Українська   English

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Растущий интерес в ряде стран мира к проблеме транспорта значительной мощности на сверхдальние расстояния 2000–4000 км определяется возможностью создания источников дешевой электроэнергии, удаленных от центров нагрузки. Особое внимание к этой проблеме существует в России. При формировании ЕЭС России важное место занимает задача усиления электрических связей между ее европейской и азиатской секциями.

При современном уровне развития техники передачи электроэнергии проблема сверхдальнего транспорта может быть решена как на постоянном, так и переменном токе. Как показано в данной работе, для решения рассматриваемой проблемы наиболее эффективно использование полуволновой технологии передачи электроэнергии.

Систематические исследования в области полуволновых ЭП начали проводиться в Сибирском НИИ Энергетики с 1956 года под руководством профессора В. К. Щербакова. В результате исследований, проведенных совместно с другими организациями страны, были созданы научно–технические основы, обоснована техническая осуществимость и экономическая эффективность таких электропередач.

В настоящее время очень актуальным остается вопрос различных способов передачи электрической энергии на расстояния. В 1892 году в Лондоне, а через год в Филадельфии, известный изобретатель, серб по национальности, Никола Тесла демонстрировал передачу электроэнергии по одному проводу. Как он это делал – остается загадкой. Часть его записей до сих пор не расшифрована, другая часть сгорела [1]. Сенсационность опытов Тесла очевидна любому электрику: ведь, чтобы ток шел по проводам, они должны составлять замкнутый контур. А тут вдруг – один незаземленный провод! Но, я думаю, современным электрикам предстоит удивиться еще больше, когда они узнают, что в России работает человек, который тоже нашел способ передавать электроэнергию по одному незамкнутому проводу. Инженер Станислав Авраменко делает это уже 15 лет.

Эксперименты по однопроводной и беспроводной передаче электроэнергии начались белее 100 лет назад с опытов Н. Теслы. Спустя много лет интерес к этой проблеме возник опять, особенно после того, как С. В. Авраменко продемонстрировал передачу переменного тока по одному проводу в московском научно–исследовательском электротехническом институте.

Структура передачи электроэнергии

Рассмотрим подробнее структуру системы передачи электроэнергии. Высоковольтная обмотка трансформатора Теслы 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 [2]. 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) [3]. 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. 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).

С. Авраменко смог передать энергию по одному проводнику и использовать данный эффект для питания активной нагрузки [4]. Он открыл, что если преобразовать электричество в высокочастотные импульсы, то замкнутая цепь больше не нужна и сам проводник служит как направление для энергии, а не как передатчик. Самое интересное в том, что неважно из чего сделан проводник и какое у него сечение, главное направление.

Причем для мощностей в десятки и даже сотни мегаватт (для сравнения, средняя величина установленной мощности крупной электростанции в России и составляет сотни мегаватт) понадобится медный проводок толщиной не более одного миллиметра. Он должен быть надежно изолирован, например, как кабель для квартирной телевизионной антенны. Такое возможно только потому, что используется высокая частота электрического поля – десятки или сотни килогерц, а также на передающую катушку трансформатора подается высокое – десятки киловольт – напряжение. Благодаря высокому напряжению в проводнике практически не течет ток, а это означает, что в нём нет и омических потерь на нагрев проводника.

Сторонник подходов Теслы к обустройству электрической системы России наиболее оптимальными техническими устройствами, директор Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства академик Дмитрий Стребков отмечает, что потери при таком способе передаче электроэнергии на любые расстояния (тысячи и даже десятки тысяч километров) составят не более одного процента [5]. Фактически однопроводная передача электроэнергии это есть сверхпроводимость, только гораздо дешевле, уже отработанная технология и не требует использования криогенных температур, – говорит Стребков.

В настоящее время в крупных городских агломерациях резко встала проблема дефицита электроэнергии, особенно в центрах городов, где невозможно строить большие электростанции. Требуется вводить по высоковольтным линиям электропередач большие мощности. А, как известно, ЛЭП требуют отчуждения больших участков земли, которая весьма дорога в городах. Кроме того, эти гигантские сооружения чрезвычайно затратны, а потери на передачу энергии по ним достигают порой десяти процентов. Кабельные линии также требуют больших расходов на прокладку, поскольку необходимо прокладывать крупные траншеи в связи с большими размерами традиционных кабелей. Кроме того, пропускная способность у них ограничена в большей степени, нежели у ЛЭП, а потери ещё выше. К тому же, при внезапном повреждении или порче кабеля нахождение поврежденного места и его устранение влетают эксплуатирующим организациям в копеечку.

