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Planungsverfahren zur Ausgestaltung eines elektrischen Netzes. Ein
mit einer Einspeisestelle und zu Bedarfstellen führenden Leitungen der gleichen
Spannungsreihe bestehendes elektrisches Netz, wurde bis anhin nicht als ein Objekt
angesehen, dessen einzelner Teil nur im Zusammenhang mit der Gesamtheitdes Netzes
oder benachbarter Netze wirtschaftlich geplant werden kann. Der Grund hiefür ist
darin zu suchen, dass ein exaktes Planungsverfahren hiezu fehlte. Die Jewe.iligen
Erweiterungen der Netze wurden an Rand von Studien einiger den örtlichen Verhältnissen
angepannten Varianten erledigt, aus denen man die im örtlichen Sinne wirtschaftlich
günstigere Lösung wählte. Diese Praxis bot aber keine GewUr dafür, dann die
gUnetigste Lösung gefunden wurde, weder im örtlichen Sinne, noch in
Zusammenhang
mit dem ganzen Netz.
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Vorliegende Erfindung betrifft ein PZanungsverfahren zur Ausgestaltuxig
einen elektrischen Netzes# dadurch #@kennzeichnet, dann auf einem manstab-gerechten
Plan, in dem alle Einspeinestellen und Bedarfostellen eingetragen wurdeng
jeweils ein von einer'Einspeinentelle aus zu versorgenden Gebiet zunächst
in kleine, willkUrliche und gleiche Winkel (4) geteilt wird,
in
denen senkrecht auf mindestens einen Umkreis (U) die zugehörigen mittl eren
Leistungen bzw. Belastungen (P i ) von Bedarfsstellen aufeinandergetragen
werden, sodass die Richtungsabhängigkeit der Belastung von der Einspeisestelle aus
sichtbar wird, worauf beginndnd auf der Seite des grössten Bereichs kleiner oder
keiner Belastung (d oi ) die Vinkelsektoren (o#i) so abgegrenzt werden,
dass deren Grenzen (Gr) höchstens einen Bereich von 60 0 über die Schwerpunktslinie
der Belastung (SB) des Winkelsektors und mindestens einen so grossen Bereich einschliessen,
dass für einen zulässigen Querschnitt der bekannten wirtschaftlichen Stromdichte
entsprechinde Belastung in der Planungsperiode vorliegt, wobei die Grenzen (Gr)
der Winkelsektoren, mit Ausneme von schmalen mit konzentrierter Belastung, jeweils
in Richtung der relativ kleinen Belastung gelegt werden, derart, dass das Drittel
an der Grenze (Gr) weniger Bedarfsatellen mit kleinerer Belastung als das mittlere
Drittel einschliesst, sodann bei der Auslassung der eventuell leeren Winkelsekteuen
(6% oi) die Zahl der von der Einspeinestelle aus ausgebenden und der Zahl der Vinkelnektoren
(tW enttprechenden Hauptleitungen (HL) festgelegt ist, während man daraufhin den
Verlauf jeder-Hauptleitung im Winkelnektor so festlegt, dann von dem jeweiligen
Ausgangspunkt zu der nächsten Bedarfastelle als dem zweiten Bestioftungspunkt verlaufenden
Peitung die relative Entfernung (h) von der Verbindungsstrecke (Ä) zwischen
dem'Aungangepunkt und dem dritten Bestimmungspunkt nicht Uberschreitetg sodass die
Entfernung (h) in Abhängigkeit von der rechtwinkligen Projektionsatrecke (a)
der
Verbin,#ungsstrecke zwischen dem Ausgangspunkt und dem zweiten Bestimmungspunkt
auf die Verbindungsstrecke zwischen dem Ausgangspunkt und dem dritten Bestimmungspunkt
und in Abhängigkeit von der mittleren effektiven Leistung der Leitung im Ausgangspunkt
(P A ) und der im zweiten Bestimmungspunkt abgenommenen Leistung (P C
) durch die Beziehung h/ (a 2 +h 2 ) 1/2- + h(P A7 P C (1-2a+h 2
) 1/2 . P A = P C /p A
gegeben ist, während von der Entfernung
(h) als Verzweigungspunktan der Hauptleitung im Falle einer weiter aussen liegenden
Bedarfsstelle zu dieser eine Stichleitung verläuft und wonach dort, wo neben der
