ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С ОТБОРОМ МОЩНОСТИ ОТ ФАЗНОГО ПРОВОДА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Полезная модель 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 трансформатор 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 полезной модели является повышение уровня мощности, отбираемой от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения на относительно большую нагрузку, превышающую единицы Ом, при низких значениях силы тока в фазном проводе.
ср
Это достигается тем, что известный вторичный источник питания с отбором мощности от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения промышленной частоты, содержащий замкнутый магнитопровод, на котором размешена обмотка и в центральное отверстие которого пропущен фазный провод, преобразователь-регулятор напряжения, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, снабжен замкнутыми дополнительными магнитопроводами с размещенной на каждом из них дополнительной обмоткой, а в центральное отверстие каждого замкнутого дополнительного магнитопровода пропущен фазный провод, и неполярными конденсаторами, число которых на один больше числа замкнутых дополнительных магнитопроводов, обмотка и каждая дополнительная обмотка выполнены 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 обмотки и каждой дополнительной обмотки подключены параллельно к входным зажимам преобразователя-регулятора напряжения каждая через последовательно включенный неполярный конденсатор, причем емкость неполярного конденсатора определяет реактивное сопротивление на частоте фазного тока равное по модулю реактивному сопротивлению обмотки и каждой дополнительной обмотки на основной частоте фазного тока в фазном проводе, и, кроме того, к выводу конденсатора присоединяются одноименные с точки зрения начала и направления намотки зажимы обмотки и дополнительных обмоток.
Сущность полезной модели 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 замкнутый магнитопроводом 2, на котором размешена обмотка 3 с выходными зажимами 4 и 5, а в центральное отверстие замкнутого магнитопровода 2 пропущен фазный провод 1, замкнутые дополнительные магнитопроводы 6 с размещенной на каждом из них дополнительной обмоткой 7, а в центральное отверстие каждого замкнутого дополнительного магнитопровода 6 пропущен фазный провод 1.
Выходные зажимы 5 и 6 обмотки и выходные зажимы 8 и 9 каждой из дополнительных обмоток 7 подключены параллельно к входным зажимам 10 и 11 преобразователя-регулятора напряжения 12 каждая через последовательно включенный неполярный конденсатор 13, причем выходные зажимы 4 и 9 начала обмотки 3 и дополнительных обмоток 7 подключены к входному зажиму 10, а выходные зажимы 5 и 8 конца обмотки 3 и дополнительных обмоток 7 подключены к входному зажиму 11 преобразователя-регулятора напряжения 12. Емкость неполярного конденсатора 13 определяет реактивное сопротивление на частоте фазного тока равное по модулю реактивному сопротивлению обмотки 3 и каждой дополнительной обмотки 7 на основной частоте фазного тока в фазном проводе 1.
К выходным зажимам 14 и 15 преобразователя-регулятора напряжения 12 подключена нагрузка 16.
Вторичный источник питания с отбором мощности от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения промышленной частоты работает следующим образом.
ср
ср
min
Ток, протекающий в фазном проводе 1, возбуждает электромагнитное поле в замкнутых магнитопроводах 2 и 6. Напряженность магнитного поля в них 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 магнитопроводов 2 и 6 наводит на зажимах 4 и 5 обмотки, 3 размещеннох на магнитопроводе 2, и зажимах 8 и 9 обмоток 7, размещенных на магнитопроводах 6, напряжение пропорциональное числу витков W. Требуемое число витков каждой из обмоток 3 и 7 определяется соотношением , где U - действующее значение выходного напряжения первичного преобразователя в режиме холостого хода, l- средняя линия замкнутых магнитопроводов 3 и 6, S -поперечное сечение замкнутых магнитопроводов 3 и 6, k - производная линейного участка основной кривой намагничивания материала магнитопроводов 3 и 6, I -минимальное значение силы тока в фазном проводе 1. Образованный первичный преобразователь, включающий магнитопроводы 2 или 6 и обмотки 3 или 7, 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 или 6, 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 или магнитопроводов 6.
