ЭЛЕКТРОТЕПЛОПРОВОД КАШЕВАРОВА Российский патент 1994 года по МПК H02G9/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным электропередачам.

Широко известны воздушные линии электропередач (ЛЭП), предназначенные для передачи электрической энергии переменного тока на дальние расстояния, содержащие алюминиевые, стальные, медные или биметаллические (медь-сталь) провода, подвешенные гирляндами изоляторов к деревянным, железобетонным или стальным опорам.

Известна также воздушная линия передачи электроэнергии постоянным током на дальние расстояния: линии передачи постоянного тока Экибастуз-Центр напряжением 1500 КВ.

Воздушные высоковольтные ЛЭП для передачи электроэнергии большой мощности на дальние расстояния имеют следующие существенные недостатки: имеют большие потери электроэнергии, связанные с нагреванием проводников при прохождении по ним электротока, причем эти потери не могут быть утилизированы для сельскохозяйственных и бытовых целей; имеют большую зависимость от метеорологических условий надежности и эффективности электропередач; имеют относительно высокую по сравнению с другими электроустройствами повреждаемость вследствие повреждаемости от природно-климатических воздействий (гололедно-ветровые нагрузки, атмосферные перенапряжения и др. ) и от воздействия транспортных средств и населения (наезды на опоры, обрыв проводов высокогабаритными механизмами, "расстрел" изоляторов и т. п. ), а также из-за сложности контроля технического состояния ЛЭП; требуют много времени для устранения повреждений, вызывающих отключение ЛЭП; требуют отчуждения широкой полосы земли для прокладки ЛЭП; имеют отрицательное воздействие электромагнитных полей на природу и человека, т. е. представляют опасность с экологической точки зрения.

Известны высоковольтные устройства с изоляцией сжатым газом.

Известен также кабель высокого напряжения с основной изоляцией сжатым газом, содеpжащей проводящую заземленную оболочку, в которой коаксиально подвешен при помощи изоляционных элементов проводник. Этот кабель так же, как и вышеуказанные высоковольтные устройства, не предусматривает использование тепловых потерь и предназначен для передачи электроэнергии на небольшие расстояния в пределах зданий.

Целью изобретения является передача электроэнергии большой мощности на большие расстояния и использование тепловой энергии от нагрева электропровода, а также быстрого обнаружения и ремонта неисправностей в процессе эксплуатации.

На фиг. 1 дана принципиальная схема устройства электротеплопровода в плане; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 в увеличенном виде по сравнению с фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 1 в увеличенном виде по сравнению с фиг. 1; на фиг. 5 - сечение Г-Г на фиг. 4; на фиг. 6 - сечение электропроводника плоскостью перпендикулярной его геометрической оси; на фиг. 7 - сечение Д-Д на фиг. 1 в увеличенном виде по сравнению с фиг. 1.

Электротеплопровод состоит из двух алюминиевых или медных многослойных труб 1, заключенных во внутреннюю и внешнюю эластичные оболочки 2 и 3. Пространство между трубой 1 и внутренней эластичной оболочкой 2 заполнено сжатым элегазом, имеющим электрическую прочность в 5-6 раз большую, чем воздух. Внутренняя и наружная эластичные оболочки 2 и 3 соединяются друг с другом продольными и поперечными поясами 4 и 5, к которым они приклеены.

Продольные пояса 4 расположены вдоль цилиндрических образующих оболочек 2 и 3 в местах сечения их горизонтальной и вертикальной плоскостями, проходящими через геометрическую ось трубы 1.

Поперечные пояса 5 расположены перпендикулярно продольным поясам 4 на расстоянии друг от друга, равном расстоянию друг от друга продольных поясов 4.

Каждый пятый пояс 5 приклеен к внутренней поверхности стального обода 6, закрепленного на железобетонном основании 6 корпуса электротеплопровода.

