CZ2002335A3 - Uspořádání oscilačních obvodů pro kruhovou řídicí tónovou frekvenci pro vícefázovou napájecí sí» - Google Patents

Description

Uspořádání oscilačních obvodů pro kruhovou řídicí tónovou frekvenci pro vícefázovou napájecí síť

Oblast techniky

Vynález se týká uspořádání oscilačních obvodů pro kruhovou řídicí tónovou frekvenci pro vícefázovou napájecí síť, přičemž pro každou fázi napájecí sítě je uspořádán oscilační obvod s kondenzátorem a cívkou, a přičemž cívky příslušné fáze jsou rozmístěny v malých odstupech od sebe tak, že je dáno jejich vzájemné indukční ovlivňování.

Dosavadní stav techniky

V napájecích sítích pro napájení elektrickou energií, zejména ve vysokonapěťových sítích, k nimž jsou připojeny elektrárny s generátory, se Často vyskytují zkratové proudy, které jsou v důsledku velmi nízkých výsledných síťových impedancí velmi vysoké. Proto se pro omezení zkratových proudů s napětím o frekvenci 50 Hz používají tlumivky. Takové tlumivky se rovněž označují jako tlumivky neboli tlumicí cívky k omezení proudu nebo tlumivky k omezení zkratového proudu. V dalším textu budou tyto tlumivky provedeny a uváděny jako vzduchové tlumivky.

Opatření pro omezení proudu působí na tónovou frekvenci kruhových řídicích zařízení, která přehlušují síť o frekvenci 50 Hz. Aby se zabránilo poklesu tónových frekvenčních signálů, používají se blokovací obvody tónové frekvence, které jsou naladěny na odpovídající tónovou frekvenci. Za tím účelem může být například mezi generátorem a napájecí sítí zapojeno sériové zapojení φ9 9999 ··

9 9 9

999 · • · · « · · 9 · β······ ·· · • · α · • 4»·* · · • · • · • · ·

9999 s omezovači tlumivkou a paralelním kmitavým obvodem v provedení jako blokovací obvod pro tónový frekvenční signál.

Z praxe je známé umístit indukční elementy, to znamená omezovači tlumivku a cívku paralelního oscilačního obvodu, ve společné skříni olejového transformátoru. Indukční elementy jsou potom provedeny jako cívky s železným jádrem. V důsledku relativně velkého podílu oleje ve skříni olejového transformátoru musí být provedena přísná opatření z hlediska ochrany okolního prostředí před znečištěním a požárem. Železným jádrem je rovněž nanejvýš obtížné dodržovat při vysokých proudech v případě zkratových proudů požadovanou lineárnost výsledných impedancí. Za tím účelem je zpravidla zapotřebí masivního železného jádra, čímž však vzroste ztrátový výkon při normálním provozu s napětím 50 Hz. Provedení indukčních elementů ve společné skříni nebo jako společná konstrukční součást je známé ze spisu DE 195 10 659 Cl.

Dále je z článku „A COST EFFECTIVE PI NETWORK FOR ELIMINATION OF STIFF TRANSMISSION CROSSTALK IN ZERO SEQUENCE PROPAGATED DISTRIBUTION POWER LINE CARRIER SIGNALS“, autor K. W. Whang, IEEE Transactions on Power Delivery, US, IEEE lne. New York, Bd. PWRD-2, č. 1, 1987, str. 4149, XP002033031, popsáno uspořádání oscilačních obvodů pro kruhovou řídicí tónovou frekvenci pro vícefázovou napájecí síť, přičemž pro každou fázi napájecí sítě je uspořádán jeden oscilační obvod s kondenzátorem a cívkou, a přičemž cívky příslušné fáze jsou rozmístěny v malých odstupech od sebe tak, že je dáno vzájemné indukční ovlivňování.

Úkolem vynálezu je vytvořit uspořádání oscilačních obvodů, které při umístění na volném prostranství umožní prostorově úsporné rozmístění součástí.

