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Schaltanordnung zur Beseitigung störender Einflüsse von höheren Harmonischen
der Starkstromspannung auf den Betrieb von überlagerungafernsteueranlagen In überlagerungsfernsteueranlagen,
bei denen beispielsweise zwecks Fernsteuerung eine Spannung netzfremder Frequenz
überlagert wird, die in der Größenordnung von einigen Prozent der Starkstromspannung
liegt, besteht die Gefahr, daß durch höhere Harmonische des Starkstromnetzes der
Fernsteuerbetrieb gestört wird. Im allgemeinen kann man sich gegen diese Gefahr
dadurch schützen, daß man die Frequenzen der überlagerten Ströme genügend weit von
den Frequenzen der höheren Harmonischen abrückt, also beispielsweise in einem für
die Steuerfrequenzen benutzten Bereich entsprechend große Lücken für die Netzharmonischen
frei läßt. Dieser Schutz versagt aber, wenn die höheren Harmonischen des Netzes,
beispielsweise durch=Resonanzerscheinungen auf langen Hochspannungsleitungen oder
' andere Ursachen, über das normale Maß verstärkt werden. -Gerade in neuerer Zeit,
in der man mehr und mehr dazu übergeht, räumlich weit auseinanderliegende Verbraucher-
und Erzeugergebiete durch Fernleitungen zusammenzuschließen, besteht die Gefahr,
daß sich wegen der großen Ausdehnung des mitunter mehrfach vermaschten, aus Freileitungen
und Kabelstrecken zusammengesetzten Leitergebildes an einzelnen Stellen der Fernleitung
die höheren Harmonischen, vorzugsweise zu Zeiten schwacher Belastung, besonders
stark ausbilden bzw. das höhere Harmonische, die -durch einen schadhaften oder mangelhaften
Verbraucher oder Erzeuger an dem einen Punkt des Netzes in übermäßiger Stärke hervorgerufen
. werden, in andere Netzteile verschleppt werden.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, auch derartige Störungen für den Fernsteuerbetrieb
auszuschließen. Sie geht davon aus, daß in der Regel bei derartigen Fernsteueranlagen
nicht ein ganzes Überlandnetz mit sämtlichen Erzeugern und Verbrauchern, sondern
nur verhältnismäßig eng begrenzte Stadt- oder Landbezirke ferngesteuert werden,
.und zwar meist aus dem Grund, weil an sich für die einzelnen Teilgebiete andere
Gesichtspunkte für die Fernsteuerung -maßgebend sind. Häufig beschränkt sich die
Überlagerung auf reine Verbrauchergebiete, insbesondere auf Mittelspannungs- oder
Niederspannungsnetze, in denen erfahrungsgemäß die Ausbildung der höheren Harmonischen
an sich nicht begünstigt wird.
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Erfindungsgemäß wird bei Serienüberlagerung das zu überlagernde Netz
gegen die
Spannungsquelle der höheren Harmonischen durch für die
höheren Harmonischen durchlässige Überbrückungskreise, bei Parallelüberlagerung
durch für die höheren Harmonischen schwer durchlässige, im Leitungszuge liegende
Sperrkreise getrennt.
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Die Erfindung soll an Hand der Schaltbilder näher erläutert werden.
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In Fig. i ist i eine Hochspannungsfernleitung, deren Spannung durch
den Transformator 2 für das zu überlagernde Netz 3 herabgesetzt wird. :1. ist der
Cberlagerungsgenerator, der in Serienschaltung arbeitet. Zu diesem Zweck ist in
den Zug jedes Leiters ein Transformator 5 eingeschaltet, dessen Sekundärwicklung
durch einen Kondensator 6 überbrückt ist. Die Induktivität des Transformators 5
ist zusammen mit der Kapaiität des Kondensators 6 auf die jeweilige Überlagerungsfrequenz
abgestimmt. Zwischen der Überlagerungsstelle und dem Transformator 2 sind für die
höheren Harmonischen durchlässige Überbrückungskreise 7 zwischen den Netzleitern
eingeschaltet, die aus Reihenschaltung einer Induktivität g und eines Kondensators
8 bestehen. Diese beiden Teile sind auf Resonanz für die Frequenz der hauptsächlich
auftretenden höheren Harmonischen abgestimmt, also beispielsweise bei Drehstromnetzen
mit 5o Hz auf 25o Hz. Für den Fall, daß auch andere Harmonische der Netzspannung
in erhöhtem Maße auftreten sollten, können mehrere auf die einzelnen Harmonischen
abgestimmte Durclilaßkreise verwendet ;-erden, oder es kann durch entsprechend gemischte
Schaltungen von Induktivitäten und Kapazitäten ein Leitungskreis geschaffen werden.
der die verschiedenen Harmonischen durchläßt.
