СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ПОТЕРЬ В КОНЦЕ ДЛИННОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD OF LOSS COMPENSATION AT END OF LONG POWER LINE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно в сельской местности и пригородных садоводствах, электроснабжение которых осуществляется от трансформаторных подстанций (ТП) с достаточно протяженными воздушными линиями электропередачи, к концу которых сетевое напряжение недопустимо снижается, что нарушает качество предоставляемой услуги энергосбытовыми организациями.
Известны способы снижения энергопотерь при использовании длинных линий электропередачи путем увеличения сечения проводников трехфазной воздушной линии (ВЛ-0,4 кВ) или их запараллеливания. Используются также приемы выравнивания нагрузок на фазы в таких линиях. Кроме того, увеличивают напряжение на выходных цепях ТП выше заданного значения. Увеличение сечения проводников существенно увеличивает стоимость ВЛ-0,4 кВ, а повышение выходного напряжения в ТП нежелательно для близлежащих к ТП абонентов, так как по нормам допускается отклонение напряжения не более, чем на +5% и -10%. Это значит, что при стандартном напряжении 220 В разброс напряжения для всех абонентов, обслуживаемых от ТП, определен пределами от 198 В до 231 В. При достаточно протяженных ВЛ-0,4 кВ в конце таких линий напряжение падает до 170…180 В, и для выравнивания этого напряжения на конце линии хотя бы до 200 В приходится повышать напряжение на выходе ТП до 245 В, что недопустимо. Одним из способов устранения недопустимой неравномерности напряжения является установка двух одинаковых ТП с противоположных концов ВЛ-0,4 кВ. Однако это существенно увеличивает стоимость оборудования (стоимость ТП гораздо больше стоимости проводников с повышенным сечением, применяемых в ВЛ-0,4 кВ значительной протяженности). Одним из способов выравнивания сетевого напряжения в конце ВЛ-0,4 кВ является использование феррорезонансных стабилизаторов напряжения или даже электронных. Однако это также заметно удорожает систему энергоснабжения.
Предлагаемый способ компенсации потерь в протяженных ВЛ-0,4 кВ аналогов не имеет по данным известной технической литературы.
Целью изобретения является увеличение сетевого напряжения в конце нагруженной линии электропередачи относительно простыми средствами.
Указанная цель достигается в способе компенсации потерь в конце длинной линии электропередачи, при котором в начале первой и третьей четверти периода переменного напряжения открывают попеременно соответствующую пару коммутирующих транзисторов и в течение первой и третьей четверти периода заряжают два одинаковых конденсатора через эту пару коммутирующих транзисторов, в начале второй и четвертой четверти коммутирующие транзисторы закрывают, после чего эти конденсаторы включают последовательно с помощью управляемого симистора и разряжают их обратно в сеть в течение второй и четвертой четверти периода, причем в первой четверти периода открывают одну пару коммутирующих транзисторов, а в течение третьей четверти периода открывают другую пару коммутирующих транзисторов, а управление обеих пар коммутирующих транзисторов и симистора осуществляют с помощью блока управления по заданному алгоритму с синхронизацией сетевым напряжением.
Достижение цели изобретения объясняется параллельным зарядом пары одинаковых по емкости конденсаторов до амплитудного напряжения сети со сниженным против стандартного значением напряжения с последующим возвращением в сеть удвоенного напряжения последовательно включаемых конденсаторов, что определяет вольт-добавку сетевого напряжения в конце линии электропередачи. Результирующее напряжение при этом отличается от гармонического. Величина емкости используемых конденсаторов определяет потребляемую мощность электроприборами абонентов, обслуживаемых линией электропередачи вблизи ее конца, то есть к выравниванию напряжения на всем протяжении такой линии. В первой и третьей четверти периода напряжение изменяется гармонически со сниженной амплитудой, а во второй и четвертой четверти существенно возрастает по амплитуде, так что среднее действующее напряжение в сети на удаленном участке от ТП стремится к стандартному значению, а искажение формы напряжения не влияет на работу бытовых приборов абонентов.
Заявляемый способ поясняется реализующим его устройством, представленным на рис.1. Принципиальная схема блока управления транзисторами и симистором представлена на рис.2. На рис.3 приведены временные диаграммы напряжений в различных участках схемы блока управления, а на рис.4 даны эпюры напряжения и тока в сетевых проводниках (для однофазной сети).
