| US4286207A | 1981-08-25 | |||
| GB2118335A | 1983-10-26 |
| 1. | Qualitätsverbesserungsverfahren der Elektrizität der ElektroEner¬ gieVersorgung, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Elektro EnergieVerteilnetz(e) mit mindestens einem spannungsstabilisie¬ rendem Transformator oder Spannungsstabilisator ausgerüstet ist oder sind. |
| 2. | Qualitätsverbesserungsverfahren der Elektrizität der ElektroEner¬ gieVersorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass private und öffentliche Gebäude, Industrieanlagen und Anlagen mit. ElektroEnergieVerbrauchern nach der Hauptsicherung beim Haus anschluss und/oder nach der Hauptsicherung in der ElektroEnergie Hauptverteilanläge und/oder vor dem ElektroEnergieVerbraucher mit mindestens einem spannungsstabilisierendem Transformator oder Spannungsstabilisator ausgerüstet sind. |
| 3. | Qualitätsverbesserungsverfahren der Elektrizität der ElektroEner¬ gieVersorgung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Transformatorenstation(en), wo die Transformation der Spannung von der Mittelspannung auf die Niederspannung erfolgt, mit mindestens einem spannungsstabilisierde Transfor¬ mator ausgerüstet ist oder sind. |
| 4. | Qualitätsverbesserungsverfahren der Elektrizität der ElektroEner¬ gieVersorgung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die HochspannungsVerteilAnlage(n) zwischen dem oder den Kraftwerk(en) , wo die Generatorspannung auf Hochspannung und die Hochspannung auf die Mittelspannung transformiert wird, und der oder den Trapsformatorenstation(en) , wo die Transformation der Spannung von der Mittelspannung auf die Niederspannung erfolgt, mit mindestens einem " spannungsstabilisierendem Transformator ausgerüstet ist oder sind. |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Qualitätsverbesserungsverfahren
der Elektrizität der Elektro-Energie-Versorgung indem mindestens ein
spannungsstabilisierender Transformator oder Spannungsstabilisator zur
Transformation der unstabilen, überspannungs- und überspannungs-
spitzenbehafteten Verteilnetzspannung auf eine stabilisierte Verteil¬
netznennspannung in das Elektro-Energie-Versorgungsnetz eingebaut
wird..
Die Spannung der in den Kraftwerken produzierten Elektro-Energie ist
für den Betrieb von Elektro-Apparaten ungeeignet und muss daher auf
eine entsprechende Verbraucherspannung umgespannt werden. Dies
geschieht mit Umspannern oder Transformatoren.
Transformatoren dienen dazu die elektrische Energie einer bestimmten
Spannung in eine solche einer andern Spannung umzuwandeln. Die elek¬
trische Energie wird meist mit einer Spannung erzeugt, die zwischen
6000 und 12000 Volt liegt. Der Transport über grosse Strecken erfolgt
bei Spannungen von 60000, 110000, 220000 Volt, oder noch höheren
Werten. Die Mittelspannungs-Verteilnetze werden mit etwa 10000 bis
30000 Volt betrieben und die Verbraucherspannung beträgt zur Haupt¬
sache 400/231 Volt, wobei die Spannung mit 400 Volt die verkettete
Spannung bedeu.tet und zwischen den Leitern auftritt und die Spannung
mit 231 Volt die Phasenspannung ist und zwischen dem Leiter und dem
Nulleiter vorhanden ist. Diese Netze mit den verschiedenen Spannungen
sind durch Transformatoren gekoppelt. Die Tatsache, _dass die
elektrische Energie auf dem langen Weg von der Produktion bis zum
Verbrauch meist dreimal, oft sogar noch häufiger, transformiert werden
muss, zeigt auch die Wichtigkeit der Transformatoren für die
Elektro-Energie-Versorgung. Von ihrer Betriebssicherheit und ihrem
Wirkungsgrad wird die technische und wirtschaftliche Güte der Elek¬
trizitätsversorgung massgeblich beeinflusst. Unter diesen Gegeben¬
heiten wurde die Entwicklung des Transformatorenbaues aussergewöhnlich
weit getrieben. Der Transformator ist eines der betriebssichersten
Glieder der Hochspannungsversorgungssysteme.
