RU2520311C1

RU2520311C1 - Система стабилизации напряжения на протяженной линии электропередачи

Info

Publication number: RU2520311C1
Application number: RU2013101735/07A
Authority: RU
Inventors: Олег Фёдорович Меньших
Original assignee: Олег Фёдорович Меньших
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2014-06-20

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано преимущественно в сельской местности и в садоводческих товариществах при использовании трансформаторных подстанций (ТП) относительно небольшой мощности. Система стабилизации напряжения содержит трансформаторную подстанцию и воздушную линию электропередачи с ответвлениями электроэнергии, три независимо работающих устройства вольт-добавки на каждой из фаз линии, установленные на конце последней, устройство вольт-добавки выполнено в виде мостовой схемы, две параллельно включенные между собой ветви которой состоят из последовательно соединенных накопительной LC-линии задержки и двунаправленного транзисторного коммутатора, в диагонали мостовой схемы установлен симистор, накопительные LC-линии задержки ветвей мостовой схемы соответственно подключены к фазному и нулевому проводникам, Технический результат - выравнивание напряжения сети по всей длине линии электропередачи при изменяющейся нагрузке подключаемых к ней абонентов.

Заявляемое техническое решение может найти широкое распространение и для индивидуального использования абонентами в условиях сильно варьируемого сетевого напряжения.1з.п.ф-лы, 6ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано преимущественно в сельской местности и в садоводческих товариществах при использовании трансформаторных подстанций (ТП) относительно небольшой мощности (порядка 100…150 кВт) и при значительной протяженности нагруженных воздушных линий электропередачи (ВЛ-0,4 кВ), к концу которых напряжение падает до недопустимых величин - до 170 В и ниже при допустимой величине не хуже 200 В.

Известны способы противодействия снижению напряжения сети в конце достаточно сильно электрически нагруженных линий электропередачи повышением сечения проводников ВЛ-0,4 кВ, что увеличивает стоимость таких линий, и увеличением напряжения с выхода ТП до недопустимо больших величин (например, более 230 В).

Эти недостатки известных приемов выравнивания напряжения вдоль линии электропередачи устранены в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является выравнивание напряжения сети по всей длине линии электропередачи при изменяющейся нагрузке подключаемых к ней абонентов.

Указанная цель достигается в заявляемой системе стабилизации напряжения на протяженной линии электропередачи, содержащей трансформаторную подстанцию и воздушную линию электропередачи с ответвлениями электроэнергии для снабжения абонентов, отличающейся тем, что она включает три независимо работающих устройства вольт-добавки по каждой из фаз трехфазной линии электропередачи, установленные на конце последней, устройство вольт-добавки выполнено в виде мостовой схемы, две параллельно включенные между собой ветви которой состоят из последовательно соединенных накопительной LC-линии задержки и двунаправленного транзисторного коммутатора, в диагонали мостовой схемы установлен симистор, накопительные LC-линии задержки ветвей мостовой схемы соответственно подключены к фазному и нулевому проводникам линии электропередачи, двунаправленные транзисторные коммутаторы представляют собой пару транзисторов одного типа проводимости, например, n-р-n, со встречно параллельно соединенными переходами «коллектор-эмиттер», полная емкость каждой накопительной LC-линии задержки с временем задержки порядка 2 мс выбрана согласованной с наибольшей потребляемой мощностью абонентами линии электропередачи, а управление зарядом конденсаторов накопительных LC-линий задержки в первой и третьей четвертях периодов напряжения сети и их разряда во второй и четвертой четвертях периодов напряжения сети осуществлено от синхронизируемого напряжением данной фазы блока управления транзисторами и симистором, причем изменение времени заряда конденсаторов накопительных LC-линий задержки в процессе стабилизации напряжения сети при изменяющейся нагрузке подключенных к ней абонентов осуществлено действием статической системы авторегулирования (с ненулевой остаточной ошибкой), включающей ждущий мультивибратор заряжающих импульсов с переменной их длительностью в пределах τ_ЗАР=1…5 мс, управляемый полевым транзистором в качестве переменного резистора под действием приложенного к его переходу «затвор-исток» постоянного напряжения, пропорционального действующему в сети напряжению, кроме того, включение симистора во второй и четвертой четвертях периодов напряжения сети, при котором конденсаторы обеих накопительных LC-линий задержки включаются последовательно к фазному и нулевому проводникам сети, образует разрядный ток обратно в сеть, компенсируя тем самым энергетические потери в линии электропередачи.

