Устройство ввода токов сигнала в трехфазную линию электропередачи

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при передаче информации с диспетчерского пункта, который организован на п/с 35/10/0,38 кВ, при этом в сети 0,38 кВ установлены косинусные конденсаторы, которые служат для повышения коэффициента мощности cos Y. В этом случае вводить токи сигнала в линию параллельным способом нельзя, т.к. они будут шунтированы конденсаторами. С учетом этого факта предлагают вводить токи сигнала в линию среднего напряжения 10 или 35 кВ. Токи сигнала шунтированы не будут, а мощность передатчика будет значительно снижена, что является новым техническим результатом. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при передаче информации с диспетчерского пункта, который организован на п/с 35/10/0,38 кВ, при этом в сети 0,38 кВ установлены косинусные конденсаторы, которые служат для повышения коэффициента мощности cos Y. В этом случае вводить токи сигнала в линию 0,38 кВ параллельным способом нельзя, т.к. они будут шунтированы конденсаторами. С учетом этого предлагаем вводить токи сигнала в линию среднего напряжения 10 кВ. Токи сигнала шунтированы не будут, а мощность передатчика будет значительно снижена, что является новым техническим результатом.

Известно "Устройство передачи сигналов по проводам трехфазной электрической сети" (а.с. СССР N 1477217).

Несмотря на его работоспособность при наличии косинусных конденсаторов в сети 0,38 кВ, оно имеет недостаток - падение сетевого напряжения на обмотках трансформаторов, включенных последовательно в цепи косинусных конденсаторов, т.е. в конечном счете на нагрузке потребителя электроэнергии.

Данное известное устройство можно использовать при мощности потребительского трансформатора 10/0,38 кВ не более 100 кВА, что ограничивает диапазон его применения. Известна так же "Система передачи и приема сигналов по проводам трехфазной линии электропередачи" патент N 2115238 принят за прототип. Эта известная система так же работоспособна при наличии в сети 0,38 кВ косинусных конденсаторов, но имеет тот же недостаток, что и первое известное устройство.

Устройство ввода токов сигнала в трехфазную линию электропередачи содержащее трансформатор 10/0,38 кВ 2, первичные обмотки которого соединены с линией среднего напряжения 10 кВ 1, а вторичные обмотки соединены с линией 0,38 кВ 3, конденсаторную батарею 4, которая состоит из трех одинаковых конденсаторов, соединенных в треугольник, вершины которого подключены к фазам A, B, C линии 0,38 кВ 3, трехфазный передатчик пассивно-активного типа (передатчик) 5, первый 6, второй 7, третий 8 высоковольтные конденсаторы (конденсатор), трансформатор 9, при этом первые обкладки первого 6, второго 7, третьего 8 конденсаторов соответственно подключены к фазам A, B, C линии среднего напряжения 10 кВ 1, вторые обкладки которых соответственно подключены к первичным обмоткам трансформатора 9, вторичные обмотки которого соответственно подключены к трем выходам передатчика 5.

Электрическая функциональная схема устройства приведена на чертеже.

Устройство содержит 1 - электрическая линия среднего напряжения 10 кВ (линия 10 кВ), 2 - трансформатор 10/0,38 кВ, 3 - электрическая линия низкого напряжения 0,38 кВ (линия 0,38 кВ), 4 - косинусная батарея, 5 - передатчик, 6 - первый высоковольтный конденсатор (конденсатор), 7 - второй конденсатор, 8 - третий конденсатор, 9 - трансформатор.

Работает устройство следующим образом: Токи, образованные питающим напряжением промышленной частоты F, протекают между фазами AB, BC, CA линии 10 кВ 1. Определим величину тока между фазами AB, который протекает в контуре, образованном следующими элементами: Фаза A - первый конденсатор 6 - первичная обмотка трансформатора L фазы A - первичная обмотка трансформатора L фазы B - второй конденсатор 7 - фаза B. Примем условие, что емкости конденсаторов 6, 7, 8 равны C, а индуктивность первичных обмоток трансформатора 9 равна L. Активными сопротивлениями конденсаторов и обмоток трансформатора пренебрегаем в связи с их малостью по сравнению с реактивными сопротивлениями конденсаторов и обмоток трансформатора.

Реактивное сопротивление (модуль) конденсатора на частоте питающего напряжения F равно: Реактивное сопротивление (модуль) первичной обмотки трансформатора на частоте F равно: X_тр = 2ΠFL (2) Для частоты F всегда выполняется условие: X_c≥ X_тр (3) С учетом (3) при расчетах в цепях, где имеют сопротивление _c на частоте F, сопротивлением X_тр пренебрегают.

С учетом принятых допущений определяют ток в контуре AB на частоте F:
где I_AB = I_BC = I_CA - действующие значения токов на частоте F, протекающих соответственно между фазами AB, BC, CA.

U(10) = 10 кВ - действующее значение.

X_c - реактивное сопротивление конденсатора.

Определяют фазное напряжение U_ф на частоте F, которое образует ток I на первичной обмотке трансформатора 9 с учетом выражений (1), (2), (3).

