Elektrische Hochleistungsübertragung auf weite Entfernung Vorträge von Prof. Dr.-Ing. R. Rüdenberg, Berlin · Dr. phil. K. Pohlhausen, Berlin Dr.-Ing. A. Mandl, Berlin · Dr.-Ing. E. Friedländer, Berlin Prof.A. Rachel, Dresden· Prof. Dr.-Ing. H. Piloty, Berlin Prof. A. Matthias, Berlin Veranstaltet durch den Elektrotechnischen Verein, e. V. zu Berlin in Gemeinschaft mit dem Außeninstitut der TechnischenHochschule zu Berlin Ilerausgegeben von Reinhold Rüdenberg Prof. Dr.-Ing. u. Dr.-Ing. e. h. Mit 240 Textabbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1932 Alle Rechte, insbesondere das der Dbersetzung in fremde Sprachen, vorhehalten. Copyright 1932 by SpringerVerlag Berlin Heidelberg Urspriinglich erschienen bei Julius Springer in Berlin 1932 ISBN 978-3-662-34907-6 ISBN 978-3-662-35241-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-35241-0 Vorwort. Die Elektrotechnik besitzt heute die Möglichkeit, große Leistungen im Betrage von vielen Hunderttausenden von Kilowatt über Tausende von Kilometern fortzuleiten und kann so die Energieverteilung und Energiebewirtschaftung ganzer Kontinente erschließen. Daher steht das Problem der Übertragung hoher elektrischer Leistung auf sehr weite Entfernung in letzter Zeit im Mittelpunkt des Interesses der Starkstromtechnik. Die Entwicklung, die zur Lösung dieser Aufgabe führte, ist in allen elektrotechnisch arbeitenden Ländern relativ schnell vor sich gegangen und ist heute bis zu einem gewissen Abschluß gebracht. Dies kommt durch den Bau und Betrieb einer Reihe großer Fernübertra gungsanlagen von sehr erheblicher Leistung deutlich zum Ausdruck. Obgleich die Teilaufgaben dieses weitreichenden Gebietes in zahlreichen Beiträgen der in- und ausländischen Fachliteratur niedergelegt sind, besteht bisher keine Zusammenfassung derjenigen technischen Entwicklungsgedanken, die gerade für unser Problem spezifisch sind. Dies gab dem "Elektrotechnischen Verein zu Berlin" in Verbindung mit dem "Außeninstitut der Technischen Hochschule zu Berlin" V er anlassung, im Anfang des Jahres 1931 eine Vortragsreihe über dieses Thema zu veranstalten, die von über sechshundert Hörern besucht wurde. Es gelang, eine Reihe von maßgebenden Fachleuten für die Vorträge zu gewinnen, die selbst an der Entwicklung teilgenommen haben und daher die vielen Besonderheiten des Übertragungsproblems aus eigener Kenntnis darstellen konnten. In dem vorliegenden Buch sind im Anschluß an diese Vorträge zu nächst die Grundlagen der Wechselstromübertragung und die Theorie der langen Leitungen dargestellt mit den für die Fernübertragung wichtigen Eigentümlichkeiten. Dann wird das Verhalten der Maschinen und Transformatoren behandelt, sowie die Kompensierung der Blindleistung der Leitungen und ihre Regelung im Betrieb. Daran schließt sich die Regelung der Kraftwerke in zusammenarbeitenden Netzen und die Wirtschaftlichkeit der Übertragung, wobei auch Gleichstromfernleitungen mit berücksichtigt sind. Zum Schluß werden die schädlichsten Störungen der Fernübertragung durch Gewitter erscheinungen und die Möglichkeit ihrer Beherrschung erläutert. IV Vorwort. Durch diese Unterteilung wurde angestrebt, Überdeckungen des Inhalts nach Möglichkeit zu vermeiden. Nur dort, wo die Ansichten sich noch nicht zu einer einheitlichen Meinung verdichtet haben, hat jeder Mitarbeiter die Zusammenhänge unter seinem Gesichtswinkel dargestellt. Von der Bedeutung, die man unserem Problem innerhalb der Elektrotechnik in den letzten Jahren zumißt, gibt das Literatur verzeichnis am Schluß des Buches einen Anhalt. In ihm wurde ver sucht, diejenigen Arbeiten aufzunehmen, die entweder neue Entwick lungsgedanken oder Zusammenfassungen von Teilgebieten enthalten, so daß dem Leser ein vertieftes Studium ermöglicht wird. Berlin, im Dezember 1931. R. Rüdenberg. Inhaltsverzeichnis. Seite I. Grundlagen der Wechselstromübertragung. Von Prof. Dr.-Ing. u. Dr.-Ing. e. h. R. Rüdenberg, Siemens Schuckertwerke A.-G., Berlin 1 A. Notwendigkeit des Energietransports 1 B. Energieverluste auf den Leitungen. . . . 