Изобретение относится к системе линий электропередачи по меньшей мере с двумя проводниками для передачи электрической энергии низкой частоты. Под низкой частотой понимаются частоты, обычные для тягового электроснабжения (16 2/3 Гц) и общего электроснабжения (50 или 60 Гц). Однако изобретение применимо для системы передачи постоянного тока, которая находит применение, например, в так называемом 700-киловольтовой сети. Это есть, так сказать, предельный случай понятия "низкая частота", ибо влияния магнитных полей, возникающих в таких системах передачи энергии, также могут быть мешающими. Изобретение представляет интерес также для таких систем линий электропередачи, в которых, например, из-за меньших размеров передатчиков рабочая частота составляет 40 кГц и выше.
Как показывают многочисленные литературные ссылки в книге "Elektrisches Strom als Umweltfaktor" авторов Konig/Folkerts, издательство Pflaum-Verlag, Мюнхен, 1992 год, сегодня исходят из того, что магнитные, но также в известной степени и электрические поля электроснабжения оказывают на организм живых существ отчасти неблагоприятное воздействие.
Прежде всего при этом рассматриваются линии электропередачи в сети высокого напряжения и в сети среднего напряжения и домовое электроснабжение, если они выполнены в виде воздушных линий. Но и в домашней сфере также возможна ситуация, сравнимая в отношении магнитных и электрических полей, хотя в этой области токи срабатывания по большей части существенно меньше. Это обусловлено тем, что в домашней сфере расстояния между людьми и токоведущими линиями существенно меньше.
Из патента США 5068543 известна система линий электропередачи, в которой, помимо по меньшей мере двух проводников для передачи электрической энергии в форме постоянного тока или низкочастотного тока, предусмотрен по меньшей мере еще один, по крайней мере параллельный проводникам системы проводник, через который при работе ток протекает синфазно с остальными проводниками и который во взаимодействии с остальными проводниками системы линий электропередачи уменьшает исходящее от нее магнитное поле в пространственной области, проходящей приблизительно параллельно системе линий электропередачи. Основополагающая идея в этом случае состоит в том, чтобы уменьшить электромагнитное излучение, окружающее систему линий электропередачи. Это достигается, в частности, за счет того, что, например, в однофазной системе линий электропередачи один из проводников расщепляют на два проводника и образовавшиеся таким образом три проводника, симметрично распределенные - относительно плоскости поперечного сечения - лежат на одной горизонтали к земле. Один вариант для случая однофазной передачи состоит в том, что при одном одиночном проводнике, служащем в качестве прямого провода, предусмотрены три или четыре проводника в качестве обратного провода, которые симметрично - относительно упомянутой уже плоскости поперечного сечения - охватывают прямой провод, предпочтительно наподобие ромба или квадрата. Как описано ниже, такое выполнение системы линий электропередачи позволяет уменьшить остаточное магнитное поле под системой до величины, составляющей приблизительно 20% от первоначального значения.
В основу изобретения положена задача по меньшей мере почти полностью компенсировать значение остаточного поля и осуществлять это в свободно выбираемых пространственных областях, проходящих параллельно системе линий электропередачи.
Согласно изобретению в системе линий электропередачи, в которой помимо по меньшей мере двух проводников для передачи электрической энергии в форме постоянного тока или низкочастотного тока предусмотрен по меньшей мере еще один, по крайней мере параллельный проводникам системы проводник, через который при работе протекает ток синфазно с остальными проводниками и который во взаимодействии с остальными проводниками системы линий электропередачи уменьшает исходящее от нее магнитное поле в пространственной области, проходящей приблизительно параллельно системе линий электропередачи, достигается за счет того, что токи в отдельных проводниках и расстояния от них до лежащей в указанной пространственной области точки, воздействие на которую вычисляется, и пространственное распределение проводников по отношению к этой точке в пространственной области выбраны таким образом, что векторная сумма компонентов магнитного поля, исходящих от проводников, по которым протекает ток, в этой точке практически становится равной нулю. Благодаря этому достигается уменьшение остаточного поля в упомянутой области пространства до практически пренебрежимо малой величины в сравнении с решением, известным из патента США, и обеспечивается возможность свободного выбора области пространства в широких пределах.
При этом изобретение может быть выполнено так, что, в случае подсоединения к данной системе линий электропередачи дополнительной линии электропередачи, система линий электропередачи имеет один общий проводник таким образом, что имеется один, расщепленный по меньшей мере на два одиночных проводника, проводник и один нерасщепленный проводник и что одиночные проводники каждого из расщепленных проводников расположены относительно их геометрического положения в зависимости от протекающих в проводниках токов так, что магнитное поле, создаваемое передаваемой энергией тока в нерасщепленном проводнике, по меньшей мере почти компенсируется магнитными полями токов в одиночных проводниках в области, проходящей приблизительно параллельно системе линий электропередачи. Проводник может быть расщеплен и более чем на два одиночных проводника. Благодаря этому обеспечивается дополнительная свобода в общей геометрии линий передачи, что может быть предпочтительно в отдельных случаях.
При синфазности токов в одиночных проводниках целесообразно расположить последние на противолежащих сторонах поверхности, определяемой продольным протяжением нерасщепленного проводника и точкой, находящейся в компенсационной области. Предпочтительно также, если при этом одиночные проводники отдельного расщепленного проводника замкнуты накоротко на концах друг с другом.
Предпочтительно также, чтобы одиночные проводники имели по меньшей мере почти равное электрическое сопротивление и были расположены с угловой симметрией к поверхности, определяемой продольным протяжением нерасщепленного проводника и точкой, находящейся в компенсационной области.
При противофазности токов в одиночных проводниках целесообразно располагать последние на одной и той же стороне поверхности, определяемой продольным протяжением нерасщепленного проводника и точкой, находящейся в компенсационной области.
Между одиночными проводниками расщепленного проводника предпочтительно может быть включен источник тока, синфазный электрической энергии, передаваемой в системе линий электропередачи. Целесообразно, чтобы последний работал с входным током, то есть с высоким внутренним сопротивлением в сравнении с электрической цепью, образованной одиночными проводниками.
В случае нескольких, проходящих приблизительно параллельно (первичных) линий электропередач, воздействующих своими магнитными полями на указанную данную область пространства, целесообразно предусмотреть выполнение компенсации магнитных полей лишь для части систем линий электропередачи, и у этих систем линий электропередачи, выполненных для компенсации, предусмотреть такое пространственное смещение проводников, чтобы имела место по меньшей мере частичная компенсация магнитных полей других (первичных) систем линий электропередачи.
В определенных случаях предпочтительно располагать отдельные проводники один над другим и/или один за другим относительно плоскости, определяемой указанной областью пространства и системой линий электропередачи. Кроме того, целесообразно так пространственно располагать отдельные проводники и так распределять текущие в них токи, чтобы компенсация магнитного поля происходила по меньшей мере в двух разделенных областях пространства.
Желательно также, чтобы одиночные проводники отдельных расщепленных проводников были расположены по меньшей мере почти круговой симметрией вокруг нерасщепленного проводника.
При этом при выполнении системы в виде однофазного кабеля с оболочковой изоляцией один из обоих предусмотренных для проведения тока проводников целесообразно выполнять как расщепленный проводник, одиночные проводники которого также как и нерасщепленный проводник изолированы каждый отдельно и расположены так, что одиночные проводники расщепленного проводника окружают нерасщепленный проводник симметрично со всех сторон.
В кабеле для многофазного тока с оболочковой изоляцией целесообразно выполнить каждый из относящихся к соответствующей фазе тока проводников в виде расщепленного проводника с одиночными проводниками, изолированными каждый отдельно, и расположить одиночные проводники расщепленных проводников по меньшей мере с почти круговой симметрией, а при наличии дополнительно предусмотренного нейтрального проводника (нулевого провода) - предпочтительно с круговой симметрией вокруг нейтрального проводника.
Далее, предпочтительно, чтобы нейтральный проводник был выполнен в виде расщепленного проводника и его одиночные проводники окружали кругообразно расположенные одиночные проводники проводников, относящихся каждый к соответствующей фазе тока, в качестве экрана против формирования внешнего электрического поля, а в системе с защитным проводом - предпочтительно так, что последний расположен центрально и окружен одиночными проводниками.
Защитный провод также может быть выполнен как расщепленный проводник, и его одиночные проводники могут окружать другие проводники кабеля в качестве экрана против формирования внешнего электрического поля, а в системе с нейтральным проводом - предпочтительно так, что последний расположен центрально и окружен одиночными проводниками.
