekte Regelung hat den Vorteil, die Spannungen an den Stufenwicklungen und Schaltereinrichtungen zu Lasten der Stromstärke herabzusetzen und damit auch die übertragenen Stoßspannungen in hohem Maße zu reduzieren. Entscheidend sind die Eigenschaften des Schalters, wie Stufenleistung, max. Schaltstrom, Zahl der Fein- und Grobstufen und andere mehr. Zum Schütze von Überspannungen lassen sich außer den üblichen auch an der Stelle 8 in Fig. 2 Ableiter anbringen. Die indirekte Regelung erfordert ein Mehr an Trafoleistung in Höhe von Ps, während die Summe aus Ph und Pz den Wert P_n ergibt, das ist jene Leistung, die in den Stationen auch heute benötigt wird.

Hochspannungsfernleitungen werden für Jahrzehnte gebaut und oftmals beträgt in den ersten Jahren die zu übertragende Leistung nur einen Bruchteil der geplanten max. Leistung. Die Leitung wird dann zweckmäßigerweise für die max. Spannung dimensioniert und gebaut, meist aber mit einer niedrigeren Spannung betrieben. Wählt man hierfür die Spannung des zukünftigen Haupttransformators, dann brauchen Zusatz- und Stufentransformator erst später beschafft und installiert werden.

Zur Verkürzung des Übertragungswinkels zum Zwecke der statischen Stabilität wird vorgeschlagen in einer Station Reihenkondensatcren und Parallelspulen so anzuordnen, daß diese den gleichen Wellenwiderstand wie die Fernleitung aufweist, so daß die Strom- und Spannungswellen mit unveränderten Betrag hindurchlaufen.

Bekannterweise läßt sich eine Leitung mit den Vereinfachungen, die zu den Gl. 5 und 6 führten, durch Vierpole nach F i g. 3 oder 4 darstellen. Die Ziffern 9,10,

11 und 12 bezeichnen je nach Vorzeichen die Widerstände von Induktivitäten oder Kapazitäten:

Z₉ = -JZ₀

(Kapazität)

^zio = j Z₀ sin Φ (Induktivität)
Zn= j Z₀ tg ~ (Induktivität)

Zn = -

sin Φ

(Kapazität)

So wie man eine Leitung durch konzentrierte Induktivitäten und Kapazitäten nach Fig.3 und 4 ersetzen kann, hat umgekehrt eine reale Anordnung von Blindwiderständen in der gleichen Weise die Eigenschaften einer Leitung, was deren Werte am Anfang und Ende betrifft. Einer solchen Anordnung kann man daher einen Wellenwiderstand und einen Obertragungswinkel Φ zuordnen. Wählt man z. B. als Wellenwiderstand den der Leitung Z₀ und einen negativen Übertragungswinkel Φι, der angibt, um wieviel der Übertragungswinkel Φ der Leitung gekürzt werden soll, dann erhält man für die Anordnung nach F i g. 5 die Werte

Z₁₄ = j Z₀ sin Φ, .

Beispielsweise betrage für eine 1000 km lange 765-kV-Leitung der Wellenwiderstand Z₀ = 232 Ohm, dann beträgt Φ bei 50 Hz 60°. Soll nun der Übertragungswinkel um 30%, d. h. um 18° verkürzt werden, beträgt Φ_χ = - 18°. Man erhält dann für

Zn = -Zi₅ = +j ■ 1465 Ohm (Induktivität)
Z₁₄ = -J ■ 72 Ohm (Kapazität)

Zu und Zi₅ sind die Widerstände von Parallelspulen. Die Leistung jeder Spule, beträgt

(442 kV)²

1465 Ohm

= 133 MVA

Z)₄ ist der Widerstand eines Reihenkondensators mit einer Leistung von

l\ ·

= (1,9kA)² · 72 0hm = 260 MVA.

Dabei ist /„ der Strom bei der max. Leistung P_n pro Phase.

mit der Phasenspannung 765 kV: j/3 = 442 kV. Die max.

Drehstromleistung beträgt somit 2520 MW.

Die beiden Parallelspulen 13 und 15 und die Kondensatorbatterie 14 in der ΓΓ-Schaltung nach F i g. 5 verschieben Anfangsspannung und Anfangsstrom um 18° nach vorn (siehe F i g. 6). h und U2 sind die Werte am Ende der Leitung; sie eilen jenen am Anfang (/1 und U\) um 60° und jenen vor der Kompensationseinheit (Blockstation)(//und Ui)um42° nach.

Solche Blockstationen kann man in beliebiger Zahl und Größe, je nach Länge der Leitung, am besten symmetrisch zur Mitte anordnen. Eine am Ende der Fernleitung aufgestellte Blockstation hat den Vorteil, daß sie bei Leerlauf den Spannungsanstieg herabsetzt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Übertragung von Wechsel- oder Drehstrom über große Entfernungen mittels einer Fernleitung, wobei die zu übertragende Leistung in einem weiten Bereich schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Anfang und Ende der Leitung mittels Stufentransformatoren der schwankenden Leistung feinstufig angepaßt wird derart, daß das Verhältnis aus Spannung und Strom im gewünschten Leistungsbereich gleich dem Wellenwiderstand der Fernleitung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufenwicklung in einem eigenen Transformator untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinerer Übertragungsleistung in der ersten Ausbaustufe eine Übertragungsspannung gewähit wird, die bei vollem Ausbau der der späteren Haupttransformatoren entspricht, so daß die Stufen- und Zusatztransformaioren für die spätere Steigerung der Übertragungsleistung vorbehalten bleiben.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung der statischen Stabilität Reihenkondensatoren und Parallelspulen zu einem oder mehreren Vierpolen (Blockstationen) zusammengeschaltet und so dimensioniert sind, daß diesen ein Wellenwiderstand von gleicher Größe wie der der Fernleitung und beliebig wählbare negative Übertragungswinkel zugeordnet werden können.

Bei der Nennspannung LZ_n beträgt die sogenannte natürliche Leistung P₁,