Ретранслятор Российский патент 2022 года по МПК H04B3/54 

Область техники

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системах телеметрии для передачи информации по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП), в том числе от датчиков с батарейным питанием, таких, например, как датчики влажности почвы в окрестности заземления опоры ЛЭП, или датчики тока утечки ограничителей перенапряжения нелинейных (ОПН).

Уровень техники

Известны устройства для передачи информации по высоковольтным ЛЭП, например, по патентам на изобретения RU 2391775, RU 2273955, по патентам на полезные модели RU 98305, RU 105549, RU 113099. Общим недостатком указанных устройств является необходимость в источниках питания относительно большой мощности, имеющих низкий потенциал (близкий к потенциалу земли). Поскольку датчики могут находится на трассах ЛЭП далеко от подстанций, организация электропитания устройств по перечисленным патентам может быть затруднительной.

Задача усиления и передачи сигналов по ЛЭП от датчиков с маломощным батарейным питанием может быть решена путем применения ретранслятора, получающего питание за счёт тока, протекающего по высоковольтной линии, на которой установлен ретранслятор. В качестве прототипа выбран ретранслятор, описанный в патенте США US 6965303, схема которого представлена на рисунке 8 описания патента (figure 8). Это устройство включает два трансформатора, через окна магнитопроводов которых проходит провод ЛЭП. Один из трансформаторов сигнальный (слева на рисунке), а другой – трансформатор питания, переменный ток обмотки которого поступает на вход источника питания и преобразуется там в постоянный ток, питающий приёмник RX и передатчик TX ретранслятора. Приёмник и передатчик присоединяются к обмотке сигнального трансформатора через разделительные конденсаторы, обладающие на частоте сети (50 Гц или 60 Гц) высоким ёмкостным сопротивлением, а на частоте несущей информационного сигнала (обычно сотни килогерц) – низким сопротивлением. Таким образом осуществляется селекция сигналов от переменного тока, протекающего по линии. Выход приёмника и вход передатчика в прототипе связаны с оптоволоконной линией связи, но очевидно, что для беспроводной связи с датчиками может использоваться также и радиоканал (например, ZigBee или LoRa).

Недостаток прототипа – магнитопровод сигнального трансформатора может быть легко насыщен током, протекающим по ЛЭП. При насыщении магнитопровода резко ослабляется передача сигнала от ретранслятора в ЛЭП и из ЛЭП в ретранслятор. Действительно, поскольку сопротивление разделительных конденсаторов на частоте сети очень высокое, можно считать, что обмотка трансформатора разомкнута. Пусть, например, действующее значение силы тока в линии равно 2 кА, а длина средней линии магнитопровода 0,2 м. Тогда амплитуда напряженности магнитного поля в магнитопроводе H_m = 14000 А/м, в то время как даже в электротехнической стали магнитное насыщение начинается приблизительно от 100 А/м. В прецизионных магнитных сплавах насыщение наступает при ещё меньших значениях H_m. Можно устранить насыщение, сделав в магнитопроводе немагнитный зазор, но это приведёт к ослаблению сигнала, передаваемого в линию и из линии.

Ещё одним недостатком прототипа является то, что при монтаже ретранслятора на провод существующей ЛЭП требуется разрезать провод ЛЭП, а затем, после пропускания провода в окна магнитопроводов трансформаторов, снова его соединить, что увеличивает трудоёмкость монтажа. Кроме того, добавляется переходное сопротивление контактных соединений, что увеличивает потери энергии в линии.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат изобретения – увеличение мощности сигнала, передаваемого ретранслятором в ЛЭП, а также сигнала, принимаемого из ЛЭП и, следовательно, дальности и надёжности связи. В настоящем изобретении это достигается устранением насыщения магнитопровода сигнального трансформатора за счёт размагничивания его током, протекающим по обмотке трансформатора. Намагничивающая сила, создаваемая этим током, направлена навстречу намагничивающей силе, создаваемой током, протекающим по проводу ЛЭП. Предметом изобретения, обеспечивающим получение этого результата, является дроссель, подключенный к выводам обмотки сигнального трансформатора. Дроссель может иметь низкое индуктивное сопротивление на частоте сети и высокое – на частоте несущей информационного сигнала.

Другим техническим результатом является уменьшение трудоёмкости монтажа ретранслятора на провод ЛЭП. Это достигается за счёт того, что магнитопроводы обоих трансформаторов ретранслятора выполнены разъёмными.

Заявленное техническое решение поясняется графическими материалами, где:

– на фиг. 1 схематически изображена установка ретранслятора на ЛЭП;

– на фиг. 2 представлена структурная схема ретранслятора.

