ПРОВОД БАРСОВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВУХЖИЛЬНЫЙ Российский патент 1994 года по МПК H01B7/00 

Изобретение относится к электроснабжению приемников электрической энергии постоянного или однофазного переменного тока.

В настоящее время указанные приемники снабжаются электрической энергией по электрическим цепям, в состав которых входят либо двухжильный провод, либо два голых или изолированных провода с круговым сечением жил, одинаковые по конструкции и электрическим параметрам. При этом на нагрев проводов (или кабелей) расходуется значительная часть электрической энергии, передаваемой от генератора к приемнику. Анализ потерь энергии в различных звеньях электрической системы, проведенный в Московском энергетическом институте, показал, что в проводах, кабелях и шинах всех напряжений потери энергии составляют до 13% от выработки электростанций. Уменьшение потерь энергии в проводах и кабелях линий электроснабжения представляет собой важную технико-экономическую проблему.

При заданной нагрузке и длине линии для снижения потерь энергии в линии используются следующие мероприятия: повышение электрического напряжения линии, увеличение коэффициента мощности линии, увеличение сечения проводов, выбор материала проводов с малым удельным электрическим сопротивлением, улучшение суточного и годового графиков нагрузки линии.

Целью изобретения является уменьшение потерь энергии в линиях электроснабжения приемников постоянного или однофазного переменного тока путем использования эффекта зависимости активного сопротивления жилы провода от величины магнитного потока внутри этой жилы и применения соответствующей конструкции двухжильного электрического провода (кабеля).

Сущность предложения состоит в следующем. Потери энергии в проводах электрической цепи прямо пропорциональны активному сопротивлению этих проводов. Для уменьшения потерь энергии необходимо уменьшить это сопротивление не изменяя площадь сечения и материал проводов цепи. Активное сопротивление проводника при низких частотах можно полагать равным электрическому сопротивлению данного проводника постоянному току. Последнее определяется отношением электрического напряжения между концами проводника U к току в этом проводнике:
R = U/I (1) (Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники. М. : Высшая школа, 1981, с. 25). Учитывая, что ток I и электрический заряд свободных частиц Q, прошедших через поперечное сечение проводника за время t, связаны соотношением I = Q/t, зависимость (1) можно представить в следующем виде:
R = U/I = Ut/Q = Φ/Q, (2) где Φ = Ut - магнитный поток внутри рассматриваемого проводника с током.

Из (2) следует, что электрическое (активное) сопротивление проводника R численно равно отношению магнитного потока Φ внутри проводника к электрическому заряду Q свободных частиц, прошедших через поперечное сечение проводника за время t. Это положение согласуется с известными из физики фактами.

Так, электрическое сопротивление идеального диэлектрика бесконечно велико. Это соответствует случаю, когда в (2) Q = 0 и Φ≠∞, : R = Φ/Q= ∞ .

В сверхпроводниках магнитное поле внутри проводников отсутствует и электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю. Это соответствует случаю, когда в (2) Q ≠ 0 и Φ = 0: R = Φ /Q = 0. (Калашников С. Г. Электричество. M. : Наука, 1985, с. 315).

Из (2) следует, что при Φ ≠ 0 и Q≠ 0 электрическое сопротивление проводника тем меньше, чем меньше магнитный поток внутри проводника и чем больше заряд частиц, проходящих через поперечное сечение проводника за время t.

Из электротехники известно, что электрическое сопротивление проводника R прямо пропорционально удельному электрическому сопротивлению ρ материала проводника, а магнитный поток Φ внутри проводника прямо пропорционален относительной магнитной проницаемости μ_r материала проводника. Учитывая это, из (2) можно сделать вывод, что в практике проводниковому материалу с меньшей μ_r должно соответствовать меньшее ρ .

Действительно, из применяемых в практике в качестве материала проводников наименьшим ρ обладает серебро и медь (диамагнетики, μ_r < 1), несколько большим ρ обладает алюминий (парамагнетик, μ_r > 1) и более высоким - сталь (ферромагнетик, μ_r>> 1. Соответственно при равных токах в проводниках и прочих равных условиях магнитный поток внутри проводников из диамагнитных материалов (серебро, медь) оказывается слабее, чем внутри проводников из пара- и ферромагнитных материалов (Калашников С. Г. Электричество. М. : Наука, 1985, с. 219).

