Verfahren zur Übertragung hochgespannter elektrischer Energie, insbesondere über Kabel. Es sind bereits verschiedene Möglich keiten zur Übertragung hochgespannter elek trischer Energie bekannt :
geworden. Am be kanntesten hiervon sind die unmittelbare Übertragung von normalfrequentem Wechsel strom (etwa 50 Hz) über Höchstspannungs- freileitungen und die Übertragung mit hoch- gespanntem Gleichstrom, bei der am Anfang und am Ende der Kuppelleitung je ein um laufender oder ruhender Umformer zur Um formung von Wechselstrom in Gleichstrom bezw. umgekehrt erforderlich ist.
Die erste Übertragungsmöglichkeit hat den Vorteil, dass man besondere Umformungen vermeidet, bereitet aber insbesondere bei der Verwend dung von Kabeln als Übertragungsleitungen Schwierigkeiten, da die Kabel für den Scheitelwert der praktisch sinusförmigen Wechselspannung ausgelegt werden müssen und somit beispielsweise im Vergleich zu Gleichstromleitungen schlechter ausgenutzt sind. Die Übertragung mittels hochgespann ten Gleichstromes gestattet zwar hingegen .die beste Ausnutzung der Übertragungs leitung, hat dafür aber andere Nachteile.
So ist es trotz jahrelanger Entwicklungsarbeiten bis heute nicht möglich ,gewesen, die Um formung von Wechselstrom in Gleichstrom hezw. umgekehrt in einem einzigen Umfor mer .durchzuführen. Man war gezwungen, mehrere Umformer in Reihe zu schalten. Dies gilt für umlaufende und ruhende Um former.
Ferner ist es bis heute nicht möglich gewesen, betriebssichere Hochleistungsschal- ter für hochgespannten Gleichstrom zu bauen, wenngleich bei mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstreeken arbeitenden Um formern durch die Gittersteuerung ein wich tiges, aber doch .nicht bedingungslos arbei tendes Hilfsmittel .gegeben war.
Die vorliegende Erfindung weist nun einen neuen Weg für die Übertragung hoch- g o espannter elektrischer Energie, inshesondere über Kabel. Erfindungsgemäss wird die tbbertragungsleitung mit einer einphasigen Wechselspannung von tra.pezförmiger Kur venform und einer Frequenz von höchstens 10 Hz. gespeist.
Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Teile der Wechselspannungskurve, die den Übergang von einer MTaagrechten zur andern bilden, wie eine Sinuskurve höherer Frequenz.
I. Bei der Übertragung gemäss der Erfin dung erhält man die Vorteile der beiden oben erwähnten bekannten Übertragungsmöglich- keiten, jedoch nicht ihre Nachteile.
So ver meidet man gegenüber der Gleichstromüber- tra.gun.g die Reihenschaltung von Umformern und die Verwendunc von besonderen, für die Hochspannung gebauten Teilen der Umfor mer, insbesondere entsprechend gebauten Ent ladungsgefässen, und beherrscht sämtliche Betriebsvorgänge mit üblichen. Wechselstrom- schaltern.
Vergleicht man für die Übertragunb - leitung, die vorzugsweise als Kabel aus gebildet sein soll, die Verhältnisse, wie sie bei Übertragungen mit normalfrequentem Wechselstrom gelten, mit denen gemäss der Erfindung, so hat man zunächst trotz des Wechselstromcharakters die Vorteile einer Gleichstromübertragung infolge der erfin dungsgemäss angewendeten Kurvenform und Frequenz.
Die Beanspruchung des Isolier mittels hinsichtlich Durchschla.gspannung ist so günstig wie bei Gleichspannung, denn wegen der trapezförmigen Spannungskurve stellen die Effektivwerte praktisch auch die Höchstwerte dar. Im Gegensatz dazu würde bei sinusförmiger Wechselspannung die Höchstbeanspruchung des Isoliermittels das 1,4fache des Effektivwertes betragen. Dieses Verhältnis der Höchstspannungen ist ferner besonders wichtig für die dielektrischen Ver luste, die bekanntlich unter der Annahme gleicher Frequenz mit dem Quadrat der Spannung steigen.
Das neue Übertragungs verfahren verwendet gegenüber dem üblichen WechseIstrom aber nicht nur eine andere Kurvenform, sondern gleichzeitig auch eine sehr stark erniedrigte Frequenz, z. B. 5 Hz. Verglichen mit 50periodigem Betrieb wird der durch das Kabel, also durch den Leiter, die Isolierung und beispielsweise den Mantel ,bildete Kondensator zum Beispiel nur alle zehn IIalbwellen je einmal umgeladen. Die Verlustkomponente des Ladestromes tritt damit ebenfalls zehnmal seltener auf als bei 50periodigem Betrieb.
Die Erwärmungs gefahr durch die dielektrischen Verluste ist demnach etwa zehnmal geringer. Die sel tenere Umladung des Kabels und die über längere Zeit konstante Spannung bringt schliesslich eine wesentliche Entlastung der unvermeidlichen schwachen Stellen des Ka bels, die infolge von Inhomogenitäten, ins besondere kleinsten Cla.seinschlüssen und der gleichen, praktisch die Grenzen für das Kabel bestimmen. Das gefürchtete Glim men von Gaseinschlüssen und Feldkonzentra tionen, örtliche Erwärmungen und ihre Folgen können, da.
die sie verursachende 17m- ladttng kurzzeitig ist und zehnmal seltener auftritt, nur in sehr viel geringerem Masse das Kabel beeinträchtigen. In diesem wich tigen Punkte werden nach dem vorgeschla genen Verfahren schon Verhältnisse in dem Dielektrikum erreicht, die von denen bei reiner Gleiehspannungsbeanspruehung nur \venig verschieden sind. Auch hinsichtlich der strommässigen Beanspruchung des Kabels kommt das vorgeschlagene Verfahren der Gleichstromübertragung sehr nahe.