zweiten Bedarfsstelle nicht nur eine dritte, sondern noch mehrere zu verbinden sind,
als fiktiver dritter Bestimmungspunkt mindestens ein Leistungsschwerpunkt der noch
anzuschliessenden Bedarfsstellen an diese Leitung herangezogen wird, indem dieordinaten
P und Y P Oyi/> P ser durch Ko X =Z Piex A i i i bestimmt wird und wobei
noch Leistungsschverpunkte der eventuell sich auch überschneidenden Gruppen von
Bedarfastellen als Zwischenbestimmungspunkte herangezogen werden, jedoch so, dass
die den übergeordneten Schwerpunkten zugehörigen (h i ) nirgends überschritten
werden, während nach dem festgelegten Anachluns des zweiten Bestimmungepunktes derselbe
bzw. der Verzveigungspunkt als der neue Ausgangspunkt, die nächstgelegene Bedarfastelle,
(sei es an der.Hauptleitung, oder an der Nebenleitungi als der neue zweite Bestimmungepunkt
und die nächstliegende weitere Bedarfastelle als der neue dritte Bentimmungspunkt,
bzw. der aus der restlichen Belastung der Leitung sich ergebende Schwerpunkt als
der neue fiktive dritte Bestimmungspunkt für die Festlegung den Verlaufs der Leitung
herangezogen
verdenp worauf noch die Querverbindungsleitungen (BG-L i ) zwischen benachbarten
Leitungen und übrige Masanahmen zwecks Steigerung der Betriebssicherheit bestimmt
werden.
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Das erfindungsgemässe-Planungsverfahren zur Ausgestaltung eines elektrischen
Netzes ermöglicht ein neues Netz direkt als ein optimal ausgebildetes Objekt für
einen gegebenen Zeitpunkt einzuplanen, oder an einem bestehenden Netz die günstigsten
Verbesserungen festzulegen. Die Berücksichtigungder Planungs-Zeitspannen, sowie
der Topographie und der Topologie bietet dann keine Schwierigkeiten mehr und lässt
es zu, das wirtschaftliche Optimum des Netzes, sei es aus Freileitungen oder Kabelleitungen
in. der Planzeit zu sichern, wodurch eine beachtliche Materialersparnis bei demselben
Effekt erzielt wird.
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In der Zeichnung ist eine Äusführungsform den erfindungsgemässen
Planung4verfahren dargestellt und zvar zeigts Fig. 1 einen Ausschnitt 'einen
eingeplanten elektrischen Verteilunganetion mittlerer Spannungsreiheg Yig. 2 die
Bestimmung den Soll-Verlaufs einer Leitung in einem Vinkeleektor von einem Punkt
A aust Fig. 3 bis 6 geometrische Lage bzv. Verbindungamöglichkeiten
von drei Bedarfestellen, Fig. 7 und 8 Richtverte für die günstigsten
relativen Entfernungen h bei dem Verlauf der Leitung genäse Fig.
1 und 2, Fig. 9 bis 12 die Ermittlung der Betriebssicherheit von einzelnen
Bedarfentellen und Fig. 13 die Ermittlung derselben.
Mit
ES ist in Fig. 1 eine Einspeisestelle, z.B. eine einspeisende Transformatorenstation
bezeichnet. Um ES herum liegen die bei Normalbetrieb von ES aus zu
versorgenden Bedarfsstellen Cl, C 22 Cip Transformatorenstellen und Hochspannungsverbraucher,
welche mittlere effektive Leistungen P l$ p29 PI zu bekommen haben. Die Zahl der
von ES ausgehenden Hauptleitungen HL ist durch die Zahl der Winkelsektoren
(Q#i) bestimmt, indem in jeden Winkelsektor nur eine Hauptleitung von
ES aus verläuft und indem die eventuellen leeren Winkelsektoren (o(..) ausgelassen
werden. Di.e Grenzen (Gr) der Vinkelzektoren werden folgendermassen festgelegtt
Der ganze Versorgungskreis einer ES ist vorerst in kleine, willkürliche und
gleiche Vinkel (13) zu teilen; in jedem Vinkel werden die nominalen Leistungen
der zugehörigen Bedarfastellen, also den Vinkelnmg#) zugehörigen (P i
) masstäblich nachgebildet senkrecht auf den Umkreis (U) aufeinandergetragen.