Известно, что при работе трехфазного передатчика пассивно-активного типа в трехфазную сеть вводят два тока I₂(f₁) ток обратной последовательности на частоте f₁ и I₁(f₂) ток прямой последовательности на частоте f₂ или в другой форме записи:
iA(t) = Im[cosw₁t - cos(w₂t + 180)]
iB(t) = Im[cos(w₁t + 120) - cos(w₂t + 60)]
iC(t) = Im[cos(w₁t + 240) - cos(w₂t - 60)]
где I_m - амплитудное значение
w₁ = 2 Πf₁; w₂ = 2 Πf₂; f₂-f₁ = 2F
F = 50 Гц - значение промышленной частоты; частота запуска передатчика.

Из приведенных выражений следует, что на частоте f₁ во вторичные обмотки трансформатора 9 вводят ток передатчика обратной последовательности с чередованием фаз A, B, C, а на частоте f₂ вводят ток прямой последовательности с чередованием фаз A, B, C.

Эти токи трансформируют в первичные обмотки трансформатора 9 и вводят в сеть 10 кВ через высоковольтные конденсаторы 6, 7 и 8 (К.И.Гутин Повышение эффективности передачи информации в сельских электрических сетях напряжением 10 кВ. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., Москва, 1987 г.)
Пусть частота запуска передатчика равна f₀, емкость конденсаторов 6, 7 и 8 равна C, а индуктивность обмоток трансформатора равна L, C и L настраивают в резонанс на частоту f₀, т.е. справедливо выражение:

С учетом (6) в выражениях (5) перейдем от значений L, C к частоте f₀.

Определяют действующее значение линейного напряжения U на частоте F на первичных обмотках трансформатора с учетом выражения (7)

Примем коэффициент передачи трансформатора равным единице, т.е. К_тр = 1. В этом случае, линейное напряжение U на вторичных обмотках трансформатора также будет определяться выражением (8), а индуктивность вторичных обмоток трансформатора будет равна L.

На чертеже приведены выходные цепи передатчика для описания работы заявленного устройства (в описание формулы не входят).

Все известные трехфазные передатчики пассивно-активного типа имеют одни и те же выходные элементы: конденсаторы и катушки индуктивности (например, патенты 2103820, 2111610 и т.д.),
где L_п - индуктивность катушек передатчика;
C_п - емкость конденсаторов передатчика.

Рассмотрим контур, образованный вторичными обмотками трансформатора фаз AB, по которому будут проходить токи сигнала I(f₁) и I(f₂). I₀ - действующее значение тока на частоте f₀.

Катушка передатчика L_п Фазы A - вторичная обмотка трансформатора L фазы A - вторичная обмотка трансформатора L фазы B - катушка передатчика L_п Фазы B - конденсатор передатчика C_п Фазы B - конденсатор передатчика C_п Фазы A.

Элементы рассмотренного контура настраивают в резонанс на частоту fo, что следует из принципа работы передатчика, т.е. справедливо выражение:

Примем, как частный случай, L_п = 0 (на практике L_п можно использовать как настроечный элемент).

На чертеже катушки индуктивности шунтированы перемычкой.

При этом условии выражение (9) примет вид:

Сравнивая выражения (6) и (10), делаем вывод, что емкость передатчика C_п равна C, т.е. справедливо выражение:

При работе передатчика и при выполнении условия резонанса (11) конденсатор C_п будет максимально заряжаться до величины U_m, где U_m - амплитудное значение линейного напряжения на выходе передатчика на частоте F. Запишем режим резонанса, исходя из баланса энергий во вторичной обмотке трансформатора L и в конденсаторе передатчика C_п = C, при прохождении тока сигнала (Г. И. Атабеков. Теоретические основы электротехники. М.: Энергия, 1966 г., стр. 69).

где I_m - амплитудное значение тока сигнала на частоте f₀. U_m - амплитудное значение линейного напряжения U на выходе передатчика на частоте F.

Перепишем (12) в действующих значениях:
I₀²L = U²C,
где I₀ - действующее значение тока сигнала на частоте f₀.

U - действующее значение линейного напряжения на выходе передатчика на частоте F.

Определим из выражения (13) I₀:

Выразим (14) через частоту запуска передатчика f₀

Выше отмечали связь между действующим значением тока сигнала на частоте f₀ и действующими значениями токов боковых частот на частотах ₁ и f₂:

Индексы опускаем. Подставим в выражение (15) значение U из выражения

Определим из (17) с учетом (16) действующее значение токов на частотах f₁ и f₂:

Выражение (17) является расчетным. В нем неизвестен только один параметр C, остальные параметры I₀, U(10), F, f₀ известны.

Определим из выражения (17) значение емкости конденсаторов C.

Пример расчета.

Дано: 1. U (10) = 10 кВ напряжение в сети среднего напряжения;
2. F = 50 Гц - значение промышленной частоты;
3. f = 1000 Гц - частота запуска передатчика;
4. f₁ = 950 Гц; f₂ = 1050 Гц - боковые частоты.

