Научная статья на тему 'НЕСТАНДАРТНЫЕ ИДЕИ В РЕШЕНИИ СТАНДАРТНЫХ ЗАДАЧ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ'

НЕСТАНДАРТНЫЕ ИДЕИ В РЕШЕНИИ СТАНДАРТНЫХ ЗАДАЧ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
74
24
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЛУВОЛНОВАЯ ЛИНИЯ (ПВЛ) / HALF-WAVE LINE / ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ / ELECTRICAL ENERGY / ЭФФЕКТИВНАЯ ПЕРЕДАЧА / EFFECTIVE TRANSMISSION / ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА / ELECTRIC LOAD

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Трубников Владимир Захарович

Приводятся и обсуждаются результаты эксперимента по максимальному использованию сечения проводника при передаче в полуволновом режиме электрической энергии на частоте 7 кГц по стальному проводу диаметром 3 мм и длиной 3 км. Полуволновые линии электропередач безразличны к качеству электроэнергии на входе системы, менее затратны при внедрении, позволяют осуществлять прямое питание потребителей с падающей вольт-амперной характеристикой.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

UNUSUAL IDEAS IN SOLVING USUAL TASKS OF ELECTRICITY TRANSMISSION

The results of an experiment of electric energy transmission in a half-wave mode at a frequency of 7 kHz are shown and discussed in the paper. Energy was transmitted with a steel wire of 3 mm diameter and 3 km length. A possibility of maximum loading of the wire line cross section by electric current has been pointed out. Half-wave systems are indifferent to the quality of the electricity on the input of the transmission system, cheaper at adoption and allow direct powering of the consumers with falling volt-ampere characteristic.

Текст научной работы на тему «НЕСТАНДАРТНЫЕ ИДЕИ В РЕШЕНИИ СТАНДАРТНЫХ ЗАДАЧ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ»

Статья поступила в редакцию 06.11.13. Ред. рег. № 1868

The article has entered in publishing office 06.11.13. Ed. reg. No. 1868

УДК 621

НЕСТАНДАРТНЫЕ ИДЕИ В РЕШЕНИИ СТАНДАРТНЫХ ЗАДАЧ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

В.З. Трубников

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (499) 171-27-43, 8-919-970-78-61, e-mail: viesh@dol.ru, korsakova36@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 11.11.13 Заключение совета экспертов: 16.11.13 Принято к публикации: 21.11.13

Приводятся и обсуждаются результаты эксперимента по максимальному использованию сечения проводника при передаче в полуволновом режиме электрической энергии на частоте 7 кГц по стальному проводу диаметром 3 мм и длиной 3 км. Полуволновые линии электропередач безразличны к качеству электроэнергии на входе системы, менее затратны при внедрении, позволяют осуществлять прямое питание потребителей с падающей вольт-амперной характеристикой.

Ключевые слова: полуволновая линия (ПВЛ), электрическая энергия, эффективная передача, электрическая нагрузка.

UNUSUAL IDEAS IN SOLVING USUAL TASKS OF ELECTRICITY TRANSMISSION

V.Z. Trubnikov

All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH)

2, 1-st Veshnyakovsky pr., Moscow, 109456, Russia Tel.: (499) 171-27-43, 8-919-970-78-61, e-mail: viesh@dol.ru, korsakova36@mail.ru

Referred: 11.11.13 Expertise: 16.11.13 Accepted: 21.11.13

The results of an experiment of electric energy transmission in a half-wave mode at a frequency of 7 kHz are shown and discussed in the paper. Energy was transmitted with a steel wire of 3 mm diameter and 3 km length. A possibility of maximum loading of the wire line cross section by electric current has been pointed out. Half-wave systems are indifferent to the quality of the electricity on the input of the transmission system, cheaper at adoption and allow direct powering of the consumers with falling volt-ampere characteristic.

Keywords: half-wave line, electrical energy, effective transmission, electric load.

