Патент на изобретение №2273939

(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для передачи электрической энергии. Технический результат заключается в повышении эффективности, снижении потерь и повышении надежности передачи электрической энергии по подземному или подводному кабелю. Передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме при резонансной частоте 50 Гц – 50 кГц и напряжении 1-1000 кВ, плотности тока 1-500 А/мм² по однопроводниковому электроизолированному кабелю, в частности, многожильному длиной 1-20000 км сечением 0,01-1000 см², у которого диаметр кабеля в 5-100 раз превышает диаметр проводника. В другом варианте передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме по осесимметричному однопроводниковому волноводу внутри герметичного пустотелого диэлектрического цилиндрического канала в атмосфере изолирующего газа, в частности элегаза, при давлении 1-10 кг/см². В еще одном варианте способа электрическую энергию передают по одиночному электростатически экранированному и электроизолированному волноводу поверхностной волны внутри пустотелого цилиндрического экрана и герметичного диэлектрического канала в атмосфере изолированного газа. Высоковольтная линия может быть выполнена под землей или под водой в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см, установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала. Для повышения передаваемого напряжения и мощности волновод выполнен из электроизолированного кабеля с толщиной изоляции 3-300 мм, а пространство между волноводом и трубопроводом заполнено электроизолирующим газом под давлением, например элегазом. Высоковольтная линия выполнена в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см², установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала, и содержит электрический экран, выполненный в виде множества электроизолированных друг от друга незамкнутых проводящих цилиндрических оболочек, общая длина которых равна длине волновода, а длина каждой проводящей оболочки составляет 1-1000 м. 6 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для передачи электрической энергии.

Известно устройство для передачи электрической энергии, содержащее генератор переменного тока 50 Гц, трансформаторную подстанцию в начале и конце высоковольтной кабельной линии. Наличие в кабеле металлической оболочки ограничивает распространение электромагнитных волн в ограниченном пространстве между токоведущими элементами и оболочкой.

Следствием этого являются значительно меньшие по сравнению с высоковольтной воздушной линией значения волнового сопротивления и увеличения емкостной проводимости. Для кабельных линий 35-220 кВ зарядная мощность увеличивается в 8-50 раз по сравнению с воздушной линией, что ограничивает предельную длину кабельных линий переменного тока до 25 км. Избыток реактивной мощности требует использования шунтирующих реакторов.

Наличие защитной оболочки ухудшает условия теплоотвода от токоведущего элемента кабеля и снижает величину передаваемой мощности в 1,4-1,7 раза по сравнению с воздушной линией при одинаковом напряжении и сечении провода (Электротехнический справочник. Т3. Изд. МЭИ, М., 2002 г. Кабельные линии электропередач, с.815-818).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ питания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, в котором напряжение генератора подают на низковольтную обмотку высокочастотного трансформаторного преобразователя, а один из выводов высоковольтной обмотки соединяют с одной из входных клемм электротехнического устройства, при этом изменением частоты генератора добиваются установления резонансных колебаний в образованной электротехнической цепи.

Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован, а второй предназначен для подачи энергии потребителю (Авраменко С.В. Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2108649 от 11.04.1995 г.).

Вместо понижающего трансформатора Тесла может быть использован диодно-конденсаторный блок, который используется в схемах удвоения напряжения и выполнен из двух встречно включенных диодов, соединенных с конденсатором, общая точка диодов соединена с источником питания (Электротехнический справочник. М., Энергия, т.1, 1971, с.871). При подаче на диодно-конденсаторный блок переменного напряжения положительная волна переменного реактивного тока идет на одну обкладку конденсатора, а отрицательная – на другую обкладку. Конденсатор будет накапливать заряды, пока напряжение на его выводах не достигнет положительной и отрицательной амплитуды переменного напряжения на общей точке диодов, тогда диоды окажутся запертыми и заряд конденсатора прекратится. Так работает известная схема выпрямителя с удвоением напряжения.

Недостатком всех известных способов и устройств передачи электрической энергии является то, что они не позволяют обеспечить высокоэффективную передачу электрической энергии на большое расстояние по воздушной линии в дождливую погоду, а также по подземному или подводному кабелю, из-за потерь высокочастотной энергии на сопротивлении линии и по длине линии в окружающей проводящей среде.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности, снижение потерь и повышение надежности передачи электрической энергии по подземному или подводному кабелю.

Указанный результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии, включающем преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и по частоте у потребителя, передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме при резонансной частоте 50 Гц – 50 к Гц и напряжении 1-1000 кВ, плотности тока 1-500 А/мм² по однопроводниковому электроизолированному кабелю.

