способ гутина к.и. - цагарейшвили с.а. ввода токов сигналов в линию электропередачи 380 в по схеме "фаза - фаза"

Формула изобретения

Способ ввода токов сигналов в линию электропередачи, в соответствии с которым через вторую обмотку трансформатора и замкнутый управляемый ключ пропускают ток i(t)_пр, при этом коммутируют ключ с частотой f₀, отличающийся тем, что при подключении генератора, формирующего токи сигналов, к линии при разомкнутом ключе и потенциале фазы А больше потенциала вывода «земля», проходит ток i₁(t) по цепи: фаза А, диод Д₁ мостового трехфазного выпрямителя, вывод «плюс» первого конденсатора, вывод «минус» первого конденсатора, диод Д₃ мостового трехфазного выпрямителя, вывод «земля», фаза А, при достижении напряжения на первом конденсаторе значения Е₀ генератор находится в устойчивом состоянии; в момент времени t 0 начинают коммутировать ключ с частотой f₀, при этом ключ замкнут в промежутке времени 0 t 0,18T₀, при этом проходит ток i₂(t) по цепи, которая образует первый резонансный контур: вывод «плюс» первого конденсатора, ключ, воздушная катушка индуктивности, вывод «минус» первого конденсатора; при прохождении тока i₂(t) через воздушную катушку индуктивности в ней запасается электромагнитная энергия W, при размыкании ключа в момент времени t=0,18T₀, за счет запасенной электромагнитной энергии W в воздушной катушке индуктивности протекает ток сигнала i₀(t) по цепи, которая образует второй резонансный контур: воздушная катушка индуктивности, второй конденсатор, фаза А, фаза В, третий конденсатор, воздушная катушка индуктивности, при этом первый и второй резонансные контуры настроены в резонанс на частоту f₀; при прохождении тока сигнала i ₀(t) образуются токи прямой I₁ и обратной I ₂ последовательностей, которые на диспетчерском пункте принимаются двумя фильтрами прямой и обратной последовательностей;

- период частоты тока сигнала;

Е₀=310 В - амплитуда напряжения фаз второй обмотки трансформатора;

i₁(t) - ток заряда первого конденсатора;

i₂(t) - ток разряда первого конденсатора;

i₀(t) - ток сигнала;

t_paз - время разомкнутого положения ключа 0,18T₀ t_paз T₀.

Описание изобретения к патенту

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 y, 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, МПК Н04В 3/54, БИ № 5, 2004), в соответствии с которым через вторую обмотку воздушного трансформатора, резистор и замкнутый управляемый ключ проходит ток i(t)_пр в промежутке времени ; в промежутке времени ключ разомкнут, при этом коммутируют ключ с частотой f ₀.

Недостатками известного способа (прототипа) является то, что трудно получить коэффициент связи между его обмотками, близким к единице, за счет больших габаритов воздушного трансформатора, большая мощность потребления при образовании тока, вводимого в линию 380 В, 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, также снижен удельный коэффициент в 7 раз.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение удельного коэффициента, который определяет отношение потребляемой мощности в ватах на один ампер амплитуды тока сигнала в 7 раз.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе ввода токов сигналов в линию электропередачи, в соответствии с которым через вторую обмотку трансформатора и замкнутый управляемый ключ пропускают ток i(t) _пр, при этом коммутируют ключ с частотой f₀, при подключении генератора, формирующего токи сигналов, к линии при разомкнутом ключе и потенциале фазы А больше потенциала вывода «земля», проходит ток i₁(t) по цепи: фаза А, диод Д₁ мостового трехфазного выпрямителя, вывод «плюс» первого конденсатора, вывод «минус» первого конденсатора, диод Д₃ мостового трехфазного выпрямителя, вывод «земля», фаза А, при достижении напряжения на первом конденсаторе значения Е₀ генератор находится в устойчивом состоянии; в момент времени t 0 начинают коммутировать ключ с частотой f₀, при этом ключ замкнут в промежутке времени 0 t 0,18T₀, при этом проходит ток i₂(t) по цепи, которая образует первый резонансный контур: вывод «плюс» первого конденсатора, ключ, воздушная катушка индуктивности, вывод «минус» первого конденсатора; при прохождении тока i₂(t) через воздушную катушку индуктивности в ней запасается электромагнитная энергия W, при размыкании ключа в момент времени t=0,18T₀, за счет запасенной электромагнитной энергии W в воздушной катушке индуктивности протекает ток сигнала i₀(t) по цепи, которая образует второй резонансный контур: воздушная катушка индуктивности, второй конденсатор, фаза А, фаза В, третий конденсатор, воздушная катушка индуктивности, при этом первый и второй резонансные контуры настроены в резонанс на частоту f₀; при прохождении тока сигнала i ₀(t) образуются токи прямой I₁ и обратной I ₂ последовательностей, которые на диспетчерском пункте принимаются двумя фильтрами прямой и обратной последовательностей;

- период частоты тока сигнала;

Е₀ =310 В - амплитуда напряжения фаз второй обмотки трансформатора;

i₁(t) - ток заряда первого конденсатора;

i₂(t) - ток разряда первого конденсатора;

i₀(t) - ток сигнала;

t _paз - время разомкнутого положения ключа 0,18T₀ tpaз T₀.

