Однопроводная передача электроэнергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Скляров Н. Е., Назиров Р. Р.
Энергосберегающая резонансная однопроводная ЛЭП
Передача электрической энергии электромагнитными полями и их воздействие на окружающую среду
Передача энергии в однопроводной незамкнутой схеме
Исследования однопроводниковой резонансной системы электроснабжения
Обзор современных исследований по идентификации резонансных режимов, возникающих в элементах электрических сетей промышленных предприятий и коммунально-бытового сектора
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Однопроводная передача электроэнергии»
Скляров Н.Е., Назиров Р.Р. ОДНОПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В настоящее время появление новых потребителей электроэнергии приводит к росту мощности нагрузки, что, в свою очередь, ведет к увеличению вырабатываемой мощности на электростанции. Напряжения и мощности электропередач непрерывно растут. Линии электропередач, по которым передается электрическая энергия не рассчитаны на такую большую мощность, поэтому приходится их заменять на провода большого сечения. Это приводит к следующим проблемам: происходит рост расхода металла — алюминий,
медь, сталь — и высокой стоимости ЛЭП, линии становятся тяжелыми, повышается электрическая напряженность, что сказывается на безопасности людей и животных.
Развитие электроэнергетики приводит к появлению новых сверхпроводных материалов. Это несколько решает настоящие проблемы передачи электричества, но они все равно остаются.
Одним из основных решений этих проблем является однопроводная передача электрической энергии. Считалось, что ЛЭП не могут быть однопроводными, так как для работы любого электрического прибора необходимо наличие положительных и отрицательных электрических зарядов и как минимум двух проводов, по которым эти заряды передаются от генератора к потребителю электроэнергии.
Идея однопроводной передачи электроэнергии стала интересовать многих исследователей особенно после того, как в московском научно-исследовательском электротехническом институте С.В. Авраменко была продемонстрирована возможность передачи переменного тока по одному проводу [ 1,2 ].
Основу устройства для однопроводной передачи энергии составляла «вилка Авраменко», которая представляет собой два последовательно включенных полупроводниковых диода (Рис.1). Если вилку присоединить к проводу, находящемуся под переменным напряжением, то через некоторое время в разряднике наблюдается серия искр. Временной интервал от подключения до разряда зависит от величины емкости, величины напряжения, частоты пульсации и размера зазора разрядника. Включение в линию передачи резистора номиналом 2-5 МОм не вызывает существенных изменений в работе схемы [1]. Эффективность устройства зависит от материала обмоток генератора, поэтому необходимо проверить целесообразность изготовления обмоток из проводов медных, никелевых, железных, свинцовых ИТ. д.
Рисунок 1. Однопроводная передача энергии по схеме С.В. Авраменко [1]
На выходе трансформатора Авраменко получается обычный переменный ток, который попал туда из обычной же электросети, только с полной асимметрией выходного напряжения: один конец вторичной обмотки остается под нулевым потенциалом, а вся синусоида подаваемого тока находится на другом ее конце. А в трансформаторе Авраменко подсоединяем к «нагруженному» электроду всего один провод и гоним электричество по нему.
С помощью «вилки Авраменко» удавалось накачивать энергией некую емкость, из которой потом получать эту энергию и перемещать ее по незамкнутой цепи, то есть по одному проводу. Причем течет она не внутри этого провода, а как бы вдоль него. По словам самого Авраменко, «поле перемещается вдоль провода как по волноводу». Из теории электричества известно, что токи смещения закону Джоуля — Ленца не подчиняются. Стало быть, сечение этого провода значения не имеет, он может быть тоньше волоса, его задача — лишь указывать направление. Кроме того, провод не нагревается, и потерь энергии почти нет.
В системе Авраменко ток проводимости из сети выпрямляется, преобразуется в реактивный ток нужной частоты, который передается по одному проводнику на любое расстояние, а там вновь преобразуется в обычный ток проводимости, заставляющий гореть лампы, крутиться моторы, работать лазеры и нагревать электроприборы.
Разработан и второй вариант однопроводной электроэнергии.
В этой схеме не используется «вилка Авраменко». Вместо «вилки Авраменко» используется обычная мостовая схема. Эта мостовая схема оказалась значительно эффективней, чем «вилка Авраменко». Кроме этого, были внесены и другие изменения в схему Авраменко. Данная схема приведена на Рис.2. В состав передающего узла входят генератор и трансформатор. Схема приемного узла показана на Рис.2 справа от трансформатора. На схеме, изображенной на Рис.2, цифрами обозначены: 1 — генератор, 2 — расширитель спектра, 3 — «антенна».
Рисунок 2 .Однопроводная передача энергии по новой схеме
Ключевыми моментами в повышении эффективности второй схемы, по сравнению со схемой Авраменко, является использование стандартной мостовой схемы, а не ее половины, а также наличие расширителя
спектра. Наличие в схеме расширителя спектра приводит к тому, что нагрузка не препятствует полному заряду конденсатора. Включение в линию передачи резистора или использование в качестве линии передачи проводника с большим удельным сопротивлением существенно не влияет на степень накала спирали лампы. В нашей схеме однопроводной передачи энергии имеется два самостоятельных контура, спектры частот в которых различные. В первом контуре узкополосный спектр частот, во втором — широкополосный. В первом контуре цепь замыкается на свободный конец вторичной обмотки трансформатора через антенну 3. Второй контур образован конденсатором, расширителем спектра и лампой накаливания.
