СПОСОБ ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ
METHOD OF INPUTTING CURRENT SIGNALS INTO THREE-PHASE ELECTRICAL NETWORK

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования напряжения 04 кВ, 50 Гц в токи заданной амплитуды и частоты, которые вводят в Фазы АВ, ВС, СА трехфазной линии электропередачи 0,4 кВ без ее обработки высокочастотными заградителями.
Известен способ ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, который реализован генератором (К.И. Гутин, С.А. Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Бюллетень по элекрификации сельского хозяйства. Выпуск 1(53) ВПЭСХ, Москва, 1988 г., стр.7).
Недостатками данного генератора, реализующего известный способ, являются: образование 4-х токов вместо двух, а также большая мощность потребления за счет генерации двух «паразитных»токов и за счет разряда конденсатора на резистор.
Известен способ К.И. Гутина ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, который принят за ПРОТОТИП (патент RU №222436, 20.02.2004 г. Бюллетень №5). Генератор, который реализует известный способ, генерирует один ток сигнала на заданной частоте, при этом ток сигнала вводят в две Фазы В и С линии 0,4 кВ на диспетчерском (ДП) и контролируемых (КП) пунктах.
Недостатками прототипа являются большая потребляемая мощность генератора, невозможность передавать сигналы при неполнофазных режимах в сети 10 кВ, имеются коммутационные перенапряжения.
0
Задачей предлагаемого изобретения является снижение мощности генератора, возможность передавать сигналы телеуправления с диспетчерского пункта на контролируемые пункты для оперативного переключения управляемых устройств при неполнофазных режимах в сети 10 кВ и устранение коммутационных перенапряжений при зажимах ключа при его коммутации с частотой f.
Достигаемый технический результат:
1. Значительно снижена потребляемая мощность генератора по сравнению с прототипом.
2. При неполнофазных режимах в сети 10 кВ позволяет, в отличие от прототипа, передавать сигналы телеуправления с диспетчерского пункта на контролируемые пункты для оперативного переключения управляемых устройств.
0
3. Устранены коммутационные перенапряжения на зажимах ключа при его коммутации с частотой f.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, в соответствии с которым запасают электромагнитную энергию
1
2
0
1
1
1
5
2
2
2
2
1
1
0
2
2
2
6
3
3
3
6
5
3
0
3
3
3
4
1
1
в первой L и второй L катушках индуктивности при прохождении тока  когда потенциал Фазы А больше потенциала Фазы В на интервале времени  при замкнутом ключе, который коммутируют с частотой fпо цепи Фаза А - L - точка T - диод Д - ключ - диод Д - точка T - L - Фаза В, при разомкнутом ключе в интервале времени  за счет накопленной электромагнитной энергии в линию 0,4 кВ вводят ток в две Фазы по цепи L - С - Фаза С - Фаза В - C - L, при потенциале Фазы В больше потенциала Фазы С при прохождении тока  на интервале времени  замкнутом ключе, который коммутируют с частотой f по цепи фаза В - L - точка Т - диод Д - ключ - диод Д - точка Т - L - Фаза С, при разомкнутом ключе в интервале времени  за счет накопленной электромагнитной энергии в линию 0,4 кВ вводят ток в две Фазы по цепи L - С - Фаза В - Фаза А - С - L, при потенциале Фазы С больше, чем потенциал Фазы А при прохождении тока  на интервале времени  при замкнутом ключе, который коммутируют с частотой f по цепи Фаза С - L - точка Т - диод Д- ключ - диод Д - точка T - L - Фаза А, при разомкнутом ключе в интервале времени  за счет накопленной
3
6
5
3
электромагнитной энергии в линию 0,4 кВ вводят ток в две Фазы по цепи L-С - Фаза В - Фаза А - С-L,
m
I - амплитуда тока, который протекает через ключ и две катушки индуктивности в момент времени
п
U=512 B - постоянная составляющая выпрямленного трехфазного двухполупериодного напряжения,
1
2
3
2R - активное сопротивление двух катушек, через которые протекают токи L(t), L(t), L(t),
2L - индуктивность двух катушек индуктивности,
- интервал времени замкнутого положения ключа,
1
2
3
L=L=L - соответственно первая, вторая, третья катушки индуктивности, индуктивности которых равны L,
1
2
3
4
5
6
C, С, С, С, С, С - соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой конденсаторы, емкости которых равны С,
Фаза А, Фаза В, Фаза С - соответственно низковольтные Фазы трансформатора 10/0,4 кВ.
