CC BY
38Статья поступила в редакцию 06.02.13. Ред. рег. № 1540
The article has entered in publishing office 06.02.13. Ed. reg. No. 1540
УДК 621.31
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ РЕЗОНАНСНОЙ ОДНОПРОВОДНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Д.С. Стребков, Л.Ю. Юферев, О.А. Рощин
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РАСХН)
109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (499) 171-23-91, 8-903-688-67-61; е-mail: viesh@dol.ru, leouf@yandex.ru
Заключение совета рецензентов: 20.02.13 Заключение совета экспертов: 22.02.13 Принято к публикации: 25.02.13
Представлены результаты испытаний экспериментального образца резонансной однопроводной системы передачи электроэнергии на повышенной частоте на расстояние 2000 м. В качестве линии электропередачи использовалась кабельная линия электропередачи на основе коаксиального кабеля. Для сравнения была испытана та же линия электропередачи, работающая на частоте 50 Гц. Проведены замеры электромагнитных полей от незаэкранированной линии электропередачи. Рассмотрены преимущества резонансной системы по сравнению с однофазной системой, работающей на частоте 50 Гц.
Ключевые слова: передача электроэнергии по одному проводу, резонансная система передачи электроэнергии, преобразователь частоты, резонансный контур.
RESULTS OF TESTS OF RESONANT SINGLE-WIRE ELECTRIC POWER TRANSMISSION SYSTEM
D.S. Strebkov, L.Yu. Yuferev, O.A. Roschin
All-Russia Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture (GNU VIESH RAAS) 2, 1st Veshnyakovsky passage, Moscow, 109456, Russia Tel.: (499) 171-23-91; 8-903-688-67-61; e-mail: viesh@dol.ru, leouf@yandex.ru
Referred: 20.02.13 Expertise: 22.02.13 Accepted: 25.02.13
Results of tests of experimental resonant single-wire electric power transmission system 2000 m long on the increased frequency are presented. The coaxial cable power line was used. For comparison the same power line working at frequency of 50 Hz was tested. Measurements of electromagnetic fields from not screened power line were carried out. The advantages of the resonant system of an electricity transmission 50 Hz were discussed.
Keywords: resonant system of electric power transmission, frequency converter, resonant contour.
Дмитрий Семенович Стребков
Сведения об авторе: директор ГНУ ВИЭСХ, академик РАСХН, д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ.
Область научных интересов: энергетика и электрификация, возобновляемые источники энергии.
Публикации: 1200, в том числе 400 изобретений.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Леонид Юрьевич Юферев
Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент, докторант ГНУ ВИЭСХ.
Основной круг научных интересов: резонансные системы передачи электроэнергии, электротехнологии в сельском хозяйстве.
Публикации: 90.
Олег Алексеевич Рощин
Сведения об авторе: канд. техн. наук, докторант ГНУ ВИЭСХ.
Круг научных интересов: резонансные системы передачи электроэнергии. Публикации: 72.
Вопросы электроснабжения удаленных потребителей должны решаться на основе электрических систем нового поколения с использованием повышенной частоты, позволяющей создавать электрооборудование со значительно меньшими массогаба-ритными размерами, чем существующее оборудование, работающее на частоте 50 Гц. Для протяженных сетей особенно важно поставлять потребителю качественную электроэнергию, снижать затраты на строительство линий электропередач и потери в сетях [1-3].
В ГНУ ВИЭСХ с 1992 г. ведутся разработки резонансной системы передачи электрической энергии по однопроводниковой кабельной или воздушной линии на повышенной частоте [2, 3].
Разработками института заинтересовались предприятия Газпрома.
Совместная работа ученых ГНУ ВИЭСХ с железнодорожниками имеет давние традиции. Ученые ГНУ ВИЭСХ участвовали в решении таких проблем, как «Разработка методики определения несимметрии токов и напряжений и оценка ее влияния на устройства первичного электроснабжения и районных потребителей» 1956-1959 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 г. ГНУ ВИЭСХ совместно с ОАО «ВНИИЖТ», а также с представителями Департамента технической политики ОАО «РЖД», 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. Схема однопроводниковой системы передачи электроэнергии представлена на рис. 1.