К стальному ободу 6 приклеены стекловолоконные ленты 8, проходящие через пересечение поясов 4 и 5 и поддерживающие трубу 1 в коаксиальном положении относительно ободов 6.

Стекловолоконные канатики 9, приклеенные к трубе 1 с помощью стекловолоконных поясов 10 и к пересечению поясов 4 и 5, обеспечивают коаксиальность оболочек 2 и 3 относительно трубы 1. Между оболочками 2 и 3 находится элегаз под нормальным (атмосферным) давлением. Неизменность этого давления контролируется датчиком 11, находящимся в каждом замкнутом пространстве между оболочками 2 и 3 и поясами 4 и 5. Датчики давления 11 подсоединены через свое реле к общему сигнальному проводу, идущему к дисплею дежурного диспетчера данного участка электротеплопровода.

Вдоль основания 7 проложен монорельс 12, а над ним электрический проводник 13 на изоляторах 14, закрепленных в крыше 15 железобетонного корпуса электротеплопровода.

Электрический проводник 13 представляет собой алюминиевый провод без изоляции, заключенный в стальную трубу.

Железобетонный корпус электротеплопровода проложен через участки парников с таким расчетом, чтобы выделяющуюся тепловую энергию в электропроводнике 1 при прохождении через него электротока можно было бы использовать (утилизировать) для обогрева парников. С этой целью в средней части участка электротеплопровода, проходящего между парниками на крыше 15 железобетонного корпуса установлена воздухозаборная труба 16 (фиг. 7), в которой установлен вентилятор 17 с электродвигателем 18. Железобетонный корпус электротеплопровода, проходящий через зимний парник 19, имеет часть крыши, выполненной в виде металлических стержней 20, приваренных к ободам 6, через которые нагретый воздух поступает в парник 19. К зимнему парнику 19 примыкает летний парник 21, от стенки которого проходят воздухозаборные трубы 22, по этим трубам охлажденный воздух поступает в нижнюю часть корпуса электротеплопровода.

Электротеплопровод на границе с парником имеет газонепроницаемую диэлектрическую стеклянную или фарфоровую кольцеобразную перегородку 23, установленную между трубой 1 и эластичной оболочкой 2 в стальном ободе 6. На расстоянии равном диаметрам окружности оболочки 2 установлена такая же перегородка 23, а посередине между перегородками 23 установлена перегородка 24 из такого же материала как и перегородка 23, перекрывающая и трубу 1 и пространство между трубой 1 и эластичной оболочкой 2.

Между перегородками 23 на расстоянии двух диаметров окружности оболочки 2 труба 1 разрезана по образующим цилиндра через, например, 36^она десять полос 25, которые в их средней части повернуты на 90^о и занимают радиальное направление, закрепленное перегородкой 24, через которую они проходят без зазоров. Между полюсами 25 образуются десять щелевидных пространств 26, через которые горячий элегаз поступает из трубы 1 в трубу 27, идущую к компрессору 28.

От компрессора 28 сжатый элегаз поступает по многочисленным тонким трубам в теплообменник 29, из которого охлажденный элегаз поступает по таким же трубам 30 в общую трубу 31 в электротеплопровод на участке между средней перегородкой 24 и второй перегородкой 23 (на фиг. 5 стрелками показано направление движения элегаза).

В теплообменнике 29 элегаз охлаждается, передавая тепловую энергию воде, которая по водопроводным трубам поступает в теплоаккумулятор 32, и из него в батареи 33 летнего парника 21. Вода, отдавшая тепло в батареях 33, поступает в теплообменник 29 (на фиг. 1 движение нагретой воды показано сплошными стрелками, охлажденной - пунктиром).

Компрессоры 28 устанавливаются через расстояние в несколько десятков километров, а теплообменники в каждом парнике (в начале и конце парника или в его середине) через расстояние в 1-3 км. На фиг. 1 слева показан парник, в начале которого установлены компрессоры 28, а на фиг. 5 тот случай, когда элегаз поступает из трубы 1 в компрессор 28, а не в теплообменник 29, как в большинстве случаев.