На чертеже приведена схема генератора, который реализует заявленное техническое предложение где:
*) 1, 2, 3, 4, 5, 6 - соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, сопротивления которых равны между собой.
*) 7 - трансформатор 10/0,4 кВ.
1
2
3
4
5
6
*) C, С, С, С, С, С - соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой конденсаторы, емкости которых равны между собой.
1
2
3
*) L, L, L - соответственно первая, вторая, третья воздушные катушки индуктивности, индуктивности которых равны между собой.
1
2
3
4
5
6
*) 17 - трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост, собранный на диодах Д, Д, Д, Д, Д, Д.
*) 18 - управляемый ключ (ключ).
*) 19 - трехфазная линия электропередачи 0,4 кВ.
*) 20 - блок управления ключом.
Работа генератора
При включении генератора в момент времени t<0 в сеть 0,4 кВ при разомкнутом ключе на его зажимах получают трехфазное двухполупериодное выпрямленное напряжение промышленной частоты 50 Гц, которое равно:
Из выражения (1) определяем величину постоянной составляющей выпрямленного напряжения:
Определяем из (1) шестую гармонику частоты 50 Гц:
Определяем из (1) двенадцатую гармонику частоты 50 Гц
Сравнивая величины выражений (2), (3), (4), можно сделать вывод, что постоянная составляющая выражения (2) много больше амплитуд напряжений шестой и двенадцатой гармоник, поэтому мы в дальнейших расчетах ими пренебрегаем.
В выражениях (1), (3), (4) имеем:
Ω=2πF, где:
F=50 Гц - частота промышленного напряжения.
0
В момент времени t>0 начинают коммутировать ключ с частотой ƒ.
1
5
1
1
1
5
2
2
*) Пусть потенциал Фазы А будет больше, чем потенциал Фазы В, при этом будут открыты заштрихованные диоды Д и Д. При замкнутом положении ключа через него будет протекать ток по цепи: Фаза А - L - точка T - диод Д - ключ - диод Д - точка Т - L - Фаза В.
2
6
2
2
2
6
3
3
*) При потенциале Фазы B больше, чем потенциал Фазы С, будут открыты диоды Д и Д. При замкнутом положении ключа через него будет протекать ток по цепи: Фаза В - L - точка Т - диод Д - ключ - диод Д - точка Т - L - Фаза С.
3
4
3
3
3
4
1
1
*) При потенциале Фазы С больше, чем потенциал Фазы А, будут открыты диоды Д и Д. При замкнутом положении ключа через него будет протекать ток по цепи: Фаза С - L - точка Т - диод Д - ключ - диод Д - точка T - L - Фаза А.
*) Определим амплитуду тока, протекающего через ключ, при замкнутом положении ключа для любого из рассмотренных выше случаев.
*) Из схемы (см. чертеж) следует, что генератор имеет три идентичных резонансных контура I, II, III, которые содержат следующие элементы:
*) Резонансный контур I:
1
2
1
1
L - С - Фаза С - Фаза В - С - L.
*) Резонансный контур II:
2
4
3
2
L - С - Фаза С - Фаза А - С - L.
*) Резонансный контур III:
3
6
5
3
L - С - Фаза В - Фаза А - С - L.
1
5
*) Принимаем условие, что в рассматриваемом промежутке времени работы генератора открыты диоды Д и Д. Данное условие будет выполняться, когда потенциал Фазы А будет выше потенциала Фазы В.
1
1
1
5
2
2
1
2
Как было сказано выше, при замкнутом положении ключа, ток будет протекать по цепи: Фаза А - L - точка T - диод Д - ключ - диод Д - точка Т - L - Фаза В. Таким образом, при протекании ток проходит через ключ и две катушки индуктивности L и L.