Der Aktivteil des Transformators besteht im Prinzip aus einem Eisen¬
kern und zwei gegeneinander und gegen Erde isolierten Wicklungen.
Diejenige Wicklung, welcher die Energie zugeführt wird, heisst Primär¬
wicklung und diejenige Wicklung, welcher die Energie, vermindert um
den Eigenverbrauch des Transformators, entnommen wird, heisst
Sekundärwicklung.
Unabhängig von der Funktion der Wicklungen werden diese auch nach
Oberspannungswicklung und Unterspannungswicklung unterschieden.
Legt man die Primärwicklung eines Transformators an die Primär-
pannung, ohne die Sekundärwicklung zu belasten, so nimmt der
Transformator den Leer!aufström auf, dessen Blindkomponente der
Magnetisierungsstrom ist, unter dessen Wirkung der Eisenkern den
magnetischen Fluss ausbildet, der, der angelegten Primärspannung, eine
gleichgrosse elektromotorische Kraft (Gegen-EMK) entgegenstellt. Die
durch die wechselnde Magnetisierung des Eisenkernes entstehenden
Verluste bilden zusammen mit den Verlusten des Magnetisierungsstromes
in der Primärwicklung und den dielektrischen Verlusten die
Leerlaufverluste. Da die Sekundärwicklung den gleichen magnetischen
Fluss umschliesst, bildet sich auch in ihr eine elektromotorische
Kraft (EMK) aus, die zwischen dem Wicklungsanfang und dem
Wicklungsende der Sekundärwicklung als Sekundärleerlaufspannung
auftritt. Das Verhältnis der angelegten Primärspannung zur Sekundär¬
leerlaufspannung entspricht ziemlich genau dem Uebersetzungs-
verhältnis des Transformators, das definiert ist als Verhältnis der
Primärwindungszahl zur Sekundärwindungszahl .
Die Uebertragung der Spannung von einer Wicklung zur andern geschieht
im Transformator mit Hilfe des magnetischen Flusses.
Beim belasteten Transformator muss von der Primärwicklung zur Se¬
kundärwicklung auch eine Stromübertragung stattfinden. Da keine lei¬
tende Verbindung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung
besteht, erfolgt die Stromübertragung induktiv.
Der die Sekundärwicklung durchfliessende Sekundärbelastungsstrom
erzeugt eine magnetomotorische Kraft (MMK), die sich in Ampere¬
windungen gemessen aus dem Produkt von Sekundärbelastungsstrom mal der
Sekundärwindungszahl ergibt. Der Transformator setzt selbsttätig
dieser sekundären MMK eine gleichgrosse primäre MMK, aus dem Produkt
des Primärbelastungsstro es mal der Primärwindungszahl , entgegen.
Die gesamte Stromwärmeleistung, die vom Belastungsstrom in den Wick¬
lungen, in den Zuleitungen und Kontakten von Umstellern oder Stufen¬
schaltwerken des Transformators verbraucht wird, stellt die Wicklungs¬
verluste oder Kurzschlussverluste dar. Durch die geometrische Anord¬
nung und aus isolationstechnischen Gründen entstehen zwischen der
Primärwicklung und der Sekundärwicklung Kanäle, die sogenannten
Streukanäle.
In ' diesen Streukanälen bildet sich ein dem Betriebsstrom propotionaler
Fluss. Dieser Fluss heisst Streufluss. Er verursacht einen dem
Belastungsstrom proportionalen inneren Spannungsabfall, der die bei
Leerlauf auftretende Sekundärleerlaufspannung bei Belastung
entsprechend verringert. Dieser Spannungsabfall wird Streuspannung
genannt. Die geometrische Summe von Streuspannung und dem ohmschen
Spannungsabfall der Wicklungen heisst Kurzschlussspannung. Sie ist
diejenige Spannung, die bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung an die
Primärwicklung angelegt werden muss, wenn der Transformator seinen
Nennstrom aufnehmen soll.
