СПОСОБ ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛА В ТРЕХФАЗНУЮ ЛИНИЮ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2001 года по МПК H04B3/54 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при передаче информации с диспетчерского пункта, который организован на п/с 35/10/0,38 кВ, при этом в сети 0,38 кВ установлены косинусные конденсаторы, которые служат для повышения коэффициента мощности cos Y. В этом случае вводить токи сигнала в линию 0,38 кВ параллельным способом нельзя, т.к. они будут шунтированы конденсаторами. С учетом этого факта предлагаем вводить токи сигнала в линию среднего напряжения 10 кВ. Токи сигнала шунтированы не будут, а мощность передатчика будет значительно снижена, что является новым техническим результатом. Известен способ передачи сигналов по проводам трехфазной электрической сети, который реализован в "Устройстве передачи сигналов по проводам трехфазной электрической сети" (а.с. СССР N 1477217).

Несмотря на его работоспособность, при наличии косинусных конденсаторов в сети 0,38 кВ, известное устройство имеет недостаток - падение сетевого напряжения на обмотках трансформаторов, включенных последовательно в цепи косинусных конденсаторов, т. е. в конечном счете на нагрузке потребителя электроэнергии. Данное известное устройство можно использовать при мощности потребительского трансформатора 10/0,38 кВ не более 100 кВА, что ограничивает диапазон его применения. Известен так же "Способ передачи и приема сигналов по проводам трехфазной линии электропередачи", который реализован в "Системе передачи и приема сигналов по проводам трехфазной линии электропередачи" (патент 2115238 принят за прототип). Эта известная система, так же работоспособна при наличии в сети 0,38 кВ косинусных конденсаторов, но имеет тот же недостаток, что и первое известное устройство.

Способ ввода токов сигнала в трехфазную линию электропередачи, в соответствии с которым в пункте ввода токов сигнала напряжение U(10) сети среднего напряжения 10 кВ промышленной частоты F трансформируют и получают напряжение в линии низкого напряжения 0,38 кВ, где осуществляют операцию повышения коэффициента мощности cos Y, за счет установки конденсаторной батареи, подают напряжение U(10) на первые обкладки высоковольтных конденсаторов (конденсатор), на вторых обкладках конденсаторов имеют напряжение U, при этом U(10) >> U
U = 0,865 U(10)F²/f₀ ²
где U - действующее значение напряжения на вторых обкладках конденсаторов;
U(10) = 10 кВ - действующее значение;
F = 50 Гц - значение промышленной частоты;
f₀ - частота запуска передатчика пассивно-активного типа (передатчик), трансформируют напряжение U с коэффициентом трансформации, равным единице (К_тр. = 1), подают напряжение U на выходы передатчика, преобразуют напряжение U, с помощью передатчика, в ток сигнала I₂(f₁) обратной последовательности на частоте f₁ и ток сигнала I₁(f₂) прямой последовательности на частоте f₂ при этом:
I₂(f₁) = I₁(f₂) = 3,83U(10)F²C/f₀,
где I₂(f₁) и I₁(f₂) - действующие значения токов на частотах f₁ и f₂;
U(10) = 10 кВ;
F = 50 Гц;
C - емкость конденсаторов;
f₀ - частота запуска передатчика.

Расчеты производят в действующих значениях напряжений и токов, описание их мгновенных значений опускаем, трансформируют токи I(f₁) и I(f₂) (индексы 1 и 2 опускаем) при К_тр = 1, вводят эти токи в линию 10 кВ через конденсаторы, при этом индуктивности первичных обмоток трансформатора и емкости конденсаторов настраивают в резонанс на частоту f₀ (активными сопротивлениями обмоток трансформатора и конденсаторов пренебрегают в связи с их малостью).

На чертеже приведена электрическая функциональная схема устройства, реализующая заявленный способ.

Устройство содержит:
1. Электрическая линия среднего напряжения 10 кВ (линия 10 кВ).

2. Трансформатор 10/0,38 кВ.

3. Электрическая линия низкого напряжения 0,38 кВ (линия 0,38 кВ).

4. Косинусная батарея.

5. Передатчик.

6. Первый высоковольтный конденсатор (конденсатор).