Для управления механизмами и приборами на участках электротеплопровода и парника и для проведения профилактических и ремонтных работ предусмотрены служебные помещения 34, а также электромобиль 35.

Двухколесный электромобиль 35 перемещается по монорельсу 12, являющимся одновременно заземленным проводником, получая электроэнергию для питания электродвигателя от электрического проводника 13 с помощью скользящего контакта 36 установленного на кронштейне 37; кронштейн 37 имеет две лестницы 38, которые благодаря шарнирам и пружинам (на фиг. не показано) могут быть отклонены до упора на стержень 20 по пунктирным линиям, изображенным на фиг. 3, и лесенку 39, по которой водитель электpомобиля 35 может подняться до лесенок 38, предварительно повернув верхнюю часть корпуса 20 электромобиля вокруг горизонтальной оси 41. На торцевых частях корпуса 40 локомобиля установлены фары 43.

Для перехода из электpомобиля на наружную сторону железобетонного корпуса электротеплопровода в его крышке 15 предусмотрены переходы 44 (верхние перелазы), которые сооружены через каждые 50 м. Под ними предусмотрены двери (на фиг. не показаны) в боковых стенках 45 железобетонного корпуса.

Труба 1 является главной частью электротеплопровода, определяющей его эффективность. Она состоит из проводников электротока в виде полос 46 (фиг. 6) цилиндрических поверхностей листового алюминия (меди), формирующих многослойные стенки трубы 1. На фиг. 6 изображены полосы 46, составляющие 1/3 окружности трубы 1. Стыки 47 полос 45 одного слоя производят по их образующим, отстоящим друг от друга на 120^о. Стыки 47 одного слоя смещены от стыков 47 другого слоя на углы, равные 120^о : n, где n - число слоев, составляющих стенки трубы 1. На фиг. 6 таких слоев изображено 4 (толщина слоев на чертеже увеличена для наглядности) и сдвинуты стыки 47 одного слоя относительно другого слоя на 30^о. Боковые стыки полос проклеиваются между собой по образующим и по поверхности смежных слоев полос на расстоянии в 0,1 м по дуге в обе стороны от стыка 47. Сами полосы должны быть максимально возможной длины и толщины и доставляться от завода изготовителя к месту строительства электротеплопровода в рулонах.

Толщина листов алюминия выбирается такой, чтобы при свертывании листа в рулон на заводе и при развертывании его на месте строительства в листе не возникали микротрещины. Длина полосы будет тем больше, чем тоньше полоса при одних и тех же максимально допустимых размерах рулона, которые лимитируются транспортными средствами и устройствами раскатки полосы рулона на месте строительства электротеплопровода.

В качестве примера произведем расчет полос для электропровода, труба которого будет иметь радиус 0,8 м и площадь сечения алюминиевой трубы (как электропроводника) равная 112 тыс. мм². Площадь сечения 112000 мм² получена при расчете эффективности электротеплопровода. При R = 0,8 м и дуге цилиндрической трубы, образованной полосой равной 120^о, ширина "ш" полосы будет равна
Ш = 1/3 ·2 π R = 1/3 х 2 х 3,14 х 0,8 = 1,68 м
Толщина "Т" стенок алюминиевой трубы будет:
T x 2 π R = 112000 мм², отсюда Т = 22,3 мм.

Примем, что труба будет состоять из дести слоев полос, тогда толщина одной полосы будет 2,23 мм. Примем, что минимальный радиус свертывания такой полосы в рулон будет равен 1 м, а максимальный радиус рулона 1,5 м.

Тогда в рулоне будет намотано с зазорами в 0,27 мм
560 мм : 2,5 мм = 200 оборотов полосы
Длина "Д" полосы будет равна
Д = 200 · 2 · 3,14 · = 1570 м
Масса "М" рулона будет равна
М = 1570 м х 1,68 м х 0,00223 м х
x 2,7 т/м³ ! 15,88 16 т.