Die Verteilung der Winkelbelastung wird durch eine Verbindungslinie (LVL) von diesen
Lastzeigern deutlicher gemacht.
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Der erste Vinkelsektor U4) beginnt dort, wo die tiefsten Senkungen
der Linie LVL.gegenüber dem Umkreis (U) und die wenigsten Bedarfastellen
auftreten, bzw. wo auf der einen Seite der grösste leere Winkelsektor (#-) auftritt.
Sollte es zwei gleiche Möglichkeiten geben, müssen#beide überprüft werden* Hierauf
wird 4,ie Grösse bzw. die Grenzen (Gr) der Vinkelsektoren der Reihe nach
so festgelegt, dans kein Vinkelnektor einen Bereich von mehr als
60 0 über die Schwerpunktolinie der Belastung (SB) des Winkelseiktors und
mindestens einen so grossen Bereich einschliesst, daso für einen zuldasigen Querschnitt
der bekannten virtne haftlichen Btromdichte entsprechende Belastung
vorliegt.
Dabei kommen die Grenzen (Gr) in die Richtungen der relativ kleinen Belastung des
Winkelsektors derart zu liegen, dass jeweils das Grenzdrittel weniger Belastung
als das mittlere Drittel einschliesst. Eine Ausnahme hierzu entsteht dann, wenn
es sich um einen relativ schmalen Winkelsektor mit einer konzentrierten Belastung
handelt. Aus verschiedenen technischen Gründen geht man nämlich nicht über eine
bestimmte Querschnittsgrösse hinaus, sondern man wird möglichst wenig verschiedene
Leiterquerschnitte anstreben.
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Der Verlauf der Leitung in einem Winkelsektor wird im Grundriss in
Fig. 2 dargestellt. Fig. 3 zeigt drei Bedarfsstellen und deren geome'rische
Gegebenheiten. Die Anschlussmöglichkeiten der Bedarfsstelle C sind aus den
Fig. 4 bis 6 ersichtlich. In Fig. 7
und 8, für SC
Opl S M und SC 192 S M als Beispiel, geben die
Kurven I bis V jene relative Entfernung (h) an, bis zu welcher bei verschiedenem
Verhältnis P./PA (Opl bis 0,5) und bei gegebenem Preis der Energieverluste
pro Einheit die Leitung sich nach Fig. 6
der Bedarfsstelle C nähern
soll,*damit die Gesamtkosten ein Minimum ergeben, wenn A und B dabei feste
Punkte der Leitung sind.
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Die Entfernung (h) ist übrigens mit der Gleichung h/(a 2 +h 2
) 1/2 + h(P A7 P c (1-2a+h 2 ) 1/2. F A = P C /p
A
für den praktischen gebrauch gut genug gegebenp wobei (a) die in Fig.
3 eingezeichnete Projektionnstrecke darstellt.
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Von der relativen Entfernung (h) verläuft zur Bedarfsstelle
C eine Stichleitung bzw. Nebenleitung. Eine Ausnahme entsteht, wenn durch
die Kontro.Ißle der Betriebasicherheit BG sich ergibt, dass in C eine Schaltstelle
gebaut werden solltep wonach-der Verlauf der Leitung nach Fig. 5 zu erfolgen
hat. Die mit 1 bis 5
bezeichneten Kurven in Fig.
7 geben jene relative Entfernung (h) an, bei welcher der Leistungsverlauf
nach Fig. 5 jenem nach Pig. 4 mit den Kosten bei verschiedenem Verhältnis
P C /p A (091 bis 0p5)
ohne Berücksichtigung der Betriebssicherheit(Bg)
gleichkommt. Dabei bedeuten: F A den järlichen effektiven Mittelwert der
Uebertragungsleistung in,&; F C den järlichen effektiven Mittelwert der
BedarfsleiStung in C; S L die jährlichen Abschreibungskosten samt
Zins für die Leiter; S M die jährlichen Abschreibungskosten samt Zins für
die Masten, Isolatoren und Montage.