При этом блок управления транзисторами и симистором включает синхронизируемые сетевым напряжением по данной фазе генератор импульсов включения в первой и третьей четвертях периодов сетевого напряжения соответствующих пар транзисторов в ветвях мостовой схемы с регулируемой длительностью, снабженный для его управления выпрямителем сетевого переменного напряжения, снимаемого с вторичной обмотки трансформатора, последовательно включенным опорным стабилитроном, фильтром нижних частот и регулируемым делителем постоянного управляющего напряжения, а также генератор запускающих импульсов включения симистора во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения.

Достижение указанной цели изобретения объясняется периодическими зарядами и перезарядами параллельно включаемых накопительных LC-линий задержки от пониженного к концу линии электропередачи сетевого напряжения в его первой и третьей четвертях периодов и к разряду и переразряду этих последовательно включаемых накопительных LC-линий задержки обратно в сеть во второй и четвертой четвертях периодов, при котором повышается средне-действующее напряжение сети по всей длине линии электропередачи, но при некотором искажении симметрии формы этого напряжения (отличающейся от гармонической) при выполнении условия согласования энергетических параметров используемых накопительных LC-линий задержки (емкости конденсаторов) с наибольшей возможной мощностью потребления электроэнергии абонентами данной линии электропередачи. Использование элементов автоматики позволяет стабилизировать напряжение сети при изменяющейся нагрузке, создаваемой абонентами, подключенными к данной линии электропередачи. Принципиально важно то, что подключение заявляемой системы стабилизации осуществлено в конце линии электропередачи, что в достаточной мере эквивалентно установке виртуальной трансформаторной подстанции в конце линии электропередачи, питаемой от реально существующей трансформаторной подстанции, расположенной в начале этой линии.

Заявляемая система стабилизации напряжения сети поясняется прилагаемыми рисунками. На рис.1 дана схема соединений ТП, ВЛ-0,4 кВ с нагружающими ее абонентами и трех параллельно и независимо работающих устройств вольт-добавки УВ-1 (2, 3) при наличии всех трех фаз в линии электропередачи Число устройств УВ определяется числом работающих фаз на конце линии электропередачи (если не все три фазы проложены до конца линии электропередачи).

На рис.1 представлены:

1 - трансформаторная подстанция (ТП), преобразующая трехфазный ток с напряжением 10 кВ в ток с напряжением 220 В по каждой из трех фаз и связанная по четырехпроводной (пятипроводной в случае обеспечения уличного освещения) воздушной линии ВЛ-0,4 кВ с ответвлениями;

2 - абонентская структура вдоль ВЛ-0,4 кВ,

3 - устройство вольт-добавки УВ-1 (2, 3) для каждой из фаз А, В и С линии ВЛ.0,4 кВ.

На рис.2 приведена схема устройства вольт-добавки, например, по фазе А, содержащая следующие элементы и блоки:

4 - первую накопительную LC-линию задержки на 2 мс,

5 - первый двунаправленный транзисторный коммутатор,

6 - второй двунаправленный транзисторный коммутатор,

7 - вторую накопительную LC-линию задержки на 2 мс,

8 - симистор, включенный в диагонали мостовой схемы,

9 - блок управления транзисторами и симистором.

На рис.3 представлена функциональная схема блока 9 управления транзисторами и симистором, содержащая следующие элементы и модули:

10 - первый регулируемый делитель напряжения сети по фазе А,

11 - первый компаратор с логическими уровнями «0» и «1» на выходе,

12 - первый инвертор,

13 - первую трехвходовую схему совпадения (3И-НЕ),

14 - двухзвенную фазосдвигающую RC-цепочку, регулируемую по сдвигу фазы переменного напряжения сети на 90±5°,

15 - второй регулируемый делитель напряжения сети по фазе А,

16 - второй компаратор с логическими уровнями «0» и «1» на выходе,

17 - второй инвертор,

18 - вторую трехвходовую схему совпадения (3И-НЕ),

19 - первый импульсный усилитель мощности,

20 - первый трансформаторный каскад связи с включаемыми транзисторами мостовой схемы в первой четверти периодов сетевого напряжения,

