УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЕ НА РАССТОЯНИЕ
LONG-DISTANCE POWER TRANSFER DEVICE IN THREE-PHASE SYSTEM

Изобретение относится к области передачи электрической энергии и может найти применение в электроэнергетике для передачи больших потоков энергии в трехфазной системе на большие расстояния.
Известно устройство для передачи электрической энергии, в котором проводящий канал образуется за счет ионизации воздушного пространства. См., например, патент РФ №2143775, МПК H02J 17/00, "Способ и устройство для передачи электрической энергии", опубл. 27.12.1999, БИ №36.
Известное устройство передачи электрической энергии не позволяет передавать электрическую энергию на большие расстояния и сопряжено с опасностью для жизни людей и животных, поскольку отсутствуют видимые элементы электрической передачи - провода.
Известно также устройство передачи электрической энергии, с помощью трехфазных систем, описанное, например, в кн. Бессонова Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973, стр.178-190, в котором электрическая энергия передается с помощью линейных проводов, к которым подводится и от которых отбирается электрическая энергия от начала фаз, соответственно питающих и отводящих проводов многофазной системы.
Известное устройство передачи электрической энергии получило самое широкое распространение, поскольку трехфазная система экономически более выгодна в сравнении с однофазными схемами или системами на постоянном токе.
Недостаток известного устройства заключается в том, что для его реализации требуется система из трех линейных проводов, разделенных между собой изолирующим промежутком. Для формирования трехфазных воздушных линий требуются полосы отчуждения, занимающие большие земельные участки. Передача же энергии по кабелю также затруднена, поскольку при высоких напряжениях необходимо внутри кабеля формировать большие промежутки между питающими проводами. В процессе передачи энергии на расстояние в трехфазных системах имеют место потери энергии, вызванные утечками тока между линейными проводами, что снижает КПД передачи.
Более близким по технической сущности и принятым за прототип является известное устройство передачи электрической энергии на основе трехфазных систем, описанное в патенте РФ №2307438, МПК H02J 3/50, "Способ передачи электрической энергии в трехфазной системе на расстояние", опубл. 27.09.2007, БИ №27.
В известном устройстве энергия передается по трем линейным проводам от начала линии, от источника электроэнергии к концу линии, где имеется приемник электрической энергии в трехфазной системе. При этом в начале линии, в цепи фазы А формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, где f - частота синусоидальной ЭДС. 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 фазы А, В и С был равен нулю. 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. При этом линии задержки формируют из однофазных кабелей с коаксиальным слоем, которые помещают в трубах, выполненных из магнитно-мягкого материала. В устройстве предусмотрен также регулятор длительности задержки сигнала, который действует путем изменения магнитной проницаемости труб, в которых помещен кабель, по принципу магнитного усилителя, на основе измерения разности напряжений между фазами А и С и между фазами В и С на выходе линии задержки.
Известное устройство передачи электрической энергии позволяет в значительной степени сократить расстояние между токоведущими проводами на линии и уменьшить потери энергии в системе передачи.
Недостатки известного устройства заключаются в том, что линии задержки расположены в той части системы, которая находится под высоким напряжением, а в трубах возникают вихревые токи, наводимые токами, проходящими по кабелю. В результате возникают технологические трудности при эксплуатации системы передачи энергии и увеличиваются энергетические потери в линии задержки.
Целями данного изобретения является повышение КПД передачи электрической энергии и улучшение эксплуатационных свойств системы.
Указанные цели достигаются за счет того, что в известном устройстве передачи электрической энергии в трехфазной системе на расстояние, содержащей линию задержки в начале фазы А со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, линию задержки в начале фазы В 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, содержащей в цепи фазы С линию задержки со сдвигом сигнала во времени, равным 2/3f, в цепи фазы В линию задержки со сдвигом во времени, равным 1/3f, указанные линии задержки выполнены в виде однофазных кабелей с коаксиальным слоем, помещенным в трубы, изготовленные из магнитно-мягкого материала и расположенные зигзагом с углом сгиба в 180° в несколько параллельных веток, трубы снабжены подмагничивающими обмотками, сигналы на которые поступают от измерительных трансформаторов, установленных на выходе линии задержек, согласно изобретению в начале линии передачи линии задержки установлены на входе повышающих трансформаторов, а на выходе линии передачи линии задержки расположены на выходе понижающих трансформаторов, трубы выполняют из изолированных между собой продольных слоев, причем количество труб каждой фазы выполняют кратным четырем, трубы каждой фазы укладывают штабелем, кабель фазы прокладывают сквозь соседние трубы попепеременно в разных слоях штабеля так, чтобы направление тока в кабелях каждой пары в рядом расположенных трубах каждого слоя штабеля совпадало, а обмотки подмагничивания охватывают стороны соседних труб с кабелями, в которых направление токов совпадает.
