RU2512705C1

RU2512705C1 - Method of loss compensation at end of long power line

Info

Publication number: RU2512705C1
Application number: RU2012151855/28A
Authority: RU
Inventors: Олег Фёдорович Меньших
Original assignee: Олег Фёдорович Меньших
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-04-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention can be used mainly in countryside and suburb nursery gardens, which power supply is made from transformer substations (TS) with rather long overhead power lines and at the ends of such lines mains voltage decreases to unaccepted level thus deteriorating quality of services rendered by energy service companies. According to method of loss compensation at the end of long power line at the beginning of the first and third quarter of alternating voltage period respective pair of commutating transistors is open interchangeably, and within the first and third quarter of period two similar capacitors are charged though this pair of commutating transistors; at the beginning of the second and fourth quarter commutating transistors are closed, thereafter these capacitors are connected in-series by means of controllable bidirectional thyristor and discharged back to the mains during the second and fourth quarter of the period, at that pair of commutating transistors is open in the first quarter of the period, and the other pair of commutating transistors is open in the third quarter of the period; control of both pairs of commutating transistors and bidirectional thyristor is made by control unit as per the preset algorithm with mains voltage synchronisation.

EFFECT: increasing mains voltage at the end of loaded power line by relatively simple means.

15 dwg

Description

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.The invention relates to electrical engineering and can be used mainly in rural areas and suburban horticultures, the power of which is provided from transformer substations (TP) with sufficiently long overhead power lines, by the end of which the mains voltage is unacceptably reduced, which violates the quality of the service provided by power sales organizations.

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.Known methods for reducing energy loss when using long power lines by increasing the cross-section of the conductors of a three-phase overhead line (VL-0.4 kV) or parallelizing them. The techniques of balancing phase loads in such lines are also used. In addition, increase the voltage on the output circuits of the TP above a predetermined value. An increase in the cross-section of conductors significantly increases the cost of VL-0.4 kV, and an increase in the output voltage in the transformer substation is undesirable for subscribers close to the transformer substation, since the voltage deviation is allowed to be no more than + 5% and -10%. This means that at a standard voltage of 220 V, the voltage spread for all subscribers served by the transformer substation is defined by the limits from 198 V to 231 V. With sufficiently long VL-0.4 kV at the end of such lines, the voltage drops to 170 ... 180 V, and To equalize this voltage at the end of the line to at least 200 V, it is necessary to increase the voltage at the output of the transformer to 245 V, which is unacceptable. One way to eliminate unacceptable voltage unevenness is to install two identical transformer substations from opposite ends of the 0.4 kV overhead line. However, this significantly increases the cost of equipment (the cost of transformer substations is much higher than the cost of conductors with increased cross section used in high-voltage lines of 0.4 kV). One of the ways to equalize the mains voltage at the end of a 0.4 kV overhead line is to use ferroresonant voltage stabilizers or even electronic ones. However, this also significantly increases the cost of the energy supply system.

Предлагаемый способ компенсации потерь в протяженных ВЛ-0,4 кВ аналогов не имеет по данным известной технической литературы.The proposed method of compensating for losses in long VL-0.4 kV analogs has no analogues according to the known technical literature.

Целью изобретения является увеличение сетевого напряжения в конце нагруженной линии электропередачи относительно простыми средствами.The aim of the invention is to increase the mains voltage at the end of a loaded power line with relatively simple means.

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.This goal is achieved in a method of compensating for losses at the end of a long power line, in which at the beginning of the first and third quarters of the alternating voltage period, an alternately corresponding pair of switching transistors is opened and during the first and third quarters of the period two identical capacitors are charged through this pair of switching transistors, at the beginning the second and fourth quarters of the switching transistors are closed, after which these capacitors are switched on sequentially using a controlled triac and once push them back into the network during the second and fourth quarter of the period, and in the first quarter of the period, one pair of switching transistors is opened, and during the third quarter of the period, another pair of switching transistors is opened, and both pairs of switching transistors and a triac are controlled using the control unit a given algorithm with network voltage synchronization.