Dadurch ist die Sekundärlastspannung belastungsstromabhängig. Dieser
Umstand führt auch dazu, dass durch die dauernd auftretende
Wechselbelastung in den Elektro-Energie-Verteilnetzen, die Verbrau¬
cherspannung ständig auf einen bestimmten Verbraucherspannungspegel
von 400/231 Volt ausreguliert werden muss.
Diese Ausregulierung erfolgt mit elektromotorisch angetriebenen Last¬
stufenschaltern übεrspannungsseitig in den Unterwerkstransformatoren
unter Last. Diese Betriebsart hat unweigerlich einen enormen Ver-
schleiss der Schaltkontakte der Laststufenschalter zur Folge.
Diese Laststufenschalter müssen daher periodisch einer kostspieligen
Revision unterzogen werden. Einerseits ist die mögliche Stufenzahl der
Laststufenschalter aus konstruktiven und wirtschaftlichen Gründen
begrenzt, sodass daher doch eine relativ grobe Ausregulierung der
Verbraucherspannung erfolgt und andererseits die Belastungsänderungen
relativ feinstufig auftreten.
Diese Tatsachen führten dazu, dass die Verbraucherbetriebsspannung auf
400/231 Volt angesetzt wurde, durchschnittlich ca. 5% über der Ver¬
brauchernennspannung von 380/220 Volt liegt und dauernd in bestimmten
Grenzen schwankt. Ebenso sind die vorliegenden Spannungsschwankungen
und die bei der Stufenumschaltung auftretenden Ueberspannungsspitzen
bei hochempfindlichen Anlagen, wie Computeranlagen, numerisch
gesteuerte Maschinen etc. unerwünscht und können daher schädliche oder
katastrophale Folgen haben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine spannungs¬
stabilisierte Elektro-Energie-Versorgung zu schaffen, welche die
erwähnten Probleme löst.
Diese Aufgabe wird, zur Zeit mit dem ersten und einzigen, unter dem
Namen Delta-Phi-Trafo respektive Delta-Phi-Trafo-System, in einer be¬
stimmten Ausführung, welcher, unter der Patentgesuch Nr. 00 119/88-9,
ebenfalls zum Patent angemeldet wurde, auf dem Weltmarkt angebotenen
spannungsstabilisierdem Transformator, gelöst.
In den Zeichnungen ist das erfindungsgemässe Qualitätsverbesserungs¬
verfahren der Elektrizität der Elektro-Energie-Versorgung prinzipiell
schematisch dargestellt und der Elektro-Energie-Versorgung nach der
bisherigen Art gegenübergestellt. In der nachfolgenden Beschreibung
wird das erfindungsgemässe Qualitätsverbesserungsverfahren der
Elektrizität der Elektro-Energie-Versorgung und dessen Einführungs¬
möglichkeiten erklärt. Das erfindungsgemässe Qualitätsverbesserungs¬
verfahren der Elektrizität der Elektro-Energie-Versorgung wird im fol-
den EL-EN 2000 genannt.
