-
Verkettetes mehrphasenkraftäbertragungssystem. Die Erfindung betrifft
ein verkettetes, durch seine Ausbildung unsymmetrisches Mehrphasenkraftübertragungssystem
und bezweckt, solche Unsymmetrien, welche nicht in einer etwaigen unsymmetrischen
Nutzbelastung etwa durch den Konsumenten, sondern vielmehr in der Ausbildung des
Systems selbst ihre Ursache haben, durch .einfache Mittel zu beseitigen. Solche
Unsymmetrien können ihre Ursache in einer vereinfachten Schaltung haben, die zur
Vereinfachung und Verbilligung der benötigten Maschinen und Apparate angewandt oder
die zur Vereinfachung der Kraftübertragungsleitung durchgeführt wird. Insbesondere
kann eine solche vereinfachte Leitungsausführung zum Ziele haben, eine Phase eines
Mehrphasensystems ganz oder teilweise durch Erde zu ersetzen oder eine schwach oder
gar nicht isolierte Leitung für diese Phase zu benutzen, die aus anderem Material
(z. B. Eisen) als die übrigen Leitungen (z. B. Kupfer) besteht. Andererseits können
aber auch Unsymmetrien des Kraftübertragungssystems zwischen. Speise- und Abnahmestromkreis
bzw. -kreisen, abgesehen von der hier nicht in Betracht kommenden unsymmetrischen
Nutzbelastung, darin ihre Ursache haben, daß bei der Ausführung und Verlegung der
Leitungen zwischen Speise- und Abnahmekreis unvermeidliche Fabrikatians-und Montageungenauigkeiten
auftreten, die als unbeabsichtigt bezeichnet werden können und die auch durch Verdrillung
der Leitungen bisher nicht vollkommen beseitigt werden konnten.
-
Die Erfindung besteht nun darin, daß die Spannungen eines solchen
verketteten und zwischen Speise- und Abnahmekreis bzw. -kreisen aus irgendeiner
der angegebenen Ursachen unsymmetrischen Mehrphasenkraftübertragungssystems dadurch
in beliebigem Maße symmetriert werden, daß Wirk- oder Blindstrom oder beides verbrauchende
Vorrichtungen veränderlichen oder unveränderlichen Widerstandes mittelbar oder unmittelbar
zwischen Verkettungspunkt und eine oder einige der Phasen des Systems geschaltet
werden. Ebenso können die gleichen Vorrichtungen auch zwischen zwei oder mehrere
Verkettungspunkte von Phasengruppen eingeschaltet werden. Die Ströme eines solchen
Systems werden ferner durch Wirk- und Blindstrom bzw. durch Wirk- oder Blindstrom
verbrauchende Vorrichtungen in heliebigem Grade symmetriert, welche mittelbar oder
unmittelbar zwischen einzelne der Phasen des Systems geschaltet werden.
-
Durch die Erfindung ist es insbesondere ermöglicht, Maschinen, Transformatoren
und ähnliche Apparate mit vereinfachter Wicklungs- und Eisenausführung in der Praxis
zu verwenden, ebenso aber auch Wechselstramfernleitungen auszuführen, bei denen
eine Phase durch Erde, eine blank oder wenig isoliert verlegte Leitung oder eine
solche anderen Querschnitts und anderen Materials als die übrigen Leitungen gebildet
wird. Des weiteren kann man auch Einphasensysteme mit Mittelleiter, die in ähnlicher
Weise, wie vorstehend beschrieben, unsymmetrisch ausgebildet sind, in. der Praxis
anwenden, ohne unsymmetrische Verlagerungen der Ströme und Spannungen in Kauf nehmen
zu müssen.