21 - второй импульсный усилитель мощности,

22 - второй трансформаторный каскад связи с включаемыми транзисторами мостовой схемы в третьей четверти периодов сетевого напряжения,

23 - первый суммирующий формирователь коротких импульсов, привязанных по времени к началам первой и третьей четвертей периодов сетевого напряжения,

24 - формирователь импульсов запуска (включения) симистора 8,

25 - второй суммирующий формирователь коротких импульсов, привязанных по времени к началам второй и четвертой четвертям периодов сетевого напряжения,

26 - формирователь импульсов сдвига Δt_СДВ=0,2 мс,

27 - формирователь коротких импульсов, привязанных по времени к спаду импульсов сдвига,

28 - формирователь импульсов запуска симистора с длительностью τ_ЗАП=1…2 мс,

29 - третий импульсный усилитель мощности,

30 - третий трансформаторный каскад связи с управляющим переходом симистора 8 во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения,

31 - вторичный источник питания (ВИП) с выходными стабилизируемыми напряжениями -6 В, +5 В и +15 В.

Связи блока 9 с элементами мостовой схемы указаны на рис.2 и 3 строчными буквами русского алфавита.

На рис.4 представлены временные диаграммы сигналов в различных точках блока управления транзисторами и симистором, а именно:

4а - на выходе первого компаратора 11 - сигнал А,

4б - на выходе второго компаратора 16 - сигнал В, _

4в - на выходе первой трехвходовой схемы совпадения 13 - сигнал А*В,

4г - на выходе второй трехвходовой схемы совпадения 18 - сигнал А*В,

4д - на выходе первого инвертора 12 - сигнал А,

4е - на выходе второго инвертора 17 - сигнал В,

4ж - на выходе второго суммирующего формирователя 25,

4з - на выходе формирователя 28 запускающих импульсов симистора 8,

4и - эпюра сетевого напряжения u_c(t) при работающей системе стабилизации,

4к - эпюра фазного тока i_Ф(t) (прямого и обратного, ориентировочная).

На эпюре 4 и амплитуда сетевого напряжения в конце линии электропередачи с включенным устройством вольт-добавки к концу первой и третьей четвертей периодов сетевого напряжения достигает величины U_О<1,41_*220=310 В, а во второй и четвертой четвертях периодов дополнительно возрастает на величину ΔU, так что U_О+ΔU=2U*>>1,41_*220=310 В.

На рис.5 дана схема формирования импульса запуска симистора - совокупности модулей 25-28, включающая пару формирователей коротких импульсов длительностью Δt_КИ=10 мкс от фронтов импульсов, поступающих с выходов модулей 16 и 17, логический аналог схемы «2ИЛИ» на элементах «2И-НЕ», генератор импульсов сдвига Δt_СДВ=0,2 мс, дополнительный формирователь коротких импульсов длительностью Δt_КИ=10 мкс и генератор импульсов запуска симистора длительностью τ_ЗАП=1…2 мс. Общий сдвиг фронта этих импульсов запуска симистора от начал второй и четвертой четвертей периодов сетевого напряжения составляет величину 2Δt_КИ+Δ1_СДВ=0,02+0,2 мс≈Δt_СДВ.

На рис.6 приведена схема связанных модулей 23 и 24, содержащая пару формирователей коротких импульсов длительностью Δt_КИ=10 мкс, привязанных по времени к фронтам импульсов, образующихся на выходах первого 11 и второго 16 компараторов логических уровней «0» и «1», суммирующий модуль с инверсией, на выходе которого образуются импульсы, привязанные к началам первой и третьей четвертей периодов сетевого напряжения, ждущий мультивибратор с регулируемой длительностью заряжающих импульсов τ_ЗАР=1…5 мс с время-задающей RC-цепью, резистор которой выполнен на основе использования полевого транзистора с его управлением постоянным напряжением, пропорциональным сетевому средне-действующему за полный период напряжению сети, при получении этого управляющего постоянного напряжения путем двухполупериодного выпрямления переменного напряжения с понижающей обмотки трансформатора, подключенного к сети, вычитания фиксированного напряжения, фильтрации выпрямленного напряжения в двухзвенном фильтре нижних частот и подстройки управляющего напряжения резистивным делителем с учетом выбранного значения емкости конденсатора время-задающей RC-цепи ждущего мультивибратора. В качестве ждущего мультивибратора может быть использована интегральная микросхема типа КР1006ВИ1, а в качестве автоматически регулируемого напряжением резистора время-задающей RC-цепи ждущего мультивибратора может быть использован полевой транзистор КП350А с напряжением управления «затвор-исток» в диапазоне u_УПР=0,8…1,5 В при изменении действующего значения напряжения сети для первой и третьей четвертей периодов напряжения сети в диапазоне 170…220 В или, что то же, при изменении средне-действующего напряжения сети в результате производимой его стабилизации в пределах 218…222 В.