В варианте технического решения трубы выполнены из двух половин, разрезанных по образующим.
В варианте технического решения труба выполнена с прямоугольным профилем.
Выполнение в начале линии передачи линий задержки на входе повышающих трансформаторов и на выходе линии передачи, расположение линий задержек на выходе понижающих трансформаторов позволяет уменьшить напряжение на линиях задержки, уменьшить затраты на их исполнение и снизить эксплуатационные расходы на поддержание системы передачи.
Выполнение количества труб каждой фазы кратным четырем, укладывание труб каждой фазы штабелем, прокладывание кабелей фазы по попеременно в соседних трубах в разных слоях штабеля так, чтобы направление тока в кабелях каждой пары рядом расположенных труб каждого слоя штабеля совпадало, а также выполнение обмоток подмагничивания так, что они охватывают стороны соседних труб с совпадающими по направлению токами, позволяет упростить монтаж силовой части системы и системы управления и разделить силовую часть и систему управления.
Выполнение трубы из изолированных между собой листов электротехнической стали позволяет снизить потери в стали в трубах линиях задержки и тем самым повысить КПД системы.
Выполнение труб из двух половин, разрезанных по образующим, позволяет упростить монтаж проводов в трубопроводе.
Выполнение трубы с прямоугольным профилем может упростить технологию изготовления линий задержки.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема передачи электрической энергии на входе линии электропередачи (ЛЭП).
На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема ЛЭП на приемном ее конце линии электропередачи.
На фиг.3 показано расположение труб и схема прокладки проводов.
На фиг.4 представлена конструкция трубы, составляющей элемент линии задержки.
На фиг.5 нарисована пространственная конструкция трубы, разрезанной по образующей.
На фиг.6 дан вид трубы с прямоугольным профилем.
Устройство для передачи электрической энергии в трехфазной системе на расстояние устроено следующим образом. В начале линии передачи установлены три однофазных повышающих трансформатора 1, 2, 3 (фиг.1). На входе трансформаторов в фазах А и В расположены линии задержки соответственно 4 и 5, выполненные в виде коаксиальных кабелей, заложенных в трубы, причем длина линии задержки 4, имеющейся в фазе А, в два раза длиннее, чем в линия задержки 5, имеющаяся в фазе В. На выходе повышающих трансформаторов имеется протяженная ЛЭП 6, передающая электрическую энергию к потребителю.
Разность сдвига фаз (напряжений) на входе линий после линии задержки измеряется дифференциальными трансформаторами 6, 7, установленными в высоковольтной части ЛЭП и 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.
В конце ЛЭП установлены понижающие однофазные трансформаторы 16, 17, 18 (фиг.2), а на выходе этих трансформаторов имеются линии задержки в фазах с и b соответственно 19 и 20, которые обеспечивают обратную операцию по восстановлению трехфазного сдвига фаз. Длина линии задержки в фазе с в два раза длиннее, чем линия задержки в фазе b. На выходе линий задержки 19 и 20 установлены дифференциальные трансформаторы 21 и 22. Напряжения от этих дифференциальных трансформаторов после прохождения через блоки управления 23 и 24 подаются на подмагничивающие обмотки соответственно 25 и 26, регулирующие суммарные индуктивности отрезков труб, расположенных в фазах «а» и «b». Блоки управления 23 и 24 выполнены аналогично блокам управления, имеющимся на входе линии, и содержат усилители, выпрямители и элементы управления.
