Презентация: Полуволновая передача энергии по однопроводным линиям

Введение

Изначально предпосылками к исследованиям в данной области послужили работы Н. Теслы, в которых он указывает на возможность передачи энергии по одному проводу. Многочисленные публикации на эту тему породило множество толкований и легенд, реальная ситуация выглядит следующим образом – только часть уникальных изобретений Теслы действительно удалось повторить и реализовать на практике, в частности в данной работе.

Возможность применения полуволновых линий электропередач в резонансном режиме в России изучали ещё в первой половине прошлого века [1]. Наиболее подробно рассмотрена эта проблема исследователями СибНИИЭ, которые обнаружили   некоторые принципиальные особенности полуволновых передач [2].  Работа заключалась в экспериментальной проверке и уточнении ряда свойств полуволновых линий. Были установлены особенности полуволновых линий электропередач, в частности увеличение пропускной способности линии до 3,5 P_нат (натуральная мощность) при  малом возрастании потерь, повышение КПД, квазипостоянство тока в середине полуволновой линии. Данными работами занимались также, Александров Г.Н/ [3], А.А. Зевин [4] и другие.

Теоретический и экспериментальный вклад в развитие полуволнового способа передачи электроэнергии внёс Зильберман С.М. [5], объектом исследований которого являются электропередачи полуволнового типа высокого напряжения, предназначенные для транспорта больших потоков мощности и электроэнергии на расстояния 2000 — 4000 км.

В данной работе предлагается синтезировать предыдущие наработки в области реально существующего полуволнового способа передачи энергии с некоторыми принципиальными особенностями, делающими возможность передачу энергии более эффективном способом на средние расстояния (10 – 300 км).

Описание

Система передачи электроэнергии состоит из трёх основных частей, как показано на рис.1. Передающая часть — четвертьволновый вибратор с заземлённым низкопотенциальным выводом, пространственно-протяжённая часть — проводниковая часть системы длиной l (расстояние между передающей и принимающей частями). принимающая часть — полный аналог передающей части, включённой зеркально, четвертьволновые вибраторы — это трансформатор Тесла [6]. В областях пучностей тока четвертьволновых вибраторов размещены обмотки накачки энергии на передающей стороне и слива её на принимающей стороне.

Рис. 1. Схема полуволновой системы передачи электроэнергии на трансформаторах Тесла: Г, Н – питающий генератор и нагрузка полуволновой системы; L1, L4 – накачивающая и сливная катушки системы передачи; L2, L3 — передающая и принимающая высоковольтные катушки трансформатора Тесла.

Рассмотрим подробнее структуру системы передачи электроэнергии. Высоковольтная обмотка трансформатора Тесла с заземлённым низкопотенциальным выводом выполняет две функции: повышение силы тока в области пучности тока, т.е. на входе, и повышение напряжения в области пучности напряжения, т.е. на выходе. Обмотка представляет собой четвертьволновой отрезок, выполненный в виде спиральной намотки. Два встречно включённых трансформатора Тесла, соединённые высоковольтной линией l, образуют передающую полуволновую систему с заземлёнными с двух сторон низкопотенциальными выводами.

Через питающую первичную обмотку накачки возбудим описанную полуволновую систему на частоте полуволнового резонанса. Между заземлениями возникнет полуволновая стоячая волна с пучностью напряжения в середине системы (т.е. на высоковольтной линии длиной l) и пучностями тока на концах системы, (т.е. в областях накачки и слива энергии). Если обеспечить такое соотношение скоростей распространения электромагнитной энергии вдоль повышающих катушек трансформатора Тесла и вдоль проводниковой части системы, чтобы на трансформаторах уложилось, например, 85% полуволны, то на высоковольтной линии будут укладываться остающиеся 10 %.

Вдоль всей системы передачи, образованной передающей высоковольтной катушкой, высоковольтной линией и принимающей высоковольтной катушкой (т.е. между заземлёнными низкопотенциальными выводами), естественно, уложится вся половина длины волны (рис. 2) [7]. При этом вдоль высоковольтной передающей линии l напряжение будет оставаться практически одинаковым (из-за слабой зависимости функции синуса от угла в области аргумента, близкого к π/2).

Таким образом, передающая линия окажется в пучности напряжения под практически неизменным его значением вдоль всей длины. Низкопотенциальные части обеих катушек окажутся в областях пучностей тока, в этих же областях размещаются, как указывалось, катушки накачки и слива (низковольтные обмотки трансформаторов Тесла).

Рис. 2. Эпюры напряжений и токов вдоль полуволновой системы передачи электроэнергии: h – длина катушки; l – длина передающей линии. Г, Н – питающий генератор и нагрузка полуволновой системы; L1, L4 – накачивающая и сливная катушки системы передачи; L2, L3 — передающая и принимающая высоковольтные катушки трансформатора Тесла.