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Bei der praktischen Gestaltung der Verlaufs einer Leitung, wo man
mit mehr wie drei Bedarfssiellen zu tun hatg wird der Verlauf der Leitung auf die
drei Punkte zurückgeführt, indem die Belastungspunkte mehrerer Bedarfastellen nach
und nach als
fiktive Bestimmungspunkte in Betracht gezogen werden.
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In Figa 2 ist ein Punkt A eingezeichnet, von dem der Verlauf
der Leitung im Vinkelsektor festgelegt worden soll. Mit B 0 ist der Gesamtschverpunkt
der Belastung der lfinkelsektorn bezeichnet* Die Koordinaten x und y sind
durch die Bedingune- x =P x
0 0 9 Yi 1 0 0
undiPi-yi-P.-y.
gegebeng wobei Pi die nominalen Bedarfoleistungen einzelner Bedarfastellen
C i sind.
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Veiter sind zwei Gruppenschverpunkte B 1 und B 2 eingezeichnet,
auf deren Verbindungslinie der gezeinname Schwerpunkt B mi liegt. Die Gruppenschwerpunkte
bedeuten die Schwerpunkte der Belastung der'eingekreisten Bedarfastellen und dienen
als fiktive Bestimmungepunkte der Leitung* Die Gruppen können sich oft überschneiden.
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.Für den Verlauf den Haupleitung zu den Bedarfastellen ci
giltg daso die Abweichungen der Hauptleitung in der Richtung
der
Ltrecken h von den jeweiligen Velbindungelinion zwischen den Ausgangspunkten
A i und den Schwerpunkten der Belastung Bi, sowie den Hauptschverpunkten
B mi und dem Gesamtschwerpunkt der restlichen Belastung des Sektors als den fiktiven
Bestimmungsstationen - die Gesetzmänzigkeit der relativen Strecke h, die
für drei Stationen Gültigkeit hatg nicht überschreiten dürfen. Im Bereiche innerhalb
h werden die Bedarfsstellen C direkt durch die Hauptleitungp ausserhalb aber durch
die Stichleitungen, bzw. Nebenleitungen von dieser versorgt. (Ausnahmen wegen BGI)
Dort, wo die Stichleitungen zu den Bedarfastellen quer zur Richtung der Hauptleitung
sich nach Ihrer Längensumme der für eine neue Leitung erforderlichen Länge nähern,
zweigt sich von der Hauptleitung eine Nebenleitung ab. Als Nebenleitung wird
jene Leitung bezeichnet, die zu mehr als einer Bedarfastelle fUhrtg jedoch kürzer
als die Hauptleitung ist.
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Vo die örtlichen Verhältnisse den beschriebenen optimalen Verlauf
der Leitung nicht zulassen# wird die günstigste Annäherung an den optimalen Verlauf
getroffen.
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Nachdem der Verlauf der Leitungen in den Winkelnektoren 2estgelegt
ist, werden die nebeneinanderliegenden Vinkelsektoren zusammengefügt. Jede an der
Grenze den Winkelnektors liegende Bedarfastelle wird der Prüfung unterzogeng ob
sie nicht eine örtlich kürzere Leitungsverbindung von einer im nebenliegenden Vinkelsektor
gespeisten Stelle bekommen kann. So verfährt man
weiter mit der Prüfung vom
Grenzbereich in den benachbarten Vinkelnekter hinein, bis die Konten fUr die zusätzlichen
Inergieverluste - wegen den in bezug auf 195 verlängerten neuen Uobertra«mgnvegeo
der Energie fUr die betrachtete Bedarfastelle -
den ersparten
Materialkosten.wegen der kürzeren örtlichen Verbindung gleichkommen. Dies trifft
dann zup wenn die Verkürzung der Leitungslänge durch einen solchen Anschluns grösser
ist als ein Viertel der Verlängerung des Gesamtübertragungswegen von der Einspeisestelle
aus für die Energie der betreffenden Bedarfastellen.
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Als Beispiel hiezu sind die Bedarfastellen 0 M und C
n in Fig. 1 eingetragen.
