СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЕ НА РАССТОЯНИЕ Российский патент 2007 года по МПК H02J3/00 

Заявленное изобретение относится к области передачи электрической энергии и может найти применение в электроэнергетике для передачи больших потоков энергии в трехфазной системе на большие расстояния.

Известен способ передачи электрической энергии, в котором проводящий канал образуется за счет ионизации воздушного пространства. См., например, патент РФ N2143775, МПК H02J 17/00 "Способ и устройство для передачи электрической энергии", опубл. 27.12.99, в Б.И. N36.

Известный способ передачи электрической энергии не позволяет передавать электрическую энергию на большие расстояния и сопряжен с опасностью для жизни людей и животных, поскольку отсутствуют видимые элементы электрической передачи - провода.

Более близким по технической сущности и принятым за прототип является широко известный способ передачи электрической энергии на основе трехфазных систем, описанный, например, в кн. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973, стр.177-190, где электрическая энергия передается по трем линейным проводам от начала линии, от источника электроэнергии к концу линии, где имеется приемник электрической энергии в трехфазной системе.

Известный способ передачи электрической энергии получил самое широкое распространение, поскольку трехфазная система экономически более выгодна в сравнении с однофазными или системами на постоянном токе.

Недостаток известного способа заключается в том, что для его реализации требуется линия передачи из трех линейных проводов, разделенных между собой большим изолирующим промежутком. Для формирования трехфазных воздушных линий требуются полосы отчуждения, занимающие значительные земельные участки. Передача же энергии по кабелю затруднена, поскольку при высоких напряжениях необходимо внутри кабеля также иметь большие промежутки между линейными проводами. В процессе передачи энергии на расстояние в трехфазных системах имеют место потери энергии, вызванные утечками тока между линейными проводами, что снижает КПД передачи.

Целью данного изобретения является повышение КПД передачи электрической энергии, снижение расстояния между линейными проводами и тем самым уменьшение полосы отчуждения и сокращение издержек на передачу, а также создание более благоприятных условий для передачи энергии по кабелю.

Указанная цель достигается за счет того, что в способе передачи электрической энергии в трехфазной цепи на расстояние, при котором электрическую энергию передают по линейным проводам от начала линии к концу линии, согласно изобретению в начале линии в цепи фазы А формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, в начале линии в цепи фазы В сформируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 1/3f, так, чтобы на выходе линий задержек сдвиг по фазе между напряжениями цепей фаз А, В и С был равен нулю, а в конце линии производят обратную операцию по восстановлению первоначального сдвига фаз, а именно в конце линии фазы С формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, а в конце линии фазы В формируют линию задержки со сдвигом во времени, равным 1/3f, где f - частота сети.

В варианте технического решения линию задержки формируют путем передачи энергии по однофазному кабелю с коаксиальным слоем, помещенному в трубу, выполненную из магнитно-мягкого материала.

В варианте технического решения длительность задержки сигнала регулируют путем изменения магнитной проницаемости трубы, в которую помещен кабель по принципу магнитного усилителя на основе измерения сдвига фаз между фазами А и С и между фазами В и С на выходе линии задержки.

В варианте технического решения линию задержки располагают зигзагом с углом сгиба 180° в несколько параллельных веток, расположенных рядом.

Формирование в начале линии в цепи фазы А линии задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, а в начале линии в цепи фазы В линии задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 1/3f, позволит обеспечить разность напряжений между цепями фаз А, В и С близкой к нулю. Следовательно, расстояние между проводами на всем протяжении линии от генерирующей подстанции до потребителя можно сократить практически до нуля. При этом уменьшаются земельные площади, занятые под полосами отчуждения, упрощается передача энергии по кабелю, сокращаются издержки по проведению линий передач и снижаются потери энергии, связанные с утечкой тока.

Обратная операция в конце линии по восстановлению первоначального сдвига фаз позволит передавать потребителю стандартное трехфазное напряжение.

Формирование линии задержки путем передачи энергии по однофазному кабелю с коаксиальным слоем, помещенным в трубу, выполненную из магнитно-мягкого материала, позволит сократить длину линий задержки.

Регулирование длительности задержки сигнала путем изменения магнитной проницаемостью трубы по принципу магнитного усилителя на основе измерения сдвига фаз между фазами А и С и между фазами В и С на выходе линии задержки позволит обеспечить поддержание нулевой разности напряжений между фазами, близкой к нулю, в не зависимости от тока нагрузки.

