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Einrichtung zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Hochspannungsfernleitungen
Es ist bekanntlich günstig, Hochspannungsfernleitungen für große Entfernungen so
zu betreiben, daß das Verhältnis der Spannung E zum Strom J gleich dem Wellenwiderstand
Z der Leitung, das ist die Wurzel aus dem Verhältnis- der -Induktivität L zur Kapazität
C der Leitung, ist. Es soll also sein
denn dann ist die in der Selbstinduktion der Leitung aufgespeicherte magnetische
Energie genau so groß wie die in ihrer Kapazität aufgespeicherte Ladungsenergie,
so daß dies.. beiden Energiemengen gegenseitig hin und her schwingen und keine Blindleistungszufuhr
von außen erforderlich ist. Die Leitung befindet sich dabei also in kompensiertem
Betrieb in bezug.auf ihre induktive und kapazitive Blindleistung.
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Aus Gleichung (z) erhält man die in kompensiertem Zustande zu übertragende
Leistung
Diese Leistung, die übertragen wird, ohne daß Blindströme und Blindspannungen nach
außen hin auftreten, ist also bei gegebener Betriebsspannung E um so größer, je
größer die Kapazität C der Leitung und je kleiner ihre Selbstinduktion List.
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Um auch bei veränderlicher zu übertragender Leistung die Bedingung
der Gleichung (2) erfüllen zu können, ist vorgeschlagen worden, Blindstromerzeuger
längs der Leitung zu verteilen und diese Blindstromerzeuger, durch welche die Selbstinduktion
der Leitung verändert wird, durch Regeleinrichtungen selbsttätig so einzustellen,
daß- die Bedingung der Gleichung (2) auch bei veränderlicher Belastung erfüllt ist.
Die Übertragung der Leistung erfolgt dann unter den günstigsten Ver= hältnissen.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steigerung der Leistungsfähigkeit
von Hochspannungsfernleitungen, bei der ohne Änderung der Größe der längs der Leitung
verteilten Kapazitäten bzw. Selbstinduktionen für jede Belastung stets die Bedingung
der Gleichung (2) erfüllt ist. Erfindungsgemäß werden 'die Kapazität der Leitung
einerseits und ihre Selbstinduktion andererseits getrennt voneinander vollständig
kompensiert.
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Die Eigenkapazität der Leitung kann man dadurch kompensieren, daß
man Drosselspulen oder äquivalente Blindstromerzeuger (Synchronmaschinen, asynchrone
Phasenschieber) verwendet und über die Leitung verteilt und parallel zur Leitung
schaltet. Bezeichnet
man mit C die natürliche Eigenkapazität
eines Abschnittes der Fernleitung und die. parallel zur Leitung geschaltete Induktivität
mit Z, so wird die resultierende Kapazität C gleich
Man kann sie durch entsprechende Wahl von l zu Null machen.
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Die Selbstinduktion der Leitung. kann man dadurch kompensieren, daß
man Kondensatoren oder äquivalente Blindstromerzeuger (Synchronmaschinen, asynchrone
Phasenschieber) über die Leitung verteilt und in Reihe in die Leitung einschaltet.
Bezeichnet man mit L' die natürliche Selbstinduktion eines Abschnittes der Fernleitung
und mit c die eingeschaltete Reihenkapazität, so ist die resultierende Selbstinduktion
L gleich
Durch geeignete Wahl der Reihenkapazität c kann man also die Selbstinduktion der
Leitung vollständig kompensieren.
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Man erhält dann eine Fernleitung, wie sie schematisch in der Zeichnung
dargestellt ist, wobei die eingeschalteten Blindstromerzeuger, die in Abständen
angeordnet sind, die klein sind gegenüber der natürlichen Wellenlänge des zu übertragenden
Wechselstromes auf der unkompensierten Leitung, den Bedingungsgleichungen gehorchen:
co'-L'cu,21 C'- i. (6)
Die eingeschalteten Selbstinduktibnen 1 und Kapazitäten
c sind also in Resonanz mit den natürlichen Eigenkapazitäten C' und den natürlichen
Selbstinduktionen L' der einzelnen Abschnitte der Fernleitung. Irgendwelche schädliche
Erscheinungen treten jedoch dadurch nicht auf, da die gesamten Ströme quer zur Leitung
nie größer als die natürlichen Kapazitätsströme, die gesamten Spannungen längs der
Leitung nie größer als die natürlichen Selbstinduktionsspannungen werden. Man kann
durch zweckmäßige Unterteilung die Einzelströme und Einzelspannungen in bzw. an
den Zusatzapparaten sogar. beliebig gering halten.