Труба электропровода будет составлена из тридцати полос, конец каждой полосы будет свариваться с началом полосы следующего рулона. В месте сварки концов полос будет увеличиваться сопротивление электротоку и как следствие этого повышенное выделение тепла. Для того, чтобы свести до минимума скачек выделения тепла в электропроводе сварку тридцати концов алюминиевых полос необходимо производить с интервалом по длине электропровода не менее чем через 3 м, т. е. на участке длиной в 100 м.

Работа электротеплопровода будет производиться в двух режимах: в режиме 1 передача мощности до 100 млн кВт, и в режиме 2 передача мощности в 150 млн. кВт.

Отличие этих режимов друг от друга обусловлено тем, что в режиме 2 передачи мощности в 150 млн кВт будет выделяться в электропроводнике (в трубе 1) в 2,2 раза больше тепла, чем при режиме 1 - передачи 100 млн. кВт.

По этой причине в режиме 2 будут включаться в работу компрессоры 28, продувающие элегаз в трубе 1 и теплообменники 29, отбирающие тепло у пропускаемого через них элегаза. Кроме того будет включаться вентилятор 27 на максимальную скорость вращения, нагнетающий воздух через воздухозаборную трубу 16 в ж. б корпус электротеплопровода.

Кроме того, исходя из разности температур наружного воздуха в летнее и зимнее время электротеплопровод сможет поддерживать необходимый температурный режим в парнике различной площади, приходящийся на 1 погонный метр электротеплопровода. По этой причине предусматривается разделение парников на зимний 19, в котором поддерживается круглый год температура, необходимая для произрастания теплолюбивых с-х культур, и летний парник 21, в котором теплолюбивые культуры могут произрастать только в летнюю половину года.

При этом в морозные месяцы зимы летний парник 21 может прекращать работу из-за недостатка тепла.

В любом случае площади парников, которые целесообразно иметь вдоль электропровода, будут зависеть от климатических условий региона, по которому пройдет электротеплопровод, от конструкции парников и от теплолюбивых тех с-х культур, которые будут выращиваться в парниках в различные времена года.

Давление элегаза в пространстве между трубой и оболочкой 2 постоянное на всем протяжении электротеплопровода и равное 6 атм.

Давление элегаза в трубе 1 при работе в режиме 1 постоянное, равное давлению в пространстве между оболочкой 2 и трубой 1, а при работе в режиме 2 давление в трубе 1 будет перед компрессором составлять 5 атмосфер, а после компрессора 7 атмосфер.

Пропускную способность Q в м³/сек трубу 1 определим по формуле:
Q = 0,0056 × Д^8/3× = 112 м³/c. где Д - диаметр трубы 1 равный 160 см,
Р_н и Р_к - давление газа перед и после компрессора,
Р_н = 7 кг/см² и Р_к = 5 кг/см²,
γ - плотность газа отнесенная к плотности воздуха,
Т - абсолютная температура газа,
L - длина участка трубы в 1 км.

Примем, что γ = 2 (гесафторид серы), Т= = 350^оК и L = 50 км.

Примем, что прохождение элегаза через теплообменник уменьшит производительность Q до 100 м³/сек.

Примем, что длина "Д" участка электротеплопровода между теплообменниками 29 будет 1 км, тогда при мощности 150 млн. кВт и тепловых потерях электроэнергии в 10% получим, что на 1 км трубы 1 будет выделяться 150 млн. кВт : 6000 км = 1600 кВт в сек.

Зная, что 1 кВт/сек соответствует 240 граммикалорий, получим, что в сек. на 1 км трубы 1 выделится
2500 кВт х 0,24 кг кал = 600 кг кал.