Реализующее способ устройство, представленное на рис.1, выполнено по мостовой схеме и включает следующие компоненты:
1 - транзистор заряда первой ветви мостовой схемы,
2 - транзистор перезаряда первой ветви мостовой схемы,
3 - накопительный конденсатор первой ветви мостовой схемы,
4 - транзистор заряда второй ветви мостовой схемы,
5 - транзистор перезаряда второй ветви мостовой схемы,
6 - накопительный конденсатор второй ветви мостовой схемы.
7 - симистор, включенный в диагональ моста,
8 - блок управления транзисторами и симистором (работа этого блока синхронизирована сетевым напряжением),
9 - гридлики, то есть параллельно соединенные электролитический конденсатор большой емкости и низкоомный резистор, ограничивающий ток управляющего перехода транзистора или симистора, создающие отрицательное смещение на управляющем электроде симистора и базах транзисторов, с постоянной времени порядка четверти периода сетевого напряжения (5 мс). Схема гридликов показана на рис.1 фрагментарно, и гридлики обозначены на рис.1 прямоугольниками.
Блок управления транзисторами и симистором (рис.2) выполнен на шести логических микросхемах транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ), например, типа К555ЛАЗ, выполняющими логическую функцию «2И-НЕ», импульсные усилители включают аналоговую микросхему типа К174УНЗ и транзистор КТ819А с трансформаторным выходом. Причем управление симистором осуществляется импульсами длительностью порядка 0,3…0,5 мс от трансформатора с ферритовым сердечником, а управление транзисторами - импульсами длительностью порядка 5 мс с частотой 50 имп./сек от трансформаторов с железным сердечником. На рис.2 фрагментарно представлен импульсный усилитель. Блок управления включает регулируемую фазосдвигающую цепочку, пару компараторов, пару дифференцирующих контуров, формирователь импульсов включения соответствующей пары транзисторов в первой и третьей четвертях периода сетевого напряжения и вторичный источник питания (ВИП) с выходными напряжениями +5 В для питания цифровых микросхем и +15 В для питания трех импульсных усилителей.
На рис.3 приведены временные диаграммы:
3а - исходного сетевого напряжения (гармонического),
3б - сдвинутого по фазе на 90° переменного напряжения с подстройкой фазы на ±5,
3в - логический сигнал А на выходе первого компаратора напряжения, указанного на рис.3а,
3г - логический сигнал В на выходе второго компаратора напряжения, указанного на рис.3б,
3;3д - инверсный сигнал с первого компаратора, указанный на рис.3в,
3е - инверсный сигнал со второго компаратора, указанный на рис.3г,
3ж - импульс, открывающий в первой четверти периода транзисторы 1 и 4 (рис.1),
3з - импульс, открывающий в третьей четверти периода транзисторы 2 и 5 (рис.1),
3и - дифференцирующий отклик (положительный) импульса, указанного на рис.3г,
3к - дифференцирующий отклик (положительный) импульса, указанного на рис.3е,
О
О
3л - сформированные импульсы открывания симистора 7 (рис.1) в начале второй и четвертой четверти периода. Закрывание симистора происходит автоматически при разряде конденсаторов 3 и 6 обратно в сеть. На рис.4а представлена эпюра напряжения на проводниках ВЛ-0,4 кВ для одной фазы на конце линии электропередачи с достаточно сложной не гармонической формой. В первой и третьей четвертях периода Т форма напряжения совпадает с той, какая была бы без подключения к сети данного устройства, и имеет амплитуду U, сниженную против стандартного напряжения за счет потерь в нагруженной линии электропередачи. Во второй и четвертой четвертях периода Т за счет разряда последовательно соединенных конденсаторов 3 и 6 (с помощью открытого симистора 7) в сеть ее напряжение резко возрастает, а затем снижается по мере разряда этих конденсаторов, складываясь с действующим напряжением сети. При этом возникает вольт-добавка сетевого напряжения величиной ΔU к имеющейся амплитуде сетевого напряжения U, которая и увеличивает среднее значение напряжения сети в конце линии электропередачи, выравнивая действующее напряжение в ней в различных ее участках.
О
На рис.4б дана эпюра токов заряда (перезаряда) и разряда конденсаторов 3 и 6 в различных четвертях периода сетевого напряжения. В первой четверти периода конденсаторы 3 и 6 заряжаются до амплитудного напряжения U каждый, и к концу первой четверти периода ток заряда стремится к нулю, а максимум тока заряда достигается в средней части первой четверти периода. Во второй четверти периода ток разряда пары последовательно соединенных конденсаторов 3 и 6 меняет свое направление на противоположное и к концу второй четверти также стремится к нулю, что запирает автоматически ранее открытый симистор. В третьей и четвертой четвертях периода процессы аналогичны выше указанным, но с заменой знака протекания токов. Последнее указывает на то, что конденсаторы 3 и 6 работают в режиме перезаряда, то есть должны допускать работу на переменном токе, например, типа К-75.
