DE303038C - - Google Patents

Description

XAISERUCHES

PATENTAMT.

KLASSE 21 c. GRUPPE 61.

Als hauptsächlichste Störungsursache in ausgedehnten Leitungsnetzen haben sich die schnellen elektrischen Wanderwellen ergeben, die durch Schaltvorgänge und durch Funkenentladungen erzeugt werden und unter unregelmäßigem, räumlichem Verlaufe mit Lichtgeschwindigkeit über die Leitung forteilen. Beim Aufprallen auf Maschinen und Apparate führen sie häufig zum Überschlagen benachbarter

ίο Windungen, wodurch Isölationsstörungen und Kurzschlüsse hervorgerufen werden.

Während diese Wellen ihre räumliche Gestalt beim Verlaufe über homogene Leitungen nur unerheblich ändern, kann dieselbe beim Auftreffen auf Verbindungsstellen verschiedenartiger Leitungen sehr stark modifiziert werden. Derartige Verbindungsstellen geben zu - starken Reflexionen und Brechungen der Wellen Anlaß, wodurch die Spannungshöhe der Wellen auf ein Vielfaches gesteigert werden kann, besonders wenn mehrfache Reflexionen eintreten. Es ist daher zweckmäßig, in ausgedehnten Netzen alle solche Punkte, an denen Reflexionen und Brechungen eintreten können, in besonderer Weise auszurüsten, um die schädlichen Spannungserhöhungen nach Möglichkeit zu verhindern. Als Reflexions- und Brechungspunkte für Wanderwellen sind dabei alle Orte aufzufassen, an denen die Charakteristik der Leitung (womit die Wurzel aus dem Verhältnis Selbstinduktion zu Kapazität bezeichnet wird) sich um erhebliche Beträge ändert. Dies tritt z. B. ein beim Übergang zwischen einem Kabel und einer Freileitung oder zwischen einer Leitung und einer Maschinen- oder Transformatorwicklung oder auch beim Verzweigen einer beliebigen Leitung in zwei oder mehrere Einzelleitungen.

Es ist bekannt, daß man Wanderwellen vernichten kann, indem man sie zwingt, auf dem Leitungszuge Widerstände zu durchlaufen, die man entweder, wie nach Fig. 1, in Serie oder, wie nach Fig. 2, in Parallele zur Leitung anordnen kann. Es ist auch bekannt, daß man dem Serienwiderstand eine Induktanz parallel ,schalten muß und dem Parallelwiderstand eine Kapazität vorschalten muß, um den Betriebsstrom am Durchtritt durch den Widerstand zu verhindern, so wie es in Fig. 1 und 2 gestrichelt angedeutet ist. Dies Mittel der Widerstandseinschaltung ist nun auch geeignet, die am Reflexionspunkt auftretenden schädlichen Spannungserhöhungen wirksam einzudämmen.

Eine genaue Untersuchung zeigt jedoch, daß es nicht gleichgültig ist, ob man einen Serienoder Parallelwiderstand anwendet, daß die Auswahl des Widerstandes sich vielmehr nach der Art des Wellenverlaufes am Reflexionspunkte zu richten hat, wenn man eine erheb- liehe Wirksamkeit des, Widerstandes erzielen will. Es liegt dies daran, daß an derartigen Reflexionspunkten entweder Spannungsknoten · mit Strombäuchen auftreten können, bei denen also die Spannung sehr gering, der Strom jedoch sehr stark ist, oder aber, daß Span-

nungsbäuche und Stromknoten entstehen, bei denen die Spannung sehr groß, der Strom dagegen klein ist. "Man wendet daher zweckmäßig im ersteren Falle bei großem Strome Reihenwiderstände, im zweiten Falle bei großer Spannung Nebenwiderstände zum Vernichten der Wanderwellenenergie an.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie die Wellen von einer Freileitung I herkommend in ein

ίο Kabel k eintreten. Ihre Spannung <wird beim Übertritt schon ohne eingeschalteten Widerstand auf einen geringen Betrag reduziert, während die Stromstärke der Wellen im Verbindungspunkte fast vordoppelt wird. In diesem Falle wird also zweckmäßig ein Serienwiderstand r_s angewandt werden. Treten andererseits Wanderwellen aus einem Kabel k in eine Freileitung I über, wie in Fig. 4, so kann der im Kabel große Strom der Wellen nicht voll in die Freileitung eintreten, sondern wird auf einen geringen Betrag abgedrosselt, während die Spannung an der Verbindungsstelle fast auf den doppelten Wert der Kabelwelle steigt. In diesem Falle wird also zweckmäßig ein Parallelwiderstand r_p zur Dämpfung verwandt werden.

