Как было показано в предыдущем разделе, для создания канала связи по проводам линии электропередачи ее необходимо «обработать», т. е. включить в линию специальные устройства, позволяющие осуществить тракт для передачи в. ч. сигналов и обезопасить обслуживающий персонал от высокого напряжения.
Рис. 1-2. Схема присоединения в. ч. поста к линии электропередачи.
1 — линия электропередачи; 2 — шины подстанции; 3 — линейный выключатель; 4 — в. ч. заградитель; 5 — конденсатор связи; 6 — фильтр присоединения; 7 — в. ч. пост; 8 — заземляющий нож.
Рассмотрим более подробно эти устройства, объединяемые под общим названием «аппаратура обработки».
На электрических подстанциях к проводам линии электропередачи присоединена распределительная и коммутационная аппаратура — разъединители, трансформаторы, выключатели, распределительные шины и т. д., обладающая по отношению к земле достаточно большой емкостью, величина которой составляет от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч пикофарад. Такая емкость для токов высокой частоты представляет собой сравнительно небольшое сопротивление, включенное параллельно в. ч. установке. Это может привести к утечке токов высокой частоты на землю и, следовательно, к появлению дополнительных затуханий в канале, существенно ухудшающих его работу, вплоть до полного прекращения связи. К тому же величина этих затуханий непостоянна, так как зависит от состояния коммутации высоковольтного оборудования подстанции.
Кроме того, сами линии электропередачи имеют довольно большое количество разветвлений, необходимых для нужд распределения энергии, но ненужных (и даже вредных) для целей связи, так как в них ответвляется значительная доля в. ч. энергии.
Ограничить утечку токов высокой частоты до приемлемой величины и сделать ее постоянной во времени можно путем включения в соответствующих местах линии заградителей. Заградитель включается в разрыв линейного провода перед подстанцией или в начале ответвления от линии, разграничивая таким образом пути для токов промышленной и высокой частоты (рис. 1-2). Это существенно уменьшает потери в. ч. энергии, не нарушая при этом соединений в данной электрической сети.
Заградитель представляет собой двухполюсник, выполненный в простейшем случае по схеме одиночного параллельного колебательного контура. Такой двухполюсник обладает очень большим сопротивлением для токов резонансной частоты и крайне незначительным для токов, частоты которых достаточно далеки от резонансной. На этом свойстве колебательного контура и основан способ разделения двух токов, одновременно передающихся по линии электропередачи. Заградитель настраивается в резонанс с частотой канала связи и, обладая для этой частоты большим сопротивлением, препятствует утечке высокочастотных токов через шины подстанции. Для промышленного тока 50 Гц заградитель имеет ничтожное сопротивление, практически не сказывающееся на электропередаче.
В технике в. ч. связи по проводам ВЛ применяются заградители, рассчитанные на запирание одной или двух узких полос частот (одно- и двухчастотные заградители), либо одной широкой полосы частот — от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц (широкополосные заградители). Последняя разновидность в силу ряда эксплуатационных удобств получила в энергосистемах наибольшее распространение, хотя эти заградители имеют значительно меньшую величину сопротивления, чем одно- и двухчастотные.
Запирающие свойства заградителя зависят в первую очередь от величины индуктивности колебательного контура. Чтобы обеспечить высокое сопротивление заградителя в широкой полосе частот, его индуктивность должна иметь величину порядка нескольких миллигенри. Однако выполнить на практике заградители с такой индуктивностью весьма сложно, поскольку заградитель является элементом линии и, как отмечалось выше, должен быть электрически равнопрочным с ней. Следовательно, силовую катушку необходимо наматывать проводом такого же сечения, что и линейный, а конструкция заградителя должна обеспечивать термическую и динамическую устойчивость, не меньшую, чем у другого высоковольтного оборудования. Соблюдение этих требований неизбежно приводит к значительному увеличению размеров и веса заградителя. Поэтому на практике приходится идти на компромисс, ограничиваясь только такими конструкциями заградителей, которые при удовлетворительных в. ч. характеристиках имеют приемлемые размеры, вес и стоимость. В частности, считается возможным для большинства каналов ограничиться величиной активного сопротивления заградителя в полосе запираемых частот порядка 600—800 Ом. Этого можно достичь при индуктивности силовой катушки, не превышающей 1,5—2 мгн.
Силовая катушка является наиболее ответственным узлом заградителя. Она должна выдерживать максимальные токи нагрузки линии электропередачи и динамические усилия, возникающие в аварийных условиях. Повреждение силовой катушки может вызвать тяжелую аварию в энергосистеме. Поэтому при конструировании катушки основное внимание уделяется вопросу ее электрической прочности, в связи с чем в ней не предусматривается каких-либо органов, позволяющих изменять величину индуктивности. Настройка заградителей на нужную частоту осуществляется путем подбора соответствующей емкости, включенной параллельно силовой катушке. Для этой цели служат так называемые элементы настройки, содержащие набор конденсаторов различной емкости, дополнительные катушки индуктивности, сопротивления, контактные перемычки, разрядники и прочие элементы, при помощи которых могут быть выполнены различные схемы настройки заградителя. Возможные варианты настройки и получающиеся при этом характеристики наиболее употребительных заградителей подробно рассмотрены в гл. 2.
