WO1989008881A1 - Electric energy supply - Google Patents

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WO1989008881A1
WO1989008881A1 PCT/CH1988/000215 CH8800215W WO8908881A1 WO 1989008881 A1 WO1989008881 A1 WO 1989008881A1 CH 8800215 W CH8800215 W CH 8800215W WO 8908881 A1 WO8908881 A1 WO 8908881A1
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voltage
electrical energy
transformer
electric energy
electricity
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PCT/CH1988/000215
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German (de)
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Inventor
Hanspeter Bitterli
Original Assignee
Riedi-Joks, Susanne
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/12Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac
    • G05F1/24Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using bucking or boosting transformers as final control devices
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/12Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac
    • G05F1/13Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using ferroresonant transformers as final control devices
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks

Definitions

  • the present invention relates to a quality improvement process
  • the voltage of the electrical energy produced in the power plants is the voltage of the electrical energy produced in the power plants.
  • Transformers serve the electrical energy of a certain one
  • tric energy is usually generated with a voltage between
  • the medium voltage distribution grids are around 10,000 to Operated 30000 volts and the consumer voltage is to the main
  • Voltage means and occurs between the conductors and the voltage
  • the transformer is one of the most reliable
  • the active part of the transformer basically consists of an iron
  • the winding to which the energy is supplied is called primary
  • ratio of the transformer which is defined as the ratio of the
  • this secondary MMK is an equal size primary MMK, from the product
  • This river is called the stray river. It causes one
  • Voltage drop in the windings means short-circuit voltage. she is
  • Figure 1 is a graphical representation of the mains voltage
  • FIG. 2 shows the graphical representation of the daily loads
  • FIG. 3 shows the basic electrical energy distribution scheme of previous
  • inductive devices such as electric motors, ballasts for
  • Illuminations such as neon lamps, mercury vapor lamps, sodium vapor
  • ohmic devices such as heating elements, hot plates, light bulbs,
  • R internal ohmic resistance
  • Network stabilized to the nominal voltage can thus be determined as follows
  • the ratio is in the case of inductive electrical energy consumers
  • the apparent power S on is the geometric one
  • the impedance Z is the geometric sum of the reactance X
  • the current I flowing in the supply line is compared to the mains voltage
  • the active power is calculated according to:
  • the reactive power is calculated according to:
  • Circle is set very high for reasons of material utilization increases
  • Network stabilized to the nominal voltage can thus be determined as follows
  • the graphic of the mains voltage shown in FIG. 1 is based on
  • Figure 2 shows the graphic representation of the daily loads. Out of it
  • FIG. 3 shows the basic electrical energy distribution scheme according to the
  • FIG. 4 shows the basic electrical energy distribution scheme
  • EL-EN 2000 The introduction of EL-EN 2000 can in principle be carried out according to the following stages
  • Stage I Equipping the electrical energy consumers A ... H with
  • Stage III Equipping existing substations also in stages
  • Stage V Equipping existing power plants also in stages

Abstract

In a process known as EL-EN 2000 for improving the quality of the electricity from the electric energy supply, the electricity distribution supply network is equipped with voltage-stabilizing transformers or voltage stabilizers. In this way, the currently unstable mains voltage, which is subject to surge voltage and surge voltage peaks and to fluctuations due to alternating loads, is stabilized on the rated mains voltage. This results not only in the elimination of various fundamental problems but also in savings in electric energy, at a user consumption rate equal to that hitherto attained, in all installed, in-service electrical appliances. The quantity of electric energy saved is of the order of magnitude of the square of the voltage in excess of the rated mains voltage. EL-EN 2000 can be introduced in stages, the maximum effect being attained in stage I, in which the voltage-stabilizing transformers or voltage stabilizers are incorporated immediately before the electric energy consumer.

Description

Elektro-Energie-Versorgung Electrical energy supply
Die vorliegende Erfindung betrifft ein QualitätsverbesserungsverfahrenThe present invention relates to a quality improvement process
der Elektrizität der Elektro-Energie-Versorgung indem mindestens einthe electricity of the electrical energy supply by at least one
spannungsstabilisierender Transformator oder Spannungsstabilisator zurvoltage stabilizing transformer or voltage stabilizer for
Transformation der unstabilen, überspannungs- und überspannungs-Transformation of the unstable, surge and surge
spitzenbehafteten Verteilnetzspannung auf eine stabilisierte Verteil¬peaked distribution network voltage to a stabilized distribution
netznennspannung in das Elektro-Energie-Versorgungsnetz eingebautmains voltage installed in the electrical power supply network
wird..becomes..
Die Spannung der in den Kraftwerken produzierten Elektro-Energie istThe voltage of the electrical energy produced in the power plants is
für den Betrieb von Elektro-Apparaten ungeeignet und muss daher aufUnsuitable for the operation of electrical equipment and must therefore be on
eine entsprechende Verbraucherspannung umgespannt werden. Diesa corresponding consumer voltage can be changed. This
geschieht mit Umspannern oder Transformatoren.happens with transformers or transformers.
