ГЕНЕРАТОР ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ Российский патент 2009 года по МПК H04B3/54 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования напряжения 04 кВ, 50 Гц в токи заданной амплитуды и частоты, которые вводят в Фазы АВ, ВС, СА трехфазной линии электропередачи 0,4 кВ без ее обработки высокочастотными заградителями.

Известен генератор ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи (К.И. Гутин, С.А. Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Бюллетень по электрификации сельского хозяйства. Выпуск 1 (53) ВИЭСХ, М., 1988, с.7).

Недостатками данного генератора, реализующего известный способ, являются:

1. Образование четырех токов вместо двух.

2. Большая мощность потребления за счет генерации двух «паразитных» токов и за счет разряда конденсатора на резистор.

Известен генератор К.И. Гутина ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, который принят за прототип. (Патент РФ №222436, Н04В 3/54, 20.02.2004 г. Бюллетень №5). Генератор, который реализует известный способ, генерирует один ток сигнала на заданной частоте, при этом ток сигнала вводят в две Фазы В и С линии 0,4 кВ на диспетчерском (ДП) и контролируемых (КП) пунктах.

Недостатками прототипа являются большая потребляемая мощность генератора, невозможность при неполнофазных режимах в сети 10 кВ передавать сигналы телеуправления с диспетчерского пункта на контролируемые пункты для оперативного переключения управляемых устройств и коммутационные перенапряжения при коммутации ключа.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение потребляемой мощности генератора, передача сигналов телеуправления с диспетчерского пункта на контролируемые пункты для оперативного переключения управляемых устройств при неполнофазных режимах в сети 10 кВ и устранение коммутационных перенапряжений при коммутации ключа.

Достигаемый технический результат:

1. Значительно снижена потребляемая мощность генератора по сравнению с прототипом.

2. При неполнофазных режимах в сети 10 кВ позволяет, в отличие от прототипа, передавать сигналы телеуправления с диспетчерского пункта на контролируемые пункты для оперативного переключения управляемых устройств.

3. Устранены коммутационные перенапряжения при коммутации ключа.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемый генератор ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, содержащий трансформатор 10/0,4 кВ, трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост напряжения 0,4 кВ частоты 50 Гц, выход которого имеет «плюсовую» и «минусовую» шины, выход управляемого ключа подключен к «минусовой» шине, блок управления, выход которого подключен ко второму входу управляемого ключа, первую, вторую катушки индуктивности, первый, второй конденсаторы, введены третья катушка индуктивности, третий, четвертый, пятый, шестой конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, при этом «плюсовая» шина подключена к входу управляемого ключа, первые выводы первого, второго, третьего резисторов соответственно подключены к Фазам А, В, С, выходы каждого из которых объединены и подключены к нейтрали трансформатора 10/0,4 кВ, которая заземлена, четвертый, пятый, шестой резисторы соответственно подключены параллельно первой L₁, второй L₂, третьей L₃ катушкам индуктивности, первый вывод первой катушки индуктивности L₁ подключен к Фазе А и к первой обкладке первого конденсатора C₁, вторая обкладка которого подключена к Фазе В, первый вывод второй катушки индуктивности L₂ подключен к Фазе В и к первой обкладке третьего конденсатора С₃, вторая обкладка которого подключена к Фазе А, первый вывод третьей катушки индуктивности L₃ подключен к Фазе С и к первой обкладке конденсатора C₅, вторая обкладка которого подключена к Фазе А, второй вывод первой катушки индуктивности подключен к точке T₁ моста и к первой обкладке второго конденсатора С₂, вторая обкладка которого подключена к Фазе С, второй вывод второй катушки индуктивности L₂ подключен к точке Т₂ моста и к первой обкладке четвертого конденсатора С₄, вторая обкладка которого подключена к Фазе С, второй вывод третьей катушки индуктивности L₃ подключен к точке Т₃ моста и к первой обкладке шестого конденсатора С₆, вторая обкладка которого подключена к Фазе В, точка моста T₁ подключена к аноду диода Д₁ и к катоду диода Д₄, точка моста Т₂ подключена к аноду диода Д₂ и к катоду диода Д₅, точка моста Т₃ подключена к аноду диода Д₃ и к катоду диода Д₆.

На чертеже приведена схема генератора, который реализует заявленное техническое предложение где:

1, 2, 3, 4, 5, 6 - соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, сопротивления которых равны между собой;

7 - трансформатор 10/0,4 кВ;

C₁, С₂, С₃, С₄, С₅, С₆ - соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой конденсаторы, емкости которых равны между собой;

L₁, L₂, L₃ - соответственно первая, вторая, третья воздушные катушки индуктивности, индуктивности которых равны между собой;

17 - трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост, собранный на диодах

Д₁, Д₂, Д₃, Д₄, Д₅, Д₆;

18 - управляемый ключ (ключ);

19 - трехфазная линия электропередачи 0,4 кВ;

20 - блок управления ключом.