-
Die Erfindung unterscheidet sich demnach grundsätzlich von den bekannten
Ausführungen, welche in erster Linie den Ausgleich der
Nutzbelastung
des Systems im Auge hatten, ohne zu berücksichtigen, ob das System an" sich, also
beispielsweise bei abgeschalteter Nutzbelastung, gleichfalls symmetriert ist. Unsymmetrien
der Spannung kann man, beispielsweise im Kurzschlußversuch, Unsymmetrien der Ströme
(Leerlaufströme) im Leerlauf des Netzes feststellen, und zwar - falls solche vorhanden
sind - bezüglich der Spannungen in um so höherem Grade, je weiter man sich bei der
Untersuchung, ausgehend z. B. von. der Niedervoltseite des Kraftwerktransförmators,
von dem Kraftwerk (dem Speisestromkreis) entfernt, bzw. bezüglich der Ströme, je
mehr man sich dem Kraftwerk nähert. U'erden hierbei solche Unsymmetrien festgestellt,
so greift die Erfindung ein, und es gelangen die eingangs beschriebenen Vorrichtungen
zur Verwendung, und zwar erfolgt die Symmetrierung in der Weise, daß die natürlichen
elektrischen Eigenschaften der einzelnen Phasen (Ohmscher bzw. kapazitiver bzw.
induktiver ZViderstand) relativ zueinander künstlich so weit geändert werden, daß
der gewünschte Symmetriegrad erreicht wird. Man könnte demnach beispielsweise bei
einem Dreiphasensystem mit unsymmetrischen Teilkapazitäten die kapazitive Symmetrie
durch Parallelschaltung von Induktivitäten zu den größeren (natürlichen) Kapazitäten
oder durch Parallelschaltung von künstlichen Kapazitäten zu den kleineren natürlichen
Kapazitäten herstellen im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren, Kapazitätswirkungen
durch Parallelschaltung von Induktivitäten nach dem Prinzip der Stromresonanz zu
beseitigen.. Während durch diese letztere Maßnahme die Leitungen von dem kapazitiven
Ladestrom entlastet werden sollen, strebt die vorliegende Erfindung nur die Gleichmachung
der Ladeströme in den einzelnen Phasen an, was u. U. sogar eine Vergrößerung des
Phasenstromes gegenüber dem vorher vorhandenen unsymmetrischen Zustand bedingen
kann.
-
Grundsätzlich umfaßt die Erfindung alle bekannten Arten der Einbaumöglichkeiten
für die angegebenen Widerstände. Man kann beispielsweise die Spannungs- oder Stromausgleichswiderstände
allein oder gleichzeitig verwenden, sie an verschiedenen oder an der gleichen Stelle
oder Stellen einbauen, man kann sie getrennt voneinander ausführen oder zu einem
gemeinsamen Apparat vereinigen:. Ebenso ist es im Prinzip für den Erfindungsgedanken
einerlei, ob die erwähnten Vorrich-. tungen unmittelbar in den zu kompensierenden
Teil des Systems eingeschaltet werden oder ob dies unmittelbar mit Hilfe magnetischer
oder kapazitiver Kupplungen nach bekannten Schaltmethoden erfolgt.
-
Wir wollen uns darauf beschränken, von den zahlreichen Schaltmöglichkeiten
nach dem angegebenen Prinzip einen Fall der Drehstromübertragung näher zu beschreiben.
-
In Abb. i bedeutet a einen normalen Drehstromgenerator. Seine Spannung
wird in zwei Einphasentransformatoren c und d umgeformt unter Verwendung der bekannten
V-Schaltung. Hochv oltseitig sei der Verkettungspunkt geerdet, und zwar sowohl am
Anfang wie am Ende der Fernübertragung; eine besondere Rückleitung ist in diesem
Falle also überflüssig. Die Belastung am Ende möge bestehen aus drei gleich _ großen
in Stern geschalteten f4Tirkwiderständen, so daß der Leistungsfaktor in allen drei
Phasen am Ende der Leitung praktisch = i ist. Nehmen wir weiter an, daß oberhalb
der Freileitungsmaste ein Erdseil verlegt sei, welches einen anderen Querschnitt
und aus diesem Grunde sowie infolge der Erdung auch andere Widerstandskonstanten
besitze wie die anderen beiden isolierten Leitungen, so erhält man das in Abb. 3
dargestellte kapazitive Schema der Fernleitung, aus dem sich die Verteilung der
Ladeströme ergibt. Der Einfachheit halber möge die Gleichheit zwischen folgenden
Kapazitätswerten angenommen werden: k02 = k,3 und k12 = k13.