·· Μ»· • · ♦ « · • · » • * · · •«·»» · · * « ·* ··· ·

Podstata vynálezu

Uvedený úkol splňuje uspořádání oscilačních obvodů pro kruhovou řídicí tónovou frekvenci pro vícefázovou napájecí síť, přičemž pro každou fázi napájecí sítě je uspořádán oscilační obvod s kondenzátorem a cívkou, a přičemž cívky příslušné fáze jsou rozmístěny v malých odstupech od sebe tak, že je dáno jejich vzájemné indukční ovlivňování, podle vynálezu, jehož podstatou je, že cívky příslušných fází jsou dimenzovány z hlediska předem stanovené impedance příslušných oscilačních obvodů tak, že vzájemné indukční ovlivňování je kompenzováno přizpůsobením počtu závitů cívek v závislosti na geometrickém rozmístění cívek vůči sobě.

Tímto způsobem je umožněno prostorově úsporné uspořádání příslušných oscilačních obvodů, přičemž nemusí být dodržen minimální potřebný, takzvaný „ochranný nebo řadový odstup“ podle normy VDE 0101/471. Při rozmístění takových oscilačních obvodů ve venkovních zařízeních bez vzájemného ovlivňování by bylo zapotřebí odstupů i větších než 10 m. Podle vynálezu jsou však nyní příslušné cívky dimenzovány tak, že jejich vzájemné ovlivňování je kompenzováno, přičemž současně je provedeno vyrovnání příslušných hodnot cívek. V principu je rovněž možné dosáhnout vzájemného ovlivňování sladěním příslušných kondenzátorů. Tím by však nebyly zohledňovány různé hodnoty cívek, čímž by opět nebylo dosaženo optimálního přizpůsobení.

S výhodou jsou cívky provedeny jako vzduchové cívky v suchém provedení. Tím je umožněna levná výroba při odstranění výše uvedených nedostatků dosavadního stavu techniky.

Příslušné cívky jsou s výhodou rozmístěny v řadě, tedy v sériovém rozmístění, přičemž směr rozmístění je kolmý ke směru

4

4 «

4 4

4 4

444

4 4

4 4 4

I 44 4

4 4 •4444 4 toku energie v oblasti rozvodného zařízení. Tím je umožněno prostorově úsporné a symetrické rozmístění cívek ve spínacím poli.

Podle dalšího výhodného provedení jsou v řadě s příslušnými cívkami zapojeny tlumicí cívky elektrické energie, přičemž tyto omezovači tlumivky jsou popřípadě rovněž uspořádány v malém odstupu od cívek. Tímto způsobem je umožněno kompaktní uspořádání a kombinace oscilačního obvodu a omezení proudu.

Cívky mohou být s výhodou na koncích opatřeny jemnými odbočkami, které umožňují jemné nastavení příslušné indukčnosti o +/- 5 %. Tímto způsobem je přídavně umožněno jemné sladění uspořádání při rozmístění součástí zařízení.

Přehled obrázků na výkresech

Další výhody a podrobnosti vynálezu budou objasněny na příkladném provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje elektrické schéma trojfázového uspořádání oscilačních obvodů, obr. 2 a 3 spínací pole s uspořádáním oscilačních obvodů v půdorysu a bokorysu a obr. 4 charakteristiky uspořádání oscilačních obvodů.

Příklady provedení vynálezu

Na dále popisovaných obrázcích jsou stejné součásti označeny stejnými vztahovými značkami.

Obr. 1 znázorňuje elektrické schéma uspořádání 1_ oscilačních obvodů, které je připojeno k napájecí síti 6. elektrické energie. Přitom je z generátoru 3. přiváděna elektrická energie trojfázově do uspořádání 1 oscilačních obvodů, z něhož je dále vedena • t ···· ·· · • · · · * · • ··· · · ♦ · • a · · · ♦··· • · · · ·

prostřednictvím výstupních vedení 5. do napájecí sítě £ elektrické energie. Znázorněné uspořádání 1_ oscilačních obvodů může být například provedeno pro napětí o hodnotě 120 kV nebo všeobecně pro vysoké nebo střední napětí.