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.The achievement of the objective of the invention is due to the parallel charge of a pair of capacitors of the same capacity to the amplitude of the mains voltage with a voltage reduced against the standard value, followed by the return of the doubled voltage of the series-connected capacitors to the network, which determines the voltage addition of the mains voltage at the end of the transmission line. The resulting voltage in this case differs from harmonic. The value of the capacitance of the used capacitors determines the power consumption of electrical appliances of subscribers served by the power line near its end, that is, to equalize the voltage along the entire length of such a line. In the first and third quarter of the period, the voltage changes harmonically with a reduced amplitude, and in the second and fourth quarter it increases significantly in amplitude, so that the average effective voltage in the network at a remote site from the TP tends to a standard value, and the distortion of the voltage shape does not affect the operation of household subscribers' devices.

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).The inventive method is illustrated by the device implementing it, shown in Fig. 1. The schematic diagram of the transistor and triac transistor control unit is shown in Fig. 2. Fig. 3 shows the time diagrams of voltages in various parts of the control unit circuit, and Fig. 4 shows plots of voltage and current in network conductors (for a single-phase network).

Реализующее способ устройство, представленное на рис.1, выполнено по мостовой схеме и включает следующие компоненты:The device that implements the method, shown in Fig. 1, is made according to the bridge circuit and includes the following components:

1 - транзистор заряда первой ветви мостовой схемы,1 - charge transistor of the first branch of the bridge circuit,

2 - транзистор перезаряда первой ветви мостовой схемы,2 - transistor recharging the first branch of the bridge circuit,

3 - накопительный конденсатор первой ветви мостовой схемы,3 - storage capacitor of the first branch of the bridge circuit,

4 - транзистор заряда второй ветви мостовой схемы,4 - charge transistor of the second branch of the bridge circuit,

5 - транзистор перезаряда второй ветви мостовой схемы,5 - transistor recharging the second branch of the bridge circuit,

6 - накопительный конденсатор второй ветви мостовой схемы.6 - storage capacitor of the second branch of the bridge circuit.

7 - симистор, включенный в диагональ моста,7 - triac included in the diagonal of the bridge,

8 - блок управления транзисторами и симистором (работа этого блока синхронизирована сетевым напряжением),8 - control unit transistors and triac (the operation of this unit is synchronized by mains voltage),

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.9 - grids, that is, a large-capacity electrolytic capacitor and a low-resistance resistor limiting the current of the control transition of a transistor or triac, creating a negative bias at the control electrode of the triac and transistor bases, with a time constant of the order of a quarter of the mains voltage period (5 ms). The grid grid diagram is shown in Fig. 1 fragmentarily, and grid grids are indicated by rectangles in Fig. 1.

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.The transistor and triac transistor control unit (Fig. 2) is made on six logic microcircuits of transistor-transistor logic with Schottky diodes (TTLS), for example, type K555LAZ, performing the logical function “2I-NOT”, pulse amplifiers include an analog microcircuit of type K174UNZ and transistor KT819A with transformer output. Moreover, the triac is controlled by pulses of a duration of the order of 0.3 ... 0.5 ms from a transformer with a ferrite core, and transistors are controlled by pulses of a duration of about 5 ms with a frequency of 50 pulses / second from transformers with an iron core. Fig. 2 shows a fragmented amplifier. The control unit includes an adjustable phase-shifting chain, a pair of comparators, a pair of differentiating circuits, a pulse shaper to turn on the corresponding pair of transistors in the first and third quarters of the mains voltage period and a secondary power supply (VIP) with output voltages +5 V for supplying digital circuits and +15 V for power supply of three pulse amplifiers.

