CC BY
303
^^^^^^^^ Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 27
УДК 821.31
Энергосберегающая резонансная однопроводная ЛЭП
И. И. Алиев,
ГНУ ВИЭСХ, заместитель заведующего лабораторией, член-корреспондент АЭН РФ,
кандидат технических наук, профессор
Передача электроэнергии к потребителям - одна из важнейших задач электроэнергетики. Для более качественного решения этой проблемы требуется усовершенствование существующих линий электропередач. В статье приводится описание физических процессов при передаче электрической энергии по резонансной однопроводной линии электропередачи, её устройство и преимущества.
Ключевые слова: резонансная однопроводная линия, передача электроэнергии, токи смещения, энергосбережение.
Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция к распространению кабельных линий и линий постоянного тока. Повышение пропускной способности ЛЭП переменного тока и снижение потерь энергии в них возможны путём усовершенствования конструкции линии, а также посредством включения различных компенсирующих устройств.
Компенсирующие устройства в электрической системе предназначены для компенсации реактивных параметров ЛЭП и реактивной мощности, потребляемой нагрузками и элементами электрической системы. В качестве компенсирующих устройств на ЛЭП используются продольно включаемые батареи электрических конденсаторов, а также поперечно включаемые электрические реакторы и синхронные компенсаторы, которые устанавливаются на концевых или промежуточных подстанциях ЛЭП [1]. Это увеличивает пропускную способность ЛЭП, но не снижает потери в них, поскольку потери зависят не от характера тока (активный или реактивный), а от квадрата полного тока и сопротивления линии. Кроме того, применение компенсирующих устройств существенно увеличивает стоимость системы.
Предельная мощность, передаваемая по ЛЭП постоянного тока, имеет большие значения, чем у аналогичных ЛЭП переменного тока. Она зависит от квадрата напряжения на выходе выпрямителя и суммарного активного сопротивления электропередачи, в которое, кроме сопротивления проводов ЛЭП, входят сопротивления выпрямителя и инвертора. Электропередачи постоянного тока перспективны для объединения крупных удалённых друг от друга энергосистем [1]. Снижение потерь в ЛЭП постоянного тока при данных преобразователях возможно лишь путём увеличения сечения проводов, что удорожает её стоимость.
Разрабатываются новые системы электропередачи, например, выполняемые в виде замкнутых конструкций, заполненных элегазом, внутри которых располагаются провода высокого напряжения. Перспективны также криогенные (сверхпроводя-
щие) ЛЭП. Так, в 2011 г. специалистам была продемонстрирована в Москве криогенная линия длиной 200 метров. Элегазовые и криогенные электропередачи удобны для энергоснабжения потребителей в густонаселённых районах, например, на территориях крупных городов. Однако элегазовые системы не лишены недостатков, присущих обычным ЛЭП переменного тока, и имеют высокую стоимость.
Таким образом, транспортировка реактивной мощности по ЛЭП от центров питания к потребителям является сложной технико-экономической задачей, затрагивающей вопросы экономичности и надёжности систем электроснабжения. Резонансные однопроводные линии (РО ЛЭП) свободны от целого ряда проблем, присущих традиционным ЛЭП. Более того, энергия передаётся по РО ЛЭП по единственному тонкому проводу-волноводу на повышенной частоте в виде реактивной энергии практически без джоулевых потерь.
Прежде чем перейти к особенностям энергосбережения в РО ЛЭП, рассмотрим кратко её устройство. Опытные образцы РО ЛЭП в отрезке мощностей от 100 Вт до 30 кВт были разработаны во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства [2].
Резонансная однопроводниковая линия электропередачи (РО ЛЭП) включает: источник электрической энергии, преобразователь частоты ПЧ1, резонансный контур (С1, 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. ПЧ1 служит для преобразования напряжения промышленной частоты в напряжение повышенной частоты в пределах 1-100 кГц. Напряжение расчётной повышенной частоты подаётся в резонансный контур, включающий конденсатор С1 и модифицированный трансформатор Тесла Т1. При расчётном соотношении индуктивностей «первичной» и «вторичной» обмоток
шивпит
= 28
Энергобезопасность и энергосбережение
ОЛ С1 С 5 С2 5Л 1С Т1 Т2 «Я
0~ - 0- ПЧ1 ПЧ2 -ы
Рис. 1. Схема резонансной однопроводной ЛЭП
и емкостей, включающих также и межвитковую ёмкость трансформатора Т1, при соответствующей частоте в последнем возникает резонанс напряжений. Условие возникновения резонанса в системе определяется выражением
При этом обязательно выполнение условия равенства произведений индуктивностей и ёмкостей в передающем и приёмном контурах: Ь1С1=Ь2С2.