Рассмотрим действие заявляемой системы стабилизации напряжения сети на примере работы устройства вольт-добавки, схема которого показана на рис.2, по одной какой - либо фазе ВЛ-0,4 кВ, например, по фазе А. Схемы УВ-2 и УВ-3, подключенные соответственно к фазам В и С сети конструктивно аналогичны схеме УВ-1.

Будем полагать, что в течение первой четверти периода сетевого напряжения ток втекает по фазе А и вытекает по нулевому проводнику, а в третьей четверти периода, наоборот, втекает по нулевому проводнику и вытекает по фазному. Заряд конденсаторов накопительных LC-линий задержки 4 и 7, параллельно включенных к сети, происходит в первой четверти периода благодаря открытым переходам «коллектор-эмиттер» верхних по схеме транзисторов n-р-n - типа в составе двунаправленных транзисторных коммутаторов 5 и 6. При времени задержки в многозвенных накопительных LC-линиях задержки порядка 2 мс к концу первой четверти периода напряжение на всех конденсаторах указанных линий 4 и 7 достигает некоторой величины U*≤U_O в зависимости от длительности открытого состояния указанных транзисторов в двух ветвях мостовой схемы, где U_O - амплитудное значение сетевого напряжения для рассматриваемой первой четверти периода.

Например, при действующем значении напряжении сети для указанного временного диапазона в 170 В (с учетом нагруженности линии электропередачи) U_О=1,41_*170≈240 В. Это напряжение U*=U_О при условии, что коммутирующие заряд транзисторы остаются открытыми в течение всей четверти периода, когда длительность импульсов, открывающих соответствующие транзисторы, равна τ_ЗАР=5 мс. При минимальной длительности этих импульсов (порядка 1 мс) конденсаторы не успевают зарядиться до напряжения U_О.

В начале второй четверти периода с некоторой задержкой Δt_сдв=0,2 мс, необходимой для обеспечения надежного закрытия всех транзисторов мостовой схемы, в частности, указанных выше транзисторов, открытых в первой четверти периода, открывается симистор 8, которым обе накопительные LC-линии задержки 4 и 7 включаются последовательно, и к фазному и нулевому проводникам сети прикладывается удвоенное напряжение заряженных конденсаторов 2U*, в результате которого разрядный ток с этих конденсаторов действует в обратном направлении, повышая амплитуду напряжения в сети в этот интервал времени (около 4 мс) на величину ΔU дополнительно к амплитуде U_О, как это показано на рис.4и. Разряд конденсаторов заканчивается, и симистор 8 автоматически закрывается при соответствующем протекающем через него минимальном токе в соответствии с физикой работы симисторов (как и тиристоров). Причем симистор 8 закрывается несколько раньше конца второй четверти периода на время Δt_ЗАКР, как это показано на рис.4и, то есть до открытия соответствующих пар транзисторов мостовой схемы.

В начале третьей четверти периода происходит перезаряд конденсаторов накопительных LC-линий задержки 4 и 7 от действующего в сети пониженного напряжения с амплитудой - U_О при открытых нижних по схеме транзисторах двунаправленных транзисторных коммутаторов 5 и 6. При этом напряжение на этих конденсаторах достигает величины - U*, как и в случае их заряда в первой четверти периода, но с обратным знаком.

