Способ гутина к.и.-цагарейшвили с.а. ввода токов сигналов в линию электропередачи 220в по схеме "фаза-земля"

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для передачи сигналов телеуправления с диспетчерского пункта (ДП), установленного на пункт связи 35/10/0,4 кВ, на рассредоточенные контролируемые пункты (КП), которые подключены к линиям электропередачи 380 В. С КП передают сигналы телесигнализации положения управляемых переключателей и сигналы телеизмерений, которые содержат информацию о величинах токов, напряжений, cos γ, показаний счетчиков электроэнергии потребителей. В заявленном способе, который реализован в генераторе, получен технический результат - нет воздушного трансформатора, а также снижен удельный коэффициент мощности γ в 7 раз. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для передачи сигналов телеуправления с диспетчерского пункта (ДП), установленного на подстанции 35/10/0,4 кВ, на рассредоточенные контролируемые пункты (КП), которые подключены к линиям электропередачи 380 В. С КП на ДП передают сигналы телесигнализации положения управляемых переключателей и сигналы телеизмерений, которые содержат информацию о величинах токов, напряжений, cos γ, показаний счетчиков электроэнергии потребителей.

Известен «Пассивно-активный способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть», патент RU 2224363 С2, 7 Н04В 3/54 от 20.02.2004 г. Бюл. №5. Данный АНАЛОГ имеет следующие недостатки:

1. Наличие в генераторе, реализующем способ, воздушного трансформатора, при изготовлении которого трудно получить коэффициент связи между его обмотками близким к единице за счет больших габаритов воздушного трансформатора;

2. Большая мощность потребления при образовании тока, вводимого в линию 380 В.

Известен также «Способ Гутина К.И. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи», который принят за прототип (Патент RU 2224365 С2, 7 Н04В 3/54 от 20.02.2004 г. Бюл. №5). Данный способ имеет недостатки аналога п.п.1 и 2, а также имеет малый удельный коэффициент, который определяет отношение потребляемой мощности в ваттах на один ампер амплитуды тока сигнала:

где:

Р - потребляемая генератором мощность в ваттах;

I_m - амплитуда тока сигнала, вводимого в линию напряжением 380 В, при передаче сигналов с КП на ДП - в амперах.

В заявленном способе устранены недостатки прототипа по п.п.1 и 2, а также снижен удельный коэффициент γ в 7 раз.

На чертеже приведена схема заявленного генератора, где:

1 - трансформатор 10/0,4 кВ, который установлен на ДП;

2 - низковольтная фаза А трансформатора 10/0,4 кВ;

3 - двухполупериодный выпрямительный мост, собранный на диодах Д₁, Д₂, Д₃, Д₄;

4 - первый конденсатор с величиной емкости С₄;

5 - управляемый ключ;

6 - воздушная катушка индуктивности с величиной индуктивности L₆;

7 - второй конденсатор с величиной емкости С₇;

8 - третий конденсатор с величиной емкости C₈;

9 - заземленная нейтраль трансформатора 10/0,4 кВ.

При подключении генератора к линии 220 В при разомкнутом ключе в промежутке времени, когда потенциал фазы А больше потенциала вывода «земля», открыты диоды Д₁ и Д₃. Конденсатор 4 заряжается током i₁(t) до напряжения Е₀ по цепи: фаза А, диод Д₁, вывод «плюс» выпрямительного моста, конденсатор 4, диод Д₃, вывод «земля».

Через промежуток времени Δt=4τ_n конденсатор 4 зарядился полностью до напряжения Е₀:

где: τ_n - постоянная времени зарядной цепи конденсатора 4;

U_m - амплитуда фазного напряжения 220 В.

После полного заряда конденсатора 4 до напряжения Е₀=310 В схема генератора будет находиться в устойчивом состоянии.

Исходные данные для расчета генератора:

I_m=38 А - амплитуда тока, вводимого в линию 220 В по схеме «Фаза - Земля»;

f_c=1950 Гц частота тока сигнала.

