-
Anordnung zur Regelung von Wechselstromfernleitungen Bei Wechselstromfernübertragungen
würnscht man im allgemeinen bei veränderlicher Stromstärke die Spannung konstant
zu halten, um sowohl am Erzeuger- und Verbraucherende als auch in beliebigen Zwischenstationen
unmittelbaren Anschluß an die üblichen Verteilungsnetze vornehmen zu können. Nun
bewirkt aber einerseits die hohe Selbstinduktion solcher Leitungen erhebliche induktive
Spannungsabfälle, andererseits bewirkt die große Kapazität derartiger Hochspannungsfreileitungen
oder Kabel das Auftreten starker Ladeströme, die auch wieder Spannungsabfälle im
Gefolge haben. Man muß daher derartige Leitungen mit ihren schädlichen Blindströmen
und Blindspannungen durch zusätzliche Einrichtungen regeln, die durch Zuführung
äußerer Blindströme oder Blindspannungen die schädlichen Wirkungen kompensieren
und dadurch die gewünschten Spannungsverhältnisse längs der Leitung erhalten. Es
sind eine Reihe von Methoden bekannt geworden, wie man derartige Kompensierungseinrichtungen
anordnet. Man kann die äußeren Blindleistungserzeuger sowohl parallel wie in Reihe
zur Leitung schalten. Man kann als Blindleistungserzeuger Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen,
Drosselspulen und Kondensatoren verwenden, die in den verschiedensten Schaltungen
und Betriebsweisen angewendet werden können.
-
Zweck der Erfindung ist, ein einfaches und genaues Verfahren anzugeben,
mit der diese Blindleistungseinrichtungen zur Kompensierung der Leitung geregelt
werden können, und zweckmäßige Regler hierfür zu entwickeln.
-
In Abb. z ist eine Fernleitung oder ein Teil einer solchen dargestellt.
Die Fernleitung kann zwei Endstationen A haben,.sie kann aber auch mit anderen Leitungen
zu einem Ring- oder Maschennetz zusammengeschlossen sein. In allen Stationen S wird
der Leitung in beliebigem Wechsel Leistung zugeführt oder von ihr entnommen, und
außerdem sind in diesen Stationen die Kompensierungseinrichtungen angeordnet. Diese
sollen in jeder Station so bemessen sein, daß sie vorwiegend einen bestimmten Teil
der Leitung, etwa die Hälfte jedes Leitungsabschnittes, zwischen den einzelnen Stationen
kompensieren können.
-
Es ist nun bekannt, daß man bei langen Wechselstromleitungen am zweckmäßigsten
in einem solchen Betriebszustande fährt, daß das Verhältnis der Spannung zum Strom
mit dem resultierenden Wellenwiderstand der Leitung übereinstimmt, daß also
ist. Diese Bedingung läßt sich unter Einführung der Wechselstromkreisfrequenz co
auch schreiben w . KE2 = o,)LJ2. (2)
Gleichung (2) zeigt an,
daß die gesamten spannungsabhängigen Blindleistungen und die gesamten stromabhängigen
Blindleistungen ein-.
ander gleich sein sollen. Bei reiner Reihenschaltung
der Kompensierungseinrichtungen ist deren Blindleistung im allgemeinen stromabhängig
und zählt mit zur rechten Seite der Gleichung (2). Bei reiner Parallelschaltung
der Kompensierungseinrichtungen ist deren Blindleistung im allgemeinen spannungsabhängig
und zählt mit zur linken Seite der Gleichung (2). In jedem Fall sind also die Blindleistungen
der äußeren Kompensierungseinrichtungen der Leitung in die Blindleistungsbilanz
der Gleichung (2) einzubeziehen, wenn man vollkommenen Ausgleich der Blindleistungen
in jedem Streckenabschnitt und damit auch auf der ganzen Leitung haben will. Auch
die in den Stationen, entnommenen oder zugeführten Blindleistungen etwa angeschlossener
Netze oder Stromverbraucher sind in dieser Blindleistungsbilanz mitzuzählen.