Сведения об авторе: научный сотрудник отдела электроснабжения ГНУ ВИЭСХ. Награды: Бронзовая медаль ВДНХ (1985); Серебряная медаль ВДНХ (1986); Медаль министерства оборонной промышленности РФ «Почетный радист» (1996); Медаль «Лауреат международного салона промышленной собственности «Архимед» (2001, 2002).

Образование: электромеханический факультет МЭИ (1960), специальность «полупроводники и диэлектрики».

Область научных интересов: электродинамика и силовая электроника.

Публикации: 27, в том числе 15 изобретений (а.с. СССР и патентов РФ).

Владимир Захарович Трубников

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (137) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Известно, что полуволновые линии (ПВЛ) обладают рядом свойств, отличающих их от обычных линий переменного тока [1].

Во-первых, у них независимый от передаваемой мощности фазовый сдвиг между напряжениями по концам линии. То есть в ПВЛ независимо от передаваемой мощности фазовый сдвиг по концам линии всегда составляет 8 = п (напряжения в противофазе). В то время как в обычных линиях мощность, передаваемая линией нагрузке,

Pz = P^sirá,

где Рпр = U1U2/(ZC sin X) - предельное значение

мощности; Zc, X - волновое сопротивление и длина волны; U1, U2 - напряжение по концам линии.

Во-вторых, по критерию устойчивости ПВЛ ведет себя как линия нулевой длины. То есть в случае работы электростанции на нагрузку через ПВЛ предельная мощность по критерию статической устойчивости определяется лишь размерами самой электростанции, как в случае линии нулевой длины.

В-третьих, ПВЛ по способу изменения потока активной мощности идентична линии постоянного тока. То есть в ПВЛ, как и в линии постоянного тока, величина передаваемой мощности может изменяться только за счет регулирования перепада напряжения

по концам линии:

P = P

1 1 "'max

Ky - 1

max ku -1

где Ки = и1/и2 - перепад напряжения; КЩах - максимальное значение перепада; Ртах - максимальное значение передаваемой мощности.

В-четвертых, ПВЛ по реактивной мощности сбалансирована во всех режимах, в то время как в обычных линиях реактивная мощность по их концам равна нулю только в режимах натуральной мощности.

В-пятых, прямо пропорциональная зависимость напряжения от передаваемой мощности в середине ПВЛ находится в противоречии с напряжением в середине обычной линии, где колебания напряжения составляют всего несколько процентов при изменении передаваемой мощности в широких пределах (от нуля до натуральной и более), причем повышение напряжения происходит при холостом ходе. У ПВЛ напряжение в середине линии повторяет диапазон изменения передаваемой мощности,

иср = иР/Рат ,

где и, Р - напряжение и мощность в конце линии.

В-шестых, при расчете пропускной способности ПВЛ вместо критерия устойчивости руководствуются допустимым уровнем напряжения в средней части линии, то есть по наибольшему рабочему напряжению,

РПЭП = с ,

где и^ - наибольшее рабочее напряжение; 2с - волновое сопротивление линии.

В-седьмых, возможность шунтирования ПВЛ в средней точке. Необычным свойством полуволновой линии по сравнению с традиционными линиями является то, что при шунтировании средней точки полуволной линии токи по концам линии становятся равными нулю, так как шунтирование средней точки линии эквивалентно отключению линии по концам. Поэтому наличие в средней точке линии шунтирующего выключателя оказывается полезным для проведения коммутаций ПВЛ в нормальных и аварийных режимах.

Перечисленные особенности полуволнового режима эксплуатации линий электропередач на качественном уровне могут быть объяснены электрическими свойствами стоячих волн напряжения и тока, физические свойства которых в отдельности и в совокупности и порождают перечисленный выше набор столь необычных качеств.

Эффективность применения ПВЛ для передачи электрической энергии считается сегодня теоретически доказанной, многократно проверенной и подтвержденной на практике [2-6].