7. Второй конденсатор.

8. Третий конденсатор.

9. Сигнальный трансформатор.

Работает устройство следующим образом. Токи, образованные питающим напряжением промышленной частоты F, протекают между фазами AB, BC, CA линии 10 кВ 1. Определим величину тока между фазами AB, который протекает в контуре, образованном следующими элементами:
Фаза A - первый конденсатор 6 - первичная обмотка трансформатора L фазы A - первичная обмотка трансформатора L фазы B - второй конденсатор 7 - фаза B. Примем условие, что емкости конденсаторов 6, 7, 8 равны C, а индуктивность первичных обмоток трансформатора 9 равна L. Активными сопротивлениями конденсаторов и обмоток трансформатора пренебрегаем в связи с их малостью по сравнению с реактивными сопротивлениями конденсаторов и обмоток трансформатора.

Реактивное сопротивление (модуль) конденсатора на частоте питающего напряжения F равно:
(1)
Реактивное сопротивление (модуль) первичной обмотки трансформатора на частоте F равно:
X_тр = 2π FL (2)
Для частоты F всегда выполняется условие:
X_c>>X_тр (3)
С учетом (3) при расчетах в цепях, где имеют сопротивление X_c на частоте F, сопротивлением X_тр пренебрегают.

С учетом принятых допущений, определим ток в контуре AB на частоте F:

где I_AB = I_BC = I_CA - действующие значения токов на частоте F, протекающих соответственно между фазами AB, BC, CA.

U(10) = 10 кВ - действующее значение.

X_c - реактивное сопротивление конденсатора.

Определим фазное напряжение U_ф на частоте F, которое образует ток I на первичной обмотке трансформатора 9 с учетом выражений (1), (2), (3).

Известно, что при работе трехфазного передатчика пассивно-активного типа в трехфазную сеть вводят два тока I₂(f₁) ток обратной последовательности на частоте f₁ и I₁(f₂) ток прямой последовательности на частоте f₂ или в другой форме записи:
iA(t) = Im[coswlt - cos(w₂t + 180)]
iB(t) = Im[cos(wlt + 120) - cos(w₂t + 60)]
iC(t) = Im[cos(wlt + 240) - cos(w₂t - 60)
где Im - амплитудное значение;
w₁ = 2πf₁; w₂ = 2πf₂, f₂ - f₁ = 2F
F = 50 Гц - значение промышленной частоты;
- частота запуска передатчика.

Из приведенных выражений следует, что на частоте f₁ во вторичные обмотки трансформатора 9 вводят ток передатчика обратной последовательности с чередованием фаз A, B, C, а на частоте f₂, вводят ток прямой последовательности с чередованием фаз A, B, C.

Эти токи трансформируют в первичные обмотки трансформатора 9 и вводят в сеть 10 кВ через высоковольтные конденсаторы 6, 7 и 8 (К.И.Гутин Повышение эффективности передачи информации в сельских электрических сетях напряжением 10 кВ. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. Москва, 1987 г.).

Пусть частота запуска передатчика равна f₀, а емкость конденсаторов 6, 7 и 8 равна C, а индуктивность обмоток трансформатора равна L. C и L настраивают в резонанс на частоту f₀, т.е. справедливо выражение:

С учетом (6) в выражениях (5) перейдем от значений L, C к частоте f₀.

Определим действующее значение линейного напряжения U на частоте F на первичных обмотках трансформатора с учетом выражения (7).

Примем коэффициент передачи трансформатора равным единице, т.е. К_тр = 1. В этом случае, линейное напряжение U на вторичных обмотках трансформатора также будет определяться выражением (8), а индуктивность вторичных обмоток трансформатора будет равна L.

На чертеже приведены выходные цепи передатчика для описания работы заявленного устройства. (В описание формулы не входят). Все известные трехфазные передатчики пассивно-активного типа имеют одни и те же выходные элементы: конденсаторы и катушки индуктивности. (Например, патент 2103820, патент 2111610 и т.д.).

где L_п - индуктивность катушек передатчика
C_п - емкость конденсаторов передатчика.