В начале четвертой четверти периода с некоторой задержкой Δt_СДВ=0,2 мс снова открывается симистор 8, и удвоенное напряжение - 2U* прикладывается к проводникам сети, как это видно из рис.4и. После завершения разряда этих конденсаторов в сеть симистор 8 автоматически закрывается.

Во всех других периодах указанные процессы заряда-перезаряда и разряда-переразряда накопительных LC-линий задержки 4 и 7 повторяется.

Наличие амплитудной вольт-добавки ΔU, действующей во второй и четвертой четвертях периодов, компенсирует недостаточную для пользователей электроэнергии амплитуду U_О. действующую в первой и третьей четвертях периодов. При этом искаженная от гармонической форма напряжения имеет средне-действующее значение U_CP большее, чем U_O/1,41, но меньшее, чем (U_O+ΔU)/1,41, то есть приближенное к значению 220 В. Неравенство U_O/1,41<U_CP<(U_O+ΔU)/1,41 отражает сущность действия заявляемого технического решения. Точное значение величины U_CP находится достаточно сложно путем усреднения по времени полупериода Т/2 мгновенного значения u_C(t) в интеграле вида:

причем u_C(t) имеет достаточно сложную структуру в ее аналитическом представлении как функции времени. Пиковое значение этого напряжения составляет 2U*=480…490 В.

Наличие квазиплоской вершины в эпюре рис.4и для напряжения разряда конденсаторов накопительных LC-линий задержки (во второй и четвертой четвертях периодов) обусловлено физикой действия многозвенных накопительных LC-линий задержки, затягивающих процесс разряда и поддерживающих выходное напряжение практически неизменным в течение всего времени задержки (в данном случае в течение 4 мс, поскольку обе линии при их разряде включены последовательно). При использовании только конденсаторов, вместо LC-линий задержки, с той же энергетикой заряженных конденсаторов, их разряд был бы экспоненциальным и с очень большим начальным током разряда, могущим быть опасным для целостности используемого симистора. Кроме того, при этом возник бы повышенный уровень помех. Эти обстоятельства оправдывают применение именно многозвенных накопительных LC-линий задержки, вместо одних только конденсаторов в мостовых схемах построения вольт-добавки.

Значение протекающего фазного тока при работе УВ-1 показано ориентировочной эпюрой на рис.4к. Видно, в частности, что во второй и четвертой четвертях периода направление тока фазы изменяется на противоположное по сравнению с токами для обычных активных нагрузок абонентов, что и указывает на подпитку линии электропередачи действием устройства вольт-добавки УВ-1.

Отметим, что искажение формы напряжения и тока в сети при работе заявляемого устройства не оказывает практически какого-либо негативного действия на бытовые приборы абонентов - телевизоры, холодильники, приборы освещения и электроотопления. Более сложная техника абонентов, например, компьютеры, также защищены от действия возникающих низкочастотных помех, поскольку в составе этих приборов имеются соответствующие фильтры.

Рассмотрим теперь работу блока управления транзисторами и симистором, функциональная схема которого дана на рис.3 и поясняется временными диаграммами на рис.4.

В задачу этого блока входит диспетчеризация процессов открытия и закрытия транзисторов и симистора мостовой схемы (рис.2) в нужные моменты времени в течение каждого периода сетевого напряжения длительностью Т=20 мс (при частоте сети 50 Гц). Последнее определяет необходимость синхронизации этого процесса сетевым напряжением по выбранной фазе. Опорными временными точками для работы блока являются начальная фаза переменного напряжения с фазой φ=0 и с фазой φ=π/2. Первая опорная точка с фазой φ=0 используется в блоке непосредственно, а вторая требует сдвига фазы сетевого напряжения для рассматриваемой фазы А на угол φ=90°. Последнее достигается с помощью регулируемой двухзвенной RC-цепочки 14, подключенной к фазному проводнику (б) сети. После соответствующих регулируемых делителей напряжения 10 и 15 переменные напряжения с разностью фаз между ними на π/2 воздействуют на первый 11 и второй 16 компараторы, на выходе которых образуются меандровые последовательности логических уровней «0» и «1» показанных соответственно на рис.4а и 46, обозначаемые как логические сигналы А и В. На выходе первого 12 и второго 17 инверторов возникают логические сигналы А и В, показанные на рис.4д и 4е. Из комбинации этих четырех типов сигналов можно выделить импульсы управления транзисторами и симистором в нужные моменты времени и с требуемой длительностью в каждом периоде.

