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Verfahren zur Fernmessung und Fernaufzeichnung von Leistung und Leistungsfaktor
sowie von Strom und Spannung unter Verwendung von Mel3wandlern
Zur Fernübertragung
und Fern aufzeichnung der elektrischen Größen richtete man das Augenmerk bisher
ausschließlich auf Apparate, die d.ie zu messende Größe erst in eine andere umformten.
Zur Fernübertragung dieser umgeformten Größe ist vielfa.ch außerdem noch eine Hilfsspannung
erforderlich. So kann beispielsweise die elektrische Leistung durchei.nen Motorumformer
(Meßdynamo) in eine Gleichspannung, durch das Impulsverfahren in eine Frequenz und
durch den Widerstandssender in ein Widerstandsverhältnis umgeformt werden.
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Eine Fernübertragung dieser Art hat natürlich den Nachteil, daß die
Fehler sämtlicher benötigter Hilfsapparate mit in die Messung eingehen. Derartige
Anlagen sind außerdem sehr viel störanfälliger und unübersichtlicher als Meßanlagen,
die nur über Strom- und Spannungswandler betrieben werden. Auch der Bedarf einer
besonderen Hilfsspannung ist ein schwerwiegender Nachteil. Nicht zuletzt erfordern
sie einen bedeutenden Arbeitsaufwand für die Herstellung und Montage und sind deshalb
so teuer, daß man sie nur in besonderen Fällen einsetzen kann, insbesondere bei
sehr groollen Entfernungen. Nun kommen aber in der Praxis hauptsächlich nur Entfernungen
von einigen IOO m, höchstens einigen Kilometern, in Frage. Entfernungen über 10
km sind im allgemeinen schon sehr selten. Der Gegenstanld der Erfindung betrifft
nun Schaltmaßnahmen, die es ermöglichen, bei Auswahl geeigneter Meßwerke elektrische
Größen, wie Spannung, Strom, Leistung und Leistungsfaktor, über Entfernungen bis
etwa iokm ohne besondere Hilfs-
mittel als Meßwandler und Meßwiderstände
fernzuübertragen und fernaufzuzeichnen. Eine derartige direkte Fernmessung hat den
Vorteil, daß ihre Genauigkeit erstens genau so groß ist wie bei den normalen Schalttafelgeräten
für Nahanzeige und zweitens, daß die Anlage entschieden betriebssicherer und weniger
störanfäIliger ist als eine Anlage mit Zusatzgeräten und Hilfsspannungen, drittens
ist die Behebung von Fehlern infolge der besseren Übersichilichkeit leichter und
rascher durchzuführen und viertens erfordern derartige Anlagen keinen bedeutenden
Kostenaufwand.
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Bei [der Fernmessung und Fernaufzeichnung von Strom, Spannung, Leistung
und Leistungsfaktor auf diese Weise ist dann nur darauf zu achten, daß der durch
den Isolationswiderstand und durch die gegenseitige Kapazität der Fernleitung bedingte
Ohmsche und kapazitive Ableitungsstrom gegenüber dem eigentlichen Meßwerkstrom vernachlässigbar
klein gehalten wird. Außerdem muß die Feruleitung an beliebiger Stelle kurzgeschlossen
werden können, ohne daß eine schädliche Erwärmung oder sonst irgendeine Gefährdung
der Fernleitung entstehen kann. Alle diese Bedingungen lassen sich dadurch erfüllen,
daß der Vorwiderstand für den Spannungsmesser nicht im oder am Meßgerät untergebracht
wird, sondern in unmittelbarer Nähe der Meßstelle. Die Fernmessung des Wechseistromes
auf größere Entfernung ist bekanntlich mit Rücksicht auf die höchst zulässige Leistung
der Wandler nur mit Stromwandlern möglich, die auf einen möglichst kleinen Sekundärstrom
übersetzen. Diese Stromwandler haben aber den groß'en Nachteil, daß: ihre Spannung
sekundär eine gefährliche Höhe hat; ihr Sekundärkreis darf also nicht geöffnet werden,
da in diesem Fall der gesamte Primärstrom als Magneti;sierungsstro'm wirkt, wodurch
sie magnetisch überregt werden.
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Dadurch wird bei Wandlern, die auf kleinen Sekundärstrom übersetzen,
die Leerlaufspannung an den Sekundiärklemmen schon lebensgefährlich hoch. Bei Fernlettungen
muß aber immer damit gerechnet werden, daß diese teils beabsichtigt teils unbeabsichtigt
geöffnet werden. Es muß also eine Maßnahme ergriffen werden, die es erlaubt, den
Sekundärkrets der Wandler zu öffnen, ohne daß eine Beschädigung des Wandlers erfolgt,
ohne daß in der Feruleitung eine unzulässige Hochspannung entsteht und ohne daß
die Meßergebnisse der mitangeschlossenen Meßgeräte für Nahanzeige beeinträchtigt
werden. Dies wird gemäß dem ersten Teilkennzeichen der Erfindung dadurch ermöglicht,
daß der Sekundärkreis des Wandlers, der auf kleinen Sekundärstrom übersetzt, über
einen Ohmschen Belastungswiderstand RB geschlossen wird.
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Der Spannungsabfall an diesem Belastungswiderstand, der je nach Entfernung
bis zu rund Ioo Volt betragen kann bzw. muß, ist verhältmsgleich dem Strom und kann
damit zu dessen Messung herangezogen werden.
