ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ДАННЫХ НА ОСНОВЕ ОПТОВОЛОКОННОГО КАБЕЛЯ СВЯЗИ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к системам питания и распределения электрической энергии с использованием электромагнитных волн.
Известна система электропитания удаленных потребителей на основе однопроводной системы передачи электроэнергии В.С.Григорчука (патент РФ № 2120170, МПК H02J 1/00, опубл. 10.10.1998), предназначенная для передачи постоянного тока. Однопроводная система содержит передающую подстанцию с генератором, повышающим трансформатором и конденсаторной батареей, высоковольтную линию, принимающую подстанцию с устройством формирования отрицательного потенциала и высоковольтный приемный конденсатор. Передающая подстанция формирует положительные заряды электричества и передает их на принимающую подстанцию, которая преобразует полученные положительные заряды в переменный трехфазный ток стандартной частоты и подает его потребителю.
Недостатками системы является сложность конструкции, большие габариты генерирующей и принимающей подстанции, связанной с необходимостью применения конденсаторов большой емкости и высокого рабочего напряжения, а также с небольшим эффективным расстоянием электропередачи.
Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению является устройство питания электротехнических устройств (патент РФ № 2108649, МПК H02J 3/00, опубл. 10.04.1998). Описываемая система содержит генератор переменного напряжения с перестраиваемой частотой, высокочастотный трансформатор Тесла, соединения одного из выводов высоковольтной обмотки с одной из входных клемм питаемого устройства и установления резонансных колебаний. Второй вывод трансформатора изолирован.
Предлагаются различные варианты схемных решений генератора и приемника-преобразователя.
Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, вызванная необходимостью создания специализированных высоковольтных линий передачи электроэнергии и необходимостью поддержания резонансных колебаний при меняющихся характеристиках линий в реальных погодных условиях эксплуатации. Также недостатком является высокие первоначальные затраты на создание специализированных линий электропередач.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции интегрированной системы передачи электрической энергии и данных, расширение функциональных возможностей системы, возможность использования уже созданных линий передачи данных для трансляции электрической энергии, унифицированное использование имеющихся систем для передачи электрической энергии, а также повышение электробезопасности.
Решение этой задачи достигается тем, что известная система передачи электрической энергии и данных, содержащая генератор переменного напряжения, устройства-потребители электрической энергии, высокочастотный трансформатор, снабжена оптоволоконным кабелем с металлическими компонентами. Один вывод высокочастотного трансформатора подсоединен к металлическим компонентам оптоволоконного кабеля, второй вывод трансформатора заземлен, устройства-потребители электрической энергии подключены к оптоволоконному кабелю в местах установки оборудования посредством приемников-преобразователей. Устройства-потребители электрической энергии подключены к отрезкам проводника, прибандажированного к оптоволоконному кабелю в местах установки оборудования.
Сущность данного решения поясняется рисунком 1, на котором показана схема интегрированной системы передачи электрической энергии и данных на основе оптоволоконного кабеля связи, как пример конкретного выполнения.
Блокам, устройствам и деталям системы присвоены следующие позиции:
1. Генератор электромагнитной волны;
2. Приемник-преобразователь;
3. Оптоволоконный кабель с силовыми металлическими компонентами;
4. Опорный коммутатор связи с оптическими портами ввода-вывода;
5. Оптоэлектронный преобразователь связи;
6. Точки доступа Wi-Fi;
7. Видеокамера;
8. Коммутатор связи с оптическим портом доступа;
9. Локальная сеть передачи данных;
10. Глобальная сеть передачи данных;
11. Торшер уличного освещения;
12. Согласующий элемент;
13. Другие потребители электроэнергии;
14. Импульсный блок питания оборудования.
Генератор 1 с перестраиваемой частотой колебаний и выходным повышающим трансформатором напряжения одним из выводов присоединен к металлическому компоненту оптоволоконного кабеля с помощью согласующих элементов, минимизирующих отражения электромагнитной волны при распространении вдоль волновода. Второй вывод повышающего трансформатора заземлен. Схема генератора 1 дополнительно содержит контур обратной связи, позволяющий изменением частоты колебаний поддерживать расчетный уровень амплитуды переменного напряжения на выходе генератора при изменении количества подключенных потребителей, потребляемой мощности, распределенных характеристик длинной линии передачи электроэнергии и т.д.. Приемники-преобразователи 2 обеспечивают расчетное постоянное выходное напряжение для электропитания потребителей электроэнергии. Устройства приемников-преобразователей 2 содержат в своем составе выпрямительный блок с фильтрами сглаживания пульсаций и понижающий трансформатор, один из выводов первичной обмотки которого заземляется. Второй вывод этой обмотки может подключаться к линии электропередачи двумя возможными способами. В первом случае вывод гальванически подключается к металлическому компоненту оптоволоконного кабеля 3. Во втором случае к защитной изоляции оптоволоконного кабеля бандажируется отрезок проводника без повреждения изоляции и без гальванического присоединения. Суммарная мощность подключенных к линии потребителей электроэнергии не должна превышать максимальной выходной мощности генератора.