5. I(f₁) = I(f₂) = 0,38 A - действующее значение токов боковых частот.

Решение
1. Из выражения (16) определим действующее значение токов сигнала на частоте f₀

2. Из выражения (19) определим значение емкости конденсаторов C

По справочнику выбирают высоковольтный конденсатор, из выпускаемой номенклатуры, для работы в электрической сети до 10,5 кВ.

3. Определим индуктивность первичных и вторичных обмоток трансформатора из выражения (11)

где f₀ = 10³ Гц, C = 4•10^-6 Ф.

4. Определим реактивную мощность вводимую в сеть 10 кВ в заявленном устройстве Q₃, т.е. мощность передатчика:

Сравним технические характеристики заявленного устройства с аналогом, где используют трехфазный передатчик пассивно-активного типа, например в патенте N 2103820. Сравнивать с прототипом некорректно, т.к. в нем вводят ток в одну фазу линии 0,38 кВ.

5. Определим какой необходим ток передатчика в аналоге при передаче токов в линию 10 кВ со стороны линии 0,38 кВ, чтобы ввести ток сигнала равный 0,54 А, как в заявленном устройстве:

(В серийно выпускаемой системе КС-10М, токи вводимые в фазы сети 0,38 кВ равны I₀ = 14 А на частотах f₀ = 1125 Гц на контролируемом пункте и f₀ = 1425 Гц на диспетчерском пункте.)
Для определения мощности в аналоге, необходимо знать величину индуктивности L_A
L_A = L_тр + L_п
где L_тр. - индуктивность вторичной обмотки трансформатора 2. Передатчик подключается в этом случае к линии 0,38 кВ. (косинусная батарея отсутствует).

L_п - индуктивность катушки передатчика. По аналогии с (14) напишем это выражение для тока аналога, вводимого в сеть 0,38 кВ, относительно L_A.

где U (0,38) = 380 В;
f₀ - частота запуска передатчика;
C_п - емкость конденсатора передатчика.

Определим L_A = L_тр + L_п из (26)

где I(0,38) = 14,2 А рассчитано в (24).

Для трансформаторов 10/0,38 кВ мощностью больше 100 кВА L_тр < 0,2 • 10^-3 Гн, так что L_тр в расчетах пренебрегают.

6. Определим реактивную мощность, вводимую в сеть 0,38 кВ в аналоге QA, чтобы создать токи сигнала на стороне 10 кВ согласно условию:
I(950) = I(1050) = 0,38 А, как в заявленном устройстве.

где I(0,38) = 14,2 A рассчитан в (24);
L_A = 4,26 • 10^-3 Гн рассчитан в (27);
f₀ = 10 Гц дано в задании к примеру.

Проверка.

1. Определим линейное напряжение U на частоте F из выражения (8)
Чертеж. Это напряжение прикладывают к выходу передатчика.

где U (10) = 10 кВ;
F = 50 Гц;
f₀ = 1000 Гц.

2. Определим из выражения (14) действующее значение тока сигнала на частоте f₀, который поступает на вторичные обмотки трансформатора с выхода передатчика. Эта же величина тока будет введена в линию среднего напряжения 10 кВ, т.к. К_тр. = 1.

где U = 21,63 В - определено (29);
C = 4 • 10^-6 Ф - определена в (21);
L = 6,3 • 10^-3 Гн - определена в (22).

Сравнивая значения I₀, полученные в выражениях в (20) и (30), видим, что результаты идентичны. Таким образом, расчеты проведены правильно.

Выводы:
1. Заявленное устройство работоспособно при наличии косинусных конденсаторов в сети 0,38 кВ, т.к. сигнал вводят в три фазы линии 10 кВ.

2. Снижена мощность передатчика в γ раз.

где Q_A = 5400 определено в (28);
Q₃ = 11,5 определено в (23).

Таким образом, цель, поставленная изобретением, достигнута - устройство работоспособно при наличии в сети 0,38 косинусной батареи и резко снижена мощность передатчика.

Формула изобретения

Устройство ввода токов сигнала в трехфазную линию электропередачи, содержащее трансформатор 10/0,38 кВ, первичные обмотки которого соединены с линией среднего напряжения 10 кВ, а вторичные обмотки соединены с линией 0,38 кВ, конденсаторную батарею, которая состоит из трех одинаковых конденсаторов, соединенных в треугольник, вершины которого подключены к фазам А,В,С линии 0,38 кВ, отличающееся тем, что в него введены трехфазный передатчик пассивно-активного типа, первый, второй, третий высоковольтные конденсаторы, трансформатор с заземленной нейтралью, при этом первые обкладки первого, второго, третьего высоковольтных конденсаторов подключены к фазам А,В,С, соответственно, линии среднего напряжения 10 кВ, вторые обкладки первого, второго, третьего высоковольтных конденсаторов подключены к первичным обмоткам трансформатора с заземленной нейтралью, вторичные обмотки которого подключены к первому, второму и третьему выходам передатчика пассивно-активного типа соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1