СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ СО СПИРАЛЬНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ И УСТРОЙСТВО НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD FOR MANUFACTURING POWER TRANSMISSION LINE WITH SPIRAL CROSS-SECTION AND DEVICE BASED ON ITS BASIS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к передаче высоких значений токов с постоянным и/или переменным напряжением, от одного и/или нескольких источников к одному и/или нескольким потребителям электроэнергии.
В контурах протекания больших амплитуд токов между источником и потребителем для снижения паразитных параметров электрических соединений используют линии электропередачи в виде силовых шин электропитания (СШЭП). Они оказывают непосредственное влияние на целостность электропитания устройства или системы в целом, что является неотъемлемой частью нормальной и стабильной работы различных технических средств (ТС) входящих в ее состав. При этом на целостность электропитания оказывают влияния различные схемотехнические и конструктивные решения, которые ограничивают амплитуды синфазных и дифференциальных помех, наведенных внешней излучаемой и/или кондуктивной электромагнитной помехой от одного или нескольких излучаемых и/или кондуктивных источников. Для уменьшения наводимой помехи, в цепях электропитания применяют метод связанных емкостей, заключающийся в чередовании слоев «земли», тем самым поглощая всплески напряжения. Также применяют различные интегрированные фильтры и различными способами уменьшают паразитную индуктивную связь и волновое сопротивление СШЭП, что позволяет работать преобразователям на более высоких частотах. Использование конструктивных особенностей СШЭП является одним из оптимальных решений, направленных на уменьшение массы, габаритов и максимальной амплитуды для синфазных и дифференциальных токов помех.
Из патента [Пат. WO2012118046A1 ВОИС, МПК H01R35/02, H01R43/00. Bus-bar set and manufacturing method therefor / D. Hashimoto (JP), K. Fukumoto (JP), M. Suetani (JP) № 13/982614; заявл. 28.02.2012; опубл. 07.09.2012.] известен способ создания набора силовых шин электропитания, которые хорошо рассеивают тепло и предотвращают чрезмерный нагрев, возникающий из-за плохого электрического соединения. Шину возможно легко проложить даже при использовании проводников с большой площадью поперечного сечения. Набор шин включает множество многослойных шин с изолирующим элементом. Каждая многослойная шина имеет: среднюю секцию, которая имеет структуру с множеством пластинчатых проводников и секции для клемм, которые содержат проводники, проходящие от обоих концов средней секции и соединенные с другими элементами. Изолирующий элемент выполнен из гибкого изоляционного материала, внешняя сторона которого является плоской и соединяется в многослойных шинах в единое целое, закрывая средние секции.
Из патента [Пат. WO2013152881A1 ВОИС МПК H02G5/02, H02G5/06, H02G5/00, F03D5/02, H02G3/04. Busbars having different cross sections for a busbar system with a common protection or neutral conductor / F. Alefelder (DE), F. Bertels (DE) № 13/052973; заявл. 14.02.2013; опубл. 17.10.2013.] известен способ изготовления сборных СШЭП, пригодный для создания шин с различными формами поперечного сечения, с общей защитой и нейтральным проводником для передачи электрической энергии. Сборная шина состоит из двух сегментов с требуемым поперечным сечением, которые между собой закреплены удерживающим элементом и электрически соединены друг с другом через соединительную секцию, а одна из шин является защитным или нейтральным проводником.
Из патента [Пат. US2018/0148855A1 МПК C25D13/04, C25D13/12, H01B13/00 Method for producing multi-layer bus bar unit / M. Nakagawa (JP), S. Wakabayashi (JP), M. Yuasa (JP), T. Watanabe (JP) № PCT/JP2016/002379; заявл. 16.05.2016; опубл. 31.05.2018.] известен способ изготовления многослойной сборной шины, включающий подготовку множества металлических плоских шин, в форме плоских пластин, каждая из которых имеет два или более места для контактных зажимов. Нанесение покрывающей пленки на поверхность каждой плоской шины происходит посредством процесса покрытия полиамидным электроосаждением. Покрытая пленка на первой шине подвергается термообработке для получения слоя покрытия полностью отвержденной смолы, а покрытая пленка на второй шине подвергается термообработке с получением полуотвержденной смолы. Первая и вторая сборные шины укладываются друг на друга и подвергаются термообработке под давлением.
Из патента [Пат. WO2019044687A1 ВОИC, МПК H01B 13/00; H01B 7/00; B05D 5/12; B05D 7/14. Method for manufacturing bus bar assembly / S. Wakabayashi (JP), M. Nakagawa (JP) № PCT/JP2018/031314; заявл. 04.09.2017; опубл. 07.03.2019.] известен способ изготовления сборной шины включающий: подготовку первой плоской электропроводящей металлической пластины; изготовление прорези в плоской электропроводящей металлической пластине в месте сборки узла шины; нанесение материала покрытия, содержащее изолирующую смолу, которой заполняется полость, образованная между пластинами в результате прорези, так что, по меньшей мере, стык между металлическими пластинами заполнен изолирующей смолой; удаление лишней изолирующей смолы в участках прорези и сборки шины, при этом в сборке элементы конструкции сборной шины обращены друг к другу поперек прорези.
