Особенности передачи энергии по резонансной однопроводной ЛЭП

Резонансная однопроводная линия электропередачи (РО ЛЭП) включает: источник электрической энергии, преобразователь частоты ПЧ1, резонансный контур (С1, трансформатор Теслы Т1), собственно однопроводную ЛЭП (как правило, в виде одножильного высоковольтного кабеля) ОЛ, приёмный резонансный контур (С2, Т2), преобразователь частоты ПЧ2, к которому присоединяется одно- или трёхфазная нагрузка (рис. 1).

Источник электроэнергии — обычная трёхфазная сеть либо, в автономных системах, генератор переменного тока повышенной частоты. Напряжение расчётной повышенной частоты подаётся в резонансный контур, включающий конденсатор С1 и модифицированный трансформатор Теслы (ТТ) Т1. При расчётном соотношении индуктивностей «первичной» и «вторичной» обмоток и ёмкостей, включающих также и межвитковую ёмкость ТТ Т1, в последнем возникает резонанс напряжений.

Длина ОЛ, включая длины кабеля, высоковольтных обмоток передающего и приёмного ТТ, не ограничена, но должна быть кратной целому числу полуволн либо четверти волны тока.

Конец линии ОЛ присоединяется ко входу высоковольтной обмотки приёмного ТТ Т2, также работающего в резонансном режиме. К его «низковольтной» обмотке подключают ПЧ2, на выходе которого получается требуемое трёхфазное напряжение промышленной частоты.

Область частот 1—100 кГц наиболее пригодна для передачи электрической энергии по однопроводниковому волноводу в силу ограничений, которые накладывают потери на излучение из-за антенного эффекта.

Рассмотрим характеристики одной из опытных систем для передачи номинальной мощности 20 кВт. Передающий и принимающий воздушные ТТ имеют следующие параметры: числа витков высоковольтной обмотки — по 952; числа витков низковольтных обмоток — соответственно 19 и 27; ёмкости С1 и С2 — соответственно 14 и 12 мкФ. В качестве ПЧ1 и ПЧ2 использовались модернизированные для функций РО ЛЭП преобразователи частоты серии Р-22 мощностью 22 кВт. В качестве нагрузки применялись секции из 24 ламп накаливания мощностью 1 кВт каждая. Входное напряжение составляло 380 В, напряжение линии — до 7 кВ [2]. Диаметр провода линии выбирался в пределах от 0,08 до 1,3 мм. Резонансная частота РО ЛЭП составляла 3,4 кГц.

На рис. 2 приведено семейство внешних характеристик выходного трансформатора РО ЛЭП для передачи номинальной мощности 20 кВт. Каждая из характеристик получена при соответствующем напряжении ОЛ: 3,2—6,8 кВ. Измерения произведены на постоянном токе на выходе выпрямителя преобразователя частоты Р-22. Сопротивление нагрузки — 8 Ом.

Важно подчеркнуть, что внешние характеристики системы вполне соответствуют внешним характеристикам обычного трансформатора.

Расчётные и опытные данные показали, что реактивная зарядная мощность, передаваемая по линии, в первом приближении пропорциональна частоте и квадрату напряжения линии [2]. Зависимость передаваемой мощности от величины напряжения для данной частоты однопроводной линии получена эмпирическим путём и имеет вид:

Р = k • U^1,896

где k — коэффициент пропорциональности, равный 0,541.

В РО ЛЭП мы имеем дело с продольными волнами, которые проходят не по сечению провода, а вдоль его поверхности, не входя в него. Из этого следует, что для РО ЛЭП не имеет принципиального значения активное сопротивление провода и его сечение, т.е. в качестве проводника для неё можно использовать, например, тонкий стальной провод или трос, заключённый в изолирующую оболочку либо подвешенный на высоковольтных изоляторах, как это делал Тесла.