Учитывая малость величины напряженности магнитного поля Н, наводимую током в фазном проводе 1 в магнитопроводе 3 или 6, для создания практически интересных (обычно это 5…12 вольт) величин напряжения на выходных зажимах 4 и 5, или 8 и 9 обмоток 3 и 7, соответственно, подключенных к типовым нагрузкам 5…25 Ом, число витков обмотки 3 или 7 приходится увеличивать до нескольких сотен (в зависимости от величины тока в фазном проводе 1). Однако при этом резко возрастает внутреннее сопротивление первичного преобразователя, что ограничивает возможность эффективного отбора мощности в нагрузку 16. Для преодоления возникающего противоречия между необходимым большим числом витков W и соответствующим этому большому внутреннему сопротивлению оказывается достаточным реализовать в выходной цепи первичного преобразователя, т.е. на выходных зажимах 4 и 5, а также и 8 и 9 обмоток 3 и 7 режим последовательного резонанса. Это объясняется тем, что основной вклад во внутреннее сопротивление первичного преобразователя вносит реактивное сопротивление индуктивности обмотки 3 и обмоток 7.
При режимах малых фазных токов I в фазном проводе l линии электропередачи обеспечить необходимый уровень мощности (обычно порядка десятка Ватт) в нагрузке 16 за счет увеличения числа витков не представляется возможным, ввиду роста активной составляющей внутреннего сопротивления (это не только сопротивление «меди», которое можно снизить увеличением диаметра провода, но и сопротивления за счет вихревых токов и потерь на гистерезис в магнитопроводе) каждой из катушек индуктивности, образованных обмотками 3 и 7. Преодолеть это противоречие между необходимым увеличением числа витков W и ростом активной составляющей сопротивления обмоток 3 и 7 параллельным включением нескольких обмоток 3 и 7, каждая из которых размещена на своем магнитопроводе 2 или 6.
Размещение каждой из обмоток 3, 7 на своем магнитопроводе 2, 6 необходимо для исключения взаимной попарной индуктивной связи между обмотками 3 и 7. Наличие такой взаимной связи сохраняет внутреннее сопротивление преобразователя равным сопротивлению одиночной обмотке 3.
Параллельное включение обмоток 3 и 7 обеспечивая уменьшение внутреннего сопротивления эффективных источников напряжения (на выходных зажимах обмоток 3 и 7) приводит к росту мощности вторичного источника, если обеспечено параллельное согласное включение обмоток 3 и 7, при котором токи каждого из источников в нагрузке 16 синфазны. Такое включение требует, чтобы одноименные (с точки зрения начала и направления намотки) зажимы обмоток 3 и 7 присоединялись к одной точке, т.е. в нашем случае - выходные зажимы 4 и 9 начала обмотки 3 и дополнительных обмоток 7 должны быть подключены к входному зажиму 10, а выходные зажимы 5 и 8 конца обмотки 3 и дополнительных обмоток 7 - подключены к входному зажиму 11 преобразователя-регулятора напряжения 12.
Повышение уровня мощности, отбираемой от фазного провода линии электропередачи высокого напряжения на относительно большую нагрузку, превышающую единицы Ом, при низких значениях силы тока в фазном проводе - достигнута за счет конструкции первичного преобразователя, по существу в виде параллельно и согласно включенных многовитковых дросселей, и реализации резонансного режима в цепи съема мощности за счет последовательно включенного неполярного конденсатора 13.
Вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от фазного провода 1 линии электропередачи высокого напряжения 110 кВ, круговой промышленной частоте ω=314 рад/с, на основе магнитопровода 2 типоразмера ПЛ 20×40-80 из анизотропной холоднокатаной стали марки 3406 при числе витков вторичной обмотки равном 545 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 30 до 100 А. Этой мощности достаточно для обеспечения работы, например, маломощных первичных датчиков и систем радиоканальной передачи данных в автономных системах автоматики ЛЭП.
Использование полезной модели позволяет обеспечить устойчивый режим питания автономных автоматических измерительных устройств, размещенных под высоким потенциалом проводов высоковольтных линий.