Ток в высоковольтной обмотке сдвинут по отношению к напряжению на 90°. Один вывод этой обмотки может быть заземлён или свободен. К другому выводу присоединяется одножильный кабель ОЛ расчётной длины. Длина ОЛ, включая длины кабеля, высоковольтных обмоток передающего и приёмного трансформаторов, должна соответствовать целому числу полуволн Х/2, либо четверти волны тока. Длина линии I, резонансная частота f0, длина волны X и скорость её распространения сп связаны простыми соотношениями:
1=пХ/2; f0=cn/2l; Х=2 1/п, где п - натуральное число.
Выходное напряжение передающего трансформатора Тесла равно напряжению линии и находится, в зависимости от передаваемой мощности и частоты в пределах от единиц до 100 кВ и более.
Конец линии ОЛ присоединяется к входу высоковольтной обмотки приёмного трансформатора Тесла Т2, также работающего в резонансном режиме с частотой f0. К его «первичной» («низковольтной») обмотке подключают преобразователь частоты ПЧ2, на выходе которого получается требуемое трёхфазное напряжение промышленной частоты. Область частот 1-100 кГц наиболее пригодна для передачи электрической энергии по однопроводному волноводу в силу ограничений, которые накладывают потери на излучение из-за антенного эффекта.
При указанных выше соотношениях в линии возникают падающая и отражённая волны, и как результирующая - стоячая волна. Стоячие волны напряжения и и реактивного тока Iр резонансной линии показаны на рис. 2. Для случая, приведённого на рис. 2, длина линии 1л равна двум длинам волны 2Х. Например, при частоте 1 кГц Х= 300 км, следовательно, 1л = 600 км.
Пучности реактивного тока гр линии наблюдаются в точках 1, в том числе на зажимах источника электроэнергии и на зажимах электроприемника.
В точках 1 имеются узлы напряжения и, в том числе в начале линии и в конце. Другими словами,
Рис. 2. Стоячие волны напряжения и тока резонансной линии
потенциалы в начале линии и её конце равны нулю. Поэтому начала высоковольтных обмоток трансформатора могут быть заземлены, что обычно и выполняется на практике.
В рассматриваемых РО ЛЭП отсутствует искровой разрядник; трансформаторы, используемые в системе, выполнены в виде многослойной высоковольтной катушки, поверх которой наматывается несколько витков толстой первичной обмотки, поэтому традиционное для трансформатора Тесла условие неравенства взаимных индуктивностей первичной и вторичной обмоток здесь не выполняется, то есть Ь12 «^21.
Поскольку резонансная однопроводная линия разомкнута, в ней нет активного тока, следовательно, электрические потери в линии можно принимать равными нулю. Ток линии является реактивным током перезарядки собственной ёмкости линии или, по Максвеллу, током смещения.
В качестве нагрузки в одной из опытных РО ЛЭП мощностью до 30 кВт использовались 30 ламп накаливания мощностью по 1 кВт каждая, потребляющие активную мощность, а также асинхронный двигатель. Таким образом, очевидна полная трансформация реактивной мощности, передаваемой по линии, в активную.
