Исследования однопроводниковой резонансной системы электроснабжения

товаропроизводителей, в соответствии со статьей 16 закона «О развитии сельского хозяйства» от 29 декабря 2006 года № 264-ФЗ создана Ассоциации «Биоэнергетика», которая будет участвовать в подготовке предложений по формированию и реализации государственной аграрной политики в этой сфере путем: участия в разработке проектов нормативных правовых актов, целевых программ, национального доклада;

обобщения и распространения достижений науки и техники, российского и иностранного опыта в сфере развития сельского хозяйства;

предоставления необходимой информации для формирования и реализации государственной аграрной политики;

выработки рекомендаций для органов государственной власти.

Производство энергии из биомассы вписывается в

идеологию двух приоритетных национальных проектов: «Развитие агропромышленного комплекса» и «Доступное жилье».

Для разработки мер государственного стимулирования использования возобновляемых и местных источников энергии, а также формирования производственных мощностей по переработке биомассы в сельской местности на прошедших 22 мая 2007 г. парламентских слушаниях подготовлены рекомендации по наделению такими полномочиями соответствующего федерального органа исполнительной власти.

Данная статья имеет целью проинформировать общественность сельской местности о возможных путях развития биоэнергетики на селе и ее перспективах на базе формирования новой законодательной и нормативной базы.

ИССЛЕДОВАНИЯ ОДНОПРОВОДНИКОВОЙ РЕЗОНАНСНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Д. С. СТРЕБКОВ, академик Россельхозакадемии

A.И.НЕКРАСОВ, кандидат технических наук

B.И.ВЕРЮТИН, кандидат технических наук О.А.РОЩИН, кандидат технических наук Л.Ю.ЮФЕРЕВ, кандидат технических наук ВИЭСХ

Возрождение сельского хозяйства России не возможно без создания принципиально новой энергетической концепции электрификации сельского хозяйства с использованием альтернативных, возобновляемых источников электрической энергии и распределительных сетей нового поколения.

Важнейшая задача электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, удалённых от генерирующих станций и электрических систем, — создание экономичных, высокоэффективных и надёжных линий электропередач.

Современное состояние сельской электрификации в основном сформировалось в 70-80 гг. прошлого столетия и сейчас характеризуется низкими показателями. В 2006 г. объём производства в аграрном секторе составил 75 % от уровня 1990 г., а потребление электроэнергии в сельском хозяйстве — 59,3 %, в том числе в производственной сфере — 41,1 %. Сегодня линии электропередач не могут обеспечить снабжение удалённых районов, где проживает более 10 % населения России, из-за технической невозможности их сооружения и дороговизны. Поэтому проблема разработки новых методов и устройств электроснабжения сельскохозяйственных потребителей малой мощности крайне актуальна.

Анализ существующих систем централизованного электроснабжения и автономных электростанций,

использующих местное топливо и возобновляемые источники энергии, показал, что вопрос рационального, надёжного и экономичного электроснабжения для отдалённых районов остаётся не решённым. Исходя из этого, наряду с существующими традиционными способами предлагается резонансный метод передачи электрической энергии на повышенной частоте, основанный на работах Николы Тесла.

С 1992 г. во Всероссийском научно-исследова-тельском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) ведутся работы по изучению и созданию резонансной системы передачи электрической энергии по однопроводниковой кабельной и воздушной линиям на повышенной частоте для снабжения сельскохозяйственных потребителей малой мощности 0,1...20 кВт (рис. 1).

Рис. 1. Электрическая схема РС с двумя высокочастотными (ВЧ) трансформаторами: 1 — генератор повышенной частоты; 2 — резонансный контур повышающего трансформатора; 3 — однопроводная линия; 4 - резонансный контур понижающего трансформатора; 5 — выпрямитель; 6 — преобразователь.

В конце сороковых — начале пятидесятых годов в связи с нехваткой в стране алюминиевых проводов в ВИЭСХе были разработаны схемы трёхфазной сети с использованием земли в качестве одного из фазных проводов (один провод — земля или два прово-

да — земля), которые использовали в сельском электроснабжении. Они представлены в докторской диссертации Л.Е. Эбина (1951 г.) и кандидатской диссертации И.Д. Исмаилова (1955 г.).

Эти разработки принципиально отличаются от предлагаемых нами резонансных систем. Так, система один провод-земля — это замкнутая двухпроводная линия электропередачи с использованием земли в качестве второго провода и активного тока проводимости в замкнутой цепи. Наша однопроводниковая линия (см. рис. 1...3) — обычная волноводная линия со сдвигом фаз между током и напряжением на 90°. Заземление в точках с узлами напряжения не изменяет параметров волноводной линии и не сказывается на величине передаваемой мощности.