Рассмотрим контур, образованный вторичными обмотками трансформатора фаз AB, по которому будут проходить токи сигнала I(f₁) и I(f₂). I₀ - действующее значение тока на частоте f₀.

Катушка передатчика L_п Фазы A - вторичная обмотка трансформатора L фазы A - вторичная обмотка трансформатора L фазы B - катушка передатчика L_п Фазы B - конденсатор передатчика C_п Фазы B - конденсатор передатчика C_п Фазы A.

Элементы рассмотренного контура настраивают в резонанс на частоту f₀, что следует из принципа работы передатчика, т.е. справедливо выражение:

Примем, как частный случай, L_п = 0 (На практике L_п можно использовать как настроечный элемент).

На чертеже катушки индуктивности шунтированы перемычкой.

При этом условии, выражение (9) примет вид:

Сравнивая выражения (6) и (10), делаем вывод, что емкость передатчика C_п равна C, т.е. справедливо выражение:

При работе передатчика и при выполнении условия резонанса (11), конденсатор C_п будет максимально заряжаться до величины U_m, где U_m - амплитудное значение линейного напряжения на выходе передатчика на частоте F. Запишем режим резонанса, исходя из баланса энергий во вторичной обмотке трансформатора L и в конденсаторе передатчика C_п = C, при прохождении тока сигнала (Г.И. Атабеков. Теоретические основы электротехники. М.: "Энергия", 1966 г., стр. 69).

где I_m - амплитудное значение тока сигнала на частоте f₀. U_m - амплитудное значение линейного напряжения U на выходе передатчика на частоте F.

Перепишем (12) в действующих значениях:
I₀ ²L = U²C (13)
где I₀ - действующее значение тока сигнала на частоте f₀;
U - действующее значение линейного напряжения на выходе передатчика на частоте F.

Определим из выражения (13) I₀:

Выразим (14) через частоту запуска передатчика f₀.

Выше мы отмечали связь между действующим значением тока сигнала на частоте f₀ и действующими значениями токов боковых частот на частотах f₁ и f₂:

Индексы опускаем. Подставим в выражение (15) значение U из выражения (8):

Определим из (17) с учетом (16) действующее значение токов на частотах f₁ и f₂:

Выражение (17) является расчетным. В нем неизвестен только один параметр C, остальные параметры I₀, U(10), F, f₀ известны.

Определим из выражения (17) значение емкости конденсаторов C.

Пример расчета.

Дано: 1. U(10) = 10 кВ напряжение в сети среднего напряжения.

2. F = 50 Гц - значение промышленной частоты.

3. f = 1000 Гц - частота запуска передатчика.

4. f₁ = 950 Гц; f₂ = 1050 Гц - боковые частоты.

5. I(f₁) = I(f₂) = 0,38 A - действующее значение токов боковых частот.

Решение
1. Из выражения (16) определим действующее значение токов сигнала на частоте f₀

2. Из выражения (19) определим значение емкости конденсаторов C.

По справочнику выбирают высоковольтный конденсатор, из выпускаемой номенклатуры, для работы в электрической сети до 10,5 кВ.

3. Определим индуктивность первичных и вторичных обмоток трансформатора из выражения (11)

где f₀ = 10³ Гц, C = 4•10^-6 Ф.

4. Определим реактивную мощность, вводимую в сеть 10 кВ в заявленном устройстве Q₃, т.е. мощность передатчика:

Сравним технические характеристики заявленного устройства с аналогом, где используют трехфазный передатчик пассивно-активного типа, например в патенте N 2103820. Сравнивать с прототипом некорректно, т.к. в нем вводят ток в одну фазу линии 0,38 кВ.

5. Определим какой необходим ток передатчика в аналоге при передаче токов в линию 10 кВ со стороны линии 0,38 кВ, чтобы ввести ток сигнала, равный 0,54 А, как в заявленном устройстве:

(В серийно выпускаемой системе КС-10М токи, вводимые в фазы сети 0,38 кВ, равны I₀ = 14 А на частотах f₀ = 1125 Гц на контролируемом пункте и f₀ = 1425 Гц на диспетчерском пункте.)
Для определения мощности в аналоге, необходимо знать величину индуктивности L_A
L_A = L_тр + L_п (25)
где L_тр - индуктивность вторичной обмотки трансформатора 2;
Передатчик подключается в этом случае к линии 0,38 кВ. (Косинусная батарея отсутствует);
L_n - индуктивность катушки передатчика.

