Конденсатор связи.
Составной частью каждого ВЧ тракта по ВЛ являются элементы присоединения и обработки. Рассмотрим их назначение и электрические характеристики подробнее.
Рис. 3-12. Схема присоединения ВЧ аппаратуры к ВЛ.
1 — аппаратура уплотнения; 2 — конденсатор связи; 3 — фильтр присоединения; 4 — ВЧ заградитель; 5 — ВЧ кабель; 6 — заземляющий нож.
Для присоединения ВЧ аппаратуры к ВЛ необходим конденсатор связи, который соединяется с линейным проводом наглухо. Поэтому конденсатор связи должен обладать высокой надежностью, обеспечивающей безопасность эксплуатационного персонала, защит}^ ВЧ аппаратуры и безаварийную работу ВЛ.
Из схемы на рис. 3-12 видно, что одна обкладка конденсатора (верхняя) соединяется с проводом ВЛ, а другая (нижняя) — с ВЧ аппаратурой через фильтр присоединения и соединительный кабель. В электрических сетях с глухозаземленной нейтралью через конденсатор связи и фильтр присоединения потечет емкостный ток промышленной частоты 50 Гц, действующее значение которого равно:
(3-36)
Емкостный ток, проходящий через конденсатор связи емкостью 6400 пФ при напряжении ВЛ 110 кВ, равен 128 мА, а потребляемая им реактивная мощность 8,15 кВ-А.
Конденсатор связи при сравнительно небольшой емкости на частотах, используемых для ВЧ связи по ВЛ, имеет значительное реактивное сопротивление, и если это сопротивление не компенсировать, оно может внести большое затухание в ВЧ тракт:
(3-37)
где Zвх.д — входное сопротивление ВЛ при схеме фаза — земля; Ск.с — емкость конденсатора связи.
Конденсаторы обладают собственной индуктивностью, поэтому эффективная емкость присоединения оказывается несколько выше номинальной и зависимой от частоты со:
(3-38)
где Ск.с — номинальная емкость конденсатора; Lк.с — последовательная индуктивность.
Из-за наличия собственной индуктивности у конденсаторов связи имеется собственная резонансная частота, которая обычно выше частот каналов связи по ВЛ.
Фильтр присоединения.
Следующим после конденсатора связи элементом в схеме присоединения ВЧ аппаратуры к ВЛ является фильтр присоединения (рис. 3-12). Фильтр присоединения выполняет следующие основные функции:
служит связующим звеном между ВЧ аппаратурой уплотнения и конденсатором связи; разделительным элементом между установкой слабого тока и линией высокого напряжения, обеспечивая тем самым безопасность персонала и защиту аппаратуры от высокого напряжения; компенсирует реактивнее сопротивление конденсатора связи в заданной полосе частот.
Рассмотрим параметры фильтра присоединения по схеме на рис. 3-13,а. Из схемы видно, что фильтр присоединения вместе с конденсатором связи представляет собой полосовой фильтр, Примем, что фильтр нагружен с одной стороны на характеристическое сопротивление линии Zл=450 Ом, а с другой — на волновое сопротивление кабеля
где k — коэффициент связи между катушками L1 и L2.
Со схемой на рис. 3-13 промышленностью выпускается универсальный фильтр присоединения типа ФПУ. Фильтр имеет восемь модификаций по числу номиналов емкостей конденсаторов связи и рассчитан для работы в диапазоне частот 40—800 кГц с конденсаторами связи емкостью 2140 и 2200 пФ и в диапазоне 36—800 кГц с конденсаторами связи емкостью 3000, 3200, 4650, 6400, 7000 и 17500 пФ. Рабочее затухание фильтра в полосе пропускания, измеренное между нагрузками, равными характеристическим сопротивлениям ВЛ и ВЧ кабеля, для большинства модификаций не более 1,3 дБ.
Рис. 3-15. Схема ВЧ заградителя с полосной настройкой.
Высокочастотный соединительный кабель в ВЧ тракте по ВЛ (см. рис. 3-12) является связующим звеном между фильтром присоединения и ВЧ аппаратурой. Длина ВЧ кабеля обычно не превышает несколько сотен метров, поскольку он прокладывается по территории распределительной подстанции. Для этой цели применяется специальный ВЧ одножильный бронированный кабель с кордельной изоляцией марки ФКБ 1X1,3 и радиочастотный коаксиальный кабель марки РК-75. Высокочастотные характеристики кабелей ФКБ 1X1,3 и РК-75, как и обычных кабелей связи, характеризуются теми же параметрами: волновым сопротивлением, километрическим затуханием и скоростью распространения электромагнитных волн.