Так, для получения импульсов открывания соответствующих пар транзисторов в первой и третьей четвертях периода используются логические операции А_*В и А_*В, выполняемые с помощью логических схем «3И-НЕ» 13 и 18, связанных с логическими элементами соответственно 11 и 17, а также 12 и 16. При этом регулировка длительности этих импульсов τ_ЗАР, определяющих длительность заряда конденсаторов накопительных LC-линий задержки 4 и 7, осуществляется по третьим входам логических элементов 13 и 18 от управляемого ждущего мультивибратора в составе модуля 24, запускаемого короткими импульсами, по времени привязанными к началам первой и третьей четвертей периода. Формирование этих импульсов заряда показано соответственно на рис.4в и 4г с указанием для простоты только выполняемых логических операций А_*В и А_*В, то есть без указания на конъюнкцию с сигналом управления длительностью этих импульсов (последнее показано стрелками у спадов этих импульсов). Усиленные по мощности в модулях 19 и 21 и развязанные электрически раздельными парами выходных обмоток трансформаторов 20 и 22 импульсы открывания транзисторов воздействуют на их соответствующие переходы «база-эмиттер», как это видно на рис.2 и рис.3 (связи обозначены строчными буквами русского алфавита).

Формирование импульсов запуска симистора (моментов его открытия) осуществляется модулями 25-28 с последующим усилением полученных импульсов запуска в модуле 29 с трансформаторным выходом 30, вторичная обмотка которого связана с управляющим переходом симистора 8. На рис.5 дана схема формирования импульсов запуска симистора. Поскольку эта схема формирует импульсы, привязанные по времени к началам второй и четвертой четвертей периода с некоторой временной задержкой Δt_СДВ≈0,2 мс для обеспечения надежного закрытия всех транзисторов мостовой схемы к моменту открытия симистора 8, то в состав схемы входят последовательно соединенные второй суммирующий формирователь коротких импульсов 25, привязанных по времени к началам второй и четвертой четвертям периодов сетевого напряжения, из двух формирователей (работающих от выходов элементов 16 и 17) коротких импульсов, привязанных по времени к началам второй и четвертой четвертям периодов сетевого напряжения, с суммирующим устройством, формирователь 26 импульсов сдвига Δt_СДВ=0,2 мс, дополнительный формирователь 27 коротких импульсов, привязанных по времени к спаду импульсов сдвига, и формирователь 28 импульсов запуска симистора с длительностью τ_ЗАП=1…2 мс. Открытый этими импульсами симистор продолжает находиться в проводящем состоянии с весьма малым сопротивлением (десятые и сотые доли Ома в зависимости от типа сильноточного симистора) до тех пор, пока ток через него не достигнет минимального паспортного уровня.

Наконец, следует рассмотреть вопрос регулировки длительности импульсов заряда τ_ЗАР ⁼1…5 мс. Соответствующая схема модулей 23 и 24 представлена на рис.б и включает два суммируемых канала формирования коротких импульсов (порядка 10 мкс), привязанных по времени к началам первой и третьей четвертей периода, которыми запускается ждущий мультивибратор на микросхеме КР1006ВИ1 с время-задаю щей RC-цепью, резистором которой является переход «сток-исток» полевого транзистора КП350А (могут также использоваться и другие полевые транзисторы). Выход ждущего мультивибратора с соответствующими логическими уровнями соединен с третьими входами схем совпадения 13 и 18, что и определяет длительность заряжающих импульсов τ_ЗАР, поступающих электрически раздельно на соответствующие пары транзисторов мостовой схемы. Для изменения величины сопротивления перехода «сток-исток» полевого транзистора на его управляющий переход «затвор-исток» подается постоянное напряжение, величина которого изменяется, например, в диапазоне 0,8…1,5 В, при изменении средне-действующего напряжения в сети U_СР, вследствие изменения действующего напряжения сети в первой и третьей четвертях периода в диапазоне 170…220 В. Управляющее напряжение полевого транзистора образуется выпрямлением напряжения с вторичной обмотки трансформатора, вычитанием из него напряжения фиксированной величины, определяемой работой стабилитрона G, его фильтрацией и соответствующим регулированием с помощью делителя. При этом имеется в виду, что трансформатор работает от сети, средне-действующее напряжение в которой U_СР изменяется в значительно меньшем диапазоне, чем изменение напряжения сети нагруженной линии электропередачи в первой и третьей четвертях периода (от 170 до 220 В), например, только в пределах 218…222 В. Следовательно, коэффициент стабилизации системы автоматического регулирования определяется как К_СТ=(220-170)/(222-218)=12,5. Требуемая стабилизация напряжения сети достигается управлением полевого транзистора напряжением 0,8…1,5 В, то есть с относительным изменением этого напряжения 1,5/0,8=1,875, которое больше отношения 222/218=1,018, поэтому для получения требуемого относительного изменения управляющего напряжения величиной 1,875 при относительном перепаде стабилизируемого напряжения сети, равном 1,018 в схему формирования управляющего напряжения введен стабилитрон G в качестве элемента вычитания напряжения. Так, при напряжении ограничения +45,7 В в составном стабилитроне G и при пиковом напряжении на вторичной обмотке трансформатора в диапазоне 48…49 В данная задача легко выполнима. Конкретные значения управляющих напряжений подбираются регулировкой с помощью потенциометра, указанного на рис.6.

