регулятор реактивной мощности Компенсация реактивной мощности, УКРМ
По всем вопросам пишите и звоните: E-mail: ukrm2014@gmail.com  моб:8-987-961-7173  Skype: ukrm2010  
Что, где и почем?
Индикаторы ЕЭС

Системный оператор Единой энергетической системы

Авторизация !





Забыли пароль?
Вы не зарегистрированы. Регистрация
Оборудование для ФСК ЕЭС
Реестр №2 ФСК ЕЭС
Реестр №2 ФСК ЕЭС
Статистика сайта
Участников: 5494
Новостей: 381
Ссылок: 200
посетителей: 3577493
Последние новости
 
Главная
Качество электроэнергии и энергосбережение
    Нормативные документы по качеству электроэнергии и энергосбережению             Производители приборов - анализаторов электросети             Энергоаудит, консалтинг и инжиниринг             Библиография и глоссарий     
Материалы XII Международной конференции ТРАВЭК (20-21 марта 2012г.). Версия для печати Отправить на e-mail
01.04.2012
ImageАлиев И.И., Стребков Д.С.
ГНУ Всероссийский институт
электрификации сельского хозяйства

Перспективы применения резонансных однопроводных систем в электроэнергетике

      Резонансная однопроводная система для передачи электроэнергии по одному проводу (РО ЛЭП) состоит из передающего и приемного модифицированных трансформаторов Теслы (ТТ), настроенных на единую резонансную частоту, высоковольтные выходы которых соединены одним проводом (собственно линией передачи).          

      Передача энергии в таких системах осуществляется на повышенной частоте в пределах 1- 50 кГц. РО ЛЭП включает: источник электрической энергии, преобразователь частоты ПЧ1, резонансный контур (С1, Т1), собственно однопроводную ЛЭП (как правило, в виде одножильного высоковольтного кабеля) ОЛ, приемный резонансный контур (С2, Т2), преобразователь частоты ПЧ2, к которому присоединяется одно- или трехфазная нагрузка (Рис.1):


Image

 

      Источник электроэнергии – обычная трехфазная сеть, либо, в автономных системах, генератор переменного тока повышенной частоты. ПЧ1 служит для преобразования напряжения промышленной частоты в напряжение повышенной частоты. Резонанс по основной моде наступает для ТТ в экспериментальной РО ЛЭП, действующей в Институте, для передачи мощности 30 кВт при частоте 3,86 кГц. Добротность ВВ обмотки составляет 17,5. ТТ с такой добротностью при относительно невысоком напряжении (7 кВ) позволяет передавать вдоль одного провода мощность до 50 кВт. Передаваемая мощность в данной установке ограничена лишь ресурсом используемого в данной установке преобразователя частоты передающего ТТ. На рис.2 представлены передающий и приемный ТТ на 30 кВт. ТТ включает вторичную обмотку, намотанную на неметаллический каркас одножильным высоковольтным кабелем сечением 1мм2 в несколько слоев. Конец ВВ обмотки ТТ выведен при помощи изолятора, начало, имеющее нулевой потенциал, остается свободным, или может быть заземлено, что с точки зрения передачи энергии не имеет значения, но полезно с точки зрения техники безопасности. Поверх ВВ обмотки уложено несколько десятков витков первичной обмотки из толстого изолированного медного провода.
      Передающий ТТ питается от источника переменного тока регулируемой повышенной частоты, позволяющей настроить оба ТТ на резонанс. ТТ в этом режиме представляет собой не традиционную индуктивность, а четвертьволновой спиральный вибратор с узлом напряжения в нижнем конце высоковольтной обмотки и пучностью напряжения на выходе, тогда как ток вибратора, наоборот, имеет пучность в начале и узел на выходе. Таким образом ток и напряжение ТТ сдвинуты на 90 эл. град, т.е. на величину электрической длины вибратора. Аналогично обстоит дело и с приемным ТТ, т.е. физические процессы в модифицированном ТТ протекают точно также, как и в традиционном ТТ с однослойной обмоткой.