1
2
3
Для определения амплитуды тока необходимо определить сопротивления катушек индуктивности L=L=L=L.
1
2
3
*) Сопротивления катушек индуктивности R=R=R=R определяют из выражения:
где:
это следует из идентичности элементов схемы
Q=10 - измеренная добротность катушек индуктивности.
Таким образом, с учетом выражения (5), имеем:
m
Определим амплитуду тока Iчерез ключ и катушки индуктивности при замкнутом положении ключа:
*) Значение 2R и 2L, принимают потому, что ток протекает через ключ и через две катушки индуктивности. С учетом этого, определим амплитуду тока из (7)
где:
m(2L,ключ)
I - амплитуда тока, протекающего через две катушки и ключ.
Таким образом, ток который протекает через две катушки индуктивности и ключ, при заданных исходных данных равен 14 А.
*) Определим токи, возникающие после размыкания ключа в I, II, III резонансных контурах. В связи с идентичностью элементов в схеме при открытии любых двух диодов и разомкнутом положении ключа будут возникать свободные колебания синусоидального тока, в соответствующих двух резонансных контурах за счет накопленной электромагнитной энергии катушками индуктивности при замкнутом положении ключа.
Значение токов в резонансных контурах будет равно:
где:
m
I - амплитуда тока через ключ и две катушки индуктивности.
-δt
e - коэффициент затухания.
0
0
0
0
В связи с тем, что ключ замкнут 0,25 Т и разомкнут 0,75 Т, значит в интервале времени 0,75 Т в двух колебательных контурах возникнут затухающие свободные колебания на частоте ƒ=1950 Гц.
-6
-6
-3
0
*) Так как в каждом колебательном контуре имеются два конденсатора, соединенных последовательно, то при заданной величине емкости этих конденсаторов С=6·10 Ф, расчетная емкость для резонанса будет иметь значение 3·10 Ф, при значении индуктивности катушек индуктивности L=2,2·10, при этом частота ƒ равна частоте в исходных технических данных:
m
0
0
*) Ключ отключают, когда через него протекает ток, равный амплитудному значению I. После размыкания ключа в двух контурах из трех возникнут свободные колебания с частотой ƒ, при этом, в момент времени t=0,25 T амплитуда колебания в двух контурах равна 14 А согласно (8).
0
*) Определим амплитуду в двух контурах через время 0,75 Т, т.е. когда ключ снова замкнут.
где:
m (0,25 T 0)
0
I=14А - амплитуда тока в момент времени t=0,25 Т согласно (8)
0
При Т=0,75 Т имеем:
0
Таким образом, при замыкании ключа через промежуток времени, равный 0,75 Т, амплитуда токов в контурах будет равна 11,2 А, т.е. амплитуда тока снизится на 20%.
mcp
*) Определим среднюю амплитуду тока I при постоянной передаче символа «1».
*) Определим величину электромагнитной энергии, накопленной двумя катушками индуктивности при замкнутом положении ключа:
0
Коэффициенты 2 и 0,25 в числителе учитывают, что электромагнитная энергия накапливается в двух катушках индуктивности в интервале времени 0,25 Т.
отд
*) Определим величину электромагнитной энергии Э, которая отдается в сеть двумя катушками индуктивности при разомкнутом положении ключа:
перед
*) Определим величину электромагнитной энергии Э, затраченной на передачу символа «единица» в непрерывном режиме:
*) Определим мощность, затраченную на передачу символа «1» при непрерывной передаче:
*) Определим мощность, которая расходуется на нагрев сопротивлений двух катушек:
к
где: 2R - активное сопротивление двух катушек индуктивности.
0
В знаменателе коэффициент 4 учитывает, что ключ замкнут 0,25 T.
Σ
*) Определим суммарное потребление мощности P генератором с учетом (17) и (18).
*) Принимаем условие, что передача символов «0» и «1» имеет одинаковую плотность, тогда средняя мощность потребления будет равна:
*) Определим ток генератора, который вводят в линию 0,4 кВ.