Известно, что газоразрядные лампы светятся в сильном электрическом поле. В поле от «вилки Авраменко» они загораются без пусковых устройств и светятся максимально ярко. Практическую значимость этого трудно переоценить, ибо цена пускового устройства современной лампы дневного света (люминесцентной) составляет не менее 80% от всей ее стоимости. Но самое удивительное — «сгоревшие» лампы светятся, как новые.
Изучение свойств поля передающей линии в схеме Авраменко обнаружило необычайно высокую интенсивность даже на расстоянии 200 м от линии передачи энергии по одному проводу.
Однопроводная ЛЭП обладает рядом преимуществ. Содержание меди и алюминия в проводах может быть снижено в 10 раз, и провода не имеет смысла воровать. Реактивное электричество очень трудно украсть и использовать неспециалисту. Потери энергии в ЛЭП очень малы, и электроэнергию можно передавать на большое расстояние. При передаче ее обычным способом 10-15% энергии теряется на нагрев проводов (джоулево тепло). Для однопроводной же передачи можно брать настолько тонкий провод, насколько это позволяют соображения прочности, скажем, 2-4 мм в диаметре. Если в современных цепях плотность передаваемого тока не превышает 6-7 А/мм2, то по однопроводной она достигает 428 А/мм2 при мощности в 10 кВт. Причем провод не нагревается, а джоулевы потери уменьшаются почти в сто раз. Во столько же раз, соответственно, уменьшается расход меди на провода. Мало того, провода могут быть сделаны из обычной стали: ведь их электропроводимость значения не имеет, их задача — указывать направление
тока. Что это значит? А это значит — происходит колоссальная экономия на опорах и проводах линий электропередач, а также контактных линий электротранспорта. Их можно сделать значительно менее громоздкими и материалоемкими. В однопроводной линии не может быть коротких замыканий, следовательно, однопроводный кабель не станет источником пожара в доме. Кроме того, стоимость однопроводной ЛЭП ниже, чем трехфазной. В стандартных ЛЭП и существующих электроприборах используют активный ток, поэтому для согласования старого и нового метода передачи электроэнергии в начале и в конце однопроводной ЛЭП устанавливают преобразователи активного тока в реактивный. Однако сейчас ученые ВИЭСХ работают над созданием генераторов реактивного тока и домашних электрических приборов, которые непосредственно используют реактивный ток из однопроводной линии. На данный момент ученые экспериментально подтвердили работу популярных полупроводниковых светодиодных светильников напрямую от однопроводной линии, без преобразователей. Также предложены электродвигатели, использующие для работы ток смещения в однопроводной ЛЭП.
Доказано, что однопроводное электричество можно передавать не только по медному проводу. Выходящий из трансформатора Авраменко и батареи конденсаторов, где генерируются мощные статические заряды, стальной провод ныряет в лоток с водой, за которым идет графитовая нить, затем в лоток с грунтом (лотки, разумеется, изолированы). В линии специально устроены разрывы, в них возникают дуговые разряды между проводом и водой, землей, графитом. По проводу ползает однопроводная троллея (макет троллейбусной, например), отбирающая энергию для находящихся тут же потребителей. В конце линии подключена лампочка. Ток проходит по всем этим проводникам и зажигает ее.
Это доказывает, что можно постоянно и без больших потерь передавать энергию по любым токопроводящим изолированным веществам. Например — по трубопроводам, оптоволоконным линиям (по волокну передается информация, а ток — по металлической оплетке кабеля) и т.п. А раз так- то можно изобрести массу машин и устройств, использующих это явление.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по однопроводной передаче электроэнергии позволяют предложить интенсивно развивать это направление в следующих областях:
Электроснабжение сельскохозяйственных и сельских населенных пунктов
Однотроллейный и одножильный кабельный гибридный электротранспорт
Принципиально новые одноэлектродные электротехнологические установки и плазматроны: электрокультиваторы, обезза-раживание воды и стоков, производство озона, ветеринарные плазменные коагуляторы и скальпели.
1. Заев Н.Е., Авраменко С.В., Лисин В.Н., «Измерение тока проводимости, возбуждаемого поляризационным током». Журнал русской физической мысли №2, 1991.
Однопроводная технология передачи электроэнергии на большие расстояния
Однопроводная технология передачи электроэнергии на большие расстояния
Описание предлагаемой технологии (метода) повышения энергоэффективности, его новизна и информированность о нем
Одной из наиболее актуальных проблем современной энергетики является обеспечение энергосбережения и снижение экономических затрат при решении задачи передачи электрической энергии на большие расстояния.
На практике для передачи электрической энергии на большие расстояния, как правило, используют трехфазные системы, для реализации которых требуется применение не менее 4 проводов, которой присуще следующие существенные недостатки:
- большие потери электрической энергии в проводах, так называемые джоулевые потери;
- необходимость использования промежуточных трансформаторных подстанций, компенсирующие потери энергии в проводах;
- возникновение аварий вследствие короткого замыкания проводов, в том числе из-за опасных погодных явлений (сильный ветер, наледь на проводах и др.);
- большой расход цветных металлов;
- большие экономические затраты на прокладку трехфазных электрических сетей (несколько миллионов рублей на 1 км).