Если между парниками длиной по 2 км будет расстояние в 2 км, то в парник будет попадать тепловая энергия от 8 км трубы 1, равная 4800 кг кал в секунду во время 6 часов "пик" и в 2,2 раза меньше за 1 сек в остальные 18 часов суток. В течение 6 часов, "пик" электротеплопровод будет работать во 2-м режиме и в остальные 18 часов в первом режиме. При этом необходимый тепловой режим парников будет достигаться путем использования теплоаккумуляторов 32, включения батареи 33 и включения электродвигателя 18 с вентилятором 17, который может иметь режим работы различной интенсивности в зависимости от возникающей потребности.

Вентилятор 17 нагнетал нагретый воздух в парнике 19, а через него и в парник 21 не только поддерживает в парниках заданный температурный режим, но также производит вентилирование воздуха в парниках и создает избыточное давление в парниках, упрочняющее их и исключающее просачивание в них холодного наружного воздуха во время ветренной погоды. Так, например, создание в парниках 19 и 21 избыточного давления воздуха с помощью вентилятора 17, равного 0,002 атмосферы создает силу, поддерживающую крышу парника, равную 20 килограмм на каждый квадратный метр, которая может компенсировать нагрузку от любого снегопада, а при необходимости это избыточное давление может быть удвоено перекрытием вентиляционных отверстий парников и увеличением мощности электродвигателя 18 вентилятора 17.

В зимнее время в морозную погоду вентилятор 17 должен работать на минимальных оборотах с целью вентиляции электротеплопровода и поддержания избыточного давления в паниках. В жаркую погоду летнего времени в режиме 2 работы электротеплопровода вентилятор должен работать на максимальных оборотах. Учитывая вышеизложенное электродвигатель 18 вентилятора 17 должен иметь не менее 3-х режимов интенсивности работы.

Таким образом, заявленная конструкция электротеплопровода позволяет обеспечить передачу большой мощности электроэнергии на большие расстояния и использовать тепловую энергию, выделяющуюся в проводнике при прохождении через него электротока. (56) Барг И. Г. Воздушные линии электропередач. М. : Энергоатомиздат, 1985.

Конрад В. Электротехника. Л. : Энергия, 1980.

Авторское свидетельство СССР N 1024021, кл. H 02 G 5/06, 1983.

Авторское свидетельство СССР N 550998, кл. H 01 B 9/06, 1977.