- интервал времени замкнутого положения ключа.

S=400 кВА - мощность трансформатора 10/0,4 кВ.

Известное равенство энергий: запасаемой в катушке индуктивности и электрической энергии - в конденсаторе, при резонансе, имеет вид:

Значение I_m при замкнутом ключе в первом резонансном контуре, который образован цепью: «плюс» конденсатора 4, ключ, воздушная катушка индуктивности L₆, «минус» конденсатора 4 с учетом (1) определяется через параметры генератора C₄, E₀, f₀ по формуле:

где: I_m=38 A - амплитуда тока i₁(t) заряда конденсатора 4;

Е₀=310 В - согласно (1);

f₀=1950 Гц - согласно исходных данных.

Величина емкости конденсатора 4 (С₄) рассчитывается с учетом выражения (3) и исходных данных по формуле:

В момент времени t>0 начинают коммутировать ключ с частотой f₀.

При замкнутом ключе - в первом резонансном контуре будет протекать ток i₂(t) за счет разряда конденсатора 4 по цепи: вывод «плюс» выпрямительного моста, ключ 5, катушка индуктивности 6, конденсатор 4, вывод «минус» выпрямительного моста.

При протекании тока i₂(t) через воздушную катушку индуктивности 6 в ней будет запасаться электромагнитная энергия W.

В момент времени размыкания ключа t=τ₃ за счет запасенной электромагнитной энергии W во втором резонансном контуре начнутся свободные колебания тока сигнала i₀(t), который вводят в линию 220 В по цепи: вывод «минус» выпрямительного моста, конденсатор C₇, вывод «земля», обмотка фазы В трансформатора 10/0,4 кВ, конденсатор 8, воздушная катушка индуктивности 6, при этом первый и второй резонансные контуры настроены в резонанс на частоту f₀. При наличии тока i₀(t) сигнала во втором резонансном контуре согласно чертежу, фаза В трансформатора 10/0,4 кВ будет замкнута накоротко на землю по цепи: конденсатор 8, катушка индуктивности 6, конденсатор 7, земля. В связи с тем что суммарное сопротивление второго резонансного контура , можем считать, что по указанной выше цепи наступает короткое металлическое замыкание на частоте 1950 Гц, при этом, как известно, образуются токи прямой и обратной последовательностей, которые на ДП принимаются двумя фильтрами прямой и обратной последовательностей. «Теоретические основы электротехники» - Издательство «Энергия». Москва, 1966 г. - Ленинград, стр.211.

Величину индуктивности катушки индуктивности 6 можно определить по формуле с учетом выражения (4):

В связи с тем что конденсаторы 7 и 8 соединены последовательно во втором резонансном контуре, емкость каждого из них будет равна:

С учетом мощности трансформатора 10/0,4 кВ обмотка фазы В будет иметь индуктивность, которая равна:

Суммарную индуктивность второго резонансного контура можно определить по формуле:

Определим суммарное активное сопротивление второго резонансного контура:

где: Q=10 - добротность второго резонансного контура.

Определим с учетом выражений (1), (8), (9) правильность выбора значения τ₃=0,18 Т₀ из известного выражения:

где: τ₃=0,18 Т₀ - задано в исходных данных.

Таким образом, сравнивая величину амплитуды тока, которая задана в исходных данных I_m=38 А, с величиной, полученной в (10), делаем вывод, что интервал времени замкнутого положения ключа τ₃=0,18 Т₀ выбран правильно.