Заявляемая схема является статической системой авторегулирования (CAP) с ненулевой остаточной ошибкой регулирования, именно которая используется для обеспечения самого процесса регулирования с заданным коэффициентом стабилизации. Возможно использование астатических систем авторегулирования без остаточной ошибки, когда можно поддерживать действующее значение напряжения на уровне 220 В. При этом в систему следует вводить опорный источник и схему сравнения действующего напряжения с опорным, а их разность интегрировать с учетом знака разности, создавая управляющее напряжение на затворе полевого транзистора, такое, при котором средне-действующее напряжение сети не будет отклоняться от значения 220 В. Однако, такие схемы более сложны и обладают более низким быстродействием процесса регулирования.

Рассмотрим пример использования заявляемого технического решения.

Пусть средне-статистическая наибольшая потребляемая абонентами мощность составляет Р_МАКС=30 кВт по каждой фазе при использовании ТП на 100 кВт по трем фазам. Тогда энергия, запасаемая в конденсаторах обеих накопительных LC-линий задержки 4 и 7 за половину периода Т/2=10 мс, когда конденсаторы этих линий заряжаются до амплитуды напряжения U_O=240 В (при действующем напряжении в конце линии электропередачи, равном 170 В, в первой и третьей четвертях периодов сетевого напряжения), равна W_Σ=Р_МАКС Т/2=3_*10⁴ _*10^-2=300 Дж, то есть конденсаторы в каждой накопительной LC-линии задержки запасают наибольшую требуемую энергию 150 Дж. При напряжении заряда U_О=240 В такой величине энергии соответствует емкость всех конденсаторов в каждой линии задержки С_Σ=W_Σ/U_О ²=300/240²=0,0052 Ф=5200 мкФ. Будем использовать в линиях задержки конденсаторы типа К75-1 емкостью C₁=200 мкФ на рабочее напряжение 400 В. Тогда в каждой линии задержки число звеньев составляет n=5200/200=26 звеньев. При общей задержке в линии, равной 2 мс задержка каждого звена составляет Δτ₁=2 мс / 26=76,92 мкс. По известной формуле для времени задержки Δτ₁=2π(LC)^1|2 нетрудно найти величину индуктивности L₁(звена, которая равна L₁=(Δτ₁/2π)²/C₁=(76,92/6,28)² _*10^-12/2_*10^-4=75.10^-8 Гн=0,75 мкГн. Такая индуктивность представляет собой однослойную обмотку провода из нескольких витков, что может быть рассчитано по формуле Нагока L=10 D N²/[i/D)+0,44], где все размеры в сантиметрах (1 см индуктивности равен 0,0009 мкГн), N - число витков обмотки, D и i - диаметр и длина намотки катушки индуктивности. Искомая индуктивность отвечает катушке из 5-и витков с соответствующим шагом между ними. Средний ток заряда в каждой линии задержки за период составляет не более 70 А. Тогда диаметр медного проводника для катушек в звеньях LC-линий при плотности тока 10 А/мм² выбирается равным 3 мм.