Рассмотрим некоторые экспериментальные характеристики одной из опытных систем для передачи номинальной мощности 20 кВт. Передающий и принимающий воздушные трансформаторы Тесла имеют следующие параметры: числа витков высоковольтной обмотки - по 952; длина этих обмоток по 400 м; числа витков низковольтных обмоток соответственно 19 и 27; ёмкости С1 и С2 соответственно 14 и 12 мкФ. Внутренний диаметр катушек - 590 мм. В качестве ПЧ1 и ПЧ2 использовались модернизированные для функций РО ЛЭП преобразователи частоты серии Р-22 мощностью 22 кВт. Для нагрузки использовались секции из 24 ламп накаливания мощностью 1 кВт каждая. Входное напряжение составляло 380 В, напряжение линии - до 7 кВ [2]. Диаметр провода выбирался в пределах от 0,08 до 1,3 мм. Выявлено, что параметры вольтамперной (или внешней) характеристики приёмного трансформатора до определённых пределов мощности не зависят от диаметра провода. Резонансная частота РО ЛЭП составляла 3,4 кГц.
вяэмипиии
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность
29 =
На рис. 3 приведено семейство внешних характеристик приёмного 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 приёмного трансформатора. Сопротивление нагрузки 8 Ом. и в
500
400
300
200
100
¿,8 кВ ¿5кВ 60 кВ
55 кв
5,0 кВ
40 кВ 3,2 кВ
10
20
30
40
50 А
р кВт
50 • /
40
30 /\
20 Экспериментальная / \ / Расчетная
10
0 и
1 2 2 3 4 5 7 8 9 10 11 кВ
Рис. 3. Внешние характеристики приёмного трансформатора РО ЛЭП
Как видно из рис. 3, номинальной мощности при токе 50 А соответствует напряжение РО ЛЭП, равное 6,5 кВ. 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]. Расчётная и экспериментальная (в пределах до Рном=20 кВт) зависимости передаваемой мощности от напряжения линии приведены на рис. 4.
Зависимость передаваемой мощности от величины напряжения однопроводной линии получена эмпирическим путём и имеет вид
Р=к и1,896,
где к - коэффициент пропорциональности, равный 0,541.
Ограничения по мощности в данной конкретной системе были связаны исключительно с номинальными параметрами ПЧ.
Например, как видно из рис. 4, при данной частоте для передачи мощности в 50 кВт на напряжении 11 кВ достаточно при тех же трансформаторах Тесла увеличить ресурс ПЧ до соответствующей величины мощности.
Для объяснения физических процессов, происходящих при передаче энергии по РО ЛЭП, воспользуемся представлениями о природе радиоволн, изложенными в [3]. Такое обращение правомерно, поскольку, как уже было показано, передача энергии по однопроводной линии имеет волновой характер. Подчеркнём ещё раз, что указанные явления имеют
Рис. 4. Экспериментальная и расчётная характеристики
Р=т
место в линии, длина которой кратна длине полуволны или четверти волны тока. Именно в такой линии возникает стоячая волна, как результат сложения падающей и отражённой волн. Резонанс, необходимый для возбуждения трансформаторов Тесла, обеспечивает, с одной стороны, максимальную отдачу энергии, с другой - появление в линии преимущественно либо исключительно реактивного тока, который не связан с джоулевыми потерями в обмотках трансформаторов и в линии. Полагаем, такое возможно в том случае, когда ток полностью или почти полностью выходит за пределы проводника и не взаимодействует, как это принято считать, с кристаллической решёткой металла провода. На то обстоятельство, что основные электромагнитные процессы при протекании тока происходят не в проводе, а в пространстве вокруг него, указано ещё в [4].
Согласно [3], стоячая волна передающей антенны (волновода) представляет собой совокупность непрерывно сменяющих друг друга положительных и отрицательных зарядов с длиной волны X . Эти заряды поляризуют окружающее пространство, вызывая в нём появление объёмных, соответственно, отрицательных и положительных зарядов, следующих вдоль волновода от источника к приёмнику друг за другом.
Мы полагаем, что основное отличие РО ЛЭП от передающей антенны или волновода заключается в разнице частот. При радиочастотах происходит излучение энергии, тогда как при частотах в диапазоне 1-100 кГц излучение РО ЛЭП ничтожно мало, а энергия передаётся вдоль провода к приёмнику.