Image
 

     К выходу приемного ТТ непосредственно или через выпрямитель присоединяют нагрузку, нечувствительную к частоте. В нашем случае – это 30 ламп накаливания мощностью по 1 кВт каждая. Через преобразователь частоты присоединяется трехфазная нагрузка - асинхронный двигатель. Провод, соединяющий выходы ВВ обмоток ТТ, является по существу волноводом: по линии передается исключительно реактивная мощность. В этом коренное отличие резонансной однопроводной ЛЭП (РО ЛЭП) от всех известных ЛЭП, по которым передается активная мощность и предпринимается ряд общеизвестных сложных и дорогостоящих технических мер по ограничению либо генерированию реактивной мощности. Ток однопроводной линии – это в чистом виде максвелловский ток смещения в виде стоячей волны [1]. По этой причине джоулевы потери в проводе весьма малы. Потери на излучение линии также малы.
     В экспериментальной системе для передачи мощности 20 кВт при резонансной частоте 3,4 кГц и напряжении лини 6,8 кВ они составляли всего 105 Вт, менее 0,51% от передаваемой мощности [2]. По этой причине РО ЛЭП можно в первом приближении считать линией с квазисверхпроводимостью при комнатной температуре. Исследования на установках 20 кВт и 30 кВт показали, что удельная передаваемая мощность в РО ЛЭП составляет 4 МВт/мм2, а эффективная плотность тока – 600 А/мм2 . Чтобы показать это, в однопроводную кабельную линию длиной 1,2 км сечением провода 1 мм2 врезался кусок медного провода диаметром 0,08 мм длиной 6 м, который не испытывал заметного нагрева. [2]. Эти важнейшие параметры РО ЛЭП вполне соизмеримы с плотностью тока и мощности в силовых ВТСП кабельных линиях. Однако стоимость единицы длины кабельной РО ЛЭП в тысячу и более раз меньше, чем стоимость ВТСП линий.
     Капитальные затраты на сооружение кабельной РО ЛЭП в 4-5 раз меньше, чем затраты на сооружение обычной трехфазной ЛЭП. Причем её эффективность из-за малых потерь электроэнергии растет с ростом длины[2]. Длина РО ЛЭП не ограничена никакими факторами. Она, включая длину высоковольтных обмоток передающего и приемного трансформаторов,
должна быть кратна четверти длины волны напряжения. Например, длина действующей в ВИЭСХ РО ЛЭП на 30 кВт, уложенной по территории института, составляет около 1,2 км. Это обычный высоковольтный (на 10 кВ) одножильный кабель сечением 1 мм2. В силу физических особенностей передачи энергии в РО ЛЭП не имеет значения материал провода. Чтобы доказать это, мы использовали физическую модель однопроводной линии мощностью 2 Вт (Рис.3). Провод 4, соединяющий ТТ 2 и 3 разрывался и в разрыв включался резистор 5 номиналом 110 кОм.
 
Image

 

Величина получаемой приемным ТТ мощности при этом практически не изменилась. Таким образом, провод, применяемый для РО ЛЭП может быть изготовлен из любого материала: меди, алюминия, стали и т.д. По нашему мнению – лучший проводник с точки зрения экономии материала и прочности линии для РО ЛЭП – это стальная омедненная или оцинкованная проволока, заключенная в изолирующую оболочку. При этом выбор сечения провода можно осуществлять исходя из приведенных выше удельных значений тока и передаваемой мощности. Например, для передачи мощности в 10 МВт на любое расстояние потребуется провод сечением 2,5 мм2.
     В РО ЛЭП по определению невозможно межфазное короткое замыкание. Обрыв кабеля сопровождается разрядом на землю в виде холодной плазмы. Но обрыв кабеля, уложенного в земле, по данным ОАО Холдинг МРСК, из всех аварийных режимов – явление наиболее редкое. Кабельным линиям не страшны никакие стихийные бедствия. Таким образом, система
электроснабжения на основе кабельной РО ЛЭП по части надежности не имеет себе равных. Например, в силу высокой надежности и относительно небольшого веса РО ЛЭП мощностью 1 кВт, разработанная в ВИЭСХ, в настоящее время успешно используется в системе электроснабжения ракеты-носителя в НПО им. Пилюгина.
     Важнейшей особенностью РО ЛЭП является нечувствительность к ко-
роткому замыканию (КЗ). На упомянутой физической модели, состоящей из одного передающего и двух приемных ТТ, соединенных по радиальной, а затем магистральной схемам, устраивалось внезапное глухое КЗ на вторичной обмотке одного из приемных ТТ. Оно длилось до 10 мин. КЗ приводило к небольшому повышению напряжения однопроводной линии и практически не отражалось на работе другого приемного ТТ. С точки зрения работы обычного трансформатора такое явление невозможно. В резонансной системе это удивительное на первый взгляд явление происходит по той причине, что приемный ТТ при КЗ выходит из резонанса и потребляет минимальную энергию. При ликвидации КЗ система немедленно возвращается в рабочий режим. В сущности РО ЛЭП ведет себя в данном случае как «умная сеть», не обладая при этом никакими техническими атрибутами Smart Grid.
     То же самое относится и к режиму нагрузки резонансной системы. Важная и интересная особенность РО ЛЭП в режиме нагрузки заключается в том, что максимумы напряжения на выходе передающего ТТ и мощности на нагрузке достигаются при одной и той же резонансной частоте. Это означает, что систему можно настраивать на максимальную передаваемую мощ-
ность по резонансу выходного напряжения передающего ТТ при произвольно изменяющейся в пределах допустимой величины нагрузке сети. Если энергия не потребляется ни одним приемником, то в системе возникает режим холостого хода с минимальным потреблением электроэнергии, так же, как и в обычной сети. Весьма важна и проблема отвода земли для прокладки ЛЭП. Кабельные РО ЛЭП требуют для прокладки полосу земли метровой ширины, что особенно актуально для городских распределительных сетей.
     Сети на основе РО ЛЭП и могут выполняться по обычным радиальноймагистральной или смешанной схемам (Рис.4). К шинам РУ электростанции ЭС присоединяются статические преобразователи частоты СПЧi, питающие передающие ТТ1-ТТk ,от которых отходят магистральные ОЛм или радиальные ОЛр однопроводные линии. К ним присоединяются приемные ТТм и ТТр. Чтобы избежать путаницы и отличать обычные трансформаторы от ТТ, предлагается на схемах ТТ выделять специальным значком. Мощность каждого передающего ТТ очевидно должна быть больше суммы мощностей присоединенных к нему приемных ТТ. Благодаря малым потерям энергии число ступеней трансформации в системе может быть минимальным, например, как на Рис.4:
 
