СИСТЕМА ОТБОРА МОЩНОСТИ ОТ ТОКОВ ТРЕХФАЗНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
POWER TAKEOFF SYSTEM FROM CURRENTS OF THREE-PHASE HIGH-VOLTAGE OVERHEAD TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вторичным источникам питания при бесконтактном отборе мощности от трехфазных линий передачи высокого напряжения.
Известна система отбора мощности от тока фазного провода, содержащая трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между источником питания и его нагрузкой, а вторичная обмотка через выпрямитель каскадно соединена с параллельно включенным конденсатором и нагрузкой преобразователя (патент РФ №2326479, МПК Н02Н 03/08 (2006/01), опубл. 10.06.2008). К вторичной обмотке трансформатора тока встречно-параллельно включены два тиристора, управляющие электроды каждого из которых соединены с анодами тиристоров через включенные последовательно диод и стабилитрон.
Недостатком системы является сложность конструкции, связанная с необходимостью размещения первичной обмотки внутри кольцевой катушки трансформатора тока, а также низкий уровень выходного напряжения.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является система отбора мощности от тока фазного провода трехфазной линии передачи высокого напряжения, содержащая установленный под высоким потенциалом на опоре высоковольтной линии передачи первичный преобразователь в виде трансформатора тока, первичная обмотка которого включена в цепь фазного провода, трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке трансформатора тока, а вторичная обмотка подключена к входу выпрямительного диодного моста с сглаживающей емкостью. Выходные зажимы выпрямительного диодного моста подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора. Выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке источника питания и аккумуляторной батарее (Бунин А.В., Вишняков С.В., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. и др. Проблема создания источника питания автономного комплексного измерительного устройства высокого напряжения. Тезисы доклада. Труды. XXII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008, Крым, Алушта, 24 сентября - 4 октября 2008 г. Секция 2 - Электромеханика, с.297-298.
Недостатком такой системы отбора мощности является сложность конструкции, связанная с необходимостью размещения первичной обмотки внутри кольцевой катушки трансформатора тока - первичного преобразователя.
Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции при повышении коэффициента полезного действия системы отбора мощности от токов в фазных проводах трехфазной линии передачи.
Решение этой задачи достигается тем, что известная система отбора мощности от токов фазных проводов трехфазной линии передачи высокого напряжения, содержащая первичный преобразователь, выпрямительный диодный мост с сглаживающей емкостью, выходные зажимы которого подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора, а выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке источника питания и аккумуляторной батарее, снабжена одноцепной опорой с поперечной траверсой, отрезком коаксиального кабеля, который соединяет выход первичного преобразователя с входом выпрямительного диодного моста, трехфазная линия передачи установлена на одноцепных опорах с поперечной траверсой, первичный преобразователь выполнен в виде многовитковой катушки из изолированного медного провода, которая закреплена на изоляторе на одноцепной опоре высоковольтной трехфазной линии передачи ниже поперечной траверсы одноцепной опоры в точке пересечения дуги окружности, которая описана вокруг центра в точке половины расстояния между фазными проводами вдоль поперечной траверсы одноцепной опоры и вертикалью, проведенной из точки пересечения вертикальной части опоры и поперечной траверсы, причем продольная ось многовитковой катушки направлена на фазный провод, более отдаленный от точки, в которой закреплена многовитковая катушка, и продольная ось перпендикулярна направлению на второй - менее удаленный от многовитковой катушки фазный провод, из точки, в которой закреплена многовитковая катушка.
Кроме того, выпрямительный диодный мост с сглаживающей емкостью, стабилизатор напряжения, выполненный по схеме DC-DC конвертора, нагрузка источника питания и аккумуляторная батарея, могут быть расположены на земле у одноцепной опоры, а внешняя оболочка коаксиального кабеля присоединена к металлическим частям одноцепной опоры.
Сущность технического решения поясняется чертежом, на котором показана схема системы отбора мощности от токов фазных проводов трехфазной линии передачи высокого напряжения.
Система отбора мощности от токов фазных проводов 1, 2 и 3 трехфазной линии передачи высокого напряжения, установленных на одноцепных опорах 4 с поперечной траверсой 5, содержит первичный преобразователь 6, выпрямительный диодный мост 7 с сглаживающей емкостью, отрезок коаксиального кабеля 8, который соединяет выход первичного преобразователя 6 со входом выпрямительного диодного моста 7, выход которого присоединен ко входу стабилизатора напряжения 9, выполненного по схеме DC-DC конвертора, а выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке 10 источника питания и аккумуляторной батарее 11. Первичный преобразователь 6 выполнен в виде многовитковой катушки 12 из изолированного медного провода, которая закреплена через изолятор 13 на одноцепной опоре 4 трехфазной линии передачи с фазными проводами 1, 2, 3 ниже поперечной траверсы 5 одноцепной опоры 4 в точке пересечения дуги окружности, которая описана вокруг центра в точке половины расстояния между фазными проводами 2 и 3 вдоль поперечной траверсы 5 одноцепной опоры 4 и вертикалью, проведенной из точки пересечения вертикальной части одноцепной опоры 4 и поперечной траверсы 5, причем продольная ось многовитковой катушки 12 направлена на фазный провод 3, более отдаленный от точки, в которой закреплена многовитковая катушка 12, и перпендикулярна направлению на второй фазный провод 2 из точки, в которой закреплена многовитковая катушка 12.