Согласно схеме, представленной на рис. 2, можно

Рис. 2. Схема передачи электрической энергии с диодно-конденсаторным блоком: 1 — генератор повышенной частоты; 2— резонансный контур повышающего трансформатора; 3 — однопроводная линия; 4 — преобразовательный мост; 5 — естественная ёмкость; 6 - конденсатор выпрямителя; 7- ключ; 8- нагрузка.

передавать электрическую энергию /^потребителям от одного генератора, для этого достаточно к однопроводниковой линии 3 от трансформатора Тесла 2 присоединить N однофазных мостовых выпрямителей.

Обратный преобразователь на рис. 3. выполнен с использованием газового разрядника ил и полупроводникового ключа. В качестве нагрузки Ян в этом варианте может бьггь только активная нагрузка, например, лампы накаливания или нагревательные элементы.

При проведении исследований были смонтированы воздушная (длиной 472 м) и кабельная (длиной 1256 м на глубине 10...20 см) линии. Обе они выполнены высоковольтным проводом ПВВ-1.

Рис. 3. Схема передачи электрической энергии с использованием импульсного преобразователя постоянного тока: 1 — генератор повышенной частоты; 2 — резонансный контур повышающего трансформатора; 3 — однопроводная линия; 4 — преобразовательный мост; 8— Нагрузка ЛН, электродвигатель постоянного тока; 9 — конденсатор выпрямителя; 10 — естественная ёмкость; // — ключ; 12— разрядник; 13—дополнительное сопротивление; 14 — разрядный диод; 15 — дроссель; 16 — конденсатор

На основе полученных результатов в Институте разработан и по заказу ООО «Сургутгазпром» изготовлен комплект оборудования резонансной электрической системы мощностью 20 кВт (РС-20) для электроснабжения станций катодной защиты и водозаборных сооружений линейных участков магистрального газопровода. Он состоит из преобразователя частоты ПЧ, повышающего передающего ВЧ трансформатора ТР 1, понижающего приёмного ВЧ трансформатора ТР 2 и инвертора с нагрузкой. По согласованию с заказчиком производственные испытания проводились на компрессорной станции КС-5 Южно-Балыкского линейно-производственного участка. Они показали, что разработанный комплект оборудования позволяет осуществлять передачу электрической энергии в резонансном режиме мощностью 20,5 кВт. Этот факт подтвержден актом испытаний у заказчика.

В ходе исследований было также установлено, что для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей при новом строительстве линий мощностью до 1 МВт целесообразно использовать кабельные линии на напряжение 110 кВ с проводом сечением 1 мм2, проложенным в земле. Они просты в эксплуатации, дешевле при монтаже, не подвергаются оледенению и ветровым нагрузкам.

Для того, чтобы исключить влияние сети на параметры РС, разработан и изготовлен макетный образец передачи электрической энергии от солнечной фотоэлектрической установки мощностью 100 Вт.

Кроме того, разработан и изготовлен действующий макетный образец электрического фронтального погрузчика с бесконтактным электроснабжением по тонкому однопроводниковому кабелю, заложенному в кабельные каналы рабочей площадки, а также схема передачи электрической энергии на водный транспорт с использованием водного проводящего канала. Передающий блок имеет электрическую мощность 100 Вт, напряжение 1 кВ. Действующие макетные образцы получи Золотую медаль на международной выставке «Энергетика будущего» в 2005 г. и Серебряную медаль выставки «Архимед» в 2007 г.

Таким образом, в ВИЭСХ разработан новый резонансный метод передачи электрической энергии на частоте 1...25 кГц с использованием преобразователя частоты, резонансного контура, повышающего высокочастотного трансформатора и волноводной однопроводниковой линии напряжением 1...110 кВ.

Предложены электрические схемы двух типов резонансных систем — с двумя высокочастотными трансформаторами и с высокочастотным трансформатором на входе резонансных систем и диодно-конденсаторным блоком у потребителя. Преимущества первой — заключаются в возможности использования высокого напряжения в линии и низкого напряжения на нагрузке. Главные достоинства второго типа резонансной системы — простота настройки и эксплуатации в связи с отсутствием резонансного контура на выходе, однако при ее эксплуатации необходим высоковольтный инвертор.

