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Drehstromverbrauchernetz mit Nulleiter Während die Stromverteilung
in den Verbrauchernetzen früher im allgemeinen mit niedriger Phasenspannung, und
zwar mit etwa i i o bis t 2 5 Volt erfolgte, ist man in späteren Zeiten auf eine
Phasenspannung von etwa der doppelten und mehrfachen Höhe übergegangen. Jede der
gewählten Spannungen hat ihre Vor- und Nachteile. Zweifellos ist die niedrigere
Spannung gefahrloser und passender für die Herstellung vieler Verbrauchseinrichtungen,
dafür aber sind bei gleichem Kapitalaufwand die zu übertragenden L eistungen sehr
viel kleiner, weil der prozentuale Spannungsabfall unter sonst gleichen Verhältnissen
umgekehrt proportional mit dem Quadrat der Spannung wächst. In neuester Zeit ist
man noch weiter gegangen und hat für einzelne Stromverbraucher oder einzelne Verbrauchergruppen
sogenannte Reduziertransformatoren eingebaut, um die Lebensgefahr, besonders in
feuchten Räumen, noch weiter herabzusetzen. Es ist auch bereits bekannt, bei Gleichstrom
das Drei- oder Fünfleitersystem anzuwenden, um bei verhältnismäßig kleiner Spannung
der einzelnen Verbraucher an Spannungsabfall bzw. Kupfer zu sparen. Die Erfindung
sieht nun ein Drehstromverbrauchernetz mit Nulleiter, insbesondere für Spannungen
unter i ooo Volt, vor -- man gebraucht dafür auch Bezeichnungen wie Ortsnetz- oder
Drehstromniederspannungsnetz -, bei dem zwei oder mehr Verbrauchers;>steme 'verschiedener
Spannung mit gemeinsamem Nulleiter vorhanden sind, zwischen denen ein selbsttätiger
Energie- und Spannungsausgleich mit Hilfe von im Netz verteilten, lediglich die
Verbraucherspannung verkettenden Transformatoren stattfindet. Die einzelnen Phasen
des Drehstromverbrauchernetzes erhalten zwei oder mehr Verbraucherspannungen, die
nicht unbedingt miteinander in Phase zu liegen brauchen, so daß jede Phase vergleichbar
ist mit der einen Seite des für Gleichstrom bekannten Fünfleitersystems. Der große
Vorteil gegenüber diesem inzwischen wegen seiner Mängel verlassenen System besteht
jedoch darin, daß man nicht wie dort ängstlich auf einen Ausgleich durch gleichmäßige
Verteilung -der Stromverbraucher zwischen den verschiedenen Leitungen besorgt zu
sein braucht, um teuere Ausgleichsmaschinen, die zudem nur im Kraftwerk Aufstellung
finden können, zu sparen, sondern daß dieser Ausgleich durch leicht anzuordnende
und billig zu beschaffende, lediglich die Verbraucherspannungen verkettende Ausgleichstransformatoren
an beliebigen Stellen des Netzes erfolgen kann. Man ist sogar bei der erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verteilungsart in der Lage, alle oder fast alle Stromverbraucher
von dem System niedrigerer Spannung speisen zu
lassen. Trotzdem
bleibt der Spannungsabfall an den Verbrauchsstellen klein.
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Besondere Vorteile bietet die neue Verteilungsart, wenn es sich darum
handelt, ältere Verbrauchernetze mit niedriger Verteilungsspannung, z. B. i io Volt,
bei fortschreitender Entwicklung des Verbrauchs zur Verringerung des Kupferaufwandes
mit der heute gebräuchlichen Phasenspannung von 22o Volt Drehstrom oder mehr zu
betreiben.