Отмеченные выше недостатки могут быть устранены за счет применения резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии, основанной на идеях Н.Теслы, доработанной с учетом современного развития науки и техники.
В настоящее время технология резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии получили свое развитие.
Предлагаемая технология основана на использовании двух резонансных контуров с частотой 0,5-50 кГц и однопроводной линии между контурами (рис.1) с напряжением линии 1-100 кВ при работе в режиме резонанса напряжений.
Провод линии является направляющим каналом, вдоль которого движется электромагнитная энергия. Энергия электромагнитного поля распределена вокруг проводника линии.
Рис. 1. Электрическая схема однопроводной системы передачи электроэнергии
1 — генератор повышенной частоты; 2 — резонансный контур повышающего трансформатора; 3 — однопроводная линия; 4 — резонансный контур понижающего трансформатора; 5 — выпрямитель; 6 — преобразователь
Как показывают расчеты и проведенные эксперименты при таком способе передачи электрической энергии, потери в проводах практически отсутствуют (в сотни раз меньше, чем при традиционном способе передачи электрической энергии) и данная технология безопасна для окружающей природной среды и человека.
Рис.2 наглядно иллюстрирует преимущества однопроводной резонансной системы по сравнению с традиционной трехфазной системой передачи электроэнергии. На рис.2 представлены две светодиодные линии освещения. Слева 7 метровая двухпроводная. Справа 30 метровая однопроводная. Как видно из рис.2 при применении 7 метровой двухпроводной линии имеются существенные потери в проводах — последний светодиод светит значительно тусклее, чем первый.
В однопроводной резонансной 30 метровой линии передачи электрической энергии такого эффекта не наблюдается — первый и последний светодиоды светят практически с одинаковой яркостью.
Рис. 2. Преимущества однопроводной резонансной системы по сравнению с традиционной трехфазной системой передачи электроэнергии
Другим важным преимуществом однопроводной резонансной системы передачи электрической энергии является существенная экономия цветных металлов.
На рис. 3 представлены два образца линий электропередач мощностью 50 кВт. Левый образец предназначен для применения в традиционной трехфазной системе передачи электрической энергии. Правый образец для применения в однопроводной резонансной системе передачи электрической энергии. Расход цветного металла (меди) в правом образце в 20 раз меньше, чем в левом образце.
Рис. 3. Образцы проводов линий электропередач (слева для применеия в трехфазной системе предачи электроэнергии, справа — в однопроводной резонансной)
При прокладке кабельных линий электропередач преимущества однопроводной резонансной системы заключаются, прежде всего, в том, что сечение кабеля в 3-5 раз меньше сечений традиционной трехфазной системы передачи электроэнергии, а это в свою очередь позволяет:
- значительно уменьшить радиусы поворота линий, что является весьма важным при прокладке кабелей в городских условиях;
- значительно (до 10 раз) снизить затраты на прокладку кабелей.
Кроме того, в случае реализации однопроводной резонансной системы электропередачи отсутствуетмежфазное короткое замыкание и обеспечивается высокий уровень электробезопасности.
Необходимо отметить, что в настоящее время создана мощная кооперация российских научно-исследовательских и производственных организаций (ВИЭСХ, НПО «СОДИС», Научный центр аэрокосмического мониторинга «Аэрокосмос», Институт аэрокосмических технологий и мониторинга РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, малое инновационное предприятие губкинского университета «Энергосбережение», Московский комитет по науке и технологиям), которая успешно приступила к большой практической работе по внедрению технологии резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии в различные сферы экономики нашей страны.
К настоящему моменту времени удалось реализовать несколько проектов с использованием однопроводной резонансной системы передачи электрической энергии.
К числу реализованных проектов относятся, например, следующие проекты:
1. 200 метровая однопроводная линия уличного освещения на молодежном форуме «Селигер 2007» (рис. 4).
Рис. 4. Резонансная однопроводня линия уличного освещения на молодежном форуме «Селигер 2007»
2. Система электропитания узлов автоматики на ракете-носителе.
Проведенные испытания в Научно-производственном центре автоматики и приборостроения имени академика Н. А. Пилюгина Роскосмоса убедительно показали, что однопроводная резонансная система электропитания узлов автоматики ракеты-носителя уменьшает сечение кабельной линии в несколько раз, позволяя тем самым сократить массу силовых проводов, расположенных на борту ракеты-носителя на 130 кг.
Данное обстоятельство является принципиально важным для ракетно-космической отрасли, т.к. позволяет увеличить полезную нагрузку, т.е. увеличить массу полезного груза, выводимого на космическую орбиту.
В настоящее время в стадии реализации находятся ряд проектов, использующие резонансную однопроводную систему передачи электрической энергии: система светодиодного уличного освещения (гос.заказчик — Департамент науки и промышленной политики города Москвы) и система электропитания станций катодной защиты трубопроводов(заказчик — ОАО «Газпром») и др.