Image

 

      Электроэнергию на высоком (до10 кВ) напряжении можно доставлять непосредственно до потребителей: жилых и административных зданий, крупных электроприемников. Это –  своебразная концепция глубокого ввода вплоть до электроприемников. Она позволит резко уменьшить потери электроэнергии в распределительных сетях 10-0,4 кВ. Разумеется, всюду при этом должны находиться приемные ТТ на соответствующие напряжение и мощность и соответствующие СПЧ.
      Для резонансных систем не существует проблемы отклонения частоты, поскольку на каждом уровне распределения энергии участки сети развязаны по частоте РО ЛЭП. В энергосистеме с РО ЛЭП по определению нет проблемы генерирования, потребления или компенсации реактивной мощности. Следовательно, нет никакой нужды в соответствующих и весьма дорогостоящих установках.
      Крайне важна и проблема отвода земли для прокладки ЛЭП. Кабельные РО ЛЭП требуют для прокладки полосу земли метровой ширины, что особенно актуально для городских распределительных сетей.
      В настоящее время мы ищем средства для создания типовой, пригодной для промышленного использования, РО ЛЭП на 100 кВт и затем на 1 МВт. Следует признать, что по ряду причин (в основном из-за отсутствия финансовых ресурсов) пока недостаточно исследованы многие в высшей мере интересные явления даже в действующей в ВИЭСХ РО ЛЭП мощностью 30 кВТ. Некоторые физические процессы в РО ЛЭП, как отмечалось, не укладываются в рамки традиционной электротехники, поскольку граничат с радиотехникой, в рамках которой достаточно просто объясняются. Однако в радиотехнике имеют дело с малыми мощностями и высокими частотами, тогда как в РО ЛЭП это большие и очень большие мощности и весьма низкие частоты, находящиеся в пределах звуковых, которые не представляют интереса для радиотехники. Не вызывает сомнения, что изучение электромагнитных явлений в РО ЛЭП и их применение не только повысит энергобезопасность и энергосбережение электрических сетей, но и существенно расширит и изменит наши представления об электричестве.

Выводы:
      .
Изложенные и иные особенности резонансной системы передачи электроэнергии, по нашему мнению, представляют с точки зрения повышения энергоэффективности, энергосбережения и энергобезопасности электроэнергетических систем исключительный интерес. На основе однопроводных резонансных систем можно и нужно строить принципиально новые типы распределительных электрических сетей по магистральным, радиальным и смешанным схемам, а также линии дальней и сверхдальней передачи, отличающиеся малыми потерями электроэнергии, высокой надежностью, малыми капитальными затратами и эксплуатационными расходами. Резонансные системы могут с успехом применятся для электроснабжения специальных объектов, где критичны проблемы габаритов и веса.

Литература:
1. Алиев И.И., Стребков Д.С.. Резонансная однопроводная линия элек-
тропередачи. – Электричество. 2011, №10. С.56-60.
2. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и при-
менения электрической энергии.3-е изд. –М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. -332 с.

Все права на оригинал статьи принадлежат ГНУ Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства (ВНИЭСХ).

Публикация статьи сделана только в общеобразовательных целях.

Разрешается использовать опубликованный материал только в личных и некоммерческих целях.

При перепечатке и цитировании ссылка на  авторов статьи и сайт http://www.ukrm.ru   обязательны.


 

 

 






 

 
< Пред.
 
 
Кто, где и сколько?
Испытания и сертификация
Качество энергии и энергоэффективность
Нанотехнологии в электроэнергетике
Реклама
ukrm.ru © 2017
Ссылки /// Новости /// Главная