«Информационные Ресурсы России» №3, 2011

Исследование резонансной системы передачи электрической энергии

Д. Стребков, О. Рощин, Л. Юферев

Важнейшей задачей электроснабжения потребителей, удалённых от генерирующих станций и электрических систем, является создание экономичных, высокоэффективных, надёжных линий электропередач.

Концепция развития электрических сетей до 2020 года предусматривает применение на воздушных линиях напряжением 0,4 кВ самонесущих изолированных проводов (СИП) с одинаковым сечением по магистрали не ниже 70 мм2 (по алюминию) [1]. Для увеличения потребляемой мощности необходимо демонтировать старые и на их месте спроектировать и смонтировать более мощные электрические сети. Проектирование новых, демонтаж и строительство линий электропередач требует инвестиций в размере более 1 млн руб. за 1 км.

Наряду с существующими, традиционными способами передачи электрической энергии на постоянном и переменном токе предлагается резонансный метод передачи электрической энергии по однопроводниковой кабельной линии на повышенной частоте. В конце 19 века Н. Тесла разработал и предложил передавать электроэнергию по одному проводу в резонансном режиме, однако в его время еще не было электронных преобразующих устройств, таких как: диоды, тиристоры, транзисторы, микросхемы, поэтому этот способ передачи электроэнергии не нашел применения вплоть до наших дней.

С 1992 г. в ГНУ ВИЭСХ ведутся разработки по резонансной системе передачи электрической энергии по однопроводниковой кабельной или воздушной линиям на повышенной частоте. Разработанные схемы представлены рис. 1-4 [2, 3].

Не указано

Рис. 1. Электрическая схема РС с двумя высокочастотными (ВЧ) трансформаторами: 1 – генератор повышенной частоты; 2 – резонансный контур повышающего трансформатора; 3 – однопроводниковая линия; 4 – резонансный контур понижающего трансформатора; 5 – выпрямитель; 6 – инвертор.
Не указано

Рис. 2. Схема передачи электрической энергии с диодно-конденсаторным блоком: 1 – генератор повышенной частоты; 2 – резонансный контур повышающего трансформатора; 3 – однопроводниковая линия; 4 – преобразовательный мост; 5 – естественная ёмкость; 6 – конденсатор выпрямителя; 7 – ключ; 8 – нагрузка.
Не указано

 

Рис. 3. Схема передачи электрической энергии с использованием импульсного преобразователя постоянного тока: 1 – генератор повышенной частоты; 2 – резонансный контур повышающего трансформатора; 3 – однопроводниковая линия; 4 – преобразовательный мост; 8 – нагрузка; 9 – конденсатор выпрямителя; 11 – естественная ёмкость; 13 – высокочастотный диоды; 14 – разрядник; 15 – дополнительное сопротивление; 16 – разрядный диод; 17 – дроссель; 18 – конденсатор.

Конкуренция между системами передачи электрической энергии на постоянном и переменном токе продолжается до настоящего времени, однако всё это происходит в рамках классических двух-трёхпроводных замкнутых линий электропередач. Мы показали экспериментально, что однопроводниковая линия с высокочастотным резонансным трансформатором Тесла в начале линии может передавать электрическую энергию на любой, в том числе и на нулевой частоте, т.е. на выпрямленном токе. Однопроводниковые резонансные системы открывают возможности для создания сверхдальних кабельных линий электропередач и, в перспективе, замены существующих воздушных линий на кабельные однопроводниковые линии. Тем самым будет решена одна из важнейших проблем электрификации – повышение надежности электроснабжения.

Не указано

Не указано
Рис. 4. Электрическая схема (а) и распределение токов и напряжений (б) в четвертьволновой однопроводниковой резонансной линии, разомкнутой со стороны нагрузки (или с нагрузкой в виде ёмкости): Г – генератор; С0 – ёмкость резонансного контура; D1 и D2 – диодный блок; С – ёмкость нагрузки; S – электронный ключ; R0 – сопротивление нагрузки

На рис. 4 показана электрическая схема и распределение токов и напряжений в однопроводниковой резонансной линии, разомкнутой со стороны нагрузки или с нагрузкой в виде ёмкости.
Разомкнутая линия длиной , n = 0, 1, 2, 3… имеет у зажимов генератора пучность тока и узел напряжения, а при длине пучность напряжения и узел тока. В обоих случаях линия эквивалентна резонансному колебательному контуру.

