Hochspannungswechselstromleitung zur Überwindung ausserordentlich grosser Entfernungen bei der Übertragung grosser Leistungen. Die Frage der Kraftübertragung grosser Leistungen über sehr weite Entfernungen mittelst Wechselstrom tritt in der Neuzeit mehr und mehr in den Vordergrund, und man war bisher im allgemeinen der Meinung, dass die Möglichkeit der Kraftübertragung ver mittelst eines Hochspannungsnetzes an keine. räumliche Entfernung gebunden sei, wenn man nur mit der Spannung genügend hoch heraufgeht. Es zeigt sich aber, dass dem nicht so ist, da bei derartig grossen Ausmessungen des Leitungsnetzes die Kapazität des Netzes als gewichtiger Faktor mit in Rechnung ge stellt werden mass.
Der Einfluss der Netz kapazität macht sich in denn Auftreten er heblicher Kapazitätsströme geltend, die bei den in Betracht kommenden hohen Netzspan nungen gegenüber den Wattströmen nicht vernachlässigt werden können. Es kommen sogar Entfernungen für Kraftübertragungen in Betracht, die in Rücksicht auf die Lei tungsverluste die Wahl derartig hoher Span nungen nötig machen, dass der Kapazitäts strom dem Wattstrom gleich ist oder ihn sogar erheblich übertrifft. In diesen Fällen gibt es ein Optimum der rationellen Kraft übertragung durch Wechselstrom, bezw.
Dreh strom überhaupt, wo bei gegebener Leistung einerseits die Hölle der zu wählenden Span nung, anderseits die Länge des Leitungs netzes in Rücksicht auf die Wattverluste in der Leitung an gewisse Grenzen gebunden ist. Da sich nämlich der resultierende Strom Jr in der Leitung aus dem zu übertragenden Wattstrom Jw und den um 90 gegen diesen verschobenen Kapazitätsstrom Jc zusammen setzt; so besteht die Gleichung 1. Jr2 = Jw= -@- J.I Man kann nun aber <I>2.</I> J,=a#E setzen, wo a eine durch die Konstanten der Leitung bedingte konstante Grösse ist, E die Netzspannung bedeutet.
Ist ferner <I>3.</I> E#J"=b die zu übertragende elektrische Gesamtlei stung; dann ist also b ebenfalls eine Kon stante.
Aus Gleichung 2 und 3 folgt
EMI0002.0001
eingesetzt in Glei chung 1.
EMI0002.0002
Man findet ein Minimum für Jr, wenn
EMI0002.0003
ist, oder
EMI0002.0004
also für Jc =Jw. Für die rationelle Kraftübertragung ergibt sich demnach ein Optimum des Wirkungs grades für eine Spannung, bei der der Ka pazitätsstrom der Leitung gleich dem Watt strom ist, und damit ist die Übertragungs spannung bestimmt.
Ergibt sich nun nach oben entwickelter Bedingung eine relativ niedrige Spannung. dann ist die Entfernung, bis zu welcher die Kraftübertragung noch rationell erfolgen kann, ohne dass die Lei tungsverluste einen gewissen zulässigen Be trag überschreiten, ebenfalls klein und ab hängig von der Grüsse des Gesamtstromes
EMI0002.0009
Man kann demnach sagen, dass in Rück sicht auf die Leitungsverluste sich für jede Leistung ein Entfernungsgrenzwert errechnen lässt, bei welchem noch eine rationelle Kraft- übertragung möglich ist. Unter den heutigen Umständen kann als Grenzwert die Entfer nung von etwa 250km gelten.
Die Über windung grösserer Entfernungen macht hier nach ganz erhebliche Schwierigkeiten, und man hat versucht, diese durch verschiedene Mittel zu überwinden. Unter anderem da durch, dass mau parallel oder in Reihe zur Netzleitung Drosselspulen schaltet und da mit teilweise die Kapazitätswirkung des Netzes kompensiert. Aber diese Kompen sation ist nur mangelhaft und führt gege benenfalls zu andern Übelständen, wie Span nungserhöhungen am Ende des Netzes, die wieder durch Verwendung von Maschinen oder Transformatoren von hoher Eisensätti gung verhindert werden sollen.
Es ist nun Gegenstand vorliegender Er findung, eine Hochspannungswechselstrom- leitung zur Überwindung ausserordentlich grosser Entfernungen bei der Übertragung grosser Leistungen, nach welcher die gesamte Fernleitung in Unterabschnitte unterteilt ist, welche über Motorgeneratoren derart in Reihe geschaltet sind, dass die Generatoren, an den Anfang des jeweils neuen, die Motoren an das Ende des jeweils vorhergehenden Unter abschnittes angeschlossen sind.
Durch die Unterteilung der gesamten Fernleitungslänge kann der Kapazitätsstrom jedes Leitungs abschnittes auf ein Mass begrenzt werden, welches die Wahl ei ner erheblich grösseren Span nung zulässt, als sich nach denn Spannungsopti- mum bei nicht unterteilter Leitung ergeben würde.