7 C. Aufbau der Fernleitungen . . . . . . . 17 D. Übertragung auf verlustfreien Leitungen . 23 E. Kompensierung langer Fernleitungen 32 F. Anpassung von Station und Leitung. . . 41 G. Zusammenwirken von Kraftwerk und Leitung 47 H. Fernleitung mit Teilstrecken . . . . . . . . 57 II. Theorie der langen Leitungen. Von Dr. phil. K. Pohlhausen, Siemens Schuckertwerke A.-G., Berlin . . . . . . . . . . . . . 68 A. Mathematische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . 68 B. Leitungsdiagramme für Spannungs- und Stromverlauf 77 C. Näherung für kurze Leitungen 84 D. Zusammengesetzte Leitungen . . . 86 E. Leistungsdiagramme . . . . . . . 95 F. Bestimmungsstücke für den Betrieb 105 III. Verhalten der Maschinen und Transformatoren. VonDr.-Ing. A.Mandl, Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft, Berlin . 116 A. Statische Stabilität . . . . . . . . . . . . . . . 116 B. Dynamische Stabilität . . . . . . . . . . . . . . 145 C. Entwurf der Maschine mit Rücksicht auf Stabilität. 165 D. Erregeranordnungen . . . . . . . . . . . . . . . 170 E. Leistungs- und Spannungsregler. . . . . . . . . . 174 IV. Kompensierung und Regelung der Leitungen. Von Dr.-Ing. E. Fried- länder, Siemens Schuckertwerke, A.-G., Berlin . . 182 A. Aufgaben der Blindleistungskompensation . . . 182 B. Verhalten der kompensierten Leitung im Betriebe 183 C. Kompensation und Stabilität . . . . . . . . . 200 D. Vergleich der Kompensationsmittel und ihrer Steuerung . 209 E. Die Spannung als Regelmaß der Kompensierung . . 218 F. Die Blindleistung als Regelmaß der Kompensierung. . . 230 G. Vergleich zwischen Freileitung und Kabel . . . . . . . 237 V. Regelung der Kraftwerke beim Zusammenschluß. Von Prof. Dir. A. Rachel, A.-G. Sächsische Werke, Dresden 240 A. Spannungs- und Blindleistungsregelung. 240 B. Grundlagen der Wirkleistungsregelung . 249 C. Regelungsarten beim Zusammenschluß . 255 D. Die Regelung verkuppelter Netze 262 E. Regelung bei Störungen . . . . . . . 273 VI Inhaltsverzeichnis. Seite VI. Wirtschaftlichkeit der Drehstrom- und Gleichstrom-Übertragung. Von Prof. Dr.-Ing. H. Piloty, Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft, Berlin 284 A. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 B. Beanspruchung von Leitungen durch Gleichspannung . . 285 C. Zusammenhang zwischen Belastung und Wirkungsgrad . 289 D. Allgemeine Gesetzmäßigkeiten für die Wirtschaftlichkeit 292 E. Wirtschaftlichkeit von Drehstromleitungen . . . . . . . 309 F. Erzeugung und Verwendung von hochgespanntem Gleichstrom. 314 G. Wirtschaftlichkeit von Gleichstromleitungen . . . . . . . . . 320 H. Anhang. Abriß einer Theorie der Konstantspannungs-Wechselstrom- leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 VII. Überspannungsstörungen der Fernübertragung. Von Prof. Dir. A. Matthias, Technische Hochschule, Berlin. 333 A. Einführung . . . . . . . . . . 333 B. Natur der Gewittereinflüsse. . . . . . . 334 C. Wirkung auf die Leitungsanlage 337 D. Bekämpfung der Gewitterüberspannungen 341 E. Verlauf der Wanderwellen 343 F. Überspannungsschutz. 346 G. Schaltüberspannungen 352 Literaturverzeichnis. 355 Sachverzeichnis 366 I. Grundlagen der W echselstromübertragung. Von R. Rüdenberg, Berlin. A. Notwendigkeit des Energietransports. 1. "Übertragung der Energie. Die räumlichen Gebiete auf der Erd oberfläche, an denen die Energie des Wassers, der Kohle oder des Öles in großer Menge anfällt, sind durch die Natur gegeben. Manchmalliegen Bmrfl I A 1Z500 (8900/ 8 3100 c,•Cz 38J(J()(J (tiO(J()(J} 0 19110() (Ziff{]l)} ( 1330 (1701)) F,•r, +05 {7too) () *150 lf0301J) H Sf(J()(J (2~200) J 315000 .. Bszil'k 1550 c 1,5 d 10/) Steinkohle e,•ez•83 T(J()(J 8NJunkohle t, ··~·r.