Рассматриваемая технология представляет большой экономический интерес для нашей страны, учитывая обширность территории России и необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния.
По проведенным расчетам широкомасштабное внедрение предлагаемой технологии в России позволит сэкономить сотни миллиардов рублей, что является особенно важным в современных условиях.
Наиболее эффективно однопроводная резонансная система передачи электрической энергии помимо отмеченных выше областей применения может быть использована для электроснабжения удаленных от основных магистральных ЛЭП объектов: фермерских хозяйств, строительных площадок, телекоммуникационного оборудования и др.
В сочетании с технологиями, использующие возобновляемые источники энергии (солнечная энергетика, ветроэнергетика, микроГЭС), однопроводная резонансная система передачи электроэнергии может быть очень полезна и экономически выгодна для регионов России, обладающие необходимым потенциалом в области возобновляемой энергетики.
Предлагаемая технология защищена патентами, прошла комплекс необходимых испытаний, имеет Сертификат соответствия №021-66/1 (рис. 5), защищена российскими патентами и получила поддержку в Министерстве энергетики РФ (исх. № 02-0804 от 6.07.2010).
Резонансная однопроводная система передачи электрической энергии является новой энергосберегающей и ресурсосберегающей технологией, позволяющая значительно снизить экономические затраты при решении задачи передачи электрической энергии на большие расстояния по сравнению с традиционной (трехфазной)системой электропередачи.
Результат повышения энергоэффективности при массовом внедрении
Снижение себестоимости киловатт/часа за счет снижения уровня невосполнимых потерь энергии в проводах
Существующие меры поощрения, принуждения, стимулирования для внедрения предлагаемой технологии (метода) и необходимость их совершенствования
На начальном этапе, как и всякой новой технологии, требуется определенная организационная поддержка.
Представляется целесообразным обеспечить, прежде всего, информационную поддержку в СМИ (газеты, телевидение, Интернет) с наглядной демонстрацией экономических преимуществ предлагаемой технологии по сравнению с традиционной трехфазной системой электроснабжения, особенно для удаленных от основных ЛЭП объектов (фермерских хозяйств, строительных площадок. телекоммуникационного оборудования, деревень и др.)
Наличие технических и других ограничений применения технологии (метода) на различных объектах
Предлагаемая технология является новой и работает на стыке двух наук: электротехника и радиотехника и в силу этого существуют определенные барьеры между научными школами в области электротехники и радиотехники, а также административные барьеры между двумя отраслями экономики, внедряющие результаты НИОКР в области электротехники и радиотехники.
Для снятия этих барьеров необходимо создание под единым организационным началом кооперации ученых и специалистов, работающих в области электротехники и радиотехники. Такая работа уже началась.
В настоящее время отработана технология передачи электроэнергии мощностью до 100 кВт. Передача электроэнергии большей мощности требует применение электронных приборов (транзисторов, тиристоров, диодов и др.) повышенной мощности и надежности. Необходимо проведение дополнительных исследований для решения задачи энергообеспечения объектов, потребляющих электроэнергию мощностью свыше 100 кВт .
Необходимо проведение НИОКР по разработке резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии мощностью более 100 кВт с разработкой комплекта конструкторской и технической документации и опытного образца системы для последующего его тиражирования.
Перечень пилотных проектов
заказчик
наименование работы
Передаваемая мощность
Разработка комплекта оборудования для передачи электрической энергии по однопроводной линии станции катодной защиты и водозаборных сооружений
Молодежное движение «НАШИ»
Форум «Селигер 2006»
Разработка комплекта резонансного оборудования для уличного освещения длиной 120 м
Разработка комплекта резонансного оборудования для уличного освещения с питанием от солнечной батареи
Молодежное движение «НАШИ»
Форум «Селигер 2007»
Разработка комплекта резонансного оборудования для уличного освещения длиной 200 м
Разработка комплекта резонансного оборудования для уличного освещения с питанием от солнечной батареи
ГУП ППЗ «Птичное»
Разработка комплекта оборудования для светодиодного освещения птицеводческих помещений с резонансной системой электропитания
Научно — производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н. А. Пилюгина»
Разработка системы резонансного электропитания питания узлов автоматики ракеты-носителя
Разработка модели беспроводного электроснабжения электромобиля
Департамент науки и промышленной политики города Москвы
Разработка и внедрение системы уличного светодиодного освещения на основе однопроводной резонансной системы передачи электроэнергии.
Работа находится в стадии реализации(разработана конструкторская и техническая документация на систему).В 2011 г.планируется внедрить систему на территории г.Москвы.
Разработка технологических и нормативно-технических основ применения резонансной однопроводной системы передачи электроэнергии для электроснабжения оборудования систем электрохимической защиты трубопроводов»
(п.34.Плана научных исследований Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина для ОАО «Газпром» на 2010-2013 годы, утвержденного Председателем Правления ОАО «Газпром» А.Б. Миллером от 08.12.2010 г. за № 01-126.).
Договор находится в стадии подписания
Все работы были успешно выполнены и приняты заказчиком.
Наличие и достаточность производственных базы и специалистов в России для массового внедрения технологии
В России имеется вся необходимая производственная мощность для массового внедрения технологии
Для эксплуатации внедряемой технологии необходимы специально подготовленные специалисты с допуском для работы на электрооборудовании свыше 1000 В.