На рис. 5 представлено распределение волн тока и напряжения в однопроводникой линии, замкнутой на землю с обоих концов. Классический инженер-электрик, посмотрев на электрическую схему на рис. 1, 4 и 5, скажет, что это замкнутая двухпроводная линия электропередачи с использованием земли в качестве второго провода и активного тока проводимости в замкнутой цепи. Правильное объяснение даст радиоинженер: это обычная волноводная линия со сдвигом фаз между током и напряжением 90°, установленная на заземленных металлических опорах, присоединенных к линии в точках с узлами напряжения. Заземление линии в точках с узлами напряжения не изменяет параметры волноводной линии и не сказывается на величине передаваемой мощности.
Не указано

 Рис. 5. Распределение токов и напряжений в однопроводниковой линии, замкнутой с двух сторон на землю: а – электрическая схема (Г – высокочастотный генератор; Rн – сопротивление нагрузки; С0 – ёмкость резонансного контура); б – распределение стоячих волн тока и напряжения вдоль однопроводниковой линии; в – распределение токов и напряжений в полуволновой однопроводниковой линии.

Не указано

Рис. 6. Стоячие волны. Распределение волн: а – напряжения; б – тока в однопроводниковой линии в различные моменты времени

Стоячие волны в разомкнутой однопроводниковой линии (рис. 6) получаются в результате сложения падающей и отраженной волн, имеющих одинаковую амплитуду. Фаза напряжения и тока во всех сечениях линии одинакова, а между током и напряжением существует сдвиг по фазе на 90° во времени и в пространстве. Поэтому, когда во всей линии напряжение максимально, ток равен нулю и наоборот. Пространственный сдвиг выражается в том, что в сечениях линии с пучностями напряжения наблюдаются узлы тока, а при узлах напряжения наблюдаются пучности тока. Фаза во всех сечениях линии одинакова. Это значит, что во всей линии напряжение равно нулю или достигает максимума в один и тот же момент времени, но эти максимумы для разных сечений различны, поскольку амплитуда колебаний вдоль линии изменяется. То же самое происходит с волнами тока. Средняя мощность, отдаваемая генератором в разомкнутую однопроводниковую линию без потерь или в линию, замкнутую на реактивное сопротивление, равна нулю.

Если линия работает в режиме стоячих волн, то ее входное сопротивление имеет реактивный характер. Если в линии имеются потери, то некоторая бегущая волна от генератора компенсирует эти потери. При наличии бегущих и стоячих волн в линии ее входное сопротивление содержит активную и реактивную составляющие.

Стационарные или стоячие волны на рис. 6 являются для инженера-электрика явлением, не имеющим реального физического содержания, поскольку длина линий электропередач обычно не превышает 1000 км, а длина волны тока и напряжения при 50 Гц составляет 6000 км. Полуволновая линия (рис. 5) длиной 1000 км может быть получена при частоте 150 Гц, и даже в двух-трёх проводном классическом исполнении такая линия будет передавать значительно большую мощность, чем при частоте 50 Гц. Однако классические линии электропередач проявляют резонансные свойства только в аварийном режиме (например, при обрыве линии у потребителя).

Преимущества резонансной однопроводниковой системы передачи электрической энергии:
- возможность создания сверхдальних кабельных линий электропередач;
- возможность передавать электроэнергию на такие объекты, на которые нецелесообразно по техническим и экономическим причинам передавать существующими способами на постоянном или переменном токе;
- объекты, куда необходимо скрытно подать электроэнергию: тундра, где опоры ЛЭП либо тонут, либо всплывают; прииски в тайге, старательные артели, хутора, куда воздушные линии прокладывать нерентабельно; болотистые места, горы, где освоение полезных ископаемых затруднено в связи с отсутствием электричества и т.д.
- классические линии электропередач проявляют резонансные свойства в аварийном режиме, (например, при обрыве линии у потребителя), что приводит к перенапряжению и разрушению изоляторов, а при обрыве резонансной однопроводниковой линии резко меняется частота и линия отключается;
- в связи с малой собственной ёмкостью линии передача электрической энергии осуществляется по однопроводниковому высоковольтному кабелю без использования линейных реакторов;
- экономия электроэнергии при передаче;
- резонансная система позволяет представлять потребителю высококачественную электроэнергию и разделять частоты генератора и потребителя, благодаря вставке постоянного тока на входе и в конце линии;
- автоматика резонансной системы выполняет функции защиты от перенапряжения, короткого замыкания, провалов или скачков тока и напряжения при резких изменениях нагрузки;
- существенное снижение массогабаритных размеров электрооборудования благодаря использованию повышенной частоты;
- экономия проводниковых материалов, снижение стоимости монтажа;
- уменьшение расходов на техническое обслуживание, отсутствие коротких замыканий в однопроводниковой линии, безопасность при обрыве линии;
- более высокая надёжность в условиях террористических актов и стихийных бедствий (гололёд, снегопад, наводнение, сильный ветер, удары молнии);
- кабельная резонансная линия пожаробезопасна, ей не нужна автоматика защиты от замыкания и перенапряжения между жилами;
- при прокладке кабельной линии в земле не нужно отводить земли под ЛЭП и изменять ландшафт местности;
- экологическая безопасность, не нарушает природу и среду обитания;
- резонансная система передачи электроэнергии – это конечный продукт, за который потребитель сразу начнет платить по счетчику;
- резонансная система идеально подходит для питания светодиодов или ламп на светодиодах;
- возможность передачи электроэнергии по однопроводниковой линии на воздушные шары, в колодцы для питания погружных насосов;
- возможность электропитания по тонкому однопроводниковому кабелю электробуров бурильных установок.
- возможна передача электроэнергии по однопроводниковой линии на электропланер для осуществления его взлета;
- возможность использования продукции на экспорт.