Высокочастотный заградитель
Высокочастотный (линейный) заградитель — устройство, предназначенное для последовательного включения в провод ВЛ с целью ограничения до приемлемой утечки сигнала, передаваемого по ВЧ тракту, в нежелательных направлениях — в сторону подстанции и ответвления. Вместе с тем заградитель должен обладать очень малым сопротивлением для тока промышленной частоты для того, чтобы его включение не сказывалось на передаче электроэнергии. Высокочастотные заградители предназначены для эксплуатации на открытом воздухе. Поэтому они должны удовлетворительно работать при воздействии на них солнечных лучей, дождя, снега, пылевых бурь, отложения солей и т. п.
Высокочастотный заградитель состоит из силовой катушки (реактора) 1, элемента настройки ЭН и устройства защиты УЗ. На рис. 3-15 показана схема заградителя, настроенного на запирание полосы частот.
Таблица 3-6
Классификация высокочастотных заградителей по электрическим характеристикам, рекомендуемая МЭК
Примечание. Номинальные индуктивности силовой катушки, мГ: 0,2: 0,25; 0,4; 0,5; 1,0; 2,0.
Силовая катушка выполняется в виде однофазной катушки индуктивности сухого типа без сердечника или со стальным сердечником с естественным воздушным охлаждением. Расчет силовой катушки заградителя выполняется в соответствии с заданными значениями номинального длительного рабочего тока линии и номинального кратковременного тока короткого замыкания (ударного и установившегося). Электрические и механические характеристики заградителя должны соответствовать номинальным во всем диапазоне заданных климатических условий.
В табл. 3-6 приведена рекомендуемая Международной электротехнической комиссией (МЭК) классификация ВЧ заградителей по значениям перечисленных выше электрических характеристик.
Выбор ВЧ заградителя для врезки в ВЛ производится так, чтобы его электрические характеристики были согласованы и, во всяком случае, были не хуже электрических характеристик ВЛ и силового оборудования распределительных подстанций. В табл. 3-7 приведены коэффициенты кратности токов термической kт и электродинамической kд стойкости номинальному длительному току основного оборудования подстанций и ВЧ заградителей.
В практике проектирования выбор заградителей производится с соблюдением следующих условий:
где tф — фиктивное время — наибольшее возможное время от начала к. з. до его отключения.
Уровень изоляции между выводами заградителя определяется защитным уровнем устройства защиты. Изоляция силовой катушки и элемента настройки должна быть рассчитана на напряжение, создаваемое на силовой катушке как при номинальном кратковременном токе, так и при напряжении, создаваемом ударным током короткого замыкания с крутизной фронта 200 кВ/мкс.
Таблица 3-7
Электрические характеристики оборудования высокого напряжения подстанций
Поэтому разрядник УЗ (см. рис. 3-15) должен иметь напряжение гашения больше, чем сопровождающее напряжение, создаваемое на силовой катушке установившимся током к. з., подсчитываемое с 10%- ным запасом на разброс значения индуктивности L1
Механическая прочность силовой катушки рассчитывается не только по условиям электродинамической стойкости. Предел прочности определяют также, исходя из усилий, которые должна выдерживать катушка при ветровых нагрузках, будучи подвешена в вертикальном положении. Рекомендации МЭК предусматривают, что система подвеса заградителя должна быть рассчитана по крайней мере на нагрузку в 2 раза больше собственной массы заградителя плюс 200 кг.
Высокочастотные характеристики заградителя зависят от индуктивности силовой катушки, т. е. полоса заграждения тем больше, чем больше индуктивность. Однако предельные значения индуктивности определяются целесообразными размерами и массой заградителя и удовлетворительными электрическими характеристиками. Повысить индуктивность силовой катушки можно, не прибегая к увеличению ее размеров, путем размещения внутри катушки сердечника, набранного из пластин трансформаторной стали, обычно прямоугольной формы, и длиной, равной длине катушки. В этом случае индуктивность силовой катушки с сердечником увеличивается в 3,5—5,5 раза [45]. Если применяется сердечник стержневой формы и определенных заданных размеров, то его магнитная проницаемость мало изменяется при изменении протекающего рабочего тока. При увеличении тока более номинального значения наступает насыщение сердечника, что приводит к снижению индуктивности заградителя и к уменьшению реактивного сопротивления силовой катушки этому току. Наступающее при этом ограничение напряжения на заградителе [см. формулу (3-44)] улучшает условия защиты элемента настройки.