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Ein besonderer Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß die störenden
höheren Harmonischen teils im Zusammenwirken mit der Streuinduktivität des Transformators2,
teils im Zusammenwirken mit den sperrend wirkenden Aufdriickvorriclitungen 5, 6
genügend stark unterdrückt werden und daß gleichzeitig dabei die Serienüberlagerung
begünstigt wird, weil die CTberbrückungskreise 7 den sonst durch den Transformator
2 bedingten Widerstand für die überlagerten Steuerströme herabsetzen.
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Der Transformator 2 ist nicht ein notwendiger Bestandteil der angelneldetenSchaltung.
An seine Stelle kann vielmehr auch irgendeine andere Streureaktanz, z. B. eine Drosselspule
oder die Reaktanz des Netzes i, treten. Notwendig ist lediglich, daß das Netz i
bzw. die Verbindungsleitung zwischen dein Netz i und dem -Netz 3 einen von Null
verschiedenen Widerstand bzw. Reaktanz hat.
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Lm das Zusammenwirken der einzelnen Schaltungsteile näher zu erläutern,
sei auf Fig. i Bezug genommen. Dabei «-erden folgende Annahmen gemacht: a) Die Leistung
des Netzes i sei groß gegen die des überlagerten Netzabschnittes 3, so daß der Netzwiderstand
von i in erster Annäherung vernachlässigt werden kann, b) Netzwiderstand des überlagerten
Abschnittes 3 = ioo Ohm, c) störende Netzharmonische im Netz i 250 Hz, ioo Volt,
d) überlagerte Steuerfrequenz für das Fetz 3 - 275 Hz, ioo Volt.
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Auf Grund der Annahme a ist die gegebene Cberlagerungsart für den
Netzabschnitt 3 eine Serienüberlagerung, wie sie in Fig. i dargestellt ist. Für
einphasige Betrachtung ergeben sich folgende Verhältnisse: i. Für den Überlagerungsstrom
liegt der zu überlagernde Netzabschnitt 3 in Serie mit dem durch das Netz i praktisch
kurzgeschlossenen Transformator 2. Der Transformator 2 bietet dem Überlagerungsstrom
einen Widerstand, der praktisch gleich ist seiner Streureaktanz für 275 Hz. Für
übliche Transformatoren wird dieser Widerstand etwa 30 Ohm betragen.
Das Netz 3 hat ioo Ohni, der @esaintwiderstand für den f2berlagerutigsstrom
beträgt: 1-'ioo2-+3& = - io4. Ohm. Dabei ist das Netz 3 als rein ohmisch, die
Streureaktanz rein induktiv angenommen.
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2. Um auf ,das Netz 3 eine L berlagerungsspannung von beispielsweise
ioo Volt zu bringen, muß der Tongenerator :I wegen der dem Netz vorgeschalteten
Streureaktanz des Transformators 2 eine etwas höhere Spannung, nämlich io-. Volt,
abgeben.
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3. Die im Netz i vorhandene Netzharmonische von 25o Hz, ioo Volt soll
am Eindringen in den Netzabschnitt 3 gehindert «erden. Prinzipiell könnte dies geschehen
durch auf 25o Hz abgestimmte Sperrkreise, wie sie 111 Fig. 3 dargestellt sind, oder
durch Leitkreise in Fig. i. Daß für die Serienüberlagerung nach Fig. i aber nur
Leitkreise in Betracht kommen können, ist die wesentliche Erkenntnis der Erfindung.
Die Gründe sind folgende: q.. Um die störende Harmonische von 25o Hz auf 1/1o ihres
Wertes im Netz i abzuschwächen, wäre ein Sperrkreiswiderstand von goo Ohm notwendig.
Dann würde bei einem Widerstand des Netzes 3 von iooOhm ein Gesamtwiderstand von
goo +. ioo = iooo Ohm für die Harmonische vorhanden sein, und die Spannung der Harmonischen
würde zu 8/1o auf dem Sperrwiderstand liegenbleiben und nur %o in das Netz 3 kommen.
