DE323373C

DE323373C -

Info

Publication number: DE323373C
Application number: DENDAT323373D
Authority: DE

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 23. JULI 1920

REICHS PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Vr 323373 KLASSE 21 d GRUPPE 46

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. in Baden, Schweiz.

Hochspannungswechselstromleitung zur Überwindung außerordentlich großer Entfernungen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 10. Januar 1919 ab.

Für diese Anmeldung ist gemäß dem Unionsvertrage vom 2. Juni 1911 die Priorität auf Grund der Anmeldung in der Schweiz vom 28. Dezember 1918 beansprucht.

Die Frage der Kraftübertragung großer Leistungen über sehr weite Entfernungen mittels Wechselstroms tritt in der Neuzeit mehr und mehr in den Vordergrund, und man war bisher im allgemeinen der Meinung, daß die Möglichkeit der Kraftübertragung vermittels 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 gestellt werden muß. Der Einfluß der Netzkapazität macht sich in dem Auftreten erheblicher Kapazitätsströme geltend, die bei den in Betracht kommenden hohen Netzspannungen gegenüber den Wattströmen nicht vernachlässigt werden können. Es kommen sogar Entfernungen für Kraftübertragungen in Betracht, die in Rücksicht auf die Leitungsverluste die Wahl derartig hoher Spannungen nötig machen, daß der Kapazitätsstrom dem Wattstrom gleich ist oder ihn so- gar erheblich übertrifft. In diesen Fällen gibt es ein Optimum der rationellen Kraftübertragung durch Wechselstrom bzw. Drehstrom überhaupt, wo bei gegebener Leistung einerseits die Höhe der zu wählenden Spannung, anderseits die Länge des Leitungsnetzes in Rücksicht auf die Wattverluste in der Leitung an gewisse Grenzen gebunden ist. Da sich nämlich der resultierende Strom /,-in der Leitung aus dem zu übertragenden Wattstrom /„, und den um 90⁰ gegen diesen verschobenen Kapazitätsstrom J_c zusammensetzt, so besteht die Gleichung

1. Jr = J;„ + Jl- Man kann nun aber

2. Jc = a-E

setzen, wo α eine durch die Konstanten der Leitung bedingte konstante Größe ist, E die Netzspannung bedeutet.

Ist ferner

3· E · J_n, = b

die zu übertragende elektrische Gesamtleistung, dann ist also b ebenfalls eine Konstante.

Aus Gleichung 2. und 3. folgt

_r ab k

4- Jc =

Jw Jw

eingesetzt in Gleichung 1.

Jr — Jw

k'

Man findet ein Minimum für J₁₁ wenn

ist. oder

also für

z. B. ein Netz von 1000 km Leitungslänge an, und sei die zu übertragende Leistung 1 000 Kilowatt Einphasenstrom, so ergeben sich für die gesamte Leiiunpslangc etwa folgende Uozie-

/■■■ - ]-"'- 7

.Ic r: ./..·■

J "·

Jc

Für die rationelle Kraftübertragung ergibt sich demnach ein Optimum des Wirkungsgrades für eine Spannung, bei der der Kapazitätsstrom der Leitung gleich dem Wattstrom ist, und damit ist die Übertragungsspannung 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 Leitungsverluste einen gewissen zulässigen Betrag überschreiten, ebenfalls klein und abhängig von der Größe des Gesamtstromes /,· -■- Y /». + Jl.

Man kann demnach sagen, daß in Rücksieht auf die Leitungsverluste sich für jede Leistung ein Entfernungsgrenzwert errechnen läßt, bei welchem noch eine rationelle Kraftübertragung möglich ist. Unter den heutigen Umständen kann als Grenzwert die Entfernung von etwa 250 km gelten. Die Überwindung größerer Entfernungen macht hiernach ganz erhebliche Schwierigkeiten, und man hat versucht, diese durch verschiedene Mittel zu überwinden. Unter anderem dadurch, daß man parallel oder in Reihe zur Netzleitung Drosselspulen schaltet und damit teilweise die Kapazitätswirkung des Netzes kompensiert. Aber diese Kompensation ist nur mangelhaft und führt gegebenenfalls zu

anderen Übelständen, wie Spannungserhöhungen am Ende des Netzes, die wieder durch Verwendung von Maschinen oder Transformatoren von hoher Eisensättigung verhindert werden sollen.

