Способ гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи

 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных линий электропередачи (0,4-35) кВ без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - снижение мощности, потребляемой генератором, на 340 Вт. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных линий электропередачи (0,4-35) кВ (линия) без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой мощности.

Известен способ ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, который реализован в генераторе (К. И.Гутин, С.А.Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства. Выпуск 1 (53), ВИЭСХ, Москва, 1985 г., стр.7).

Недостатками данного генератора, реализующего известный способ, являются: 1. Образование 4-х токов вместо двух в линии: Индексы при токах - обозначают соответственно 1 - прямую АВС, 2 - обратную АСВ последовательности чередования фаз.

Для приема используют только где f₁=f_о-F; f₂=f_о+F.

На "паразитные" токи затрачивают бесполезно мощность.

f_о - частота сигнала (коммутации ключа), F - частота напряжения линии.

2. За счет разряда конденсатора на резистор затрачивают большую мощность.

Известен способ ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, который реализован в "Устройстве (генератор) передачи сигналов по проводам трехфазной линии электропередачи", который принят за прототип. Авт. св. SU 1757111 A₁, H 04 В 3/54, бюлл. 31, 1992 г. Данный генератор образует два тока что является достоинством по сравнению с аналогом, но остался недостаток в прототипе - большая мощность потерь в генераторе за счет разряда конденсатора 14 на резистор 9 через управляемый ключ (ключ). В прототипе ключ выполнен на тиристоре 15 с принудительным закрытием (конденсатор 13, катушка индуктивности 11). Применить транзистор в прототипе нельзя в связи с большими бросками токов через ключ в момент начала разряда конденсатора 14 на резистор 9, который заряжен до напряжения, которое равно амплитуде линейного напряжения В предлагаемом техническом решении процесса разряда конденсатора на резистор нет. Поэтому в качестве ключа можно применять как транзистор, так и тиристор, в зависимости от требуемых величин вводимых токов. Следует также отметить, что при использовании тиристора, он может не закрыться, например, при грозе и устройство выйдет из строя, за счет наводимых импульсных помех в проводах, поэтому необходимо предусмотреть специальную защиту тиристора, как это выполнено, например, в "Устройстве передачи сигналов по проводам трехфазной линии электропередачи" Патент RU 200237 C₁, 5 Н 04 В 3/54, бюлл. 39-40, 1993 г. Реализация предложенного технического решения значительно снижает потребляемую мощность.

На чертеже приведена схема генератора, которая реализует заявленное техническое предложение.

1. Трансформатор 10/0,4 кВ (трансформатор).

2. Трехфазная линия электропередачи 10 кВ.

3. Трехфазная линия электропередачи 0,4 кВ (линия).

4. Трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост (мост).

5. Вторая катушка индуктивности (катушка).

6. Второй конденсатор (конденсатор).

7. Первая катушка.

8. Первый конденсатор.

9. Резистор.

10. Управляемый ключ (ключ).

11. Блок управления.

Работает генератор следующим образом: 1. Для определения потерь в прототипе разберем его работу, для этого исключают из схемы (см. чертеж) элементы 7 и 8, а конденсатор 6 включают, как в прототипе положение 6₁, показано пунктиром. Для расчета зададим конкретные данные, которые встречаются на практике.

Дано: f_o=1000 Гц - частота сигнала (коммутации ключа);
L₂=6,3•10^-6 Гн - индуктивность катушки 5;
С₂=4•10^-6 Ф - емкость конденсатора прототипа 6₁ и конденсатора 6;
R=10 Ом - сопротивление резистора 9;
Е_о= 512 В - постоянная составляющая выпрямленного трехфазного линейного напряжения между точками 1-2;
S_тр=1000 кВА - мощность трансформатора 10/0,4 кВ.

В прототипе катушку 5 и конденсатор 6₁ настраивают в резонанс на частоту f_о=1000 Гц, где:

Индуктивностями обмоток трансформатора 1 фаз А, В, С пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с индуктивностями катушек 5 и 7.

Активными сопротивлениями обмоток трансформатора 1 фаз А, В, С, сопротивлениями диодов моста 4, сопротивлением ключа 10 пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с сопротивлением резистора 9.

Определим амплитудное значение тока, проходящего через катушку 5, резистор 9 и ключ 10 в момент времени в прототипе

Действующее значение этого тока равно:

Это значение тока 12 А при заданной мощности трансформатора 1000 кВА и частоте сигнала f_o=1000 Гц разрешено вводить в трехфазную линию электропередачи правилами МЕЖДУНАРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ КОМИССИИ (МЭК).