Для снижения потерь в устройстве для передачи электрической энергии, содержащем преобразователь частоты и резонансный контур повышающего трансформатора, высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, высоковольтную линию выполняют под землей или под водой в виде электроизолированного однопроводникового многожильного кабеля длиной 1-20000 км сечением 0,01-1000 см², у которого диаметр кабеля в 5-100 раз превышает диаметр проводника.

В другом варианте способа передачи электрической энергии, включающем преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у потребителя, передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме при резонансной частоте 50 Гц – 50 к Гц и напряжении 1-10000 кВ, плотности тока 1-500 А/м по осесимметричному однопроводниковому волноводу внутри герметичного пустотелого диэлектрического цилиндрического канала в атмосфере изолирующего газа. Для повышения эффективности способа передачи электрической энергии передачу электрической энергии по волноводу осуществляют в атмосфере элегаза при давлении 1-10 кг/см².

В еще одном варианте способа передачи электрической энергии, включающем преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у потребителя, электрическую энергию передают при частоте 50 Гц – 50 кГц и напряжении 1-10000 кВ, плотности тока 1-500 А/см² по одиночному электростатически экранированному и электроизолированному осесимметричному однопроводниковому волноводу поверхностной волны внутри пустотелого цилиндрического экрана и герметичного диэлектрического канала в атмосфере изолированного газа.

Для повышения передаваемой мощности передачу электрической энергии осуществляют по волноводу в атмосфере элегаза при давлении 1-10 кг/см².

В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем преобразователь частоты и резонансный контур повышающего трансформатора, высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку высоковольтная линия выполнена под землей или под водой в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см², установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала, например сшитого полиэтилена или стеклопластика.

Для повышения передаваемого напряжения и мощности в устройстве для передачи электрической энергии волновод выполнен из электроизолированного кабеля с толщиной изоляции 3-300 мм, а пространство между волноводом и трубопроводом заполнено электроизолирующим газом под давлением, например элегазом.

В варианте исполнения устройства для передачи электрической энергии, содержащего преобразователь частоты, резонансный контур повышающего трансформатора, высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, высоковольтная линия выполнена в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см², установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала, и содержит электрический экран, выполненный в виде множества электроизолированных друг от друга незамкнутых проводящих цилиндрических оболочек, общая длина которых равна длине волновода, а длина каждой проводящей оболочки составляет 1-1000 м. Для снижения потерь в устройстве для передачи электрической энергии каждая оболочка электрического экрана соединена с землей с помощью катушки индуктивности.

Способ и устройство для передачи электрической энергии иллюстрируются чертеж, где:

фиг.1 показана блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии по однопроводниковому подземному волноводу;

на фиг.2 – поперечное сечение однопроводникового волновода;

на фиг.3 – поперечное сечение подземного однопроводникового волновода с цилиндрической пустотелой диэлектрической оболочкой;

на фиг.4 – поперечное сечение подземного однопроводникового волновода с электростатическим экраном;

на фиг.5 – схема соединения электростатического экрана с катушками индуктивности и емкостью.

На фиг.1 электрический высокочастотный генератор 1 создает резонансные колебания в последовательном резонансном контуре 1, состоящем из емкости 3 и низковольтной обмотки 4, высоковольтного трансформатора Тесла 5. Один из выводов 6 высоковольтной обмотки 7, прилегающей к низковольтной обмотке, соединен с выводом 8 низковольтной обмотки 4, а другой вывод 9 высоковольтной обмотки присоединен к подземному однопроводниковому электроизолированному волноводу 10. У потребителя электрической энергии однопроводниковый волновод 10 соединен с внутренним выводом 11 высоковольтной обмотки 12 понижающего высоковольтного трансформатора Тесла 13. Другой вывод 14 высоковольтной обмотки 12 соединен с землей 15. Низковольтная обмотка 16 трансформатора 13 и емкость 17 образуют приемный резонансный контур 18, который соединен с нагрузкой 19.

На фиг.2 показано поперечное сечение однопроводникового волновода 10, установленного под землей 15 или под водой. Волновод состоит из металлического многожильного проводника 20, обмотки 21 из электроизоляционного материала, например из сшитого полиэтилена. Для снижения потерь тока через емкостное сопротивление 22 волновода 10 по отношению к земле 15, соотношение диаметра D внешней оболочки волновода 10 и диаметра d металлического многожильного проводника 20 равно

На фиг.3 показано поперечное сечение однопроводникового волновода 10, установленного под землей 15 или под водой, осесимметрично в пустотелой цилиндрической оболочке 23 из электроизоляционного материала, например из сшитого полиэтилена или стеклопластика. Однопроводниковый волновод 10 состоит из металлического многожильного проводника 20 и оболочки 21 из электроизоляционного материала. Пространство 24 между однопроводниковым волноводом 10 и пустотелой цилиндрической оболочкой 23 заполнено электроизолирующим газом, например элегазом, при давлении 1-10 кг/см². Волновод 10 закреплен в центре пустотелой цилиндрической оболочки 23 с помощью диэлектрических упоров 25.