Ein Hauptnachteil der Wechselstromübertragung mit üblicher Frequenz haftet ihm jedenfalls nicht mehr an. Bei einer Kabelfernübertra gung mit Wechselstrom der Frequenz 50 Hz ist beispielsweise der Ladestrom des Kabels von derselben Grösse wie der Vollaststrom. Die Überlagerung dieser beiden ständig fliessenden .Ströme bestimmt aber Kabelquer schnitt und Stromwärme. Nach dem neuen Verfahren tritt dagegen diese Überlagerung nur beim Übergang von einer Waagrechten zur andern auf, bezogen auf die Verhältnisse bei 50 Hz-Betrieb also zum Beispiel nur in jeder zehnten Halbwelle.
Der Leiterquer schnitt braucht also praktisch nur für den Laststrom ausgelegt zu werden. Das bedeutet eine erhebliche Verbilligung des Kabels und eine Verminderung der Verluste nahezu auf die Werte, die bisher nur mit .der Gleich- stromübertragung erzielt werden konnten.
II. Bei der Anwendung des Übertragungs verfahrens gemäss der Erfindung wird man bemüht sein, möglichst nur Wirkleistung zu übertragen. Dabei besteht jedoch die Schwierigkeit, dass ein grosser Ladestrom auftritt, wenn die Augenblickswerte der zur Übertragung verwendeten Wechselspannung auf den Flanken, also in der Nähe der Span nungsnulldurchgänge, liegen. Gemäss einer zweckmässigen Ausführung .der Erfindung lässt sich diese Schwierigkeit weitgehend oder genau dadurch beheben, dass die Kapa zitIt ider Übertragungsleitung durch eine Drossel kompensiert wird.
Diese Drossel liegt parallel zu der Übertragungsleitung und wird taktmässig am Ende einer Waag rechten der Spannungskurve eingeschaltet und bei Beginn einer neuen Waagrechten der Spannungskurve ausgeschaltet. Obwohl an sich auch synchron gesteuerte, mechanisch bewegte Sehaltorgane verwendbar sind, be nutzt man vorteilhaft gesteuerte Entladungs strecken als .SüUaltorgane.
Die Erfindung möge an Hand der mehrere Ausführungsbeispiele betreffenden Abbil dungen näher erläutert werden. Die von einem umlaufenden oder ruhenden Umformer gelieferte niedrigerfrequente Wechselspan nung wird durch den Transformator 15 der Übertragungsleitung 9 zugeführt. An der Oberspannungsseite des Transformators 15 befindet sich ferner eine Reihenschaltung aus einer Drossel 38 und zwei gegensinnig parallel geschalteten Entladungsstrecken mit eindeutiger Stromdurchlassmichtung 39' bezw. 39".
Zweckmässig verwendet man eine dis kontinuierlich gesteuerte Entladungsstrecke, das heisst eine Entladungsstrecke, beider die Steuerung nur das Einsetzen der Entladung bestimmt, aber auf den weiteren Verlauf des Entladungsstromes keinen Einfluss hat.
Die beiden Entladungsstrecken 39' und 39" sind während der waagrechten Teile der niedriger- frequenten ,Spannungskurve gesperrt und nur in der Nähe der Spannungsnulldurchgänge leitend, und zwar die eine Entladungsstrecke beim Übergang von der positiven zur nega tiven Halbwelle, die andere Entladungs strecke beim Übergang von der negativen zur positiven; Halbwelle.
In Abb. 1 isst zu nächst der Spannungsverlauf e der niedriger- frequenten .Spannung in der Nähe eines Spannungsnulldurcliganges gezeichnet, und es ist zwecks Vereinfachung angenommen, dass die niedrigerfrequente Spannung von einem Trapezkurvenumrichter geliefert wird. Es ist weiter angenommen,
dass am andern Ende tler Übertragungsleitung Wirkleistung abgenommen wird, so dass der Wirkstrom genau den gleichen Kurvenverlauf wie e hat. Beim Übergang von der einen Waagrechten zur andern, das heisst in der Zeit t1 <B>...</B> t2, wird die Übertragungsleitung umgeladen.
Es fliesst ein Ladestrom i, Dieser Ladestrom kann nun weitgehend oder sogar ;genau kom- pensiert werden, indem man in der Zeit ti <B>...</B> t2 die Drossel durch die zugehörige Entladungsstrecke einschaltet.
Hat nun e in der Zeit ti <I>. . .</I> t" einen Spannungsverlauf, der von der Sinusform einer Wechselspannung entsprechender Frequenz abweicht, so werden auch Ladestrom i, und Drosselstrom iL kei nen sinusförmigen Verlauf haben. i, und iL werden also in jedem Zeitpunkt Werte haben, deren Beträge im allgemeinen voneinander abweichen.
Lässt man jedoch, wie bereits oben als günstig empfohlen und bereits in Abb. 1 verwirklicht wurde, die Teile der Wechselspannungskurve, die den Übergang von einer Waagrechten zur andern bilden, wie eine Sinuskurve höherer Frequenz ver laufen, so sind i, und iL ebenfalls @sinusför- mig, und man kann dann eine genaue Kom pensation erreichen.
Bezüglich der Steuerung der beiden; Entla)dungsstxecken ist noch bei Annahme eines starren Umrichters zu be merken, dass man eine .Steuerspannung ver- wenden wird, deren Frequenz gleich der der niedrigerfrequenten Spannung ist, und deren Gestalt derart gewählt ist, dass sie praktisch nur zur Zeit t, das Einsetzen der Entladung gestattet.
Solehe Steuerspannungen sind unter dem NamenZZ'echselspannungen spitzer Wellenform bekannt.
Bei der Betrachtung der Abb. 1 und \? ist angenommen worden, dass die Entladungs strecken 39' und 39" an der Hochspannung der Übertragungsleitung liegen. Dies wird man in Wirklichkeit jedoch aus den gleichen Gründen, wie sie für die Gleichstromüber tragung gelten, nämlich Entladungsgefässe für hoho Spannungen, Reihenschaltung von Entladungsgefässen usw., nicht ausführen. Man wird daher die Drossel und die zu gehörigen Entladungsstrecken auf der Unter- spannungsseite des Transformators 15 anord nen.