Рис. 1. Резонансная однопроводная система передачи электроэнергии: 1 - преобразователь частоты; 2 - емкость резонансного контура повышающего трансформатора; 3 - резонансный контур повышающего трансформатора;
4 - однопроводная линия; 5 - резонансный контур понижающего трансформатора; 6 - емкость резонансного контура понижающего трансформатора; 7 - выпрямитель-инвертор; 8 - нагрузка; 9 - изолированная емкость Fig. 1. Resonant single-wire electric power transmission system: 1 - frequency converter; 2 - capacity of a resonant contour of the step-up transformer; 3 - resonant contour of the step-up transformer; 4 - single-wire line; 5 - a resonant contour of the step-down transformer; 6 - capacity of a resonant contour of the step-down transformer; 7 - rectifier-inverter; 8 - loading;
9 - the isolated capacity
Принцип работы резонансной однопроводной системы электропередачи (РОСЭ) основан на использовании двух резонансных трансформаторов с частотой 5-15 кГц и однопроводной линии между ними (рис. 1) 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 также меняется в несколько раз, что недопустимо при эксплуатации электрооборудования (рис. 2).
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Рис. 2. Зависимость выходного напряжения от нагрузки
в резонансной системе передачи электроэнергии Fig. 2. Dependence of output voltage on loading in resonant electric power transmission system
Для решения этой проблемы была разработана принципиально новая резонансная система передачи электроэнергии с использованием резонансных трансформаторов [5] (рис. 3 и 4).
Основными узлами передающего преобразователя напряжения (рис. 3) являются силовой выпрямитель УБ1, задающий генератор ЗГ, ключевой усилитель мощности УМ, резонансный трансформатор с емкостью ТР1-С1 и блок обработки сигналов БУ, имеющий функции автоматической подстройки частоты и регулировки напряжения.
Приемный преобразователь (рис. 4) состоит из приемного трансформатора ТР3, выпрямителя УЭ3, фильтра и инвертора со стандартным выходным напряжением.
Выход
г T = 5c
Преобразователь напряжения
Рис. 3. Электрическая схема передающего преобразователя напряжения Fig. 3. Electric circuit of the transferring converter
-220 В
Рис. 4. Электрическая схема приемного преобразователя Fig. 4. Electric circuit of the reception converter
Рис. 5. Блоки резонансной системы передачи электроэнергии Fig. 5. tamponents of resonant electric power transmission system
На данный момент изготовлен передающий преобразователь напряжения с выходной мощностью до 4000 Вт с номинальным выходным напряжением 980 В на частоте 7-9 кГц и обратный (приемный) преобразователь с выходным напряжением 220 В (рис. 5).
Из результатов испытаний (табл. 1, 2) видно, что с увеличением длины линии электропередачи мощность холостого хода увеличивается, что связано с увеличенной зарядной емкостью линии электропередачи.
Энергия, затрачиваемая на емкость линии электропередачи: ( = и^2%/С , что при напряжении 1000 В и частоте 7000 Гц составляет 5981 В-А.