На рис.3 приведены временные диаграммы:Figure 3 shows the timing diagrams:

3а - исходного сетевого напряжения (гармонического),3a - the source mains voltage (harmonic),

3б - сдвинутого по фазе на 90° переменного напряжения с подстройкой фазы на ±5,3b - phase-shifted by 90 ° AC voltage with phase adjustment ± 5,

3в - логический сигнал А на выходе первого компаратора напряжения, указанного на рис.3а,3c - logical signal A at the output of the first voltage comparator shown in Fig.3a,

3г - логический сигнал В на выходе второго компаратора напряжения, указанного на рис.3б,3G - a logical signal B at the output of the second voltage comparator shown in Fig.3b,

3;3д - инверсный сигнал с первого компаратора, указанный на рис.3в,3; 3d - inverse signal from the first comparator, indicated in Fig.3c,

3е - инверсный сигнал со второго компаратора, указанный на рис.3г,3e - inverse signal from the second comparator, indicated in Fig.3d,

3ж - импульс, открывающий в первой четверти периода транзисторы 1 и 4 (рис.1),3g - pulse, opening in the first quarter of the period transistors 1 and 4 (Fig. 1),

3з - импульс, открывающий в третьей четверти периода транзисторы 2 и 5 (рис.1),3h - pulse, opening in the third quarter of the period transistors 2 and 5 (Fig. 1),

3и - дифференцирующий отклик (положительный) импульса, указанного на рис.3г,3i - differentiating response (positive) of the pulse indicated in Fig. 3d,

3к - дифференцирующий отклик (положительный) импульса, указанного на рис.3е,3k - differentiating response (positive) of the pulse indicated in Fig.3e,

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_О, 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_О, которая и увеличивает среднее значение напряжения сети в конце линии электропередачи, выравнивая действующее напряжение в ней в различных ее участках.3L - formed pulses of the opening of triac 7 (Fig. 1) at the beginning of the second and fourth quarter of the period. The triac closes automatically when the capacitors 3 and 6 are discharged back into the network. Figure 4a shows a plot of the voltage across the 0.4 kV OHL conductors for one phase at the end of a power line with a rather complex non-harmonic shape. In the first and third quarters of the period T, the voltage form coincides with that which would be without connecting this device to the network, and has an amplitude U _О , reduced against the standard voltage due to losses in the loaded power line. In the second and fourth quarters of period T, due to the discharge of series-connected capacitors 3 and 6 (using an open triac 7) into the network, its voltage increases sharply, and then decreases as these capacitors discharge, adding to the current network voltage. In this case, a volt-addition of the mains voltage of ΔU to the existing amplitude of the mains voltage U _О occurs, which increases the average value of the mains voltage at the end of the power line, aligning the effective voltage in it in its various sections.

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_О 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.Figure 4b shows a plot of the charge currents (overcharge) and discharge of capacitors 3 and 6 in different quarters of the mains voltage period. In the first quarter of the period, capacitors 3 and 6 are charged to an amplitude voltage of U ₀ each, and by the end of the first quarter of the period, the charge current tends to zero, and the maximum of the charge current is reached in the middle part of the first quarter of the period. In the second quarter of the period, the discharge current of a pair of series-connected capacitors 3 and 6 reverses its direction and toward the end of the second quarter also tends to zero, which automatically locks the previously opened triac. In the third and fourth quarters of the period, the processes are similar to those indicated above, but with the replacement of the current flow sign. The latter indicates that capacitors 3 and 6 operate in overcharge mode, that is, they must allow operation on alternating current, for example, of the K-75 type.

Рассмотрим работу устройства, реализующего заявляемый способ.Consider the operation of a device that implements the inventive method.

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 $\bar{B}$

(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.To implement the algorithm of periodic charge-discharge of capacitors 3 and 6, it is necessary to generate signals for differentiating the quarters of period T of the alternating voltage of the network, in particular, to generate signals for the beginning of the second and fourth quarters of the period. This is achieved by using a two-phase phase-shifting RC chain, each of which shifts the phase of the alternating voltage by 45 °. In the first of them, the phase shift is adjusted by ± 5 ° using a rheostat. Thus, we have the initial alternating voltage of the network (Fig. 3a) and the voltage shifted in phase by 90 ° (Fig. 36). These voltages act on two comparators shown in the middle left part of Fig. 2 on two K555LA3 microcircuits, four KD513 diodes and two potentiometers. At the paraphase outputs of these comparators, impulse sequences of the meander type are formed (with a duty cycle of two) with logical levels A (Fig. 3c) and Ā (Fig. 3e) - at the output of the first comparator, to the input of which the initial alternating voltage of the network with some adjustable level of amplitude, as well as with logical levels B (Fig. 3d) and

\bar{B}

(Fig. 3f) - at the output of the second comparator, to the input of which an alternating voltage shifted in phase by 90 ° with an adjustable amplitude level is supplied. The first of these comparators in Fig. 2 is located below the second.