Transformatoren dienen dazu die elektrische Energie einer bestimmtenTransformers serve the electrical energy of a certain one
Spannung in eine solche einer andern Spannung umzuwandeln. Die elek¬To transform tension into that of another tension. The elek¬
trische Energie wird meist mit einer Spannung erzeugt, die zwischentric energy is usually generated with a voltage between
6000 und 12000 Volt liegt. Der Transport über grosse Strecken erfolgt6000 and 12000 volts. The transport takes place over long distances
bei Spannungen von 60000, 110000, 220000 Volt, oder noch höherenat voltages of 60000, 110000, 220000 volts or even higher
Werten. Die Mittelspannungs-Verteilnetze werden mit etwa 10000 bis 30000 Volt betrieben und die Verbraucherspannung beträgt zur Haupt¬Values. The medium voltage distribution grids are around 10,000 to Operated 30000 volts and the consumer voltage is to the main
sache 400/231 Volt, wobei die Spannung mit 400 Volt die verkettetething 400/231 volts, the voltage with 400 volts the chained
Spannung bedeu.tet und zwischen den Leitern auftritt und die SpannungVoltage means and occurs between the conductors and the voltage
mit 231 Volt die Phasenspannung ist und zwischen dem Leiter und demwith 231 volts is the phase voltage and between the conductor and the
Nulleiter vorhanden ist. Diese Netze mit den verschiedenen SpannungenNeutral conductor is present. These networks with the different voltages
sind durch Transformatoren gekoppelt. Die Tatsache, _dass dieare coupled by transformers. The fact that
elektrische Energie auf dem langen Weg von der Produktion bis zumelectrical energy on the long way from production to
Verbrauch meist dreimal, oft sogar noch häufiger, transformiert werdenConsumption is transformed three times, often even more frequently
muss, zeigt auch die Wichtigkeit der Transformatoren für diemust also show the importance of the transformers for the
Elektro-Energie-Versorgung. Von ihrer Betriebssicherheit und ihremElectrical energy supply. Of your operational security and yours
Wirkungsgrad wird die technische und wirtschaftliche Güte der Elek¬Efficiency becomes the technical and economic quality of the electronics
trizitätsversorgung massgeblich beeinflusst. Unter diesen Gegeben¬Tricity supply significantly influenced. Under these conditions
heiten wurde die Entwicklung des Transformatorenbaues aussergewöhnlichThe development of transformer construction has become extraordinary
weit getrieben. Der Transformator ist eines der betriebssicherstendriven far. The transformer is one of the most reliable
Glieder der Hochspannungsversorgungssysteme.Links of the high voltage supply systems.
Der Aktivteil des Transformators besteht im Prinzip aus einem Eisen¬The active part of the transformer basically consists of an iron
kern und zwei gegeneinander und gegen Erde isolierten Wicklungen.core and two windings insulated against each other and against earth.
Diejenige Wicklung, welcher die Energie zugeführt wird, heisst Primär¬The winding to which the energy is supplied is called primary
wicklung und diejenige Wicklung, welcher die Energie, vermindert umwinding and the winding which reduces the energy
den Eigenverbrauch des Transformators, entnommen wird, heisstthe internal consumption of the transformer, is called
Sekundärwicklung. Unabhängig von der Funktion der Wicklungen werden diese auch nachSecondary winding. Regardless of the function of the windings, these are also after
Oberspannungswicklung und Unterspannungswicklung unterschieden.High voltage winding and low voltage winding differentiated.
Legt man die Primärwicklung eines Transformators an die Primär-If you put the primary winding of a transformer on the primary
pannung, ohne die Sekundärwicklung zu belasten, so nimmt dervoltage without loading the secondary winding, so the
Transformator den Leer!aufström auf, dessen Blindkomponente derTransformer on the empty! Whose dummy component is the
Magnetisierungsstrom ist, unter dessen Wirkung der Eisenkern denMagnetizing current is under the effect of the iron core
magnetischen Fluss ausbildet, der, der angelegten Primärspannung, einemagnetic flux, that of the applied primary voltage, a
gleichgrosse elektromotorische Kraft (Gegen-EMK) entgegenstellt. Dieopposing the same size electromotive force (back emf). The
durch die wechselnde Magnetisierung des Eisenkernes entstehendencaused by the changing magnetization of the iron core
Verluste bilden zusammen mit den Verlusten des MagnetisierungsstromesLosses form together with the losses of the magnetizing current
in der Primärwicklung und den dielektrischen Verlusten diein the primary winding and the dielectric losses
Leerlaufverluste. Da die Sekundärwicklung den gleichen magnetischenIdle losses. Because the secondary winding is the same magnetic
Fluss umschliesst, bildet sich auch in ihr eine elektromotorischeEncloses the river, an electromotive is also formed in it
Kraft (EMK) aus, die zwischen dem Wicklungsanfang und demForce (EMF) between the start of the winding and the
Wicklungsende der Sekundärwicklung als SekundärleerlaufspannungEnd of winding of the secondary winding as secondary open circuit voltage
auftritt. Das Verhältnis der angelegten Primärspannung zur Sekundär¬occurs. The ratio of the applied primary voltage to the secondary
leerlaufspannung entspricht ziemlich genau dem Uebersetzungs-open circuit voltage corresponds almost exactly to the translation
verhältnis des Transformators, das definiert ist als Verhältnis derratio of the transformer, which is defined as the ratio of the
Primärwindungszahl zur Sekundärwindungszahl . Die Uebertragung der Spannung von einer Wicklung zur andern geschiehtPrimary number of turns to secondary number of turns. The voltage is transferred from one winding to the other
im Transformator mit Hilfe des magnetischen Flusses.in the transformer using the magnetic flux.
Beim belasteten Transformator muss von der Primärwicklung zur Se¬When the transformer is loaded, it must go from the primary winding to the Se¬
kundärwicklung auch eine Stromübertragung stattfinden. Da keine lei¬secondary power transmission also take place. Since no lei¬
tende Verbindung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklungting connection between the primary winding and the secondary winding
besteht, erfolgt die Stromübertragung induktiv.exists, the power transmission takes place inductively.