- B - Es zei gt :
Figur 1 die graphische Darstellung der vorgenommen Netzspannungs¬
messungen, wobei:
1: den gemessenen Höchstwert *
2: den berechneten mittleren Wert
3: den gemessenen Tiefstwert
4: die Netznennspannung
bedeutet;
Figur 2 die graphische Darstellung der Tagesbelastungen;
Figur 3 das prinzipielle Elektro-Energie-Verteil-Schema bisheriger
Ausführung, wobei:
A : Wohn- und Geschäftshäuser
B : öffentliche Gebäude, Banken, Einkaufszentren, Spi¬
täler, Verwaltungen, Schulen, kommunale Gebäude, kan¬
tonale Gebäude, bundeseigene Gebäude,
C : Industrie, Gewerbe, Laboratorien, Institute
D : öffentliche Beleuchtung, Sport- und Freizeitanlagen,
E : öffentlicher Verkehr,
F : militärische Anlagen, Zivilischutzanlagen,
H : andere Anlagen mit Elektro-Energie-Verbrauchern
1 : Generator im Kraftwerk
2 : Maschinentransformator im Kraftwerk
3 : Hochspannungs-Transformator
4 : Hochspannungs-Verteil-Anlage
5 : Hochspannungs-Leitungen
6 : Hochspannungs-Verbunds-Leitungen
7 : Unterwerks-Transformator
8 : Mittelspannungs-Verteil-Anlage
9 : Mittelspannungs-Leitungen
10: Mittelspannungs-Verteil-Transformator
11 : Niederspannungs-Vertei1-An!age
12: Niederspannungsleitungen
13: Haus-, Gebäudeanschluss, interne Verteil-Anlage
bedeuten;
das pri nzi pi el l e El ektro-Energi e-Vertei l -Schema nach
EL-EN 2000, wobei:
A : Wohn-und Geschäftshäuser
B : öffentliche Gebäude, Banken, Einkaufszentren,
Spitäler, Verwaltungen, Schulen, kommunale Gebäude,
kantonale Gebäude, bundeseigene Gebäude
C : Industrie, Gewerbe, Laboratorien, Institute
D : öffentliche Beleuchtung, Sport- und Freizeitanlagen,
E : öffentlicher Verkehr
F : militärische Anlagen, Zivilschutzanlagen,
H : andere Anlagen mit Elektro-Energie-Verbrauchern
1 : Generator im Kraftwerk
2 : stabilisierter Maschinentransformator im Kraftwerk
3 : stabilisierter Hochspannungs-Transformator
4 : Hochspannungs-Verteil-Anlage
5 : Hochspannungs-Leitungen
6 : Hoch ' spannungs-Netzverbunds-Leitungen
7 : stab lisierter Unterwerks-Transformator
8 : Mittelspannungs-Verteil-Anlage
9 : Mittelspannungs-Leitungen
10: stabilisierter Mittelspannungs-Verteil-Transformator
11 : Niederspannungs-Verteil-Anlage
12: Niederspannungs-Leitungen
13: Haus-, Gebäudeanschluss, interne Verteil-Anlagen
14: stabilisierter Niederspannungs-Transformator
I ... IV: Einführungs- oder Ausbaustufen
bedeutet.
Dadurch, dass die Spannung in den Niederspannungsnetzen höher als die
Netznennspannung liegt, die Elektro-Apparate aber für die
Netznennspannung ausgelegt sind und daher eine feste innere Impedanz,
bei induktiven Geräten, wie Elektromotoren, Vorschaltgeräte für
Beleuchtungen, wie Neonlampen, Quecksilberdampflampen, Natriumdampf¬
lampen, Halogenlampen, oder einen festen innern Widerstand bei
ohmschen Geräten, wie Heitzkörper, Kochplatten, Glühlampen, aufweisen,
nehmen diese Geräte auch einen höheren Strom auf.
Diese höhere Stromaufnahme lässt sich wie folgt berechnen:
I = U/R
oder
I = U/Z
wobei :
I = Strom
U = Spannung
R = innere ohmsche Widerstand
I
Z = innere Impedanz
ist.
Dadurch entsteht aber auch einen höheren Energiebezug aus dem Netz.
Dabei muss aber unterschi eden werden zwi schen :
ohmschen Elektro-Energi e-Verbrauchern
und
induktiven Elektro-Energie-Verbrauchern
Bei den ohmschen Elektro-Energie-Verbrauchern sind Spannung und Strom
phasengleich, dies bedeutet, dass der höhere Elektro-Energiebezug dem
Quadrat der prozentualen .etzüberspannung entspricht, und zwar:
P = U x I
oder
P = U x R
wobei
P = aufgenommene Leistung
ist.
Der Elektro-Energie-Mehrverbrauch von ohmschen Elektro-Energie-Ver¬
brauchern beim Anschluss an ein spannungsunstabilisiertes und mit
Ueberspannung behaftetes Netz im Vergleich mit dem Anschluss an ein
auf die Nennspannung stabil siertem Netz kann somit wie folgt bestimmt
werden:
ma = Pusn - Psn U usn x R U scnn X R = (Uusn sn ) x R
wobei :
P = Leistungsmehraufnahme ma 3
P = Leistungsaufnahme bei einem unstabilisiertem mit Ueberspannung uns r behaftetem Netz
P = Leistungsaufnahme bei einem auf die Nennspannung stabilisiertem
Netz
Uusn = unstabilisierte mit Uebersprannungs behaftete Netzspr-annung-_
U = auf die Nennspannung stabilisierte Netzspannung
R = innerer Widerstand
bedeutet.
