Технические науки/5. Энергетика

Валиева Д.З. – магистрант, Сулейманова Л.Р. – магистрант,

Рудаков А.И. – д.т.н., профессор

Казанский Государственный Энергетический Университет, Россия.

Современное состояние и перспективы использования систем однопроводной передачи электрической энергии

Большая протяженность, разветвленность, малые мощности и объемы потребляемой электроэнергии, необходимость значительных капитальных и эксплуатационных затрат являются серьезными факторами, определяющими необходимость поиска удешевления систем централизованного электроснабжения, снижением металлоемкости и других материалов на их сооружение и эксплуатацию

Из общего курса электротехники известно, что питание к нагрузке электрической цепи подаётся посредством двух проводников, ток в которых течёт в разных направлениях. Проводники образуют замкнутую электрическую цепь, что обеспечивает электрический ток через нагрузку. Этот принцип положен в работу современных систем питания различных устройств.

Вместе с этим, существует возможность передачи электроэнергии с помощью одного проводника, диэлектрика или вообще без проводника.

В обычной электрической цепи чтобы существовал ток, необходимо выполнение двух условий: цепь должна быть замкнута и должна присутствовать ЭДС.

Система однопроводной передачи электроэнергии основана на другом принципе, суть которого заключена в том, что ток, текущий по проводнику, не несёт в себе электрическую энергию.

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к развитию технологий однопроводной системы передачи электрической энергии, как наиболее перспективной. Это вытекает из важнейшей задачи энергоснабжения потребителей удаленных от генерирующих станций и электрических систем, задачи создание экономичных, эффективных и надежных линий электропередач.

Наряду с традиционными, существующими способами передачи электрической энергии постоянного и переменного тока, которым присущи определенные недостатки, в настоящее время разрабатываются новые способы передачи электрической энергии, одним из которых является отмеченная выше передача электрической энергии по однопроводниковой кабельной линии тока повышенной частоты - резонансный метод.

Резонансный метод, как наиболее разработанный и широко применяемый, способ передачи электроэнергии повышенной частоты по однопроводниковой кабельной линии мог реализоваться лишь в наше время.

Технические возможности для широкой реализации «тесловских» идей долгое время были ограничены и это задержало их использование на многие годы. В настоящее время многое изменилось. Разработаны основы теории однопроводной передачи электроэнергии, многие теоретические аспекты проверены экспериментально [1,2].

На сегодняшний день наиболее широко используются:

- способ однопроводной передачи энергии путем электромагнитного излучения;

- способ однопроводной передачи энергии, использующие резонансные методы.

Рассмотрим первый - электромагнитное излучение в системе однопроводной передачи электроэнергии.

В данном случае ведущую роль в системе однопроводной передачи электроэнергии играет электромагнитное излучение. Оно возникает вокруг различных проводников или катушек с переменным током. Причём, чем выше частота смены направления тока, тем мощность излучения будет больше, что следует из формулы:

(1)
где W - мощность электромагнитного излучения;

ν - частота колебаний;

r - расстояние от источника электромагнитного излучения.

Для однопроводной системы необходима высокая частота, поэтому используется генератор высокочастотного электромагнитного поля, задача которого - преобразовать энергию электрического тока в электромагнитное излучение.

Электромагнитное излучение, несущее в себе энергию, распространяется на некоторое расстояние вокруг активного элемента генератора. Затем надо преобразовать электромагнитное излучение в электрическую энергию, Тут используется известный постулат об образовании переменного тока в проводнике, внесённом в электромагнитное поле.

Представим себе проводник, находящийся в пространстве. Очевидно, его индуктивность, равно как и ёмкость, достаточно малы. Исходя из формулы Томсона

(2)

можно показать, что резонансная частота такого проводника высока. Если у проводника есть резонансная частота, то существует возможность возбудить в нём колебания, войдя с ним в резонанс. Для этого непосредственно подключается к генератор, частота которого кратна частоте проводника.

На рисунок 2 представлена структурная схема системы однопроводной передачи электроэнергии.