Из патента [Пат. WO2014038515A1 ВОИC, МПК H01R 43/16; H01R 43/20; H01R 4/58. Production method for bus bar insert resin molded article, and bus bar insert resin molded article / N. Asano (JP), T. Nakazawa (JP) № PCT/JP2013/073554; заявл. 02.09.2013; опубл. 13.03.2014.] известен способ изготовления шины, отлитой под давлением в форму и включающий следующие этапы. Подготовка первой шины, имеющей сквозное отверстие, и подготовку второй шины, имеющей выступ, соответствующий сквозному отверстию. Изготовление пресс-формы, содержащей обжимной элемент, который способен обжать выступ. Размещение первой и второй шин в форме с выступом, вставленным в сквозное отверстие. Обжим первой и второй шин при помощи обжимного элемента, пресс-формы для получения соединенных между собой шин. Впрыскивание формовочного материала вокруг соединенных шин, которые представляют собой шины, соединенные друг с другом посредством обжима, для формовки с использованием пресс-формы и получения отлитой под давлением шины.
Из патента [Пат. CN 101866723A, МПК H01B 13/00; H01B 9/00; H01R 4/58. Method for manufacturing bent insulated busbar / Z. Yinlong (CN), Z. Yi (CN), C. Danhong (CN), L. Jun (CN), C. Xingjun (CN), № CN2010102003612A; заявл. 11.06.2010; выдан 20.10.2010.] известен способ изготовления изогнутой изолированной шины, который включает следующие этапы: подготовка изогнутого электропроводящего проводника и изготовление изолятора. Изолятор изготавливается из изолированной трубки с использованием силиконового или этиленпропиленового каучука. Изолятор может быть изготовлен в соответствии с размером проводника, за счет чего может быть обеспечена концентричность и однородность изолятора. Используя свойства упругости изолятора, он размещается на проводнике, за счет этого процесс производства упрощается, и стоимость изготовления снижается.
Из патента [Пат. WO2010143584A1 ВОИC, МПК H01R 4/58; H01R 4/62. Bus bar and connector / N. Fujiwara (JP), A. Sugimoto (JP), H. Hashimoto (JP), T. Fujiura (JP), N. Kikuchi (JP), K. Inoue (JP), S. Oguri (JP), № PCT/JP2010/059479; заявл. 12.06.2009; опубл. 16.12.2010.] известно устройство сборной шины и разъема, которые имеют выступающую и углубленную цилиндрические части, соответственно. При помощи данных частей шина и разъем скрепляются друг с другом, обеспечивая, тем самым электрическое соединение между собой. Таким образом, соединение шины и разъема делает возможным электрическое соединение, в связи с чем отсутствует необходимость закреплять клемму винтом, что облегчает соединение между шиной и разъемом.
Из патента [Пат. RU 2459340 ВОИC, МПК H02J 17/00. Cпособ и устройство для передачи электрической энергии / Д.С. Стребков (RU), О.А. Рощин (RU), А.Ю. Богданов (RU) № 2010138698/07; заявл. 21.09.2010; выдан 20.08.2012.] известен способ и устройство в котором передача электрической энергии осуществляется от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного резонансного трансформатора по однопроводной линии независимо от земли путем размещения низковольтных обмоток повышающего и понижающего высоковольтных резонансных трансформаторов посередине высоковольтных высокочастотных резонансных обмоток и преобразования тока в однопроводной линии в активный ток в нагрузке. В другом варианте способ и устройство передачи электрической энергии осуществляется по двум противофазным однопроводным, изолированным от земли линиям, преобразуя ток в изолированных от земли противофазных однопроводных линиях в переменный ток промышленной частоты. Также способ и устройство передачи электрической энергии осуществляются путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи с естественной емкостью проводящих сфер, подключенных к крайним выводам однослойных обмоток резонансных трансформаторов, по однопроводной линии независимо от земли. Другие способ и устройство передачи электрической энергии осуществляются путем создания резонансных колебаний повышенной частоты, при этом в цепи возбуждают колебания электрической энергии в передающем резонансном трансформаторе с присоединенными к ее выводам электропроводящими сферами, выполняющими роль электрических емкостей, двум противофазным однопроводным, изолированным от земли линиям, преобразуют ток в изолированных от земли противофазных однопроводных линиях в переменный ток промышленной частоты. Техническим результатом является уменьшение электрических потерь.