Der die Sekundärwicklung durchfliessende SekundärbelastungsstromThe secondary load current flowing through the secondary winding
erzeugt eine magnetomotorische Kraft (MMK), die sich in Ampere¬generates a magnetomotive force (MMK), which is in Ampere¬
windungen gemessen aus dem Produkt von Sekundärbelastungsstrom mal derturns measured from the product of secondary load current times the
Sekundärwindungszahl ergibt. Der Transformator setzt selbsttätigSecondary number of turns results. The transformer sets automatically
dieser sekundären MMK eine gleichgrosse primäre MMK, aus dem Produktthis secondary MMK is an equal size primary MMK, from the product
des Primärbelastungsstro es mal der Primärwindungszahl , entgegen.of the primary load current times the number of primary turns.
Die gesamte Stromwärmeleistung, die vom Belastungsstrom in den Wick¬The total heat output from the load current in the Wick¬
lungen, in den Zuleitungen und Kontakten von Umstellern oder Stufen¬lungs, in the supply lines and contacts of diverters or steps
schaltwerken des Transformators verbraucht wird, stellt die Wicklungs¬switchgear of the transformer is used, the winding
verluste oder Kurzschlussverluste dar. Durch die geometrische Anord¬losses or short circuit losses. By the geometric arrangement
nung und aus isolationstechnischen Gründen entstehen zwischen dervoltage and for isolation reasons arise between the
Primärwicklung und der Sekundärwicklung Kanäle, die sogenanntenPrimary winding and the secondary winding channels, the so-called
Streukanäle. In 'diesen Streukanälen bildet sich ein dem Betriebsstrom propotionalerScattering channels. In 'this scattering channels a the operating current is propotionaler
Fluss. Dieser Fluss heisst Streufluss. Er verursacht einen demFlow. This river is called the stray river. It causes one
Belastungsstrom proportionalen inneren Spannungsabfall, der die beiLoad current proportional internal voltage drop, which at
Leerlauf auftretende Sekundärleerlaufspannung bei BelastungNo-load secondary open circuit voltage occurring under load
entsprechend verringert. Dieser Spannungsabfall wird Streuspannungreduced accordingly. This voltage drop becomes stray voltage
genannt. Die geometrische Summe von Streuspannung und dem ohmschencalled. The geometric sum of the stray voltage and the ohmic
Spannungsabfall der Wicklungen heisst Kurzschlussspannung. Sie istVoltage drop in the windings means short-circuit voltage. she is
diejenige Spannung, die bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung an diethe voltage that is applied to the
Primärwicklung angelegt werden muss, wenn der Transformator seinenPrimary winding must be created when the transformer is
Nennstrom aufnehmen soll.Nominal current.
Dadurch ist die Sekundärlastspannung belastungsstromabhängig. DieserAs a result, the secondary load voltage is dependent on the load current. This
Umstand führt auch dazu, dass durch die dauernd auftretendeCircumstance also leads to the persistent
Wechselbelastung in den Elektro-Energie-Verteilnetzen, die Verbrau¬Alternating loads in the electrical energy distribution networks, the consumption
cherspannung ständig auf einen bestimmten Verbraucherspannungspegelvoltage constantly to a certain consumer voltage level
von 400/231 Volt ausreguliert werden muss.of 400/231 volts must be regulated.
Diese Ausregulierung erfolgt mit elektromotorisch angetriebenen Last¬This adjustment takes place with a load driven by an electric motor
stufenschaltern übεrspannungsseitig in den Unterwerkstransformatorentap changers on the overvoltage side in the substation transformers
unter Last. Diese Betriebsart hat unweigerlich einen enormen Ver-under load. This operating mode inevitably has an enormous
schleiss der Schaltkontakte der Laststufenschalter zur Folge. Diese Laststufenschalter müssen daher periodisch einer kostspieligenwear of the switching contacts of the on-load tap-changers. These on-load tap-changers must therefore be periodically costly
Revision unterzogen werden. Einerseits ist die mögliche Stufenzahl derUndergo revision. On the one hand, the possible number of stages is the
Laststufenschalter aus konstruktiven und wirtschaftlichen GründenOn-load tap-changers for design and economic reasons
begrenzt, sodass daher doch eine relativ grobe Ausregulierung derlimited, so that a relatively rough adjustment of the
Verbraucherspannung erfolgt und andererseits die BelastungsänderungenConsumer voltage occurs and on the other hand the changes in load
relativ feinstufig auftreten.occur relatively finely.
