Фильтр для высокочастотной связи по кабелям и линиям электропередачи

Настоящая полезная модель относится к эквивалентной последовательной индуктивности, полученной посредством повышения магнитного поля вокруг проводника 10 линии электропередачи путем окружения последнего магнитным телом 20 или кольцевым сердечником, который имеет ярко выраженное магнитное свойство на частоте линии электропередачи, а также на высоких частотах. Магнитное тело включает в себя область, выполненную из магнитонеактивного твердого материала для предотвращения насыщения магнитонеактивного материала магнитного тела при протекании номинального тока через линию электропередачи. Кроме того, блок 31, 32 настройки, расположенный параллельно эквивалентной последовательной индуктивности, предназначен для того, чтобы регулировать характеристики фильтра и, в частности, компенсировать любые, близкие к оптимальным, магнитные свойства.

Область техники, к которой относится полезная модель

Настоящая полезная модель относится к области связи по линиям электропередачи высокого и среднего напряжения или по распределительным линиям и, в частности, к фильтру для фильтрации связных сигналов, передаваемых по участку линии электропередачи.

Уровень техники

Помимо своего основного назначения - передачи электроэнергии, линии электропередачи высокого или среднего напряжения используются также для передачи высокочастотных (ВЧ) маломощных связных сигналов и сигналов защиты (40 кГц - 500 кГц) между подстанциями энергосистемы. Для электромагнитной изоляции используются секции с ВЧ-сигналом из оставшейся части системы, то есть так называемые высокочастотные (линейные) заградители, для того, чтобы предотвратить распространение связного сигнала в подсоединенные подстанции. Эти высокочастотные заградители соединены последовательно с главной цепью и состоят из основной катушки (катушки индуктивности без магнитного сердечника), добавляющей низкую индуктивность (0,2 мГн - 2 мГн) в главную цепь, плюс так называемый блок настройки (пассивная RLC-цепь, соединенная параллельно с основной катушкой). Основная катушка и блок настройки образуют вместе резонансный контур, имеющий высокий импеданс на ВЧ (>600 Ом, например, при L=1 мГн на частоте 100 кГц) и очень низкий импеданс на частоте 50 Гц.

Однако такие высокочастотные заградители имеют несколько существенных недостатков, а) Проводник основной катушки должен быть очень массивным (должен иметь большое поперечное сечение), так как он должен проводить номинальный ток. b) Конструкция основной катушки должна быть механически очень стабильной, так как она должна выдерживать динамические усилия, вырабатываемые током короткого замыкания (со значительной составляющей по постоянному току), с) Исходя из (а) и (b), существующие конструкции высокочастотных заградителей являются относительно большими. Для обеспечения требуемого уровня индуктивности используется катушка с определенным числом витков алюминиевого провода. Для того чтобы основная катушка (изоляционные прокладки, эпоксидная смола и металлический каркас) выдерживала механические усилия, вызванные током короткого замыкания, она должна быть механически прочной.

В документе US 6642806 предлагается заменить традиционные LC-фильтры для подавления высокой частоты в энергосистемах из-за того, что установка этих фильтров требует сращивания силового провода и отключения частей энергосистемы. Вместо этого предложена "неинтрузивная" установка и использование тороида, имеющего магнитный материал с заданной магнитной проницаемостью и проводимостью, и окружающего среду или высоковольтный проводник. Магнитный материал осуществляет фильтрацию гармоник очень высокой частоты (ОВЧ) и высокой частоты (ВЧ) и высокочастотных помех путем пропускания мощных сигналов, имеющих частотный диапазон в пределах 50-60 Гц, и блокирования сигналов, имеющих частотный диапазон 1 кГц - 1 МГц.

Во избежание магнитного насыщения ферритового тела при протекании номинального тока с частотой 50-60 Гц и соответствующего уменьшения магнитной проницаемости и импеданса на высоких частотах, тороид фильтра окружает трехфазные провода трехфазной электроэнергетической системы. В этой конфигурации, большие диэлектрические зазоры между тремя фазами потребуют чрезвычайно большого тороида. Альтернативно, каждый фазовый провод можно окружить своим собственным тороидом.

В документе US 7005943 описан составной фильтр с двумя различными резонансными контурами, образованными из катушек и конденсаторов для блокирования двух полос частот в диапазоне 20 МГц в связном сигнале, передаваемом по линии электропередачи. Высокочастотные магнитные сердечники с полупроводниковым покрытием и состоящие из двух половин сердечника действуют как индуктивные элементы связи для связи линии электропередачи с вторичными обмотками, которые в свою очередь соединены с конденсаторами. В некоторых случаях, половины сердечника разделены воздушными зазорами.

Раскрытие полезной модели

Таким образом, задача настоящей полезной модели заключается в том, чтобы обеспечить большую гибкость конструкции фильтра для фильтрации связных сигналов, передаваемых по линии электропередачи. Эта задача решена с помощью фильтра и его применения, согласно независимым пунктам формулы полезной модели. Предпочтительные варианты осуществления очевидны из зависимых пунктов формулы полезной модели, где зависимость пунктов не следует истолковывать как исключающую дополнительные существенные комбинации формулы полезной модели.