Bei den induktiven Elektro-Energie-Verbrauchern liegen die Verhältnis¬
se etwas anders. Diese Geräte nehmen beim Anschluss an eine Spannung
die Scheinleistung S auf. Die Scheinleistung ist die geometrische
Summe aus der Wirkleistung P und der Blindleistung B.
-/ ? + B'
Ebenso ist die Impedanz Z die geometrische Summe aus der Reaktanz X
und dem ohmschen Wicklungs-Widerstand R
Z
Ebenso ist der in ' den Zuleitungen fliessende Strom I die geometrische
Summe aus aus dem Wirkstrom Iw, und dem Blindstrom I.D
Der in der Zuleitung fliessende Strom I ist gegnüber der Netzspannung
um den Leistungsfaktor cos Phi oder um den Phasenverschiebμngswinkel
Phi phasenverschoben, wobei der Wirkstrom I mit der Netzspannung pha¬
sengleich und der Blindstrom I. gegenüber der Netzspannung um 90 pha-
senversεhoben ist.
Die Wirkleistung berechnet sich nach:
P = U 2 x R
Die Blindleistung berechnet sich nach:
Da ebenfalls die induktiven Elektro-Energie-Verbraucher auf die
Netznennspannung ausgelegt sind und die Induktion des magnetischen
Kreises aus Materialausnutzungsgründen sehr hoch angesetzt ist, steigt
der Blindstrom, respektive der Magnetisierungstrom, schon bei relativ
kleinen Ueberspannungen um den Faktor 1,5 bis 3 an.
Der Elektro-Energie-Mehrverbrauch von induktiven Elektro-Energie-Ver¬
brauchern beim Anschluss an ein spannungsunstabilisietres und mit
Ueberspannung behaftetes Netz im Vergleich mit dem Anschluss an ein
auf die Nennspannung stabilisiertes Netz kann somit wie folgt .bestimmt
werden:
Sma = -if ?sn 2 + Bsn 2 =Y»(Pusn - Psn)' 2 + (Busn -** Bsn' * "F wobei :
S = Schein!eistungsmehraufnähme
P = Wirkleistungsaufnahme bei einem unstabilisierte und mit Ueber¬
spannung behaftetem Netz
B = Blindleistungsaufnahme bei einem unstabilisiertem und mit
Ueberspannung behaftetem Netz
P = Wirkleistungsaufnahme bei einem auf die Nennspannung stabili¬
siertem Netz
B = Blindleistungsaufnahme bei einem auf die Nennspannung stabili¬
siertem Netz
Dies hat zur Folge, dass der Blindleistungsanteil bei einer Netz-
Ueberspannung prozentual stärker ansteigt als der Wirkleistungsanteil
und somit einen Elektro-Energie-Mehrverbrauch exponential dem
relativen Ueberspannungsanteil mit einem Exponenten grösser 2
verursacht und der Leistungsfaktor verschlechtert wird.
Der, durch die in den * spannungsunstabilisierten Elektro-Energie-
Verteil-Netzen vorhandenen Ueberspannung, hervorgerufene Elektro-
Energie-Mehrverbrauch wird in den Elektro-Geräten nur in ungenutzte
Verlustwärme umgesetzt und kann praktisch als Elektro-Energie-
Verschwendung beurteilt werden. Zudem wird die Lebensdauer und die
Betriebstüchtigkeit der Elektro-Geräte sehr beeinträchtigt.
Mit der Stabilisierung der vorhandenen Netzspannung ' auf die
Netznennspannung, wird neben der Lösung anderer Probleme,
hervorgerufen durch die unstabile und mit Ueberspannung behaftete
Netzspannung, zugleich auch eine entsprechende Elektro-Energie-
Einsparung, bei gleicher Einschaltquote wie bis jetzt, aller
installierten und in Betrieb befindlichen Elektro-Apparaten,
zwangsläufig erreicht.