Кабель может быть известным образом снабжен на концах соединительными устройствами, в частности, штекерами. В этом случае в соединительном устройстве каждого кабельного конца предусматривается электрическое соединение одиночных проводников каждого из расщепленных проводников. Соединительное устройство может быть, например, соединительной планкой электрического прибора. Соединительное устройство может представлять собой по меньшей мере на одном кабельном конце штекер. Если кабель оборудован на одном конце штекером, а на другом конце муфтой, то он может использоваться известным образом в качестве так называемого удлинительного кабеля. Это представляет собой особое преимущество, если, например, проложенная в стене спальной комнаты электропроводка для питания настольного ночника находится в изголовье кроватей. Тогда настольный ночник может быть присоединен через такой удлинительный кабель к электрической розетке, токопровод к которой не проходит в изголовье. В этом случае удлинительный кабель в значительной мере освобождает изголовье кроватей от магнитных полей и может даже освободить, при соответствующем выполнении согласно одному варианту изобретения, и от электрических полей. При этом желательно, чтобы отдельный штекер и его сопряженная деталь были бы выполнены известным образом так, чтобы штекер мог входить в сопряженную деталь только в положении, в котором соединительный элемент нейтрального провода штекера контактирует с гнездом для нейтрального провода в сопряженной детали. Таким образом обеспечивается, что не только магнитные поля, но также и электрические поля могут быть соответствующим образом уменьшены в пространстве, в котором требуется компенсация, до пренебрежимо малой величины.
Изобретение предпочтительно применимо для кабеля, выполненного в виде плоского провода с разделительным основанием, при этом одиночные проводники незначительно смещены по высоте по сравнению с неразделенным проводником относительно плоскости, определяемой плоским проводом с разделительным основанием. При этом целесообразно расположить одиночные проводники по меньшей мере в двух плоскостях, проходящих по меньшей мере приблизительно параллельно друг другу, и в случае многофазной системы расщепить все проводники на одиночные проводники. Эти варианты выполнения изобретения применимы также и для токоснабжающих линий путей тока и для путей тока в потребителях, которые проходят по меньшей мере аналогично в одной или нескольких плоскостях.
Для варианта выполнения системы линий электропередачи в виде подземного кабеля, предпочтительно для высоковольтной передачи, одиночные проводники предусматриваются в виде раздельных проводников.
Особое значение изобретения имеет также и для систем тягового тока. В этих системах, как известно, рельсы обычно используются как один проводник, а воздушный контактный провод (железная дорога) или боковой контактный провод (метро) как второй проводник двухпроводной системы, которые, как правило, работают с рабочим напряжением 15 киловольт при рабочих токах от 100 ампер и выше. При этом в соответствии с изобретением, один из обоих упомянутых проводников дополняется до расщепленного проводника. Целесообразно дополнять рельсы колеи одиночным проводником до расщепленного проводника и выбирать пространственное расположение одиночного проводника в зависимости от протекающего в нем тока так, чтобы в упомянутой пространственной области имела место компенсация. При этом один из образованных в результате расщепления одиночных проводников может быть проложен в земле и параллельно трассе линии электрифицированной железной дороги.
В одном варианте изобретения предусмотрено, что одиночные проводники соединяются на одном конце друг с другом, а их другие концы подключаются к трансформатору, дающему компенсационный ток.
В другом варианте изобретения на обоих концах одиночных проводников между одиночными проводниками подключается по одному трансформатору, дающему компенсационный ток. В выполненной согласно изобретению системе тягового тока целесообразно разбить одиночный проводник, дополняющий один проводник из расщепленного проводника, на короткие отрезки и предусмотреть сенсорное устройство, которое устанавливает, какой из отрезков линии, образованных воздушным контактным проводом или боковым контактным проводом и рельсом, нагружен током. В местах перехода от одного отрезка одиночного проводника к следующему необходимо предусмотреть в этом случае коммутационные устройства, снабжающие компенсационным током соответственно лишь те отрезки одиночных проводников, в которых в воздушном или соответственно в боковом контактном проводе течет ток. Таким образом можно учесть ситуацию, когда распространяющееся вовне магнитное поле компенсируется лишь в отрезках контактной сети электрифицированной железной дороги, лежащих между точкой ввода питания в контур тягового тока и электролокомотивом, а нагрузка магнитного поля благодаря компенсационному полю в других отрезках линий тягового тока отсутствует. Для установления упомянутого состояния целесообразно предусмотреть в качестве сенсорного устройства магнитный датчик, например катушку, срабатывающую на тяговый переменный ток с частотой 16 2/3 Гц. При работе на постоянном токе, например, можно использовать зонд Холла известной конструкции, который при появлении постоянного магнитного поля изменяет свое электрическое сопротивление, что в этом случае может найти применение в качестве критерия переключения.
Также следует упомянуть, что может быть предусмотрено несколько одиночных проводников, проложенных по меньшей мере почти параллельно линии внешнего электроснабжения электрифицированных железных дорог.
Во многих случаях применения изобретения большим преимуществом является то, что одиночные проводники могут иметь предпочтительно существенно меньшую площадь поперечного сечения, чем нерасщепленный проводник, в частности, настолько меньшую, что сумма площадей поперечного сечения одиночных проводников по меньшей мере приближенно соответствует площади поперечного сечения соответствующего нерасщепленного проводника. Это позволяет, во-первых, избежать ненужного повышения расхода материала на провода и увеличения поперечного сечения кабеля. С другой стороны, тем самым в кабелях удовлетворяется требование к эластичности в отношении их гибкости.
Чтобы обеспечить правильную привязку одиночных проводников к соответствующим контактам, таким как соединительное устройство, для соединения с остальной цепью, целесообразно снабдить одиночные проводники, образующие соответствующий расщепленный проводник, одинаковой маркировкой, в частности одинаковым цветом их изоляции. Также может быть использована такая дифференциация по форме, как различное рифление соединительных кабелей в громкоговорителях стереоустановок.
Ниже изобретение поясняется подробнее на примерах его выполнения, показанных на чертеже.
На чертежах показано:
на фиг. 1 - в пространственном изображении система линий электропередачи, с помощью которой подробнее поясняется принцип действия изобретения,
на фиг. 2 - векторное представление системы согласно фиг. 1.
на фиг. 3 - в разрезе однофазная высоковольтная система снабжения тяговым током с напряжением, например, 115 кВ,
на фиг. 4 - система трехфазного переменного тока, обычная в диапазоне 115 кВ и выше, модифицированная согласно изобретению,
на фиг. 5 - схема выполнения трансформирующего устройства для обеспечения расщепления тока для одиночных проводников,
на фиг. 6 - полностью симметричная однофазная система согласно изобретению,
на фиг. 7 - векторное представление магнитного поля в системе согласно фиг. 4,
на фиг. 8 - две однофазных полностью симметричных системы согласно изобретению,
на фиг. 9 - векторное представление магнитного поля в системе согласно фиг. 8,
на фиг. 10 - согласно фиг. 3 с дополнением для компенсации электрического поля,
на фиг. 11 - в разрезе кабель для передачи трехфазного переменного тока при включении в звезду, следовательно с нейтральным проводом, без защитного провода (на стандартизированном профессиональном языке обозначаемый также как РЕ),
на фиг. 12 - кабель согласно фиг. 11 с РЕ,
на фиг. 13 - однофазный кабель, применяемый, например, в качестве удлинительного кабеля в сети низкого напряжения (230 В),
на фиг. 14 - однофазный кабель, например, согласно фиг. 11, с компенсацией магнитного поля, обусловленного скруткой одиночных проводников, обычной для кабелей из соображений гибкости,
на фиг. 15 - кабель согласно фиг. 14 с РЕ,
на фиг. 16 - кабель для трехфазной передачи переменного тока при включении в треугольник, с противоположнонаправленной скруткой одиночных проводников для дополнительной компенсации магнитного поля,
на фиг. 17 - кабель для трехфазной передачи переменного тока при включении в звезду, следовательно, с нейтральным проводом, и с РЕ, и особой скруткой для дополнительной компенсации магнитного поля,
на фиг. 18 - так называемый провод с перемычкой (плоский провод в пластмассовой оболочке) в исполнении согласно изобретению с однофазным токопроведением и двумя РЕ-проводниками,
на фиг. 19 - плоский провод для передачи трехфазного переменного тока с нейтральным проводом и РЕ,
на фиг. 20 - видоизмененный плоский провод согласно фиг. 17,
на фиг. 21 - плоский провод, подобный проводу на фиг. 18, с особо далеко простирающейся компенсацией магнитного поля,
на фиг. 22 - диаграмма, поясняющая действие варианта выполнения изобретения согласно фиг. 3,
на фиг. 23 - токовая система электротяги с контактным проводом и рельсовой колеей в качестве проводника первичной системы линий передачи и одиночным проводом, расположенным над землей,
на фиг. 24 - токовая система электротяги с контактным проводом и рельсовой колеей в качестве проводника первичной системы линий передачи согласно фиг. 23 и одиночным проводом, расположенным в земле,
на фиг. 25 - токовая система электротяги согласно фиг. 23, в которой дополнительный одиночный проводник подразделен на отрезки, соединенные через коммутирующие устройства.