·r,•,•f, 3950 - ·Wasser g,•g,•g,.g,•gs 90 II IJO ji(1~0 ~lrWi1d1)7lnKltillrltliflemi l 1l1r, ••1~1tz •lrJ zZu1o8 11+11•~•4•/s 12100 Abb. 1. Energievorräte von Steinkohle, Braunkohle und Wasserkräften ln Deutschland in Milliarden kWh und Erzeugung in Millionen kWh pro .Tahr. sie in unwirtlichen Gegenden, wie z. B. bei großen Wasserkräften in den Bergen. Die Orte des· Energieverbrauchs sind meistens von den Menschen frei gewählt und liegen häufig im Flachland, am Meer oder in anderen Gegenden mit guten Verkehrsmöglichkeiten. Abb. 1 zeigt als Beispiel für das Gebiet des Deutschen Reichs die Energievorräte, die in Form von Steinkohle, Braunkohle oder Rüdenberg, Leistungsübertragnng. 1 2 I. R. Rüdenberg: Grundlagen der Wechselstromübertragung. Wasserkraft verfügbar sind. Dabei sind die dem heutigen Stande ent sprechenden jährlichen Erzeugungsmöglichkeiten einheitlich in Mil lionen Kilowattstunden angegeben. Man erkennt eine Häufung der Steinkohlenvorräte im Rheinland und Oberschlesien, eine Häufung der Braunkohlenvorräte in Mitteldeutschland und eine Häufung der Wasser kraftvorkommen in den Alpen. Im Gegensatz dazu stellt Abb. 2 den elektrischen Energieverbra.uch innerhalb Deutschlands dar, wo bei jeder der eingetragenen Punkte jährlich 25 Millionen Kilowatt- Abb. 2. Verteilung des Stromverbrauchs in Deutschland nach Millionen kWh. stunden bedeutet. Am Niederrhein hat sich der Stromverbrauch un mittelbar am Anfallorte der Steinkohle angesiedelt, jedoch sind die anderen Konzentrationsstellen, vor allem die in Groß-Berlin, schon merklich entfernt von den Bezirken des Energieanfalls. Es ist daher nötig, die Energie vom Orte des Anfalls zum Orte des Verbrauchs zu transportieren. Dies kann in der potentiellen Form der Kohle oder des Öls durch Schiffe und Eisen bahnen erfolgen, oder in kinetischer, leicht und direkt verwertbarer Form durch elektrischen Strom, Druckluft, Gas oder ähnliche Agenzien. Aus Abb. 3 sieht man, daß beim mechanischen Energietransport die Kohle durch die Eisenbahn von der Grube dem Kraftwerk zugeführt wird, um dort in elektrische Energie verwandelt zu werden. Bei der A. Notwendigkeit des Energietransports. 3 Fernleitung durch eine Hochspannungsleitung nach Abb. 4 steht das Kraftwerk dagegen auf der Grube und formt die Energie der Kohle dort unmittelbar in elektrische um, die ihrerseits in die Ferne übertragen wird. Für die Kosten des mechanischen Energietransports ist der Gütertarif unserer Eisenbahnen maßgebend, dessen Zahlen in Abb. 3 für Steinkohle angegeben sind. Er ist mit Absicht so gestaffelt, Tarif für t.clnkohlc: Kompensiert • 200 kV -Leitung. km Jt.l{/t Zinsfuß 12% i. J. I fo!nCrMicvcriusl<' :1,3% ffir 100 km. 100 4,30 hrrtraRungsk tcn 500 14,111 I,M 1>1((/k\\'h 11. 1000 km. 1000 J 7,50 Abb. 3. Versandkosten der Energie bei Abb. 4. Versandkosten der Energie bei Über Transport durch die Eisenbahn. tragung durch Hochspannungsleitung. daß der Versand auf große Entfernungen verhältnismäßig billiger ist als auf geringe, um auch den entfernt von der Grube liegenden Lan desteilen den Vorteil billiger Kohle zukommen zu lassen. Für die elek trische Energieübertragung ist ein Kraftwerk angenommen, das als Durchschnittswert bei 5000 Betriebsstunden im Jahre 0,75 kg Steinkohle pro Kilowattstunde verbraucht. Dieselbe koste an der Grube 1,25 Pfg/kWh, wozu noch für Verzinsung und Amortisation der Kraftwerkskosten 0,75 Pfg/kWh treten, so daß mit einem Erzeugungs preis von 2,0 Pfg/kWh gerechnet werden kann. Auf dieser relativ hohen Selbstkostenbasis für den Strom ergeben sich die in Tabelle I. Abb. 4 angegebenen Über Übertragungskosten der Energie. tragungskosten der 200 k V Entfernung Transportkosten in Pfg;kWh Fernleitung von 1 ,54 Pfg/kW h km mechanisch elektrisch und 1000 km. 100 0,32 0,15 In Tabelle 1 sind die Über 500 1,05 0,77 tragungskosten für ver 1000 1,30 1,54 schiedene Entfernungen zusammengestellt. Die elektrischen Transportkosten sind proportional der eben errechneten Zahl, die mechanischen Transportkosten ergeben sich aus dem vorher genannten Kohlenverbrauch für die Kilowatt stunde und dem Gütertarif. Der Vergleich ergibt bis zu etwa 800 km Entfernung eine Überlegenheit des elektrischen Energietransportes. Von da ab wird der Eisenbahntr11,nsport der Steinkohle billiger, dies J*