Der Aussperrung der Harmonischen wäre damit Genüge geleistet, aber für die Überlagerung
mit 275 Hz ergeben sich dadurch erhebliche Nachteile. Der Überlagerungsstrom inuß
nun auch noch
,den Widerstand des dem Transformator 2 vorgeschalteten
Sperrkreises überwinden. Ein Sperrkreis für 25o Hz selbst in sehr guter Ausführung
mit einem Sperrwiderstand von goo Ohm bei 250 Hz wird bei 275 Hz immer noch
einen Widerstand von etwa i5o Ohm besitzen. Diese i5o Ohm sind dem Netz 3 noch zusätzlich
vorgeschaltet und erfordern zu ihrer Überwindung eine wesentlich höhere Spannung
und damit Leistung des Tongenerators 4.
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5. Grundsätzlich anders liegen die Verhältnisse, wenn in diesem Falle,
wie in Abb. i angegeben, auf 25o Hz abgestimmte Leitkreise zur Unterdrückung der
Netzharmonischen verwendet werden. Für die Netzharmonische stellen die Kreise einen
Belastungswiderstand dar, dem die Streureaktanz des Transformators 2 vorgeschaltet
ist. Beträgt diese Reaktanz für 25o Hz 30 Ohm, so kann sie für 275 Hz (s.
Abs. i) zu rund 27 Ohm angenommen werden. Wählt man den Leitkreiswiderstand zu 3
Ohm, so ergibt sich auch in diesem Falle eine Aufteilung der Spannung der Harmonischen,
wobei 9/1o an der Streureaktanz des Transformators 2 liegenbleiben, während nur
1/1o an dem Leitkreis und :damit an das Netz 3 kommt. Besonders vorteilhaft ist
dabei, daß das Verhältnis dieser Spannungsaufteilung praktisch unabhängig von der
Größe des Netzwiderstandes 3, also unabhängig von der Größe der- Belastung dieses
Netzes ist, was bei Anwendung von Sperrkreisen ebenfalls nicht der Fall wäre.
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Für die Überlagerung stellen die Leitkreise nun im Gegensatz zu den
Sperrkreisen nicht nur keine Erschwerung, sondern sogar eine Erleichterung dar,
denn sie liegen parallel zum Transformator 2 und setzen damit den Widerstand des
Rückschlusses für den Überlagerungsstrom herab. Ein Leitkreis mit einem Widerstand
von 3 Ohm für 25o Hz wird bei 275 Hz einen Widerstand von etwa 18 Ohm besitzen,
die parallel zu der Streureaktanz des Transformators 2 liegen, so daß der Gesamtwiderstand
des Rückschlusses statt 30 Ohm ohne Leitkreise nur mehr etwa io Ohm betragen
wird. Die Spannung am Tongenerator kann also sogar noch etwas niedrlger sein,, als
in Abschnitt 2 gesagt, während -die Netzharmonische trotzdem sicher ausgesperrt
wird. Der Vorteil der Schaltung ist damit erwiesen.
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Das Vorhandensein .des Transformators 2 ist nicht unbedingte Voraussetzung,
es erleichtert nur die Darstellung. Beim Fehlen des Transformators treten an die
Stelle der Strettreaktanz dieses Transformators die Wirk- und Blindwiderstände der
Leitung i, die unter Umständen eine andere Dimensionierung des Leitkreises erfordern,
aber grundsätzlich die gleiche Wirkung wie die Streureaktanz des Transformators
haben, nämlich die, daß bei richtiger Bemessung des Leitkreiswiderstandes der größte
Teil der Spannung,der Netzharmonischen auf ihnen liegenbleibt.
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Die Fig. 2 zeigt im wesentlichen dieselbe Anordnung, nur ist hier
bei den Überbrückungskreisen 7 statt einer Reihenschaltung der Induktivität und
Kapazität eine Parallelschaltung verwendet, die auf :die Starkstromfrequenz des
Netzes abgestimmt ist und, wie die linke Seite der Figur zeigt, unter Umständen
transformatoriseh angekoppelt werden kann. Eine solche Schaltung ist für den Starkstrom
nahezu undurchlässig, bildet aber für die höheren Harmonischen einen kapazitiven
Kurzschluß, überbrückt also gleichzeitig auch den induktiven Widerstand des Transformators
2 für die Steuerströme.