Рис. 3-17’. Частотная зависимость заграждающего сопротивления заградителя.
а — узкополосного; б — полосного; f1,f2 — граничные частоты настройки; ∆f — полоса заграждения; Rэд — заданное сопротивление заградителя.
Элемент настройки высокочастотного заградителя служит для получения относительно высокого сопротивления заградителя на одной или более частотах или полосах частот. Его схема состоит из конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов и включается параллельно силовой катушке (см. рис. 3-15).
Заграждающие свойства заградителя, обеспечиваемые элементом настройки, предопределяют параметры ВЧ тракта по ВЛ (см. §3-3). Как видно из рис. 3-12, за ВЧ заградителем ВЛ заканчивается на шинах распределительной подстанции, к которым подключено силовое оборудование (разъединители, выключатели, трансформаторы и т. д.). Вследствие этого шины подстанции с последовательно включенным заградителем образуют для ВЧ тракта шунт, сопротивление которого в общем случае состоит из активной и реактивной составляющих. Потери мощности ВЧ сигнала, происходящие из-за наличия такого шунта, зависят от векторной суммы двух реактивных составляющих (заградителя и входного сопротивления подстанции). В неблагоприятном случае эти реактивные составляющие могут взаимно скомпенсироваться и, следовательно, сопротивление шунта уменьшится до недопустимо малого значения. По этой причине заграждающие свойства заградителя оцениваются по его активной составляющей полного сопротивления.
Заграждающее полное сопротивление есть комплексное сопротивление полной схемы заградителя в определенном диапазоне частот.
Рис. 3-18. Схемы узкополосных и полосных настроек заградителей.
а — одночастотная резонансная; б — одночастотная притупленная; в — полузвено фильтра верхних частот; г — двухчастотная резонансная; д — двухчастотная притупленная; е, ж — двухконтурная и трехконтурная полосная; з — одночастотная притупленная со стальным сердечником.
По заграждающей способности заградители разделяются на узкополосные и полосные. В зависимости от применяемого способа получения заграждающего сопротивления различаются схемы настройки ВЧ заградителей. Б узкополосных заградителях применяются одночастотная, двухчастотная (резонансная и притупленная) схемы настройки. В полосных заградителях применяются настройки по схемам полосовых фильтров или фильтров верхних частот. Критерием для всех применяемых схем настройки является полоса частот ∆f, в границах которой номинальное заграждающее сопротивление Rэд не выходит за пределы определенной величины (рис. 3-17). Номинальным заграждающим сопротивлением заградителя принято называть активную составляющую его полного сопротивления, а полосу частот, в которой Rэд не меньше расчетного значения, — полосой заграждения.
На рис. 3-18 приведены схемы резонансных и полосных настроек заградителей. Одночастотные и двухчастотные резонансные схемы (рис. 3-18,а, г) из-за узкой полосы заграждения применяются редко.
Рис. 3-19. Характеристики для выбора резистора в притупленной двухчастотной схеме настройки.
Введение резистора R в схему резонансного контура (рис. 3-18,б, д) расширяет полосы заграждения, чем притупляется резонансная настройка заградителя. Схемы включения резистора последовательно с конденсатором (рис. 3-18,б) и последовательно с индуктивностью L2 (рис. 3-18,б) получили более широкое применение.
На рис. 3-19 приведены зависимости сопротивления резистора R, применяемого в притупленных двухчастотных схемах настройки, от заданной граничной частоты для заградителей с индуктивностью силовой катушки L1=0,25 мГ при Rзд=600 Ом и отношениях f2/f1, равных 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0 (соответственно кривые 1—5) [46]. Дальнейшим развитием полосных схем заградителей являются схемы на рис. 3-18,е, ж, представляющие собой полузвено полосового фильтра постоянной К. Условие непрерывного резонанса в таком фильтре достигается в пределах определенной полосы частот, и если его нагрузить на сопротивление, равное характеристическому R, то входное сопротивление фильтра в полосе пропускания также будет равно характеристическому. Входное сопротивление этой схемы со стороны индуктивности L1 является заграждающим сопротивлением заградителя, приблизительно равным в определенной полосе частот R.