-
Gemäß der Erfindung sollen nun die zusätzlichen Blindleistungseräeuger
in den einzelnen Stationen, die zur Kompensierung dienen sollen, derart geregelt
werden, daß stets die Bedingung der Gleichung (2) erfüllt wird, und es soll dazu
ein Anzeigegerät verwendet werden, das das Gleichgewicht der Blindleistungen nach
Gleichung (2) anzeigt und bei Abweichung vom Gleichgewicht die Vermehrung oder Verminderung
der zugeführten Blindleistung verursacht.
-
Am Beispiel einer Parallelzuführung der kompensierenden Blindleistung
in einer Station sollen die Verhältnisse näher erläutert werden. In Abb. 2 bedeuten
wieder L die Fernleitung, S die Sammelschiene einer Station, an die einerseits das
beliebig geartete Netz ='4r, das Wirk-oder Blindströme in beliebigem Wechsel abgeben
oder aufnehmen kann, und andererseits die Kompensierungseinrichtung 1i angeschlossen
sind. Letztere ist hier als Synchronmaschine gezeichnet mit ihrem Erregerstromregler
R. Schreibt man die Gleichung (2) in der Form JKE = ce> L J2,
(3)
so bedeutet darin JK den gesamten dem Leitungsabschnitt zugeführten Blindstrom,
der sowohl aus dem Ladestrom der Leitung jc als auch aus dem magnetisierenden Blindstromanteil
Js . sin 99 der Station besteht. Die linke Seite in Gleichung (3) läßt sich daher
schreiben JKE = Jc - E-EJs - sin (p (4)
= co CE2-EJ,
sin (p.
-
Darin ist der Ladestrom J,; der Leitung selbst wieder durch deren
Eigenkapazität C ausgedrückt. Die rechte Seite in Gleichung (2) bzw. (3) besteht
aus zwei Summanden, nämlich den Blindleistungen des linken und des rechten Leitungszweiges,
die der Station zur Kompensierung zugeordnet sind und die man getrennt behandeln
muß, weil sie verschieden große Ströme führen können. Es ist daher
Das Gleichgewicht der Blindleistungen in den Streckenabschnitten dieser Station
ist daher nach Einsetzen der Gleichungen (q) und (ö) in die Gleichung (3) durch
die Bedingungsgleichung gegeben:
Um ein dieser Gleichgewichtsbedingung entsprechendes Anzeigegerät nach der Erfindung
zu bauen, kann man beispielsweise ein Relais benutzen, auf dessen beweglichen Teil
Drehmomente wirken, die den einzelnen Gliedern dieser Gleichung (6) proportional
sind. In Abb. 2 sind zu dem Zweck vier Ferrarisscheiben auf einer Welle angeordnet,
die von vier zweispuligen Magnetsystemen beeinflußt werden. Im untersten System
i werden beide Spulen von der Spannung E der Fernleitung in der Station beeinflußt,
so daß es ein Drehmoment entsprechend E2 entwickelt. Durch geeignete Bemessung und
gegebenenfalls durch Einregelung soll der Proportionalitätsfaktor dieses Drehmomentes
auf die Kapazität C der beiden von der Station zu kompensierenden Leitungszweige
abgestimmt werden. Dieses System i mißt daher die Ladeleistung der Leitung. Beim
zweiten Ferrarissystem 2 wirkt auf die eine Spule die gleiche Spannung E, auf die
andere der Gesamtstrom J; der Station, und zwar derart, daß das Drehmoment proportional
E # Js . sin (p wird. Dieses System a mißt daher die Blindleistung der Station.
Das dritte Ferrarissystem 3 wird mit seinen beiden Spulen vom Strom J1 des linken
Leitungszweiges beeinflußt und ist mit seinem Proportionalitätsfaktor auf die Selbstinduktion
L1 des linken Leitungsteiles abgestimmt. Das vierte Ferrarissystem q. wird in gleicher
Weise vom Strom J., des rechten Leitungszweiges beeinflußt und ist auf dessen Selbstinduktion
L,; abgestimmt.