Для процессов передачи электроэнергии по этой линии значение имеет её собственная ёмкость и частота [4]. Другими словами, однопроводная линия при идеальной настройке ведёт себя как проводник без потерь. Для подтверждения этого представления при передаче по резонансной линии электроэнергии мощностью 30 кВт использовался, наряду с кабелем диаметром жилы 1,3 мм, кусок провода длиной 6 м и диаметром 0,08 мм, который не испытывал существенного нагрева.

Эти особенности объясняют и весьма высокие плотности передаваемых тока и мощности, невозможные в обычных ЛЭП и приближающиеся к криогенным кабельным линиям. Так, эффективная плотность тока в линии при передаваемой мощности 20 кВт составила 600 А/мм², а удельная электрическая мощность — 4 МВт/мм² [2]. Из изложенного следует, что РО ЛЭП обладает квазисверхпроводимостью при обычной температуре [3,4].

Опытные и расчётные данные показали, что потери на излучение для линии, передающей 20 кВт, при частоте 3,4 кГц составили всего 102 Вт, т.е. Ризл = 0,005Рн [2].

В целом потери в системе РО ЛЭП складываются из электрических потерь в преобразователях ПЧ1 и ПЧ2 и потерь на излучение. КПД современных преобразователей весьма высок. Поэтому интегральный КПД РО ЛЭП в сравнении с обычной ЛЭП может доходить до 94—96%. Потери в системе существенно снижаются, если в качестве источника электроэнергии непосредственно используется генератор повышенной частоты (1—50 кГц), приводимый во вращение первичным двигателем — дизелем или турбиной.

РО ЛЭП состоит из простых и надёжных узлов. Воздушный трансформатор Теслы во всех отношениях проще и дешевле масляного. Применение генераторов повышенной частоты могло бы исключить преобразователи частоты и приблизить КПД РО ЛЭП к величинам порядка 98—99%. Но и с применением ПЧ РО ЛЭП обеспечивают колоссальную экономию электроэнергии. Одножильный кабель, уложенный в землю, требует минимального отвода земли, не сопряжён с экологическими проблемами.

РО ЛЭП обеспечивают высокую надёжность электроснабжения, поскольку в них в принципе невозможно межфазное короткое замыкание. Кабельным РО ЛЭП не страшны стихийные бедствия: снегопад, гололёд, ветры и т.д. Капитальные затраты на сооружение таких систем в несколько раз меньше, чем для обычных высоковольтных ЛЭП. РО ЛЭП — это высоковольтные системы, они хороши в качестве распределительных сетей. Однако наиболее эффективными из-за малых потерь являются дальние и сверхдальние РО ЛЭП. Такой подход может изменить идеологию энергоснабжения народного хозяйства: генерирующие мощности можно будет располагать непосредственно у месторождений, а вместо энергоносителей с их громоздкими и крайне дорогими системами транспортировки передавать электрическую энергию, как наиболее универсальную для использования, по простой и надёжной РО ЛЭП на любые расстояния с минимальными издержками.

ВЫВОДЫ

Резонансные однопроводные системы, обладающие квазисверхпроводимостью, обеспечивают передачу электроэнергии большой плотности по единственному, весьма тонкому проводнику с минимальными потерями энергии. Они являются высокотехнологичными ресурсо- и энергосберегающими системами и открывают возможности для замены ими существующих многофазных высоковольтных ЛЭП.

ЛИТЕРАТУРА
1. Стребков Д.С. Резонансные системы распределения электрической энергии. «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение», №3, 2010 г., с. 72—75.
2. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 3-е. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008 г., 352 с.
3. Стребков Д.С. Высокотемпературная квазисверхпроводимость проводников для ёмкостных токов. Доклады РАСХН, №4, 2005 г., с. 56—58.
4. Алиев И.И. Энергосберегающая резонансная однопроводная ЛЭП. «Энергобезопасность и энергосбережение». №6, 2011 г., с. 35—38.