Естественно, у разработчиков линий передач возникает желание применить опыт анализа и расчета ПВЛ при решении проблем передачи электроэнергии на дальние и сверхдальние расстояния, а также проблем передачи электроэнергии на небольшие расстояния, типичные в маломощных распределительных сетях.

В силу природных физических факторов расстояния в области полуволновых режимов передачи электроэнергии в сетях с частотой тока 50 Гц соответствуют 2500-3000 км. Расстояния в маломощных распределительных сетях находятся в области 5-50 км. Столь малая протяженность указанных сетей представляется непреодолимым препятствием при создании в них полуволновых режимов на частоте 50 Гц. Однако если воспользоваться переменными токами повышенной частоты, то проблема существенно упрощается. При переходе на частоту 5000 Гц длина ПВЛ укорачивается в сто раз, то есть расстояние между источником электроэнергии и ее потребителем сокращается до 25-35 км. На частоте 10 КГц протяженность полуволновых линий сокращается до 10-20 км, что является типичным расстоянием для сельских распределительных сетей и сетей целевого электроснабжения.

В ГНУ ВИЭСХ сделана концептуальная попытка осуществить передачу электрической энергии на короткие и средние расстояния по полуволновой технологии, используя при этом четвертьволновые резонансные трансформаторы, питаемые токами повышенной частоты [7]. В качестве питающего и принимающего резонансных трансформаторов использованы секционированные трансформаторы Тесла, работающие в непрерывном режиме. Низковольтные обмотки накачки энергии в передающий трансформатор и слива ее из принимающего энергию трансформатора выполнены в виде отдельных секций,

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 15 (137) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

размещенных у заземляемых выводов высоковольтных резонансных обмоток. Питание резонансной системы производилось от генератора тока повышенной частоты [8].

Цель работы - исследовать ПВЛ передачи электрической энергии на четвертьволновых резонансных трансформаторах на повышенной частоте и выявить, подтвердить, уточнить и оптимизировать технологические приемы, способствующие наиболее эффективному использованию «положительных качеств ПВЛ» с точки зрения эксплуатации, и уменьшить степень проявления «отрицательных качеств».

С целью предварительного моделирования синтезируем гипотетическую систему передачи электроэнергии из трех частей, как показано на рис. 1.

Подъем напряжения на высоковольтном выводе четвертьволновой резонансной обмотки передающего трансформатора происходит не за счет соотношения витков низковольтной и высоковольтной обмоток, а за счет резонансных пространственно распределенных вдоль четвертьволновой обмотки электродинамических явлений, в описанном упрощенном представлении, подчиняющихся уравнениям, связывающим токи и напряжения в полуволновых отрезках длинных линий [9]:

ÜX = Ü1 ch yx - Í1ZC sh ух, ÍX = - Ü- sh yx + jjch yx,

(1)

Рис. 1. Схема соединений элементов полуволновой системы передачи электроэнергии на резонансных четвертьволновых трансформаторах. Г, Н - питающий генератор и нагрузка полуволновой системы; L1, L4 -накачивающая и сливная обмотки резонансных четвертьволновых трансформаторов; L2, L3 - передающая и принимающая высоковольтные обмотки четвертьволновых

трансформаторов Fig. 1. Connection scheme of elements of half-wave system of

electricity transmission for the resonant quarter-wave transformers. Г, Н - supply generator and the load of the half-wave system; L1, L4 - low-voltage windings of resonant quarter-wave transformers; L2, L3 - transmitting and receiving highvoltage windings of the quarter-wave transformers

На четвертьволновые обмотки Ь2 и Ь3 приходится примерно по 45% электрической длины стоячей полуволны, соответственно, на передающую линию длиной I приходятся остающиеся 10% длины полуволны. От заземления З1 до заземления З2 укладывается половина длины волны.