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Die Vorteile verschiedener Spannungssysteme kommen also zur Geltung
durch niedrige Spannung an den Verbrauchsstellen und damit sich ergebende geringere
Gefahr und billigere Herstellung der Verbrauchseinrichtungen, bei geringem Aufwand
an Leitungsmaterial. Verbraucher, die sich wegen ihrer Eigenart, z. B. hoher Leistung
oder billigerer Schalteinrichtungen, besser für den Betrieb mit höherer Spannung
eignen, können von einem System höherer Spannung versorgt werden, während die übrigen
Verbrauchsstellen an ein System niedrigerer Spannung angeschlossen werden. Auch
sonst bietet die Verwendung von zwei oder mehr Spannungssystemen eine Reihe von
Vorteilen. Falls ein Werk Verbrauchernetze mit höherer und solche mit niedrigerer
Spannung bereits betreibt, ist es nicht mehr nötig, Hochspannungstransformatoren
für verschiedene Unterspannungen zu beschaffen und auf Lager zu halten, sondern
die Unterspannungswicklung dieser Transformatoren kann entweder für das eine oder
das andere Verbrauchersystem bemessen sein, während die Energieübertragung und der
Energieausgleich zwischen Systemen verschiedener Spannung durch lediglich die Verbrauchsspannung
verkettende Transformatoren ohne Hochspannungswicklungen erfolgt.
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Bei der vorgeschlagenen Ausbildung der Verbrauchernetze läßt sich
von Ausgleichstransformatoren in Sparschaltung ausgiebiger Gebrauch machen und dadurch
an Herstellungskosten und Betriebsverlusten sparen. Die Schaltgruppen, der die Hochspannungsspeisetransformatoren
und Ausgleichstransformatoren angehören, d. h. also ihre innere Schaltung, werden
durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Systeme nicht festgelegt. Selbstverständlich
sind die Schaltgruppen für ein zusammenhängendes Verbrauchernetz einheitlich zu
wählen bzw. miteinander in Einklang zu bringen.
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Wendet man erfindungsgemäß ein System an, bei dem zwischen den Phasen
des Verbrauchersystems niedrigerer Spannung die gleiche Spannung wie zwigchen Null-
und Außenleiter des Verbrauchersystems höherer Spannung herrscht - dieses ist der
Fall, wenn man dem System höherer Spannung die 1,73fache Spannung gibt wie dem System
niedrigerer Spannung ; so kann man nach Belieben die gleichen Stromverbraucher zwischen
die Außenleiter des Systems niedrigerer Spannung oder zwischen einen Außenleiter
und Null beim System höherer Spannung anschließen.
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Billig in der Herstellung, einfach in der Durchführung und dabei äußerst
wirksam sind die sich erfindungsgemäß bietenden Möglichkeiten der Spannungsregelung.
Durch geeignete Bemessung der Wicklungen der Ausgleichstransformatoren 'und durch
Einfügung von sich gegenseitig beeinflussenden induktiven Widerständen in Verbraucherleitungen
gleicher Phase, jedoch verschiedener Spannung, läßt sich das Spannungsniveau an
verschiedenen Stellen des Netzes regeln. So kann man den gesamten Spannungsabfall
oder einen beliebigen Teil davon nur in dem einen Verbrauchersystem auftreten lassen,
während das andere, vorzugsweise das niedrigerer - Spannung, das in der Hauptsache
die Stromverbraucher unmittelbar speist, auch bei verschiedener Belastung eine fast
gleichbleibende Verbraucherspannung aufweist.
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Insonderheit trägt es zur Erzielung einer gleichmäßigen Spannung an
den Verbrauchsstellen bei, daß bei starker Belastung in allen Verbrauchersystemen
verschiedener Spannung - wenn man von einer örtlichen Stromumkehr in beschränktem
Maße absieht - der Strom von der Primärstation nach den Verbrauchsstellen fließt,
während bei schwacher Belastung sich in einzelnen Verbrauchersystemen die Stromrichtung
ganz oder in der Hauptsache umkehrt, so daß einzelne Systeme zur künstlichen Belastung
der anderen dienen.
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Wie bei den gewöhnlichen Drehstromverbrauchernetzen besteht auch bei
dem Erfindungsgegenstand die Möglichkeit, eine Spannungsregelung in den Kraftwerken
und Primärstationen vorzusehen, indem man z. B. bei starker Belastung die verschiedenen
Systeme auf Anzapfung höherer Spannung umschaltet. Gemäß der Erfindung bietet sich
jedoch der Vorteil, daß man nur ein oder einzelne Systeme umzuschalten braucht,
um dadurch auch die anderen mit zu beeinflussen. Dient z. B. beim Vorhandensein
von zwei Verbrauchersystemen das System niedrigerer Spannung in der Hauptsache oder
ausschließlich zum Anschluß der Stromverbraucher, das System höherer Spannung jedoch
nur ausnahmsweise dazu, z. B. nur für solche Stromverbraucher, die verhältnismäßig
unempfindlich in bezug auf Spannungsschwankungen sind oder in größerer Entfernung
von einer Primärstation liegen, so kann man zu Zeiten starker Belastung unverhältnismäßig
großen Spannungsabfall in dem System höherer Spannung zulassen,
d.
h. auf eine weit höhere Spannung, als sie im Normalbetrieb gewählt wird, umschalten.