Для выделения импульсной последовательности, соответствующей первой четверти периода сетевого напряжения (рис.3ж), используется логическая операция А· $\bar{B}$

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).To isolate the pulse sequence corresponding to the first quarter of the period of the mains voltage (Fig. 3g), the logical operation A

\bar{B}

using the chain “2I-NOT + NOT = 2I” on half of the K555LAZ chip. The inputs of this chain are connected to the direct output of the first comparator and the inverse output of the second. At the output of the 2I element, a pulse sequence is formed with a pulse duration of 5 ms, coinciding in time with the first quarters of periods T (Fig. 3g).

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).To isolate the pulse sequence corresponding to the third quarter of the period of the mains voltage (3h), the logical operation Ā * B is used with the use of a similar chain performing the matching operation (“2I”) on the second half of the K555LAZ chip. The inputs of this 2I circuit are connected to the direct output of the second comparator and the inverse output of the first. At the same time, at the output of this “2I” circuit, an impulse sequence is formed with a pulse duration of 5 ms coinciding in time with the third quarters of periods T (3z).

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.The indicated pulse sequences (Figs. 3g and 3z) open the corresponding pairs of transistors through which in their saturated state the charge and recharge of capacitors 3 and 6 are carried out (Fig. 1). These pulse sequences are amplified by power in the corresponding pulse amplifiers with transformer outputs, pairs of separate output windings of which are connected through grids 9 (Fig. 1) to the base-emitter junctions of the corresponding transistor pairs. So, under the action of the pulse sequence shown in Fig.3g, transistors 1 and 4 open. And under the action of the pulse sequence shown in Fig.3g, transistors 2 and 5 open. Transistors 1 and 2, as well as transistors 4 and 5 are connected between They are parallel-counterpropagating and have the same type of npn conductivity.

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_O соответственно в первой или третьей четвертях периода Т.When opening one or another pair of transistors, the capacitors 3 and 6 are charged or recharged from the mains voltage with a voltage amplitude U _O lowered at the end of the power line, respectively, in the first or third quarters of period T.

Для осуществления отдачи накопленной в этих конденсаторах энергии $W = C U_{O}^{2} / 2$

, 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.To carry out the return of energy stored in these capacitors

W = C U_{O}^{2} / 2

, where C is the capacitance of each of the capacitors 3 and 6 (of the same size), it is necessary, firstly, to lock all transistors 1, 2, 4 and 5, and secondly, turn on the capacitors 3 and 6 in series with the conductors of the power line (to network). The first condition is satisfied automatically by stopping the transistor opening pulses (Fig. 3g and Fig. 3h) and maintaining negative potentials (relative to emitters) on the bases of transistors due to the action of grids 9 (Fig. 1), on the capacitors of which a fixing bias voltage generated by the base currents is supported transistors when they are unlocked. The second condition is associated with the action of a triac 7 included in the diagonal of the bridge, the branches of which are formed by series-connected switching transistors 1 and 2 and a capacitor 3 for the first branch of the bridge, as well as transistors 4 and 5 and a capacitor 6 for the second branch of the bridge. In this case, the bridge circuit is constructed so that the terminals of the capacitors 6 and 3, respectively, are connected to the phase (a) and zero (s) conductors of the power line (Fig. 1). Triac 7 is included in the diagonal of the formed bridge and is controlled by unlocking at the beginning of the second and fourth quarter of the period T with pulses of duration 0.3 ... 0.5 ms. Triac 7 closes automatically when the discharge current of the capacitors 3 and 6, connected by the triac in series, reaches the tripping level of the triac by the end of the second and fourth quarter of the period.