Выводы
1. Разработан резонансный метод передачи электрической энергии на частоте 1…100 кГц с использованием преобразователя частоты, резонансного контура, повышающего высокочастотного трансформатора и волноводной однопроводниковой линии напряжением 1-110 кВ.
2. Разработаны электрические схемы двух типов резонансных систем: с двумя высокочастотными трансформаторами и с высокочастотным трансформатором на входе резонансных систем и диодно-конденсаторным блоком на конце линии у потребителя. Преимущества первого типа резонансной системы заключаются в возможности использования высокого напряжения в линии и низкого напряжения на нагрузке. Преимущества второго типа резонансной системы заключаются в простоте настройки и эксплуатации в связи с отсутствием резонансного контура на выходе резонансной системы, однако для второго типа резонансной системы требуется высоковольтный инвертор.
3. С использованием разработанной методики расчёта резонансной системы электроснабжения определены параметры передающего и приёмного резонансных контуров с высокочастотными трансформаторами и однопроводниковой линии. Разработан метод настройки двух контурной резонансной системы электроснабжения с учётом взаимной индукции обмоток высокочастотных трансформаторов. Измерения параметров изготовленных контуров подтвердили соответствие с расчётными данными. Показано, что расчётные потери на излучение при частоте 1 кГц не превышают 8,6% передаваемой мощности при длине линии до 9000 км.
4. Разработаны и изготовлены резонансные высокочастотные трансформаторы электрической мощностью 25 кВт, напряжением 10 кВ, с резонансной частотой 1…25 кГц, которые характеризуются почти в 2 раза меньшими затратами материалов по сравнению с трёхфазными трансформаторами 50 Гц той же мощности.
5. Результаты исследований показали, что разработанные комплекты оборудования позволяют передавать электрическую мощность 20,5 кВт при напряжении на линии 10 кВ и частоте 3,4 кГц. Экспериментально подтверждено свойство однопроводниковой линии передавать электрическую энергию без существенных джоулевых потерь на сопротивлении линии. Предельная электрическая плотность тока и предельная удельная электрическая мощность на 1 мм2 площади сечения проводника линии резонансной системы превышают параметры линий переменного и постоянного тока.
6. Экспериментально установлено, что свободные концы высоковольтных обмоток трансформаторов имеют нулевой потенциал по отношению к Земле и их соединение с Землёй не изменяет резонансные характеристики линии и её электрических параметры. Однопроводниковая резонансная система ведёт себя как волновод, в котором заземление участков с узлами волны напряжения не влияет на распределение потенциалов и токов и параметров нагрузки. Добротность резонансной системы при частоте 5 кГц в десятки раз выше, чем при частоте 50 Гц, что в условиях резонанса приводит к значительному увеличению напряжения и передаваемой мощности вдоль проводящего канала.
7. Рассмотрены основные области применения резонансной системы:
- электроснабжение сельскохозяйственных потребителей с помощью воздушных и кабельных однопроводниковых линий, передача электрической энергии на мобильные объекты;
- экспериментально подтверждена возможность передачи электрической энергии от солнечной батареи мощностью 100 Вт в резонансном режиме по однопроводной линии.
8. Расчеты экономической эффективности показывают быструю окупаемость инвестиций и выгодность для всех потенциальных участников, как для создателей данной технологии, для инвесторов и кредиторов, так и для сетевых компаний.

Литература:
1. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года. М.: ВИЭСХ, 2009. – 36 с.
2. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. Изд. 3-е. – М.: ВИЭСХ, 2008. – 350 с.
3. Юферев Л.Ю., Стребков Д.С., Рощин О.А. Экспериментальные модели резонансных систем электрической энергии – М.: ВИЭСХ, 2010. – 208 с.

АРХИВ НОМЕРОВ
2005 1 2 3 4 5 6
2006 1 2 3 4 5 6
2007 1 2 3 4 5 6
2008 1 2 3 4 5 6
2009 1 2 3 4 5 6
2010 1 2 3 4 5 6
2011 1 2 3 4 5 6
2012 1 2 3 4 5 6
2013 1 2 3 4 5 6
Материалы для скачивания

В  формате pdf Издательская версия статьи. В формате pdf | 4.33 MB