на фиг. 26 - присоединение кабеля с его одиночным проводниками к винтовым зажимам обычного штекера с защитным контактом,
на фиг. 27 - предпочтительное выполнение штекера согласно фиг. 26, упрощающее зажимание одиночных проводников,
на фиг. 28 - выполнение охватываемой детали штекера и охватывающей детали штекера, которое обеспечивает соединение только в заранее определенном положении,
на фиг. 29 - две детали, позволяющие преобразовать обычное штекерное соединение с защитным контактом в соединение согласно фиг. 28,
на фиг. 30 - вариант расположения проводников,
на фиг. 31 - пояснение к варианту расположения проводников согласно фиг. 30 для однофазной системы,
на фиг. 32 - пояснение к варианту расположения проводников согласно фиг. 30 для трехфазной системы,
на фиг. 33 - комбинация различных видов расположения для системы трехфазного тока и
на фиг. 34 - пример выполнения для компенсации в нескольких областях пространства.
На фиг. 1 показан поперечный разрез системы линий электропередачи, с помощью которой компенсация пояснена более подробно.
Проводники L1 и L2 представляют собой прямой и соответственно обратный провод однофазной двойной линии для передачи электрической энергии мощностью 11,5 кВт с частотой 50 Гц при напряжении 230 В. В каждом из двух проводов, следовательно, течет ток приблизительно 50 А. Пусть расстояние между обоими проводами составляет приблизительно 0,5 метра. Такой случай, например, имеет место при электроснабжении дома с помощью линии, проложенной по стойке на крыше дома. В отдаленной точке Р, воздействие на которую вычисляется, вследствие этого возникают два компонента Н1 и Н2 магнитного поля, причиной которых является ток в прямом и обратном проводе. Оба компонента магнитного поля противофазны, но вследствие расстояния между проводами они имеют неодинаковое направление. Их абсолютная величина зависит от расстояния (а1, а2) между точкой Р измерения и соответствующим проводом (L1 или L2) в плоскости поперечного сечения. Известным образом образуется суммарный компонент Hs, который отличен от нуля.
Если добавить, как показано на фиг. 1, еще одну двухпроводную систему с проводами L3 или L4 и пропустить по ней синфазный с системой проводов L1 и L2 ток Ik, то возникнут также компоненты H3 и H4 магнитного поля, ориентация которых зависит от положения проводов L3, L4 в плоскости поперечного сечения и величина которых зависит от протекающего в них тока и от расстояния a3, a4 от каждого из них до точки P. При правильном выборе фаз (например, H2 и H4, а также H3 и H1 соответственно в противофазе) получается векторное изображение, показанное на фиг. 2.
Под синхронизмом фаз понимается, что токи в рассматриваемых проводниках не только равночастотны и имеют одинаковую временную амплитудную характеристику, но и имеют блокировку фазы относительно друг друга, а именно в каждом отдельном случае могут быть в фазе или противофазе.
Путем местного перемещения L3, L4 и подбором тока Ik в L3, L4 можно свести суммарный компонент четырех компонентов H1, H2, H3 и H4 магнитного поля в точке P измерения до нуля.
На практике в большинстве случаев можно объединить провод L2 с проводом L4 в один провод.
Ток во второй системе линий электропередачи может быть получен различными способами. Один вариант состоит в том, что первоначальный провод L2 подразделяют на два провода путем расщепления и оба одиночных провода на концах системы линий передачи замыкают накоротко. Ток в каждом из одиночных проводов определяется в этом случае практически соотношением сопротивлений этих двух одиночных проводов, которое может быть реализовано различными сечениями проводов.
Другой путь состоит в том, что или в дополнительную систему линий электропередачи, или в случае упомянутого уже расщепления между обоими одиночными проводами включается источник тока, который предпочтительно работает с приложенным током и синфазно с током, текущим в первоначальной системе линий передачи. Если фаза тока, текущего в проводе L2 благодаря этому источнику тока, противоположна фазе тока, первоначально текущего в L2, то текущий в L2 ток будет меньше, чем первоначальный ток. В остальном это имеет также побочный эффект; ибо благодаря этому могут быть уменьшены потери в проводе L2 на первичную систему линий передачи. Если, напротив, имеется синфазность, то ток в L2 в сравнении с первоначальным током увеличивается.
Электрическая энергия, затрачиваемая на компенсацию магнитного поля в системе линий электропередачи согласно изобретению, исчезающе мала в сравнении с энергией, передаваемой в первичной системе линий (L1, L2) передачи, так как прилагаемое напряжение источника очень мало в сравнении с рабочим напряжением между проводами L1 и L2.
Линия высокого напряжения, выполненная согласно изобретению как двухпроводная система с проводами L1, L2, показана на фиг. 3. При этом провод L2 расщеплен на провода L21 и L22. Положением провода L1 и заданной вблизи трассы линии электропередачи компенсационной точкой PK или соответственно проходящей через компенсационную точку PK параллельно к проводу L1 задана простирающаяся вдоль трассы плоскость отсчета, которая показана на фиг. 3 в поперечном сечении как прямая SL симметрии, касающаяся точек L1 и PK. Оба провода L21 и L22, получающиеся в результате расщепления провода L2, расположены с угловой симметрией относительно прямой SL симметрии и отстоят от компенсационной точки PK настолько, что векторная сумма H2S обоих одиночных магнитных полей H21 и H22 в компенсационной точке PK по абсолютной величине имеет величину вектора H1 магнитного поля, относящегося к проводу L1 в компенсационной точке. На фиг. 3 оба одиночных магнитных поля H21 и H22 расположены, например, полностью симметрично к оси SL симметрии. Если в каждом проводе L21 и L22 течет по половине тока провода L2, то вследствие одного и того же расстояния d между проводами L21 и L22 от компенсационной точки PK там абсолютные величины соответствующих магнитных полей H21 и H22 также будут одинаковы. Благодаря расположению проводов L21 и L22 с угловой симметрией относительно оси SL симметрии для суммарного вектора H2S магнитных полей H21 и H22 получается вектор H2S магнитного поля, ориентированный и направленный по оси, идентичной с осью вектора H1 магнитного поля. Прямой и обратный токи однофазной системы создают в компенсационной точке PK противоположно ориентированные магнитные поля H1 и H2 (протифовазность). Тем самым в компенсационной точке PK магнитные поля полностью компенсируются.
На фиг. 4 показана возможная компенсация магнитного поля, создаваемого трехфазной системой переменного тока с проводами DL1, DL2 и DL3. В изображении в поперечном сечении, задаваемом точками DL1 и DPK, прямая образует, подобно фиг. 3, величину отсчета для расположения проводов с угловой симметрией. При этом получающиеся в результате расщепления провода DL2 одиночные провода DL21 и DL22, аналогично фиг. 3, расположены с полной симметрией. Суммарный вектор DH2, относящийся к этим проводам, имеет при соответствующем удлинении от компенсационной точки DPK по абсолютной величине, при сравнимом положении фаз, величину DH1 и ту же ориентацию оси направления, что и DH1. Ток D12 в обоих одиночных проводах DL21 и DL22 принимается равной силы. Провод DL3 расщеплен на отдельные провода DL31 и DL32. Расстояние Dd31 и Dd32 этих обоих одиночных проводов от компенсационной точки DPK и текущие в них парциальные токи D131 и D132 принимаются различной силы. Токи D131 и D132 так велики, что их соответствующие векторы DH31 и DH32 магнитного поля в компенсационной точке DPK, при сравнимом положении фаз, равны и их суммарный вектор DH3 соответствует по абсолютной величине вектору DH1. Тем самым, при мгновенном рассмотрении, например, при максимальной амплитуде электрического тока, при полностью симметричном режиме работы на трехфазном токе, абсолютные величины трех магнитных полей DH1, DH2 и DH3 одинаковы. Из-за угловой симметричной всей системы все три вектора DH1, DH2 и DH3 магнитного поля имеют одну и ту же ориентацию, а именно ориентацию DH1. Поскольку, как известно, для системы трехфазного тока сумма токов D11, D12 и D13 в каждый момент времени равна нулю, то это действительно также и для суммы одиночных магнитных полей в компенсационной точке DPK. В примере согласно фиг. 4 это изображено в векторной форме для момента времени, для которого действительно, что D11=D12/2 и D11 = D13/2. Так как токи определяют магнитные поля, это действительно соответственно и для относящихся к ним магнитным полям.