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Schaltet man diese festen Werte von c und 1 in die Leitung, so werden
damit nach den Gleichungen (3) und (4) die resultierende SelbstinduktionL und Kapazität
C jede für sich gleich Null, und damit kann die bei voller Kompensation zu übertragende
Leistung nach Gleichung (2) jeden beliebigen Wert annehmen. Die Fernleitung kann
also bei beliebiger Länge und beliebiger Konstruktion sowohl in Ausführung als Freileitung
als auch als Kabel für niedrige oder hohe Spannungen und Ströme jede beliebig kleine
oder beliebig große Leistung übertragen, ohne daß kapazitive Ströme oder induktive
Spannungen nach außen hin auftreten. Lediglich der Ohmsche Spannungsabfall im Wirkwiderstand
der Leitung bleibt bestehen, die Fernleitung verhält sich also jetzt genau wie eine
Gleichstromleitung. Alle Nachteile der Wechselstromübertragung gegenüber der Gleichstromübertragung
sind verschwunden. Die Größe der zusätzlichen Kapazitäten und Selbstinduktivitäten
werden ein für allemal für die Betriebsfrequenz der Leitung gemäß den Gleichungen
(5) und (6) eingestellt.
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Die Anordnung nach der Erfindung unterscheidet sich daher grundsätzlich
von einer bekannten Einrichtung, bei der die Induktivität oder Kapazität der Leitung
oder beide beeinflußt werden, bei der aber im Gegensatz zur Anordnung nach der Erfindung
die Indüktivität und die Kapazität so weit vergrößert werden, daß sich die Leitung
wie eine Leitung verhält, deren Länge gleich der halben Wellenlänge ist. Man kann
zwar dadurch die Spannung am Anfang und am Ende bei beliebiger Leistung auf den
gleichen Wert halten. Längs der Leitung ändert sich aber die Spannung und auch der
Strom beträchtlich, so daß eine wirtschaftliche Ausnutzung der Isolation und des
Querschnittes der Leitung nicht gegeben ist. Im Gegensatz zu dieser bekannten Anordnung
wird, wie bereits erwähnt, bei der Anordnung nach der Erfindung die Selbstinduktion
der Leitung und ihre Kapazität zu Null gemacht, so daß die scheinbare Wellenlänge
der Wechselströme von einer solchen Leitung unendlich groß wird und die beliebig
lange Fernleitung sich im stationären Betrieb genau so verhält wie die üblichen
kurzen Leitungen, d. h. die Spannung und der Strom bleiben auf der Leitung im wesentlichen
konstant. Durch die Anordnung nach der Erfindung werden die Grenzen der elektrischen
Energieübertragung mit Wechselstrom bis auf beliebige Entfernungen hinaufgerückt
und sind nur noch durch die Energieverluste, also die Ohmschen Spannungsabfälle
und die Erwärmung der Leitung begrenzt.
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Da Freileitungen stets relativ große Selbstinduktion und geringe Kapazität,
Kabel dagegen geringe Selbstinduktion und große Kapazität besitzen, so sind die
letzteren bei gegebener Spannung nach Gleichung (2) schon an sich besser zur übertragung
großer Leistungen befähigt. Bei Anwendung der Mittel nach der Erfindung verstärkt
sich dieses Verhältnis noch erheblich, denn Fernkabel erfordern nur relativ geringe
Zusatz,
kapazitäten. Da Zusatzkapazitäten für die Unterbringung
großer Blindleistungen, wie sie für Freileitungen erforderlich wären, verhältnismäßig
teuer sind, so lassen sich Kabel sehr viel leichter und billiger für beliebig große
Übertragungsleistungen kompensieren als Freileitungen.
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Die Erfindung ist natürlich auf Drehstromleitungen genau so anwendbar
wie -auf die in der Zeichnung dargestellten einphasigen Leitungen; auch die Formeln
gelten für Drehstrom genau so, man hat nur in alle Gleichungen die verketteten Werte
einzusetzen.