Работоспособность работы системы в штатном режиме смогут обеспечить специалисты со среднетехническим образованием. Для развития производства необходимо привлечение специалистов с высшим профессиональным образованием в области электротехники и радиотехники.
Однопроводные лэп почему не используют
Резонансная однопроводная линия электропередачи (РО ЛЭП) включает: источник электрической энергии, преобразователь частоты ПЧ1, резонансный контур (С1, трансформатор Теслы Т1), собственно однопроводную ЛЭП (как правило, в виде одножильного высоковольтного кабеля) ОЛ, приёмный резонансный контур (С2, Т2), преобразователь частоты ПЧ2, к которому присоединяется одно- или трёхфазная нагрузка (рис. 1).
Источник электроэнергии — обычная трёхфазная сеть либо, в автономных системах, генератор переменного тока повышенной частоты. Напряжение расчётной повышенной частоты подаётся в резонансный контур, включающий конденсатор С1 и модифицированный трансформатор Теслы (ТТ) Т1. При расчётном соотношении индуктивностей «первичной» и «вторичной» обмоток и ёмкостей, включающих также и межвитковую ёмкость ТТ Т1, в последнем возникает резонанс напряжений.
Длина ОЛ, включая длины кабеля, высоковольтных обмоток передающего и приёмного ТТ, не ограничена, но должна быть кратной целому числу полуволн либо четверти волны тока.
Конец линии ОЛ присоединяется ко входу высоковольтной обмотки приёмного ТТ Т2, также работающего в резонансном режиме. К его «низковольтной» обмотке подключают ПЧ2, на выходе которого получается требуемое трёхфазное напряжение промышленной частоты.
Область частот 1—100 кГц наиболее пригодна для передачи электрической энергии по однопроводниковому волноводу в силу ограничений, которые накладывают потери на излучение из-за антенного эффекта.
Рассмотрим характеристики одной из опытных систем для передачи номинальной мощности 20 кВт. Передающий и принимающий воздушные ТТ имеют следующие параметры: числа витков высоковольтной обмотки — по 952; числа витков низковольтных обмоток — соответственно 19 и 27; ёмкости С1 и С2 — соответственно 14 и 12 мкФ. В качестве ПЧ1 и ПЧ2 использовались модернизированные для функций РО ЛЭП преобразователи частоты серии Р-22 мощностью 22 кВт. В качестве нагрузки применялись секции из 24 ламп накаливания мощностью 1 кВт каждая. Входное напряжение составляло 380 В, напряжение линии — до 7 кВ [2]. Диаметр провода линии выбирался в пределах от 0,08 до 1,3 мм. Резонансная частота РО ЛЭП составляла 3,4 кГц.
На рис. 2 приведено семейство внешних характеристик выходного трансформатора РО ЛЭП для передачи номинальной мощности 20 кВт. Каждая из характеристик получена при соответствующем напряжении ОЛ: 3,2—6,8 кВ. Измерения произведены на постоянном токе на выходе выпрямителя преобразователя частоты Р-22. Сопротивление нагрузки — 8 Ом.
Важно подчеркнуть, что внешние характеристики системы вполне соответствуют внешним характеристикам обычного трансформатора.
Расчётные и опытные данные показали, что реактивная зарядная мощность, передаваемая по линии, в первом приближении пропорциональна частоте и квадрату напряжения линии [2]. Зависимость передаваемой мощности от величины напряжения для данной частоты однопроводной линии получена эмпирическим путём и имеет вид:
где k — коэффициент пропорциональности, равный 0,541.
В РО ЛЭП мы имеем дело с продольными волнами, которые проходят не по сечению провода, а вдоль его поверхности, не входя в него. Из этого следует, что для РО ЛЭП не имеет принципиального значения активное сопротивление провода и его сечение, т.е. в качестве проводника для неё можно использовать, например, тонкий стальной провод или трос, заключённый в изолирующую оболочку либо подвешенный на высоковольтных изоляторах, как это делал Тесла.
Для процессов передачи электроэнергии по этой линии значение имеет её собственная ёмкость и частота [4]. Другими словами, однопроводная линия при идеальной настройке ведёт себя как проводник без потерь. Для подтверждения этого представления при передаче по резонансной линии электроэнергии мощностью 30 кВт использовался, наряду с кабелем диаметром жилы 1,3 мм, кусок провода длиной 6 м и диаметром 0,08 мм, который не испытывал существенного нагрева.
Эти особенности объясняют и весьма высокие плотности передаваемых тока и мощности, невозможные в обычных ЛЭП и приближающиеся к криогенным кабельным линиям. Так, эффективная плотность тока в линии при передаваемой мощности 20 кВт составила 600 А/мм 2 , а удельная электрическая мощность — 4 МВт/мм 2 [2]. Из изложенного следует, что РО ЛЭП обладает квазисверхпроводимостью при обычной температуре [3,4].
Опытные и расчётные данные показали, что потери на излучение для линии, передающей 20 кВт, при частоте 3,4 кГц составили всего 102 Вт, т.е. Ризл = 0,005Рн [2].