Равномерное разделение токов одиночных проводов на равные доли при расщеплении провода на несколько токоведущих одиночных проводов следует принять как достаточно гарантированное тем, что параллельно включенные одиночные провода имеют одинаковое значение сопротивления. Возможность целенаправленного внешнего разделения тока представляет показанная на фиг. 5 схема. Через соотношения коэффициентов трансформации четырех трансформаторов 31, 32, 33 и 34 можно регулировать распределение тока 1 по двум одиночным проводам 35 и 36. В примере разделение тока происходит так, что в каждом из проводов 35, 36 течет половина тока 1, который течет в нерасщепленном проводе 37, другими словами, обусловлено питающим напряжением каждого из двух одиночных проводов.
Компенсация магнитного поля при расположении согласно фиг. 3 эффективная лишь односторонне, считая от трассы высоковольтной линии передачи, может быть реализована также для двух сторон. На фиг.6 показан вариант изобретения, позволяющий реализовать компенсацию симметрично относительно трассы при однофазной системе. Провод 401 расположен на оси 402 симметрии трассы, второй провод расщеплен на четыре одиночных провода 403, 404, 405 и 406, расположенных симметрично с равным расстоянием 407 от оси 402 симметрии. Выходя из обеих компенсационных точек 408 и 409, лежащих на противоположных сторонах трассы, две боковые оси 410 и 411 симметрии скрещиваются в точке 412 на оси 402 симметрии. Четыре одиночных провода 403, 404, 405 и 406 образуют с компенсационными точками 408 и 409 по одной паре 414, 415 и 416, 417 прямых, которые все вместе образуют равный угол 413 с обеими боковыми осями 410 и 411 симметрии. При этом поверхность земли обозначена цифрой 420. Чтобы при этом расположении отдельных проводов достичь оптимальной компенсации магнитного поля симметрично относительно трассы в компенсационных точках 408 и 409, нерасщепленный провод 401 должен лежать несколько ниже точки 412 симметрии, и токи в четырех одиночных проводах 403, 404, 405 и 406 должны быть попарно 403, 405 и 404, 406 одинаковы. Распределение общего тока, соответствующего току в 401, по обеим парам 403/405 и 404/406 одиночных проводов различно. В примере оно составляет 2:1. Требуемое разделение зависит от того, насколько далеко лежит нерасщепленный провод ниже точки 412 симметрии и каковы прочие геометрические условия. Оно может определяться, как и в других примерах выполнения, через векторное представление.
Показанное на фиг. 6 расположение дает, например, для компенсационной точки 408 картину векторов магнитного поля над поверхностью 420 земли, показанную для определенной силы тока в проводе для однофазной системы на фиг. 7. Провод 401, обтекаемый общим током, создает магнитное поле, описываемое вектором 501 в отношении его абсолютной величины (длина) и его пространственной ориентации (в примере изображен в противофазе), обусловленное силой тока в проводе 401, его удалением 419 от компенсационной точки 409 и его пространственной ориентацией (под прямым углом к 419). В соответствии с этим определяются векторы 502 и 503 магнитного поля, создаваемого проводами 403 и 405. Векторное сложение этих векторов дает суммарный вектор 504. Для проводов 404 и 406 это векторы 505 и 506 или суммарный вектор 507. Векторы 504 и 507 принадлежат к одиночным проводам 403, 404, 405 и 406; они тем самым равны фазе. Их векторная сумма представляет собой полный вектор 501 магнитного поля общего тока одиночных проводов. Этот вектор магнитного поля в той фазе, которая положена в основу изображения, практически равен по абсолютной величине находящемуся в противофазе вектору магнитного поля тока в проводе 401. Так как оси направления совпадают, оба магнитных поля компенсируются. Векторное представление, как отмечалось выше, позволяет вывести точные величины, зависящие от общей геометрии.
Пример расположения проводов с полностью симметричной относительно трассы компенсацией магнитного поля показан на фиг. 8 для двух двухфазных систем 601, 602, 603 и 604, 605, 606 с соответственно одним расщепленным на две части 602, 603 и 605, 606 проводом над поверхностью 624 земли. Провода 602/605, 601/604, 603/606 всей системы лежат в этом примере попарно симметрично к главной оси 607 симметрии. Прямые, проведенные через обе компенсационные точки 608, 609, и провода 602, 601, 603 и 605, 604, 606 образуют равные пары 622, 623 углов на обеих сторонах.
Точки пересечения прямых 610-620, определяемых парами 622, 623 углов, совпадают с позицией проводов. 610 и 617 скрещиваются в 602, 611 и 616 скрещиваются в 605. 612 и 619 скрещиваются в 601. 613 и 618 скрещиваются в 604. 614 и 621 скрещиваются в 603. 615 и 620 скрещиваются в 606.
Полносимметричное расположение проводов дает, например, для компенсационной точки 608 и соответственно также для компенсационной точки 609 для магнитного поля векторную ситуацию согласно фиг. 9. К токам в обоих нерасщепленных проводах 601, 604 относятся векторы 701 и 702, а также их суммарный вектор 703 (эти три вектора нанесены на фиг. 9 в противофазе). К токам в расщепленных проводах 602 и 605 относятся векторы 704 и 705 с суммарным вектором 706, к токам в проводах 603 и 606 векторы 707 и 708 с суммарным вектором 709. В результате они дают полный вектор 703 магнитного поля для полного тока, который течет в расщепленных проводах 602, 603, 605, 606 и который в качестве обратного тока идентичен с током в нерасщепленных проводах 601, 604. Оба полных тока имеют тем самым в компенсационной точке одинаковую абсолютную величину и одинаковые оси направления. Из-за противофазности обоих токов или соответственно магнитных полей имеет место состояние полной компенсации.
Возможность компенсировать при компенсации магнитного поля дополнительно электрическое поле показана на фиг. 10. В дополнение к описанной на фиг. 3 для двухфазной токовой системы L1, L2 с расщепленными проводами L21 и L22 компенсации магнитного поля в точке PK здесь введен еще один электрический провод E, который имеет такой же потенциал, что и провод L1, но не несет тока. При этом указанная мера не нарушает компенсации магнитного поля. На фиг. 10 поэтому нанесены исключительно векторы, описывающие электрическое поле. Графическое определение этих векторов производится известным способом путем зеркального отражения на земной поверхности 801 проводов, находящихся под потенциалом относительно земли. Это дает точки L1', L2', L22' и еще E', каждой из которых следует поставить в соответствие противофазность. Отдельные векторы электрического поля определяются из высоты потенциала, расстояния между проводами и компенсационной точкой PK и ориентации направления, описываемой соединительными прямыми между проводами L1, L22, E, L1', L21', L22', E' и компенсационной точкой PK.
Провод L1 создает электрическое поле, описываемое вектором 802, который может быть выведен из векторной суммы векторов 803 и 804 (противофазность), обусловленных проводами L1 и L1'. В соответствии с этим проводу L21 должен быть приписан вектор 805, определяемый суммой векторов 806 (L21) и 807 (L21'), а также проводу L22 вектор 808, состоящий из векторов 809 (L22) и 810 (L22'). Сумма векторов 805 (L21) и 808 (L22) дает вектор 811 (L21 и L22), уже частично компенсирующий вектор 802 (L1). Остаточное электрическое поле описывается вектором 812. Благодаря введению бестокового провода E, потенциал которого соответствует потенциалу провода L1, получается вектор электрического поля, который приблизительно соответствует зависимому от L1 вектору 802. Результирующий суммарный вектор 813 соответствует при противоположной ориентации направления абсолютной величине вектора 811, что означает очень хорошую компенсацию электрического поля в компенсационной точке PK. В этом примере в усовершенствованном варианте изобретения провод E может быть вовлечен в токовую нагрузку проводника L1, чтобы, например, при желании снизить омические потери.
Выполнение системы линий электропередачи согласно изобретению в виде кабеля для многофазной передачи электрической энергии показано на фиг. 11 в поперечном разрезе. В системе трехфазного переменного тока три фазных проводника 91, 92, 93, например, расщепленные каждый на три одиночных проводника 911, 912, 913; 921, 922, 923; 931, 932, 933, расположены с круговой симметрией и чередованием вокруг центрального нейтрального проводника 9N. При этом формирование мешающего магнитного поля вне кабеля тем слабее, а подавление его тем равномернее, чем больше расщепленных одиночных проводников содержит система.
Так как система линий электропередачи переносит весь прямой и обратный ток, то сумма всех токов равна нулю, и так как все проходящие токи вследствие расщепления фазных проводников и наличия центрально расположенного нейтрального проводника распределены в поперечном сечении с далеко идущей круговой симметрией, то магнитное поле вне кабеля оптимально компенсируется. Имеет смысл определить сумму площадей поперечного сечения одиночных проводников расщепленного проводника, исходя из требуемой величины нерасщепленного.