На практике часто приходится выбирать индуктивность L1 заградителя в зависимости от заданных нижней и верхней граничных частот полосы заграждения f1 и f2 пользуясь в качестве критерия значением его заграждающего сопротивления Rзд. С этой целью сравним три наиболее часто применяемые схемы: одноконтурного фильтра верхних частот, двухконтурного и трехконтурного полосового фильтров (см. рис. 3-18,в, е, ж). В [27] приведен расчет элементов схем настройки заградителей и их высокочастотных параметров. Там же показано, что индуктивность силовой катушки может быть выражена:
для одноконтурной схемы
(3-44)
На рис. 3-20 показаны рассчитанные по (3-44) — (3-46) зависимости L1 от нижней граничной частоты f1 полосы заграждения при заданных заграждающем сопротивлении Rзд=800 Ом и верхней граничной частоте f2=400 кГц. Сравнение показывает, что с увеличением числа контуров в схеме необходимая индуктивность силовой катушки уменьшается, однако рассматриваемые схемы не могут обеспечить достаточно широкой полосы заграждения с рекомендуемым значением в диапазоне частот ниже 100 кГц с реально применяемыми индуктивностями силовых катушек.
По рекомендации МЭК затухание, вносимое заградителем, не должно превышать 2,6 дБ (0,3 Нп), а заграждающее сопротивление в заданной полосе частот должно быть не менее 570 Ом при входном сопротивлении линии 400 Ом.
Заградители со стальным сердечником настраиваются по одноконтурной схеме (рис. 3-18,з).
Элементы защиты устройства присоединения.
В состав устройства присоединения входят элементы защиты, которые обеспечивают защиту фильтра присоединения, ВЧ кабеля и ВЧ аппаратуры от волн перенапряжения коммутационного и атмосферного характера, проникающих через конденсатор связи.
Защитное устройство состоит из заземляющей катушки для отвода в землю тока промышленной частоты, проходящего через конденсатор связи, и разрядника. В фильтре присоединения по схеме на рис. 3-13 в качестве заземляющей катушки используется первичная обмотка ВЧ трансформатора L1. Поскольку индуктивность L1 сравнительно мала, нижняя обкладка конденсатора связи имеет практически нулевой потенциал. Например, у фильтра присоединения типа ФПУ при емкости конденсатора связи Ск.с=6400 пФ индуктивность L1=2,3 мГ. Сопротивление катушки индуктивности переменному току 50 Гц в этом случае составит 0,72 Ом, а падение напряжения на ней будет равно 0,092 В на ВЛ 110 кВ.
Разрядник размещается либо внутри корпуса фильтра присоединения, либо снаружи рядом с фильтром присоединения. Пробивное напряжение разрядника выбирается в пределах 1,5—2,5 кВ.
Перечисленные выше функции защитного устройства соответствуют требованиям Правил техники безопасности в тех случаях, когда устройство присоединения, ВЧ кабель и ВЧ аппаратура расположены в пределах общего заземляющего контура электроустановок (электростанций и подстанций). Если ВЧ аппаратуру необходимо установить за пределами заземляющего контура подстанции, то требуются дополнительные меры защиты ВЧ кабеля, аппаратуры и персонала [38]. Причины, вызывающие дополнительные меры защиты, заключаются в следующем (рис. 3-21). Б БЧ тракте по ВЛ трансформатор фильтра присоединения ФП соединен с заземляющим контуром электроустановки ЗК, а выходной трансформатор аппаратуры уплотнения АУ, расположенной вне заземляющего контура, соединен с местным заземлением 3. В электросетях с глухозаземленной нейтралью (как правило, это сети 110 кВ и выше) при к. з. линии на землю между заземлениями ЗК и З может возникнуть опасное напряжение.
Рис. 3-21. Схема, поясняющая вынос потенциала по ВЧ кабелю.
Объясняется это тем, что ток, проходящий от места к. з. к заземленной нейтрали силового трансформатора СТ, создает в земле падение напряжения. По мере удаления от заземляющего контура 3 потенциал земли быстро убывает, в результате чего между заземлениями 3 и ЗК может возникнуть значительная разность потенциалов. Потенциал заземления 3 через заземленную обмотку выходного трансформатора аппаратуры уплотнения по жиле ВЧ кабеля БК выносится на противоположный конец кабеля у фильтра присоединения. Образовавшуюся разность потенциалов по концам кабеля между жилой и оболочкой кабеля можно определить по [38].