В целом потери в системе РО ЛЭП складываются из электрических потерь в преобразователях ПЧ1 и ПЧ2 и потерь на излучение. КПД современных преобразователей весьма высок. Поэтому интегральный КПД РО ЛЭП в сравнении с обычной ЛЭП может доходить до 94—96%. Потери в системе существенно снижаются, если в качестве источника электроэнергии непосредственно используется генератор повышенной частоты (1—50 кГц), приводимый во вращение первичным двигателем — дизелем или турбиной.
РО ЛЭП состоит из простых и надёжных узлов. Воздушный трансформатор Теслы во всех отношениях проще и дешевле масляного. Применение генераторов повышенной частоты могло бы исключить преобразователи частоты и приблизить КПД РО ЛЭП к величинам порядка 98—99%. Но и с применением ПЧ РО ЛЭП обеспечивают колоссальную экономию электроэнергии. Одножильный кабель, уложенный в землю, требует минимального отвода земли, не сопряжён с экологическими проблемами.
РО ЛЭП обеспечивают высокую надёжность электроснабжения, поскольку в них в принципе невозможно межфазное короткое замыкание. Кабельным РО ЛЭП не страшны стихийные бедствия: снегопад, гололёд, ветры и т.д. Капитальные затраты на сооружение таких систем в несколько раз меньше, чем для обычных высоковольтных ЛЭП. РО ЛЭП — это высоковольтные системы, они хороши в качестве распределительных сетей. Однако наиболее эффективными из-за малых потерь являются дальние и сверхдальние РО ЛЭП. Такой подход может изменить идеологию энергоснабжения народного хозяйства: генерирующие мощности можно будет располагать непосредственно у месторождений, а вместо энергоносителей с их громоздкими и крайне дорогими системами транспортировки передавать электрическую энергию, как наиболее универсальную для использования, по простой и надёжной РО ЛЭП на любые расстояния с минимальными издержками.
ВЫВОДЫ
Резонансные однопроводные системы, обладающие квазисверхпроводимостью, обеспечивают передачу электроэнергии большой плотности по единственному, весьма тонкому проводнику с минимальными потерями энергии. Они являются высокотехнологичными ресурсо- и энергосберегающими системами и открывают возможности для замены ими существующих многофазных высоковольтных ЛЭП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стребков Д.С. Резонансные системы распределения электрической энергии. «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение», №3, 2010 г., с. 72—75.
2. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 3-е. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008 г., 352 с.
3. Стребков Д.С. Высокотемпературная квазисверхпроводимость проводников для ёмкостных токов. Доклады РАСХН, №4, 2005 г., с. 56—58.
4. Алиев И.И. Энергосберегающая резонансная однопроводная ЛЭП. «Энергобезопасность и энергосбережение». №6, 2011 г., с. 35—38.
Однопроводные лэп почему не используют
1 Камышинский технологический институт (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Волгоградский государственный технический университет»
В настоящей статье приведен принцип передачи силовой электроэнергии с помощью однопроводных электропередач, предложенный Николой Тесла. Рассмотрен вклад в развитие однопроводных резонансных систем электропередачи внес российский ученый С. В. Авраменко. Наряду с созданием резонансных систем, эффективность которых подтверждена официальной наукой, ему принадлежит идея так называемой «вилки Авраменко» — однопроводной системы передачи, не требующей заземления и традиционных резонансных контуров с катушками. Содержится информация о объективности применения однопроводных систем передачи электрической энергии в системе электроснабжения. Отражены также возможные ниши применения однопроводных линий электропередачи в силовой электроэнергетике. Проведена работа по анализу существующих схем для однопроводной передачи электрической энергии. В результате проведенных исследований сделан вывод о необходимости более глубокого изучения данного вопроса.
линии электропередачи
однопроводная система
электрическая энергия
1. Журнал: Электротехнический рынок. №4 (64-66) Июль-Август 2015.
2. Технические аспекты применения компактных управляемых воздушных линий электропередачи. Копейкина Т.В.Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. 4. С. 581-585.
3. Сборник научных трудов НГТУ. – 2011. – № 2(64) – 123–134. Об однопроводной системе передачи силовой электрической энергии, К.П. Кадомская, С.А. Кандаков, Д.М. Лебедев
Современные методы передачи электрической силовой энергии основаны на передаче активной мощности с помощью токов проводимости в замкнутой цепи. Электромагнитная энергия распространяется вдоль линий электропередачи (ЛЭП) в виде бегущих волн электромагнитного поля. Провода линий, изготовленные из меди или алюминия, являются проводящими каналами (направляющими), вдоль которых движется поток электромагнитной энергии от генератора к приемнику энергии и обратно к генератору. Максимальная передаваемая мощность трехфазных ЛЭП переменного тока частотой 50 Гц ограничивается потерями на активном сопротивлении каналов передачи электроэнергии (проводов и земли), максимальным напряжением по трассе ЛЭП, воздействующим на электрическую изоляцию воздушной линии (ВЛ) и электрооборудования, подключенного к ВЛ. Современный подход к обеспечению электромагнитной устойчивости ЛЭП высокого напряжения заключается в жестком регулировании параметров передачи энергии по линиям переменного тока с помощью управляемых шунтирующих реакторов (УШР) с целью устранения емкостного эффекта в ЛЭП (повышения напряжения на ВЛ при передаче мощностей, меньших натуральной).