Использование: передача большой мощности на большие расстояния с использованием тепловой энергии. Сущность изобретения: два проводника большого поперечного сечения представляют собой алюминиевые или медные трубы, через которые проходят теплоноситель (жидкость или газ), охлаждающий проводник и выходящий из него, например, в теплообменник для передачи тепла от проводника к потребителю, при этом сами проводники заключены коаксально в две эластичные оболочки, заполненные сжатым газом, обладающим большой электрической прочностью. Между эластичными оболочками двух проводников проложен монорельс для перемещения по нему двухколесного электромобиля с ремонтным рабочим. Каждая эластичная оболочка состоит из нескольких слоев стекловолоконного полотна, пропитанного газо- и влаго-непроницаемым составом. Внутренняя и внешняя эластичные оболочки соединены между собой продольными и поперечными поясами, к пересечению которых прикрепляются канатики из стекловолокна, центрирующие эластичные оболочки относительно проводника, а проводник поддерживается лентами, закрепленными в кольцевых муфтах, которые установлены на опорах. Тепло, выделяемое электротеплопроводом при прохождении по нему электротока, используется для отопления парника с помощью двух устройств. 8 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Электротеплопровод, содержащий оболочку со сжатым газом, в которой коаксиально подвешен электропроводник, отличающийся тем, что, с целью передачи большой мощности электроэнергии на большие расстояния и использования тепловой энергии от нагрева электропровода, а также быстрого обнаружения и ремонта неисправностей в процессе эксплуатации, электропроводник выполнен в виде алюминиевой или медной трубы, составленной из нескольких слоев металлических полос в виде продольных участков цилиндрической поверхности, при этом дуги цилиндрической поверхности составляют 1/3 - 1/4 окружности, а стыки по образующим цилиндра одного слоя металлических полос смещены относительно стыков полос смежного внутреннего слоя таких же полос и соединены между собой с помощью клея, образующего из каждого слоя газонепроницаемую трубу. 2. Электротеплопровод по п. 1, отличающийся тем, что он подвешен коаксиально на лентах из стекловолокна к кольцевым муфтам, укрепленным в железобетонном корпусе, и на нем с помощью стекловолоконных тросиков и хомутов коаксиально закреплены две эластичные оболочки, при этом хомутики схватывают трубу электропроводника, а тросики соединяют хомутики и эластичные оболочки в местах пересечения продольных и поперечных поясов, соединяющих внутреннюю эластичную оболочку с внешней эластичной оболочкой. 3. Электротеплопровод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что его железобетонный корпус выполнен из участков, последовательно проходящих внутри и вне участков парника, при этом участок электротеплопровода, проходящий вне парников, имеет железобетонный корпус, изолированный от наружного воздуха, и в средней части этого участка установлена труба с вентилятором для нагнетания воздуха внутрь железобетонного корпуса, а участок, проходящий внутри парника, имеет вентиляционные трубы для пропускания охлажденного воздуха из парника в нижнюю часть корпуса. 4. Электротеплопровод по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в начале и в конце участка корпуса установлена газонепроницаемая перегородка из диэлектрика, а по противоположным сторонам центральной перегородки на расстоянии, равном диаметру окружности эластичных оболочек, установлены боковые газонепроницаемые диэлектрические перегородки, соединяющие трубу электропроводника и эластичные оболочки, при этом диэлектрические оболочки закреплены в стальных ободах, укрепленных в железобетонном корпусе. 5. Электротеплопровод по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что труба электропровода на участке между диэлектрическими перегородками разрезана по образующим цилиндра через 36^o окружности на полосы, которые в средней их части, совпадающей с центральной перегородкой, повернуты на 90^o и занимают радиальное направление, закрепленное центральной перегородкой, через которую они проходят без зазоров. 6. Электротеплопровод по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что от участка между центральной и первой боковой перегородками установлены в перпендикулярном направлении боковые трубы для подачи нагретого элегаза в компрессор или непосредственно в теплообменник, а из теплообменника для подачи охлажденного элегаза в трубу электропровода на участке между центральной и второй перегородками. 7. Электротеплопровод по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что оболочка выполнена в виде двух коаксиальных эластичных оболочек, соединенных продольными и поперечными поясами, образующими герметические полости между оболочками, в которые помещены датчики давлений, подсоединенные проводами через свои реле к системе сигнализации на дисплее дежурного о неисправности внутренней оболочки. 8. Электротеплопровод по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что в нижней части железобетонного корпуса проложен монорельс для перемещения по нему двухколесного электромобиля с токосъемником, проложенным в верхней части железобетонного корпуса, при этом электромобиль имеет поворачивающееся на 180^o кресло водителя, педали управления скоростью движения на противоположных торцевых панелях кабины водителя, обеспечивающие возможность движения электромобиля в прямом и обратных направлениях, причем при остановке электромобиля верхняя часть кабины водителя открывается вверх от корпуса электромобиля вокруг горизонтальной оси в сторону от кронштейна токосъемника, а на продольный металлический стержень, соединяющий стальные ободы электротеплопровода, отклоняются лесенки, нижние части которых установлены на шарнирах на средней части кронштейна токосъемника. 9. Электротеплопровод по пп. 1 - 8, отличающийся тем, что вдоль отдельных его участков с обеих сторон железобетонного корпуса установлен парник, в котором размещены теплообменники, термоаккумуляторы, водные батареи и вентиляционные трубы, а через 50 - 100 км - компрессоры для создания необходимой скорости движения элегаза в трубе электропроводника.