Согласно настоящей полезной модели, локальное увеличение эквивалентной последовательной индуктивности получается при повышении магнитного поля вокруг проводника линии электропередачи за счет окружения последнего магнитным телом или кольцевым сердечником, который имеет ярко выраженные магнитные свойства на частоте напряжения в линии электропередачи, а также на высоких частотах. Магнитное тело выполнено преимущественно из магнитоактивного материала и содержит область, выполненную из магнитонеактивного твердого материала для предотвращения протекания номинального тока через линию электропередачи в результате насыщения магнитоактивного материала. Такая область продолжается в пределах всего поперечного сечения тела параллельно окружающему проводнику и, таким образом, обеспечивает зазор в магнитоактивном материале. Соответственно, взаимная компенсация номинальных токов, как в многофазных системах переменного тока, не является требованием для предотвращения насыщения, и выбор немагнитоактивного твердого материала обеспечивает большую гибкость при расчете механических свойств и несущей конструкции тела.

В предпочтительном варианте, магнитонеактивный твердый материал представляет собой механический твердый материал, такой как гранит или любой другой минерал, выдерживающий давление, который увеличивает стойкость магнитного тела к усилиям, которые возникают в линии электропередачи из-за очень высоких токов короткого замыкания.

В дополнительном предпочтительном варианте магнитное тело содержит два или более сегментов магнитоактивного материала, которые разделены областями или зазорами магнитонеактивного материала. Распределение этих зазоров по периферии тела подходящим образом имеет преимущество при установке и монтаже фильтра.

В преимущественных вариантах осуществления блок настройки, параллельный эквивалентной последовательной индуктивности, предусмотрен для того, чтобы настраивать или регулировать свойства фильтра и, в частности, компенсировать любые, близкие к оптимальным, магнитные свойства. В результате, вместо феррита для магнитного тела можно использовать сталь в виде традиционного трансформатора на стальном пластинчатом магнитопроводе. В этом контексте прямое или гальваническое соединение блока настройки с линией электропередачи обеспечивает передачу сигналов линии электропередачи в блок настройки нефильтрованным образом.

Более конкретно, фильтр для фильтрации или блокировки связных сигналов с частотой выше частоты сети/линии или переданных по участку высоковольтной линии электропередачи переменного тока или постоянного тока содержит как магнитное тело, так и блок настройки. Магнитное тело имеет форму тороида или кольца или форму полого цилиндра и выполнено, по меньшей мере, частично из магнитоактивного материала и окружает проводник линии электропередач, таким образом, чтобы он проявлял или производил эквивалентную последовательную индуктивность в линии электропередачи. Блок настройки, по меньшей мере, эквивалентен пассивной RC-цепи, электрически соединенной параллельно с эквивалентной последовательной индуктивностью, которую имеет магнитное тело. Фильтр обеспечивает индуктивную связь с окруженными многофазными или однофазными проводниками линии и обеспечивает высокий импеданс для любого некомпенсированного или неэкранированного связного сигнала, передаваемого по ним.

Краткое описание чертежей

Далее полезная модель будет описана подробнее со ссылкой на предпочтительные примерные варианты осуществления, иллюстрированные прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 показан первый фильтр, согласно настоящей полезной модели;

на фиг.2 - фильтр с полым круглым цилиндром, имеющим зазор; и

на фиг.3 - поперечное сечение полого круглого цилиндра, разбитого на три сегмента.

Ссылочные позиции, которые используются на чертежах и их назначения, перечислены в краткой форме в перечне ссылочных позиций. В принципе, идентичные части обозначены одинаковыми ссылочными позициями на фигурах.

Осуществление полезной модели

На фиг.1 показан фильтр, согласно настоящей полезной модели, содержащий высокочастотный заградитель, основанный на локально увеличенной индуктивности, соединенной последовательно с линией электропередачи или токопроводящим проводником 10, и выполненный с помощью магнитного тела в виде массивного тороида или магнитного кольцевого сердечника 20, расположенного вокруг линии электропередачи, а также блок настройки. Блок настройки содержит сопротивление 31 и емкость 32, электрически соединенные параллельно с линейной последовательной индуктивностью тороида. Тороид содержит сердцевину, выполненную из подходящего магнитного материала, при этом поперечное сечение может иметь любую форму, в частности, круглую или прямоугольную. В изображенной конфигурации блок настройки непосредственно подсоединен к линии электропередачи, где такое чисто гальваническое соединение между линией электропередачи и блоком настройки не обеспечивает фильтрации или не искажает любой сигнал линии электропередачи или отклик на него при использовании блока настройки.

С другой стороны, блок настройки может быть индуктивно связан с линией электропередачи посредством вторичной обмотки, выполненной вокруг тороида, которая предположительно работает хорошо, по меньшей мере, для самых высоких частот сигнала линии электропередачи. В этом случае, блок настройки гальванически отделен от линии электропередачи посредством магнитного тела, действующего как сердечник трансформатора, и вторичная обмотка, в которой номинальный линейный ток наводит напряжение, которое, в свою очередь, побуждает протекать ток через элементы блока настройки.