Основным элементом интегрированной системы передачи электрической энергии и данных является оптоволоконный кабель связи (3), имеющий в своем составе металлические силовые компоненты - трос или проволоку для повышения механической прочности кабеля при воздушной подвеске на опорах и прокладке кабеля механизированным способом в кабельной канализации и металлическую защитную ленточную оболочку защиты кабеля. Металлическая оболочка кабеля защищает от порывов в процессе эксплуатации при проведении различных земляных, строительных или ремонтных работ.
Генератор электромагнитной волны (1) формирует высокочастотный высоковольтный синусоидальный сигнал с использованием трех последовательно соединенных повышающих трансформаторов Т1, Т2, Т3, где вывод трансформатора Т3 заземлен, а вывод трансформатора Т1 подключен к металлическому компоненту оптоволоконного кабеля (3). Использование трех последовательно подключенных трансформаторов снижает межвитковую напряженность электрического поля и, как следствие, снижает требования к межвитковой и межслойной изоляции провода катушек, а также повышает общую мощность при трансформации напряжения.
Приемник-преобразователь энергии электромагнитной волны в постоянный электрический ток (2) состоит из двух последовательно подключенных многовитковых понижающих трансформаторов Т4, Т5 и выпрямительного блока. Один из выводов трансформатора Т4 подключен к металлическому компоненту оптоволоконного кабеля (3). Вывод трансформатора Т5 заземлен. Концы вторичных катушек трансформаторов Т4 и Т5 через выпрямительный блок формируют заданный уровень постоянного напряжения, питающий стандартные импульсные блоки питания (14) оптоэлектронных преобразователей связи (5), коммутаторов связи (8), имеющих оптический вход, точек беспроводного доступа Wi-Fi (6), цифровых камер систем видеонаблюдения (7), торшеров светодиодных ламп уличного освещения (11) и других потребителей электроэнергии (13). Интегрированная система передачи электрической энергии и данных обеспечивает электропитание множества приемников-преобразователей, количество которых ограничивается мощностью генератора электромагнитной волны. В качестве потребителей электрической энергии могут выступать любые устройства, имеющие в своем составе источники импульсного электропитания, рассчитанные на входное питающее напряжение от 110 до 240 вольт переменного тока 50 Гц.
Принцип действия интегрированной системы передачи электрической энергии данных состоит в следующем. Источник электроэнергии формирует высокочастотную электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль металлического компонента оптоволоконного кабеля, используемого в качестве волновода. Приемник-преобразователь обеспечивает преобразование части электромагнитной энергии, распространяющейся вдоль кабеля, в постоянный электрический ток, пропекаемый по замкнутому контуру через нагрузку.
Использование полезной модели позволяет обеспечить устойчивый режим питания различных потребителей малой мощности, снизить потери энергии на нагрев проводников, увеличить длину линии электропитания без установки дополнительных дорогостоящих подстанций.
Упрощение конструкции, снижение начальных и текущих затрат на обслуживание сетей связи и электропитания достигается за счет совмещения функций передачи цифровых и аналоговых информационных сигналов и функций передачи электрической энергии в единой кабельной системе оптоволоконных линий связи.
Передача электрической энергии с помощью электромагнитных волн обеспечивает значительное повышение электробезопасности системы в сравнении с традиционными линиями электропередачи напряжением 220 и 380 вольт с частотой 50 Гц. Данный эффект объясняется передачей электрической энергии на повышенной частоте, где при контакте человеческого тела с токопроводящими элементами протекание токов сопровождается скин-эффектом. Протекающие токи концентрируются в поверхностном слое ороговевшей части кожного покрова и не оказывают существенного воздействия на жизненно важные органы человека. Для повышения потребительских свойств интегрированной системы передачи электрической энергии и данных, расчетное значение переменного напряжения в линии не должно превышать 1000 вольт относительно потенциала земли. В этом случае проведение монтажных и ремонтных работ возможно силами специалистов-электриков, большинство из которых имеет допуск на работу на установках до 1000 вольт.