1
5
Пусть в рассматриваемом интервале времени открыты диоды Д и Д, при этом потенциал Фазы А выше потенциала Фазы В. При разомкнутом ключе в первом и втором колебательных контурах за счет накопленной электромагнитной энергии возникают резонансные токи, которые равны:
где:
m
I=14 А согласно (8)
Iк
i(t) - ток первого резонансного контура,
IIк
i(t) - ток второго резонансного контура,
-δt
e - коэффициент затухания.
При вводе тока сигнала в две Фазы трехфазной линии 0,4 кВ получают токи прямой и обратной последовательностей с равными амплитудами:
1
2
İ=İ - токи, вызванные первым резонансным контуром,
1
2
İ=İ- токи, вызванные вторым резонансным контуром.
Так как эти токи имеют одну частоту, то после сложения получим:
1
2
2İ=2İ   (21)
0
0
На приемном пункте эти токи образуют напряжения прямой и обратной последовательностей частоты ƒ где их принимают приемным устройством, входами которого являются фильтры симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей, настроенных на частоту ƒ (патент С.А. Цагарейшвили, К.И. Гутин, RU 2291564 С1).
1
2
Таким образом, токи 2İ и 2İ образованы током с амплитудой, равной 28 А, при токе через ключ 14 А.
*) Введение в схему генератора резисторов 1, 2, 3, 4, 5, 6, сопротивление каждого из которых равно: R=1 М.Ом, устраняет коммутационные перенапряжения на зажимах ключа при его коммутации.
*) Проведем сравнение затраченной мощности в заявленном техническом предложении и прототипе при прохождении тока через ключ.
1
5
В прототипе ток через ключ будет протекать по цепи: Фаза А - диод Д - катушка индуктивности 5 - резистор 9 - ключ - диод Д - Фаза В.
Определим активное сопротивление катушки индуктивности 5 в прототипе:
где:
0
ƒ=1000Гц,
5
-3
L=6,5·10Гн - индуктивность катушки индуктивности,
Q=10 - добротность катушки индуктивности.
*) Затраченная прототипом мощность на образование тока, протекающего через ключ, равна:
где:
9
R=10 Ом - резистор, установленный в прототипе.
m
I=17 А - ток через ключ - выражение (2) прототипа.
0
В знаменателе 4 учитывает, что ключ замкнут 0,25 Т.
*) Затраченная мощность в заявленном техническом предложении при передаче только символов «1», которая идет на образование тока через ключ, согласно (17) равна:
ВЫВОД 1.
Мощность на образование тока через ключ в заявленном техническом предложении при передаче только символов «1» меньше с учетом (17) и (23) на
Принимаем положение, что символы «1» и «0» передают с пассивной паузой и имеют одинаковую плотность, то с учетом (17) и (23) разница будет равна:
*) Рассмотрим вопрос передачи токов сигналов при неполнофазном режиме в сети 10 кВ.
Пусть генератор заявленного технического предложения установлен на диспетчерском пункте (ДП), которым является подстанция (35-10-0,4) кВ (ПС).
От ДП уходят n=1, 2…n фидеров 10 кВ на контролируемые пункты (КП) и к потребителям электроэнергии.
Пусть на одном из фидеров 10 кВ, отходящих от ПС, оборвался провод Фазы В. Так как в прототипе токи вводят в две Фазы В и С, то передать сигналы управления на контролируемые пункты (КП) нельзя, так как сигналы с ДП на КП приняты не будут.
В заявленном техническом предложении, где сигналы управления с ДП на КП передают в Фазы АВ, ВС, СА, сигналы будут приняты по двум Фазам АС.
Таким образом, мы доказали:
1. Что цель, поставленная изобретением, достигнута, т.к. снижена мощность генератора при передаче символов «1» и «0» с пассивной паузой при одинаковой плотности передачи символов «0» и «1» на 185 Вт согласно (26).
2. Также мы доказали возможность передачи сигналов с ДП на КП, которые установлены в линии 10 кВ при обрыве одной из Фаз В или С.