Zwar wird dabei der Transformator 15 durch den Ladestrom i, belastet, aber diese zusätzliche Belastung ist äusserst gering, denn i,, nimmt seinen Grösstwert dann an, wenn der Wirkstrom gerade durch Null geht, und umgekehrt ist i, Null, wenn der Wirk strom den Wert, der der Waagrechten ent spricht, erreicht hat.
Bei verhältnismässig kurzen Übertra- gungsleitungen wird man die Kompen- sation.sdrossel an dem einen Ende der Über tragungsleitung anordnen. Mit zunehmender Länge der Übertragungsleitung empfiehlt sich jedoch eine Aufteilung der Kompen sationsdrossel, und zwar Anordnung an bei den Enden der Übertragungsleitung, dann Einfügung auf der Hälfte oder einem Drittel der Übertragungsleitung. Zweckmässig wer den dabei alle Entladungsstrecken von einem gemeinsamen Kommandopunkt aus durch Fernsteuerung beeinflusst.
III. Bei der Anwendung des Erfindungs- gedankens in Verbindung mit den üblichen Wechselstromnetzen ergeben sich einige Ge sichtspunkte, die nachstehend erörtert sind.
In Abb. 3 der Zeichnung ist eine Schal tung dargestellt, bei der umlaufende Um- former zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung vorgesehen sind. Ein Drehstromnetz 11 speist einen aus Motor 13 und Generator 14 bestehenden umlaufenden Umformer 12. Obwohl an sich in manchen Fällen auch ein Synchron-Synchron-Umfor- mer verwendet werden kann, wird man im allgemeinen einen elastischen Umformer, also einen Kaskadenumformer, vorziehen. Der Einfachheit wegen sind die Hintermaschinen in der Zeichnung nicht angegeben.
Der Gene rator 14 liefert eine Wechselspannung mit trapezförmiger Kurvenform, die über ;den Transformator 15 der Übertragungsleitung 9 zugeführt wird. Am Ende der Übertragungs- leitung 9 wird die Spannung durch den Transformator 25 herabtransformiert und dem aus Motor 24 und Generator 23 be stehenden umlaufenden Umformer 22 zu geführt. Der Generator 23 seinerseits ist mit dem Drehstromnetz 21. verbunden. Im all gemeinen wird das Übertragungsverfahren gemäss der Erfindung für die Kupplung von Drehstrom-Landesnetzen in Frage kommen.
Jedoch hat das Verfahren auch Bedeutung für die Kupplung eines Drehstrom-Landes- netzes (etwa 50 Hz) mit einem Einphasen strom-Bahnnetz (etwa 16'/" Hz). In einem derartigen Fall empfiehlt es sich, a1" Fre quenz für die trapezförmige We-chselspan- nung 5'/, Hz zu wählen. Bemerkt wird noch, dass es nicht erforderlich ist, dass an jedem Ende der Kuppelleitung ein elastisch arbei tender Umformer aufgestellt ist.
Es genügt, an dem einen Ende einen elastisch arbeiten den Umformer, an dem andern Ende einen starr arbeitenden Umformer vorzusehen.
An Stelle eines umlaufenden Umformers kann man auch einen ruhenden Umformer, beispielsweise in der Gestalt eines Umrich ters, verwenden. Ein derartiger Umformer ist in Abb. 4 der Zeichnung dargestellt. Er enthält einen an das speisende Drehstrom netz 31 angeschlossenen Transformator 32 mit den beispielsweise sechsphasigen Wick lungen 32' und 32",
ferner zwei mehranodige Entladungsgefässe 33' und 33" und den für die sehr kleine Frequenz ausgelegten Trans- formator 3$, der die Übertragungsleitung 35 speist.
Die Wirkungsweise ist .dabei die, dass während der einen Halbwelle des niedriger- frequenten Wechselstromes die Entladungs strecken 33' auf den linken Teil -der mittel angezapften Wicklung des Transformators 34, während der andern Halbwelle die Ent- ladungsstreeken 33" auf den rechten Teil der Transformatorwicklung arbeiten. Die Gitter steuerung derartiger Umrichter ist an sich bekannt, ebenso auch die Gittersteuerung für solche Umrichter,
die eine trapezförmige Spannungskurve liefern (vergl. z. B. schwei zerische Patentschrift Nr. 173887). Bei einer beispielsweise angenommenen Frequenzunter- aetzung 9 : 1 (z. B. von 50 Hz auf 5 '/9 Hz) erhält man dann die in Abb. 5 dargestellte Spannungskurve. Zwecks besserer Verständ lichkeit ist die Spannungskurve -einer Phase des höherfrequenten Netzes ,gestrichelt ein gezeichnet.
Hervorzuheben ist noch"dass man bei der in Abb.4 dargestellten Umrichter sühaltung wegen des Vorhandenseins der Transformatoren 32 und 34 vollkommen frei in der Auswahl der Entladungsgefässe ist. Man kann also normale Hochleistungsentla- dungsgefässe für normale Spannungen und Ströme verwenden. Ein Umrichter kann auch beispielsweise nach Abb. 6 oder 7 geschaltet sein.
Bei Abb. 6 ist bemerkenswert, @dass die Primärwicklung des Transformators 3,4 stets in ihrer vollen Länge vom Strom durch flossen wird, bei Abb.7 ist hervorzuheben, dass der Transformator 32 nur eine sechs phasige Sternwicklung zur Speisung der bei den mehranodigen Entladungsgefässe 33' und 33" aufweist.
Bei der Darstellung gemäss Abb. 4 ist sechsphasige Speisung zugrunde gelegt wor den. Bei .grossen Leistungen empfiehlt es sich jedoch, mindestens zwölf Phasen, .gegebenen falls noch mehr Phasen zur Speisung der Entladungsgefässe heranzuziehen. Dabei wird man zweekmässigerweise den Umrichter in mehrere Teilumrichter zerlegen, wobei jeder Teilumrichter mit etwa drei Speisephasen arbeitet, wie bereits verschiedentlich vor geschlagen wurde.