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.To generate the triggering pulses of triac 7, two equivalents of differentiating circuits are used, shown in the upper part of Fig. 2 and executed on two K555LA3 microcircuits according to the well-known short pulse generating circuit corresponding to the positive differential of logic levels, which are formed on the direct and inverse outputs of the second comparator with logical levels B and B, respectively. The selected pulses, extended in duration using small capacitors (100 ... 300 pF) connected to the outputs of the third parts of the microcircuit, are then summed and amplified in a pulse amplifier with a transformer output, the secondary winding of which is connected via a grid 9 to the control electrode of triac 7. These pulses follow with a double frequency (100 Hz), that is, after 10 ms.

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).It is important to ensure that the triac 7 is unlocked only after the transistors 1, 2, 4, and 5 are completely closed. This is ensured by a certain delay in the triggering of the triac transistors relative to the locking moments of the transistors corresponding to their pairs. In the control circuit of a triac, the use of a gridlic also contributes to the reliable holding of the triac in the locked state during the first and third quarters of period T. The specified delay is realized either by circuit or by incorporating a separate delay line with a delay value of 0.1 ... 0 into the composition of the pulse amplifier, unlocking the triac pulses. 3 ms (RC line, integrating link).

Рассмотрим энергетику данного устройства.Consider the energy of this device.

Средняя мощность P заряда двух конденсаторов 3 и 6 определяется формулойThe average power P of the charge of two capacitors 3 and 6 is determined by the formula

$P = 2 W / T = 2 (C U_{O}^{2} / 2) / T = C U_{O}^{2} / T$

, 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

P = (C / 2) {(2 U_{O}^{})}^{2}) / 2 T = C U_{O}^{2} / T

. 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.

P = 2 W / T = 2 (C U_{O}^{2} / 2) / T = C U_{O}^{2} / T

where 1 / Т = F is the frequency of the mains voltage. Obviously, the average discharge power of these series-connected capacitors is also equal to P, since in this case

P = (C / 2) {(2 U_{O}^{})}^{2}) / 2 T = C U_{O}^{2} / T

. That is, the energy circulates in the network in the forward and reverse directions in equal amounts with the double frequency of the network, as is the case when one capacitor is connected to it, which is well known. The law of conservation of energy is respected.

Однако при разряде обратно в сеть форма напряжения в ней во второй и четвертой четвертях периода существенно изменяется наличием выброса с удвоенной амплитудой 2U_O, как это видно из эпюры 4а, вследствие чего среднее значение напряжения на конце линии электропередачи возрастает на некоторую достаточно сложно вычисляемую величину ΔU<<U_O. 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.However, when discharging back into the network, the voltage form in it in the second and fourth quarters of the period changes significantly by the presence of a surge with doubled amplitude 2U _O , as can be seen from diagram 4a, as a result of which the average voltage value at the end of the transmission line increases by some rather difficult to calculate ΔU << U _O. This helps to increase the quality of electricity supplied to subscribers located at a considerable distance from the transformer substation when the power line is loaded. Violation of the harmonic nature of the alternating voltage used in active loads of subscribers (in lighting, in heating and household appliances - televisions, refrigerators, etc.) does not lead to disruption of the functioning of these loads.

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.It is important to note that a violation of the initial form of alternating voltage in the second and fourth parts of the period does not violate the action of this device that implements the inventive method, since the generation of control signals by transistors and a triac is not violated, since the comparators are not sensitive to the voltage form within the compaired time interval.

Рассмотрим пример реализации устройства по схеме рис.1.Consider an example implementation of the device according to the scheme in Fig. 1.

Пусть напряжение на конце линии электропередачи падает до величины 180 В. Тогда его амплитуда равна U_O=1,41*180=254 В, и начальное напряжение разряда последовательно включенных симистором 7 конденсаторов 3 и 6 равно 2U_O=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 $C = P / U_{O}^{2} F = 20000 / 2 * 180^{2} * 20 = 0,00617 Ф = 6170 м к Ф$