Из изложенного выше следует, что уменьшив магнитный поток внутри проводников, образующих электрическую цепь, по которой проходит ток к приемнику, можно снизить электрическое сопротивление данной цепи и, соответственно, уменьшить потери энергии в этой цепи. При этом возникает возможность расширить область применения стальных проводов и заменять ими провода из цветного металла с целью экономии этого металла.

На фиг. 1 показана картина магнитного поля внутри жил 1 и 2 поперечного кругового сечения двухжильного провода, выбранного в качестве прототипа. На фиг. 1 ток в жиле 1 направлен от читателя за плоскость рисунка, а в жиле 2 - наоборот, к читателю. Направления магнитных линий (линий магнитной индукции) определены по правилу правого винта (буравчика). Векторы магнитной индукции В₁ и В₁^l, В₁^llсоответствуют магнитному полю тока в жиле 1, а векторы В₂, В₂^l и В₂^ll - полю тока в жиле 2. Как видно из фиг. 1 магнитное поле в наружных половинах жил прототипа ослабляется (векторы В₁ и В₂^ll, а также В₂ и В₁^ll противоположны по направлению), а магнитное поле во внутренних половинах жил прототипа усиливается (векторы В₁ и В₂^l, а также В₂ и В₁^lсовпадают по направлению). На фиг. 2 показана картина магнитного поля внутри жил поперечного сегментного сечения двухжильного провода, предлагаемого взамен прототипа. На фиг. 2 жилы 1 и 2 этого провода разделены слоем электрической изоляции. В жиле 1 ток направлен от читателя за плоскость рисунка, в жиле 2 - наоборот. Направления магнитных линий определены так же как на фиг. 1. Векторы магнитной индукции В с индексом 1 соответствуют полю тока в жиле 1, а векторы В с индексом 2 - полю тока в жиле 2. Как видно из фиг. 2 в данном случае магнитное поле тока каждой жилы ослабляется противоположно направленным полем тока соседней жилы. В результате, как это показано выше, электрические сопротивления жил с токами противоположных направлений уменьшаются, что приводит к уменьшению потерь энергии в жилах проводах.

Количество проволок в жилах провода не влияет на сущность рассматриваемых физических процессов, поэтому двухжильный провод может иметь как одно-, так и многопроволочные жилы.

Жилы предлагаемого двухжильного провода могут быть выполнены из стали или цветного металла. Стальные жилы обладают меньшим магнитным сопротивлением, чем жилы из цветного металла, поэтому в них эффект уменьшения электрического сопротивления проявляется резче.

На фиг. 3 показана схема предлагаемой конструкции двухжильного электрического провода, где 1 и 2 - жилы провода, имеющие сегментное поперечное сечение; 3 - электрическая изоляция жилы; 4 - общая электрическая изоляция провода. Края сегментов жилы имеют закругления, необходимые для выравнивания электрического поля у этих краев.

На фиг. 4 показана схема другой предлагаемой конструкции двухжильного электрического провода, в которой жилы в поперечном сечении имеют форму полуколец с закругленными краями. Обозначения на фиг. 4 соответствуют обозначениям на фиг. 3.

В обоих предлагаемых конструкциях двухжильного провода предполагается, что при работе по жилам провода проходят во взаимно противоположных направлениях равные по величине токи.

Новым в предлагаемом изобретении является использование эффекта зависимости активного сопротивления жил провода от величины магнитного потока внутри этих жил и предлагаемая конструкция двухжильного провода, обеспечивающая условия для уменьшения потерь энергии в проводе.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого решения определяется стоимостью электрической энергии, сэкономленной в линиях, выполненных проводом предлагаемой конструкции, а также экономией цветных металлов за счет расширения области применения стальных проводов.

Использование: электроснабжение приемников электрической энергии постоянного или однофазного переменного тока. Сущность изобретения: провод содержит две однопроволочные или многопроволочные металлические жилы, например, стальные с изоляцией. Форма поперечного сечения каждой жилы провода представляет собой полукольцо с закругленными краями и основанием, параллельным основанию полукольца другой жилы. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Электрический двужильный провод с одно- или многопроволочными металлическими изолированными жилами, например стальными, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь энергии в проводе при передаче по нему электрической энергии к приемнику постоянного или однофазного переменного тока, форма поперечного сечения каждой жилы провода представляет собой полукольцо с закругленными краями и основанием, параллельным основанию полукольца другой жилы. 2. Провод по п. 1, отличающийся тем, что форма поперечного сечения каждой жилы представляет собой сегмент с закругленными краями.