-
Da somit die Drehmomente der vier Scheiben nur bei vollkommener Kompen«sierung
nach Gleichung (6) im Gleichgewicht sind und da sich die Scheiben anderenfalls nach
rechts oder links zu drehen suchen, so könnte man sie direkt zur Verstellung des
Erregerreglers R benutzen. Besser ist es aber, wie in Abb. 2 dargestellt, dieses
Gerät nur einen Kontakt schließen zu lassen, der den Rechts- oder Linkslauf eines
besonderen Hilfsmotors bewirkt und dadurch die Kompensierungsmaschine 1@ zur Abgabe
von mehr oder weniger Blindstrom veranlaßt. Eine Feder am Gerät dient dann zur Einstellung
der Ruhelage im Gleichgewichtszustande.
-
Diese Anordnung führt bei beliebig geänderten Verhältnissen in der
Gesamtanlage stets in kürzester Zeit eine vollkommene Ausregelung
und
Wiederherstellung der Kompensierung und dadurch der günstigsten Spannungsverteilung
herbei. Wächst beispielsweise die durch die Fernleitung übertragene Leistung, so
ändern sich mit ihr die Ströme J, und J2 und erzeugen einen vergrößerten induktiven
Spannungsabfall. Sofort spricht das Gerät an, setzt den Regler in Tätigkeit und
verkleinert den Blindstrom JS der Station um ein solches Maß, daß sein induktiver
Abfall in der Leitung sich um das gleiche Maß vermindert, wie es der zunehmende
Spannungsabfall der übertragenen Leistung erfordert. Ändert sich andererseits die
Nutzlast des an die Station angeschlossenen Netzes N, so werden die Wirkstromänderungen
von der Fernleitung aufgenommen und hierdurch J1 und J2 geändert mit der gleichen
Wirkung wie oben. Die Blindstromänderungen des Netzes verändern den Blindstrom der
ganzen Station, wirken dadurch auf das Gerät und rufen am Regler eine solche Änderung
hervor, daß der gesamte Stationsblindstrom wieder auf den richtigen Wert zurückkehrt.
Ändert sich die Spannung der Fernleitung oder der Station, so daß der Ladestrom
der Leitung sich ändert, so macht sich auch hier dieser Einfluß im Gerät geltend
und wird durch eine Betätigung des Blindstromreglers R sofort ausgeglichen. Man
kann mit diesem Regelsystem mit jeder beliebigen Spannung auf der Fernleitung richtig
fahren und hält immer die Kompensierungsbedingungen genau ein.
-
Man kann die Arbeitsspannung der Leitung daher noch nach einem anderen
Gesichtspunkte bestimmen. Beispielsweise kann man sie durch einen Spannungsregler
irgendeiner an die Fernleitung geschlossenen Station festlegen lassen. Wünscht man
diese Unabhängigkeit von der Spannung nicht, so braucht man nur im Gerät an Stelle
des untersten Ferrarissystems, das von der Spannung allein beeinflußt wird, ein
konstantes Drehmoment wirken zu lassen, etwa durch eine vorgespannte Feder, und
erhält alsdann eine Regelung 'auf konstante Spannung, deren Größe durch Verändern
der Federstärke beliebig einstellbar ist. Ebenso könnte man durch Ersetzen des zweiten
Ferrarissystems von unten durch ein einstellbares Drehmoment natürlich auch auf
einen bestimmten Blindstrom der Station regeln, jedoch ist dies meist von geringerer
Bedeutung.