На фиг.4 показано поперечное сечение однопроводникового волновода 10, установленного под землей 15 или под водой осесимметрично с помощью диэлектрических упоров 25 в пустотелой цилиндрической оболочке 23 из электроизоляционного материала. В пространстве между волноводом 10 и оболочкой 23 установлены незамкнутые изолированные друг от друга электростатические экраны 26 из металлического листа или сетки. Экраны закреплены на диэлектрических упорах 25 и имеют длину 1-1000 м. Общая длина всех экранов равна длине подземной части волновода 10.

На фиг.5 показана схема соединения электростатических экранов 26 подземного волновода с катушками индуктивности L_э, которые служат для компенсации емкости экрана С_э. Экраны 26 размещены на наружной поверхности дополнительной цилиндрической оболочки 27 из электроизолированного материала, например из сшитого полиэтилена или стеклопластика, и размещены внутри основной пустотелой диэлектрической цилиндрической оболочки 23.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает электрический ток повышенной частоты 50 Гц – 50 кГц. В последовательном резонансном контуре 2 при резонансной частоте 50 Гц – 50 кГц происходит рост напряжения на индуктивности низковольтной обмотки 4 трансформатора Тесла 5. Увеличение напряжения на обмотке 4 по сравнению с напряжением V_o генератора 1 составляет QV_o, где Q – добротность контура 2. Это напряжение увеличивается в n раз в высоковольтной обмотке 7 трансформатора Тесла 5, где n – коэффициент трансформации. Таким образом, полное напряжение U₂ на внутреннем выводе 9 высоковольтной обмотке 7 составит V₂=QU₀n, где – коэффициент связи обмоток 4 и 7, 0<<1.

На выводе 6 высоковольтной обмотки 7 возникает пучность тока и узел напряжения, и этот вывод 6 соединяют с выводом 8 низковольтной обмотки 4. Напряжение и ток со сдвигом фаз 90° с вывода 9 высоковольтной обмотки 7 поступают в однопроводниковый волновод 10 и передаются через трансформатор Тесла 13 в резонансный контур 18. Общая длина L_AB волновода 10 и высоковольтных обмоток 7 и 12 двух трансформаторов должна составлять целое число полуволн: где Для f=1 кГц, =300 км, L_Abмин=150 км. Для снижения емкости в волноводе 10 по отношению к Земле 15 уменьшают диаметр d металлического проводника 20 волновода 10 и увеличивают диаметр D изолирующей оболочки 21 волновода 10 до соотношения Таким образом, передача электрической энергии происходит между двумя резонансными контурами по волноводной линии связи, а роль трансформаторов Тесла 5 и 13 сводится к созданию не симметрии потенциалов на выводах 9 и 11. На поверхности однопроводникового волновода в связи с наличием фазового сдвига между волнами тока и напряжения возникают поверхностные заряды, которые создают кулоновые возбуждающие электрические поля, и эти поля приводят к появлению кулоновых токов в проводнике. В проводнике возникает потенциальное электрическое поле, которое обеспечивает перенос зарядов и ток в волноводе. Описанные процессы имеют электростатическую природу и сопровождаются малыми потерями в волноводе. Поверхностные заряды в однопроводниковом волноводе изменяются во времени и создают в пространстве, окружающем проводник, ток смещения, который замыкается током в проводнике, возбуждаемым потенциальным электрическим полем. Токи смещения, в отличие от токов проводимости, не сопровождаются выделением джоулева тепла (Тамм Е.И. Основы теории электричества. – М.: Наука, 1976, с.133, 397-400. Сотников В.В. Источники кулонова поля в проводниках и их влияние на электрический ток. Известия РАН. Энергетика. 2002 г., № 7, с.104-111).