Diese Tatsachen führten dazu, dass die Verbraucherbetriebsspannung aufThese facts caused the consumer operating voltage to rise
400/231 Volt angesetzt wurde, durchschnittlich ca. 5% über der Ver¬400/231 volts was applied, on average approx. 5% above the Ver¬
brauchernennspannung von 380/220 Volt liegt und dauernd in bestimmtenrated voltage of 380/220 volts and constantly in certain
Grenzen schwankt. Ebenso sind die vorliegenden SpannungsschwankungenLimits fluctuate. The voltage fluctuations are also present
und die bei der Stufenumschaltung auftretenden Ueberspannungsspitzenand the overvoltage peaks that occur during the step changeover
bei hochempfindlichen Anlagen, wie Computeranlagen, numerischfor highly sensitive systems, such as computer systems, numerically
gesteuerte Maschinen etc. unerwünscht und können daher schädliche odercontrolled machines etc. undesirable and can therefore be harmful or
katastrophale Folgen haben.have disastrous consequences.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine spannungs¬It is the object of the present invention a voltage
stabilisierte Elektro-Energie-Versorgung zu schaffen, welche dieto create stabilized electrical energy supply which the
erwähnten Probleme löst. Diese Aufgabe wird, zur Zeit mit dem ersten und einzigen, unter demsolves the problems mentioned. This task is currently under the first and only under the
Namen Delta-Phi-Trafo respektive Delta-Phi-Trafo-System, in einer be¬Name delta phi transformer or delta phi transformer system, in one be¬
stimmten Ausführung, welcher, unter der Patentgesuch Nr. 00 119/88-9,agreed execution, which, under patent application No. 00 119 / 88-9,
ebenfalls zum Patent angemeldet wurde, auf dem Weltmarkt angebotenenwas also registered for a patent, offered on the world market
spannungsstabilisierdem Transformator, gelöst.voltage-stabilizing transformer, solved.
In den Zeichnungen ist das erfindungsgemässe Qualitätsverbesserungs¬In the drawings, the quality improvement according to the invention is
verfahren der Elektrizität der Elektro-Energie-Versorgung prinzipiellprinciple of the electricity of the electrical energy supply
schematisch dargestellt und der Elektro-Energie-Versorgung nach dershown schematically and the electrical power supply according to the
bisherigen Art gegenübergestellt. In der nachfolgenden Beschreibungcontrasted previous type. In the description below
wird das erfindungsgemässe Qualitätsverbesserungsverfahren derthe quality improvement method of the invention
Elektrizität der Elektro-Energie-Versorgung und dessen Einführungs¬Electricity of the electrical energy supply and its introduction
möglichkeiten erklärt. Das erfindungsgemässe Qualitätsverbesserungs¬possibilities explained. The quality improvement according to the invention
verfahren der Elektrizität der Elektro-Energie-Versorgung wird im fol-procedure of the electricity of the electrical energy supply is
den EL-EN 2000 genannt. called the EL-EN 2000.
- B - Es zei gt :- B - It shows:
Figur 1 die graphische Darstellung der vorgenommen Netzspannungs¬Figure 1 is a graphical representation of the mains voltage
messungen, wobei:measurements, where:
1: den gemessenen Höchstwert* 1: the measured maximum value *
2: den berechneten mittleren Wert2: the calculated mean value
3: den gemessenen Tiefstwert3: the measured low value
4: die Netznennspannung4: the nominal network voltage
bedeutet;means;
Figur 2 die graphische Darstellung der Tagesbelastungen;FIG. 2 shows the graphical representation of the daily loads;
Figur 3 das prinzipielle Elektro-Energie-Verteil-Schema bisherigerFigure 3 shows the basic electrical energy distribution scheme of previous
Ausführung, wobei:Execution, where:
A : Wohn- und GeschäftshäuserA: Residential and commercial buildings
B : öffentliche Gebäude, Banken, Einkaufszentren, Spi¬B: public buildings, banks, shopping centers, games
täler, Verwaltungen, Schulen, kommunale Gebäude, kan¬valleys, administrations, schools, municipal buildings, can
tonale Gebäude, bundeseigene Gebäude,tonal buildings, federal buildings,
C : Industrie, Gewerbe, Laboratorien, InstituteC: Industry, trade, laboratories, institutes
D : öffentliche Beleuchtung, Sport- und Freizeitanlagen,D: public lighting, sports and leisure facilities,
E : öffentlicher Verkehr,E: public transport,
F : militärische Anlagen, Zivilischutzanlagen, H : andere Anlagen mit Elektro-Energie-VerbrauchernF: military installations, civil protection installations, H: other systems with electrical energy consumers
1 : Generator im Kraftwerk1: Generator in the power plant
2 : Maschinentransformator im Kraftwerk2: Machine transformer in the power plant
3 : Hochspannungs-Transformator3: high voltage transformer
4 : Hochspannungs-Verteil-Anlage4: high-voltage distribution system
5 : Hochspannungs-Leitungen5: high-voltage lines
6 : Hochspannungs-Verbunds-Leitungen6: High-voltage composite lines
7 : Unterwerks-Transformator7: substation transformer
8 : Mittelspannungs-Verteil-Anlage8: Medium voltage distribution system
9 : Mittelspannungs-Leitungen9: Medium voltage lines
10: Mittelspannungs-Verteil-Transformator10: Medium voltage distribution transformer
11 : Niederspannungs-Vertei1-An!age11: Low voltage distribution system
12: Niederspannungsleitungen12: low voltage power lines
13: Haus-, Gebäudeanschluss, interne Verteil-Anlage13: House, building connection, internal distribution system
bedeuten;mean;
das pri nzi pi el l e El ektro-Energi e-Vertei l -Schema nachthe pri nzi pi el l e electric energy distribution scheme