Selbst bei sehr ,grosser Phasenzahl wird .die vom Umrichter ge lieferte Spannungskurve nicht genau trapez- förmig sein, sondern die vom Gleichrichter her bekannten Oberwellen enthalten. Zwecks Verringerung dieser Oberwellen auf einen sehr kleinen Wert ist es vorteilhaft, für jede der beiden Gruppen von Entladungsstrecken eine Glättungsdrossel vorzusehen.
Bei der vor liegenden Umrichterschaltung kann man sogar die beiden Glättungsdrosseln zu einer einzigen Drossel 36 zusammenfassen. Im Hinblick darauf, dassdiese Drossel nicht nur im waagrechten Teil der Spannungskurve wirkt, sondern auch auf den Flanken, also in der Nachbarschaft der Spannungsnull durchgänge, die :Spannungskurve umbildet, empfiehlt es sich, dass die Drossel in den letzteren Bereichen unwirksam ist.
Das kann man dadurch erreichen, dass man zwei ein- anodige Entladungsgefässe 37' und 3.7" gegensinnig parallel ,schaltet und sie derart steuert, dass sie im waagrechten Teil der trapezförmigen Spannungskurve gesperrt sind, sodann im Abstieg vom waagrechten Teil bis zum Nulldurchgang,das Entladungs gefäss 37' und alsdann vom Nulldurchgang bis zum Beginn des waagrechten Teils das Entladungsgefäss 37" arbeitsbereit zu halten ist.
Damit nun von Beginn des waagrechten Teils der Spannungskurve an das Ent ladungsgefäss 37" wieder gesperrt ist, muss das Entladungsgefäss 37" entweder ein kon tinuierlieh gesteuertes Entladungsgefäss sein, also ein Entladungsgefäss, bei dem allein die Steuerung eine Unterbrechung des Ent- ladungestromes ermöglicht, oder es muss, wenn das Entladunb ,gefäss 37" nur @diskon- tinuierlich steuerbar ist,
der Entladungs strom durch besondere Mittel im vor gesehenen Augenblick zum Erlöschen ge bracht werden. Diese vorstehenden Betrach tungen ,gelten im übrigen nur für den Fall, dass nach dem übertragungsverfahren gemäss vorliegender Erfindung Wirkleistung über tragen werden soll.
Bezüglich der Steuerung der Entladung@s,gefässe wird noch bemerkt, dass für jede Drossel zwei derartige Ent- ladungs.gefässe erforderlich sind. Ist für jedes Hauptgefäss je eine Drossel vorgesehen, so sind die zusätzlichen Entladungsstrecken im Takt der niedrigerfrequenten Spannung zu steuern.
Ist für beide Hauptgefässe eine einzige Drossel vorgesehen, so müssen die zu sätzlichen Entladungsstrecken <B>37'</B> und 37" im Takt der doppelten Frequenz der nied- rigerfrequenten Spannung gesteuert werden. Eine derartige Steuerspannung kann man beispielsweise durch Gleichrichtung der niedrigerfrequenten Spannung in einer Zwei- wegscha.ltung erhalten, wobei es vorteilhaft ist, diese gleichgerichtete Spannung als negative Spannung in den Gitterkreis einzu fügen.
Die bereits weiter oben an Hand von Abb. 1 und ? erläuterten Schaltelemente (Kompensationsdrossel 38 und Entladungs- strecken 39' und 39") lassen sieh in der in Abb. d dargestellten Weise einfeigen. Dabei liegen die beiden an sich gegensinnig parallel zu schaltenden Entladungsstrecken 39' und 39" wegen der mittelangezapften Transfor- matorwieklung derart, dass sie gemeinsames Kathodenpotential haben.
Sie können also zu einem zweianodia-en Entladungsgefiss mit gemeinsamer Kathode zusammengefasst wer den.
Wird der Umrichter als elastischer Tra- pezkurvenumrichter betrieben, so ist trotz der Veränderlichkeit der niedrigen Frequenz eine Abänderung des Wertes der Kompen sationsdrossel nicht erforderlich, solange die Frequenz der den Umrichter speisenden Spannungen konstant bleibt, denn diese Fre quenz bestimmt die Frequenz :des aus der Kapazität der Übertragungsleitung und der Induktivität der Kompensationsdrossel be stehenden Sehwing¯ungskreises. Anders ist es jedoch mit der Steuerung der Entladungs strecken 39' und 39<B>"</B>.
Diese muss den Be dingungen des elastischen Betriebes des Um- riehters angepasst werden, und dies soll an Band der Abb. 8 und 9 erläutert werden. Der Gitterkreis der gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecke 39' enthält ausser zwei Widerständen 7 und 8 eine Steuer spannung 16 der niedrigen Frequenz und eine passend gewählte negative Vorspannüng 17.
Der Widerstand 7 liegt in einem Gleich- richterkreie, dessen Zahl der Speisephasen gleich der des Trapezkurvenumrichters ist. Der den Hilfsgleichrichter speisende Trans formator mit der Sekundärwieklung 1 ...6 liefert eine Wech:selspannun.g spitzer Wellen form, von der wegen der Gleichrichter elemente 10...60 nur die positiven Span nungsspitzen in den Clitterkreis gelangen.
Diese Spannungsspitzen sind als eg.3 <B>...</B><I>e,6</I> in Abb. 9 dargestellt, und man erkennt ihre Zuordnung zu den Phasenspannungen e . . ezi des Trapezkurvenumrichters. Die niedriger- frequente Steuerspannung ep" hat eine das Einsetzen der Entladung ermöglichende Impulsdauer, die etwas kleiner ist als der zeitliche Abstand zweier Spannungsspitzen.
Die einzelnen Steuerspannungen sind so be messen, dass ein Einsetzen der Entladung in der Entladungsstrecke 39' nur dann statt findet, wenn sowohl eg", als auch eine der Spannungsspitzen eg3 <B>...</B> eg, positive Werte haben. Dadurch wird ein Einsetzen der Ent ladung in einer vorgegebenen Phasenlage sichergestellt. Durch Vorschalten einer phasendrehenden Vorrichtung kann man die Lage der Spannungsspitzen eg;; <B>...</B> e,6 ent sprechend den Betriebsverhältnissen genau einstellen.