Для решения этой проблемы в связи с успехами в освоении высокотемпературной сверхпроводимости был предложен вариант использования для этих целей сверхпроводящего кабеля. Известно, что при температуре минус 196 градусов Цельсия у некоторых керамических материалов возникает так называемое явление сверхпроводимости, когда джоулевы потери электроэнергии при движении тока в проводнике практически равны нулю. Кроме того, сверхпроводники, а сейчас это длинные тонкие стальные ленты с нанесенными на них микроскопическими слоями сверхпроводника и других составов, позволяют пропускать большие токи и напряжения, т.е. большие мощности – до десятков мегаватт в одном крупном кабеле [6]. Однако сам сверхпроводник необходимо на всей его длине беспрерывно охлаждать до температуры жидкого азота, в противном случае он перейдет в несверхпроводящее состояние и перегорит, оставив потребителей без электроэнергии. Затраты на поддержание заморозки в кабеле могут превышать потери в обычном кабеле равной мощности. При этом стоимость сверхпроводящего кабеля является поистине гигантской, и цена одного километра такого кабеля может превышать стоимость одного километра строительства МКАД во времена руководства столицей мэром Лужковым. Ну и, надо отметить, в мире еще не научились выпускать сверхпроводники подходящей длины, высокого качества и с низкой ценой, а также не решили до конца технические проблемы охлаждения.

Между тем в ведущих странах Запада на развитие сверхпроводниковых программ тратятся баснословные деньги в десятки миллионов долларов ежегодно. Даже в России в последние годы это направление науки было поддержано государством, и в эти программы каждый год вливается более одного миллиарда рублей. При этом не было своевременно учтено, что имеются и другие способы решения этой проблемы передачи больших мощностей на большие расстояния с малыми потерями и при гораздо меньших капитальных и эксплуатационных затратах. В том числе была упущена из внимания и перспективная, реализованная не только на лабораторных образцах, а и действующая на многих ответственных объектах, в том числе и в нефтегазовой отрасли, технология однопроводной передачи энергии напряжением высокой частоты, идею которого впервые сформулировал Никола Тесла.

Рисунок 1 – 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.
(анимация состоит из 8 кадров с задержкой 500 мс между кадрами, количество циклов воспроизведения – 3, размер – 62 килобайт)

Особенности и преимущества полуволновой системы передачи электроэнергии

  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • У полуволновой линии напряжение в середине линии повторяет диапазон изменения передаваемой мощности.
  • При расчёте пропускной способности линий вместо критерия устойчивости руководствуются допустимым уровнем напряжения в средней части линии, то есть по наибольшему рабочему напряжению.
  • 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.
  • Полуволновые линии безразличны к качеству электроэнергии на входе, что делает актуальным их использование для буферной передачи электроэнергии от возобновляемых источников энергии в существующую сеть.
  • 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.

Выводы

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

  • Передача электрической мощности по проводам существенно меньшего диаметра, что делает такой способ уже более экономичным.
  • Возможность использования однопроводной передачи электрической энергии. Данная возможность позволяет решать ряд специальных задач (космос, питание аэростатов и д.р.).
  • Линия обладает значительно большей устойчивостью в работе. Такой способ требует меньшего оборудования, поддерживающего стабильность работы, кроме того обслуживание сети упрощается.
  • Повышенная электробезопасность линии. Возможность создавать режимы, где полностью отсутствует опасность короткого замыкания.
  • 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 [7]. По предварительным оценкам данный способ передачи электроэнергии более экономичен и технически целесообразен для специальных задач передачи энергии на средние расстояния (10 – 300 км).

Список источников

  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. Стребков Д. С., Некрасов А. И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 3–е, перераб. и доп. М.: ВИЭСХ, 2008. – 352 с.
  6. В. З. Трубников, инж., ГНУ ВИЭСХ. Полуволновые линии передачи электроэнергии на резонансных трансформаторах. // Техника в сельском хозяйстве – 2009, №6
  7. Зильберман С. М. Методические и практические вопросы полуволновой технологии передачи электроэнергии, тема докторской диссертации и автореферата по ВАК 05.14.02.