EL-EN 2000, wobei:EL-EN 2000, where:
A : Wohn-und GeschäftshäuserA: Residential and commercial buildings
B : öffentliche Gebäude, Banken, Einkaufszentren,B: public buildings, banks, shopping centers,
Spitäler, Verwaltungen, Schulen, kommunale Gebäude,Hospitals, administrations, schools, municipal buildings,
kantonale Gebäude, bundeseigene Gebäude C : Industrie, Gewerbe, Laboratorien, Institutecantonal buildings, federal buildings C: Industry, trade, laboratories, institutes
D : öffentliche Beleuchtung, Sport- und Freizeitanlagen,D: public lighting, sports and leisure facilities,
E : öffentlicher VerkehrE: public transport
F : militärische Anlagen, Zivilschutzanlagen,F: military installations, civil defense installations,
H : andere Anlagen mit Elektro-Energie-VerbrauchernH: other systems with electrical energy consumers
1 : Generator im Kraftwerk1: Generator in the power plant
2 : stabilisierter Maschinentransformator im Kraftwerk2: Stabilized machine transformer in the power plant
3 : stabilisierter Hochspannungs-Transformator3: stabilized high voltage transformer
4 : Hochspannungs-Verteil-Anlage4: high-voltage distribution system
5 : Hochspannungs-Leitungen5: high-voltage lines
6 : Hoch'spannungs-Netzverbunds-Leitungen6: High 'power grid lines
7 : stab lisierter Unterwerks-Transformator7: stabilized substation transformer
8 : Mittelspannungs-Verteil-Anlage8: Medium voltage distribution system
9 : Mittelspannungs-Leitungen9: Medium voltage lines
10: stabilisierter Mittelspannungs-Verteil-Transformator10: stabilized medium voltage distribution transformer
11 : Niederspannungs-Verteil-Anlage11: low-voltage distribution system
12: Niederspannungs-Leitungen12: Low voltage lines
13: Haus-, Gebäudeanschluss, interne Verteil-Anlagen13: House, building connection, internal distribution systems
14: stabilisierter Niederspannungs-Transformator14: stabilized low voltage transformer
I ... IV: Einführungs- oder AusbaustufenI ... IV: Introductory or expansion stages
bedeutet. Dadurch, dass die Spannung in den Niederspannungsnetzen höher als diemeans. Because the voltage in the low-voltage networks is higher than that
Netznennspannung liegt, die Elektro-Apparate aber für dieMains voltage is, but the electrical equipment for
Netznennspannung ausgelegt sind und daher eine feste innere Impedanz,Rated line voltage are designed and therefore a fixed internal impedance,
bei induktiven Geräten, wie Elektromotoren, Vorschaltgeräte fürin inductive devices, such as electric motors, ballasts for
Beleuchtungen, wie Neonlampen, Quecksilberdampflampen, Natriumdampf¬Illuminations, such as neon lamps, mercury vapor lamps, sodium vapor
lampen, Halogenlampen, oder einen festen innern Widerstand beilamps, halogen lamps, or a fixed internal resistance
ohmschen Geräten, wie Heitzkörper, Kochplatten, Glühlampen, aufweisen,ohmic devices, such as heating elements, hot plates, light bulbs,
nehmen diese Geräte auch einen höheren Strom auf.these devices also consume a higher current.
Diese höhere Stromaufnahme lässt sich wie folgt berechnen:This higher current consumption can be calculated as follows:
I = U/RI = U / R
oderor
I = U/ZI = U / Z
wobei :in which :
I = StromI = current
U = SpannungU = voltage
R = innere ohmsche WiderstandR = internal ohmic resistance
II.
Z = innere ImpedanzZ = internal impedance
ist.is.
Dadurch entsteht aber auch einen höheren Energiebezug aus dem Netz. Dabei muss aber unterschi eden werden zwi schen :However, this also results in a higher energy consumption from the network. However, a distinction must be made between:
ohmschen Elektro-Energi e-Verbrauchernohmic electrical energy consumers
undand
induktiven Elektro-Energie-Verbraucherninductive electrical energy consumers
Bei den ohmschen Elektro-Energie-Verbrauchern sind Spannung und StromOhmic electrical energy consumers have voltage and current
phasengleich, dies bedeutet, dass der höhere Elektro-Energiebezug demin phase, this means that the higher electrical energy consumption
Quadrat der prozentualen .etzüberspannung entspricht, und zwar:Square corresponds to the percentage of the grid overvoltage, namely:
P = U x IP = U x I
oderor
P = U x RP = U x R
wobeiin which
P = aufgenommene LeistungP = absorbed power
ist.is.
Der Elektro-Energie-Mehrverbrauch von ohmschen Elektro-Energie-Ver¬The additional electrical energy consumption of ohmic electrical energy consumption
brauchern beim Anschluss an ein spannungsunstabilisiertes und mitusers when connecting to a voltage-unstabilized and with
Ueberspannung behaftetes Netz im Vergleich mit dem Anschluss an einOvervoltage-affected network in comparison with the connection to a
auf die Nennspannung stabil siertem Netz kann somit wie folgt bestimmtNetwork stabilized to the nominal voltage can thus be determined as follows
werden:become:
ma = Pusn - Psn Uusn x R Uscnn X R = (Uusn sn ) x R wobei :ma = Pusn - Psn U usn x R U scnn XR = (Uusn sn) x R in which :
P = Leistungsmehraufnahme ma 3 P = additional power consumption ma 3
P = Leistungsaufnahme bei einem unstabilisiertem mit Ueberspannung uns r behaftetem NetzP = power consumption for an unstabilized network with overvoltage and r
P = Leistungsaufnahme bei einem auf die Nennspannung stabilisiertemP = power consumption with a stabilized to the nominal voltage
Netznetwork
Uusn = unstabilisierte mit Uebersprannungs behaftete Netzspr-annung-_Uusn = unstabilized mains voltage voltage-_
U = auf die Nennspannung stabilisierte NetzspannungU = mains voltage stabilized to the nominal voltage
R = innerer WiderstandR = internal resistance
bedeutet.means.