Аналитическое выражение тока сигнала, который вводят в линию 220 В, имеет вид:

где: ω₀=ω_св=1950 Гц - частота тока свободных колебаний во втором резонансном контуре;

- коэффициент затухания тока свободных колебаний в интервал времени t_раз;

- коэффициент, характеризующий степень затухания.

t_paз - интервал времени, когда ключ разомкнут:

Определим амплитуду тока свободных колебаний во втором резонансном контуре через промежуток времени 4,2·10^-4 сек, т.е. в момент следующего замыкания ключа, с учетом (10), (12) и (13):

Определим среднее значение амплитуды тока сигнала за период Т₀ с учетом выражения (14):

Определим мощность потерь в заявленном генераторе с учетом выражения (9):

где:

индекс «3» относится к заявленному генератору.

Коэффициент 0,18 в (16) учитывает, что энергия из линии 220 В отбирается только 0,18 Т₀.

Определим мощность потерь в прототипе, при этом для простоты расчетов мощность потерь в воздушном трансформаторе прототипа не учитываем:

где: индекс «пр» относится к генератору прототипа;

I_m=17 A, R=100 м, τ₃=0,25 Т₀ - параметры прототипа.

Коэффициент 0,25 в (17) учитывает, что энергия из линии 380 В в прототипе отбирается только 0,25 Т₀.

Определим удельное потребление мощности в заявленном генераторе на 1 ампер амплитудного значения тока сигнала с учетом (10) и (16):

Определим удельное потребление мощности у ПРОТОТИПА на 1 ампер амплитудного значения тока сигнала с учетом (17):

где: I_m=17 A - амплитуда тока в прототипе.

Определим во сколько раз удельное потребление мощности в заявке меньше, чем в прототипе, с учетом (18) и (19):

Таким образом, технический результат изобретением достигнут, при этом в заявленном генераторе нет воздушного трансформатора, а удельное потребление мощности снижено в 7 раз согласно выражению (20).

Способ ввода токов сигналов в линию электропередачи по схеме «Фаза-Земля», в соответствии с которым через низковольтную обмотку трансформатора и замкнутый управляемый ключ проходит ток, при этом коммутируют ключ с частотой f₀, отличающийся тем, что при подключении генератора, реализующего способ, к линии при разомкнутом ключе и потенциале фазы А больше потенциала вывода «земля», проходит ток i₁(t) по цепи: фаза А, диод Д₁, первый конденсатор, диод Д₃, вывод «земля» при достижении напряжения на первом конденсаторе значения Е₀ схема генератора будет находиться в устойчивом состоянии; в момент времени t≥0 начинают коммутировать ключ с частотой f₀, при этом ключ замкнут в промежутке времени 0≤t≤0,18 T₀, при этом проходит ток i₂(t) по цепи, которая образует первый резонансный контур: вывод «плюс» выпрямительного моста, ключ, воздушная катушка индуктивности, первый конденсатор; при прохождении тока i₂(t) через воздушную катушку индуктивности в ней запасается электромагнитная энергия W, при размыкании ключа в момент времени t=0,18 T₀ за счет запасенной электромагнитной энергии W в воздушной катушке индуктивности будет протекать ток сигнала i₀(t) по цепи, которая образует второй резонансный контур: вывод «минус» выпрямительного моста, второй конденсатор, вывод «земля», низковольтная обмотка трансформатора фазы В, третий конденсатор, воздушная катушка индуктивности, вывод «минус» выпрямительного моста, при этом первый и второй резонансные контуры настроены в резонанс на частоту f₀; при прохождении тока сигнала i₀(t) через низковольтную обмотку фазы В трансформатора ток будет трансформироваться в линию электропередачи, который будет принят приемником на диспетчерском пункте,
где - период частоты тока сигнала;
Е₀=310 В - амплитуда напряжения фаз низковольтных обмоток;
i₁(t) - ток заряда первого конденсатора;
i₂(t) - ток разряда первого конденсатора;
i₀(t) - ток сигнала;
- коэффициент затухания тока сигнала в промежутке времени, когда ключ разомкнут;
t_paз - время разомкнутого положения ключа 0,18T₀≤t_paз≤T₀;
δ - коэффициент, характеризующий степень затухания.