Nimmt man zum Beispiel ein Netz von 1000 km Leitungslänge an, und sei die zu übertragende Leistung 1000 k Watt Ein- pbasenstrolnl, so ergeben sich für die ge samte Leitungslänge etwa folgende Be ziehungen
EMI0002.0025
E <SEP> Jw <SEP> Jc <SEP> Jr
<tb> 40000 <SEP> 25 <SEP> 8 <SEP> 26.2
<tb> 60000 <SEP> 16.7 <SEP> 12 <SEP> 20.6
<tb> 70000 <SEP> 11.8 <SEP> 14 <SEP> 20.
<tb> Spannungsoptimum <SEP> Jw <SEP> = <SEP> Jc
<tb> 100000 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 22.3
<tb> 125000 <SEP> 8 <SEP> 25 <SEP> 26.2 Als günstigste Spannung ergibt sich hier bei 70000 Volt, da für diese Spannung der resultierende Strom in der Leitung das Mi nimum von etwa 20 Amp. erreicht.
Wird diese Leitung nun in vier Teile zu 250 km unterteilt, dann ergeben sich für jeden Teil folgende Beziehungen:
EMI0002.0026
E <SEP> Jw <SEP> Jc <SEP> Jr
<tb> 40000 <SEP> 25 <SEP> 2
<tb> 60000 <SEP> 16,7 <SEP> 3 <SEP> 17
<tb> 80000 <SEP> 12.5 <SEP> 4 <SEP> 13.1
<tb> 100000 <SEP> 10 <SEP> 5 <SEP> 11,2
<tb> 125000 <SEP> 8 <SEP> 6.25 <SEP> 10,2
<tb> 140000 <SEP> 7,1 <SEP> 7 <SEP> 10
<tb> Spannungso0T)t111111111 <SEP> J.,- <SEP> = <SEP> J#.
<tb> 150000 <SEP> 6,67 <SEP> 7,5 <SEP> 10,1
<tb> 180000 <SEP> 5,6 <SEP> 9 <SEP> 10,6 In diesem Falle ergibt sich als günstigste Spannung etwa 140000, bei einem resultie renden Strom J,. von etwa 10 Amp. Die Ver luste in der Leitung sind also nur noch ein Viertel derjenigen, wie im vorbetrachteten Falle.
Das vorstehend angeführte Beispiel sei auch anhand der Figuren 1 und 2 er läutert. In Fig. 1 ist das Hochspannungsnetz in der bisher gebräuchlichen Ausführungs form dargestellt.
Es bedeutet A die Antriebsmaschine des Hauptgenerators H in primären Kraftwerke. sei die Fernleitung von beispielsweise 1000 km Länge, T sei der Transformator in der Verbrauchszentrale und V das Nieder spannungsverteilungsnetz. Wir haben gesehen, dass in diesem Falle das Spannungsoptimum bei 70000 Volt Phasenspannung liegt, was bei 1000 KW pro Phase einen resultierenden Strom von 20 Amp. am Anfang und 14,3 Amp. am Ende der Leitung ergibt.
Teilt man nun aber die gesamte Fern leitung gemäss vorliegender Erfindung in zum Beispiel vier Unterabschnitte, wie es Fig. 2 zeigt, und verbindet je zwei aufeinanderfol gende Unterabschnitte durch Motorgenera toren miteinander, dann ergibt sich, wie ge zeigt wurde, das Spannungsoptimum bei 140000 Volt, und der resultierende Strom be trägt am Anfang der Leitung nur noch 10 Amp., am Leitungsende 7,1 Amp. Die Be deutung der Buchstaben ist in Fig. 2 die gleiche wie in Fig. 1, nur besteht die Fern leitung F jetzt aus den Unterabschnitten F1, F2, F3, F4. Diese Unterabschnitte sind durch die Motorgeneratoren M1 G1, M2 G2, M3, G3 m itebiander i verbunden.
Ist man an ein Spanuungsmaximum in Rücksicht auf die Isolierfähigkeit der Iso lationsmaterialien gebunden, dann wird man die Unterteilung der Fernleitung nur so weit treiben, bis das Spannungsoptimum der Teil strecke dem genannten Spannungsmaximum entspricht, und umgekehrt wird man. falls die Längen nach irgendwelchen Rücksichten anderer Art bestimmt werden, die Span nungen entsprechend dem sich aus Gleichung Jc = Jw ergebenden Kapazitätsstrom wählen. Hierdurch ist es möglich. beliebig grosse Energiemengen auf unbegrenzte Entfernungen in rationeller Weise mittelst Einphasen- oder Mehrphasenstrom - Hochspannungsnetzen zu übertragen, und alle Vorteile des Wechsel stromes, wie Spannungstransformierung, leichte Ausschaltbarkeit usw.. beibehalten zu können.
Es ist aber auch möglich; den verschiedenen Unterabschnitten des Netzes verschiedene Frequenzen aufzudrücken, sie zu erhöhen, wo es die Kürze der Strecke gestattet, sie zu erniedrigen, wo es die Länge der Strecke erfordert. Als Motoren kommen Synchron- oder Asynchron- oder Kollektormotoren in Be tracht, als Generatoren alle bekannten selbst- oder fremderregten Ein- oder Mehrphasen- Generatoren.