Bei den induktiven Elektro-Energie-Verbrauchern liegen die Verhältnis¬The ratio is in the case of inductive electrical energy consumers
se etwas anders. Diese Geräte nehmen beim Anschluss an eine Spannungsomething different. These devices take when connected to a voltage
die Scheinleistung S auf. Die Scheinleistung ist die geometrischethe apparent power S on. The apparent power is the geometric one
Summe aus der Wirkleistung P und der Blindleistung B.Sum of the active power P and the reactive power B.
-/ ? + B'- /? + B '
Ebenso ist die Impedanz Z die geometrische Summe aus der Reaktanz XLikewise, the impedance Z is the geometric sum of the reactance X
und dem ohmschen Wicklungs-Widerstand Rand the ohmic winding resistance R
Z
Figure imgf000015_0001
Ebenso ist der in 'den Zuleitungen fliessende Strom I die geometrische
Z.
Figure imgf000015_0001
Likewise, the current flowing in 'the leads current I is the geometric
Summe aus aus dem Wirkstrom Iw, und dem Blindstrom I.DSum of the active current Iw and the reactive current I.D
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
Der in der Zuleitung fliessende Strom I ist gegnüber der NetzspannungThe current I flowing in the supply line is compared to the mains voltage
um den Leistungsfaktor cos Phi oder um den Phasenverschiebμngswinkelby the power factor cos Phi or by the phase shift angle
Phi phasenverschoben, wobei der Wirkstrom I mit der Netzspannung pha¬Phi out of phase, the active current I with the mains voltage pha
sengleich und der Blindstrom I. gegenüber der Netzspannung um 90 pha-equal and the reactive current I. by 90 pha-
senversεhoben ist.is raised.
Die Wirkleistung berechnet sich nach:The active power is calculated according to:
P = U2 x RP = U 2 x R
Die Blindleistung berechnet sich nach:The reactive power is calculated according to:
Figure imgf000016_0002
Figure imgf000016_0002
Da ebenfalls die induktiven Elektro-Energie-Verbraucher auf dieSince also the inductive electrical energy consumers on the
Netznennspannung ausgelegt sind und die Induktion des magnetischenMains nominal voltage are designed and the induction of the magnetic
Kreises aus Materialausnutzungsgründen sehr hoch angesetzt ist, steigtCircle is set very high for reasons of material utilization increases
der Blindstrom, respektive der Magnetisierungstrom, schon bei relativthe reactive current, or the magnetizing current, already at relative
kleinen Ueberspannungen um den Faktor 1,5 bis 3 an. Der Elektro-Energie-Mehrverbrauch von induktiven Elektro-Energie-Ver¬small overvoltages by a factor of 1.5 to 3. The additional electrical energy consumption of inductive electrical energy consumption
brauchern beim Anschluss an ein spannungsunstabilisietres und mitusers when connecting to a voltage instability and with
Ueberspannung behaftetes Netz im Vergleich mit dem Anschluss an einOvervoltage-affected network in comparison with the connection to a
auf die Nennspannung stabilisiertes Netz kann somit wie folgt .bestimmtNetwork stabilized to the nominal voltage can thus be determined as follows
werden:become:
Sma =
Figure imgf000017_0001
-if ?sn2 + Bsn2 =Y»(Pusn - Psn)'2 + (Busn -** Bsn' * "F wobei :
Sma =
Figure imgf000017_0001
-if? sn 2 + Bsn 2 = Y »(Pusn - Psn) ' 2 + (Busn - ** Bsn' * " F where:
S = Schein!eistungsmehraufnähmeS = Appreciation!
P = Wirkleistungsaufnahme bei einem unstabilisierte und mit Ueber¬P = active power consumption with an unstabilized and with Ueber¬
spannung behaftetem Netzlive network
B = Blindleistungsaufnahme bei einem unstabilisiertem und mitB = reactive power consumption with an unstabilized and with
Ueberspannung behaftetem NetzOverloaded network
P = Wirkleistungsaufnahme bei einem auf die Nennspannung stabili¬P = active power consumption when stabilized to the nominal voltage
siertem Netznetwork
B = Blindleistungsaufnahme bei einem auf die Nennspannung stabili¬B = reactive power consumption when stabilized to the nominal voltage
siertem Netznetwork
Dies hat zur Folge, dass der Blindleistungsanteil bei einer Netz-As a result, the reactive power component in a network
Ueberspannung prozentual stärker ansteigt als der WirkleistungsanteilPercentage surge increases more than the active power share
und somit einen Elektro-Energie-Mehrverbrauch exponential demand thus an increase in electrical energy consumption exponentially
relativen Ueberspannungsanteil mit einem Exponenten grösser 2relative overvoltage component with an exponent greater than 2
verursacht und der Leistungsfaktor verschlechtert wird. Der, durch die in den* spannungsunstabilisierten Elektro-Energie-caused and the power factor is deteriorated. The one by which in the * voltage-unstabilized electrical energy
Verteil-Netzen vorhandenen Ueberspannung, hervorgerufene Elektro-Distribution networks existing overvoltage, caused electrical
Energie-Mehrverbrauch wird in den Elektro-Geräten nur in ungenutzteAdditional energy consumption is only used in unused electrical devices
Verlustwärme umgesetzt und kann praktisch als Elektro-Energie-Dissipated heat and can be used practically as electrical energy
Verschwendung beurteilt werden. Zudem wird die Lebensdauer und dieWaste are assessed. In addition, the lifespan and the
Betriebstüchtigkeit der Elektro-Geräte sehr beeinträchtigt.Operability of the electrical devices very impaired.