Рисунок 2 - Структурная схема системы однопроводной передачи электричества

Второй способ однопроводной передачи энергии, использующий резонансный метод, базируется на идее Н. Тесла, которая доработана с учетом современного развития науки и техники.

Одна из разработок основана на использовании двух резонансных контуров с частотой 0,5-50 кГц и однопроводной линии между контурами с напряжением линии 1-100 кВ при работе в режиме резонанса напряжений [3,4].

Провод линии является направляющим каналом, движения электромагнитной энергии.

При таком способе передачи электрической энергии, омические потери в проводах крайне незначительны, что в конечном итоге позволяет обеспечить снижение себестоимости электроэнергии.

На рисунке 3 показана электрическая схема резонансная схема (РС) с двумя высокочастотными (ВЧ) трансформаторами.

Наряду с электрической схемой РС с двумя высокочастотными (ВЧ) трансформаторами, широко применяются схемы однопроводной передачи электрической энергии с диодно-конденсаторным блоком, схемы однопроводной передачи электрической энергии с использованием импульсного преобразователя постоянного тока и др.

Из названных выше представим схему передачи электрической энергии с диодно-конденсаторным блоком, показанную, на рисунке 4.

1 – генератор повышенной частоты; 2 – резонансный контур повышающего трансформатора; 3 – однопроводниковая линия; 4 – резонансный контур понижающего трансформатора; 5 – выпрямитель; 6 – инвертор.

Рисунок 3 - Электрическая схема резонансной системы (РС) с двумя высокочастотными (ВЧ) трансформаторами

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. Доказано 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 [5].

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.

Рисунок 4 - Схема передачи электрической энергии с диодно-конденсаторным блоком.

При достаточно полном представлении предложенных схем однопроводных сетей налицо недостаток теоретических разработок. Причина отсутствия результатов теоретического описания происходящих процессов понятна: традиционные методы расчета не позволяют рассматривать незамкнутые токи.

 Именно по этой причине расчетная модель, приведенная на рисунке 4 дополнена двумя емкостями C₁ и C₂, моделирующими токи смещения между корпусом генератора G и нагрузкой C и R. В экспериментальной установке конденсаторы C₁ и C₂ отсутствуют. Известные экспериментальные результаты [2] пока не позволяют достаточно достоверно выяснить, какой из двух механизмов, отмеченных выше, однопроводной передачи энергии имеет место.

В работе отмечается, что источником переменного напряжения является генератор G.

, (3)

а I₁ = I₁{φ - φ₁} и I₂ = I₂{φ - φ₂} - токи, текущие через диоды D₁ и D₂.

Путем определенных подстановок и преобразований, приведенных в тесте приведенного материала автор получил систему дифференциальных уравнений.

(4)

 (5)

Полученные уравнения составляют основу численного расчета токов и напряжений с начальными условиями: φ₁(0) = 0; φ₂(0) = 0.

Заключение

1. Однопроводная система передачи электроэнергии реализуема и её применение в электроэнергетике существенно снижает затраты на строительство как линий электропередач, так и на их эксплуатацию.

2 На основании приведенного теоретического материала, обоснована структура системы однопроводной линии электропередач с учетом требований к надежности электроснабжения в различных режимах работы.

Литература:

1. Авраменко С.В. Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления // Патент 2108649 C1 RU. Бюлл. изобр. 1998. № 10 - c. 319.

2. Герасимов, С.А. Однопроводная передача электрической энергии: расчет и эксперимент, /С.А. Герасимов// Ж. Современные наукоемкие технологии. - 2011. - № 4 - с. 28-31.

3. Стребков, Д.С. Резонансные методы передачи электрической энергии.

Под ред. Д.С. Стребкова. Изд. 2-ое. - М.: ВИЭСХ, 2006. - 304 с.

4. Стребков, Д.С. Исследование резонансной системы передачи электрической энергии. /Д.С. Стребков, О.А. Рощин, Л.Ю. Юферев// Ж. Информационные ресурсы России. - 2011. - №3,.

5. Тесла, Н. Статьи. /Н. Тесла// Самара: Издательский дом «Агни», 2008. - 584 с.