Кроме того, в ряде применений система отбора мощности от токов фазных проводов 1, 2 и 3 трехфазной линии передачи высокого напряжения может быть выполнена с размещением выпрямительного диодного моста 7 с сглаживающей емкостью, стабилизатора напряжения 9, выполненного по схеме DC-DC конвертора, нагрузки 10 источника питания и аккумуляторной батареи 11 на земле у одноцепной опоры 4, а внешняя оболочка коаксиального кабеля 8 присоединена проводом 14 к металлическим частям одноцепной опоры 4.
Система отбора мощности от токов фазных проводов трехфазной линии передачи высокого напряжения работает следующим образом.
Ток, протекающий в фазных проводах 1, 2 и 3, наводит на выходе многовитковой катушки 12 напряжение U, которое по методу наложения состоит из трех составляющих, каждая из которых формируется фазным током в одном из проводов высоковольтной линии передачи, установленных на одноцепных опорах 4. В соответствии с законом полного тока напряжение
0
i
i
i
где i - 1, 2 и 3 - номера фазных токов; ω - круговая частота тока в проводе; µ - относительная магнитная проницаемость; S - площадь поперечного сечения многовитковой катушки 12 из изолированного медного провода; I - сила тока в i-м фазном проводе; W - число витков многовитковой катушки 12; α - угол между направлением продольной оси многовитковой катушки 12 и направлением касательной к окружности, которая проходит через точку положения центра многовитковой катушки 12, а центр окружности помещен на оси i-го фазного провода, и которая лежит в плоскости оси фазного провода. Для многовитковой катушки 12 в случае стандартных промежуточных одноцепных свободностоящих опор 4, например, для линии передачи ВЛ 110 кВ (Электротехнический справочник. Том 2, книга 1. Изд. 4 / Гл. редактор М.Г.Чиликин - М.: «Энергия», 1972, 488 с.) величины углов α составят: для провода 1 (пусть фаза А) величину около 54°, для провода 2 (пусть фаза С) величину около 0°, а для провода 3 (фаза В) величину около 90°. С учетом этих значений и сдвига начальных фаз фазных токов, которые в идеальном случае сдвинуты друг относительно друга на угол 120 градусов, напряжение U на выходных зажимах многовитковой катушки 12 определится выражением  где r - расстояние от фазного провода 2 до точки, в которой закреплена многовитковая катушка 12, которое для промежуточных одноцепных свободностоящих опор 4 линии передачи ВЛ 110 кВ составляет примерно 3 м.
0
Полученное выражение для напряжения U соответствует наибольшему из возможных значений при тех же величинах, определяющих коэффициент ωµSW1. Так, в варианте размещения оси многовитковой катушки 12 параллельно траверсе 5 на том же расстоянии r от фазного провода 2 до точки, в которой была закреплена многовитковая катушка 12, напряжение на ее выходе определится выражением:  , что в 5,5 раз меньше, чем в варианте предлагаемого изобретения.
Крепление многовитковой катушки 12 к опоре 4 на изоляторе 13 необходимо для защиты системы отбора мощности от токов фазных проводов 1, 2 и 3 трехфазной линии передачи высокого напряжения от высоковольтного пробоя или на землю.
2
r
Системы отбора мощности от токов фазных проводов 1, 2 и 3 трехфазной линии передачи высокого напряжения при фазном токе в ней I=500 А, круговой промышленной частоте ω=314 р/с, высоте подвеса фазного провода h≈19 м, площади поперечного сечения S=1 м многовитковой катушки 12 с относительной магнитной проницаемостью µ≈1; числе витков многовитковой катушки 12 W=4000, обеспечивает напряжение U≈36 В.
В ряде применений системы отбора мощности от токов фазных проводов 1, 2 и 3 трехфазной линии передачи высокого напряжения выпрямительный диодный мост 7 с сглаживающей емкостью, стабилизатор напряжения 9, выполненный по схеме DC-DC конвертора, нагрузка 10 источника питания и аккумуляторная батарея 11, могут быть расположены на земле у одноцепной опоры 4, а внешняя оболочка коаксиального кабеля 8 присоединена, например, проводом 14 к металлическим частям одноцепной опоры 4. Это присоединение приведет потенциал оболочки коаксиального кабеля 8 к потенциалу земли, что обеспечит электрическую безопасность системы.
Упрощение конструкции системы отбора мощности от токов в фазных проводах трехфазной линии передачи достигается типом и удаленным размещением первичного преобразователя относительно фазных проводов трехфазной линии передачи высокого напряжения при повышении коэффициента полезного действия первичного преобразователя вследствие выбора ориентации его продольной оси.
Использование изобретения позволяет обеспечить устойчивый режим питания автономных автоматических измерительных устройств малой мощности, размещенных под потенциалом земли вблизи проводов высоковольтных линий, без применения дорогостоящих систем преобразования высокого напряжения в напряжения низкого уровня.