Рассмотрим процесс разряда конденсатора 6₁ на резистор 9, как это происходит в прототипе.

Конденсатор 6₁ заряжен, как это показано на чертеже. В промежутке времени через ключ 10 протекают два тока:
1) ток заряда i₁ (t) электромагнитной энергией катушки 5;
2) ток разряда конденсатора 6₁ на резистор 9.

Ток разряда конденсатора 6₁ протекает по цепи: "плюс" конденсатора 6₁ - резистор - 9 - ключ 10 - "минус" конденсатора 6₁. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, приложенного к конденсатору 6₁, равна E_о=512 B. Энергия W_6.1, накопленная конденсатором 6₁ за один период T_о, равна:
W_6.1=E_о ²•C_6.1, (4)
C_6.1 - емкость конденсатора 6₁.

При протекании тока разряда конденсатора 6₁, напряжение на нем U_6.1 (t) убывает по экспоненте:

где E₀= 512 B;
t - время разряда конденсатора;
l - основание натурального логарифма;
R - сопротивление резистора 9;
τ = R•C_6.1
Энергия, рассеиваемая в сопротивлении R, в течение всего переходного процесса, равна энергии, запасенной в электрическом поле до коммутации, т.е. в промежутке времени t, где .

Переходный процесс считают законченным через промежуток времени
t≅(3÷4)τ.

Определим время t_p (C_6.1), принятое для разряда конденсатора 6₁
.

Определим промежуток времени t_p (τ) разряда конденсатора 6₁ за промежуток времени 4τ:

Сравнивая выражения (6) и (7), можно считать, что конденсатор 6₁ полностью разрядился на резистор 9.

Определим мощность потерь Р_п за счет разряда конденсатора 6₁ на резистор 9 при непрерывной работе генератора
P_п=E₀ ²•C_6.1=512²•4•10^-6•1000≈1000 Вт. (8)
Учитывая, что генератор работает только при передаче символов "1", a при передаче символов "0" не работает, и что в сообщении количество сигналов "1" и "0" принимаем равным, мощность потерь, при передаче символов "1" - Р_п ("1"), равна:

Следует учесть, что основная нагрузка по передаче сигналов приходится на генератор, установленный на диспетчерском пункте (ДП), который ведет циклический опрос состояния электрооборудования, установленного на 1, 2, 3... контролируемых пунктах (КП). Принимают условия, что длительность передачи информации с КП в два раза больше, чем длительность запроса КП с ДП, тогда, с учетом (9), мощность потерь в генераторе ДП-Рп (ДП) будет равна:

Следует отметить, что это справедливо при пассивной передаче символа "0". При передаче символа "0" активным способом потери возрастут в два раза
P_п(ДП)=170•2=340 Вт. (10)
2. Рассмотрим работу генератора, который реализует предложенное техническое решение (см. чертеж).

Блок управления 11 вырабатывает импульсы управления для управления ключом 10, который коммутируют с частотой f_о. Ключ 10 находится в замкнутом положении в промежутке времени и в разомкнутом положении в промежутке времени
Параллельный контур, образованный катушкой 5 и конденсатором 6, настраивают в резонанс на частоту сигнала ₀:

Согласно выражения (1),
где L₂=6,3•10^-3 Гн - индуктивность катушки 5;
С₂=4•10^-6 Ф - емкость конденсатора 6.

Последовательный контур, образованный фазой С - конденсатором 8 - катушкой 7 - фазой В, так же настраивают в резонанс на частоту сигнала f_о
,
где L₁ - индуктивность катушки 7;
С₁ - емкость конденсатора 8.

В частном случае L₁=L₂=6,3•10^-3 Гн,
С₁=С₂=4•10^-6 Ф.

В этом генераторе нет тока разряда конденсатора на резистор, а значит, нет и потерь мощности, которая при передаче символа "0" активным способом в прототипе равна 340 Вт.

При прохождении тока заряда катушки 5 по цепи: (считаем, что потенциал фазы А выше потенциала фазы В, открыты затемненные диоды моста). Фаза А - мост 4 - катушка 5 - резистор 9 - ключ 10 - мост 4 - Фаза В, электромагнитная энергия W, запасенная катушкой 5, будет равна:
I²_gL₂ = 12²•6,3•10^-3≅0,91 Дж, (11), (11)
где I_g=12 А - из выражения (3);
L₂=6,3•10^-3 Гн - индуктивность катушки 5.