IV. Vergleicht man die Leistungsverhältnisse bei der Energieübertragung gemäss der Er findung mit denen bei der Gleiehstromüber- tragung und bei einphasiger Übertragung mit sinusförmiger Wechselspannung, so er gibt sich folgendes: Bei der Übertragung gemäss der Erfin dung haben .Spannung und Strom während des grössten Teils jeder Halbwelle einen un- veränderliehen Wert, der der -\Va.agreohten entspricht.
In diesen Teilen der Periode be steht ein konstanter Leistungsfluss. Nur in der Nachbarschaft des Spannungsnulldureh- ga.nges sinkt der Leistungsfluss bis auf Null herab.
Während bei .der einphasigen Über tragung mit sinusförmiger y6'echselspannung der Leistungsfluss sich dauernd ändert und daher die Schwankungen des Leistungs- flusses um den Mittelwert besonders .gross sind, sind die Schwankungen bei der vor geschlagenen Übertragung sehr klein. Hinzu kommt, dass die Absenkung des Leistungs flusses besonders kurzzeitig dann ist, wenn die Teile der Wechselspannungskurve, die den Übergang von einer Waagrechten zur andern bilden, wie eine Sinuskurve höherer Frequenz verlaufen.
Man erreicht also bei der Übertragung .gemäss der Erfindung sehr weitgehend die Leistungsverhältnisse, wie sie bei der Gleichstromübertragung bestehen, be hält aber immer noch einen synchronisieren den Einfluss. Dieser ,synchronisierende Ein fluss ist dann von Bedeutung, wenn über die Übertragungsleitung zwei Netze starr ge kuppelt werden sollen.
Die vorstehend beschriebenen Verhältnisse gelten bei starrer Kupplung für umlaufende und ruhende Umformer. Bei elastischem Be trieb ergeben sich keine Besonderheiten, wenn am Ende der Übertragungsleitung ein umlaufender Umformer vorgesehen ist. Hin gegen sind bei Verwendung eines elastisch arbeitenden Umrichters einige Änderungen zu treffen.
Bei elastischem Betrieb würden nämlich die bereits erwähnten perio,disohen Absenkungen des Leistungsflusses im all gemeinen in solchen Zeiten stattfinden, die nicht gerade einer Flanke einer Phasenspan nung entsprechen. Um dies zu vermeiden, ist es vorteilhaft, den Umrichter am Ende der Übertragungsleitung - der im Gegen satz zu dem am Anfang der Übertragungs leitung befindlichen,
gemäss den Bedin gungen des Gleichrichterbetriebes gesteuer ten Umrichter gemäss den Bedingungen des Wechselrichterbetriebes zu ;steuern ist - mit Energiespeichern zu versehen, damit die Ab senkungen des Leistungsflusses praktisch be seitigt werden. Hierfür kommt in erster Linie die bereits in Abb. 4 dargestellte Glät- tungsdrossel 36 in Frage.
Dabei ergibt sieh jedoch der Unterschied, dass die Drossel bei Gleichriehterbetrieb verhältnismässig klein ist und dann noch vorteilhaft taktmässig un wirksam gemacht wird, während die Drossel bei Wechselrichterbetrieb möglichst gross und dauernd vollwirksam sein muss.
Bei Anlagen, bei denen ein Energierichtungswechsel vor gesehen ist, wird man :demnach die Glät- tungSdrossel veränderlich wählen, insbeson dere die Drossel mit Anzapfungen versehen, wobei bei Wechselriahterbetrieb die volle Drossel, bei Gleichrichterbetrieb nur ein Teil der- Drossel eingeschaltet wird.
Infolge der dauernd wirksamen Drossel im Umrichter, der dem Wechselrichterbetrieb unterliegt, wird die Übertragungsleitung und damit auch der primäre Umrichter mit phasenver schobenem Strom belastet. Dies ist zu ver meiden, und es gelingt dies, indem man ,die Kapazität der Übertragungsleitung zur Kom pensation heranzieht. Das hat zur Folge, dass die Kompensationsdrossel 38 nicht mehr in voller Grösse verwendet werden kann. Sie darf also den Ladestrom nur zum Teil kom pensieren.
Da der in,der dauernd wirksamen Drossel fliessende, phasenverschobene Strom lastabhängig ist, muss infolgedessen auch ,die Kompensationsdrossel lastabhängig gewählt werden. Es empfiehlt sich demnach, auch die Kompensationsdrossel mit Anzapfüngen zu versehen.
Bei der Verwendung von mit gitter- gesteuerten Dampf- oder Gasentladungs- strecken arbeitenden Umrichtern hat man schliesslich bequem die Möglichkeit, eine Lei- stungsregelung mittels der Gittersteuerung durchzuführen. Spannungsregelungen bei Umrichtern mittels der Gittersteuerung sind an sieh bekannt. (vergl. z. B. schweizerische Patentschrift Nr. 1608.86).
Bei der Anwen dung der Übertragung gemäss der Erfindung wird man jedoch die Spannungs- und Lei stungsregelung in der Weise durchführen, dass die Teile der Wechselspannunokurven, die den Übergang von einer Waagrechten zur andern bilden, nicht beeinflusst werden, son dern nur die die Waagrechten bildenden Stücke der einzelnen Phasenspannungen an geschnitten werden.
Bemerkt wird noch bezüglich,der für die sehr kleine Frequenz ausgelegten Einrich- tungen, insbesondere Transformatoren 15 und 25, dass infolge der sehr kleinen Frequenz der Aufwand an Kupfer und Eisen zwar steigt, jedoch die Kosten für Eisen nur ver hältnismässig wenig steigen, weil man nun mehr kein hochwertiges Eisen, sondern nur normales Eisen zu verwenden braucht.
Method for the transmission of high voltage electrical energy, in particular via cables. Various possibilities for the transmission of high-voltage electrical energy are already known:
become. The best known of these are the direct transmission of normal-frequency alternating current (around 50 Hz) via extra high voltage overhead lines and the transmission with high-voltage direct current, with a rotating or stationary converter at the beginning and end of the coupling line for converting Alternating current in direct current respectively. conversely is required.