Несмотря на это, падение напряжения в кабельной линии длиной 2005 метров при мощности нагрузки 2810 Вт составило 58 В (табл. 1), при этом суммарное сопротивление кабеля составляло 53 Ом (табл. 2).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Таблица 1
Результаты испытаний резонансной системы передачи электроэнергии с кабелем РК75-7-12 и заземлением передающего блока
Table 1
Results of testing of resonant electric power transmission system with grounding of the transferring
block and cable RK-75-7-12
Передающий преобразователь напряжения Линия электропередачи Обратный преобразователь напряжения
Провод РК-75 м Ü ® m <u Резонансная частота, кГц Ток провода, А На выходе
ё Л « 8 s & i оо l=¡ § Выходное напряжени В.В. Н.В. Емкость, нФ, Напряжение входное, В напряжение, В ток, А мощность, Вт КПД, %
15 400 1000 6,9 0,5 380 - - -
15 3390 1030 7,4 0,5 242 12,72 3080 91
880 437 1027 6,74 60 437 - - -
880 3370 1028 7,01 60 230 12,4 2850 85
2005 1130 1020 6,55 1,5 0,78 136 1153 431 - - -
2005 3820 1088 6,7 3,3 3,2 136 1030 226 12,4 2810 74
Характеристики кабельной линии электропередачи Characteristics of a cable power line
Таблица 2 Table 2
Кабель РК75-7-12, м Сопротивление центральной жилы, Ом Сопротивление провода экрана, Ом Емкость провод-экран, нФ Индуктивность кабеля в катушках, мГн
170 3,2 1,1 11,4 4,52
710 14,0 5,0 48,0 65,5
1125 21,5 8,2 76,6 140,0
2005 38,7 14,3 136,0 Сум. сопр.=53 Ом
Рис. 6. Широкополосные трансформаторы 220/900 В Fig. 6. Broadband transformers 220/900 V
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 gr-j © Научно-технический центр «TATA», 2013
Для сравнения эффективности резонансной системы передачи со стандартной системой 50 Гц было подготовлено 2 одинаковых трансформатора 220/950В, подключенных к такой же линии электропередачи на основе кабеля РК75-7-12 длиной 2005 м (рис. 6).
Рис. 7. Двухпроводная замкнутая схема с двумя трансформаторами, работающими на частоте 50 Гц Fig. 7. Two-wire closed circuit with two 50 Hz transformers
Схема подключения - замкнутая, 2-проводная, с частотой 50 Гц (рис. 7).
По закону Ома падение напряжения в конце линии на выходном трансформаторе равно и пад. = = РЯ/илин; и пад. = 3000-53/900 = 176,7 В.
Фактически падение напряжения составило 178 В (906-728=178) при мощности нагрузки 2300 Вт. Результаты измерений представлены в табл. 3.
Для доказательства того, что в качестве второго провода в резонансной системе электропередачи не используется «земля», приемный обратный преобразователь не «заземлялся» в соответствии со схемой Н. Тесла (Патент 593.138 от 1897 г.), а подключался к естественной емкости (рис. 1).
При подключении приемного преобразователя к высоковольтному изолированному подземному кабелю ПВВ-1 длиной 600 метров, передаваемая мощность составила 2800 Вт, при этом сопротивление кабеля относительно земли составило 35 Мом (табл. 4).
Таблица 3
Результаты испытаний линии электропередачи 50 Гц Results of tests of 50 Hz power line
„ОиЧ
Table 3
Ж
Повышающий трансформатор Понижающий трансформатор
Провод РК-75 м Напряжение входное, В Потребляемая мощность, Вт Выходное напряжение, В Ток линии электропередачи, А Напряжение, В Выходная мощность, Вт КПД, %
Ток, А входное выходное Ток, А
222 - 120 945 944 - - - -
2005 222 8,05 1800 928 828 195 7,7 1500 81
221 11,7 2600 918 2,73 780 182 11,4 2100 80
218 13,9 3010 906 3,33 728 170 13,5 2300 78
Таблица 4
Результаты испытаний резонансной системы передачи электроэнергии с кабелем ПВВ-1, заземленным передающим блоком и обратным преобразователем, подключенным к изолированным объектам, используемым в качестве емкости
Results of tests of resonant electric power system with the earthed transferring block and the inverter connected to isolated objects
Table 4
Линия электропередачи, м Передающий преобразователь напряжения Линия электропередачи Приемная емкость Обратный преобразователь напряжения
Выходное напряжение, В Резонансная частота, кГц Сопротивление провода, Ом Сопротивление заземления, кОм Емкость заземления, нФ Напряжение выходное, В Нагрузка, Вт Приемная емкость
160 1020 7,2 3,5 500 * 200 1750 Забор с сеткой-рабицей
160 1030 7,1 3,5 15 * 160 1530 Колодец
160 1027 7,3 3,5 35000 80 180 2800 Изолированный провод ПВВ-1, закопанный в землю
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Расчет мощности, передаваемой по одному проводу на незаземленную нагрузку (без учета емкости между потребителем и землей) [3]:
P =
U
mLR
mLR
1
mL + R \mL + R mC
R'
где ю = 2nf - круговая частота; U - напряжение на линии электропередачи, В; L - индуктивность первичной обмотки обратного преобразователя, Гн; С -собственная емкость потребителя, Ф; R - приведенное сопротивление потребителя, Ом; R = R^^, где птр - коэффициент трансформации приемного трансформатора, Rн - сопротивление нагрузки.