На фиг.2 показан фильтр с магнитным телом в форме полого круглого цилиндра 20, имеющего зазор 21 шириной . Аналогичным образом показаны внутренний и внешний радиусы R₁ и R₂ полукруглого цилиндра и его длина или высота L. Цилиндр по существу окружает проводник 10, по которому протекает ток I. Зазор 21 ограничивает объем магнитного тела, который занимает магнитонеактивный твердый материал. Тем не менее, на фиг.2 и в целях следующей численной оценки, зазор 21 изображен в виде воздушного зазора.

Для коммерчески используемого ферритового материала, магнитное насыщение начинается при магнитной индукции или плотностях потока, равных приблизительно 0,4 Т. при комнатной температуре. Следовательно, для того, чтобы предотвратить магнитное насыщение, ферритовый цилиндр, показанный на фиг.2, имеет разрыв или щель за счет выполнения воздушного зазора. Для количественной оценки влияния воздушного зазора на уровень насыщения ферритового цилиндра применяется закон Ампера на круговом контуре внутри цилиндра и пересекающем воздушный зазор. Предполагая, что отношение µ_ferrite/µ₀ будет очень большим, например, превышающим значение 4000, упрощенное выражение для магнитного поля в воздушном зазоре имеет вид

H_airI/

Кроме того, предполагается, что (а) воздушный зазор гораздо меньше, чем окружность ферритового цилиндра (в этом случае, поле в зазоре является однородным), (b) феррит не насыщается (<0,4 Т), и (с) если феррит не слишком горячий (<100°С). Магнитное поле и магнитная энергия затем ограничивается воздушным зазором, и индуктивность цилиндра равна

µ₀L(R₂-R₁)/,

тогда как магнитное поле имеет вид

B_{феррита}µ₀I/S

Численный пример при I=400 А, R₁=0,1 м, R₂=0,5 м, B_{феррита} =0,4 Т, L=0,5 м дает соответствующее решение при воздушном зазоре , равном 1,26 мм, и индуктивности, равной 0,2 мГн.

На фиг.3 изображено поперечное сечение ферритового цилиндра, разбитого на три сегмента 20а, 20b, 20с или части посредством трех продольных воздушных зазоров 21а, 21b, 21с. Поскольку эта конструкция должна механически выдерживать очень высокие токи короткого замыкания и усилия, она должна быть механически устойчивой. Для этой цели, а также для поддержания постоянной ширины воздушного зазора, вставки, выполненные из гранита или другого дешевого и механически твердого материала, размещают в различных областях, ограниченных воздушными зазорами между ферритовыми сегментами, или заполняют ими эти области. Ферритовый цилиндр с двумя или более сегментами имеет преимущество, принимая во внимание изготовление, транспортировку и обслуживание и, в частности, подходит для приложений, связанных с модернизацией вокруг существующих проводников.

В случае необходимости (в случае химически агрессивных окружающих сред), всю конструкцию можно герметизировать с помощью стекловолоконной армированной эпоксидной смолы. Если полученное значение индуктивности выше достаточного, или если размер конструкции необходимо уменьшить, сам проводник, по которому протекает ток, можно выполнить в виде обмотки с несколькими витками и, таким образом, пересечь ферритовый цилиндр несколько раз. Более высокие значения индуктивности также получаются путем последовательного соединения подобных устройств.

Перечень ссылочных позиций

10 - линия электропередачи

20 - магнитное тело

21 - зазор

31 - сопротивление

32 - емкость

1. Фильтр для фильтрации связных сигналов, передаваемых по участку линии (10) электропередачи высокого и среднего напряжения, содержащий магнитное тело (20), выполненное с возможностью окружения линии электропередачи для проявления эквивалентной последовательной индуктивности в линии электропередачи, отличающийся тем, что магнитное тело выполнено частично из магнитоактивного материала и содержит область из немагнитного материала для предотвращения насыщения магнитоактивного материала магнитного тела при протекании номинального тока через линию электропередачи.

2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что область немагнитного материала содержит механически твердый материал, такой как гранит.

3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что магнитоактивный материал содержит два различных сегмента, разделенных немагнитным материалом.

4. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок (31, 32) настройки, эквивалентный RC-цепи, электрически соединенной параллельно эквивалентной последовательной индуктивности.

5. Фильтр по п.4, отличающийся тем, что магнитоактивный материал магнитного тела содержит сталь.

6. Фильтр по п.4, отличающийся тем, что блок настройки выполнен с возможностью непосредственного подсоединения к линии электропередачи.

7. Фильтр по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что магнитное тело выполнено с возможностью окружения двух и более фазовых проводников с конфигурацией общего режима (СМ) передачи переменного тока.

8. Фильтр по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что участок линии (10) электропередачи высокого или среднего напряжения образует один или несколько контуров для увеличения магнитного поля в местоположении магнитного тела (20) фильтра.