Рассмотрим подробнее структуру синтезированной системы передачи электроэнергии. Высоковольтные обмотки резонансных четвертьволновых трансформаторов с заземленными низкопотенциальными выводами выполняют две функции: повышение силы тока в областях пучностей тока, т. е. на входе в систему передачи электроэнергии и на выходе из нее, а также повышение напряжения в области пучности напряжения, т. е. на линии передачи электрической энергии. При этом на линии передачи электрической энергии располагается узел тока стоячей волны, что и является инструментом снижения токовых электрических потерь на линии передачи.

где их, 1Х - комплексы напряжений и токов на расстоянии х от начала линии; С/1, Д - комплексы напряжения и тока в начале линии; 2С - волновое сопротивление линии передачи; х - расстояние от точки исследования электрических режимов до начала линии; у - постоянная распространения электромагнитной волны вдоль линии электропередачи; бИ, сИ -гиперболические функции комплексного переменного ух.

Постоянная распространения у и волновое сопротивление 2С зависят от электрофизических свойств линии передачи и ее конструктивного исполнения: 2С = (20/У0 )'/2; у = (20У0 )'/2, где Уо - вторичные параметры линии передачи.

Z0 = r0 + Y0 = Яо + J'0^

(2)

где г0, g0, Ь0, С0 - распределенные вдоль линии первичные погонные параметры: погонное сопротивление проводников линии, Ом/м; погонная проводимость между проводниками линии, См/м; погонная индуктивность, Гн/м; погонная емкость, Ф/м; ю -угловая скорость тока, рад/с; у - мнимая единица.

При идеализации первичных параметров в виде допущений г0 = 0, g0 = 0 вторичные параметры по (2) примут вид:

Z0 = JmLo'; Yo = JaC

(3)

Вслед за этим постоянная распространения и волновое сопротивление будут равны:

Y = V JmL0 JmC0 = jW L0C0 Z C = V JaL0¡ JaC0 = V L0¡ C0

(4)

(5)

С учетом (4) и (5) при гармонических и и I система (1) предстанет в виде:

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (137) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

[üX = LÜicos m^lL0C0 X - jijL0/C0 sin( 4L 0C0 x; l/X = -((4LJC0 )sinm^/L0C0x + cos(»^1L0C0x.

(6)

UX = Ü, cos(ßx) - jIlZC sin(ßx),

Ix = - j-ü- sm(ßx) + Д cos(ßx).

Z

(7)

В случае полуволновой идеализированной системы (7) преобразуются:

üx/2 = — cos(ß V2) - jilZC sin(ß V2) = -ü,,

U

hn = - jT^sin(ß V 2) + I, cos(ß V 2) = -/,.

(8)

üv4 = cos(ß V4) - j^jZс sin(ß V4) = - jZсI,,

ü

ü

= - jTT sin(ßV 4) + I cos(ßV 4) = - jzT ■

Z с Z с

(9)

ZC = 4Z0 / Y0 =

r0 + jmL° = rC + jxC = zCejv , (10)

V^0 + jmC0

где Тс - комплексное волновое сопротивление линии; гс - активная составляющая волнового сопро-

Учитывая, что 4 ¿о/С0 = 1/V, где V - фазовая скорость, м/с, волн тока и напряжения вдоль обмоток трансформаторов, получают для аргументов тригонометрических функций выражение С0 = = ю/V = в, рад/м, называемое фазовой постоянной распространения, а (6) преобразуется в

тивления; хс - реактивная составляющая волнового сопротивления; 2с - модуль волнового сопротивления, 2с =4гс2 + хс ; Ф - аргумент волнового сопротивления, ф = arctg(xс/rс).

В свою очередь постоянная распространения волны у будет равняться:

У = = 4(^0 + )(я0 + ]'тС0) = « + ¿в. (11)

Вещественная часть постоянной распространения а характеризует интенсивность затухания волны на единичном отрезке длины линии, а мнимая часть в характеризует изменение фазы волны на том же отрезке.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Произведение а/, дБ, определяет затухание волны на отрезке линии длиной /:

al = 20 lg (Üj Ü 2).