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Erfindungsgemäß läßt sich eine derartige Fernmessung von Strom, Leistung,
Leistungsfaktor und Spannung, bei der nur Meßlwandler verwendet werden,, dadurch
erzielen, daß einerseits die Stromwandler, die sekundär in bekannter Weise auf kleine
Nennströme übersetzen, auf der Sekundärseite durch einen Ohmschen Belastungswiderstand
geschlossen werden, dessen Spannungsabfall ein Maß für den Strom nach Größe und
Phase ist, und daß andererseits &ieVorwitderstände für die Strom- und Spannungspfade
nicht im oder am Meßgerät, sondern unmittelbar an der Meßstelle bzw. an den Wandlern
vorgesehen werden.
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Bei der Le-istungs- und Leistungsfaktormessung sind bekanntlich Strom-
und Spannungspfade vorbanden. Da durch die Anwendung des Belastungswiderstandes
die Strommessung im Grunde genommen auf eine Spannungsmessung zurückgeführt ist,
so wird zur Fernanzeige bei der Leistungs- und Leistungsfaktormessung vorzugslweise
ein Meßgerät verwendet, bei dem beide Spulen dünudrähtig, also sp annungsempfindlich
ausgeführt sind.
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In der Abb. I ist die Schaltung der Leistungsfaktormessung dargestellt.
Die Leistungseigenschaften der Feruleitung, Leitungswitderstand RL und der kapazitive
Widerstand & sind an einem wC Punkt konzentriert dargestellt, während sie in
Wirklichkeit bekanntlich kontinuierlich verteilt sind. Der induktive Widerstand
co L, der bekanntlich am Ohmschen Leiltungswilderstand RL klein ist, wurde in dem
Ersatzschaltbild der Leitungen vernachlässigt. Der Spannungspfad des Leistungsmessers
W ist an den Spannungswandlern Tv und der Strompfad an den Stromwandlern TA angeschlossen.
Der Stromwandler TA ist üher einen BelastungswifderstanjdRB geschlossen. Da für
den kapazitiven Ableitungsstrom die Spannung zwischen den PunktenPv und Qv bzw.
PA und QA maßgebend ist, sind die Vorwiderstände RVA und RVV der Strom- und Spannungspfade
in unmittelbarer Nähe des Meßgerätes direkt an die Wandler angeordnet.
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Bei der Leißtungsmessung muß aber noch der Phasenfehler, der durch
den in den Fernleitungen auftretenden kapazitiven Ahleitungsstrom verursacht wird
und der beil kleinem cos g> ins Gewicht fallen kann, durch besondere Maßnahmen
unwirksam gemacht werden. Dies läßt sich auf verhältnismäßig einfache Weise durch
zusätzliche Änderung des Scheinwiderstandes im Strom- und Spannungspfad durchführen.
Das Diagramm der Abb. 2 zeigt die Phasenverschiebung des MeBwerkstromes JM gegenüber
der zur Messung herangezogenen Spannung EM. Das Diagramm gilt sinngemäß für den
Spannungs- und für den Strompfad des Leistungsmessers. Es sind demgemäß die auf
diese Kreise hinweisende Bezugs zeichen V und A weggelassen.
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Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Leistungsmesser sowohl im Spannungspfad
als auch im Strompfad nicht nur Ohmschen, sondern auch induktiven Widerstand aufweist
Der Meßwerkstrom JM eilt also der Spannung EPQ etwas nach.
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Der kapazitilve Ableitungsstrom Jc eilt der Spannung EpQ um 90 elektrische
Grade vor. Aus der vektoriellen Addition von JM und 1c ergibt sich der
Gesamtstrom
J. Phasengleich mit J ist aber die Spannung Env am Vorwiderstand Rv. (Die Leitungswiderstandshälfte
IEL/2 darf gegenüber dem Vorwiderstand Rv vernachlässigt werden.) Die Spannung ERV
am Vorwiderstand Rv vektoriell mit der Spannung EpQ addiert, ergibt die eigentliche
Meßspannung EM am Spannungswandler bzw. am Belastungswiderstand RB des Stromwandlers.
Der Winkel (PM zeigt die Phasenverschiebung zwischen Meßspannung EM und Meßwerkstrom
JM Die Leistungsmessung wird dann richtig, wenn die Phasenverschiebungcos f MV zwischen
Meßspannung EMV und Meßstrom JMV (Abb. I) im Spannungspfad genau so groß wird, wie
die Phasenverschiebung cos (pMA zwischen Meßspannung EMA und Meßstrom 1MA im Strompfad.
Diese Bedingung läßt sich verhältnismäßig leicht erfüllen dadurch, daß man je nach
Bedarf den Scheinwiderstand im Strom- oder im Spannungspfad zusätzlich vergrößert
bis cos #MV gleich cos GMA wird. Die Albgleichung auf gleiche Phasenwinkel erfolgt
in der Weise, daß man in dem Strom- oder Spannungspfad, je nachdem was sich als
notwendig erweist, Scheinwiderstand dazu schaltet, bis der zusätzliche Fehler bei'.
Nennbelastung des Strom- und Spannungspfades des Leistungsmessers bei cos ? b =
0,5 und cos CO o verschwindet.
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In der ähnlichen Weise läßt sich auch der Strom ausgleichen, der
durch die transformatorische Wirkung der beiden Leistungsmesserpfade aufeinander
entsteht, sofern dieser überhaupt ins Gewicht fallen sollte. Durch den Vorwiderstand
Rv wird dieser Induktionsstrom ja verhältnismäßig klein.