На основе разработанной методики расчёта резонансной системы электроснабжения определены па-

раметры передающего и приёмного контуров Ь, С, Я, /с высокочастотными трансформаторами и однопроводниковой линии. Предложен метод настройки двухконтурной резонансной системы электроснабжения с учётом взаимной индукции обмоток высокочастотных трансформаторов. Измерения параметров изготовленных контуров подтвердили соответствие с расчётными величинами. При этом потери на излучение при частоте 1 кГц не превышают 8,6 % передаваемой мощности при длине линии до 9000 км.

Разработаны и изготовлены резонансные высокочастотные трансформаторы электрической энергии мощностью 25 кВт, напряжением 10 кВ, с резонансной частотой 1...25 кГц, которые характеризуются почти в 2 раза меньшими затратами материалов, по сравнению с трёхфазными трансформаторами 50 Гц такой же мощности.

Результаты исследований показали, что комплект оборудования РС-20 позволяет передавать электрическую мощность 20,5 кВт при напряжении на линии 6,8 кВ и частоте 3,4 кГц. Экспериментально под-

тверждено свойство однопроводниковой линии передавать энергию без существенных джоулевых потерь на сопротивлении линии. Предельные электрическая плотность тока и удельная электрическая мощность на 1 мм2 площади сечения проводника линии резонансной системы превышают параметры линий переменного и постоянного тока.

Добротность резонансной системы при частоте 5 кГц в десятки раз выше, чем при частоте 50 Гц, что в условиях резонанса приводит к значительному увеличению напряжения и передаваемой мощности вдоль проводящего канала.

Основные области применения резонансной системы электроснабжение сельскохозяйственных потребителей с помощью воздушных и кабельных однопроводниковых линий, передача электрической энергии на мобильные объекты.

Расчеты экономической эффективности показывают быструю генерир>емость поступлений прибыли и выгоду для всех потенциальных участников, как создателей технологии, инвесторов и кредиторов, так и государства.

СИСТЕМА АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СЕЛЬХОЗПРЕДПРИЯТИЯМИ

В.Н. СУДАЧЕНКО, кандидат технических наук

В.Н. БРОВЦИН, доктор технических наук СЗНИИМЭСХ Н.И. ШИМЧЕНКО

Комитет по агропромышленному и рыбохозяйственному комплексу Ленинградской области

В послереформенный период существенно изменилось энергообеспечение сельхозпроизводства. Доля энергозатрат в себестоимости продукции в среднем по отрасли достигла 15...20 %, а в овощеводстве защищенного грунта — 50 %. Потребление электроэнергии в сельском хозяйстве значительно сократилось. Например, в Ленинградской области доля отрасли не превышает 10 % от общего потребления в регионе, количество отключений электроэнергии почти в 10 раз превышает величину этого показателя на сельских территориях стран Западной Европы, получаемая сельхоз-потребителями электроэнергия по качеству не всегда соответствует действующим в стране стандартам.

В связи с ростом цен на тепловую и электрическую энергию в раде хозяйств выращивание оющей в весенних пленочных тепли цах стало нерентабельным. Большинство котельных переданы на баланс коммунальных служб, а те которые остались в хозяйствах, нуждаются в реконструкции. В особенно плохом техническом состоянии внутрихозяйственные тепловые сети. Такое положение дел характерно для энергетики сельского хозяйства не только Ленинградской области, но и России в целом.

В сложившихся экономических условиях выход из казалось бы тупиковой ситуации — энергосбережение. Его потенциал в России в целом по расчетам Международного энергетического агентства составляет 45 %, в сельском хозяйстве нашей страны по оценке Европейского Союза — 42 %, в том числе 16 % без каких-либо затрат.

Проблема энергосбережения связана не столько с экономией энергии, а сколько с рационализацией процессов ее производства, транспортировки, хранения, использования и утилизации. Практика показывает, что в развитых странах это дает в 2 раза больший экономический эффект, чем увеличение выработки и потребления.

Сейчас в ряде тепличных хозяйств, на птицефабриках, в хозяйствах молочного направления предпринимаются меры по реализации потенциала энергосбережения. Однако в условиях постоянного роста тарифов на энергоресурсы сделать это довольно сложно. По ряду причин цены на природный газ будут постепенно повышаться и дальше. Поэтому энергосбережение в агропромышленном комплексе должно быть не разовой компанией, а основой политики развития отрасли.

Само энергосбережение — это новый важнейший ресурс каждого хозяйственного субъекта АПК. В соответствии со статьей 14 Федерального закона «Об энергосбережении» №28-ФЗ от 03.04.1996 г. (в ред. Федерального закона от 05.04.2003 N 42-ФЗ) «Потребителям и производителям энергетических ресурсов, осуществляющим мероприятия по энергосбереже-