Выполнение системы линий электропередачи в соответствии с изобретением, показанное, например, на фиг. 11, может быть использовано с помощью системы, показанной на фиг. 12 в поперечном разрезе, также и для подавления возникающих вне кабеля электрических полей. Три фазных проводника для системы 101, 102, 103 трехфазного тока, каждый расщепленный на два одиночных проводника 1011, 1012; 1021, 1022; 1031, 1032, расположены с круговой симметрией (окружность 105) и с равномерным распределением. На соответственно большей окружности 106 лежат восемь расщепленных одиночных проводников 10N1-10N8 нейтрального проводника 10N. Один защитный провод 10PE при необходимости расположен центрально.
Еще один вариант выполнения системы линий электропередачи в виде кабеля в соответствии с изобретением показан на фиг. 13 в поперечном разрезе. В двухпроводной системе с обоими проводниками 111 и 112 проводник 112 расщеплен на восемь одиночных проводников 1121-1128, симметрично окружающих (окружность 114) центрально расположенный проводник 111. Благодаря большому числу одиночных проводников 1121-1128 вне кабеля практически не возникает полей. Поэтому, независимо от полярности, например, штекера в розетке обеспечивается хорошая компенсация магнитного поля. Для того чтобы предупредить появление вне кабеля электрического поля, целесообразно использовать, например, расщепленный на четыре одиночных проводника 11PE1-11PE4 защитный проводник 11PE в качестве наружного кольцевого слоя (окружность 115) одновременно и как экран.
Для оптимальной компенсации магнитного поля, существующего вне кабеля, не только необходимо, чтобы противоположно направленные поля, создаваемые прямым и обратным токами, при возможно более равномерном распределении в каждой точке окружающего пространства имели бы одинаковую абсолютную величину и одинаковые фазы, что обеспечивается при идентичном прямом и обратном токах, но и для практически полной компенсации также необходимо, чтобы пространственная ориентация компенсирующихся полей совпадала. Это обеспечивается только при параллельной укладке всех токоведущих проводников. Если это по техническим причинам изготовления кабеля, например, вследствие различной скрутки жил невозможно, то это достигается согласно изобретению противоположно направленной скруткой расщепленных проводников, благодаря чему результирующий вектор магнитного поля в том виде, как его следует отнести к каждому отдельному пути тока, оказывается расположенным в правом углу к оси кабеля и при этом условие одинаковых абсолютных величин векторов магнитного поля оказывается выполненным. Для достижения симметричного по кругу и по возможности равномерного распределения тока в поперечном сечении кабеля согласно изобретению целесообразно расщепленные проводники попарно скрутить в противоположных направлениях.
На фиг. 14 показан кабель для двух путей тока (прямой и обратный токи), в котором один проводник 121 расположен центрально, окруженный вторым проводником, который расщеплен на два изолированных одиночных проводника 122, 123. Проводник 122 скручен вправо, проводник 123 соответственно скручен влево. Ток в проводнике 121 создает магнитное поле, описываемое вектором 124; к проводнику 122 относится вектор 125; к проводнику 123 вектор 126. Векторы 125 и 126 дают суммарный вектор 127, который по причине симметрии ориентирован под прямым углом к кабельной оси, следовательно как вектор 124. Вследствие противофазности оба магнитных поля компенсируются поэтому независимо от направления, за исключением различия в абсолютной величине.
Система с одним центрально расположенным PE или соответственно защитным проводом 131 и двумя расщепленными проводниками 132, 133 и 134, 135 показана на фиг. 15. Проводники 132, 135 имеют в наружной окружности 136 поперечного сечения правую крутку, проводники на внутренней окружности 137 поперечного сечения имеют левую крутку. Благодаря противоположным направлениям крутки обоих токоведущих проводников 132 и 133, 134 и 135 абсолютные величины и ориентации направлений магнитных полей выравниваются соответственно лучше. Соответствующая система для трехфазного тока (режим треугольника) показана на фиг. 16. Система содержит в центре защитный провод (PE) 141 и для каждой фазы по одному расщепленному на два одиночных проводника проводнику 1411, 1412; 1421, 1422; 1431, 1432, симметрично и равномерно распределенных по внутренней окружности (определяемой точками 1412, 1421, 1432) и внешней окружности (определяемой точками 1411, 1431, 1422). Одиночные проводники на внутренней окружности 144 все имеют левую крутку, а проводники на наружной окружности 145 - правую крутку.
На фиг. 17 показана система расположения проводников в кабеле, предназначенном для передачи трехфазного тока, с нейтральным проводом (включение звездой) и с центрально расположенным защитным проводом 14PE, которая удовлетворяет особо высоким требованиям к компенсации магнитного поля. Три фазные проводника 151, 152, 153 расщеплены каждый на четыре одиночных проводника 1511-1514; 1521-1524; 1531-1534. Одна половина каждого из четырех расщепленных проводников равномерно распределена на внешней окружности 155 поперечного сечения, например, с правой круткой (1511, 1512; 1521, 1522; 1531, 1532) и соответственно другая половина с противоположной круткой (левая крутка) равномерно распределена по внутренней окружности 154 (1513, 1514; 1523, 1524; 1533, 1534). Так как при несимметричном режиме трехфазного тока нейтральный провод 15N также обтекается током, он должен быть включен в систему распределения, т. е. на внешней окружности 155 соответственно следует расположить с равномерным распределением одиночные проводники 15N1, 15N2 и на внутренней окружности 154 соответственно равномерно расположить одиночные проводники 15N3, 15N4. Для экранирования электрического поля можно также расположить за пределами наружных, имеющих правую крутку проводников защитный провод в форме достаточно часто расщепленных одиночных проводников или для решения этой задачи предусмотреть дополнительное экранирование, известное из уровня техники.
Выполнение системы линий электропередачи в виде плоского провода в пластмассовой оболочке (т.е. с разделительным основанием) согласно изобретению показано на фиг. 18 для двухфазной системы с проводником 161 и с расщепленными на две части проводниками 162, 163, расположенными симметрично по обе стороны от проводника 161. Снаружи возможно расположение защитного заземленного проводника 16PE1, который может быть дополнен для лучшего экранирования электрического поля симметрично расположенным вторым защитным заземляющим проводником 16PE2.
Электропроводки в виде плоских проводов, как правило, заделываются в штукатурку в поверхностной области каменной кладки. Существенная опасность излучения поэтому находится на той стороне каменной кладки, в которой заделан в штукатурку плоский провод, потому что с другой стороны к нему подходят только на расстояние толщины каменной кладки. Как показали исследования, диаграмма излучения плоского провода согласно фиг. 18 в плоскости чертежа такова, что в направлении, перпендикулярном к плоскости проводника, имеется минимум излучения, считая на проводник 161, и что в направлениях, проходящих под углом 45o к нему, магнитное поле хотя также уменьшается, но значительно меньше. Но если переместить одиночные проводники 162 и 163, как показано обоими пунктирными кружками, несколько из плоскости указанного плоского провода и проложить плоский провод в каменной кладке так, чтобы смещенные одиночные проводники лежали в каменной кладке менее глубоко, чем проводник 161, то оказывается, что магнитное поле плоского проводника на оштукатуренной стороне каменной стены в целом существенно снижается и упомянутые побочные максимумы, ранее появлявшиеся под углом 45o, теперь практически исчезают. Векторный анализ в этом отношении показывает, что при расстоянии между проводниками 161 и 162 или соответственно 161 и 163 приблизительно 10 миллиметров смещение по глубине на приблизительно 10% от расстояния между проводниками, т. е. на 1 миллиметр, уже имеет это действие, а именно на удалении приблизительно 100 миллиметров от плоского провода.
Система линий электропередачи в виде плоского провода для трехфазного тока показана на фиг.19. Симметрично по обе стороны фазного проводника 171 расположены оба других, расщепленных на две части проводника 172, 173 и 174, 175. Так как приходится считаться с известными токами и в нейтральном проводе, этот провод, также расщепленный на две части 176, 177, также расположен симметрично. В качестве защитного заземляющего проводника служит еще один провод 178. Восемь отдельных проводников могут быть реализованы также посредством двух расположенных рядом один с другим плоских проводов. Та же система, что и на фиг. 19, реализована на фиг. 20, например, благодаря двум расположенным одна над другой плоскостям плоских проводов. Здесь для оптимальной компенсации магнитного поля к каждому одиночному фазному проводнику пространственно по возможности более близко относятся оба других фазных одиночных проводника, к проводнику 1821 проводники 1812 и 1832, к проводнику 1811 проводник 1822 и 1831, к проводнику 1812 проводники 1821 и 1832, к проводнику 1832 проводники 1821 и 1812, к проводнику 1822 проводники 1811 и 1832, к проводнику 1831 проводники 1811 и 1822. Для уменьшения излучения электрического поля нейтральный проводник 184 и PE или соответственно защитный заземляющий проводник 185 расположены со стороны помещения.