Структуру ретранслятора иллюстрирует фиг. 2. Провод ЛЭП 1 проходит через окна магнитопроводов сигнального трансформатора 2 и трансформатора питания 3. Магнитопроводы трансформаторов выполнены разъёмными с полированными кромками. К выводам обмотки сигнального трансформатора 2 присоединён дроссель 4, и, через разделительные конденсаторы 5, выход передатчика 6 и вход приёмника 7. Приёмник 7 и передатчик 6 получают питание постоянным током от источника питания 8, который, в свою очередь, питается переменным током от трансформатора питания 3. К входу передатчика 6 и выходу приёмника 7 присоединён беспроводный приёмопередатчик 9.

Осуществление изобретения

Заявленный ретранслятор работает следующим образом.

Переменный ток частотой 50 или 60 Гц протекает по проводу ЛЭП 1 и создаёт в магнитопроводах сигнального трансформатора 2 и трансформатора питания 3 магнитные потоки, которые индуктируют в обмотках этих трансформаторов ЭДС. ЭДС трансформатора питания 3 создаёт в обмотке ток, питающий источник питания 8, а ЭДС обмотки сигнального трансформатора 2 вызывает ток, протекающий через обмотку, дроссель 4, и включенные параллельно дросселю 4 через разделительные конденсаторы 5 выход передатчика 6 и вход приёмника 7. Ёмкостное сопротивление разделительных конденсаторов 5 на частоте сети 50 Гц очень большое. Например, при ёмкости конденсаторов 1 мкФ, ёмкостное сопротивление на частоте 50 Гц X_С(50) = 3,1 кОм. А индуктивное сопротивление дросселя 4 на этой же частоте значительно меньше. Например, при индуктивности дросселя 2 мГн X_L(50) = 0,63 Ом. Поэтому почти весь ток, протекающий через обмотку сигнального трансформатора 2, будет проходить через дроссель 4, сопротивление которого меньше сопротивления обмотки, и можно считать, что сигнальный трансформатор 2 для тока частотой 50 Гц работает в режиме короткого замыкания. Ток частотой 50 Гц будет создавать намагничивающую силу в обмотке, направленную навстречу намагничивающей силе тока в проводе ЛЭП 1, и магнитопровод трансформатора 2 насыщаться не будет. С другой стороны, разделительные конденсаторы 5 оказывают малое сопротивление передаче информации от передатчика 6 сигналом высокой частоты. Например, если частота несущей 200 кГц, то ёмкостное сопротивление конденсаторов из предыдущего примера X_С(200000) = 0,8 Ом. Сопротивление дросселя 4 из предыдущего примера на этой частоте X_L(200000) = 2,5 кОм, поэтому его нагрузка для передатчика 6 несущественна и практически весь выходной ток передатчика проходит по обмотке сигнального трансформатора 2, обеспечивая тем самым максимальную передачу сигнала в линию. Высокочастотный сигнал, проходящий по ЛЭП, создаёт ток высокой частоты в обмотке сигнального трансформатора 2. Для этого тока дроссель 4 представляет большое сопротивление, а разделительные конденсаторы 5, включённые между выводами обмотки и входом приёмника 7 ретранслятора имеют малое сопротивление на высокой частоте, поэтому почти вся энергия сигнала, проходящего по обмотке сигнального трансформатора 2, поступает на вход приёмника 7.

Беспроводный приёмопередатчик 9 осуществляет обмен информацией по радиоканалу, например, ZigBee, между первичным датчиком информации и приёмником 7 и передатчиком 6 ретранслятора.

Трансформатор питания 3 и источник питания 8 могут быть выполнены в соответствии с описанием к патенту на полезную модель RU 159443.

Использование: в системах телеметрии для передачи информации по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП). Технический результат – увеличение дальности и надёжности связи за счет увеличения мощности сигнала, передаваемого в линию. Согласно изобретению, к выводам обмотки сигнального трансформатора подключен дроссель. Выход передатчика и вход приёмника подключены параллельно дросселю к выводам обмотки сигнального трансформатора через разделительные конденсаторы. За счет дросселя, включенного между выводами обмотки сигнального трансформатора, устраняется насыщение магнитопровода сигнального трансформатора намагничивающей силой обмотки сигнального трансформатора. 2 ил.

Ретранслятор для приёма и передачи информации по воздушным линиям электропередачи, содержащий сигнальный трансформатор и трансформатор питания, через окна магнитопроводов которых проходит провод линии электропередачи, разделительные конденсаторы, приёмник, передатчик, беспроводный приёмопередатчик, вход которого подключен к выходу приёмника, а выход – к входу передатчика, а также источник питания, присоединённый входными выводами к выводам обмотки трансформатора питания, а выходными – к выводам питания приёмника, передатчика и беспроводного приёмопередатчика, отличающийся тем, что к выводам обмотки сигнального трансформатора подключен дроссель, выход передатчика и вход приёмника подключены параллельно дросселю к выводам обмотки сигнального трансформатора через разделительные конденсаторы, а магнитопроводы сигнального трансформатора и трансформатора питания выполнены разъёмными.