На чертеже приведена схема заявленного генератора, где

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

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

3 - двухполупериодный выпрямительный мост, собранный на диодах Д₁, Д ₂, Д₃, Д₄;

4 - первый конденсатор с емкостью С4;

5 - управляемый ключ;

6 - воздушная катушка индуктивности с величиной индуктивности L₆;

7 - второй конденсатор с емкостью С₇;

8 - третий конденсатор с емкостью С₃;

9 - заземленная нейтраль трансформатора 10/0,4 кВ (вывод «земля»).

РАБОТА ГЕНЕРАТОРА

При подключении генератор к линии 220 В при разомкнутом ключе 5 в промежутке времени, когда потенциал фазы А больше потенциала вывода «земля», открыты диоды Д₁ и Д ₃. Первый конденсатор 4 заряжается до напряжения Е ₀ током i₁(t) по цепи: фаза А, диод Д₁ , конденсатор 4, диод Д₃, вывод «земля».

Через промежуток времени t=4 _n конденсатор 4 зарядится полностью до напряжения Е₀:

где _n - постоянная времени зарядной цепи конденсатора 4; E₀=U_m - амплитуда фазного напряжения 220 В. Второй (низковольтной) обмотки трансформатора.

После полного заряда конденсатора 4 до напряжения Е₀ =310В генератор находится в устойчивом состоянии.

Исходные данные для расчета генератора:

I _m=38 А - амплитуда тока, вводимого в линию 380 В по схеме «Фаза-Фаза»;

f₀=1950 Гц - частота тока сигнала.

- интервал времени замкнутого положения ключа.

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

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

Определим значение I_m с учетом (1) через параметры генератора С₄, Е₀, f₀ при замкнутом ключе 5 в первом резонансном контуре, который образован цепью: вывод «плюс» конденсатора 4, ключ 5, воздушная катушка индуктивности 6, вывод «минус» конденсатора 4:

где I_m=38A - амплитуда тока i₁(t) заряда конденсатора С₄.

Е₀=310 В - согласно (1).

f₀ =1950 Гц - согласно исходных данных.

Определим величину емкости конденсатора 4, с учетом выражения (3) и исходных данных:

В момент времени t>0 начинают коммутировать ключ 5 с частотой f₀. При замкнутом ключе в первом резонансном контуре протекает ток i₂(t) за счет разряда конденсатора 4 по цепи: вывод «плюс» конденсатора 4, ключ 5, катушка индуктивности 6, вывод «минус» конденсатор С₄.

При протекании тока i₂ (t) через воздушную катушку индуктивности 6 в ней будет запасаться электромагнитная энергия W. В момент времени размыкания ключа t= ₃, за счет запасенной электромагнитной энергии W во втором резонансном контуре начнутся свободные колебания тока сигнала i₀(t), который вводят в линию 380 В по цепи: катушка индуктивности 6, конденсатор 7, фаза А низковольтной обмотки трансформатора, фаза В низковольтной обмотки трансформатора, 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, фаза А и фаза В трансформатора 10/0,4 кВ будут замкнуты накоротко) по цепи: конденсатор 8, катушка индуктивности 6, конденсатор 7. В связи с тем, что суммарное сопротивление второго резонансного контура мало можем считать, что по указанной выше цепи наступает короткое металлическое замыкание на частоте f₀=1950 Гц, при этом, как известно, образуются токи прямой ₁ и обратной ₂ последовательностей, которые на ДП принимаются двумя фильтрами прямой и обратной последовательностей. «Теоретические основы электротехники» - Издательство «Энергия». Москва 1966 г. - Ленинград, с.211.

Определим величину индуктивности катушки индуктивности 6 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 низковольтная обмотка фазы А будет иметь индуктивность, которая равна:

Определим суммарную индуктивность второго резонансного контура:

Определим суммарное активное сопротивление второго резонансного контура:

где Q=10 - добротность второго резонансного контура.

Определим с учетом выражений (1), (8), (9) правильность выбора значения ₃=0,18Т₀ из известного выражения:

где ₃=0,18Т₀ - задано в исходных данных.

Таким образом, сравнивая величину амплитуды тока, которая задана в исходных данных I_m=38 A с величиной, полученной в (10), делаем вывод, что интервал времени замкнутого положения ключа L. ₃=0,18Т₀ выбран правильно.

Аналитическое выражение тока сигнала, который вводят в линию 380 В имеет вид:

где ₀= _св=1950 Гц частота тока свободных колебаний во втором резонансном контуре;

е^{- tфаз} - коэффициент затухания тока свободных колебаний в интервале времени

t_paз - интервал времени, когда ключ разомкнут:

Определим амплитуду тока свободных колебаний во втором резонансном контуре через промежуток времени 4,2·10^-4 с, 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

где индекс «3» - относится к заявленному генератору.

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

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=17A, R=100 м, ₃=0,25T₀ параметры прототипа; коэффициент 0,25 в (17) учитывает, что энергия из линии 380 В в прототипе отбирается только 0,25Т₀.

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 А - амплитуда тока в прототипе.

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

Таким образом, цель, поставленная изобретением, достигнута, при этом в заявленном генераторе нет воздушного трансформатора, а удельное потребление мощности снижено в 7 раз согласно выражения (20).