Еще большая концентрация трех фазных проводников, считая на поперечное сечение кабеля, показана на фиг. 21. PE (защитный провод) 194 и нейтральный проводник 195 прикреплены при двухслойном расположении плоских проводов сбоку.
Целесообразно плоские провода, изображенные на предыдущих фигурах один над другим, объединить с помощью общей оболочки в один объединенный провод. Общая оболочка объединенного провода может быть таким же наружным покрытием из мягкоэластичного материала, которое известно для обычных плоских проводов.
Для выполнения изоляции упомянутых кабелей рекомендуются такие варианты, которые, например, поясняютсят в книге "Buch Haustechnik" авторов Holger/Laasch, издательство B. G. Teubner, Штуттгарт, 1982 год, на стр. 353 и 354, например типы NYIF, NYM, а также NYY. Относительно упомянутых удлинительных кабелей следует обратить внимание на обычное гибкое конструктивное выполнение, прежде всего одиночных проводников.
На фиг. 22 представлены результаты, получаемые в системе линий электропередачи, выполненной, например, согласно фиг. 3. Следовательно, речь идет об однофазной системе. На абсциссу нанесено расстояние от самого внешнего проводника в метрах. На ординату нанесена плотность магнитного потока в микротесла при соответствующем значении расстояния.
Кривая 201 соответствует при одинаковом токе случаю отсутствия компенсации. Остальные кривые характеризуют следующие случаи:
2021 компенсационная точка PK, положенная в основу расчета, лежит на удалении приблизительно 18 метров от перпендикуляра, опущенного из самого крайнего проводника на землю (ордината),
2022 упомянутое удаление составляет приблизительно 24 метра,
2023 упомянутое удаление составляет приблизительно 30 метров, при высоте PK, соответствующей высоте центра системы линий электропередачи, положенной в основу расчета. Указанные значения в Тесла получаются из тока, предполагаемого текущим в системе, и геометрии системы.
Возможность уменьшения магнитного поля, создаваемого в более близкой области рельсовой колеи тяговым током AIB от электротягачей, например, Германской федеральной железной дороги, показана на фиг. 23.
Однофазный ток течет в данном случае, во-первых, в воздушном пространстве 21L1 и, во-вторых, в качестве обратного тока в рельсах 21S1 и 21S2. Эта система имеет вертикальную ось 21S10 симметрии.
Магнитное поле минимизируется в компенсационной точке 21PK, лежащей от оси 21S10 симметрии рельсовой колеи на расстоянии 21rk. По высоте компенсационная точка 21PK фиксирована горизонтальной осью 21S11 симметрии. Компенсационная точка удалена 21d1 от рельсов 21S1 и 21S2, а также имеет одинаковое удаление 21d2 от воздушного провода 21L1.
Для компенсации магнитного поля, имеющегося в точке 21PK, служит однофазный ток в прямом и обратном проводах (21L21, 21L22), которые проходят симметрично к оси 21А2 на расстоянии 21d1 или соответственно 21d3 от компенсационной точки 21PK.
Магнитное поле в компенсационной точке 21PK, обусловленное током в проводах 21L1, 21L2 и их расстоянием до компенсационной точки 21PK, характеризуется векторами 211 и 212 на фиг. 23. Выше и ниже оси 21S11 симметрии токи в проводах 21L, 21L22 имеют соответственно противоположные знаки. Соответственно этому компенсационный ток в проводах 21L21, 21L22 и 21L1 создает в компенсационной точке 21PK зеркальное магнитное поле. Парциальные компоненты 214 и 215 (тяговый и компенсационный токи принимаются одинаковой величины) дают при сложении величину 216. Тем самым это является только вопросом геометрии расположения и силы компенсационного тока, чтобы создать вектор 219, который соответствует по абсолютной величине вектору 213 и имеет ту же ось ориентации направления. Они взаимно полностью компенсируются вследствие различия на 180o и их направлений (противофазность). Предпосылкой полной независимой от времени компенсации магнитного поля является идентичная временная характеристика токов в обеих системах. Предпочтительно, что для компенсации магнитного поля имеет значение только сила тока в проводах 21L21 и 21L22 в качестве прямого и обратного токов. Токовая цепь может работать как раз с таким большим напряжением, которое требуется для создания необходимого для компенсации тока. Тем самым компенсационная система потребляет практически лишь пренебрежимо мало мощности.
Второй одиночный провод компенсирующей системы линий передачи, в котором течет ток +22Ik, может также, в противоположность фиг. 23, быть проложен в земле. Этот случай показан на фиг. 24, на которой дополнительно для дальнейшего упрощения компенсации показан еще одиночный провод 21L22 с током - 211K. От последнего можно также отказаться, при этом соответственно меняется векторное представление. Это решение имеет, кроме того, то преимущественно, что обычная картина контактной сети электрифицированной железной дороги не отличается от предыдущей. Существенное преимущество показанного на фиг. 24 варианта с проложенным в земле одиночным проводом, с током + 22IK, и одиночным проводом 21L22, с током - 21IK, состоит в том, что отпадают пространственные ограничения области, в которой могут эффективно быть расположены одиночные провода.
Если принять в расчет известные ограничения в отношении места, в котором может быть эффективно предусмотрен по изобретению укладываемый в земле одиночный провод, то от другого одиночного провода 21L22 можно отказаться. Первоначально передаваемый по нему компенсационный ток - 22IK в этом случае проводится по рельсам 21L21.
Наряду с учетом времязависимой характеристики тока или соответственно создаваемого им магнитного поля необходимо учитывать также зависящую от времени загрузку частей системы электроснабжения, например, между разрывом 2511 для питания током и разрывом 2541 в контактном проводе на фиг. 25. На практике компенсация может быть реализована не точно до того места, в котором в данный момент находится проходящий поезд. При больших длинах между разрывами в контактном проводе один участок общей системы в этом случае временно стал бы давать нежелательное излучение, вместо того чтобы находится в состоянии компенсации. Эта трудность преодолевается в еще одном усовершенствованном варианте изобретения за счет того, что, например, к отдельному участку 2511-2541 электроснабжения относится не компенсационная область одинаковой длины, а за счет того, что компенсационная область разбивается на несколько, существенно более коротких отрезков 2517, 2527 и 2537, например, равной длины. В местах 2521, 2531 перехода отдельных участков, лежащих между конечными точками 2511 и 2541, предусмотрены сенсорные устройства 2523 и 2533 на рельсовых колеях, которые при прохождении тока в рельсах дают посредством катушки потребителя электрический сигнал, который служит для приведения в действие коммуникационного устройства 2522 или 2533, относящегося к соответствующему сенсору. Этими коммутационными устройствами снабжаются соответственно лишь те отдельные зоны с компенсационным током, в которых в цепи тягового тока течет рабочий ток для поезда. Для этой цели отдельное коммутационное устройство предпочтительно содержит пару рабочих контактов и пару контактов покоя. Детали схемы показаны на фиг. 25. Контакты реле показаны в положении покоя. При такой схеме компенсационная система проводников периодически снабжается необходимым компенсационным током 25IK от передатчика 25T1 в зависимости от соответственно протекающего тягового тока 25IB. Передатчик 25T2 снабжает примыкающую область электроснабжения, начиная с 2511. Оба участка, начиная с 2518, и 2508 электроснабжения электрически разобщены на разъеме 2511. Если поезд пересекает в направлении хода 2538 => 2548 разъем 2541 в линии электроснабжения, то между 2511 и 2541 ток больше не течет. Все поперечные соединения компенсационной системы проводников в коммутационных устройствах 2522 или соответственно 2532 восстанавливаются. Если поезд идет в противоположном направлении 2548 => 2538, то тяговый ток 25IB воздействует на все сенсорные устройства 2523 или 2533 через их катушечные приемники, благодаря чему снабжается компенсационным током вся область. После прохождения сенсорных устройств 2533 или 2523 соответствующие пары рабочего нерабочего контакта освобождают от компенсационного тока соответствующие частичные участки.
Нижеследующие варианты изобретения касаются деталей и преимуществ выполнения соединительных устройств кабелей и так называемых удлинительных проводов, как, например, применяемых в домашнем хозяйстве для электрических приборов.