Uspořádání L oscilačních obvodů obsahuje fáze Pl, P2 a P3 a cívky LI, L2 a L3 vždy s paralelně zapojeným kondenzátorem Cl, C2 a C3, takže každá fáze je tvořena oscilacním obvodem S1. S2 a S3_, zejména blokovacím obvodem. Blokovací frekvence těchto oscilačních obvodů Sl až S3 je dimenzována vždy pro zvolenou kruhovou řídicí frekvenci. Tato kruhová řídicí frekvence může mít hodnotu přibližně v rozsahu od 100 do 1000 Hz. Výhodné kruhové řídicí frekvence mají například hodnoty 183,6, 283,6 nebo 425 Hz. Speciální nebo výhodná kruhová řídicí frekvence má hodnotu 216 2/3 Hz.

Pro omezení zkratových proudů mezi generátorem 3, a výstupními vedeními 5., kterého může být dosaženo také technickými opatřeními na generátoru 3_ nebo na napájecí síti 6, je přídavně v každé fázi Pl, P2. P3 upravena vzduchová tlumivka LPI, LD2, LD3, sloužící jako omezovači tlumivka zkratových proudů.

Všechny indukční součásti, zejména cívky LI. L2, L3 a popřípadě i vzduchová tlumivka LD3, jsou uspořádány v tak malých prostorových odstupech od sebe, že se navzájem ovlivňují. Toto ovlivňování může být například tak velké, že nemusí být dodrženy minimální potřebné vzájemné odstupy podle výše uvedené normy. Tím je dáno vzájemné indukční ovlivňování indukčních součástí mezi sebou, které má za následek změnu příslušného oscilačního obvodu S1. S2, S3. Cílem však je tento vliv kompenzovat při zachování vzájemné prostorové blízkosti.

φφ φ •o ΦΦΦΦ φφφ ·

Φ φφφ Φ Φ Β Φ • φφφ Φ ΦΦΦΦ Φ

Φ φφΦΦ

ΦΦΦΦ ΦΦΦ ΦΦ Φ • φ

Za tím účelem jsou alespoň příslušné cívky Ll, L2, L3 dimenzovány tak, že jejich vzájemné ovlivňování není zohledněno. To se týká zejména prostřední cívky L2, která je obklopena zbývajícími cívkami Ll a L3. Teprve zohledněním tohoto ovlivňování a přizpůsobením příslušných indukčností, zejména přizpůsobením počtu jejich závitů, je umožněno optimální dimenzování příslušných oscilačních obvodů S1, S2, S3 nebo filtru. To nastane zejména tehdy, když hodnoty příslušných cívek Ll až L3 mají být zachovány. Tyto hodnoty se totiž rovněž mění při vzájemném ovlivňování.

Oscilační obvod S1. S2, S3 vytvořený takto jako blokovací filtr může mít například pro napětí 120 kV blokovací odpor nebo blokovací impedanci o hodnotě asi 300 ohmů při frekvenci 216,6. Přitom hodnoty cívky Ll a kondenzátoru Cl činí 2,86 mH, respektive

188,5 pF. Hodnota vzduchové tlumivky LD1 podle znázorněného příkladu může být například 25 mH.

Na obr. 2 a 3 je znázorněno rozmístění uspořádání 1_ oscilačních obvodů v půdorysu, popřípadě bokorysu. Uspořádání 1 oscilačních obvodů bude nyní podrobně popsáno například podle fáze P3. Tento popis však platí pro všechny fáze P1, P2, P3.

Na obr. 2 a 3 je znázorněno provedení jako venkovního zařízení. Přitom je z neznázorněného generátoru 3. přiváděna energie do spínacího pole 7, na němž je rozmístěno uspořádání 1 oscilačních obvodů. Prostřednictvím blíže neoznačených vedení je elektrická energie přiváděna do uspořádání £ oscilačních obvodů přes první jistič 9a. Druhý jistič 9b je uspořádán na výstupní straně spínacího pole 2· Jističe 9a a 9b slouží k odpojení uspořádání 2 oscilačních obvodů. Tohoto odpojení může být zapotřebí například při údržbě nebo při jiných situacích v provozu.