В процессе исследования работы резонансной системы передачи электрической энергии при напряжении в линии 910 В на частоте 7 кГц, было установлено, что при присоединении низковольтного конца высоковольтной катушки приемного трансформатора к вбитому в землю электроду шаговое напряжение на сырой земле после дождя не появляется, а в сухой земле на расстоянии 0,5 м от электрода шаговое напряжение составило 8 В.
Кроме отмеченных энергосберегающих эффектов, было выявлено еще одно положительное свойство резонансной линии путем демонстрации интересного опыта: испытатель касался оголенного конца высоковольтной линии (980 В) очищенным от кожуры яблоком. При этом между яблоком и контактом загоралась дуга около 5 мм, но человек, держащий яблоко, не испытывал каких-либо неприятных ощущений под влиянием высокочастотного электрического тока.
Таблица 5
Результаты измерения электромагнитных полей
Table 5
Results of measurement of electromagnetic fields
№ точки измерения Напряженность электрического поля, В/м Плотность магнитного потока, мкТл
500 (ПДУ) 62,59 (ПДУ)
1 150 1,7
2 120 0,9
3 100 0,6
Результаты измерений максимальных значений напряженности переменных электрического и магнитного полей на рабочих местах персонала в полосе частот 2-400 кГц в 3-х точках вдоль линии резонансной однопроводной системы, подвешенной в воздухе, приведены в табл. 5. Измерения проводились на высоте 0,7; 1,5 и 2 м от пола.
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 предельно-допустимого уровня (ПДУ) на рабочих местах персонала, равного 500 В/м, а максимальные значения переменного магнитного поля в диапазоне частот 2400 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 91% (табл. 1).
2. Большая потребляемая мощность резонансной системы передачи через кабель РК75-4-12 длиной 2000 м без нагрузки и уменьшение КПД под нагрузкой связано с большой емкостью кабеля 0,136 мкФ, что соответствует реактивной энергии около 6000 кВ-А, однако это не сказывается на падении напряжения в линии электропередачи. Есть предположение, что при использовании воздушной линии электропередачи, у которой существенно меньшая емкость, эта энергия уменьшится в 10-20 раз, что повысит общий КПД при большой длине линии электропередачи.
3. Показана возможность передачи электроэнергии по одному проводу мощностью 2800 Вт без заземления приемного блока.
4. При испытаниях системы передачи электроэнергии с аналогичным напряжением линии электропередачи на частоте 50 Гц падение напряжения в линии электропередачи при мощности 2100 Вт составило 178 В, а КПД передачи составило 80%.
5. Резонансная линия безопасна, не создает шагового напряжения.
6. Снижение падения напряжения в резонансной линии электропередачи и характер протекания тока в проводах отличаются от стандартной замкнутой системы электропередачи и требуют дальнейшего изучения.
Список литературы
1. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009.
2. Стребков Д. С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. Изд. 3-е. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008.
3. Юферев Л.Ю., Стребков Д.С., Рощин О.А. Экспериментальные модели резонансных систем электрической энергии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010.
4. Вопросы советской науки. «Электрификация транспорта на переменном токе промышленной частоты повышенного напряжения». М.: Изд-во АН СССР, 1957. С. 35.
5. Патент РФ № 2 423 772. Способ и устройство передачи электрической энергии (варианты) / Юферев Л.Ю., Стребков Д.С. // БИ. 2011. № 19.
6. Чистяков Н.И., Жаров В. Д. Радиотехника. М.: Военное издательство Минобороны СССР, 1953. С. 161.
Г'-": — TATA — LXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 CQ © Научно-технический центр «TATA», 2013 4.7