-
Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die :>Rückleitung«, bestehend
aus Erde und Erdseil, einen größeren Ladestrom führt wie jede der beiden isolierten
Leitungen. Die Symmetrie der Ladeströme in den drei Leitungen, und zwar sowohl nach
Größe wie nach Richtung, kann man nun entweder dadurch herstellen, daß man die Kapazität
k23 vergrößert, indem man zwischen die Phasen 2 und 3 unmittelbar oder mittelbar
eine (kapazitive) Blindbelastung schaltet, oder dadurch, daß man die Kapazitätswerte
k02 und k03 entsprechend verkleinert, indem man unmittelbar oder mittelbar zwischen
Leiter a und Erde und Leiter 3 und Erde eine induktive Belastung von entsprechender
Größe schaltet. Bei dem .in. Abb. i dargestellten Beispiel ist der letztere Fall
gezeigt. Der Differenz,vert der Ladeströme der Sekundärwicklungen wird mittelbar
über die beiden Transformatoren c und d durch die Drosselspule e in Größe und Richtung
kompensiert. Die Belastung durch die Drosselspule ist praktisch gleichbedeutend
mit der Vergrößerung des Leerlaufstromes der Transformatoren. Man kann daher die
gewünschte Kompensation auch durch die Veränderung des Leerlaufstromes der Transformatoren
allein erreichen, die bekanntlich in einfacher Weise durch Vergrößerung des magnetischen
Widerstandes des Eisenkerns (z. B. Vergrößerung des Luftspaltes,) bewirkt wird.
Will man einen genauen Ausgleich
der Ladestromungleichheitenerzielen,
so ist in dem zuletzt genannten Fall die Größe der Drosselspule gleich dem Unterschied
zwischen der zu kompensierenden Kapazitätsleistung und der Leerlauf-Blindleistung
der Transformatoren zu bemessen. Anstatt für die Drosselspule eine dritte Transformatorwicklung
zu benutzen, kann man sie naturgemäß auch zwischen die entsprechenden Phasen des
Generators legen oder auf der Hochvoltseite zwischen die beiden spannungsführenden
Leitungen und Erde. Ebenso läßt sich diese Kompensation naturgemäß an beliebigen
Punkten auf der Strecke vornehmen, und zwar mit und ohne Hilfe eines besonderen
Transformators.
-
Die Symmetrie der Spannungen wird bei dem vorliegenden Beispiel durch
die Vorrichtung f bewirkt, welche aus einem Wirk-und einem Blindwiderstand besteht.
Ihre Wirkungsweise ist aus der Abb. a zu ersehen. Hierbei ist angenommen, daß am
Ende der Leitung Spannrangs- und Stromsymmetrie vorhanden sei und daß die Leitungen
ia, 2a, 3a durch drei gleich große in Stern geschaltete Ohmsche Widerstände
belastet werden. Die Rückleitung der Phase i, möge durch Erde erfolgen und ihr Widerstand
vernachlässigbar sein. Beträgt in den Leitungen der Ohmsche Widerstand etwa 5 Prozent
und der induktive Widerstand etwa 15 Prozent, so haben wir am Anfang der
Leitungen näherungsweise die Spannungen ia 2b, ia 3b und 2b 3b, beträgt
der Ohmsche Spannungsabfall der Transformatoren i Prozent und der induktive io Prozent,
so betragen die drei Außenspannungen auf der Niedervoltseite der Transformatoren
näherungsweise ia 2c, ia 3, und 2, 3,. Trotz der symmetrischen Belastung
am Ende der Leitung ist demnach die Spannungsverteilung am Anfang der Leitung und
mehr nach auf der Niedervoltseite der Transformatoren unsymmetrisch. Die Urasymmetrie
ist dadurch entstanden, daß die Rückleitung und der entsprechende Schenkel des Transformators
andere Widerstandsverhältnisse besitzt wie die anderen beiden Leitungen bzw. die
anderen Schenkel des Transformators. Die Regelung der Urasymmetrie wird nun bei
der vorliegenden Erfindung dadurch bewirkt, daß die Widerstandsverhältnisse der
Leitungen und des Transformators entsprechend künstlich verändert werden. Bei dem
angeführten Beispiel werden zur Herstellung der Symmetrie zwischen den Verkettungspunkten
der beiden Transformatoren c und d (Abb. i) und der Generatorphase i Widerstände
(Blind- und Wirk-) eingeschaltet, welche den Widerständen einer Leitung und eines
Transformators entsprechen. In diesem. Fall rückt der Spannungspunkt ia (Abb.2)
nach i, und damit ist die Spannungssyminetrie wieder hergestellt, wie aus dem Spannungsdiagramm
i., 2c, 3C hervorgeht.