Mit der Stabilisierung der vorhandenen Netzspannung ' auf dieWith the stabilization of the existing mains voltage ' on the
Netznennspannung, wird neben der Lösung anderer Probleme,Nominal network voltage, in addition to solving other problems,
hervorgerufen durch die unstabile und mit Ueberspannung behaftetecaused by the unstable and overvoltage
Netzspannung, zugleich auch eine entsprechende Elektro-Energie-Mains voltage, also a corresponding electrical energy
Einsparung, bei gleicher Einschaltquote wie bis jetzt, allerSaving, with the same ratings as before, everyone
installierten und in Betrieb befindlichen Elektro-Apparaten,installed and operating electrical equipment,
zwangsläufig erreicht.inevitably reached.
Die in der Figur 1 dargestellte Graphik der Netzspannung beruht aufThe graphic of the mains voltage shown in FIG. 1 is based on
tatsächlich durchgeführten Netzspannungsmessungen. Solche Messungenmains voltage measurements actually carried out. Such measurements
wurden an verschiedenen Orten durchgeführt und es zeigten sich diewere carried out in different places and the
gleichen Situationen. Aus der graphischen Darstellung ist eindeutigsame situations. From the graphic representation is clear
ersichtlich, dass der mittlere Wert 2 der vorhandenen Netzspannungevident that the mean value 2 of the existing mains voltage
wesentlich und dauernd über der Netznennspannung 4 liegt. Figur 2 zeigt die graphische Darstellung der Tagesbelastungen. Darausis substantially and permanently above the nominal network voltage 4. Figure 2 shows the graphic representation of the daily loads. Out of it
ist ersichtlich, dass der Elektro-Energie-Verbrauch über die Dauerit can be seen that the electrical energy consumption over time
eines Tages nicht konstant ist und ständig wechselt. Dieseone day is not constant and changes constantly. This
Wechselbelastung ist von sehr verschiedenen Faktoren abhängig, wieAlternating stress is dependent on very different factors, such as
Jahreszeit, Wochentag, Dichtheit der sehr unterschiedlichen Elektro-Season, day of the week, tightness of the very different electrical
Energie-Verbraucher, Industrie, Hotelerie etc..Energy consumers, industry, hotel industry etc.
Figur 3 zeigt das prinzipielle Elektro-Energie-Verteil-Schema nach derFigure 3 shows the basic electrical energy distribution scheme according to the
bisherigen Ausführung mit den meist vorkommenden Elektro-Energie-Ver¬previous version with the most common electrical energy Ver¬
brauchern. Das Vorhandensein dieser Elektro-Energie-Verbraucher istusers. The presence of this electrical energy consumer is
aber von Ort zu Ort verschieden, sodass die effektiven Elektro-but different from place to place, so that the effective electrical
Energie-Verteil-Anlagen auch von Ort zu Ort recht unterschiedlichEnergy distribution systems also vary considerably from place to place
sind.are.
Figur 4 zeigt das prinzipielle Elektro-Energie-Verteil-Schema nachFigure 4 shows the basic electrical energy distribution scheme
EL-EN 2000, wobei auch hier im wesentlichen das Gleiche gilt, wie fürEL-EN 2000, whereby essentially the same applies here as for
die Figur 3, wobei aber zusätzlich noch die möglichen Phasen der3, but in addition the possible phases of
stufenweisen Einführung aufgezeigt werden. - 1B -step-by-step introduction. - 1B -
Die Einführung von EL-EN 2000 kann prinzipiell nach folgenden StufenThe introduction of EL-EN 2000 can in principle be carried out according to the following stages
erfolgen:respectively:
Stufe I: Ausrüsten der Elektro-Energie-Verbraucher A ... H mitStage I: Equipping the electrical energy consumers A ... H with
sffannungsstabilisierten Transformatoren oder Stabilisato¬voltage-stabilized transformers or Stabilisato¬
ren. Dieses Ausrüsten kann ebenfalls stufenweise erfolgen.Ren. This equipment can also be done in stages.
Stufe II: Ausrüsten bestehender Transformatoren-Stationen eben¬Stage II: Equipping existing transformer stations
falls stufenweise, d.h., bei Bedarf ersetzen bestehenderif gradually, i.e. replace existing ones if necessary
Mittelspannungs-Transformatoren bisheriger Bauart durchMedium voltage transformers of the previous type
spannungsstabilisierte Mittelspannungs-Transformatoren 10.voltage-stabilized medium-voltage transformers 10.
Ausrüsten neu zu erstellender Transformatoren-StationenEquipping new transformer stations
von Anfang an mit spannungsstabilisierten Mittelspannungs-right from the start with voltage-stabilized medium voltage
Transformatoren 10.Transformers 10.
Stufe III: Ausrüsten bestehender Unterwerke ebenfalls stufenweise,Stage III: Equipping existing substations also in stages,
d.h., bei Bedarf ersetzen bestehender Unterwerks-Transfor-i.e. replace existing substation transformers if necessary
iratoren bisheriger Bauart durch spannungsstabilisierteIrators of previous design through voltage stabilized
Unterwerks-Transformatoren 7.Substation transformers 7.