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Danach werden die Mananahmen, welche die Steigerung der Betriebanicherheit
von Leitungen und von Bedarfastellen zu erwirken haben, mittels der nachstehend
beschriebenen Methode untersucht. Solche Massnahmen sind u.a.i die Einschleifung
der Leitungen zuzUglich der Vahl der Länge der Leitungeabschnitte, der Bau von Doppelleitungen,
das Erden den Sternpunktes über die # # Petersen-Spule, die Ausstattung der Leitungsabschnitte
mit Blitzschutzseilen, die Vahl der Schnellschalter mit Viedereinschaltung, die
Vahl den selektiven Ueberstromschutzen, die Verstärkung der Isolationen,
der Einbau von Ueberspannungsableiterng die Reservehaltung.
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Diese Massnahmen sind seit langem in der Praxis in Gebrauch und sie
wurden bis anhin dem praktischen Gefühle nach, ohne der Möglichkeit einer exakten
Kontrolle der Oekonomieforderungen, getroffen.
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Das nach diesem Planungsverfahren gestaltete Netz weist dagegen exakt
selektionierten Vorrang dieser Maannahmen und hält ein den Oekonomietorderungen
entsprechenden Niveau der Betriebssicherheit - im Sinne der zeitlichen Beständigkeit
der Leistungsübertragungefghigkeit - ein.
. Die Methode
der Kontrolle der Betriebssicherheit geht von dem Standpunkt ausg dass für das elektrische
Netz neben den drei Längendimensionen auch die vierte - die Zeit
-, bestimmend ist, d.h., ir4.Laufe der Zeit finden ständig Zustandsänderungen
im elektrischen Netz statt. Betriebsstörungen bedingen Ausfälle der Leitungeng wobei
die Leistungsfähigkeit geändert wird, was bedeutende Schäden verurnachtg Der Plan,
bzw. das Netz soll so ausgeführt werden, dass dieser Schaden wirtschaftlich optimal
abgegrenzt wird* Als Hilfsmittel wird zunächst der.Begrift der Betriebssicherheit-einer
Bedarfastelle oder Anlage definiert. Es ist jene Zahlg die be#i--agtp wievielmal
grbsner die Sollbetriebezeit ist, als die Zeit des Stillegenn infolge von Störungen
während der Sollbetriebozeit. Nachstehend wird diese Zahl kurz mit BG angegeben.
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Es wird gesetzts die Verminderung den jährlichen Schadens
wegen der Betriebsäu»fälle mittels der,VergrUsserung der BG 1 auf BG II muss
grösser sein oder gleich den jährlichen Abschreibungskosten samt Zins für die erörterte
Massnahme.
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BG für einen Leitqngsabschnitt nach Fig. 9 wird aus den Störpunktezahlen
SP S für Schaltanlagen und SP L für Leitungslänge aus den Kurven nach Fig.
13 festgelegt. Die SP Zahlen sind an eine bestimmte Gegend gebunden und in
Fig. 13-sind aus der Stetistik der Störungen für ein mitteleuropäisches Land als
Beispiel-eingetragen. Es gelten folgende Beziehungen der Kurven: al - gewChnliche
Freileitungent a - Freileitungen mit Blitzschutzaeilp b - Freileitungen,mit
Blitzechutzseil und-Xrdung den Sternpunktes über
0 - wie
bt jedoch zu*Ktzlich mit den Schnellschaltern mit Wie(:ereinschaltungg
d - Kabelleitungen, e - Scha-Itstationen (10 Stationen) fp
ge h - Korrekturen (%).
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Bei den Leitungen beziehen sich die SP Zahlen, wie sie in Fig.
13 dargestellt sindg auf 100 km Leitungslänge und bei den Schaltanlagen
auf deren zehn; SP = 100 ergeben-zehn jährliche Zwangsabschaltungen der betreffenden
Anlage (willkürliche Vahl, mittlere Auschaltzeit jedoch fest).
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Für zwei in Serie geschaltete Leitungeabschnitte, wie in Fig.
10 dargestellt, gilt&
Um die BG-unterscheiden sich die Veibte der Betriebssicherheiten von beiden betrachteten
Punkten A und B, wenn nur eine Verbindung zum Netz in Rücksicht gezogen wird,
&.h. bei dem Anschluss entweder in A oder in B.
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Für eine Bedarfsstelle C in bezug auf Netz Ng wie in Fig.
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dargentelltg oder in bezug auf Station A, wie in Fig. 12 eingezeichnet,
giltt BS m BG1 0 BG 2 Diese Relationeniaben nur prinzipielle Gültigkeit.