Цель исследования
Считалось, что ЛЭП не могут быть однопроводными, так как для работы любого электрического прибора необходимо наличие положительных и отрицательных электрических зарядов и как минимум двух проводов, по которым эти заряды передаются от генератора к потребителю электроэнергии.
В середине XX века для экономии проводов и для электроснабжения электротракторов применялась двухпроводная система передачи электроэнергии с использованием земли в качестве второго провода. Передачу электроэнергии по одному проводу, не используя при этом заземление второго полюса источника энергии, демонстрировал Никола Тесла еще в 1892 году в Лондон. Тесла предложил метод передачи активной мощности с помощью реактивного емкостного тока с использованием резонансных свойств однопроводной линии. Через год в Филадельфии [2] Тесла в присутствии специалистов повторил демонстрацию возможности передачи электрической энергии по одному проводу.
Лишь спустя сто лет после знаменитой демонстрации установки Теслы появились сведения о первых попытках воспроизвести их на современном оборудовании, о которых сообщалось в статье. Эксперименты проводились в июле 1990 года в лаборатории Московского энергетического института. В присутствии специалистов их проводил инженер Станислав Викторович Авраменко. От машинного генератора (8 кГц, 100 кВт) по проводу длиной 2,75 м передавалась мощность 1,3 кВт по одному вольфрамовому проводу диаметром 20 микрон. Нагрузкой служили лампы накаливания.
Результаты исследования
Основу устройства для однопроводной передачи энергии «вилки Авраменко» представляет собой два последовательно включенных полупроводниковых диода (рис.1). Если вилку присоединить к проводу, находящемуся под переменным напряжением, то через некоторое время в разряднике наблюдается серия искр. Временной интервал от подключения до разряда зависит от величины емкости, величины напряжения, частоты пульсации и размера зазора разрядника. Включение в линию передачи резистора номиналом 2-5 МОм не вызывает существенных изменений в работе схемы [1]. Эффективность устройства зависит от материала обмоток генератора, поэтому необходимо проверить целесообразность изготовления обмоток из проводов медных, никелевых, железных, свинцовых и т. д.
Рис. 1. Однопроводная передача энергии по схеме С.В. Авраменко
На выходе трансформатора Авраменко получается обычный переменный ток, который попал туда из обычной же электросети, только с полной асимметрией выходного напряжения: один конец вторичной обмотки остается под нулевым потенциалом, а вся синусоида подаваемого тока находится на другом ее конце. А в трансформаторе Авраменко подсоединяется к «нагруженному» электроду всего один провод и электричество идет по нему.
С помощью «вилки Авраменко» удавалось накачивать энергией некую емкость, из которой потом энергию перемещают по незамкнутой цепи, то есть по одному проводу. Причем течет она не внутри этого провода, а как бы вдоль него. По словам самого Авраменко, «поле перемещается вдоль провода как по волноводу». Из теории электричества известно, что токи смещения закону Джоуля – Ленца не подчиняются. Стало быть, сечение этого провода значения не имеет, он может быть тоньше волоса, его задача – лишь указывать направление. Кроме того, провод не нагревается, и потерь энергии почти нет.
В системе Авраменко ток проводимости из сети выпрямляется, преобразуется в реактивный ток нужной частоты, который передается по одному проводнику на любое расстояние, а там вновь преобразуется в обычный ток проводимости, заставляющий гореть лампы, крутиться моторы, работать лазеры и нагревать электроприборы.
Разработан и второй вариант однопроводной электроэнергии. В этой схеме не используется «вилка Авраменко». Вместо «вилки Авраменко» используется обычная мостовая схема. Эта мостовая схема оказалась значительно эффективней, чем «вилка Авраменко». Кроме этого, были внесены и другие изменения в схему Авраменко. Данная схема приведена на рис.2. В состав передающего узла входят генератор и трансформатор. Схема приемного узла показана на рис.2 справа от трансформатора. На схеме, изображенной на рис.2, цифрами обозначены: 1 — генератор, 2 — расширитель спектра, 3 — «антенна».
Рис. 2. Однопроводная передача энергии по новой схеме
Ключевыми моментами в повышении эффективности второй схемы, по сравнению со схемой Авраменко, является использование стандартной мостовой схемы, а не ее половины, а также наличие расширителя 2 спектра. Наличие в схеме расширителя спектра приводит к тому, что нагрузка не препятствует полному заряду конденсатора. Включение в линию передачи резистора или использование в качестве линии передачи проводника с большим удельным сопротивлением существенно не влияет на степень накала спирали лампы. В нашей схеме однопроводной передачи энергии имеется два самостоятельных контура, спектры частот в которых различные. В первом контуре узкополосный спектр частот, во втором — широкополосный. В первом контуре цепь замыкается на свободный конец вторичной обмотки трансформатора через антенну 3. Второй контур образован конденсатором, расширителем спектра и лампой накаливания.