-
An Stelle des' Ferrarisgerätes kann man natürlich. auch irgendwelche
andere Relais oder Meßeinrichtungen benutzen, die in der Lage sind, Drehmomente
gemäß der Bedingungsgleichung (6) zu liefern, beispielsweise Dynamometer, die auf
E . J . sin 99 ansprechen, Weicheiseninstrumente, die auf E2 ansprechen,
oder ähnliche an sich bekannte Instrumente. Man kann auch die Gleichge«@ichtsbedingung
(6) auf rein elektrische Weise abbilden und kann statt der mechanischen Drehmomente
beispielsweise durch Gleichrichter entsprechend starke Gleichströme erzeugen, die
sich summieren lassen.
-
Wesentlich für die Erfindung ist nur, daß das Gleichgewicht der Blindleistungen
in der Anlage gemäß Gleichung (6) in einem Anzeigegerät abgebildet wird. Es ist
auch gleichgültig für die Erfindung, was für Kompensierungseinrichtungen in den
Stationen stehen, ob, wie in Abb. 2, eine Synchronmaschine oder irgendein anderes
der eingangs erwähnten Kompensierungsmittel.
-
Es ist auch gleichgültig, auf welche Weise man die einzelnen Ströme
und Spannungen für das Gerät von den Leitungen abnimmt, ob man sie durch Strom-
und Spannungswandler, durch Widerstände, durch Hilfskapazitäten oder Selbstinduktionen
herstellt oder ob man einzelne Ströme spaltet oder zu mehreren zusammenfaßt. Beispielsweise
kann man zur Ersparnis von Stromwandlern den Strom JS in der Station in Abb. 2 auch
durch Differenzbildung aus den Strömen J1 und J2 der Leitung erhalten.
-
Genau wie es hier am Beispiel einer parallel zur Leitung liegenden
Kompensierungseinrichtung geschildert ist, lassen sich nach der Erfindung Anzeigegeräte
und Regelmethoden entwickeln für Kompensierungseinrichtungen, die in Reihe in der
Leitung liegen. Man hat dann nur in Gleichung (2) nicht die linke, sondern die rechte
Seite in ihre versch edenen Anteile zu zerspalten, die der Leitung'selbst und der
Kompensierungseinrichtung angehören. Man kommt auch da auf eine Gleichgewichtsbedingung,
die sich durch ebenso einfache Anzeigegeräte abbilden läßt.
-
Die Regeleinrichtungen des Blindstromes in den einzelnen Stationen
sind nach der Erfindung für den, ordnungsmäßigen Betrieb der Anlage entsprechend
der allgemeinen Gleichung (2) oder der besonderen Gleichung (6) so abgestimmt, daß
sie die Blindleistungen eines ganz bestimmten Leitungsabschnittes überwachen und
zum Ausgleich bringen. Jeder Station ist also ein bestimmter Abschnitt der Leitung
zugeordnet. Es kann nun aber durch eine zufällige Störung die Regelanordnung oder
die Kompensierungseinrichtung oder die ganze Station außer Betrieb kommen. Dann
ist der Leitungsabschnitt, der zu dieser Station gehört, zunächst urkompensiert,
und seine Blindströme fließen in die anderen Abschnitte hinein. Es ist zweckmäßig,
daß in einem solchen Fall jede der Nachbarstationen für den unkompen.sierten Teil
einspringt, der direkt an ihren eigenen kompensierten Leitungsteil grenzt. Dies
kann dadurch erzielt werden, daß man die Proportionalitätsfaktoren der einzelnen
Systeme des Gerätes für das erste Glied und eines der beiden letzten Glieder der
linken Seite der Gleichung (6) entsprechend
vergrößert. Da jede
Nachbarstation mit ihrem Blindstrom IS # sin cp nun noch einen, weiteren Leitungsabschnitt
kompensieren soll, so vergrößert sich die ihr zugehörige Kapazität C und die ihr
zugehörige Selbstinduktion L1 oder L2 um das Maß des neuen Streckenabschnittes.