-
Naturgemäß hätte man die Spannungskompensation auch in Stufen vornehmen
können, also zunächst auf der Hochvoltseite für die Urasymmetrie der Fernleitung
und dann; auf der Niedervoltseite für die durch die Transformatoren hervorgerufene
Urasymmetrie. Bei langen Leitungen wird unter Umständen auch eine Kompensation auf
der Strecke in Frage kommen. Auf eine unbedingt genaue Kompensation wird es in den.
meisten Fällen gar nicht ankommen. Da der Wirkspannungsabfall in der Regel klein
ist gegenüber dem Blindspannungsabfall und nur wenig zur Spannungsverwerfung beiträgt,
andererseits aber zusätzliche Energieverluste hervorruft, wird man in vielen Fällen
auf die Kompensation des Wirkwiderstandes verzichten und sich mit der Kompensation
des Blindwiderstandes begnügen.
-
In Abb. i ist ferner noch der Fall dargestellt, daß zwei Systeme der
durch die Erfindung gekennzeichneten Art parallel geschaltet sind und daß ihre Fernleitungen
nebeneinanderlaufen, also beispielsweise auf einem Mastgestänge verlegt sind. In
diesem Fall wird eine teilweise Kompensation der unsymmetrischen Spannungs- und
Stromverlagerung dadurch erreicht, daß die einander entsprechenden Phasen beider
Systeme um i8o° gegeneinander versetzt sind (in Abb. i beispielsweise durch Umkehrung
der Hochvoltanschlüsse dargestellt). Man erzielt also mit dieser Schaltweise den
Vorteil, daß bei zwei Systemen die für das Einfachsystem benötigten Kompensiervorrichtungen
nicht verdoppelt zu werden brauchen. Ähnliches läßt sich auch bei den Transformatoren
erreichen, wenn man die Hochvoltwicklung beider Systeme auf den gleichen Transformatoren
anbringt bzw., was dasselbe ist, die Mitten der Hochvoltwicklung als Verkettungspunkt
wäh7.t und die Enden als Spannungsphasen für die Fernleitung verwendet.
-
Die zum Spannungsausgleich dienenden Wirk- oder Blindstrom verbrauchenden
Vorrichtungen können auch zwischen zwei oder mehrere Verkettungspunkte von Phasengruppen
des Systems geschaltet sein.
-
Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Erfindung ist beispielsweise
dann. vorhanden, wenn es sich um den Betrieb eines Doppel-Drehstromsystems handelt,
das aus zwei gleichartig ausgebildeten Einzel - Drehstromsystemen besteht, die hochvoltseitig
mit je einer um i8o° gegeneinander verschobenen Phase zusammengeschaltet sind (Abb.
q.). Alsdann wird die an dem Verkettungspunkt Liegende gemeinsame Phasenleitung
stromlos
bleiben, wenn beide Systeme gleichmäßig belastet sind,
so daß ein besonderer Leiter hierfür entfallen bzw. der Verkettungspunkt an Erde
gelegt werden kann. Zur Erreichung eines gewünschten Symmetriegrades am Verbrauchspunkte
ist auch hier erfindungsgemäß der Einbau von Blind- und gegebenenfalls von Wirkstrom
verbrauchenden Vorrichtungen (Abb. 4a und b bzw. a' und b'). die den entsprechenden
Widerständen einer isolierten Phasenleitung nachgebildet sind, vorzusehen. Der gewünschte
Symmetriegrad bleibt hierbei auch dann bestehen, wenn sich eines der beiden Drehstromsysteme
außer Betrieb befindet und die Stromrückleitung des im Betriebe verbliebenen Einzelsystems
über Erde erfolgt.