На фиг. 26 показано присоединение удлинительного провода в обычном штекере 260 с защитным контактом. Вместо обычного кабеля с тремя проводниками предусмотрен кабель 264 с пятью проводниками, подведенный к винтовым зажимам штекера так, что защитный провод 2611 подведен к предусмотренному для него винтовому зажиму 2614, а из оставшихся четырех одиночных проводников (из которых два образуют нейтральный или соответственно нулевой провод, а два - фазный провод) одиночные проводники нейтрального провода 2621, 2622 подведены к винтовому зажиму одного штекерного штыря 2624, а одиночные проводники 2631, 2632 фазного провода - к винтовому зажиму другого штекерного штыря 2634. На оба одиночных проводника нейтрального провода и на оба одиночных проводника фазного провода нанесена соответственно одинаковая маркировка, чтобы обеспечить правильную привязку присоединений к обоим кабельным концам (двухточечные знаки 2633 для фазного провода 2634 и одиночные знаки 2623 для нейтрального провода 2624).
При применении малоизлучающих электрических проводов, как, например, используемых в качестве удлинительных проводов или присоединительных проводов к приборам, особо целесообразно для экранирования против электрического поля выполнить штепсельные соединения защищенными против перепутывания присоединительных контактов.
Этой цели служит маленький выступ 265, к которому относится соответствующее углубление в сопряженной детали штекера, т.е. в розетке с защитным контактом или в муфте с защитным контактом. Выступ может иметь форму параллелепипеда, как изображено на чертеже, или усеченной пирамиды, или штыря, или усеченного конуса.
Из-за большего числа проводников, которые должны быть закреплены в зажимном винтовом устройстве по фиг. 26, рекомендуется форма, отличающаяся от обычного исполнения.
Наилучшее выполнение зажимного устройства для штекеров, розеток, муфт или присоединений приборов показано на фиг. 27. На ней сопоставлены друг с другом различные варианты выполнения.
Обычное выполнение 271 включает в себя зажимную деталь 2711 с винтовым зажимом 2712, которая переходит в контактный штырь 2713. Предусмотрено отверстие 2711 для крепления провода или проволоки.
Для целей изобретения предусмотрено отверстие с большим диаметром, как показано на изображенной зажимной детали 272 с винтовым зажимом 2722, контактным штырем 2723 и отверстием 2721. При обычном исполнении диаметр отверстия составляет приблизительно 2 миллиметра. Для целей изобретения этот диаметр должен составлять по меньшей мере 4 миллиметра, чтобы обеспечить легкий ввод проволок.
Другая возможность состоит в том, что зажимная деталь, показанная под позицией 273, выполнена наподобие удлиненного отверстия 2731. 2732 обозначает винтовой зажим, а 2733 - контактный штырь.
При большем количестве одиночных проводников рекомендуется применение детали 274, состоящей из двух зажимных деталей 273, которые удерживаются вместе с помощью винтового соединения 2743. Обе зажимные детали обозначены цифрами 2741 и 2742.
Эти варианты выполнения изобретения представляют особый интерес для кабелей и их монтажа по схеме в соответствии с фиг. 11, 12 и 13.
Как уже упоминалось, существуют случаи, при которых желательно обезопаситься от перепутывания соединительных контактов при втыкании штекеров в сопряженную деталь, например, чтобы сделать эффективным упомянутое электрическое экранирование. В устройстве согласно фиг. 26 для этого требуется особое выполнение штекера и его сопряженной детали. Эта трудность преодолевается за счет того, что предусматривается, как указано на фиг. 28, по меньшей мере одна насадная шайба для штекера, предпочтительно также и одна соответствующая вкладная шайба для сопряженной детали, например для розетки с защитным контактом.
Закладная шайба 281 содержит выемки, обычные для соединений с защитным контактом. Эти выемки обозначены цифрой 2813. Приемные отверстия 2811 и 2812 для контактных штырей не имеют, однако, выступов 2814 в виде носиков, которые входят в поперечное сечение отверстия. В отдельном контактном штыре не показанного на фиг. 28 штекера имеется пазообразная выемка, соответствующая указанным выступам в виде носиков. Тем самым штекер может быть применен также и в обычных розетках с защитным контактом, и в муфтах, а обычные розетки с защитным контактом и муфты могут применяться также и для целей настоящего изобретения.
Если желательно оставить контактные штыри неизменными относительно обычной формы, то для закладной шайбы рекомендуется выполнение, обозначенное позицией 282 или 283 на фиг. 28. Для выполнения 282 в закладной шайбе предусмотрено углубление 2824 для приема штыря, соответствующего штекеру, подобно выступу 265 на фиг. 26. Углубление расположено не по центру, вне воображаемой линии 2835, определяемой контактными штырями. Цифрами 2821 и 2822 обозначены отверстия для ввода контактных штырей. Цифрой 2823 обозначены известные выемки соединений с защитным контактом. Для выполнения 283 углубление хотя и лежит на этой линии 2835, однако оно асимметрично. Для выполнения 283 цифрой 2833 обозначены обычные выемки защитного контакта, а цифрами 8231 и 2832 - отверстия для ввода контактных штырей.
На фиг. 29 для еще одного выполнения согласно фиг. 26 показана соответствующая вставная шайба 2911 и соответствующая насадная шайба 2921. Выступ такого же рода, что и 265, обозначен цифрой 2917, а соответствующее гнездо или углубление в закладной шайбе 2911 цифрой 2926. Дополнительно предусмотрено еще одно зацепление этого вида с взаимно дополняющими выступом и гнездом. Это зацепление состоит из выступа 2927 в закладной шайбе 2921 и соответствующего гнезда 2916 в насадной шайбе 2911. Положение отдельных деталей в состыкованном состоянии видно на двух поперечных разрезах 293 и 294 через это соединение. Этот вариант выполнения имеет то дополнительное преимущество, что при неправильном сведении обеих соединительных деталей выступы противостоят друг другу и таким образом совмещение особенно затрудняется, если не становится вообще невозможным.
Сами по себе закладные шайбы для штепсельных розеток с защитным контактом известны в качестве так называемой защиты от детей. Эти вставки, как известно, закрывают отверстия, в которые при использовании штепсельной розетки вставляются контактные штыри. Закладные шайбы согласно варианту выполнения настоящего изобретения, напротив, служат для однозначного соответствия нейтральнопроводного штыря штекера с нейтральнопроводным гнездом в штепсельной розетке или в сопряженной детали муфты. Закладные шайбы могут, как и известные вставки, удерживаться с помощью зажимного седла. В штекере выполненная как сопряженная деталь насадная шайба просто отодвигается и удерживается либо с помощью обычно имеющегося центрального винта, либо при определенных условиях приклеивается. Далее, преимуществом является то, что может и в дальнейшем применяться штепсельная розетка, снабженная закладной шайбой согласно усовершенствованному варианту изобретения, или сопряженная деталь муфты для известных двухполюсных евроштекеров (плоский штекер). При этом к ним может относится выполненная соответствующим образом насадная шайба.
Описание изобретения основано на том, что систему в целом следует рассматривать как квазистатическую систему, потому что расстояние между проводниками, а также расстояние до компенсационной области от системы линий передачи так мало в сравнении с длиной волны, определяемой рабочей частотой системы линий передачи, что компенсационную область можно считать лежащей в самом близком поле.
Если рассматривать распределение магнитного поля в поперечной плоскости системы линий электропередачи, то можно увидеть, что магнитное поле в плоскости поперечного сечения имеет зоны максимумов и минимумов, угловое положение которых и интервал между которыми по отношению к системе линий передачи зависит от геометрического положения одиночных проводников и текущих в них токов.
В вышеприведенных примерах выполнения для этой цели расположение одиночных проводников выбрано таким, что относительно компенсационной области они лежат один над другим. Однако согласно одному варианту изобретения одиночные проводники могут быть расположены в отношении компенсационной области также и один за другим. Согласно этому варианту возможно также предусмотреть расположение одиночных проводников как один над другим, так и один за другим. Эти случаи подробнее поясняются на примерах выполнения, показанных на фиг. 30-34. В результате это означает расширенное применение вышеизложенного принципа расщепленного проводника.