Вторая основная задача, возникающая при использовании линий высокого напряжения для целей связи — присоединение аппаратуры связи к проводу линии электропередачи, решается с помощью высоковольтных конденсаторов и фильтров присоединения. Как видно из принципиальной схемы присоединения (рис. 1-2), в. ч. пост 7 подключается к линейному проводу через конденсатор связи 5 и фильтр присоединения 6. Одна из обкладок конденсатора наглухо соединена с проводом, а вторая заземлена через первичную обмотку автотрансформатора фильтра присоединения. Ток высокой частоты, проходящий по цепи «провод — конденсатор связи— обмотка L — земля», индуцирует во вторичной обмотке L1 напряжение, которое через разделительный конденсатор C1 подается на вход аппаратуры связи.
Безопасность обслуживающего персонала обеспечивается заземлением по промышленной частоте одной из обкладок конденсатора связи, так как при нормально принятых параметрах схемы присоединения емкостный ток промышленной частоты, проходящий через конденсатор, составляет десятые доли ампера, а падение напряжения на обмотке фильтра присоединения не превышает 2—3 в. При неисправностях в цепи автотрансформатора фильтра (обрыв, плохой контакт) он может оказаться под полным напряжением линии и поэтому всякие работы с фильтром присоединения должны производиться только при надежном заземлении нижней обкладки конденсатора специально предусмотренным для этой цели заземляющим ножом 8.
Для целей связи выгодно иметь большую емкость конденсатора связи порядка 10 000 пф и более, но такие конденсаторы имели бы чрезвычайно большие размеры и стоимость. Поэтому при выборе максимальной емкости конденсаторов связи приходится идти на такой же компромисс, как и при выборе величины индуктивности заградителей. На практике максимальная емкость составляет величину порядка нескольких тысяч пикофарад. При такой емкости сопротивление конденсатора для переменного тока промышленной частоты равно сотням тысяч Ом, что не приводит к сколько-нибудь заметным потерям электроэнергии и в то же время достаточно невелико для токов высокой частоты.
Конденсатор связи присоединяется непосредственно к проводу линии электропередачи без каких-либо промежуточных устройств и поэтому пробой его приводит к однофазному короткому замыканию. В связи с этим к конденсаторам связи предъявляются весьма высокие требования. Опыт эксплуатации показывает, что они отвечают этим требованиям, а аварии с ними происходят крайне редко и, как правило, вызываются нарушением правил эксплуатации.
Для передачи энергии в. ч. сигнала в линию электропередачи с минимальными потерями входные сопротивления в. ч. поста и линии должны быть согласованы. Эта функция также возложена на устройство присоединения. Со стороны в. ч. поста такое согласование не представляет затруднений, так как всегда можно подобрать параметры контура L1C1 (рис. 1-2) так, чтобы получить нужную величину входного сопротивления фильтра. Сложнее обстоит дело с согласованием со стороны линии электропередачи. Величина входного сопротивления линий разного напряжения колеблется в пределах 300—400 Ом. Расчеты показывают, что при ограниченной емкости конденсатора связи фильтр с входным сопротивлением порядка 400 Ом имеет недопустимо узкую полосу пропускания и непригоден в качестве устройства присоединения [Л. 2, 4]. Поэтому для получения заданной полосы пропускания приходится намеренно повышать расчетное входное сопротивление фильтра со стороны линии электропередачи в 2—4 раза. При этом несколько возрастают потери энергии вследствие отражения ее в точке нарушения однородности тракта, но с этим приходится мириться, тем более, что они невелики.
Дополнительное затухание от потерь на отражение рассчитывается по формулам, приведенным в гл. 7, и для наибольшей разницы между входными сопротивлениями фильтра и линии (Ζф= 4Ζл) составляет величину 0,223 неп.
Таким образом, к аппаратуре обработки линии электропередачи относятся заградитель, конденсатор связи и фильтр присоединения с заземляющим ножом. Первые два элемента являются высоковольтными устройствами, а фильтр — переходным звеном от высоковольтной части тракта связи к слаботочной. Названными элементами исчерпывается перечень дополнительных устройств, которые необходимо включить в линию электропередачи для использования ее в качестве тракта связи. Какие именно устройства и в каком месте линии следует включать в каждом отдельном случае, определяется схемой канала связи, конфигурацией линии электропередачи, ее конструктивным выполнением и другими факторами (см. гл. 5).