В системе РО ЛЭП совокупность непрерывно сменяющих друг друга положительных и отрицательных зарядов, пространственно напоминающих вихревые тороиды, движется вдоль волновода. Внутренний диаметр тороида близок к диаметру провода, а внешний определяется частотой, величиной напряжения и плотностью зарядов внутри вихря, или, другими словами, величиной тока смещения. Ток смещения однопроводной линии в первом приближении определяется выражением [3]
0
шивпит
= 30
Энергобезопасность и энергосбережение
ic=2n (C0/CT) dp/dz,
где p - объёмный заряд, К;
C0 - ёмкость линии, Ф;
С - скорость распространения волны, м/с;
Т - период волны, с;
z - координатная ось линии.
Таким образом, в случае с РО ЛЭП мы имеем дело с продольными волнами, которые проходят не по сечению провода, а вдоль его поверхности. Из этого, в частности, следует, что для РО ЛЭП не имеют принципиального значения активное сопротивление провода и его сечение.
В то же время для процессов передачи электроэнергии по этой линии значение имеют её собственная ёмкость и частота. Другими словами, однопро-водная линия при идеальной настройке в номинальном режиме ведёт себя как проводник без потерь. Для подтверждения этого представления при передаче по опытной резонансной линии электроэнергии мощностью 30 кВт использовался наряду с кабелем с диаметром жилы 1,3 мм провод диаметром 0,08 мм, который не испытывал существенного нагрева.
Отмеченные особенности объясняют и весьма высокие плотности передаваемой мощности и тока, невозможные в обычных ЛЭП. Так, эффективная плотность тока в линии при передаваемой мощности 20 кВт составила 600 А/мм2, а удельная электрическая мощность, передаваемая по линии, - 4 МВт/мм2 [2]. Изложенные особенности позволяют считать, что РО ЛЭП - это линия, обладающая высокотемпературной квазисверхпроводимостью [5].
Очевидно, при высоких частотах волны будут излучаться в окружающее пространство, как это имеет место в обычной передающей антенне. Однако в указанном выше диапазоне частот эти потери невелики. Опытные и расчётные данные показали, что потери на излучение в линии длиной 10 км, передаю-
щей 20 кВт, при частоте 3,4 кГц составили 102 Вт, то есть Ри3л=0,005Рн.
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 Тесла во всех отношениях проще и дешевле масляного. Применение генераторов повышенной частоты могло бы исключить преобразователи частоты и увеличить КПД РО ЛЭП. Но и с применением ПЧ РО ЛЭП обеспечивают колоссальную экономию электроэнергии. Одножильный кабель, уложенный в землю, требует минимального отвода земли, не создаёт экологических проблем.
РО ЛЭП обеспечивают высокую надёжность электроснабжения, поскольку в них в принципе невозможно межфазное короткое замыкание, кабельным РО ЛЭП не страшны снегопад, гололёд, ветер. Капитальные затраты на сооружение таких систем в несколько раз меньше, чем для обычных высоковольтных ЛЭП. РО ЛЭП - это высоковольтные системы, которые рекомендуются в качестве распределительных сетей, однако наиболее эффективными из-за малых потерь являются дальние и сверхдальние РО ЛЭП. Такой подход может изменить подход к энергоснабжению: 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.
Energy-economy single-wire resonance line
I. I. Aliev,
VIESH, deputy director of the laboratory, corresponding member of the Academy of electrical sciences of Russia, Ph.D., professor
Transmission of electricity to consumers is one of the biggest challenges of electric power. To provide a better solution of this problem requires the improvement of power lines. The article provides a description of physical processes in the transmission of electrical energy by a resonant single-wire transmission line and its advantage over traditionally used methods of energy transfer.
Keywords: resonance single-line, Tesla transformer, a standing wave, the displacement current, quasisuperconductivity, energy-economy.
Литература
1. Веников В. А., Худяков В. В., Анисимова Н. Д. Электрические системы. Т. 3. Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения. - М., 1972.
2. Стребков Д. С., Некрасов А. И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 3-е. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. - 352 с.
3. Харченко К. П. Лучистая энергия. - М.: РадиоСофт, 2010. - 264 с.
4. Миткевич В. Ф. Магнитный поток и его преобразования. Изд. 3-е. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1946. - 360 с.
5. Стребков Д. С. Высокотемпературная квазисверхпроводимость проводников для емкостных токов. Доклады РАСХН. - 2005. - № 4. - С. 56-58.
ншюшш