На фиг. 30 показана однофазная система линий передачи с прямым и обратным проводом. Пусть в прямом проводе 303 течет прямой ток, в то время как обратный ток, разделенный на две равные доли, течет в обратном проводе, разделенном на одиночные проводники 301 и 302. Образованная отдельными проводами плоскость поперечного сечения принимаемой за прямолинейную системы линий электропередачи лежит в плоскости чертежа. При симметричном расположении проводов все три провода лежат на одной оси 30А и расстояния между проводами 30d1 и 30d2 одинаковы. На определенном расстоянии 30r вдоль оси 30A от провода 303, расположенного в середине, магнитное поле проходящих по проводам токов определяется в зависимости от расстояния как обратно пропорциональное расстояние 30r. Если рассматривать магнитное поле в точке 30KP, лежащей на общей оси 30A трех проводов, то величина магнитного поля 303H, относящегося к проводу 303, определяется расстоянием 30r. Магнитные поля 301H и 302 H, создаваемые в точке 30KP идущими в обратном направлении токами в обоих проводах, имеют то же направление ориентации, что и магнитное поле 303H, создаваемое проходящим в проводе 303 током, однако противоположного знака (противофазность). Кроме того, в примере в каждом из проводов 301 и 302 течет соответственно ток, составляющий лишь половину тока в проводе 303. Относительно удаления действительно, следовательно, что 301H является функцией 1/(30r-30d1) и 302 - функцией 1/(30r + 30d2). Магнитное поле 301H, следовательно, несколько больше, чем половинная величина 303H, магнитное поле 302H - несколько меньше, чем половинная величина 303H.
Хотя по происхождению токи в проводах 301 и 302 по их абсолютной величине в точности одинаковы, а именно равны половине тока в проводе 303, сумма магнитных полей 301H и 303H в точке 30KP тем самым не идентична величине магнитного поля 303H, создаваемого током, текущим в проводе 303. Как, например, может быть показано разложением в ряд, токи в обоих внешних проводах создают в точке 30KP суммарно всегда несколько большее магнитное поле, чем поле, которое создает ток, текущий в проводе 303, то есть
(301H + 302H) ≈ 303H (1+(30d/30r2)),
если расположение проводов симметрично, то есть если расстояния 30d1 и 30d2 от среднего провода идентичны (30d1=30d2=30d).
Однако нулевая компенсация магнитного поля возможна, если расстояние от провода 301 и/или расстояние от провода 302 до точки 30KP увеличивается настолько, что суммарное магнитное поле, относящееся к этим двум проводам, уменьшается до величины, соответствующей магнитному полю, создаваемому током, который течет по проводу 303. Поэтому такое несимметричное расположение проводов имеет своим следствием известное уменьшение компенсации магнитного поля на противоположной от точки 30KP стороне (30r < 0) системы линий электропередачи.
Таким образом, в соответствии с техническим решением, предлагаемым по настоящему изобретению, из-за расщепления проводников (на одиночные проводники) в системе линий электропередачи получается следующее:
Для системы линий электропередачи с первоначально n токоведущими путями требуется при прохождении проводов параллельно трассе линии электропередачи по меньшей мере 2n-1 проводников для системы согласно изобретению, т.е., например, в однофазной системе требуется три проводника, в трехфазной системе - пять проводников. Если токовые пути проходят непараллельно оси трассы, как, например, вследствие скрутки у токового кабеля, то целесообразно расщеплять все проводники по меньшей мере однократно. Тем самым, например, в двухфазной системе требуется по меньшей мере четыре проводника, в трехфазной системе - по меньшей мере шесть проводников.
Принципиальные возможности расположения проводников, позволяющие иметь в точке 30KP в принципе нулевую компенсацию, показаны на фиг. 31-33.
На фиг. 31 показана однофазная система с проводниками 3011-3023. На фиг. 32 и 33 показана трехфазная система с проводниками 3031-3055.
Для лучшего понимания на фиг. 31 и 32 показаны также соответствующие распределения одиночных проводников для рассмотренного выше расположения один-над-одним. При этом расщепленные проводники 3011, 3012 и 3031-3034 и 3051, 3052 расположены симметрично относительно осевого угла для достижения в соответствующих одиночных проводниках с одинаковыми парциальными токами компенсации магнитного поля. Расположения, несимметричные относительно осевого угла, обуславливают различные расстояния между одиночными проводниками и компенсационной точкой и/или различные распределения тока между одиночными проводниками. Напротив, расщепленные проводники 3021, 3022 и 3041-3044 и 3053, 3054 лежат каждый на общей оси. В обоих случаях, следовательно, векторы поля, относящиеся ко всем первоначальным, т.е. нерасщепленным проводникам, имеют одинаковую ориентацию в пространстве, требуемую для полной компенсации магнитного поля.
Для нулевой компенсации магнитного поля, следовательно, должны быть согласованы лишь больше абсолютных величин векторов так, чтобы сумма всех векторных амплитуд с учетом их ориентации или соответственно знака была бы по меньшей мере почти равной нулю. Это возможно либо с помощью выбора расстояния от расщепленных проводников до компенсационной точки 30KP и/или, например, для магнитного поля путем соответствующего распределения тока токового пути по представляющим его (расщепленным) проводникам.
Комбинация обоих упомянутых видов систем компенсации показана на фиг. 33 для проводников 3051-3055 трехфазной токовой системы. По отношению к компенсационной точке 30KP оба одиночных (расщепленных) проводника, составляющих одно целое, расположены симметрично относительно их осевого угла, в то время как оба одиночных (расщепленных) проводника 3053, 3054 лежат на общей оси с нерасщепленным проводником 3055 и компенсационной точкой 30KP5. Все суммарные вектора имеют, таким образом, при соответствующем распределении тока одинаковую ориентацию по отношению к оси 30A5.
Оба вида компенсации осуществляют еще одну предпочтительную возможность, а именно одновременную компенсацию в нескольких компенсационных областях. На фиг. 30 видно, что под прямым углом к оси 30A интервала, определяемой проводниками 301, 302, 303, для оси 30V интервала получается ситуация, которая соответствует описанной на примере фиг. 3.
Если в усовершенствованном варианте изобретения, например в расположении согласно фиг. 30, нерасщепленный проводник 303 несколько смещен назад, а именно в область 30v < 0, то получается еще одна компенсационная область вокруг 30PV, если точки распределены соответственно по отдельным проводникам. При этом возникает система, которая подробно описана на фиг. 3. Хотя нулевая компенсация магнитного поля в направлении 30r несколько уменьшается, однако эффект является только второго порядка и, следовательно, им, как правило, можно пренебречь. Нулевое значение для 30v, а также для 30r представляет собой точку пересечения осей 30V и 30A. Отрицательные значения 30V и 30r лежат, следовательно, на соответственно другой стороне нулевой точки.
Это приводит в результате к системе проводников, показанной на фиг. 34, где путем соответствующего расположения проводников 311, 312, 313 возможно вместо 31PV и вместо 31P компенсировать магнитное поле практически до нуля. Размеры, нанесенные на чертеже, относятся к определенному, положенному в основу расчетов значению тока, и данные приведены в метрах. С помощью соответствующей вычислительной программы обе компенсационные точки 31PV и 31PR магнитного поля можно помещать в любую ситуацию на большом участке поверхности площади поперечного сечения и минимизировать значения магнитного поля. При этом для отдельного конкретного случая положения трех проводников 311, 312, 313 могут определяться таким образом, что компенсация магнитного поля будет оптимально соответствовать требованиям. Показанное на фиг. 34 в качестве примера расположение для высоковольтного провода с однофазным режимом работы может предпочтительно применяться в тех случаях, в которых первая компенсационная точка 31PV приблизительно на высоте головы человека лежит непосредственно под высоковольтным проводом, а вторая компенсационная точка 31PR должна лежать сбоку от нее, например центрально в доме, расположенном в стороне от высоковольтной линии. Также случаи встречаются на практике, когда, например, пешеходная дорожка проходит под высоковольтной линией, питающей цепь тягового тока и ведущей через населенный пункт.
Изобретение относится к системе линий электропередачи по меньшей мере с двумя проводниками для передачи электрической энергии. Существенным является то, что для по меньшей мере частичной компенсации магнитных полей в проходящей приблизительно параллельно системе линий электропередачи области пространства за исключением одного из проводников все остальные проводники расщеплены и что одиночные проводники каждого из расщепленных проводников либо расположены с угловой симметрией к поверхности, определяемой продольным протяжением нерасщепленного проводника и точкой, лежащей в компенсационной области пространства, либо одиночные проводники отдельных расщепленных проводников расположены по меньшей мере с почти, а предпочтительно с полной круговой симметрией, вокруг нерасщепленного проводника. Технический результат - уменьшение остаточного поля, оказывающего неблагоприятное воздействие на организм живых существ. 2 с. и 28 з.п. ф-лы, 34 ил.
Приоритет по пунктам:
29.01.93 по пп.1 - 8, 12 - 20, 22 - 30;
04.05.93 по пп.9 - 11 и 21.
| US 5068543 A, 26.11.91 | |||
| US 5175442 A, 29.12.92 | |||
| СПОСОБ АДАПТИВНОГО ДВУХПОЗИЦИОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ | 2012 |
|
RU2498386C1 |
| ВОЗДУШНАЯ ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ | 1991 |
|
RU2035105C1 |