За счет этой энергии W в параллельном контуре, в промежутке времени возникнет ток свободных колебаний i₂ (t) на частоте ω_св = ω_o, который равен:
i₂(t) = I_m•l^-δ^t•sinω_ot (12)
где: I_m=17A - согласно выражения (2)

R₂ - активное сопротивление второй катушки;
Q - добротность второй катушки 5;
ω_св - частота свободных колебаний;
ω_св = ω_o = 2πf_o - угловая частота.

Определим, для конкретного случая, коэффициент затухания l^-δ^t выражения (12), за время колебаний, равное
Примем Q=20



Таким образом, амплитуда тока i₂(t) в момент времени t=T_о, когда вновь замкнут ключ 10, будет равна I_m•l^-δ^t = 17•0,88 = 15A, т.е. амплитуда тока тока I_m упадет на 11%. Для уменьшения коэффициента затухания необходимо увеличить добротность Q катушки L₂.

За счет токов i₁(t), который существует в промежутке времени согласно выражения (2) и тока i₂(t) согласно выражения (12) в последовательном контуре, образованном фазой С - конденсатором 8 - катушкой 7, которая индуктивно связана со второй катушкой 5 - фазой В в линию 0,4 кВ будут вводить ток сигнала i_о(t), который равен:

Так как ток i₀(t) вводят по схеме фаза - фаза на одной частоте f₀ в трехфазной линии, так же будут присутствовать два тока, как и в прототипе, т.е. токи прямой последовательности на частоте и обратной последовательности на частоте
Наличие двух токов на одной частоте дает преимущество в приеме этих токов, чем токов в прототипе на двух частотах.

Примечания:
1. При использовании в качестве ключа тиристора с принудительным закрытием, резистор 9 выбирают из допустимых импульсных перегрузок. Так, например, для тиристора типа Т4-25-9 этот ток равен 700 А при длительности 0,01 с. Тогда минимальное необходимое сопротивление резистора R_min равно:

где: амплитудное значение линейного напряжения.

При этом, в генераторе должна быть предусмотрена защита от случаев незакрытия тиристора, вызванных импульсными помехами на его управляющем электроде.

2. При использовании в качестве ключа транзистора, резистор R_min убирают из схемы генератора, т.е. R_min=0.

Таким образом, мы доказали, что цель, поставленная изобретением, достигнута, т.к. снижена мощность генератора на 340 Вт.

Формула изобретения

Способ ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, в соответствии с которым запасают электромагнитную энергию во второй катушке индуктивности при прохождении тока

по цепи: низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы А, выпрямленный мост, вторая катушка индуктивности, резистор, ключ, выпрямительный мост, низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы В, на интервале времени при замкнутом ключе, который коммутируют с частотой f_o отличающийся тем, что в трехфазную линию электропередачи вводят ток сигнала i_o(t) в низковольтные обмотки трансформатора 10/0,4 кВ, который равен

i_o(t)=I_m.o·cosω_ot,

через последовательный колебательный контур, образованный низковольтной обмоткой трансформатора 10/0,4 кВ фазы С, первым конденсатором, первой катушкой индуктивности, которая индуктивно связана со второй катушкой индуктивности, низковольтной обмоткой трансформатора 10/0,4 кВ фазы В, при этом за счет запасенной электромагнитной энергии W во второй катушке индуктивности в колебательном контуре, образованном второй катушкой индуктивности и вторым конденсатором, в промежутке времени при разомкнутом ключе, образуют ток свободных колебаний i₂(t) на частоте ω_св=ω_о, который равен

i₂(t)=I_m·lδ^t·sin ω_ot

при этом, упомянутые параллельный и последовательный колебательные контуры настраивают в резонанс на частоту сигнала f₀,

где

- для последовательного колебательного контура и

- для параллельного колебательного контура,

где I_m.o. - амплитуда тока сигнала i_o(t);

- постоянная составляющая выпрямленного двухполупериодного трехфазного напряжения 0,4 кВ частоты 50 Гц;

R - сопротивление резистора;

L₂ - индуктивность второй катушки индуктивности, при этом индуктивностями обмоток трансформатора 10/0,4 кВ фаз А, В, С пренебрегают, в связи с их малостью по сравнению с индуктивностями первой и второй катушек индуктивности;

I_m - амплитудное значение тока i₂(t) в момент времени

L₁ - индуктивность первой катушки индуктивности;

- активное сопротивление второй катушки индуктивности;

С₁ и С₂ - емкости соответственно первого и второго конденсаторов;

Q≈20 - добротность второй катушки индуктивности;

ω_o=ω_св=2πf_o - частота тока свободных колебаний в параллельном колебательном контуре;

- амплитудное значение линейного напряжения частоты 50 Гц;

- период частоты сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1