Ferranti-Effekt in Stromleitungen: Was ist das?

Was ist der Ferranti-Effekt?

Der Ferranti-Effekt ist ein Phänomen, das den Anstieg der Spannung am Empfängerende einer langen Leitung im Vergleich zur Spannung am Senderende beschreibt. Der Ferranti-Effekt tritt häufiger auf, wenn die Last sehr gering oder keine Last angeschlossen ist (d.h. eine offene Schaltung). Der Ferranti-Effekt kann als Faktor oder als prozentualer Anstieg angegeben werden.

In der allgemeinen Praxis wissen wir, dass in allen elektrischen Systemen der Strom von der Region mit höherem Potential zur Region mit niedrigerem Potential fließt, um den elektrischen Spannungsunterschied im System auszugleichen. In allen praktischen Fällen ist die Spannung am Senderende aufgrund von Leitungsverlusten höher als die Spannung am Empfängerende, so dass der Strom vom Netz- oder Versorgungsende zur Last fließt.

Aber Sir S.Z. Ferranti stellte im Jahr 1890 eine erstaunliche Theorie über mittlere Leitungen oder langstreckige Übertragungsleitungen auf, die besagt, dass bei leichter Belastung oder ohne Lastbetrieb des Übertragungssystems die Spannung am Empfängerende oft über die Spannung am Senderende hinaus steigt, was zu einem Phänomen führt, das als Ferranti-Effekt im Energiesystem bekannt ist.

Ferranti-Effekt in der Übertragungsleitung

Eine lange Übertragungsleitung kann als bestehend aus einer beträchtlichen Menge an Kapazität und Induktivität verteilt über die gesamte Länge der Leitung angesehen werden. Der Ferranti-Effekt tritt auf, wenn der von der verteilten Kapazität der Leitung selbst gezogene Strom größer ist als der mit der Last am Empfängerende der Leitung (bei leichter oder keiner Last) verbundene Strom.

Dieser Kondensator-Ladungsstrom führt zu einem Spannungsabfall über dem Leitungsinduktor des Übertragungssystems, der in Phase mit den Spannungen am Senderende steht. Dieser Spannungsabfall nimmt additiv zu, wenn man sich zum Lastende der Leitung bewegt, und damit neigt die Spannung am Empfängerende dazu, größer als die angewandte Spannung zu werden, was zu dem Phänomen führt, das als Ferranti-Effekt im Energiesystem bezeichnet wird. Wir illustrieren dies mit Hilfe eines Phasordiagramms unten.

Sowohl die Kapazität als auch die Induktivität der Übertragungsleitung sind gleichermaßen für dieses spezielle Phänomen verantwortlich, und daher ist der Ferranti-Effekt bei einer kurzen Übertragungsleitung vernachlässigbar, da die Induktivität solcher Leitungen praktisch als nahe Null betrachtet wird. Im Allgemeinen wurde bei einer 300 km langen Leitung, die mit einer Frequenz von 50 Hz betrieben wird, festgestellt, dass die Spannung am Empfängerende ohne Last um 5% höher ist als die Spannung am Senderende.

Für die Analyse des Ferranti-Effekts betrachten wir die oben gezeigten Phasordiagramme.
Hier wird Vr als Referenzphasor, dargestellt durch OA, betrachtet.

Dies wird durch den Phasor OC dargestellt.

Im Falle einer „langen Übertragungsleitung“ wurde praktisch beobachtet, dass der elektrische Widerstand der Leitung im Vergleich zur Leitungsreaktanz vernachlässigbar klein ist. Daher können wir die Länge des Phasors Ic R = 0 annehmen; wir können den Spannungsanstieg nur durch OA – OC = reaktiver Abfall in der Leitung betrachten.

Nun, wenn wir c0 und L0 als Werte der Kapazität und Induktivität pro Kilometer der Übertragungsleitung betrachten, wobei l die Länge der Leitung ist.

Da bei einer langen Übertragungsleitung die Kapazität über ihre gesamte Länge verteilt ist, ist der durchschnittliche Strom, der fließt,

Der Spannungsanstieg aufgrund der Leitunginduktivität wird gegeben durch,

Aus der obigen Gleichung ist klar, dass der Spannungsanstieg am Empfängerende direkt proportional zum Quadrat der Leitungslänge ist und daher bei einer langen Übertragungsleitung mit der Länge zunimmt und sogar gelegentlich die angewandte Spannung am Senderende überschreitet, was zu dem Phänomen führt, das als Ferranti-Effekt bezeichnet wird. Wenn Sie sich auf den Ferranti-Effekt und verwandte Themen im Energiesystem testen lassen möchten, schauen Sie sich unsere Energiesystem-MCQs (Multiple Choice Questions) an.

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