Работа генератора

При включении генератора в момент времени t<0 в сеть 0,4 кВ при разомкнутом ключе на его зажимах получают трехфазное двухполупериодное выпрямленное напряжение промышленной частоты 50 Гц, которое равно:

Из выражения (1) определяем величину постоянной составляющей выпрямленного напряжения:

Определяем из (1) шестую гармонику частоты 50 Гц

Определяем из (1) двенадцатую гармонику частоты 50 Гц

Сравнивая величины выражений (2), (3), (4), можно сделать вывод, что постоянная составляющая выражения (2) много больше амплитуд напряжений шестой и двенадцатой гармоник, поэтому мы в дальнейших расчетах ими пренебрегаем.

В выражениях (1), (3), (4) имеем:

Ω=2πF,

где F=50 Гц - частота промышленного напряжения.

В момент времени t>0 начинают коммутировать ключ с частотой ƒ₀.

*) Пусть потенциал Фазы А будет больше, чем потенциал Фазы В, при этом будут открыты заштрихованные диоды Д₁ и Д₅. При замкнутом положении ключа через него будет протекать ток по цепи: Фаза А - L₁ - точка T₁ - диод Д₁ - ключ - диод Д₅ - точка Т₂ - L₂ - Фаза В.

*) При потенциале Фазы В больше, чем потенциал Фазы С, будут открыты диоды Д₂ и Д₆. При замкнутом положении ключа через него будет протекать ток по цепи: Фаза В - L₂ - точка Т₂ - диод Д₂ - ключ - диод Д₆ - точка Т₃ - L₃ -Фаза С.

*) При потенциале Фазы С больше, чем потенциал Фазы А, будут открыты диоды Д₃ и Д₄. При замкнутом положении ключа через него будет протекать ток по цепи: Фаза С - L₃ - точка Т₃ - диод Д₃ - ключ - диод Д₄ - точка T₁ - L₁ - Фаза А.

*) Определим амплитуду тока, протекающего через ключ, при замкнутом положении ключа для любого из рассмотренных выше случаев.

*) Из схемы на чертеже следует, что генератор имеет три идентичных резонансных контура I, II, III, которые содержат следующие элементы:

*) Резонансный контур I:

L₁ - С₂ - Фаза С - Фаза В - C₁ - L₁;

*) Резонансный контур II:

L₂ - С₄ - Фаза С - Фаза А - С₃ - L₂;

*) Резонансный контур III:

L₃ - С₆ - Фаза В - Фаза А - С₅ - L₃;

*) Принимаем условие, что в рассматриваемом промежутке времени работы генератора открыты диоды Д₁ и Д₅. Данное условие будет выполняться, когда потенциал Фазы А будет выше потенциала Фазы В.

Как было сказано выше, при замкнутом положении ключа ток будет протекать по цепи: Фаза А - L₁ - точка T₁ - диод Д₁ - ключ - диод Д₅ - точка Т₂ - L₂ - Фаза В. Таким образом, при протекании ток проходит через ключ и две катушки индуктивности L₁ и L₂.

Для определения амплитуды тока необходимо определить сопротивления катушек индуктивности L₁=L₂=L₃=L.

*) Сопротивления катушек индуктивности R₁=R₂=R₃=R определяют из выражения:

где R=R₁=R₂=R₃; L=L₁=L₂=L₃ - это следует из идентичности элементов схемы.

Q=10 - измеренная добротность катушек индуктивности.

Таким образом, с учетом выражения (5), имеем:

Определим амплитуду тока I_m через ключ и катушки индуктивности при замкнутом положении ключа:

*) Значения 2R и 2L принимают потому, что ток протекает через ключ и через две катушки индуктивности. С учетом этого определим амплитуду тока из (7)

где I_{m(2L,ключ)} - амплитуда тока, протекающего через две катушки и ключ.

Таким образом, ток, который протекает через две катушки индуктивности и ключ, при заданных исходных данных равен 14 А.

*) Определим токи, возникающие после размыкания ключа в I, II, III резонансных контурах. В связи с идентичностью элементов в схеме при открытии любых двух диодов и разомкнутом положении ключа будут возникать свободные колебания синусоидального тока в соответствующих двух резонансных контурах за счет накопленной электромагнитной энергии катушками индуктивности при замкнутом положении ключа. Значение токов в резонансных контурах будет равно:

где I_m - амплитуда тока через ключ и две катушки индуктивности,

e^-δt - коэффициент затухания.