Наиболее близкими к заявляемому способу и устройству являются способ и устройство [Пат. WO2014104367A1 ВОИC, МПК H02G 5/02. Bus bar, bus bar module, and method of manufacturing bus bar / T. Ogawa (JP), H. Fujii (JP), C. Ichihara (JP), K. Inoue (JP) № PCT/JP2013/085268; заявл. 27.12.2013; выдан 03.07.2014.]. Сборная электрическая шина, модуль электрической шины и способ изготовления сборных электрических шин содержат: электрическую токопроводящую шину, образованную посредством расположения в продольном направлении первого токопроводящего проводника, выполненного в форме пластины и изготовленного из спирально намотанных полосковых проводников, взаимно прилегающих в направлении ширины и сближенных друг к другу на противоположных внутренних поверхностях, и второго плоского токопроводящего проводника, образованного спирально намотанными полосковыми проводниками в направлении, противоположном направлению намотки первого токопроводящего проводника, при этом противоположные внутренние поверхности расположены ближе друг к другу и перекрывают эти проводники так, что внешние поверхности в направлении ширины были обращены друг к другу, а клеммы, соединены с первым и вторым токопроводящими проводниками на обоих концах электрической токопроводящей шины.
Недостатком устройства-прототипа является низкое значение погонной емкости, образованной между внешними поверхностями двух токопроводящих проводников, а также низкая механическая прочность в результате двух изгибов, под разными углами с большим градусом, в одном месте и низкая помехоустойчивость при воздействии на электрическую токопроводящую шину излучаемых электромагнитных помех, в т.ч. электростатического разряда.
Предлагается способ изготовления линии электропередачи со спиральным поперечным сечением, включающий этап намотки по спирали нескольких электропроводящих пластин одинаковой ширины, являющихся проводниками электрической энергии и покрытых изолирующим материалом, и этап крепления соединителей к электропроводящим пластинам, отличающийся тем, что на этапе намотки электропроводящие пластины наматываются с заданным количеством оборотов N на полый цилиндр совместно с изолятором толщиной w, имеющим с двух сторон липкий слой, таким образом, что в поперечном сечении линия электропередачи представляет вложенные спирали Архимеда, из изолятора и проводника, конечной длины с начальным радиусом r, который образуется внешней поверхностью полого цилиндра, в полости которого размещаются слаботочные сигнальные линии передачи и/или волоконно-оптическая линия связи, а изготавливается полый цилиндр из диэлектрического или металлического материала с покрытием на внешней поверхности изолятором толщиной w c суммарным радиусом r, являющимся начальным радиусом для спиральной в поперечном сечении линии передачи, длиной l, а электропроводящие пластины линии передачи при намотке плотно обращены лицевой стороной друг к другу с двух сторон, при этом к одному из краев линии электропередачи со спиральным поперечным сечением к электропроводящим пластинам крепятся клеммы в виде полых металлических цилиндров, а на внешней поверхности линии электропередачи вдоль ее продольной составляющей крепятся клеммы в виде Г-образной конструкции, которые являются межсоединением между источником, потребителем и/или другой линии электропередачи с коаксиальным и/или спиральным поперечным сечением.
Представлено устройство линии электропередачи, содержащее электрические токопроводящие проводники, образованные посредством расположения в продольном направлении первого и второго электрических проводников, взаимно прилегающих друг к другу, а клеммы, соединены с первым и вторым электрическими проводниками на обоих концах, отличающееся тем, что k электропроводящих пластин совместно с k-1 изоляторов толщиной t и w, соответственно, расположены на полом цилиндре длиной l, таким образом, что в поперечном сечении образуют спирали Архимеда конечной длины, определяемой количеством витков N и начальным радиусом r, а в полости цилиндра размещены слаботочные сигнальные линии передачи и/или волоконно-оптическая линия связи, при этом электропроводящие пластины линии передачи плотно обращены лицевой стороной друг к другу с двух сторон через изолятор, имеющий с двух сторон липкий слой, при этом с одного из краев линия электропередачи со спиральным поперечным сечением имеет клеммы в виде полых металлических цилиндров, а на внешней поверхности линии электропередачи вдоль ее длины к каждой электропроводящей пластине закреплены клеммы в виде Г-образной конструкции, к которым подключается источник и/или потребитель электроэнергии.
Достоинствами заявляемого устройства линии электропередачи со спиральным поперечным сечением являются малые амплитуды синфазных и дифференциальных помех, высокая механическая прочность, а также наличие экранированного канала для размещения в нем слаботочных сигнальных линий передачи или канала из диэлектрической трубки для размещения волоконно-оптического канала связи.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое устройство, является снижение паразитных параметров за счет уменьшения погонной индуктивности и увеличения погонной емкости спиральной в поперечном сечении линии передачи.