(12)

В промежутках между началом и концом полуволновой системы особого интереса заслуживает точка, отстоящая от начала на расстоянии х = А/4. В ней напряжение и ток могут быть вычислены исходя из (7) путем подстановки х = А/4:

Проведен эксперимент по передаче электроэнергии вдоль линии, выполненной стальным проводом диаметром ё = 3 мм и длиной 3 км. Линия смонтирована над землей на высоте 5 м. На передающей стороне в качестве питающего использован четвертьволновой резонансный трансформатор.

При анализе (9) выясняется, что при закороченном выходе ПВЛ системы (II2 = 0) ток в середине

линии (/у 4) становится равным нулю, на холостом

ходу ток в середине системы принимает максимальное значение. То обстоятельство, что в середине системы, т. е. непосредственно на передающей линии, если считать, что функции концов системы будут выполнять четвертьволновые резонансные трансформаторы, можно добиться существенного снижения тока (в идеале - ноль), явилось мотивацией исследований в этой области с целью снижения токовых потерь в проводах передающей линии.

К сожалению, на практике принятые выше условия идеализации первичных параметров ПВЛ не работают, т.е. (г0 = 0, я0 = 0). По этой причине

Рис. 2. Четвертьволновый резонансный трансформатор. В нижней части трансформатора размещена обмотка возбуждения (выполнена проводом в белой изоляции).

Стадия монтажа Fig. 2. Quarter-resonant transformer. Low-voltage winding is placed at the bottom of the transformer (white wire insulation). Installation step

Трансформатор (рис. 2) представляет собой вертикальную трубу из изоляционного материала с размещенными на ней последовательно соединенными секциями-катушками. Диаметр каркаса - 0,35 м (без

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 15 (137) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

C

сердечника), катушки-секции шириной 50 мм с промежутками между секциями также 50 мм. Число витков в секции - 100, число секций - 15. Провод обмотки трансформатора многожильный, медный с общим сечением жилы 0,25 мм2 в изоляции с электрической прочностью на постоянном токе 40 кВ. Высота трансформатора 2 м. На принимающей стороне применен трансформатор аналогичной конструкции. Нижние выводы высоковольтных резонансных обмоток обоих трансформаторов заземлялись. Верхние выводы подключались к передающей линии. ПВЛ питалась от преобразователя частоты (рис. 3) с номинальной мощностью 30 кВА. Диапазон рабочих частот преобразователя составляет от 50 до 20000 Гц. Форма напряжения на выходе - меандр. В связи с тем, что нагрузкой трансформатора является резонансная система, нет необходимости формировать на выходе преобразователя частоты синусоидальное напряжение, что существенно снижает коммутационные потери преобразования за счет снижения числа коммутаций в процессе преобразования.

Напряжение с выхода генератора через конденсатор подается на низковольтную катушку питающего четвертьволнового трансформатора. С помощью задающего независимого генератора частота переключения может изменяться в указанных выше пределах.

кВ; ЛП - линия передачи (воздушная), 3 км; Ди2 -датчик напряжения (с делителем) на выходе линии электропередачи, кВ; Ь3 - высоковольтная резонансная обмотка принимающего трансформатора, мГн; ДТ3 - датчик тока в заземляемом (низковольтном) выводе принимающего трансформатора, А; Ь4 - низковольтная обмотка принимающего трансформатора, мГн; С2 - конденсатор в составе низковольтной цепи нагрузки системы передачи, мкФ; ДТ4 - датчик тока в цепи нагрузки, А; иН - напряжение на нагрузке, В; Л1, Л2 - регулируемая нагрузка (лампы накаливания); Осцил. - многоканальный цифровой осциллограф; К - компьютер.