В связи с тем что ключ замкнут 0,25 Т₀ и разомкнут 0,75 Т₀, значит в интервале времени 0,75 Т₀ в двух колебательных контурах возникнут затухающие свободные колебания на частоте ƒ₀=1950 Гц.

*) Так как в каждом колебательном контуре имеются два конденсатора, соединенные последовательно, то при заданной величине емкости этих конденсаторов

C=6·10^-6 Ф расчетная емкость для резонанса будет иметь значение 3·10^-6 Ф при значении индуктивности катушек индуктивности L=2,2·10^-3, при этом частота ƒ₀ равна частоте в исходных технических данных:

*) Ключ отключают, когда через него протекает ток, равный амплитудному значению I_m. После размыкания ключа в двух контурах из трех возникнут свободные колебания с частотой ƒ₀, при этом в момент времени t=0,25 Т₀ амплитуда колебания в двух контурах равна 14 А согласно (8).

*) Определим амплитуду в двух контурах через время 0,75 Т₀, т.е. когда ключ снова замкнут

где I_m(0,25To)=14 A - амплитуда тока в момент времени t=0,25 Т₀ согласно (8)

При t=0,75 Т₀ имеем:

Таким образом, при замыкании ключа через промежуток времени, равный 0,75 Т₀, амплитуда токов в контурах будет равна 11,2 А, т.е. амплитуда тока снизится на 20%.

*) Определим среднюю амплитуду тока I_{m cp} при постоянной передаче символа «1».

*) Определим величину электромагнитной энергии, накопленной двумя катушками индуктивности при замкнутом положении ключа:

Коэффициенты 2 и 0,25 в числителе учитывают, что электромагнитная энергия накапливается в двух катушках индуктивности в интервале времени 0,25 Т₀.

*) Определим величину электромагнитной энергии Э_отд, которая отдается в сеть двумя катушками индуктивности при разомкнутом положении ключа:

*) Определим величину электромагнитной энергии Э_перед, затраченной на передачу символа «единица» в непрерывном режиме:

*) Определим мощность, затраченную на передачу символа «1» при непрерывной передаче:

*) Определим мощность, которая расходуется на нагрев сопротивлений двух катушек:

где 2R_k - активное сопротивление двух катушек индуктивности.

В знаменателе коэффициент 4 учитывает, что ключ замкнут 0,25 Т₀.

*) Определим суммарное потребление мощности P_∑ генератором с учетом (17) и (18)

*) Принимаем условие, что передача символов «0» и «1» имеет одинаковую плотность, тогда средняя мощность потребления будет равна:

*) Определим ток генератора, который вводят в линию 0,4 кВ.

Пусть в рассматриваемом интервале времени открыты диоды Д₁ и Д₅, при этом потенциал Фазы А выше потенциала Фазы В. При разомкнутом ключе в первом и втором колебательных контурах за счет накопленной электромагнитной энергии возникают резонансные токи, которые равны:

где I_m=14 А согласно (8),

i(t)_Iк - ток первого резонансного контура,

i(t)_IIк - ток второго резонансного контура,

ω₀=2πƒ₀,

e^-δt - коэффициент затухания.

При вводе тока сигнала в две Фазы трехфазной линии 0,4 кВ получают токи прямой и обратной последовательностей с равными амплитудами

İ₁=İ₂ - токи, вызванные первым резонансным контуром,

İ₁=İ₂ - токи, вызванные вторым резонансным контуром.

Так как эти токи имеют одну частоту, то после сложения получим:

2İ₁=2İ₂ (21)

На приемном пункте эти токи образуют напряжения прямой и обратной последовательностей частоты ƒ₀ где их принимают приемным устройством, входами которого являются фильтры симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей, настроенных на частоту ƒ₀ (Патент С.А. Цагарейшвили, К.И. Гутин RU 2291564 С1).

Таким образом, токи 2İ₁ и 2İ₂ образованы током с амплитудой, равной 28 А, при токе через ключ 14 А.

*) Введение в схему генератора (см. чертеж) резисторов 1, 2, 3, 4, 5, 6, сопротивление каждого из которых равно: R=1 МОм, устраняет коммутационные перенапряжения на зажимах ключа при его коммутации.

*) Проведем сравнение затраченной мощности в заявленном техническом предложении и прототипе при прохождении тока через ключ.

В прототипе ток через ключ будет протекать по цепи: Фаза А - диод Д₁ - катушка индуктивности 5 - резистор 9 - ключ - диод Д₅ - Фаза В.

Определим активное сопротивление катушки индуктивности 5 в прототипе:

где ƒ₀=1000 Гц,

L₅=6,5·10^-3 Гн - индуктивность катушки индуктивности,

Q=10 - добротность катушки индуктивности.