Zusätzlich sind noch Korrekturen zu berücksichtigen.
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Mit BG als Hilfsmittel wird der Plan den Netzen in Fig.
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fertiggestellts die an den Grenzen der Vinkelnektoren liegenden Bedarfastellen
werden der Ueberprüfung unterzogen, wo sie zwecks Einschleifung
der
Leitungen eine Verbindungsleitungg wie in Figo 1 mit BG-L eingezeichnetp
zu einer Bedarfsstelle des benachbarten 1 1
Vinkelsektors oder des benachbarten
Netzes BG-L i auf wirtschaftlicher Basis bekommen können. Die Virschaftlichkeit
einer solchen Verbindungsleitung ist durch die Erfüllung folgender Bedingung gegeben:
S sind hier die jährlichen Abschreibungskosten samt Zins für die Verbindungsleitungg
c iß , ind den eingeschleiften Bedarfastellen C i zugeordnete Werte des Schadens
für eine ausgefalledtkVh. Oft kann der Wert c iß mehr als hundertmal grUsser sein
wie-.der Verkaufspreis für eine kWh. Sebstverständlich erreicht eine solche Verbindungsleitung
einen Ausgleich der relativen Belastung im Falle eines zeitlichen Verschubes von
Lastdiagrammen der verbundenen Leitungen; dadurch werden die Kosten für joulesche
Energieverlu-ste verkleinert, was ebenso auf der rechten Seite der oben erwähnten
Gleichung zu berücksichtigen ist. Da dies jedoch auf eine bekannte Weise geschehen
kann, wird dies hier nicht weiter erörtert.
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Für weitere Verbindungsleitungen gilt dasselbe wie für BG-Lie Wenn
eine solche Leitung aber die Kurzschlunströme über die zulässige Grenze erhöhtg
bekommt sie eine Trennstelle* Eine solche Trennstelle, wie
mit (Tr) bezeichnet» wird nur im Bedarfsfalle überbrückt.
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Wenn analog den nebeneinanderliegenden Sektoren zwei oder mehr nebeneinanderliegende
Netze zusammengefügt werden, entsßt ein Verbundnetzy wie das meistens in der Praxis
der Fall ist.
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Die Länge der Leitungsabschnitte, wie in Fig. 1 von,-der
Schaltstelle
S% bis zur Schaltstelle SS 29 weiter die eventuellen Doppelleitungen
und übrigen erwähnten Massnahmen zwecks Steigerung der Betriebseicherheity werden
ebenso durch BG ermittelt und im Plan d
des Netzes nach dem dargelegten Kriterium
berücksichtigt, wobei auch dem wirtschaftlichen Vorrang von diesen Massnahmen nachgegangen
wird.
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Nicht nur Hochspannungsnetzep sondern auch Niederspannungsnetze können
nach dem erfindungsgemässen Planungsverfahren für die Ausgestaltung eines elektrischen
Netzes eingeplant werden, indem eine Modifizierung für ein Nieders#annungsnetz in
dem Sinne vorgenommen wird$ daso keine einzeln abschlatbare Leitungsabschnitte (SS
i-SS i.1) u . nd auch keine BG-Leitungen (BG-L i ) vorgesehen werden,
und dass die Vahl den Querachnittes vor allem über akzeptierbare Spannungsabfälle
und eventuell bezügliche Vorschriften Rechnung zu tragen hat, damit die nicht überschritten
werden. Nur in Ausnahmefällen wird jev*Ils eine Querverbindungsleitung zwischen
zwei benachbarten Winkelsektoren zwecks Reduzierung der Spannungsabfälle vorgesehen,
wobei in diesen Querverbindungsleitungen eventuell Sicherungen eingebaut werden
mögen.
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Im Vergleich zu den nach der bisherigen Praxis erstellten Netzen ermöglicht
das vorliegende Planungsverfahren im Durchschnitt mehr. als 10% der Materialkosten
einzusparen.
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Elektrische Netze sind noch immer im Wachsen oder Entstehen begriffen.
Entsprechend angewendet» eignet sich das vorliegende Planungsverfahren zur
Neuplanung einen Netzen# wie auch zur Utberprüfung utid Ve:ebester»U bereite bestehender
Netze.