СПОСОБ 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 способ ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, который реализован генератором (К.И. Гутин, С.А. Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Бюллетень по элекрификации сельского хозяйства. Выпуск 1(53) ВПЭСХ, Москва, 1988 г., стр.7).

Недостатками данного генератора, реализующего известный способ, являются: образование 4-х токов вместо двух, а также большая мощность потребления за счет генерации двух «паразитных»токов и за счет разряда конденсатора на резистор.

Известен способ К.И. Гутина ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, который принят за ПРОТОТИП (патент RU №222436, 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 передавать сигналы при неполнофазных режимах в сети 10 кВ, имеются коммутационные перенапряжения.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение мощности генератора, возможность передавать сигналы телеуправления с диспетчерского пункта на контролируемые пункты для оперативного переключения управляемых устройств при неполнофазных режимах в сети 10 кВ и устранение коммутационных перенапряжений при зажимах ключа при его коммутации с частотой f₀.

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 на зажимах ключа при его коммутации с частотой f₀.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, в соответствии с которым запасают электромагнитную энергию

в первой L₁ и второй L₂ катушках индуктивности при прохождении тока когда потенциал Фазы А больше потенциала Фазы В на интервале времени при замкнутом ключе, который коммутируют с частотой f₀ по цепи Фаза А - L₁ - точка T₁ - диод Д₁ - ключ - диод Д₅ - точка T₂ - L₂ - Фаза В, при разомкнутом ключе в интервале времени за счет накопленной электромагнитной энергии в линию 0,4 кВ вводят ток в две Фазы по цепи L₂ - С₂ - Фаза С - Фаза В - C₁ - L₁, при потенциале Фазы В больше потенциала Фазы С при прохождении тока на интервале времени замкнутом ключе, который коммутируют с частотой f₀ по цепи фаза В - L₂ - точка Т₂ - диод Д₂ - ключ - диод Д₆ - точка Т₃ - L₃ - Фаза С, при разомкнутом ключе в интервале времени за счет накопленной электромагнитной энергии в линию 0,4 кВ вводят ток в две Фазы по цепи L₃ - С₆ - Фаза В - Фаза А - С₅ - L₃, при потенциале Фазы С больше, чем потенциал Фазы А при прохождении тока на интервале времени при замкнутом ключе, который коммутируют с частотой f₀ по цепи Фаза С - L₃ - точка Т₃ - диод Д₃ - ключ - диод Д₄ - точка T₁ - L₁ - Фаза А, при разомкнутом ключе в интервале времени за счет накопленной

электромагнитной энергии в линию 0,4 кВ вводят ток в две Фазы по цепи L₃-С₆ - Фаза В - Фаза А - С₅-L₃,

I_m - амплитуда тока, который протекает через ключ и две катушки индуктивности в момент времени

U_п=512 B - постоянная составляющая выпрямленного трехфазного двухполупериодного напряжения,

2R - активное сопротивление двух катушек, через которые протекают токи L₁(t), L₂(t), L₃(t),

2L - индуктивность двух катушек индуктивности,

- интервал времени замкнутого положения ключа,

L₁=L₂=L₃ - соответственно первая, вторая, третья катушки индуктивности, индуктивности которых равны L,

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

Фаза А, Фаза В, Фаза С - соответственно низковольтные Фазы трансформатора 10/0,4 кВ.

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 B 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 (см. чертеж) следует, что генератор имеет три идентичных резонансных контура I, II, III, которые содержат следующие элементы:

*) Резонансный контур I:

L₁ - С₂ - Фаза С - Фаза В - С₁ - 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:

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:

*) Значение 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, соединенных последовательно, то при заданной величине емкости этих конденсаторов С=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 T₀ 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 (0,25 T 0)} =14А - амплитуда тока в момент времени t=0,25 Т₀ согласно (8)

При Т=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_mcp 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_к - активное сопротивление двух катушек индуктивности.

В знаменателе коэффициент 4 учитывает, что ключ замкнут 0,25 T₀.

*) Определим суммарное потребление мощности P_Σ 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,

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 резисторов 1, 2, 3, 4, 5, 6, сопротивление каждого из которых равно: R=1 М.Ом, 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=1000Гц,

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

Q=10 - добротность катушки индуктивности.

*) Затраченная прототипом мощность 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 n=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.

Способ ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи с фазами А, В и С, в соответствии с которым коммутируют ключ с частотой f₀, на интервале времени 0≤t≤T₀/4, при замкнутом ключе и при потенциале фазы А более высоком, чем потенциал фазы В, запасают электромагнитную энергию в первой и второй катушках индуктивности, пропуская ток по цепи: фаза А - первая катушка индуктивности - диод (Д₁) выпрямительного моста - ключ - диод (Д₅) выпрямительного моста - вторая катушка индуктивности, размыкают ключ в интервале Т₀/4<t<Т₀ и за счет накопленной электромагнитной энергии вводят ток в фазы С и В по цепи: первая катушка индуктивности - второй конденсатор - фаза С - фаза В - первый конденсатор - первая катушка индуктивности, отличающийся тем, что при потенциале фазы В более высоком, чем потенциал фазы С на интервале времени 0≤t≤T₀/4, при замкнутом ключе пропускают ток по цепи: фаза В - вторая катушка индуктивности - диод (Д₂) выпрямительного моста - ключ -диод Д₆ выпрямительного моста -третья катушка индуктивности - фаза С, в интервале Т₀/4<t<Т₀ и за счет накопленной электромагнитной энергии вводят ток в фазы В и А по цепи: третья катушка индуктивности - шестой конденсатор - фаза В - фаза А - пятый конденсатор - третья катушка индуктивности, при потенциале фазы С более высоком, чем потенциал фазы А на интервале времени 0≤t≤T₀/4 и при разомкнутом ключе пропускают ток по цепи: фаза С - третья катушка индуктивности - диод (Д₃) выпрямительного моста - ключ - диод (Д₄) выпрямительного моста - первая катушка индуктивности - фаза А, размыкают ключ в интервале Т₀/4<t<Т₀ и за счет накопленной электромагнитной энергии вводят ток в фазы В и А по цепи: третья катушка индуктивности - шестой конденсатор - фаза В - фаза А - пятый конденсатор - третья катушка индуктивности.