-Eine weitere Möglichkeit, mit Hilfe der Ausgleichstransformatoren eine Spannungsregelung
vorzunehmen und eine gleichmäßige Spannung an den Verbrauchsstellen zu erzielen,
ergibt sich, wenn man die ankommenden und die abgehenden Leitungen in einzelnen
Verbrauchersystemen an verschiedene Anzapfungen der Ausgleichstransformatoren legt,
und zwar so, daß, von der Primärstation aus gerechnet, die abgehenden Leitungen
an eine Anzapfung höherer Spannung gelegt werden als die ankommenden, um auf diese
Weise den Spannungsabfall auszugleichen. Sind mehrere Ausgleichstransformatoren
vorhanden und will man eine möglichst gleichbleibende Spannung in den die Verbraucher
unmittelbar speisenden Systemen erzielen, während in den übrigen Systemen ein höherer
Spannungsabfall zugelassen wird, so kann man das Übersetzungsverhältnis entsprechend
dem bei Belastung zu erwartenden Spannungsabfall abstufen.
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Außer einer Spannungsregelung in der bereits angegebenen Weise läßt
sich noch eine Regelung an den verschiedenen Teilen des Verbrauchernetzes dadurch
erreichen, daß man induktive Widerstände in die Leitungen einbaut, und zwar so,
daß sich die induktiven Widerstände gleicher Phase und verschiedener Spannung magnetisch
beeinflussen. Diese Beeinflussung läßt sich noch abstufen, indem man die induktiven
Widerstände beweglich macht oder sie mit beweglichen Eisenkernen ausstattet.
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In den Abbildungen sind einige Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt.
Abb. r zeigt ein Siebenleiter-Drehstromverbrauchernetz; darin bedeutet a die Hochspannungswicklung
eines Transformators, b', b", b` dessen Unter- bzw. Verbraucherspannungswick-.
Jung, die im Punkt c', c", c"' zur Speisung des Verbrauchersystems niedrigerer Spannung
d', d", d"° angezapft sind, e', e", e` die drei Phasen des Verbrauchersystems
höherer Spannung. o ist der gemeinsame Nulleiter beider Verbrauchersysteme. f',
f", f' sind die an das System höherer Spannung und i', t", i"' die
an das System niedrigerer Spannung angeschlossenen Wicklungen eines die Verbraucherspannungen
verkettenden Ausgleichstransformators. Mit Hilfe dieses Ausgleichstransformators
werden die beiden Verbrauchersysteme miteinander gekuppelt und die Energieübertragung
aus einem in das andere ermöglicht. D', ä", ä"' sind Stromverbraucher, die zwischen
den Phasen des Systems niedrigerer Spannung und dem Nullleiter angeschlossen sind.
Entsprechend bedeuten h', 1t", lt"' Stromverbraucher in dem System höherer
Spannung, während g Stromverbraucher in dem System niedrigerer Spannung darstellen,
die zwischen je zwei Phasen dieses Systems angeschlossen sind.
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Die beiden Verbrauchersysteme können beliebige Abzweige erhalten und
jedes für sich beliebig vermascht werden. Es ist dabei nicht nötig, daß beide Verbrauchersysteme
die gleiche Linienführung besitzen, sondern es ist das eine hierin vom andern vollständig
unabhängig. Der nach unten weitergeführte Abzweig e', e", e"' deutet an, daß nach
dieser Seite nur das System höherer Spannung allein fortgeführt wird, also als Drehstromsystem
in der bisher bekannten Weise, ohne daß dieser Abzweig in seinem weiteren. Verlauf
durch einen Ausgleichstransformator mit dem System niedrigerer Spannung verbunden
ist. Dieser Abzweig ist also wie ein Stromverbraucher, der an das System höherer
Spannung angeschlossen ist, zu betrachten.