*) Затраченная мощность прототипом на образование тока, протекающего через ключ, равна:

где R₉=10 Ом - резистор, установленный в прототипе,

I_m=17 А - ток через ключ, выражение (2) прототипа.

В знаменателе 4 учитывает, что ключ замкнут 0,25 Т₀.

*) Затраченная мощность в заявленном техническом предложении при передаче только символов «1», которая идет на образование тока через ключ, согласно (17) равна:

ВЫВОД 1.

Мощность на образование тока через ключ в заявленном техническом предложении при передаче только символов «1» меньше с учетом (17) и (23) на

Принимаем положение, что символы «1» и «0» передают с пассивной паузой и имеют одинаковую плотность, то с учетом (17) и (23) разница будет равна:

*) Рассмотрим вопрос передачи токов сигналов при неполнофазном режиме в сети 10 кВ.

Пусть генератор заявленного технического предложения установлен на диспетчерском пункте (ДП), которым является подстанция (35-10-0,4) кВ (ПС).

От ДП уходят п=1, 2…n фидеров 10 кВ на контролируемые пункты (КП) и к потребителям электроэнергии.

Пусть на одном из фидеров 10 кВ, отходящих от ПС оборвался провод Фазы В. Так как в прототипе токи вводят в две Фазы В и С, то передать сигналы управления на контролируемые пункты (КП) нельзя, так как сигналы с ДП на КП приняты не будут.

В заявленном техническом предложении, где сигналы управления с ДП на КП передают в Фазы АВ, ВС, СА, сигналы будут приняты по двум Фазам АС.

Таким образом, мы доказали:

1. Что цель, поставленная изобретением, достигнута, т.к. снижена мощность генератора при передаче символов «1» и «0» с пассивной паузой при одинаковой плотности передачи символов «0» и «1» на 185 Вт согласно (26).

2. Также мы доказали возможность передачи сигналов с ДП на КП, которые установлены в линии 10 кВ при обрыве одной из Фаз В или С.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования напряжения 0,4 кВ, 50 Гц в токи заданной амплитуды и частоты, которые вводят в Фазы АВ, ВС, СА трехфазной линии электропередачи 0,4 кВ без ее обработки высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат: 1) значительно снижена мощность, потребляемая генератором, по сравнению с прототипом; 2) при неполнофазных режимах в сети 10 кВ позволяет, в отличие от прототипа, передавать сигналы телеуправления с диспетчерского пункта на контролируемые пункты для оперативного переключения управляемых устройств; 3) устранены коммутационные перенапряжения при коммутации ключа. 1 ил.

Генератор ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, содержащий трансформатор 10/0,4 кВ, трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост, собранный на диодах Д₁-Д₆ напряжения 0,4 кВ частоты 50 Гц, выход которого имеет «плюсовую» и «минусовую» шины, выход управляемого ключа подключен к «минусовой» шине, а его первый вход подключен к плюсовой шине, блок управления, выход которого подключен ко второму входу управляемого ключа, первую, вторую катушки индуктивности, первый, второй конденсаторы, отличающийся тем, что в него введены третья катушка индуктивности, третий, четвертый, пятый, шестой конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, при этом «плюсовая» шина подключена к входу управляемого ключа, первые выводы первого, второго, третьего резисторов соответственно подключены к фазам А, В, С, выходы каждого из которых объединены и подключены к нейтрали трансформатора 10/0,4 кВ, которая заземлена, четвертый, пятый, шестой резисторы соответственно подключены параллельно к первой L₁, второй L₂, третьей L₃ катушкам индуктивности, первый вывод первой катушки индуктивности L₁ подключен к фазе А и к первой обкладке первого конденсатора С₃, вторая обкладка которого подключена к фазе В, первый вывод второй катушки индуктивности L₂, подключен к фазе В и к первой обкладке третьего конденсатора С₃, вторая обкладка которого подключена к фазе А, первый вывод третьей катушки индуктивности L₃ подключен к фазе С и к первой обкладке конденсатора C₅, вторая обкладка которого подключена к фазе А, второй вывод первой катушки индуктивности подключен к точке T₁ моста и к первой обкладке второго конденсатора С₂, вторая обкладка которого подключена к фазе С, второй вывод второй катушки индуктивности L₂ подключен к точке Т₂ моста и к первой обкладке четвертого конденсатора C₄, вторая обкладка которого подключена к фазе С, второй вывод третьей катушки индуктивности L₃ подключен к точке Т₃ моста и к первой обкладке шестого конденсатора С₆, вторая обкладка которого подключена к фазе В, точка моста T₁ подключена к аноду диода Д₁ и к катоду диода Д₄, точка моста Т₂ подключена к аноду диода Д₂ и к катоду диода Д₅, точка моста Т₃ подключена к аноду диода Д₃ и к катоду диода Д₆.