Количество труб каждой фазы выполняют кратным четырем. Трубы 27 каждой фазы укладывают штабелем (фиг.3) в два слоя. Кабель 28 фазы «А» прокладывают попепеременно в соседних трубах так, что каждый виток кабеля проходил от одного слоя штабеля к другому. При этом направление тока в кабелях каждой пары рядом расположенных труб каждого слоя штабеля совпадает. Обмотки подмагничивания 29 охватывают стороны соседних труб, в которых токи, проходящие по отрезкам кабеля, совпадают. Аналогично выполнена система задержки сигнала в фазе В. Точно также выполнены и линии задержки в фазах с и b на выходе линии передачи.
В варианте технического решения трубы линий задержки выполняют из изолированных между собой листов 30 (фиг.4), выполненных из электротехнической стали и изолированных с двух сторон изоляционным слоем (на фиг. не обозначен).
a
b
В варианте технического решения трубы выполнены из сочлененных друг с другом двух 27 и 27 половин, разрезанных по образующим (фиг.5).
В варианте технического решения трубы 27 выполнены с прямоугольным профилем (фиг.6).
2
ф
и
и
и
и
л
л
и
ф
ф
Устройство передачи электрической энергии на расстояние действует следующим образом. Как известно, скорость движения электромагнитной волны в ЛЭП определяется по формуле V =1/LC, где Lиндуктивность длины линии задержки, Гн/м; C - емкость единицы длины линии задержки. При этом длина линии l задержки определяется из соотношения l=Vt, где t- время задержки в цепях соответствующей фазы. Для фазы А это время равно t=2/3f, где f - частота питающей сети, что для частоты переменного тока f=50 Гц составляет t=0,01333 сек. Время задержки в цепи фазы В выбирают равным t=1/3f, что составляет t=0,00666 сек. Кабели выполняют с металлической однослойной или многослойной оплеткой для увеличения их емкости. После линий задержки 4 и 5 на входе линии сдвиг по фазе для напряжений будет близок к нулю. После трансформаторов 1-3 напряжение между линиями ЛЭП в А', В' и С' будет близко к нулю. При этом все три провода можно располагать близко друг к другу (фиг.1), разместив их, например, в одной оболочке. В конце линии передачи после трансформаторов 16-18 производят обратную операцию по восстановлению первоначального сдвига фаз, а именно в фазе с формируют линию задержки со сдвигом сигнала во времени t=2/3f, а в конце линии фазы b формируют линию задержки со сдвигом во времени, равном t=1/3f.
Однако при изменении тока в силовой цепи, из-за нелинейности вебер-амперной характеристики материала труб 27 сдвиг по фазе между линиями будет все-таки происходить, что может привести к появлению разности потенциалов между фазами на входе линий задержки и искажениями (перекосу фаз) на выходе линии. Компенсацию нелинейных сдвигов напряжений, зависящих от тока нагрузки, регулируют путем изменения магнитной проницаемостью труб, в которых помещен кабель. Эта регулировка производится по принципу магнитного усилителя, на основе изменения индуктивности труб с помощью обмоток подмагничивания соответственно 14, 15 на выходе линии в начале ЛЭП и 25, 26 во вторичной цепи на выходе линии. Разность сдвига фаз (напряжений) на выходе линий задержки измеряется дифференциальными трансформаторами 6, 7 (фиг.1), 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. Поскольку дифференциальные трансформаторы 6 и 7 установлены в высоковольтной стороне ЛЭП, то напряжение рассогласования будет более различимым.
Аналогично организована и система формирования нормального сдвига фаз на выходе высоковольтной линии электропередачи после понижающих трансформаторов 16-18, с блоками регулирования 23, 24 (фиг.2).
Для снижения площади, которую занимают линии задержки на подстанции, и уменьшения длины проводов обмоток подмагничивания трубы укладываются штабелем в два слоя. При указанной на фиг.3 схеме раскладки труб обмотки подмагничивания 29 охватывают стороны соседних труб. При этом токи, проходящие по обмоткам подмагничивания, не будут содержать наводок от силовой цепи.
Выполнение труб из изолированных между собой листов 30 (фиг.4) электротехнической стали способствует снижению потерь в стали и повышению КПД системы.
Выполнение труб с разрезом по образующей (фиг.5) и с прямоугольным профилем (фиг.6) может способствовать упрощению технологии укладки линий задержки.