The first transmission option has the advantage that it avoids special transformations, but causes difficulties, especially when using cables as transmission lines, since the cables have to be designed for the peak value of the practically sinusoidal alternating voltage and are therefore less well utilized than, for example, direct current lines. Transmission by means of high-voltage direct current, on the other hand, allows the best utilization of the transmission line, but has other disadvantages.
So, despite years of development work, it has not been possible to this day, the conversion of alternating current into direct current hezw. vice versa in a single converter. One was forced to connect several converters in series. This applies to rotating and stationary converters.
Furthermore, it has not been possible to date to build reliable high-performance switches for high-voltage direct current, even though the grid control provided an important, but not unconditionally working aid in converters working with grid-controlled vapor or gas discharge lines.
The present invention now shows a new way for the transmission of high-voltage electrical energy, in particular via cables. According to the invention, the transmission line is fed with a single-phase alternating voltage in the shape of a trapezoidal curve and a frequency of at most 10 Hz.
According to an advantageous embodiment of the invention, the parts of the alternating voltage curve which form the transition from one M horizontal to the other run like a sinusoidal curve of higher frequency.
I. With the transfer according to the invention, the advantages of the two above-mentioned known transfer options are obtained, but not their disadvantages.
In contrast to direct current transmission, this avoids the series connection of converters and the use of special converter parts built for the high voltage, in particular appropriately constructed discharge vessels, and all operating processes are mastered with the usual. AC switches.
If one compares the conditions for the transmission line, which should preferably be designed as a cable, as they apply to transmissions with normal-frequency alternating current, with those according to the invention, one initially has the advantages of direct current transmission as a result of the invention, despite the alternating current character applied waveform and frequency.
The stress on the insulation with regard to breakdown voltage is as favorable as with direct voltage, because because of the trapezoidal voltage curve, the effective values practically also represent the maximum values. In contrast, with sinusoidal alternating voltage, the maximum stress on the insulation would be 1.4 times the effective value. This ratio of the maximum voltages is also particularly important for the dielectric losses, which are known to increase with the square of the voltage assuming the same frequency.
The new transmission method uses not only a different curve shape compared to the usual WechseIstrom, but also a very much reduced frequency, e.g. B. 5 Hz. Compared to 50-period operation, the capacitor formed by the cable, i.e. by the conductor, the insulation and, for example, the jacket, is only charged once every ten half-waves. The loss component of the charging current also occurs ten times less often than in 50-period operation.
The risk of heating up due to dielectric losses is therefore around ten times lower. The less frequent reloading of the cable and the constant voltage over a longer period of time ultimately relieves the inevitable weak points of the cable, which practically determine the limits for the cable due to inhomogeneities, especially the smallest cla. Inclusions and the like. The dreaded glow of gas inclusions and field concentrations, local warming and their consequences can be there.
the 17m- charge causing it is short-term and occurs ten times less often, only affect the cable to a much lesser extent. In this important point, according to the proposed method, ratios in the dielectric are achieved that are only slightly different from those in the case of pure equilibrium stress. The proposed method also comes very close to direct current transmission with regard to the current stress on the cable.
In any case, it no longer has a major disadvantage of AC transmission at the usual frequency. In the case of remote cable transmission with alternating current with a frequency of 50 Hz, for example, the charging current of the cable is of the same magnitude as the full load current. However, the superposition of these two constantly flowing currents determines the cable cross-section and the heat of the current. According to the new method, on the other hand, this superposition only occurs when changing from one horizontal to the other, based on the conditions in 50 Hz operation, for example, only in every tenth half-wave.
The conductor cross-section practically only needs to be designed for the load current. This means a considerable reduction in the price of the cable and a reduction in losses almost to the values that could previously only be achieved with direct current transmission.
II. When using the transmission method according to the invention, efforts will be made to transmit only real power as far as possible. However, there is the difficulty that a large charging current occurs when the instantaneous values of the alternating voltage used for transmission are on the flanks, that is, in the vicinity of the voltage zero crossings. According to an expedient embodiment of the invention, this difficulty can be largely or precisely remedied in that the capacity in the transmission line is compensated for by a throttle.
This choke lies parallel to the transmission line and is switched on at the end of a horizontal line of the voltage curve and switched off at the beginning of a new horizontal line of the voltage curve. Although synchronously controlled, mechanically moved Sehaltorgane can be used, be used advantageously controlled discharge routes as .SüUaltorgane.
The invention should be explained in more detail using the illustrations relating to several exemplary embodiments. The lower-frequency AC voltage supplied by a rotating or stationary converter is fed to the transmission line 9 through the transformer 15. On the high-voltage side of the transformer 15 there is also a series circuit of a choke 38 and two oppositely connected parallel discharge paths with a clear current passage 39 'or. 39 ".
A dis continuously controlled discharge path is expediently used, that is to say a discharge path in which the control only determines the onset of the discharge but has no influence on the further course of the discharge current.
The two discharge paths 39 'and 39 "are blocked during the horizontal parts of the lower-frequency voltage curve and are only conductive near the voltage zero crossings, namely one discharge path during the transition from the positive to the negative half-wave, the other discharge path during the transition from negative to positive; half-wave.
In Fig. 1, the voltage curve e of the lower-frequency voltage is drawn in the vicinity of a voltage zero curve, and for the sake of simplification it is assumed that the lower-frequency voltage is supplied by a trapezoidal converter. It is further assumed
that at the other end of the transmission line, real power is drawn, so that the real current has exactly the same curve as e. During the transition from one horizontal to the other, that is to say in time t1 <B> ... </B> t2, the transmission line is reloaded.
A charging current i flows, this charging current can now be largely or even precisely compensated by switching on the choke through the associated discharge path in the time ti ... </B> t2.
Now has e in time ti <I>. . . </I> t "has a voltage curve that deviates from the sinusoidal shape of an alternating voltage of a corresponding frequency, then the charging current i and inductor current iL will not have a sinusoidal curve either. I, and iL will therefore have values at any point in time whose amounts are in generally differ from each other.