Ausrüsten neu zu erstellender Unterwerke von Anfang an mitEquip new substations to be created from the start with
spannungsstabilisierten Unterwerks-Transformatoren 7. Stufe IV: Ausrüsten bestehender Hochspannungs-Vertei lwerke ebenfallsvoltage-stabilized substation transformers 7. Stage IV: Equipping existing high-voltage distribution plants
stufenweise, d.h., bei Bedarf ersetzen bestehendergradually, i.e. replace existing ones if necessary
Hochspannungs-Transformatoren bisheriger Bauart durchHigh-voltage transformers of the previous type
spannungsstabilisierte Hochspannungs-Transformatoren 3.voltage stabilized high voltage transformers 3.
Ausrüsten neu zu erstellender Hochspannungs-VerteilwerkeEquipping new high-voltage distribution plants
von Anfang an mit spannungsstabilisierten Hochspannungs-right from the start with voltage-stabilized high-voltage
Transformatoren 3.Transformers 3.
Stufe V: Ausrüsten bestehender Kraftwerke ebenfalls stufenweise,Stage V: Equipping existing power plants also in stages,
d.h., bei Bedarf ersetzen bestehender Maschinen-Transfor¬i.e. replace existing machine transformers if necessary
matoren bisheriger Bauart durch spannungsstabilisiertemators of previous design through voltage stabilized
Maschinen-Transformatoren 2.Machine transformers 2.
Ausrüsten neu zu erstellender Kraftwerke von Anfang an mitEquip new power plants from the beginning with
spannungstabilisierten Maschinen-Transformatoren 2.voltage-stabilized machine transformers 2.
Mit der Einführung von EL-EN 2000 wird schon bei Stufe I der grössteWith the introduction of EL-EN 2000, the greatest becomes already at level I.
Teil der Probleme gelöst und zwangläufig der grösste Anteil derPart of the problems solved and inevitably most of the problems
Elektro-Energie-Einsparung erreicht. Electrical energy savings achieved.

Claims

- 2o -Patentansprüche - 2o patent claims
1. Qualitätsverbesserungsverfahren der Elektrizität der Elektro-Ener¬1. Quality improvement process of electricity of Elektro-Ener¬
gie-Versorgung, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Elektro-gie supply, characterized in that the or the electrical
Energie-Verteilnetz(e) mit mindestens einem spannungsstabilisie¬Energy distribution network (s) with at least one voltage stabilization
rendem Transformator oder Spannungsstabilisator ausgerüstet isttransformer or voltage stabilizer
oder sind.or are.
2. Qualitätsverbesserungsverfahren der Elektrizität der Elektro-Ener¬2. Quality improvement process of electricity of Elektro-Ener¬
gie-Versorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassgie supply according to claim 1, characterized in that
private und öffentliche Gebäude, Industrieanlagen und Anlagen mit.private and public buildings, industrial plants and facilities with.
Elektro-Energie-Verbrauchern nach der Hauptsicherung beim Haus-Electrical energy consumers after the main fuse in the house
anschluss und/oder nach der Hauptsicherung in der Elektro-Energie-connection and / or after the main fuse in the electrical energy
Hauptverteilanläge und/oder vor dem Elektro-Energie-VerbraucherMain distribution systems and / or before the electrical energy consumer
mit mindestens einem spannungsstabilisierendem Transformator oderwith at least one voltage stabilizing transformer or
.Spannungsstabilisator ausgerüstet sind. Voltage stabilizers are equipped.
3. Qualitätsverbesserungsverfahren der Elektrizität der Elektro-Ener¬3. Quality improvement process of electricity of Elektro-Ener¬
gie-Versorgung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dassgie supply according to claim 1 and 2, characterized in that
zusätzlich die Transformatorenstation(en), wo die Transformationadditionally the transformer station (s) where the transformation
der Spannung von der Mittelspannung auf die Niederspannungthe voltage from the medium voltage to the low voltage
erfolgt, mit mindestens einem spannungsstabilisierde Transfor¬takes place with at least one voltage-stabilizing transformer
mator ausgerüstet ist oder sind.mator is or are equipped.
4. Qualitätsverbesserungsverfahren der Elektrizität der Elektro-Ener¬4. Quality improvement process of electricity of Elektro-Ener¬
gie-Versorgung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,Power supply according to claim 1, 2 and 3, characterized in
dass zusätzlich die Hochspannungs-Verteil-Anlage(n) zwischen demthat in addition the high-voltage distribution system (s) between the
oder den Kraftwerk(en) , wo die Generatorspannung auf Hochspannungor the power plant (s) where the generator voltage is at high voltage
und die Hochspannung auf die Mittelspannung transformiert wird,and the high voltage is transformed to the medium voltage,
und der oder den Trapsformatorenstation(en) , wo die Transformationand the trap transformer station (s) where the transformation
der Spannung von der Mittelspannung auf die Niederspannungthe voltage from the medium voltage to the low voltage
erfolgt, mit mindestens einem " spannungsstabilisierendemtakes place with at least one " voltage stabilizing
Transformator ausgerüstet ist oder sind. Transformer is or are equipped.
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US4286207A (en) * 1980-04-14 1981-08-25 Westinghouse Electric Corp. High-power AC voltage stabilizer
GB2118335A (en) * 1982-04-12 1983-10-26 Varian Associates Feed forward ac voltage regulator employing step-up, step-down transformer and analog and digital control circuitry

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Title
IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Band PAS-99, Nr. 1, Januar/Februar 1980, IEEE, (New York, US), J. Arrillaga et al.: "A static alternative to the transformer on-load tap-changer", Seiten 86-91 *

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