. 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.Let the voltage at the end of the power line drop to a value of 180 V. Then its amplitude is U _O = 1.41 * 180 = 254 V, and the initial discharge voltage of the capacitors 3 and 6 connected in series by the triac 7 is 2U _O = 508 V (the triac should be selected class 6 ... 10). Given the presence of a voltage surge in the network during the second and fourth quarters of the period, it is possible to experimentally determine the average increase in the amplitude value of the voltage in the network by ΔU depending on the power consumption by subscribers near the end of the power line, for example, equal to ΔU = 30 V. Then, the average effective voltage at the end of the power line it will rise from 180 V to 201 V. When the subscriber load decreases, the value of this voltage can additionally increase, reach the norm of 220 V and even slightly above this norm. Thus, choosing the value of capacitance C of capacitors 3 and 6, you can set the required average effective voltage at the end of the power line, using statistical information about the load for a group of subscribers - consumers of electricity located near the end of the line. For example, with a power consumption of 20 kW, the capacitance C of the capacitors 3 and 6 should be chosen equal to

C = P / U_{O}^{2} F = 20000 / 2 * 180^{2} * twenty = 0.00617 F = 6170 m to F

. For example, for this power consumption, use capacitors 3 and 6 with a capacitance of at least 6000 microfarads per operating voltage of 400 ... 600 V pulse type with an effective voltage value at the end of the transmission line of about 180 V without using this device.

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.With a significant value of power P, transistors 1, 2, 4, and 5 can use power transistors of the TKD265-100-6-1 type (priced at 902 rubles / pc.) Developed by Promtekhnologiya LLC (Voronezh) and type TS-151-160 class no lower than 6th (at 600 V) or small-sized triac TS242-80 of the same class. The main dimensions of the device are determined by the dimensions of the used capacitors 3 and 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.The device that implements the method can be implemented in the form of a module enclosed by a casing installed on the final support of the power line (single-phase). When using a three-phase VL-0.4 kV in a single module, three such devices should respectively be placed for each of the phases separately.

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.The shape of the currents in the conductors of this device connected to the power line is shown in the diagram in Fig.4b. It is seen that the maximum current of the charge of the capacitors does not coincide with the maximum voltage, which significantly reduces the product of the instantaneous values of the current by the voltage compared to that when a purely active load is turned on, at which the maximum of the product of the current and voltage corresponds to the amplitude value of the voltage. When the capacitors are charged, the charging current tends to zero when the amplitude value of the voltage is reached at the end of the first and third quarter of the period.

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.It is also important to note that the signs of current and voltage during the discharge of capacitors in the network turn out to be opposite, and not the same, as is the case when a purely active load is connected to the network.

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.Both of these circumstances indicate that such a device should be installed directly on the power line, that is, prior to the calculated electricity meters of any type of subscribers (induction or digital) operating on the principle of multiplying the instantaneous current values by voltage, followed by integration over time, so that the electricity consumed by them correctly accounted for and paid at current rates. At the same time, the electricity meter on the TP, taking into account the total energy consumed by all the subscribers of the power line, will somewhat underestimate its readings, which, however, will not affect the amount of electricity consumed by the subscribers. In the example considered above, this underestimation in the readings of the general electric meter on the TP in power terms will be about 15 kW, which against the background of the total consumption from the substation of 300 kW is not so noticeable (about 5%) and will seem to reduce the allowable technical losses (usually around 9 %). The latter circumstance is beneficial for energy sales organizations in terms of their reporting on measures taken to reduce technical losses.

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.The inventive method and the device implementing it, it is advisable to use in a branched network of many TP serving villages in rural areas and in suburban gardening, with sufficiently long power lines and significant load, in which the subscribers of the end of this line are constantly experiencing great inconvenience due to low voltage and present legitimate claims to the energy supplying organizations regarding the quality of the supplied electricity.

Claims

A method of compensating for losses at the end of a long power line, in which at the beginning of the first and third quarter of the alternating voltage period, an alternately corresponding pair of switching transistors is opened and during the first and third quarter of the period two identical capacitors are charged through this pair of switching transistors, at the beginning of the second and fourth quarter switching transistors are closed, after which these capacitors are switched on sequentially using a controlled triac and discharge them back into the network the second and fourth quarter of the period, and in the first quarter of the period, one pair of switching transistors is opened, and during the third quarter of the period, another pair of switching transistors is opened, and both pairs of switching transistors and a triac are controlled using a control unit according to a predetermined algorithm with synchronization by the mains voltage .