Wenn man daher dem Gerät beispielsweise in Abb.2 durch Verändern der Empfindlichkeit
der Ferrarissysteme = und q. bzw. i und 3 die entsprechenden Zuschläge erteilt,
so stellt es die Gleichgewichtsbedingung auf das neue Leitungssystem mit zugeschalteten
rechten oder linken Streckenabschnitten der ausgeschalteten Station richtig dar.
-
Diese Umschaltung kann im allgemeiner durch Ändern der Widerstände
oder Selbstinduktionen oder Windungszahlen im Meßstromkreise erzielt werden. Man
leitet sie entweder von Hand auf eine Benachrichtigung von der schadhaften Station
her ein, man kann sie aber auch selbsttätig dadurch zur Wirkung bringen, daß man
in jeder Station ein Relais anordnet, das entweder auf unzulässige Spannungserhöhung
oder auf unzulässige, die Fernleitung bei der Station durchfließende Blindströme
oder auf beides gemeinsam anspricht. Gute Dienste hierfür leistet beispielsweise
ein. Blindleistungsrelais, dessen Spannungsspule von der Spannung E der Leitung
und dessen Stromspule von der Summe der Ströme Jl und J2 in den beiden Leitungsabschnitten
durchflossen wird. Ein solches Relais spricht darin an, wenn beim Ausfall einer
Station deren bisher gelieferter Blindstrom nunmehr eine oder beide Seiten der Fernleitung
und die Nachbarstationen bis zu den Enden der Leitung durchfließt.
-
Da sich bei ungleicher Leitungsabschnitten von den Längen a1 und a2,
die zu jeder Station gehören, der Blindstrom JS der Station in zwei ungleiche Leitungszweige
nach rechts und links teilt, so ist es zweckmäßig, das obengenannte Schutzrelais
nicht einfach auf die Summe von J1 und J2 ansprechen zu lassen, sondern. diese Ströme
nur im umgekehrten Verhältnis der Längen der Leitungsabschnitte wirken zu lassen.
Läßt man das Relais ansprechen auf
so bleibt dieser Ausdruck beim ordnungsmäßigen Arbeiten sämtlicher Stationen in
jeder Station gleich Null, springt aber beim Ausfall der Kompensierung an irgendeiner
Stelle in den Nachbarstationen des Fehlerortes sofort auf einen bemerkenswert hohen
Betrag, der zur Umschaltung dieser Station auf die neue Gleichgewichtsbedingung
ausreicht. Da ein solches Leistungsrelais gleichzeitig die Richtung anzeigt, von
der der nichtkompensierte Blindstrom kommt, so zeigt es selektiv das gestörte Gleichgewicht
der linken oder rechten Anschlußleitung jeder Station an und kann dazu dienen, dementsprechend
das erste und das dritte oder vierte Glied des Gerätes nach Abb. 2 oder der Gleichung
(6) zu berichtigen.
-
Genau so wie in den Zwischenstationen kann die Regelung nach der Erfindung
auch in den Endstationen angewandt werden. Man kann sich hierfür entweder die eine
Leitung LI in Abb.2 fortdenken und das Gerät auf eine Kompensierungseinrichtung
K wirken lassen, die dann nur den ersten Leitungsabschnitt L2 von der Station aus
kompensiert. Die Generatoren der Station können in diesem Falle ebenso wie das sonstige
Verbraucher- oder Erzeugernetz N an die Sammelschienen S angeschlossen, sein. Man
kann aber auch an Stelle der Leitung L1 die Generatoren der Endstation treten lassen
und deren unerwünschten Blindstrom selbsttätig mitkompensieren. Schließlich kann
man auch diese Generatoren als Kompensierungseinrichtung K auffassen und von dem
Gerät aus deren Erregung selbsttätig regeln, entweder allein oder zusätzlich zu
irgendeiner anderen Regelart. In diesem Falle ersetzt man das untere Spannungssystem
i des Gerätes am besten durch eine konstante Kraft, um neben der Kompensierung gleichzeitig
auf eine bestimmte Spannung der Station einzuriegeln.