If, however, as recommended above and already implemented in Fig. 1, the parts of the AC voltage curve that form the transition from one horizontal to the other run like a sinusoid of higher frequency, then i, and iL are also @ sinusoidal, and you can then achieve an exact compensation.
Regarding the control of the two; Discharge plug is to be noted, assuming a rigid converter, that a control voltage will be used, the frequency of which is the same as that of the lower-frequency voltage, and whose shape is chosen so that it is practically only at the time t, the onset the discharge permitted.
Sole control voltages are known under the name ZZ 'alternating voltages with a sharp waveform.
When looking at Fig. 1 and \? It has been assumed that the discharge paths 39 'and 39 "are connected to the high voltage of the transmission line. In reality, however, this will be done for the same reasons as apply to direct current transmission, namely discharge vessels for high voltages, series connection of discharge vessels, etc. The choke and the associated discharge paths will therefore be placed on the low-voltage side of the transformer 15.
Although the transformer 15 is loaded by the charging current i, but this additional load is extremely low, because i ,, assumes its maximum value when the active current just goes through zero, and conversely, i, zero when the active current has reached the value that corresponds to the horizontal.
In the case of relatively short transmission lines, the compensation throttle will be arranged at one end of the transmission line. As the length of the transmission line increases, however, it is advisable to divide the compensation throttle, namely to arrange it at the ends of the transmission line, then to insert it on half or a third of the transmission line. Expediently, whoever influenced all the discharge paths from a common command point by remote control.
III. When the concept of the invention is used in conjunction with the usual alternating current networks, a number of points arise which are discussed below.
In Fig. 3 of the drawing a circuit is shown in which revolving converters are provided for performing the method according to the invention. A three-phase network 11 feeds a rotating converter 12 consisting of motor 13 and generator 14. Although a synchronous-synchronous converter can also be used in some cases, an elastic converter, ie a cascade converter, is generally preferred. For the sake of simplicity, the rear machines are not indicated in the drawing.
The generator 14 supplies an AC voltage with a trapezoidal waveform, which is supplied to the transmission line 9 via the transformer 15. At the end of the transmission line 9, the voltage is stepped down by the transformer 25 and fed to the rotating converter 22 consisting of motor 24 and generator 23. The generator 23 in turn is connected to the three-phase network 21. In general, the transmission method according to the invention for the coupling of three-phase national networks will come into question.
However, the method is also important for the coupling of a three-phase national network (approx. 50 Hz) with a single-phase current rail network (approx. 16 '/ "Hz). In such a case, it is advisable to use a1" frequency for the trapezoidal Alternating voltage 5 '/, Hz to be selected. It should also be noted that it is not necessary that an elastic working tender converter is set up at each end of the coupling line.
It is sufficient to provide an elastic converter at one end and a rigid converter at the other end.
Instead of a rotating converter, you can also use a stationary converter, for example in the form of a converter. Such a converter is shown in Fig. 4 of the drawing. It contains a transformer 32 connected to the feeding three-phase network 31 with the six-phase winding 32 'and 32 ", for example,
Furthermore, two multi-anode discharge vessels 33 'and 33 "and the transformer 3 $ designed for the very low frequency, which feeds the transmission line 35.
The mode of operation is that during one half-cycle of the lower-frequency alternating current, the discharge paths 33 'on the left-hand part of the center-tapped winding of the transformer 34, during the other half-cycle the discharge paths 33' 'on the right-hand part of the The grid control of such converters is known per se, as is the grid control for such converters,
which provide a trapezoidal voltage curve (see, for example, Swiss patent specification no. 173887). For example, assuming a frequency reduction of 9: 1 (e.g. from 50 Hz to 5 '/ 9 Hz) the voltage curve shown in Fig. 5 is obtained. For the purpose of better understanding, the voltage curve of a phase of the higher-frequency network is shown in dashed lines.
It should also be emphasized that "with the converter maintenance shown in Fig. 4, you are completely free in the choice of discharge vessels due to the presence of transformers 32 and 34. You can therefore use normal high-performance discharge vessels for normal voltages and currents. A converter can also be switched for example according to Fig. 6 or 7.
In Fig. 6 it is noteworthy that the primary winding of the transformer 3, 4 always flows through the full length of the current, in Fig. 7 it should be emphasized that the transformer 32 only has a six-phase star winding for feeding the multi-anode discharge vessels 33 'and 33 ".
The illustration according to Fig. 4 is based on a six-phase supply. In the case of high outputs, however, it is advisable to use at least twelve phases, if there are even more phases, to supply the discharge vessels. In this case, the converter will be divided into several partial converters, with each partial converter working with around three feed phases, as has already been suggested on various occasions.
Even with a very large number of phases, the voltage curve supplied by the converter will not be exactly trapezoidal, but will contain the harmonics known from the rectifier. In order to reduce these harmonics to a very small value, it is advantageous to provide a smoothing choke for each of the two groups of discharge paths.
With the converter circuit in front of it, the two smoothing chokes can even be combined into a single choke 36. In view of the fact that this choke acts not only in the horizontal part of the voltage curve, but also on the flanks, i.e. in the vicinity of the voltage zero crossings, which: transforms the voltage curve, it is recommended that the choke be ineffective in the latter areas.
This can be achieved by connecting two one-anodic discharge vessels 37 'and 3.7 "in parallel in opposite directions and controlling them in such a way that they are blocked in the horizontal part of the trapezoidal voltage curve, then in the descent from the horizontal part to the zero crossing, the discharge vessel 37 'and then from the zero crossing to the beginning of the horizontal part the discharge vessel 37 ″ is to be kept ready for work.
So that the discharge vessel 37 ″ is blocked again from the beginning of the horizontal part of the voltage curve, the discharge vessel 37 ″ must either be a continuously controlled discharge vessel, i.e. a discharge vessel in which the control alone enables the discharge current to be interrupted, or it must, if the discharge, vessel 37 "can only be controlled discontinuously,
the discharge current can be extinguished by special means at the specified moment. The above considerations only apply in the event that active power is to be transmitted according to the transmission method according to the present invention.