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In den Abb. a bis 4. sind ebenfalls die bereits oben angewandten Buchstabenbezeichnungen
sinngemäß angewandt. In diesen drei Abbildungen ist das Verbrauchernetz der Übersichtlichkeit
wegen einphasig gezeichnet. Abb. z zeigt das Schaltbild des von zwei HochspannungstransformatorengespeistenV
erbrauchernetzes mit zwei Verbrauchersystemen verschiedener Spannung d (niedrigere)
und e (höhere). Links ist ein Transformator mit der Hochspannungswicklung a1 und
der Verbraucherwicklung b1 dargestellt. Die Verbrauchsspannungswicklung b1 speist
unmittelbar nur das Verbrauchersystem niedrigerer Spannung, während das System höherer
Spannung von dieser Station nur mittelbar mit Hilfe von Spartransformatoren f1,
f2, f3, f4 Energie erhält. Der rechts gezeichnete Hochspannungstransformator speist
beide Systeme unmittelbar aus seiner Sekundärwicklung b2. Im ganzen sind vier Ausgleichsspartransformatoren
f l, /2, /3, f ¢ mit Anzapfungen für das Verbrauchersystem höherer Spannung vorgesehen.
Entsprechend dem bei Belastung zu erwartenden Spannungsabfall sind die Anzapfungen
für den Anschluß des Systems höherer Spannung gewählt. Die in der Abbildung eingeschriebenen
Zahlen deuten das Übersetzungsverhältnis der Windungszahlen für die einzelnen Anzapfungen
an. Eine stufenweise Spannungsregelung erfolgt nun dadurch, daß die Umschalter hl,
h° das Verbrauchersystem höherer Spannung je nach der Belastung oder nach Maßgabe
einer Schaltuhr an verschiedene Anzapfungen des Spartransformators /l oder der Wicklung
b° zu legen gestatten. Je nach der Belastung tritt nun eine selbsttätige, stetige
Spannungsregelung dadurch ein, daß über den gemeinsamen
Nulleiter
und über die Ausgleichstransformatoren il, f=, f3, f ' Ausgleichströmc
in den beiden Verbrauchersystemen fließen. Bei schwacher Belastung werden diese
Ausgleichsströme in beiden Systemen in entgegengesetzter Richtung fließen, während
bei starker Belastung die Stromrichtung in beiden Systemen in der Hauptsache die
gleiche ist.
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Abb.3 ist das einphasige Schema eines Siebenleiter-Drehstromverbrauchernetzes
Ein Hochspannungstransformator, dessen Primärwicklung a ist, speist beide Verbrauchersysteme
aus seiner Sekundärwicklung b. fI, f°, f> sind Ausgleichstransformatoren.
Für das System niedrigerer Spannung sind Anzapfungen an den als Spartransformatoren
ausgebildeten Ausgleichstransformatoren f 1, vorgesehen. Die ankommenden Leitungen
sind an eine Anzapfung niedrigerer Spannung angeschlossen als die abgehenden, wodurch
ein selbsttätiger Ausgleich des bei Belastung auftretenden Spannungsabfalles durch
Ausgleichsströme zwischen den beiden Systemen erzielt wird. Außerdem ist eine stufenweise
Spannungsregelung mit Hilfe des Umschalters k3 vorgesehen, indem die Sekundänvicklung
b Anzapfungen für verschiedene Spannungen erhält, auf die eine Umschaltung des Systems
höherer Spannung entsprechend den verschiedenen Belastungen möglich ist.