Расположение линии задержки зигзагом с углом сгиба 180° в несколько параллельных веток, расположенных рядом, позволяет снизить площадь подстанции и уменьшить длину подмагничивающих проводов. Изобретение иллюстрируется 7-ю фигурами.

На фиг.1 показан кабель с коаксиальным слоем, помещенный в трубу.

На фиг.2 есть график мгновенных значений синусоидальных напряжений в линейных проводах на входе линии и на выходе линий задержки.

На фиг.3 изображена линия передачи, проложенная в кабеле.

Фиг.4 демонстрирует зависимость между индуктивностью линии задержки и током нагрузки.

На фиг.5 представлена принципиальная электрическая схема для поддержания нулевого сдвига фаз.

На фиг.6 дана принципиальная электрическая схема для восстановления первоначального сдвига фаз на выходе линии передачи.

На фиг.7 нарисовано расположение линии задержки, с помощью которой регулируется ее индуктивность по принципу магнитного усилителя.

Способ передачи электрической энергии в трехфазной системе на расстояние осуществляют следующим образом. В начале линии в цепи фазы А формируют линию задержки сигнала во времени, состоящую из отрезка кабеля 1 (фиг.1) с коаксиальным слоем, выполненным в виде металлической однослойной или многослойной оплетки. Кабель 1 помещают в трубу 2, состоящую из секций, разделенных воздушным промежутком 3. Труба выполняется из магнитномягкого материала. Аналогичную операцию производят и с цепью фазы В, с той разницей, что линия задержки сигнала во времени в фазе В будет в два раза короче. Время задержки t в цепи фазы А выбирают равным t=2/3 f, где f - частота питающей сети, что для частоты переменного тока f=50 Гц составляет t=0,01333 с. Время задержки в цепи фазы В выбирают равным t=1/3f, что составляет t=0,00666 с. Если на входе линии задержек диаграмма напряжений для фаз А, В и С состояла из трех фазных напряжений 3, сдвинутых по отношению друг к другу на 120° (фиг.2), то на выходе линий задержек сдвиг по фазе для напряжений А', В' и С будет близок к нулю. При этом все три провода можно располагать близко друг к другу (фиг.3), разместив их, например, в одной оболочке 4.

В конце линии передачи производят обратную операцию по восстановлению первоначального сдвига фаз, а именно на в конце линии фазы С формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени t=2/3 f, а в конце линии фазы В формируют линию задержки со сдвигом во времени, равным t=1/3f.

Однако при изменении тока в цепи из-за нелинейности веберамперной характеристики 5 материала трубы 2 (фиг.4) сдвиг по фазе между линиями А', В', С будет все-таки происходить, что может привести к изменению сдвига фаз и появлению разности потенциалов между фазами на выходе линий задержки и пробою изоляции между проводами.

Для того чтобы компенсировать нелинейный сдвиг напряжений, зависящий от тока нагрузки, длительность задержки сигнала, проходящего по кабелю с коаксиальным слоем, регулируют путем изменения магнитной проницаемостью трубы, в которую помещен кабель. Эта регулировка производится по принципу магнитного усилителя на основе измерения сдвига фаз между фазами А и С и между фазами В и С на выходе линии задержки. Разность сдвига фаз (напряжений) на выходе линий задержки измеряется дифференциальными трансформаторами 6, 7 (фиг.5), сравнивающими разность сдвига фаз (напряжений) между С и А' или С и В'. Полученные сигналы усиливаются в блоках 8 и 9, выпрямляются в выпрямителях соответственно 10 и 11 и через блоки управления 12 и 13 подаются на подмагничивающие обмотки 14 и 15, регулирующие суммарную индуктивность отрезков труб. Система коррекции может также содержать регулятор, пропорциональный току нагрузки.

Аналогично должна быть организована и система формирования нормального сдвига фаз на выходе высоковольтной линии электропередачи (ЛЭП) с блоками регулирования 16, 17 (фиг.6). На выходе ЛЭП установлены понижающие трансформаторы 18, 19 и 20.

Для снижения площади, которую занимают линии задержки на подстанции, и уменьшения длины проводов обмоток подмагничивания трубу, в которой располагается кабель с коаксиальным слоем, укладывают зигзагом с углом сгиба 180°, в несколько параллельных веток, расположенных рядом (фиг.7).

Поскольку сигнал, проходимый по линии, имеет синусоидальный характер, то искажение формы кривой практически будет отсутствовать.