Рис. 4. Схема электрических соединений элементов полуволновой системы передачи электрической энергии Fig. 4. Connection scheme of elements of half-wave system of electricity transmission

На резонансной частоте 7 кГц при различных напряжениях питания иГ (50, 100, 150, 200, 250 В) сняты нагрузочные характеристики при включении 2, 4, 6, 8 и 10 ламп. При этом регистрировались параметры системы со всех датчиков.

Рис. 3. Генератор тока повышенной частоты (преобразователь частоты). Диапазон частот выходного тока - 50-20000 Гц, номинальная мощность 30 кВА. Стадия монтажа Fig. 3. Generator of the high frequency current. Frequency range of output current - 50-20000 Hz, nominal power - 30 kVA. Installation step

Точки измерения электрических параметров в ПВЛ показаны на рис. 4.

На рис. 4 иГ - напряжение на входе системы передачи, В; С1 - конденсатор в составе низковольтной цепи питания системы передачи, мкФ; Ь1 - низковольтная обмотка питающего трансформатора, мГн; ДТ1 - датчик тока в низковольтной цепи питания системы, А; Ь2 - высоковольтная резонансная обмотка питающего трансформатора, мГн; ДТ2 - датчик тока в заземляемом (низковольтном) выводе питающего трансформатора, А; Ди1 - датчик напряжения (с делителем) на входе линии электропередачи,

Рис. 5. Зависимость токов в заземляемых выводах резонансных трансформаторов от передаваемой мощности Fig. 5. The dependence of the current in the ground wires of the resonant transformers on the transmitted power

Из всего многообразия снятых в процессе эксперимента зависимостей наиболее интересными представляются следующие. Зависимость тока (рис. 5) в заземляемом выводе передающего резонансного

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (137) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

трансформатора (/01) от сопротивления нагрузки. Ток при изменении нагрузки от ХХ до КЗ сначала снижается до некоторого значения и после прохождения максимума мощности вплоть до режима короткого замыкания мало изменяется. При этом в принимающем трансформаторе ток в заземляемом выводе (/02) мало изменяется, но после прохождения минимума резко начинает возрастать. Токи в заземляемых выводах в своих минимумах сравниваются между собой по величине (/01 = /02). Такое поведение токов в заземляемых выводах резонансных обмоток объясняется тем, что в режиме достижения минимума токов система передачи электрической энергии проходит режим согласованного нагружения. При этом в нагрузку поступает максимум энергии, а сопротивление нагрузки оказывается равным волновому сопротивлению линии (2Н = 2с). Вдоль линии в этом режиме распространяется только бегущая волна, и вся энергия, развиваемая генератором, за исключением потерь в проводах линии и трансформаторов, передается нагрузке. На рис. 6 приведена зависимость токов в заземляемых выводах от сопротивления нагрузки в диапазоне от 8,0 до 40,0 Ом. Экстремум (минимум) токов находится в точке RH = 16 Ом. Некоторое несовпадение токов /м и 1()2 при экстремуме мощности на рис. 5 и рис. 6 связано с неточностями измерения.

распространения электромагнитной волны вдоль линии, см. (11). При неизменной длине линии, неизменной частоте питающего тока и при варьируемой величине нагрузочного сопротивления на конце ПВЛ отрезка входное сопротивление линии изменяется так же, как при изменении длины. Но есть и отличие. Оно состоит в том, что «кажущееся удлинение» линии происходит в фантомном представлении, и, как результат этого, при переходе величины нагрузки через точку 1Н = 2с изменяется фаза входного тока по отношению к напряжению. Перемещение рабочей точки по характеристике нагружения происходит из точки А в точку В (перемещение означает процесс постепенного увеличения Rн нагрузки при переходе из режима КЗ в режим ХХ). Затем траектория переходит на нижнюю ветвь - точка С - ПВЛ, разомкнутой на конце, и по этой характеристике уходит в точку D. При реальном увеличении длины входное сопротивление подчинялось бы нагрузочной характеристике ПВЛ, закороченной на конце, и, следовательно, из точки В двигалось бы в точку С . Слева от точки А изображена траектория рабочей точки при изменении нагружения от ХХ до КЗ линии длиной в одну четверть длины волны: из точки Е в точку F, перескок в G и затем в К.

