ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С ОТБОРОМ МОЩНОСТИ ОТ ФАЗНОГО ПРОВОДА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ
SECONDARY OF POWER SUPPLY SOURCE WITH POWER TAKEOFF FROM PHASE WIRE OF INDUSTRIAL FREQUENCY HIGH-VOLTAGE POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вторичным источникам питания.
Известен вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода, содержащий первичный преобразователь в виде трансформатора тока, первичной обмоткой которого является фазный провод, а вторичная обмотка подключена к входным зажимам трансформатора напряжения, выходная обмотка которого подключена к выпрямительному диодному мосту, выход которого подключен к преобразователю напряжения, к которому подключена нагрузка (патент РФ №2379742, G05F 1/618 (2006/01), БИ №2 от 20.01.10 г.).
Недостатком вторичного источника бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода является сложность конструкции, низкая эффективность, большая масса и габариты.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является вторичный источник питания с отбором мощности от тока фазного провода высокого напряжения промышленной частоты, содержащий первичный преобразователь в виде трансформатора тока, первичная обмотка которого включена между источником питания и его нагрузкой, а вторичная обмотка через выпрямитель каскадно соединена с параллельно включенным полярным конденсатором и нагрузкой преобразователя (патент РФ №2326479, МПК Н02Н 03/08 (2006/01), опубл. 10.06.2008 г.).
Недостатком вторичного источника питания является недостаточный уровень мощности, снимаемой с трансформатора тока на относительно небольшую нагрузку, превышающую единицы Ом.
Техническим результатом изобретения является повышение уровня мощности, отбираемой от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения промышленной частоты на относительно большую нагрузку, превышающую единицы Ом, при сохранении небольших габаритов и массы устройства.
cp
Этот результат достигается тем, что известный вторичный источник питания с отбором мощности от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения промышленной частоты, содержащий первичный преобразователь, который образован замкнутым магнитопроводом, на котором размещена вторичная обмотка, в центральное отверстие замкнутого магнитопровода пропущен фазный провод, зажимы вторичной обмотки образуют выходные зажимы первичного преобразователя, преобразователь-регулятор напряжения, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, снабжен неполярным конденсатором, вторичная обмотка первичного преобразователя выполнена с числом витков W, которое определяется соотношением
, где U - действующее значение выходного напряжения первичного преобразователя в режиме холостого хода, l - средняя линия замкнутого магнитопровода, S - поперечное сечение магнитопровода, k - производная линейного участка основной кривой намагничивания материала магнитопровода, I - минимальное значение силы тока в фазном проводе, выходные зажимы вторичной обмотки подключены к входным зажимам преобразователя-регулятора напряжения через последовательно включенный неполярный конденсатор, причем емкость неполярного конденсатора определяет реактивное сопротивление на частоте фазного тока, равное по модулю реактивному сопротивлению вторичной обмотки на основной частоте фазного тока в фазном проводе.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема вторичного источника питании с отбором мощности от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения промышленной частоты.
Вторичный источник питания с отбором мощности от фазного провода 1 линии электропередачи высокого напряжения промышленной частоты содержит первичный преобразователь 2, который образован замкнутым магнитопроводом 3, на котором размещена вторичная обмотка 4, а в центральное отверстие замкнутого магнитопровода 3 пропущен фазный провод 1. Зажимы 5 и 6 вторичной обмотки 4 образуют выходные зажимы первичного преобразователя 2. Выходные зажимы 5 и 6 вторичной обмотки 4 первичного преобразователя 2 подключены к входным зажимам преобразователя-регулятора напряжения 7 через последовательно включенный неполярный конденсатор 8. К выходным зажимам 9 и 10 преобразователя-регулятора напряжения 7 подключена нагрузка 11.
Вторичный источник питания с отбором мощности от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения промышленной частоты работает следующим образом.
cp
cp
min
Ток, протекающий в фазном проводе 1, возбуждает электромагнитное поле в замкнутом магнитопроводе 3, напряженность которого приближенно определена соотношением
, где I - значение силы тока в фазном проводе, l - средняя линия замкнутого магнитопровода. Напряженность магнитного поля Н в соответствии с основной кривой намагничивания материала магнитопровода 3 наводит на зажимах 5 и 6 вторичной обмотки 4, размещенной на магнитопроводе 3, напряжение, пропорциональное числу витков W. Требуемое число витков вторичной обмотки определяется соотношением
, где U - действующее значение выходного напряжения первичного преобразователя в режиме холостого хода, l - средняя линия замкнутого магнитопровода, S - поперечное сечение магнитопровода, k - производная линейного участка основной кривой намагничивания материала магнитопровода, I - минимальное значение силы тока в фазном проводе. Образованный первичный преобразователь 2 качественно отличается от трансформаторов напряжения тем, что не содержит традиционной первичной обмотки, которая формируется аналогично трансформатору тока в виде провода - фазного провода 1, пропущенного в отверстие замкнутого магнитопровода 3, поэтому напряженность магнитного поля в нем формируется согласно закону полного тока. При этом применение закона полного тока оказывается возможным с заменой кольцевых линий напряженности поля на среднюю линию магнитопровода 3.
Учитывая малость величины напряженности магнитного поля, наводимую током в фазном проводе 1 в магнитопроводе 3, для создания практически интересных (обычно это 5…12 вольт) величин напряжения на выходных зажимах 5 и 6 первичного преобразователя 2, подключенных к типовым нагрузкам 5…25 Ом, число витков вторичной обмотки 4 приходится увеличивать до нескольких сотен (в зависимости от величины тока в фазном проводе). Однако при этом резко возрастает внутреннее сопротивление первичного преобразователя 2, что ограничивает возможность эффективного отбора мощности в нагрузку. Для преодоления возникающего противоречия между необходимым большим числом витков W и соответствующим этому большому внутреннему сопротивлению оказывается достаточным реализовать в выходной цепи первичного преобразователя 2 режим последовательного резонанса. Это объясняется тем, что основной вклад во внутреннее сопротивление первичного преобразователя 2 вносит реактивное сопротивление индуктивности вторичной обмотки 4.
Повышение уровня мощности, отбираемой от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения промышленной частоты на относительно небольшую нагрузку, превышающую единицы Ом, при сохранении небольших габаритов и массы устройства - достигнута за счет конструкции первичного преобразователя 2, по существу в виде многовиткового дросселя, и реализации резонансного режима в цепи съема мощности за счет последовательно включенного неполярного конденсатора 8.
Вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от фазного провода 1 линии электропередачи высокого напряжения 110 кВ круговой промышленной частоты ω=314 рад/с, на основе магнитопровода 3 типоразмера ПЛ 20×40-80 из анизотропной холоднокатаной стали марки 3406 при числе витков вторичной обмотки, равном 300, из провода ПЭВ диаметром 0,9 мм позволил снять на нагрузку 24 Ома напряжение от 15 до 25 В при изменении фазного тока в пределах от 100 до 300 А. Этой мощности достаточно для обеспечения работы, например, маломощных первичных датчиков и систем радиоканальной передачи данных в автономных системах автоматики ЛЭП.
Использование вторичного источника питания с отбором мощности от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения промышленной частоты позволяет обеспечить устойчивый режим питания автономных автоматических измерительных устройств, размещенных под высоким потенциалом проводов высоковольтных линий.