Известно, что газоразрядные лампы светятся в сильном электрическом поле. В поле от «вилки Авраменко» они загораются без пусковых устройств и светятся максимально ярко. Практическую значимость этого трудно переоценить, ибо цена пускового устройства современной лампы дневного света (люминесцентной) составляет не менее 80% от всей ее стоимости. Но самое удивительное — «сгоревшие» лампы светятся, как новые.
Изучение свойств поля передающей линии в схеме Авраменко обнаружило необычайно высокую интенсивность даже на расстоянии 200 м от линии передачи энергии по одному проводу. Однопроводная ЛЭП обладает рядом преимуществ. Содержание меди и алюминия в проводах может быть снижено в 10 раз, и провода не имеет смысла воровать. Реактивное электричество очень трудно украсть и использовать неспециалисту. Потери энергии в ЛЭП очень малы, и электроэнергию можно передавать на большое расстояние. При передаче ее обычным способом 10-15% энергии теряется на нагрев проводов (джоулево тепло). Для однопроводной же передачи можно брать настолько тонкий провод, насколько это позволяют соображения прочности, скажем, 2-4 мм в диаметре. Если в современных цепях плотность пе-редаваемого тока не превышает 6-7 А/мм2, то по однопроводной она достигает 428 А/мм2 при мощности в 10 кВт. Причем провод не нагревается, а джоулевы потери уменьшаются почти в сто раз. Во столько же раз, соответственно, уменьшается расход меди на провода. Мало того, провода могут быть сделаны из обычной стали: ведь их электропроводимость значения не имеет, их задача – указывать направление тока. Что это значит? А это значит – происходит колоссальная экономия на опорах и проводах линий электропередач, а также контактных линий электротранспорта. Их можно сделать значительно менее гро-моздкими и материалоемкими. В однопроводной линии не может быть коротких замыканий, следовательно, однопроводный кабель не станет источником пожара в доме. Кроме того, стоимость однопроводной ЛЭП ниже, чем трехфазной. В стандартных ЛЭП и существующих электроприборах используют активный ток, поэтому для согласования старого и нового метода передачи электроэнергии в начале и в конце одно-проводной ЛЭП устанавливают преобразователи активного тока в реактивный. Доказано, что однопроводное электричество можно передавать не только по медному проводу. Выходя-щий из трансформатора Авраменко и батареи конденсаторов, где генерируются мощные статические заряды, стальной провод ныряет в лоток с водой, за которым идет графитовая нить, затем в лоток с грунтом (лотки, разумеется, изолированы). В линии специально устроены разрывы, в них возникают дуговые разряды между проводом и водой, землей, графитом. По проводу ползает однопроводная троллея (макет троллейбусной, например), отбирающая энергию для находящихся тут же потребителей. В конце линии подключена лампочка. Ток проходит по всем этим проводникам и зажигает ее.
Это доказывает, что можно постоянно и без больших потерь передавать энергию по любым токопроводящим изолированным веществам. Например – по трубопроводам, оптоволоконным линиям (по волокну передается информация, а ток – по металлической оплетке кабеля) и т.п. А раз так–то можно изобрести массу машин и устройств, использующих это явление.
Выводы
Таким образом, нельзя не отметить безусловную экономическую эффективность однопроводных линий электропередачи при автономном питании малых населенных пунктов или автономных объектов. В настоящее время в России 70 % территорий с населением 10 млн. человек не имеет централизованного электрообеспечения, в 44 из 70 энергосистем есть дефицит мощности, который приводит к перерывам в электроснабжении. Около 30 % из 280 тыс. фермерских хозяйств и 20 % садово-огородных участков созданы на свободных и новых участках земли, не имеющих электрических сетей. Задача сегодняшнего дня заключается в том, чтобы обеспечить их электроэнергией. Электроснабжение должно быть надежным, приемлемым по стоимости и экологически безопасным. Традиционные методы электрификации отдаленных потребителей – строительство линий электропередач или использование дизельных электростанций – не всегда удовлетворяют указанным критериям. Расширение электрических сетей при достаточно большом удалении, например фермерских хозяйств от энергосистемы, является экономически неприемлемым решением. Системы электроснабжения в сельских районах характеризуются неэффективным обслуживанием, большими потерями в линиях электропередач и низкой надежностью. Все это приводит к существенным проблемам в удовлетворении потребности в электроэнергии сельских жителей. Для электрификации отдаленных районов возможно использование однопроводной системы передачи электроэнергии, поскольку для ее строительства и эксплуатации требуются существенно меньшие капиталовложения. В то же время потери при передаче электроэнергии снижаются в сотни раз. Для преобразования реактивного зарядного тока линии, используемого в однопроводной системе для передачи мощности, в активный ток проводимости в низковольтных сетях возможно применение диодно-конденсаторного блока и тиристорного ключа, которые не нуждаются в регулярном обслуживании.
Применение однопроводной передачи электроэнергии справедливо указывают, что с помощью однопроводной системы возможно также обеспечить электроснабжение вновь возводимых нефте- и газодобывающих станций без строительства ЛЭП. Электроэнергию можно передавать по трубопроводам, предназначенным для транспортировки добываемого сырья, применяя в качестве проводящей среды либо металл изолированного трубопровода, либо нанесенного на внутреннюю поверхность проводящего покрытия, если материал трубопровода является диэлектриком.