4* 4·44 • · · * *

44 · • 4«44 4 4 · ·

4 4 4 4 • 44 4444

Pro fázi P3 je dále ve vedení uspořádána cívka L3, k níž je paralelně zapojen kondenzátor C3. V řadě potom následuje vzduchová tlumivka LD3. Cívky LI až L3 jsou s výhodou, jak je znázorněno, rozmístěny vůči sobě v řadě, přičemž toto rozmístění v řadě je uspořádáno kolmo ke směru toku energie ve spínacím poli ]_. Vzduchové tlumivky LPI až LD3 jsou rozmístěny do trojúhelníku. V důsledku jejich vlastní velikosti je popřípadě zapotřebí í jejich většího vzájemného odstupu než u cívek LI až L3. To platí v principu i pro kondenzátory Cl až C3.

Principiálně je možné i jiné rozmístění, například rozmístění cívek LI až L3 do trojúhelníku s promíchaným uspořádáním ostatních součástí nebo popřípadě i šikmo nebo diagonálně přesazené uspořádání cívek. V úvahu připadá zejména i nesymetrické uspořádání příslušných součástí, čímž je umožněno dále optimalizované rozmístění v jejich vzájemné prostorové blízkosti.

Jak je patrné zejména z bokorysu na obr. 3, jsou blíže neoznačená spojovací vedení mezi příslušnými součástmi vedena pro přídavné podepření na nosných izolátorech 11. S ohledem na potřebné bezpečnostní odstupy jsou všechny součásti a nosné izolátory 11 uspořádány na nosných konstrukcích 13, čímž jsou zaručeny jejich potřebné odstupy od země.

Pro znázorněné provedení je podstatné, že všechny indukční součásti mají takzvané suché provedení a jsou uspořádány ve spínacím poli 7 v těsné blízkosti u sebe. Při dimenzování cívek LI až L3 je nutno zohlednit zejména magnetickou vazbu mezi cívkami LI až L3 v závislosti na jejich geometrickém rozmístění. To se týká popřípadě i vlivu vzduchovým tlumivek LPI až LD3. Podle tohoto rozmístění a podle výsledných vypočtených dat se individuálně vypočítá počet závitů každé jednotlivé cívky LI až L3 nebo vzduchové tlumivky LPI až LD3 a přizpůsobí praktickému provedení.

'1' ídlřfil r i <

l (.«»< t < t i , < t f r .....

I r 4 i « l 4

I

114

Protože tento výpočet nemusí popřípadě zohledňovat všechny vlivy, může být každá cívka LI až L3 na svém konci přídavně opatřena blíže neznázorněnými jemnými odbočkami pro jemné sladění. Tyto jemné odbočky mohou být například provedeny jako odbočky příslušných závitů, které jsou přístupné prostřednictvím odpovídajících svorek nebo odbočných prostředků. Tím mohou být kompenzovány i změny indukčnosti při plném nebo mírném zatížení. Tímto způsobem je popřípadě možné dodatečně zohlednit i změny přestavením rozmístění, například při přestavbě.

U znázorněného příkladného provedení je nutno zohlednit zejména vliv vzduchové tlumivky LD2 na oscilační obvody S1 až S3. Zejména prostřední oscilační obvod S2 je nejvíce ovlivňován indukčnostmi, které jej obklopují. Pro zobrazení poměrů velikostí jsou na obr, 2 vyznačeny odstupy Al a A2. V praxi mají pro dané příkladné provedení hodnoty asi 3 m, popřípadě 5,42 m. Na základě výše uvedených hodnot součástí pokusy ukázaly, že znázorněné řadové rozmístění cívek LI až L3 představuje pro prostřední cívku L2 změnu o velikosti -0,078 mH a pro obě vnější cívky LI a L3 změnu o velikosti +0,016 mH vůči jejich jmenovitým hodnotám. Tato střídavá působení se nyní zohlední při dimenzování cívek LI až L3, takže filtrační frekvence, neboli frekvence oscilačních obvodů S1 až S3, jsou optimalizovány.