Рис. 6. Зависимость токов в заземляемых выводах резонансных трансформаторов от сопротивления нагрузки Fig. 6. The dependence of the current in the ground wires of the resonant transformers on the load resistance

Объяснить суть происходящего можно с помощью графиков зависимости входного сопротивления (2вх) отрезка длинной линии от его длины (рис. 7).

На отрезке ОА размещена ПВЛ. Точками E и Ь обозначены концы линий четвертьволновой и в три четверти длины волны. Если увеличивать длину отрезка, не изменяя частоту питающего тока, то входное сопротивление полуволнового отрезка будет меняться по кривой тангенса от аргумента у/ при исходном состоянии сопротивления на конце линии -закоротка (режим КЗ) или по кривой арктангенса от у/ при исходном состоянии сопротивления на конце линии - разрыв (режим ХХ). Здесь у - постоянная

Рис. 7. Зависимость входного сопротивления

отрезка длинной линии от его длины Fig. 7. The dependence of the input resistance of the segment of a long line on its length

Таким образом, исследуемая система передачи электрической энергии демонстрирует «стремление удержать» ток в нагрузке на примерно одном уровне в широком диапазоне сопротивлений нагрузки от 6 Ом до 70-80 Ом за счет повышенного внутреннего сопротивления.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 15 (137) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Резонансная частота системы (7 кГц) оказалась существенно меньше резонансной частоты высоковольтной обмотки трансформатора (около 80 кГц). Снижение резонансной частоты произошло в результате сильного шунтирования высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов емкостью на землю проводника передающей линии. Вследствие этого высоковольтные обмотки утратили часть волновых свойств, и передача происходила в большей степени в режиме колебательного резонанса и лишь отчасти в режиме полуволнового.

Независимость тока в линии передачи дает возможность выбрать оптимальное сечение провода и, таким образом, резко снизить расход металла при создании линии передачи.

Выводы

1. Экспериментально исследована полуволновая линия электропередачи, выполненная стальным проводом диаметром 3 мм, длиной 3 км.

2. Выявлены основные особенности полуволнового режима передачи электрической энергии:

- слабая зависимость тока в линии при изменении нагрузки в широком диапазоне;

- рост напряжения на линии с ростом нагрузки;

- безаварийность режима короткого замыкания линии на землю;

- в линии создаются условия для оптимального использования сечения проводника линии.

3. При работе в динамичном нагрузочном режиме требуется обеспечивать автоматическое поддержание напряжения на выходе генератора тока повышенной частоты.

4. Система передачи электроэнергии сохраняла свои резонансные свойства, несмотря на шунтирующее влияние линии передачи на резонансные трансформаторы.

5. ПВЛ безразличны к качеству электроэнергии на входе системы передачи, что делает актуальным их использование для буферной передачи электроэнергии от возобновляемых источников энергии (солнечные батареи, ветрогенераторы) в существующие сети, а также при передаче электроэнергии на небольшие расстояния.

6. ПВЛ передачи требуют меньших капитальных вложений при своем внедрении и могут быть реализованы на элементной базе существующих сетей.

7. Экспериментальная резонансная линия передачи показала достаточно высокие параметры, несмотря на применение для электропередачи стального проводника.

8. С помощью полуволновых технологий возможно прямое питание (без промежуточной пускоре-гулирующей аппаратуры) потребителей электрической энергии с падающей вольт-амперной характеристикой: осветительная аппаратура с газоразрядными излучателями, аппаратура для электросварочных работ, электродуговые плавильные печи, генераторы озона, аппаратура для микродугового выращивания антикоррозионных, износостойких, тепло-проводящих, электроизолирующих покрытий на изделиях из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов.

9. Полуволновые технологии электропередачи могут быть применены для прямого питания высокоскоростных электрических двигателей.

Список литературы

References

1. Зильберман С.М. Обоснование схем и исследование режимов полуволновых связей Сибирь-Урал: Дис. ... канд. техн. наук. Сибирский НИИ энергетики, Красноярск, 2004.

2. Яворский В.В. Настройка линий нормальной частоты на полуволну для передачи больших мощностей // Электричество. 1932. № 11. С. 605-606.

3. Вульф А. А., Щербачев О.В. О нормальном режиме работы компенсированных линий с полуволновой характеристикой // Электричество. 1940. № 1. С. 57-62.

4. Зильберман С. М. Методические и практические вопросы полуволновой технологии передачи электроэнергии. Дис. . д-ра техн. наук. Сибирский НИИ энергетики, Красноярск, 2009.

5. Лысков Ю.И., Соколов Н.И. Характеристика мощных настроенных электропередач переменного тока // Электрические станции. 1963. № 4. С. 46-50.

1. Zil'berman S.M. Obosnovanie shem i issledovanie rezimov poluvolnovyh svazej Sibir'-Ural: Dis. ... kand. tehn. nauk. Sibirskij NII energetiki, Krasnoarsk, 2004.

2. Ávorskij V.V. Nastrojka linij normal'noj castoty na poluvolnu dla peredaci bol'sih mosnostej // Elektricestvo. 1932. № 11. S. 605-606.

3. Vul'f А.А., Serbacev O.V. O normal'nom rezime raboty kompensirovannyh linij s poluvolnovoj harakteristikoj // Elektricestvo. 1940. № 1. S. 57-62.

4. Zil'berman S.M. Metodiceskie i prakticeskie voprosy poluvolnovoj tehnologii peredaci elektroenergii. Dis. ... d-ra tehn. nauk. Sibirskij NII energetiki, Krasnoarsk, 2009.

5. Lyskov Ü.I., Sokolov N.I. Harakteristika mosnyh nastroennyh elektroperedac peremennogo toka // Elektriceskie stancii. 1963. № 4. S. 46-50.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (137) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

6. Самородов Г.И., Красильникова Т.Г., Зильбер-ман С.М., Яценко Р.А. Нетрадиционные электропередачи переменного тока повышенной надежности для передачи электроэнергии на дальние и сверхдальние расстояния // Энергетическая политика. 2003. Вып. 1. С. 39-47.

7. Трубников В.З. Полуволновые линии передачи электроэнергии на резонансных трансформаторах // Техника в сельском хозяйстве. 2009. № 6. С. 39-41.

8. Трубников В.З. Высокочастотные генераторы переменного тока для резонансных электрических систем // Ползуновский вестник. 2011. № 2/2. С. 167174.

9. Физические основы электротехники. Под об. ред. проф. д-ра техн. наук Поливанова К.М. М.-Л: Гос. энерг. изд-во, 1950.

6. Samorodov G.I., Krasil'nikova T.G., Zil'berman S.M., Acenko R.A. Netradicionnye elektroperedaci peremennogo toka povysennoj nadeznosti dlä peredaci elektroenergii na dal'nie i sverhdal'nie rasstoäniä // Energeticeskaä politika. 2003. Vyp. 1. S. 39-47.

7. Trubnikov V.Z. Poluvolnovye linii peredaci elektroenergii na rezonansnyh transformatorah // Tehnika v sel'skom hozäjstve. 2009. № 6. S. 39-41.

8. Trubnikov V.Z. Vysokocastotnye generatory peremennogo toka dlä rezonansnyh elektriceskih sistem // Polzunovskij vestnik. 2011. № 2/2. S. 167-174.

9. Fiziceskie osnovy elektrotehniki. Pod ob. red. prof. d-ra tehn. nauk Polivanova K.M. M.-L: Gos. energ. izd-vo, 1950.

Транслитерация по ISO 9:1995

с---* — TATA — (_XJ

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 15 (137) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.