Рассмотрим работу устройства, реализующего заявляемый способ.
<mrow><mover accent="true"><mi>B</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Для реализации алгоритма периодического заряд-разряда конденсаторов 3 и 6 необходимо сформировать сигналы разграничения четвертей периода Т переменного напряжения сети, в частности, сформировать сигналы начала второй и четвертой четвертей периода. Это достигается применением двухзвенной фазосдвигающей RC-цепочки, каждая из которых сдвигает фазу переменного напряжения на 45°. В первой из них предусмотрена регулировка сдвига фазы на ±5° с помощью реостата. Таким образом, имеем исходное переменное напряжение сети (рис.3а) и сдвинутое по фазе на 90° напряжение (рис.36). Эти напряжения воздействуют на два компаратора, показанные в средней левой части рис.2 на двух микросхемах К555ЛА3, четырех диодах КД513 и двух потенциометрах. На парафазных выходах этих компараторов образуются импульсные последовательности типа «меандра» (со скважностью, равной двум) с логическими уровнями А (рис.3в) и Ā (рис.3д) - на выходе первого компаратора, к входу которого поступает исходное переменное напряжение сети с некоторым регулируемым уровнем амплитуды, а также с логическими уровнями В (рис.3г) и
(рис.3е) - на выходе второго компаратора, к входу которого поступает сдвинутое по фазе на 90° переменное напряжение с регулируемым уровнем амплитуды. Первый из указанных компараторов на рис.2 расположен ниже второго.
<mrow><mover accent="true"><mi>B</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Для выделения импульсной последовательности, соответствующей первой четверти периода сетевого напряжения (рис.3ж), используется логическая операция А·
с применением цепочки «2И-НЕ+НЕ=2И» на половине микросхемы К555ЛАЗ. При этом входы этой цепочки соединены с прямым выходом первого компаратора и инверсным выходом второго. На выходе элемента «2И» формируется импульсная последовательность с длительностью импульсов 5 мс, совпадающих по времени с первыми четвертями периодов Т (рис.3ж).
Для выделения импульсной последовательности, соответствующей третьей четверти периода сетевого напряжения (3з), используется логическая операция Ā*В с применением аналогичной цепочки, выполняющей операцию совпадения («2И») на второй половине микросхемы К555ЛАЗ. Входы этой схемы «2И» соединены с прямым выходом второго компаратора и инверсным выходом первого. При этом на выходе этой схемы «2И» формируется импульсная последовательность с длительностью импульсов 5 мс, совпадающих по времени с третьими четвертями периодов Т (3з).
Указанными импульсными последовательностями (рис.3ж и 3з) открываются соответствующие пары транзисторов, через которые в их насыщенном состоянии осуществляется заряд и перезаряд конденсаторов 3 и 6 (рис.1). Эти импульсные последовательности усиливаются по мощности в соответствующих импульсных усилителях с трансформаторными выходами, пары раздельных выходных обмоток которых подключены через гридлики 9 (рис.1) к переходам «база-эмиттер» соответствующих пар транзисторов. Так, при действии импульсной последовательности, указанной на рис.3ж, открываются транзисторы 1 и 4. а при действии импульсной последовательности, указанной на рис.3з, открываются транзисторы 2 и 5. Транзисторы 1 и 2, а также транзисторы 4 и 5 включены между собой параллельно-встречно и имеют один и тот же тип проводимости n-p-n.
O
При открывании той или иной пары транзисторов происходит заряд или перезаряд конденсаторов 3 и 6 от сетевого напряжения с пониженной на конце линии электропередачи амплитудой напряжения U соответственно в первой или третьей четвертях периода Т.