По аналогии с (14) напишем это выражение для тока аналога, вводимого в сеть 0,38 кВ, относительно L_A.

где U(0,38) = 380 В;
f₀ - частота запуска передатчика;
C_п - емкость конденсатора передатчика.

Определим L_A = L_тр + L_п из (26)

где I(0,38) = 14,2 А рассчитано в (24).

Для трансформаторов 10/0,38 кВ мощностью больше 100 кВа L_тр < 0,2•10^-3 Гн, так что L_тр в расчетах пренебрегают.

6. Определим реактивную мощность, вводимую в сеть 0,38 кВ в аналоге QA, чтобы создать токи сигнала на стороне 10 кВ согласно условию:
I(950) = I(1050) = 0,38 А, как в заявленном устройстве.

где I(0,38) = 14,2 А рассчитан в (24);
L_A = 4,26•10^-3 Гн рассчитан в (27);
f₀ = 10 Гц дано в задании к примеру.

Проверка.

1. Определим линейное напряжение U на частоте F из выражения (8)
Чертеж. Это напряжение прикладывают к выходу передатчика.

где U(10) = 10 кВ;
F = 50 Гц;
f₀ = 1000 Гц.

2. Определим из выражения (14) действующее значение тока сигнала на частоте f₀, который поступает на вторичные обмотки трансформатора с выхода передатчика. Эта же величина тока будет введена в линию среднего напряжения 10 кВ, т.к. К_тр = 1.

U = 21,63 B - определено (29);
C = 4 • 10^-6 Ф - определена в (21);
L = 6,3 • 10^-3 Гн - определена в (22).

Сравнивая значения I₀, полученных в выражениях в (20) и (30), видим, что результаты идентичны. Таким образом, расчеты проведены правильно.

Выводы:
1. Заявленное устройство работоспособно при наличии косинусных конденсаторов в сети 0,38 кВ, т.к. сигнал вводят в три фазы линии 10 кВ.

2. Снижена мощность передатчика в γ раз.

где Q_A = 5400 определено в (28);
Q_З = 11,5 определено в (23).

Таким образом, цель, поставленная изобретением, достигнута - устройство работоспособно при наличии в сети 0,38 косинусной батареи и резко снижена мощность передатчика.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при передаче информации с диспетчерского пункта, который организован на п/с 35/10/0,38 кВ, при этом в сети 0,38 кВ установлены косинусные конденсаторы, которые служат для повышения коэффициента мощности cos Y. В этом случае вводить токи сигнала в линию параллельным способом нельзя, т.к. они будет шунтированы конденсаторами. С учетом этого факта предлагают вводить токи сигнала в линию среднего напряжения 10 или 35 кВ. Токи сигнала шунтированы не будут, а мощность передатчика будет значительно снижена, что является новым техническим результатом. 1 ил.

Способ ввода токов сигнала в трехфазную линию электропередачи, в соответствии с которым в пункте ввода токов сигнала в линию среднего напряжения 10кВ (U(10) промышленной частоты F трансформируют напряжения U(10) с помощью трансформатора 10/0,38 кВ и получают напряжение 0,38 кВ в линию низкого напряжения, где осуществляют операцию повышения коэффициента мощности CosΦ, за счет установки конденсаторной батареи, отличающийся тем, что формируют напряжением U(10) в контурах, образованных соответствующими высоковольтными конденсаторами и первичными обмотками трансформатора между фазами AB, BC и CA линии токи, во вторичные обмотки упомянутого трансформатора, вводят с выхода передатчика пассивно-активного типа токи Ia(f₁) сигнала обратной последовательности на частоте f₁ и токи I1(f₂) сигнала прямой последовательности на частоте f₂, при этом, контуры, образованные индуктивностями первичных обмоток трансформатора и емкостями высоковольтных конденсаторов, настраивают в резонанс на частоту запуска передатчика пассивно-активного типа f₀, где т