Die in der Figur 1 dargestellte Graphik der Netzspannung beruht auf
tatsächlich durchgeführten Netzspannungsmessungen. Solche Messungen
wurden an verschiedenen Orten durchgeführt und es zeigten sich die
gleichen Situationen. Aus der graphischen Darstellung ist eindeutig
ersichtlich, dass der mittlere Wert 2 der vorhandenen Netzspannung
wesentlich und dauernd über der Netznennspannung 4 liegt.
Figur 2 zeigt die graphische Darstellung der Tagesbelastungen. Daraus
ist ersichtlich, dass der Elektro-Energie-Verbrauch über die Dauer
eines Tages nicht konstant ist und ständig wechselt. Diese
Wechselbelastung ist von sehr verschiedenen Faktoren abhängig, wie
Jahreszeit, Wochentag, Dichtheit der sehr unterschiedlichen Elektro-
Energie-Verbraucher, Industrie, Hotelerie etc..
Figur 3 zeigt das prinzipielle Elektro-Energie-Verteil-Schema nach der
bisherigen Ausführung mit den meist vorkommenden Elektro-Energie-Ver¬
brauchern. Das Vorhandensein dieser Elektro-Energie-Verbraucher ist
aber von Ort zu Ort verschieden, sodass die effektiven Elektro-
Energie-Verteil-Anlagen auch von Ort zu Ort recht unterschiedlich
sind.
Figur 4 zeigt das prinzipielle Elektro-Energie-Verteil-Schema nach
EL-EN 2000, wobei auch hier im wesentlichen das Gleiche gilt, wie für
die Figur 3, wobei aber zusätzlich noch die möglichen Phasen der
stufenweisen Einführung aufgezeigt werden.
- 1B -
Die Einführung von EL-EN 2000 kann prinzipiell nach folgenden Stufen
erfolgen:
Stufe I: Ausrüsten der Elektro-Energie-Verbraucher A ... H mit
sffannungsstabilisierten Transformatoren oder Stabilisato¬
ren. Dieses Ausrüsten kann ebenfalls stufenweise erfolgen.
Stufe II: Ausrüsten bestehender Transformatoren-Stationen eben¬
falls stufenweise, d.h., bei Bedarf ersetzen bestehender
Mittelspannungs-Transformatoren bisheriger Bauart durch
spannungsstabilisierte Mittelspannungs-Transformatoren 10.
Ausrüsten neu zu erstellender Transformatoren-Stationen
von Anfang an mit spannungsstabilisierten Mittelspannungs-
Transformatoren 10.
Stufe III: Ausrüsten bestehender Unterwerke ebenfalls stufenweise,
d.h., bei Bedarf ersetzen bestehender Unterwerks-Transfor-
iratoren bisheriger Bauart durch spannungsstabilisierte
Unterwerks-Transformatoren 7.
Ausrüsten neu zu erstellender Unterwerke von Anfang an mit
spannungsstabilisierten Unterwerks-Transformatoren 7.
Stufe IV: Ausrüsten bestehender Hochspannungs-Vertei lwerke ebenfalls
stufenweise, d.h., bei Bedarf ersetzen bestehender
Hochspannungs-Transformatoren bisheriger Bauart durch
spannungsstabilisierte Hochspannungs-Transformatoren 3.
Ausrüsten neu zu erstellender Hochspannungs-Verteilwerke
von Anfang an mit spannungsstabilisierten Hochspannungs-
Transformatoren 3.
Stufe V: Ausrüsten bestehender Kraftwerke ebenfalls stufenweise,
d.h., bei Bedarf ersetzen bestehender Maschinen-Transfor¬
matoren bisheriger Bauart durch spannungsstabilisierte
Maschinen-Transformatoren 2.
Ausrüsten neu zu erstellender Kraftwerke von Anfang an mit
spannungstabilisierten Maschinen-Transformatoren 2.
Mit der Einführung von EL-EN 2000 wird schon bei Stufe I der grösste
Teil der Probleme gelöst und zwangläufig der grösste Anteil der
Elektro-Energie-Einsparung erreicht.