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mi>C</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow>
Для осуществления отдачи накопленной в этих конденсаторах энергии
, где С - емкость каждого из конденсаторов 3 и 6 (одинаковой величины), необходимо, во-первых, запереть все транзисторы 1, 2, 4 и 5, а во-вторых, включить конденсаторы 3 и 6 последовательно к проводникам линии электропередачи (к сети). Первое условие выполняется автоматически прекращением импульсов открывания транзисторов (рис.3ж и рис.3з) и поддержанием на базах транзисторов отрицательного потенциала (относительно эмиттеров) за счет действия гридликов 9 (рис.1), на конденсаторах которых поддерживается фиксирующее напряжение смещения, образуемое токами базы транзисторов при их отпирании. Второе условие связано с действием симистора 7, включенного в диагональ моста, ветви которого образованы последовательно связанными коммутирующими транзисторами 1 и 2 и конденсатором 3 - для первой ветви моста, а также транзисторами 4 и 5 и конденсатором 6 - для второй ветви моста. При этом мостовая схема построена так, что к фазному (а) и нулевому (и) проводникам линии электропередачи подключены выводы конденсаторов 6 и 3 соответственно (рис.1). Симистор 7 включен в диагональ образованного моста и управляется на отпирание в начале второй и четвертой четверти периода Т импульсами длительностью 0,3…0,5 мс. Симистор 7 закрывается автоматически, когда протекающий через него ток разряда конденсаторов 3 и 6, включенных симистором последовательно, достигнет уровня запирания симистора к концу второй и четвертой четверти периода.
Для формирования импульсов запуска симистора 7 использованы два эквивалента дифференцирующих цепей, показанных в верхней части рис.2 и выполненных на двух микросхемах К555ЛА3 по известной схеме формирования коротких импульсов, соответствующих положительному перепаду логических уровней, которые образуются на прямом и инверсном выходах второго компаратора с логическими уровнями В и В соответственно. Выделенные импульсы, расширенные по длительности с помощью конденсаторов небольшой емкости (100…300 пФ), присоединенных к выходам третьих звеньев микросхемы, затем суммируются и усиливаются в импульсном усилителе с трансформаторным выходом, вторичная обмотка которого через гридлик 9 включена к управляющему электроду симистора 7. Эти импульсы следуют с двойной частотой (100 Гц), то есть через 10 мс.
Важно обеспечить непременное условие: отпирание симистора 7 осуществляется только после полного закрытия транзисторов 1, 2, 4 и 5. Это обеспечивается некоторой задержкой генерирования импульсов запуска симистора относительно моментов запирания транзисторов соответствующих их пар. В управляющей цепи симистора использование гридлика также способствует надежному удержанию симистора в запертом состоянии в течение первой и третьей четверти периода Т. Указанная задержка реализуется либо схемно, либо включением в состав импульсного усилителя отпирающих симистор импульсов отдельной линии задержки с величиной задержки 0,1…0,3 мс (RC-линии, интегрирующего звена).
Рассмотрим энергетику данного устройства.
Средняя мощность P заряда двух конденсаторов 3 и 6 определяется формулой
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>W</mi><mo>/</mo><mi>T</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>C</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>T</mi><mo>=</mo><mi>C</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mi>T</mi></mrow>
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>C</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mrow /></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>T</mi><mo>=</mo><mi>C</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mi>T</mi></mrow>
, где 1/Т=F - частота сетевого напряжения. Очевидно, что и средняя мощность разряда этих последовательно включенных конденсаторов также равна P, так как в этом случае
. То есть энергия циркулирует в сети в прямом и обратном направлении в одинаковых количествах с двойной частотой сети, как это имеет место при подключении к ней одного какого-либо конденсатора, что общеизвестно. Соблюдается закон сохранения энергии.
O
O
Однако при разряде обратно в сеть форма напряжения в ней во второй и четвертой четвертях периода существенно изменяется наличием выброса с удвоенной амплитудой 2U, как это видно из эпюры 4а, вследствие чего среднее значение напряжения на конце линии электропередачи возрастает на некоторую достаточно сложно вычисляемую величину ΔU<<U. Это способствует увеличению качества поставляемой электроэнергии абонентам, находящимся на значительном удалении от ТП при нагруженности линии электропередачи. Нарушение гармонического характера переменного напряжения, используемого в активных нагрузках абонентов (при освещении, в нагревательных и бытовых приборах - телевизорах, холодильниках и т.д.), не приводит к нарушениям функционирования этих нагрузок.
Существенно отметить, что нарушение от исходной формы переменного напряжения во второй и четвертой частях периода не нарушает действия данного устройства, реализующего заявляемый способ, поскольку формирование сигналов управления транзисторами и симистором не нарушается, поскольку компараторы схемы не чувствительны к форме напряжения внутри компарируемого временного интервала.
Рассмотрим пример реализации устройства по схеме рис.1.