Эпюры на рис.2 развёрнуты вдоль электрических углов стоячих волн напряжения и тока.

В результате в полученной системе, области с переменным значением тока сосредоточены в трансформаторах, а область с низким значением тока и высоким значением напряжения размещена на проводниковой части передающей системы (на линии l).

Описанный вариант реализации передающей системы показывает, что возможны способы передачи, принципиально отличающиеся от широко используемых способов и обладающие рядом особенностей и преимуществ.

 Особенности и преимущества

1.Существует независимый фазовый сдвиг между напряжениями по концам линии от передаваемой мощности. То есть в полуволновой линии независимо от передаваемой мощности фазовый сдвиг по концам линии всегда составляет 180⁰ (напряжения в противофазе).

2.По критерию статической устойчивости полуволновая линия ведёт себя как линии нулевой длины. То есть, в случае работы электростанции на нагрузку через полуволновую линию предельная мощность по критерию статической устойчивости определяется параметрами самой электростанции, как в случае линии нулевой длины.

3.Полуволновая линия по способу изменения потока активной мощности идентична линии постоянного тока. То есть, в полуволновой линии, как и в линии постоянного тока, величина передаваемой мощности может изменяться только за счёт регулирования перепада напряжения по концам линии.

4.Полуволновая линия 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.

5.Прямопропорциональная зависимость напряжения в середине линии от передаваемой мощности находится в прямом противоречии с поведением напряжении в середине обычных линий, где колебание напряжения составляет всего несколько процентов при изменении передаваемой мощности в широких пределах (от нуля до натуральной и более), причём повышение напряжения происходит при холостом ходе.

6.У полуволновой линии напряжение в середине линии повторяет диапазон изменения передаваемой мощности.

7.При расчёте пропускной способности линий вместо критерия устойчивости руководствуются допустимым уровнем напряжения в средней части линии, то есть по наибольшему рабочему напряжению.

8.Появляется возможность шунтирования полуволновой линии 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 полуволновых линий в нормальных и аварийных режимах.

9.Полуволновые линии безразличны к качеству электроэнергии на входе, что делает актуальным их использование для буферной передачи электроэнергии от возобновляемых источников энергии в существующую сеть.

10.Существует возможность передачи энергии одному проводу. Механизм передачи не противоречит законам физики, а является прямым следствие вышеперечисленных режимов работы.

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

Резюме

Полуволновые методы передачи энергии по одному проводу обладают следующими практическими преимуществами по сравнению с традиционными способами передачи электроэнергии:

1. Передача электрической мощности по проводам существенно меньшего диаметра, что делает такой способ уже более экономичным.
2. Возможность использования однопроводной передачи электрической энергии. Данная возможность позволяет решать ряд специальных задач (космос, питание аэростатов и д.р.).
3. Линия обладает значительно большей устойчивостью в работе. Такой способ требует меньшего оборудования, поддерживающего стабильность работы, кроме того обслуживание сети упрощается.
4. Повышенная электробезопасность линии. Возможность создавать режимы, где  полностью отсутствует опасность короткого замыкания.
5. Эффективность и возможность передачи электроэнергии полуволновым способом на средние расстояния, данный способ требует меньших капитальных затрат, более прост в развёртывании.

Количественные оценки экономической эффективности внедрения данной технологии на практике могут быть получены только после проведения дополнительных исследований. По предварительным оценкам данный способ передачи электроэнергии более экономичен и технически целесообразен для специальных задач передачи энергии на средние расстояния (10 — 300 км).

 Список литературы

1. Вульф А.А. Проблема передачи электроэнергии на сверхдальние расстояния по компенсированным линиям. – М.: Госэнергоиздат, 1941.
2. Соколов Н.И., Соколова Р.Н. Возможности применения полуволновых линий электропередачи повышенной частоты. // Электричество – 1999 — № 2. C. 1-27.
3. Александров Г.Н., Дардеер М.М. Длинная линия электропередачи между Конго и Египтом с использованием управляемых шунтирующих реакторов. // Электричество – 2008 — № 3. C. 9-17.
4. Повышение эффективности электросетевого строительства / А.А. Зевин, и др.; под ред. Н.Н. Тиходеева. – Л.: Энергоатомиздат, 1991. – 240 с.
5. Зильберман С. М. Методические и практические вопросы полуволновой технологии передачи электроэнергии, тема докторской диссертации и автореферата по ВАК 05.14.02.
6. Пат. США № 593138 от 02.11.1897 г.
7. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 3-е, перераб. и доп.-М.: ВИЭСХ, 2008. – 352 с.
8. В.З. Трубников, инж., ГНУ ВИЭСХ. Полуволновые линии передачи электроэнергии на резонансных трансформаторах. // Техника в сельском хозяйстве – 2009, №6