Das, was bildlich für den Übergang zwischen Freileitung und Kabel dargestellt ist, gilt genau so für jede Verbindungsstelle zweier Leitungen mit verschiedenartiger Charakteristik. Man wird daher stets einen Reihenwiderstand verwenden, wenn die Wellen aus Leitungen hoher in Leitungen niedriger Charakteristik

Man sieht hieraus, daß es bei einer homogenen Leitung ganz gleichgültig ist, ob man einen Serienwiderstand oder einen. Parallelwiderstand zur Dämpfung der Wanderwellen übertreten, dagegen einen Nebenwiderstand, wenn die Wellen von niedriger auf höhere Charakteristik gelangen.

Wie groß man die Widerstände im einzelnen Falle wählt, hängt einerseits von der Größe der Charakteristik der ankommenden und abziehenden Leitungen ab und andererseits davon, wieviel Energie man in ihnen vernichten will und um welchen Betrag man die reflektierten und durchlaufenden Wellen ' schwächen will. Um die höchstmögliche Wellenenergie zu absorbieren, wobei dann der maximale Wirkungsgrad der Anordnung vorhanden ist, muß man dem Reihenwiderstand eine Größe gleich der Summe der zusammenstoßenden Leitungscharakteristiken geben, während man der Leitfähigkeit des Parallelwiderstandes eine Größe gleich der Summe .der reziproken Charakteristiken der zusammenstoßenden Leitungen zu geben hat. In der nachfolgenden Tabelle sind die Größen der maximal zu vernichtenden Energie und der dann vorhandenen Spannungshöhe der reflektierten .und durchlaufenden Wellen im Verhältnis zu den Werten der einfallenden Wanderwellen eingetragen, wobei angenommen ist, daß die Freileitung die zehnfache Charakteristik des Kabels besitzt. Zum Vergleich ist überall der Weüenverlauf ohne Dämpfungswiderstand hinzugefügt, und es ist schließlich die Wirkung von Schutzwiderständen bei Wellen auf einer homogenen Leitung angegeben.

Wellenverlauf durch Verbindung von	Reflektierte Welle	Durchlaufende Welle	Vernichtete Energie
Fr eil ei tu ng/Kabel: Ohne Widerstand > ...	0,82 0,09 0,91	0,18 0,09 0,09
Reihenwiderstand	'- 0,82 .0,91 0,09	1,82 0,91 0,91	0,91 0,09
Nebenwiderstand	0,50 0,50	I1O 0,50 0,50	0,09 0,91
Kabel/Freileitung: Ohne Widerstand .'. .
Reihenwiderstand	0,50 0,50
Nebenwiderstand
Homogene Leitung: Ohne Widerstand
Reihenwiderstand ,
Neben widerstand

verwendet. Man kann stets im günstigsten Falle die halbe Wellenenergie im Widerstände verzehren und erhält dann eine durchlaufende und eine reflektierte Welle vom halben Span-

nungsbetrage der einfallenden Welle. Wesentlich anders liegen die Verhältnisse, wenn Wanderwellen auf eine Verbindungsstelle verschiedenartiger Leitungen fallen. Beim Übergang von einer Freileitung in ein Kabel nach Fig. 3 ist es nur mit einem Serienwiderstand möglich, erhebliche Energiebeträge zu vernichten. Man kann für die gewählten Beispiele bis zu einem Wirkungsgrade von

ίο 91 Prozent gelangen, wobei die durchlaufende und auch die reflektierte Welle auf einen geringen Bruchteil der widerstandsfreien Schaltung vermindert wird. Beim Übergang von einem Kabel in eine Freileitung nach Fig. 4 andererseits kann nur im Parallelwiderstand eine erhebliche Energievernichtung erzielt werden, wobei auch hier die Wellen gegenüber dem widerstandsfreien Übergangspunkt stark vermindert werden.

Ist nun bei einem derartigen Knotenpunkt zu erwarten, daß Wanderwellen von beiden Seiten der Leitungen einfallen, und will man beide möglichst verzehren, so reichen die eben beschriebenen Anordnungen nicht mehr aus.

Der Erfindung gemäß werden nun die Anordnungen, so wie es in Fig. 5 gezeichnet ist, vereinigt. Es ist dort der Übersicht halber eine Selbstinduktion L und ein Kondensator C eingefügt, die den Betriebsstrom von den Dämpfungswiderständen abhalten.

Verwendet man in bekannter Weise die drei elektrischen Elemente, Widerstand, Selbstinduktion und Kapazität, kombiniert an einer Verbindungsstelle, so ist es möglich, wie aus dem Patent 274034 hervorgeht, die Energie der Wanderwellen noch weitgehender zu vernichten, als es die Zahlen der Tabelle zeigen. Man kann alsdann bei ausreichender Größe von Kapazität und Selbstinduktion die volle Wellenenergie vom Widerstände absorbieren lassen, ohne daß Reflexionen oder Brechungen eintreten. Auch bei derartigen Schutzsystemen wird man die Lage des Widerstandes, die nach der Patentschrift beliebig genommen werden kann, zweckmäßig gemäß der vorliegenden Erfindung auswählen.