Технический результат достигается за счет плотного скручивания нескольких электропроводящих пластин, являющихся электрическими проводниками, совместно с изолятором между ними. При этом в поперечном сечении каждый виток одного полюса расположен между витками другого полюса, что увеличивает значение погонной емкости силовой шины электропитания, а за счет взаимной индуктивности между витками значение погонной индуктивности уменьшается.
Устройство линии передачи электроэнергии со спиральным поперечным сечением поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного устройства, а являются иллюстрирующими материалами:
На фиг. 1 приведен изометрический вид линии электропередачи в развернутом виде.
1
2
1
2
На фиг. 2 приведен набор электропроводящих пластин совместно с изолятором (а), образующих в поперечном сечении, спиральную линию передачи с количеством витков N=1 (б), при равном расположении электропроводящих пластин (ϕ=ϕ) с N=2 (в) и их смещении друг относительно друга (ϕ≠ϕ) с N=2 (г).
ср
На фиг. 3 приведены зависимости погонных значений индуктивности L и емкости С, при неизменной средней длине спирали l=1 м и w=r от изменения числа витков N от 2 до 20.
На фиг. 4 приведен изометрический вид линии электропередачи со спиральным поперечным сечением.
На фиг. 5 приведены изометрические виды Г-образной (а) и цилиндрической (б) клемм.
На фиг. 6 приведены изометрический вид линий электропередачи со спиральным поперечным сечением и их соединение между собой.
r
1
2
1
2
Линия электропередачи со спиральным поперечным сечением (Фиг. 1) состоит из полого диэлектрического или металлического цилиндра 1, покрытого диэлектриком 2. Внутри полого цилиндра 1, размещаются слаботочные сигнальные линии передачи и/или волоконно-оптическая линия связи 3 в оболочке 4. На внешнюю сторону полого цилиндра 1, покрытого диэлектриком 2, наматываются k электропроводящих слоев 5 толщиной t, совместно с изолятором 6 толщиной w с липкими слоями с двух сторон, к которым плотно прилегают электропроводящие пластины 5. Электропроводящие слои совместно с изолятором (Фиг. 2а) с заданной относительной диэлектрической проницаемостью ε, наматываются с заданным количеством оборотов N на полый цилиндр с радиусом r (Фиг. 2б), таким образом, что в поперечном сечении представляют вложенные спирали Архимеда с внешним радиуcом последующего витка R и с равным начальным углом ϕ=ϕ (Фиг. 2в) или с его смещением ϕ≠ϕ(Фиг. 2г), образованным сдвигом электропроводящих пластин друг относительно друга на заданное расстояние. При этом, значения погонных емкости C и индуктивности L спиральной в поперечном сечении линии электропередачи (Фиг. 3) могут быть вычислены по выражениям:
где N - количество оборотов, w- толщина изолятора, r- внешний радиус полого цилиндра с покрытым изолятором (начальный радиус спиральной линии передачи), ε и μ - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости, ξ - коэффициента, который при четном количестве витков n=2, 4, 6…N, равен 1, а иначе 0, g - коэффициент, который изменяется следующим образом g=1, при n=1, 2; g=2, при n=3, 4; g=3, при n=5, 6 и т.д.
С внешней поверхности линии электропередачи со спиральным поперечным сечением 5, вдоль продольной составляющей к каждой электропроводящей пластине крепятся Г-образные клеммы 7, 8 соответствующие полюсам или фазам линии электропередачи (Фиг. 4). В Г-образных клеммах имеются отверстия 9 для соединения клеммы с источником и/или потребителем электроэнергии, а между клеммами имеется изолятор 10. С одного из торцов к каждой электропроводящей пластине крепятся полые металлические цилиндры 11, 12, с разными радиусами, но одинаковой площадью поперечного сечения металла. Полые цилиндры совместно с изолятором 13 вкладываются друг в друга и образуют коаксиальную линию электропередачи из k вложенных друг в друга цилиндров, между которыми имеется изолятор (Фиг. 5). Коаксиальная линия электропередачи из полых металлических цилиндров может быть выполнена в произвольной форме 14 для ее соединения с другой линией электропередачи, в том числе со спиральным поперечным сечением 15.
Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем: к клеммам 11, 12, подключается источник электропитания, таким образом, что клемма 12 является проводником прямых токов, а клемма 11, проводником обратных токов (Фиг. 5). К клеммам 7 и 8 подключается потребитель (нагрузка). Ток I (Фиг. 2а) протекает внутри спиральной линии в поперечном сечении по диагонали от источника к нагрузки. При необходимости ввод и вывод у линии электропередачи со спиральным поперечным сечением может быть изменен, т.е. к клеммам 7 и 8 может быть подключен источник, а к клеммам 11, 12 нагрузка или другая линия электропередачи со спиральным поперечным сечением.