В перспективе, после отработки методики и схем регулирования фазовой скоростью в линии задержки, возможно дальнейшее совершенствование системы, вплоть до организации передачи трехфазной системы напряжений по одному трехнитиевому проводу.

Пример применения.

Будем считать приемлемой длину линии для выравнивания сдвига фаз между цепями А и С, равной 1000 м. Тогда расстояние, при котором сдвиг фаз между цепями В и С будет близок к нулю, составит 500 м.

Для того чтобы выдержать такие расстояния, параметры цепей должны быть существенно скорректированы.

Фазовая скорость линии задержки должна равняться 75000 м/с.

При этом емкость С₀ единицы длины такой искусственной линии должна быть равна 1·10^-8 Ф/м, а индуктивность L₀ единицы длины должна быть равна 1,8·10^-3 Гн/м. Такие параметры могут быть получены за счет формирования на поверхности силового кабеля металлизированной оболочки, не несущей нагрузки. Что касается индуктивности, то ее величина должна быть увеличена в сравнении с двухпроводной воздушной линией в 1500 раз, что вполне реализуемо путем помещения кабеля 1 в стальную трубу 2 (фиг.2). Для снижения потерь в стали труба выполняется секционированной, т.е. разделенной на отрезки, между которыми имеются промежутки из неферромагнитных вставок. Эти промежутки используются для измерений напряжений и подключения питания от подводящих проводов.

При формировании системы предварительно расчетным путем определяют фазовую скорость V_ф движения волны напряжения, перемещающуюся вдоль линии задержки, (фиг.1), которая находится согласно формуле V_ф=1/L₀С₀, где L₀ - индуктивность длины линии, Гн/м; С₀ - емкость единицы длины линии задержки, Ф/м. Формируют линии задержки для соответствующих фаз длиной L=V_фt. Затем экспериментально определяют расчетную фазовую скорость линии задержки путем подачи прямоугольного импульса напряжения в начале линии задержки (точка подключения фазы А) и время его перемещения до определенной точки, расстояние до которой точно известно. В дальнейшем производят монтаж системы, проверку работы на холостом ходу и подключают нагрузку.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа заключаются в следующем:

1. Сокращается расстояние между линейными проводами фаз А, В и С, соответственно, уменьшаются площади, необходимые под полосы отчуждения.

2. Снижаются потери при передаче электроэнергии.

3. Повышается пропускная способность линии.

Использование: в электроэнергетике для передачи больших потоков энергии на большие расстояния. Технический результат заключается в повышении КПД передачи и уменьшении полосы отчуждения. В начале линии в цепи фазы А формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, в начале линии в цепи фазы В формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 1/3f так, чтобы на выходе линий задержек сдвиг по фазе между напряжениями цепей фаз А, В и С был равен нулю. В конце линии производят обратную операцию по восстановлению первоначального сдвига фаз, а именно на выходе конца линии фазы С формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, а на выходе конца линии фазы В формируют линию задержки со сдвигом во времени, равным 1/3f, где f - частота сети. Линию задержки формируют путем передачи энергии по однофазному кабелю с коаксиальным слоем, помещенному в трубу, выполненную из магнитно-мягкого материала. Длительность задержки сигнала регулируют путем изменения магнитной проницаемости трубы. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ передачи электрической энергии в трехфазной системе на расстояние, при котором электрическую энергию передают по линейным проводам от начала линии к концу линии, отличающийся тем, что в начале линии в цепи фазы А формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, в начале линии в цепи фазы В формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 1/3f, так, чтобы на выходе линий задержек сдвиг по фазе между напряжениями цепей фаз А, В и С был равен нулю, а в конце линии производят обратную операцию по восстановлению первоначального сдвига фаз, а именно в конце линии в цепи фазы С формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, а в конце линии в цепи фазы В формируют линию задержки со сдвигом во времени, равным 1/3f, где f - частота сети.2. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что линию задержки формируют путем передачи энергии по однофазному кабелю с коаксиальным слоем, помещенному в трубу, выполненную из магнитно-мягкого материала.3. Способ передачи электрической энергии по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что длительность задержки сигнала регулируют путем изменения магнитной проницаемости трубы, в которую помещен кабель, по принципу магнитного усилителя на основе измерения сдвига фаз между фазами А и С и между фазами В и С на выходе линии задержки.4. Способ передачи электрической энергии по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что линию задержки располагают зигзагом с углом сгиба 180° в несколько параллельных веток, расположенных рядом.