Es' ist nun Gegenstand vorliegender Erfindung eine Hochspannungswechselstromleitung 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 Unterabschnittes angeschlossen sind. Durch die Unterteilung der gesamten Fernleitungslänge kann der Kapazitätsstrom jedes Leitungsabschnittes auf ein Maß begrenzt werden, welches die Wahl einer erheblich größeren Spannung zuläßt, als sich nach dem Spannungsoptimum bei nicht unterteilter Leitung ergeben würde. Nimmt man

Jinng(ii) :	J	N'	Jc	Jr	ρ ι im
K	25		8	26,2	Jc)
40 000	16	,7	12	20,6
()0 000				fSp.imiin'nso
	14	,3	14	20 ί ^₁, 1_
70 000	IO		20	22,3
100 000	8		25	26,2.
125 000

Als günstigste Spannung ergibt sich hierbei 70 000 Volt, da für diese Spannung der resultierende Strom in der Leitung das Minimum von etwa 20 Amp. erreicht. Wird diese Leitung nun in vier Teile zu 250 km unterteilt, dann ergeben sich für jeden Teil folgende Beziehungen ;

/i	/π-	./	25	/	)■	jilinitim
40 000	25	2		25		Jc)
60 000	i6,7	3		17
80 000	12,5	4	.5	13	,1
100 000	IO	5		I I	,2
125 ooo	8	6,	10	,2
				C S ρ a 111 in π ίΐ s ο
140 000	7»^r	7	10	\ (./"· ---
150 000	6,67	7	IO	,1
180 OCX)	5/)	9	IO	/),

In diesem Falle, ergibt sich als günstigste Spannung etwa 140000 Volt, bei einem resultierenden Strom /,- λ'οη etwa 10 Amp. Die Verluste in der Leitung sind also nur noch ein Viertel derjenigen wie im vorbetrachteten Falle. Das vorstehend angeführte Beispiel sei auch an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert. In Fig. ι ist das Hochspannungsnetz in der bisher gebräuchlichen Ausführungsform dargestellt.

Es bedeutet A die Antriebsmaschine des Hauptgenerators II im primären Kraftwerk. F sei die Fernleitung von beispielsweise 1000 km Länge, T sei der Transformator in der Verbrauchszentrale und V das Niederspannungs- : verteilungsnetz. Wir haben gesehen, daß in diesem Falle das Spannungsoptimum bei 70 000 Volt Phasenspannung liegt, was bei : ι 000 Kilowatt 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 Fernleitung gemäß vorliegender Erfindung in z. B. vier Unterabschnitte, wie es Fig. 2 zeigt, und verbindet je zwei aufeinanderfolgende Unterabschnitte durch Motorgeneratoren miteinander, dann ergibt sich, wie gezeigt wurde, das Spannungsoptimum bei 140000 Volt, und der resultierende Strom beträgt am Anfang der Leitung nur noch 10 Amp., am Leitungsende

Claims

7,i Amp. Die Bedeutung der Buchstaben ist in Fig. 2 die gleiche wie in Fig. i, nur besteht die Fernleitung F jetzt aus den Unterabschnitten F₁, F₂, F_:l, 7·".,. Diese Unterabschnitte sind durch die Motorgeneratoren M₁, (I₁, M₂, G₂, M₃, G_:i miteinander verbunden.

Ist man an ein Spannungsmaximum in Rücksicht auf die Isolierfähigkeit der Isolationsmaterialien gebunden, dann wird man die Unterteilung der Fernleitung nur so weit treiben, bis das Spannungsoptimum der Teilstrecke dem genannten Spannungsmaximum entspricht, und umgekehrt wird man, falls die Längen nach irgendwelchen Rücksichten anderer Art bestimmt werden, die Spannungen entsprechend dem sich aus der Gleichung Jc — J_n, ergebenden Kapazitätsstrom wählen. Hierdurch ist es möglich, beliebig große Energiemengen auf unbegrenzte Entfernungen in rationeller Weise mittels Emphasen- oder Mehrphasenstrom -Hochspannungsnetzen zu übertragen, um alle Vorteile des Wechselstromes, 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 Synchronoder Asynchron- oder Kollektormotoren in Betracht, als Generatoren alle bekannten selbst- oder fremderregten Ein- oder Melirphasengeneratoren.

1Ά τ ic ν τ - Λ ν s ι· u i/ c j 11;:

ι. Hoclispannungswechselstromleitung zur Überwindung außerordentlich großer Entfernungen bei der Übertragung großer Leistungen, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Fernleitung in Unterabschnitte geteilt 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 Unterabschnittes angeschlossen sind.
2. Hochf.pannungswcchselstL umleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Spannung die Länge jedes Unterabschnittes derart gewählt ist, daß die gegebene Spannung das Spannungsoptimum für den Unterabschnitt darstellt.
3. Hochspannungswechselstromleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung und Frequenz jedes Unterabschnittes unter Berücksichtigung seiner Länge dem Optimum entsprechend gewählt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.