O
O
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mi>P</mi><mo>/</mo><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>F</mi><mo>=</mo><mn>20000</mn><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>*</mo><msup><mrow><mn>180</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mo>*</mo><mn>20</mn><mo>=</mo><mn>0,00617</mn><mi>Ф</mi><mo>=</mo><mn>6170</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>Ф</mi></mrow>
Пусть напряжение на конце линии электропередачи падает до величины 180 В. Тогда его амплитуда равна U=1,41*180=254 В, и начальное напряжение разряда последовательно включенных симистором 7 конденсаторов 3 и 6 равно 2U=508 В (при этом симистор должен выбираться класса 6…10). Учитывая наличие выброса напряжения в сети в течение второй и четвертой четвертях периода, можно опытно определить среднее повышение амплитудного значения напряжения в сети на величину ΔU в зависимости от потребляемой мощности абонентами вблизи конца линии электропередачи, например, равную ΔU=30 В. Тогда среднее действующее напряжение на конце линии электропередачи поднимется со 180 В до 201 В. При снижении абонентской нагрузки величина этого напряжения может дополнительно вырасти, дойти до нормы в 220 В и даже несколько выше этой нормы. Таким образом, подбирая величину емкости С конденсаторов 3 и 6, можно установить требуемое среднее действующее напряжение в конце линии электропередачи, оперируя статистическими сведениями о величине нагрузки для группы абонентов - потребителей электроэнергии, расположенных вблизи конца линии. Например, при мощности потребления 20 кВт емкость С конденсаторов 3 и 6 должна быть выбрана равной
. Например, следует для этой потребляемой мощности использовать конденсаторы 3 и 6 с емкостью не менее 6000 мкФ на рабочее напряжение 400…600 В импульсного типа при действующем значении напряжения на конце линии электропередачи порядка 180 В без применения данного устройства.
При значительной величине мощности P в качестве транзисторов 1, 2, 4 и 5 можно использовать разработанные в ООО «Промтехнология» (г.Воронеж) силовые транзисторы типа ТКД265-100-6-1 (стоимостью по 902 р./шт.) и симистор типа ТС-151-160 класса не ниже 6-го (на 600 В) или малогабаритный симистор ТС242-80 такого же класса. Основные габариты устройства определяются габаритами используемых конденсаторов 3 и 6.
Реализующее способ устройство может выполняться в виде закрытого кожухом модуля, устанавливаемого на конечной опоре линии электропередачи (однофазной). При использовании трехфазной ВЛ-0,4 кВ в едином модуле должно соответственно размещаться три таких устройства для каждой из фаз по отдельности.
Форма токов в проводниках данного устройства, подключенного к линии электропередачи, показана на эпюре рис.4б. Видно, что максимум тока заряда конденсаторов не совпадает с максимумом напряжения, что уменьшает существенно произведение мгновенных значений тока на напряжение по сравнению с таковым при включении чисто активной нагрузки, при котором максимум произведения тока на напряжение соответствует амплитудному значению напряжения. При заряде конденсаторов зарядный ток стремится к нулю при достижении амплитудного значения напряжения в конце первой и третьей четверти периода.
Существенно также отметить, что знаки тока и напряжения при разряде конденсаторов в сеть оказываются противоположными, а не одинаковыми, как это имеет место при включении к сети чисто активной нагрузки.
Оба этих обстоятельства указывают на то, что подобное устройство следует устанавливать непосредственно на линии электропередачи, то есть ДО расчетных электросчетчиков абонентов любого типа (индукционных или цифровых), работающих на принципе перемножения мгновенных значений тока на напряжение с последующим интегрированием по времени, чтобы потребляемая ими электроэнергия правильно учитывалась и оплачивалась по действующим тарифам. При этом электросчетчик на ТП, учитывающий общую потребляемую энергию всех абонентов линии электропередачи, будет несколько занижать свои показания, что, однако, не скажется на сумме оплаты израсходованной абонентами электроэнергии. В рассмотренном выше примере это занижение в показаниях общего электросчетчика на ТП в мощностном выражении будет порядка 15 кВт, что на фоне общего потребления от подстанции в 300 кВт не столь заметно (порядка 5%) и будет как бы уменьшать допустимые технические потери (обычно около 9%). Последнее обстоятельство выгодно для энергосбытовых организаций с точки зрения их отчетности о принятых мероприятиях по снижению технических потерь.
Заявляемый способ и реализующее его устройство целесообразно использовать в разветвленной сети множества ТП, обслуживающих населенные пункты в сельской местности и в пригородных садоводствах, имеющих достаточно протяженные линии электропередачи и значительную нагрузку, при которой абоненты концевой части этой линии постоянно испытывают большие неудобства из-за пониженного напряжения и предъявляют энергоснабжающим организациям правомерные претензии к качеству поставляемой электроэнергии.