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In Fi:g. 3 arbeitet der Sender 4 mit Parallelüberlagerung, d. h. er
ist über Aufdrückkreise io zwischen die Leiter des Netzes 3 angeschlossen. Die Aufdriickkreise
bestehen au der Reihenschaltung einer Induktivität und einer Kapazität, die jeweils
auf die Überlagerungsfrequenz abgestimmt wird. Das überlagerte Netz ist durch für
die höheren Harmonischen schwer :durchlässige Sperrkreise i i von dem Transformator
2 getrennt. Die Sperrkreise, die, wie in Fig. 3 angedeutet, transformatorisch in
den Leitungszug eingekoppelt sein können., bestehen aus der Parallelschaltung einer
Induktiv ität und einer Kapazität, die auf die Frequenz der wichtigsten Harmonischen
abgestimmt ist. Sollten mehr Harmonische zu unterdrücken sein, so können mehr Sperrkreise
verwendet werden, die auf die einzelnen Harmonischen abgestimmt sind, oder es können
Mischschaltungen von Induktivitäten und Kapazitäten benutzt werden, die für die
einzelnen höheren Harmonischen undurchlässig sind.
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Auch diese Schaltung ergibt nicht bloß eine ausreichende Unterdrückung
störender Harmonischer, sondern sie wirkt sich auch insofern günstig für den Überlagerungsbetrieb
aus, als die Sperrkreise i i auch eine Abwanderung der Steuerenergie über den Transformator
2 in das Netz i erschweren. Günstig auf die Unterdrückung der höheren Harmonischen
wirken sich auch die Aufdrückkreise io aus, da diese selbst bei leer laufendem Netz
3 praktisch Überbrückungspfade für etwa von den Sperrkreisen i i durchgelassene
Anteile der höheren Harmonischen finden.
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Nimmt man in Anlehnung an das Zahlenbeispiel der Fig. i den Widerstand
des Transformators 2 der Fig. 3 bei 25o Hz zu 27 Ohm, oei 275 Hz zu 30 Ohm
an, den Widerstand der Sperrkreise i i bei 25o Hz zu goo Ohm,
bei
275 Hz zu 1,50 Ohm, den Widerstand der Leitkreise io bei 25o Hz zu
18 Olim, bei 275 Hz zu 3 Olim und den Widerstand des Netzes 3 zu ioo Ohm,
während der Widerstand des Netzes i vernachlässigt ist, so entiällt von den ioo
Volt der höheren Harnionischen mit 25o Hz bei Vorhandensein der Leitkreise io auf
das Netz 3 etwa 11192, dieser Spannung, da der Widerstand des Netzes 3 von ioo Olim
durch die Parallelschaltung der Leitkreise io mit i8 Ohm auf 15 Olim herabgedrückt
wird. Würden die Leitkreise io nicht vorhanden sein, so würde auf das Netz 3 ein
etwa zehnmal größerer Anteil der Spannung von a5o Hz entfallen.
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Wären die Sperrkreise i i nicht vorhanden, so würden sich die vorn
Generator 4. erzeugten f_lberlagerungsströnie mit 275 Hz etwa im Verhältnis
ioo : 3o auf das Netz 3 verteilen, d. 1i. es würden mehr als =/3 der überlagerungsenergie
in das Netz i abwandern. Sind dagegen, wie in Fig. 3, die Sperrkreise i i vorhanden,
so verteilt sich der Überlagerungsstrom im Verhältnis ioo : iugo auf die Netze i
und 3, d. h. das Netz 3 erhält jetzt wesentlich mehr Überlagerungsenergie, als wenn
die Sperrkreise i i nicht vorhanden wären.
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In Fig. q. bestehen die Sperrkreise i i, die hier ebenfalls transformatorisch
in die Leitungszüge eingekoppelt sind, aus der Reihenschaltung einer Induktivität
und einer Kapazität, die auf die Starkstromfrequenz des Netzes abgestimmt ist. Die
Sperrkreise setzen deshalb dem Netzstrom praktisch keinen Widerstand entgegen, wirken
aber für Ströme höherer Frequenz stark drosselnd. Auch bei dieser Schaltung ergibt
sich zwischen den Sperrkreisen i i und den Aufdrückkreisen io das gleiche günstige
Zusammenwirken wie bei Fig. 3.
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Es empfiehlt sich, die Sperrkreise i i bzw. dieÜberbrückungskreise
7 auf der dem Sender zugekehrten Seite des Transformators 2 anzuschließen, damit
der Transformator in der Lage ist, die zur Erzeugung einer sintisförmigen Spannungswelle
etwa erforderlichen höheren Harmonischen des Magnetisierungsstroms ungehindert aus
dein Hochspannungsnetz i zu entnehmen.