В качестве транзисторов в мостовой схеме можно использовать кремниевые мощные транзисторы типа ТКД265-100-6-1 с рабочим током до 100 А и допустимым напряжением 600 В (допустимый импульсный ток не менее 150 А). В качестве симистора может быть использован симистор типа ТС-151-160 класса, не ниже восьмого (на 800 В), с рабочим током 160 А.Транзисторы и симистор охлаждаются с помощью радиаторов с площадью их поверхности S, рассчитываемой по формуле S=Р_РАС q, где Р_РАС - мощность рассеивания в транзисторе или симисторе (Вт), q - поверхностная плотность теплоизлучения (обычно принимают q=20 см²/Вт без принудительного охлаждения вентиляторами).

В линиях электропередачи, число действующих фаз в которых изменяется по длине линии, что нередко встречается на практике с целью экономии проводников ВЛ-0,4 кВ, устройства вольт-добавки на соответствующие мощности Р_МАКС можно устанавливать раздельно в конце каждой обрывающейся фазы (В и С) такой линии электропередачи.

Отметим особенность работы заявляемого устройства. Если электросчетчик в ТП применен старого индукционного типа с вращающимся диском, то в случае, если потребляемая абонентами мощность оказывается меньше мощности Р_МАКС на которую рассчитано устройство вольт-добавки, то диск электросчетчика будет вращаться в противоположном направлении, уменьшая показания расходуемой электроэнергии.

Claims

1. Система стабилизации напряжения на протяженной линии электропередачи, содержащая трансформаторную подстанцию и воздушную линию электропередачи с ответвлениями электроэнергии для снабжения абонентов, отличающаяся тем, что включает три независимо работающих устройства вольт-добавки по каждой из фаз трехфазной линии электропередачи, установленные на конце последней, устройство вольт-добавки выполнено в виде мостовой схемы, две параллельно включенные между собой ветви которой состоят из последовательно соединенных накопительной LC-линии задержки и двунаправленного транзисторного коммутатора, в диагонали мостовой схемы установлен симистор, накопительные LC-линии задержки ветвей мостовой схемы соответственно подключены к фазному и нулевому проводникам линии электропередачи, двунаправленные транзисторные коммутаторы представляют собой пару транзисторов одного типа проводимости, например, n-р-n, со встречно параллельно соединенными переходами «коллектор-эмиттер», полная емкость каждой накопительной LC-линии задержки с временем задержки порядка 2 мс выбрана согласованной с наибольшей потребляемой мощностью абонентами линии электропередачи, а управление зарядом конденсаторов накопительных LC-линий задержки в первой и третьей четвертях периодов напряжения сети и их разряда во второй и четвертой четвертях периодов напряжения сети осуществлено от синхронизируемого напряжением данной фазы блока управления транзисторами и симистором, причем изменение времени заряда конденсаторов накопительных LC-линий задержки в процессе стабилизации напряжения сети при изменяющейся нагрузке подключенных к ней абонентов осуществлено действием статической системы авторегулирования (с ненулевой остаточной ошибкой), включающей ждущий мультивибратор заряжающих импульсов с переменной их длительностью в пределах 1…5 мс, управляемый полевым транзистором в качестве переменного резистора под действием приложенного к его переходу «затвор-исток» постоянного напряжения, пропорционального действующему в сети напряжению, кроме того, включение симистора во второй и четвертой четвертях периодов напряжения сети, при котором конденсаторы обеих накопительных LC-линий задержки включаются последовательно к фазному и нулевому проводникам сети, образует разрядный ток обратно в сеть, компенсируя тем самым энергетические потери в линии электропередачи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления транзисторами и симистором включает синхронизируемые сетевым напряжением по данной фазе генератор импульсов включения в первой и третьей четвертях периодов сетевого напряжения соответствующих пар транзисторов в ветвях мостовой схемы с регулируемой длительностью, снабженный для его управления выпрямителем сетевого переменного напряжения, снимаемого с вторичной обмотки трансформатора, последовательно включенным опорным стабилитроном, фильтром нижних частот и регулируемым делителем постоянного управляющего напряжения, а также генератор запускающих импульсов включения симистора во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения.