CC BY
28ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ
Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1658 The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1658
УДК 621.311
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ РЕЗОНАНСНОЙ ОДНОПРОВОДНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Л.Ю. Юферев, О.А. Рощин, Д.В. Александров
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ. Тел.: (499)171-19-20, факс: (499) 170-51-01, e-mail: leouf@ya.ru
Заключение совета рецензентов 03.06.13 Заключение совета экспертов 05.06.13 Принято к публикации 06.06.13
Представлены результаты испытаний экспериментального образца резонансной однопроводниковой системы передачи электроэнергии на повышенной частоте на расстояние 2000 м.
В качестве линии электропередачи использовалась кабельная линия электропередачи на основе коаксиального кабеля. Проведены замеры электромагнитных полей от незаэкранированной линии электропередачи.
Рассмотрены преимущества резонансной системы по сравнению с однофазной системой, работающей на частоте 7000 Гц.
Ключевые слова: однопроводная резонансная система, передача электроэнергии, преобразователь частоты, резонансный контур.
TEST RESULTS OF RESONANT SINGLE-WIRE ELECTRIC POWER TRANSMISSION SYSTEM
L.Yu. Yuferev, O.A. Roshin, D.V. Aleksandrov
All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. 171-19-20; e-mail: leouf@ya.ru, www.viesh.ru
Referred 03.06.13 Expertise 05.06.13 Accepted 06.06.13
Results of tests of experimental resonant single-wire electric power transmission system of 2000 m long on the increased frequency are presented.
The coaxial cable power line was used.
Measurements of electromagnetic fields from unscreened power line were carried out. The advantages of the resonant system of an electricity transmission 7000 Hz are discussed.
Keywords: single-wire resonant system, electric power transmission, frequency converter, resonant contour.
^^^^ Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, кандидат технических наук, доцент, докторант.
j I Область научных интересов: резонансные системы передачи электроэнергии,
электротехнологии в сельском хозяйстве.
Публикации: 90.
Леонид Юрьевич Юферев
Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, кандидат технических наук, докторант. Область научных интересов: резонансные системы передачи электроэнергии. Публикации: 72.
Олег Алексеевич Рощин
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, аспирант.
Область научных интересов: резонансные системы передачи электроэнергии,
электротехнологии.
Публикации: 3.
Даниил Владимирович Александров
В ГНУ ВИЭСХ с 1992 г. ведутся разработки резонансной системы передачи электрической энергии по однопроводниковой кабельной или воздушной линиям на повышенной частоте [2, 3]. Разработками института заинтересовались предприятия Газпрома.
Совместная работа ученых ГНУ ВИЭСХ с железнодорожниками имеет давние традиции. Учёные ГНУ ВИЭСХ участвовали в решении таких проблем как: «Разработка методики определения несимметрии токов и напряжений и оценка её влияния на устройства первичного
электроснабжения и районных потребителей» 19561959 гг.; «Теоретическое обоснование выбора наиболее целесообразных схем первичного и тягового электроснабжения» 1957-1958 гг.; «Исследования кривой тока и напряжения и их воздействия на систему первичного электроснабжения на электровозах с ионными преобразователями, разработка мероприятий по снижению гармоник и их вредного воздействия на работу электроснабжения и нетяговых потребителей» 1957-1959 гг. [4].
В 2012 году ГНУ ВИЭСХ совместно с ОАО «ВНИИЖТ», а так же с представителями Департамента технической политики ОАО «РЖД» и Главного управления электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД», и ООО «Промавтоматика» провел исследования и испытания резонансной однопроводниковой системы передачи электрической энергии мощностью 2,5 кВт.
Принцип работы резонансной однопроводной системы электропередачи (РОСЭ) основан на использовании двух резонансных трансформаторов с частотой 5... 15 кГц и однопроводной линии между ними с напряжением линии 1.10 кВ при работе в резонансном режиме.
Резонансные трансформаторы состоят из силового резонансного контура и
повышающей/понижающей обмотки.
Резонансные системы обеспечивают высокую эффективность передачи энергии при настройке всей системы на определенные параметры напряжения, частоты и нагрузки. Однако современный энергопотребитель имеет меняющуюся во времени нагрузку, при этом выходное напряжение на приемной стороне так же меняется в несколько раз,
при
эксплуатации
что недопустимо электрооборудования.
Для решения этой проблемы была разработана принципиально новая резонансная система передачи электроэнергии с использованием резонансных трансформаторов [5], которая (рис. 1) состоит из: слева-направо - измерительного устройства, передающего преобразователя напряжения, приемного (обратного) преобразователя напряжения, блока дополнительной нагрузки (ограничитель напряжения) и инвертора со стандартным выходным напряжением 220 В 50 Гц.
Рис. 1. Комплект оборудования для передачи
электроэнергии в резонансном режиме Fig. 1. ^mponents of resonant electric power transmission system
Комплект оборудования работает на частоте 79 кГц и при напряжении в линии электропередачи 980 В позволяет передавать электроэнергию по однопроводной линии электропередачи мощностью до 3000 Вт на расстояние до 2 км.
Блок дополнительной нагрузки (рис. 1) предназначен для компенсации резонансных явлений в длинных линиях электропередачи во время работы приемного оборудования без нагрузки. При появлении нагрузки этот блок автоматически отключается.
Испытания комплекта оборудования проводились сотрудниками ОАО «ВНИИЖТ», ОАО «НИИАС» и ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии в соответствии с Программой и методикой испытаний системы передачи электрической энергии по однопроводной линии в резонансном режиме на опытном участке «Экспериментального кольца Щербинка», от 29.06.2012 г.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Таблица 1
Результаты измерения основных технических характеристик резонансной системы передачи электроэнергии на холостом ходу и при максимальной нагрузке с использованием воздушной
линии электропередачи
Table 1
Measurement results of basic technical characteristics of resonance transmission system at idle and
maximum load regimes using air power lines
Вариант нагрузки Напряжение ПН (вых.)/ОП (вх.), В Мощность, потр. ПН, из сети, Вт Напряжение на выходе ОП, В Ток на выходе ОП, А Частота кГц Напряжение на выходе инвертора, В Выходная мощность, Вт
ХХ с ограничителем 950 488 - - 6,88 - -
6 тенов по 500 Вт + 2 лампы по 100 Вт 950/890 3100 185 14 7,2 219 2590
При передаче мощности 2590 Вт по однопроводной линии общий КПД составил 83%.
Таблица 2
Определение влияния качества заземления приемного преобразователя на максимальную
передаваемую мощность
Table 2
Determination of quality influence of receiving transducer grounding on maximum transmitted power
Вариант Напряжение выходное Мощность, потребляемая Напряжение входное Напряжение на выходе ОП, В Ток на выходе ОП, А Частота Выходная мощность, Вт
заземления передающего блока, В 11Н, из сети, Вт приемного блока, В кГц
Стандартное заземление 950 3100 890 185 14 7,2 2590
4 Ом
Проволока
закопанная длиной 940 2990 830 176 11,4 7,14 2007
2...4 м
Проволока закопанная 960 1800 750 174 5,6 7,0 974
длиной 0,2 м
без заземления 920 290 50 15 0,62 7,0 9,4
Рис. 2. Размещение передающего оборудования Fig. 2. Transmitting equipment
Из этого эксперимента видно, что даже при минимальном заземлении приемного
преобразователя можно передать электроэнергию мощностью около одного киловатта.
В результате испытаний подтверждена возможность применения резонансной
однопроводной системы передачи электрической энергии на частоте около 7 кГц для передачи электрической энергии мощностью до 3 кВт от стационарной системы электроснабжения (трехфазное напряжение 380 В переменного тока частотой 50 Гц с заземленной нейтралью) к однофазной нагрузке, и заземленным обратным преобразователем на индивидуальный заземлитель:
- нестабилизированным выпрямленным
постоянным напряжением в диапазоне 170-339 В (может быть использовано для обогревательных приборов и освещения);
62
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
1SJAI
- стабилизированным однофазным напряжением ~220 В переменного тока частотой 50 Гц (может быть использовано для типовых однофазных потребителей электроэнергии ~220 В) при комплектации системы передачи электрической энергии инвертором постоянного напряжения в стабилизированное однофазное напряжение переменного тока частотой 50 Гц (в испытаниях инвертор организован на базе источника бесперебойного питания серийного производства Power-Vision Black). В дальнейшем может быть разработан специальный инвертор, позволяющий получать как однофазное напряжение ~220 В, так и трёхфазное напряжение ~380 В.
Рис. З. Размещение приемного оборудования Fig. З. Receiving equipment
Как и во всех статических преобразователях электрической энергии КПД резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии растет с увеличением мощности нагрузки. КПД непосредственно преобразовательного оборудования при максимальной его нагрузке может достигать 88-91%.
Резонансную однопроводную систему передачи электрической энергии после выполнения соответствующих проектно-конструкторских работ можно будет использовать в качестве резервной для питания удаленных линейных объектов связи, сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), а также путевого инструмента. Возможно использование резонансной однопроводной системы для передачи электрической энергии объектам, электроснабжение которых традиционными системами электроснабжения на постоянном и
переменном токе по техническим и экономическим причинам нецелесообразно.
В ходе выполнения работ в рамках собственной инициативы ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии было проведено сравнение резонансной системы передачи электроэнергии мощностью 3000 Вт с напряжением в линии электропередачи 980 В, работающей на частоте 7000 Гц с системой передачи электроэнергии на повышенной частоте с аналогичными характеристиками 3000 Вт, 980 В и 7000 Гц. Целью эксперимента было сравнение передаваемой мощности на расстояние 1000 м по экранированному коаксиальному кабелю типа РК-75.
Так как электрическая ёмкость кабеля составила 60 нФ, энергия, затрачиваемая на «раскачивание» этой емкости, составила:
Q = U ]2я-f - C,
около 2530 ВА.
Так как емкость линии электропередачи в резонансной системе входит в состав резонансного контура, применение этого кабеля в качестве линии электропередачи только немного уменьшило резонансную частоту, и передаваемая мощность составила 2500 Вт. Однако для системы передачи электроэнергии на повышенной частоте эта емкость являлась реактивной нагрузкой и передаваемая мощность составила лишь 750 Вт.
Результаты измерений максимальных значений напряжённости переменных электрического и магнитного полей на рабочих местах персонала в полосе частот 2 кГц-400 кГц в 3-х точках вдоль линии электропередачи, подвешенной в воздухе на высоте 3 м представлены в таблице 3. Измерения проводились на высоте 0,7 м, 1,5 м и 2 м от пола и приведены в таблице:
Таблица 3
Результаты измерения магнитного и электрического поля
Table 3
Measurement results of magnetic and electric fields
Напряженность Плотность
№ точки электрического магнитного
измерения поля (В/м) потока (мкТл)
500 (ПДУ) 62,59 (ПДУ)
1 150 1,7
2 120 0,9
3 100 0,6
Оценка результатов измерений представлена в соответствии с действующими в России СанПиН 2.2.4.1191-03 и СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03.
По результатам измерений установлено, что максимальные значения переменного электрического поля в диапазоне частот 2-400 кГц составили величину 100-150 В/м, что значительно ниже
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
предельно допустимого уровня (ПДУ) на рабочих местах персонала, равного 500 В/м и максимальные значения переменного магнитного поля в диапазоне частот 2-400 кГц составили величину 0,6-1,7 мкТл, что также значительно ниже ПДУ на рабочих местах персонала, равного 62,5 мкТл.
Выводы
1. КПД оборудования резонансной системы передачи электроэнергии составляет более 80%.
2. Показана возможность передачи электроэнергии по одному проводу мощности 2000 Вт с применением индивидуального заземления приемного преобразователя.
3. При сравнительных испытаниях резонансной системы передачи электроэнергии с аналогичным напряжением линии электропередачи на частоте 7000 Гц максимальная передаваемая мощность составила 2500 Вт против 750 Вт.
4. Резонансная линия безопасна, не создаёт шагового напряжения, а уровень электромагнитных полей удовлетворяет требованиям СанПиН.
Список литературы
1. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009. 36 с.
2. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. Изд. 3-е. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. 350 с.
3. Юферев Л.Ю., Стребков Д.С., Рощин О.А. Экспериментальные модели резонансных систем электрической энергии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. 208 с.
4. Вопросы советской науки. «Электрификация транспорта на переменном токе промышленной частоты повышенного напряжения» М.: Издательство АН СССР, 1957. С. 35.
5. Патент РФ № 2 423 772. Способ и устройство передачи электрической энергии / Юферев Л.Ю., Стребков Д. С. // БИ. 2011. № 19.
64
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
1SJAI