Bei allen derartigen Schutzsystemen, bei denen im Knotenpunkte zweier Leitungen von erheblich verschiedenen Charakteristiken sowohl Selbstinduktion als auch Kapazität eingeschaltet ist, können elektrische Eigenschwingungen auftreten, die beim plötzlichen Anregen durch einen Spannungsstoß schädliche Spannungserhöhungen zur Folge haben.

Wenn man beispielsweise nach Fig. 6 den Verbindungspunkt einer Maschinenwicklung m, die sehr hohe Charakteristik besitzt, mit einem Kabel k von geringer Charakteristik dadurch schützt, daß man die aus dem Kabel einfallenden WanderwellenzunächstdurcheineDrosselspuleZ-in der Leitung und dann durch einen Kondensator C parallel zu ihr abschirmt, so treten beim Aufprallen von Wellen Eigenschwingungen .des ganzen Systems auf, die außer der Spannungserhöhung durch den reinen Reflektionsvorgang an der Verbindungsstelle des Kabels mit der Maschinenwicklung eine weitere Spannungssteigerung bewirken, die von dem Verhältnis der aneinander geschalteten Charakteristiken und der Größe der Selbstinduktion und Kapazität abhängen. Für das ungünstigste Verhältnis von Selbstinduktion und Kapazität wird diese zusätzliche Spannungserhöhung wiedergegeben durch den Ausdruck

wobei β die Basis der natürlichen Logarithmen und ζ das Verhältnis der der Selbstinduktion benachbarten Charakteristik zu der der Kapazität benachbarten Charakteristik ist. Für eine Charakteristik des Kabels von 50 Ohm und der Maschine von 2000 Ohm erhält man also eine zusätzliche Spannungserhöhung durch die Eigenschwingungen im Verhältnis

50
2000

—0,5

= 0,61.

Durch den nach der Erfindung eingeschalteten Widerstand wird diese Spannungserhöhung zwar vermindert, jedoch nicht ganz vernichtet. Man kann sie jedoch vollkommen unterdrücken, wenn man die Schutzvorkehrungen an den Verbindungsstellen von Leitungen verschiedener Charakteristik nicht nach dem Schema der Fig. 6 schaltet, sondern gemäß einer weiteren Erfindung nach dem Schema der Fig. 7 derart, daß stets die Selbstinduktion näher an der Leitung mit hoher und die Kapazität näher an der Leitung mit niedriger Charakteristik liegt. Das gesamte elektrische System ist dann weniger stark eigenschwingungsfähig, weil sich die Selbstinduktion der Schutzspule und der Maschinenwicklung einerseits und die Kapazität des Kondensators und des Kabels andererseits einfach unterstützen, während sie bei der Schaltung der Fig 6 elektrisch voneinander getrennt und durcheinander geschachtelt sind und daher gegeneinander schwingen können. Für die zusätzliche Spannungserhöhung, die durch die elektrischen Eigenschwingungen des Schutzsystems nach Fig. 7 bewirkt wird, ergibt sich derselbe Ausdruck wie oben. Da aber jetzt die Maschinenwicklung mit hoher Charakteristik der Selbstinduktion und das Kabel mit niedriger Charakteristik der Kapazität benachbart ist, so erhält man

-1/2000

"Υ i°~

C\J

CV)

o,

also praktisch nicht die mindeste Gefährdung.

Es ist also in Fällen der betrachteten Art zweckmäßig, die Schaltweise der Fig. 7 für \ gemeinsam verwandte Schutzkapazität und Schutzselbstinduktion zugrunde zu legen, ■ da man hierbei keine störenden Spannungserhöhungen durch Eigenschwingungen erhält.

Die Dämpfungswiderstände zur Vernichtung

der Energie der Wanderwellen können hierbei nach den eingangs erwähnten Gesichtspunkten angeordnet werden. Für Wellen, die von einer Freileitung auf ein Kabel prallen, ergibt sich dann die Schutzanordnung der Fig. 8, während man für Wellen, die aus einem Kabel austreten, die Schaltung der Fig. 9 verwenden wird.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Einrichtung zur Vernichtung schneller . elektrischer Wanderwellen, die auf Verbindungsstellen verschiedenartiger Leitungen fallen und in deren Nähe Ohmsche Widerstände durchlaufen, von denen der Betriebsstrom ohne Vermittlung von Funkenstrecken durch Selbstinduktionen oder Kapazitäten abgeschirmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Widerstände in Reihe mit den Leitungen liegen für die Wellen, die von höherer auf niedrigere Charakteristik übertreten, als auch Widerstände parallel zu den Leitungen für die Wellen, die von niedriger Charakteristik auf höhere übertreten.
2. 2. Einrichtung zur Vernichtung schneller elektrischer Wanderwellen, die auf Verbindungssteilen verschiedenartiger Leitungen fallen und in deren Nähe Ohmsche Widerstände durchlaufen und wobei Selbstinduktion in Reihe und Kapazität parallel zu den Leitungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstinduktion der Leitung mit hoher, die Kapazität der Leitung mit niedriger Charakteristik benachbart ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.