With regard to the control of the discharge vessels, it should also be noted that two such discharge vessels are required for each throttle. If a throttle is provided for each main vessel, the additional discharge paths must be controlled in time with the lower-frequency voltage.
If a single choke is provided for both main vessels, the additional discharge paths 37 'and 37 "must be controlled at twice the frequency of the lower-frequency voltage. Such a control voltage can be achieved, for example, by rectifying the lower-frequency voltage Voltage obtained in a two-way circuit, it being advantageous to insert this rectified voltage as a negative voltage in the grid circle.
The above with reference to Fig. 1 and? The switching elements explained (compensation choke 38 and discharge paths 39 'and 39 ") can be figured in the manner shown in Fig. d. The two discharge paths 39' and 39", which are to be switched in opposite directions, lie in this way because of the center-tapped transformer wave that they have a common cathode potential.
They can therefore be combined to form a two anodia-en discharge vessel with a common cathode.
If the converter is operated as an elastic trapezoidal curve converter, despite the variability of the low frequency, it is not necessary to change the value of the compensation throttle as long as the frequency of the voltages feeding the converter remains constant, because this frequency determines the frequency: the one from the Capacity of the transmission line and the inductance of the compensation choke existing visual oscillation circuit. It is different, however, with the control of the discharge paths 39 'and 39 <B> "</B>.
This must be adapted to the conditions of the elastic operation of the converter, and this is to be explained using the tape in Figs. 8 and 9. The grid circle of the grid-controlled vapor or gas discharge path 39 'contains two resistors 7 and 8, a control voltage 16 of the low frequency and a suitably selected negative bias voltage 17.
The resistor 7 is in a rectifier circuit whose number of feed phases is the same as that of the trapezoidal converter. The transformer with secondary voltage 1 ... 6 feeding the auxiliary rectifier supplies an alternating voltage with a sharp wave form, of which only the positive voltage peaks reach the clitter circuit due to the rectifier elements 10 ... 60.
These voltage peaks are shown as eg.3 <B>...</B> <I> e, 6 </I> in Fig. 9, and you can see their assignment to the phase voltages e. . ezi of the trapezoidal cam converter. The lower-frequency control voltage ep ″ has a pulse duration which enables the discharge to start and which is somewhat smaller than the time interval between two voltage peaks.
The individual control voltages are measured in such a way that the discharge begins in the discharge path 39 'only when both eg "and one of the voltage peaks eg3 <B> ... </B> eg have positive values. This ensures that the discharge starts in a specified phase position.By connecting a phase-rotating device, the position of the voltage peaks eg ;; <B> ... </B> e, 6 can be precisely set in accordance with the operating conditions.
IV. If one compares the power ratios in the energy transmission according to the invention with those in the traction current transmission and in single-phase transmission with sinusoidal alternating voltage, the result is the following: In the transmission according to the invention, voltage and current have for the most part every half-wave an unchangeable value which corresponds to the - \ Va.agreohte.
In these parts of the period there is a constant power flow. Only in the vicinity of the voltage zero transition does the power flow drop to zero.
While with single-phase transmission with sinusoidal alternating voltage the power flow changes constantly and therefore the fluctuations in the power flow around the mean value are particularly large, the fluctuations in the proposed transmission are very small. In addition, the lowering of the power flow is particularly brief when the parts of the AC voltage curve that form the transition from one horizontal to the other run like a sinusoidal curve of higher frequency.
In the case of the transmission according to the invention, one thus largely achieves the power ratios as they exist in direct current transmission, but still maintains a synchronizing influence. This synchronizing influence is important when two networks are to be rigidly coupled via the transmission line.
The conditions described above apply to a rigid coupling for rotating and stationary converters. In the case of elastic operation, there are no special features if a circulating converter is provided at the end of the transmission line. On the other hand, some changes have to be made when using an elastic converter.
In the case of elastic operation, the aforementioned perio, disohen reductions in the power flow would generally take place in times that do not exactly correspond to an edge of a phase voltage. To avoid this, it is advantageous to install the converter at the end of the transmission line - the opposite of the converter at the beginning of the transmission line.
Inverter controlled according to the conditions of the rectifier operation according to the conditions of the inverter operation; control is to be provided with energy storage devices so that the lowering of the power flow is practically eliminated. The smoothing throttle 36 already shown in FIG. 4 is primarily suitable for this.
In this case, however, there is the difference that the throttle is comparatively small in the case of synchronized operation and is then advantageously made ineffective in terms of the cycle, while the throttle must be as large as possible and permanently fully effective in the case of inverter operation.
In systems in which a change in the direction of energy is envisaged, you will: accordingly select the smoothing choke so that it can be changed, in particular the choke is provided with taps, whereby the full choke is switched on for alternating operation and only part of the choke is switched on for rectifier operation.
As a result of the permanently effective choke in the converter, which is subject to the inverter operation, the transmission line and thus also the primary converter is loaded with phase-shifted current. This is to be avoided, and this is achieved by using the capacitance of the transmission line for compensation. This has the consequence that the compensation throttle 38 can no longer be used in full size. So it may only partially compensate for the charging current.
Since the phase-shifted current flowing in the permanently active choke is load-dependent, the compensation choke must therefore also be selected as a function of the load. It is therefore advisable to also equip the compensation throttle with taps.
When converters operating with grid-controlled vapor or gas discharge paths are used, one finally has the convenient option of carrying out a power control using the grid control. Voltage controls for converters by means of the grid control are known to see. (see e.g. Swiss patent specification No. 1608.86).
When applying the transmission according to the invention, however, the voltage and power control will be carried out in such a way that the parts of the alternating voltage unocurves that form the transition from one horizontal to the other are not influenced, but only those that form the horizontal Pieces of the individual phase voltages can be cut on.
It should also be noted with regard to the devices designed for the very low frequency, in particular transformers 15 and 25, that although the cost of copper and iron increases due to the very low frequency, the costs for iron increase only relatively little because one no longer needs to use high quality iron, but only needs to use normal iron.