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Weiter ist für das Verbrauchersystem höherer Spannung eine Speiseleitung
l vorgesehen, die ebenfalls mit Hilfe des Umschalters k3 an die verschiedenen Anzapfungen
der Wicklungen b angelegt werden kann. Je nach der Belastung kann also der Anschluß
an verschiedene Anzapfungen erfolgen. Die Speiseleitung L kann bei schwacher Belastung
- dem entspricht die tiefste Stellung des Umschalters k3 - allein zum Anschluß des
Verbrauchersystems höherer Spannung an die Wicklung b dienen. In der nächsten Stellung
des Umschalters k3 stehen seine beiden beweglichen Schaltstücke mit der niedrigsten
Anzapfung der Wicklung b in Verbindung. Bei den beiden nächsthöheren Stellungen
legt das obere bewegliche Schaltstück die Speiseleitung L an Anzapfungen höherer
Spannungen, während das untere Schaltstück mit der Anzapfung niedrigster Spannung
auch weiter in Verbindung bleibt. Wird der Umschalter k3 in seine oberste Stellung
gebracht, so werden beide Schaltstücke und damit die daran angeschlossenen -Leitungen
je an eine höhere Spannungsstufe gelegt. Der Umschalter k3 kann selbsttätig, z.
B. in Abhängigkeit von Stromstärke, oder von einer Schaltuhr betätigt werden. Der
Energieausgleich zwischen den beiden Verbrauchersystemen erfolgt nun je nach der
Belastung und nach der Einstellung des Umschalters k3 selbsttätig, und zwar so,
daß unabhängig von der Höhe der Belastung eine annähernd gleichmäßige Spannung an
den Klemmen der Stromverbraucher g auftritt.
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Abb. ¢ ist wiederum das einphasige Schema eines Stromverbrauchernetzes
mit zwei Ver-, brauchersystemen, die beide von der Sekundärwicklung b eines Transformators,
dessen Hochspannungswicklung a ist, gespeist werden. Die Wicklung b besitzt zwei
Anzapfungen für den Anschluß des Systems höherer Spannung, der mit Hilfe des Umschalters
k' erfolgt.
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Ausgleichstransformatoren f 1, 12, f-, verbinden beide Verbrauchersysteme
miteinander und ermöglichen den Energieausgleich zwischen ihnen. In dem System höherer
Spannung sind die ankommenden Leitungen an eine niedrigere Spannung angeschlossen
als die abgehenden, um den bei Belastung auftretenden Spannungsabfall auszugleichen.
in und n sind miteinander induktiv verkettete Selbstinduktionsspulen in dem
Verbrauchersystem höherer Spannung, und zwar liegen m vor und n hinter
dem Ausgleichstransformator 12. p ist eine von m und it magnetisch beeinflußte,
in das Verbrauchersystem niedrigerer Spannung eingeschaltete Spule. nt, n und p
beeinflussen nach Maßgabe der Belastungsverhältnisse das Spannungsniveau in beiden
Systemen im Sinne einer gleichmäßigen Spannung an den Verbrauchsstellen. Um diese
Beeinflussungen in anderer Weise als proportional mit der Stromstärke vorzunehmen,
ist, wie aus Abb. 5 im einzelnen schärfer hervorgeht, ein Teil des Eisenkernes,
dessen Kraftlinienfluß von Windungen in, n und p beeinflußt wird, beweglich
angeordnet.
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In Abb.5 entsprechen in, tt und p den Spulen gleicher Bezeichnung
in Abb. 4.. r ist ein feststehender Eisenkern, der die Wicklungen m, n und
p trägt. S ist ein beweglicher, und zwar drehbarer Teil des Eisenkörpers, der sich
unter Einwirkung der von den Wicklungen erzeugten magnetischen Kräfte und der Spannkraft
einer Feder t bewegt. Auch auf andere bereits bekannt gewordene Art läßt sich die
gegenseitige induktive Beeinflussung der Wicklungen in Abhängigkeit von der Stromstärke
durch Änderung des im Kraftlinienvveg vorhandenen Widerstandes regeln. Statt des
Eisenkernes r oder zusammen mit dem Eisenkern r können auch die Wicklungen
m, n, p beweglich angeordnet werden.
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In den in Abb.2 bis q. dargestellten Beispielen wird durch die der
Spannungsregelung dienende Umschaltung mit Hilfe des Umschalters k1, k2, k3, k-i
keine Stromunterbrechung in einem Teil des Verbrauchernetzes eintreten, da in sämtlichen
Fällen nur die Zuleitung zu einem Verbrauchersystem untea.'-brocken
wird,
während gleichzeitig die Stromzuführung für das andere System bestehen bleibt und
die Speisung beider Verbrauchernetze mit Hilfe der Ausgleichstransformatoren erfolgt.