Поэтому плотность тока в однопроводниковом волноводе 10 в 10-100 раз превышает плотность тока в обычных кабельных линиях и может составлять 10-500 А/мм². Минимальный диаметр проводника 20 волновода выбирают из условия механической прочности равным 1 мм. Максимальное напряжение для волновода на фиг.2 составляет 10⁶ В, для волноводов на фиг.3 и 4 – 10⁷ В. Резонансная частота подземной передачи электрической энергии составляет 50 Гц – 50 кГц при оптимальной частоте 150-1500 Гц. Максимальная длина волновода составляет 20000 км и ограничена потерями на излучение и токами утечки через емкость проводника 20 волновода 10 по отношению к Земле. Эти потери уменьшаются с уменьшением частоты до 150-1500 Гц. Потери на излучение линии длиной 20000 км определяется формулой:

где n – число полуволн;

I_эфф – эффективный ток в линии.

Принимаем эффективный ток в линии I_эфф=3000 А, напряжение U=10⁶ B, мощность Р_л=3000·10⁶ кВт, частоту f=0,6 кГц, длину волны =500 км, число полуволн на длине линии n=80. Расчет по формуле дает Р_изл=2245,4 кВт или в относительных единицах:

При использовании элегаза при давлении 1-10 кг/см и конструкции волновода 10 согласно фиг.3 и 4 максимальное напряжение на волноводе составит 10000 кВ. Электростатическое экранирование электрического поля волновода 10, согласно фиг.4 позволят значительно снизить влияние Земли 15 или воды на потери энергии. Для снижения емкости экранов 26 и волновода 10 по отношению к Земле 15, экраны 26 присоединяют к Земле 15 при помощи индуктивности L_э. Величину индуктивности L_э выбирают из условия:

где С_э – емкость экрана 26 по отношению к Земле, a f_рез – резонансная частота.

Рассматриваемый способ и конструкция устройства позволяют передавать в максимуме тераваттные потоки электрической мощности между континентами Земли, а также снизить зависимость электроснабжения от погодных условий.

Формула изобретения

1. Способ передачи электрической энергии, включающий преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и по частоте у потребителя, отличающийся тем, что передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме при резонансной частоте 50 Гц – 50 кГц и напряжении 1-1000 кВ, плотности тока 1-500 А/мм по однопроводниковому электроизолированному кабелю.

2. Способ передачи электрической энергии, включающий преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у потребителя, отличающийся тем, что передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме при резонансной частоте 50 Гц – 50 кГц и напряжении 1-1000 кВ, плотности тока 1-500 А/мм² по одиночному электроизолированному осесимметричному и однопроводниковому волноводу внутри герметичного пустотелого диэлектрического цилиндрического канала в атмосфере изолированного газа.

3. Способ передачи электрической энергии по п.2, отличающийся тем, что передачу электрической энергии по волноводу осуществляют в атмосфере элегаза при давлении 1-10 кг /см².

4. Способ передачи электрической энергии, включающий преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у потребителя, отличающийся тем, что электрическую энергию передают при частоте 50 Гц – 50 кГц и напряжении 1-10000 кВ, плотности тока 1-500 А/мм² по одиночному электростатически экранированному и электроизолированному осесимметричному однопроводниковому волноводу поверхностной волны внутри пустотелого цилиндрического экрана и герметичного диэлектрического канала в атмосфере изолированного газа.

5. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее преобразователь частоты и резонансный контур повышающего трансформатора, высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, отличающееся тем, что высоковольтная линия выполнена под землей или под водой в виде электроизолированного однопроводникового многожильного кабеля длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см², у которого диаметр кабеля в 5-100 раз превышает диаметр проводника.

6. Устройство для передачи электрической энергии по п.5, отличающееся тем, что волновод выполнен из электроизолированного кабеля с толщиной изоляции 3-300 мм.

7. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее преобразователь частоты и резонансный контур повышающего трансформатора, высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, отличающееся тем, что высоковольтная линия выполнена под землей или под водой в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см², установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала, например полиэтилена или стеклопластика.

8. Устройство для передачи электрической энергии по п.7, отличающееся тем, что волновод выполнен из электроизолированного кабеля с толщиной изоляции 3-300 мм.

9. Устройство для передачи электрической энергии по п.7, отличающееся тем, что пространство между волноводом и трубопроводом заполнено электроизолирующим газом под давлением, например элегазом.

10. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее преобразователь частоты, резонансный контур повышающего трансформатора, высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, отличающееся тем, что высоковольтная линия выполнена в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см, установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала и содержит электрический экран, выполненный в виде множества электроизолированных друг от друга незамкнутых проводящих цилиндрических оболочек, общая длина которых равна длине волновода, а длина проводящих оболочек составляет 1-1000 м.

11. Устройство для передачи электрической энергии по п.10, отличающееся тем, что каждая оболочка электрического экрана соединена с землей с помощью катушки индуктивности.

РИСУНКИ