Na obr. 4 je znázorněn diagram, na němž je například znázorněna impedance v závislosti na frekvenci pro paralelní oscilační obvod, a z něhož je patrné vzájemné ovlivňování cívek. Při jednom pokusu se přitom měnil vzájemný odstup cívek příslušných fází. Přitom byly zjišťovány obě impedanční křivky K1 a K2. Impedanční křivka K1 má svůj vrchol asi při 216 Hz. Indukčním vzájemným vlivem cívek dojde ke změně o asi 0,6 Hz, to znamená na 216,06 Hz. Vztaženo na 216,06 Hz to znamená změnu impedance o ·· ·· • · * ·< · •· ···· • · « • ··♦ • · • · · • · · · • « « ···· • · ♦ ·· « • · · • ♦ · • · «

4« ···· asi 170 ohmů, což za daných okolností leží v rozsahu polovičního blokovacího odporu takového uspořádání. Když se vzájemné ovlivňování nezohlední, zůstane popřípadě ί hodnota cívek nezohledněna, čímž opět nastanou zvýšené ztráty.

Základní myšlenka nové úvahy může být popsána následovně: Pro dimenzování oscilačních obvodů se vypočítá vazba mezi jednotlivými cívkami neboli indukčnostmi v závislosti na jejich geometrickém rozmístění. Podle vypočtených dat se potom individuálně vypočítá počet závitů každé cívky. Pro jemné doladění se v zařízení při rozmístění součástí ještě uspořádají přídavné závity a jemné odbočky. Tímto způsobem je umožněna kompenzace změn indukčnosti, a to jak pro plné zatížení, tak i pro mírné zatížení, pro celé uspořádání oscilačních obvodů.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Uspořádání (1) oscilačních obvodů pro kruhovou řídicí tónovou frekvenci pro vícefázovou napájecí síť, přičemž pro každou fázi (Pl, P2, P3) napájecí sítě je uspořádán oscilační obvod s kondenzátorem (Cl, C2, C3) a cívkou (LI, L2, L3), a přičemž cívky (LI, L2, L3) příslušné fáze (Pl, P2, P3) jsou rozmístěny v malých odstupech od sebe tak, že je dáno jejich vzájemné indukční ovlivňování, vyznačující se tím, že cívky (LI, L2, L3) příslušných fází (Pl, P2, P3) jsou dimenzovány z hlediska předem stanovené impedance příslušných oscilačních obvodů tak, že vzájemné indukční ovlivňování je kompenzováno přizpůsobením počtu závitů cívek (LI, L2, L3) v závislosti na geometrickém rozmístění cívek (LI, L2, L3) vůči sobě.
2. 2. Uspořádání oscilačních obvodů podle nároku 1, vyznačující se tím, že cívky (LI, L2, L3) jsou provedeny jako vzduchové cívky.
3. 3. Uspořádání oscilačních obvodů podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že cívky (LI, L2, L3) jsou rozmístěny v řadě.
4. 4. Uspořádání oscilačních obvodů podle nároku 3, vyznačující se tím, že řadové rozmístění cívek (LI, L2, L3) je uspořádáno ve spínacím poli (7) a směr rozmístění řadového uspořádání je kolmý ke směru toku elektrické energie ve spínacím poli (7).
5. 5. Uspořádání oscilačních obvodů podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že oscilační obvody (S1, S2, S3) příslušných fází (Pl, P2, P3) jsou vytvořeny jako sériové nebo paralelní oscilační obvody.
6. 6. Uspořádání oscilačních obvodů podle nároku 5, vyznačující se tím, že při vytvoření jako paralelní oscilační obvody je • 4 4444 44 4 ·· ··

   4·· 4 4 4 4 4 4 4

   4 444 4 4 4 4 4 4 4 • 4 4 4 4 4444 4 4 4 4 • 4444 444

   4444 444 44 4 44 4444 k oscilačním obvodům (S1, S2, S3) v sérii zapojena vzduchová tlumivka (LD1, LD2, LD3) pro omezení proudu.
7. 7. Uspořádání oscilačních obvodů podle nároku 6, vyznačující se tím, že při dimenzování příslušných cívek (LI, L2, L3) je zohledněno indukční ovlivňování vzduchových tlumivek (LD1, LD2, LD3) na předem stanovenou impedanci příslušných oscilačních obvodů.
8. 8. Uspořádání oscilačních obvodů podle jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že cívky (LI, L2, L3) jsou na svých koncích opatřený jemnými odbočkami pro umožnění změny indukčnosti cívek (LI, L2, L3) až o +/- 5 % jejich jmenovité hodnoty.