УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу и устройству для передачи электрической энергии.
Известно устройство для передачи электроэнергии по кабельной линии с использованием в качестве электроизоляции твердой, газообразной или жидкой среды, помещенный герметическую оболочку маслонаполненные кабельные линии 110-500 кВ широко применяются в системах электроснабжения. Изолированные жилы кабеля помещаются в стальные трубы и заливаются маслом под давлением 1,5 Мпа.
Наличие в кабеле металлической оболочки ограничивает распространение электромагнитных волн в ограниченном пространстве между токоведущими элементами и оболочкой.
Следствием этого являются значительно меньшие по сравнению с высоковольтной, воздушной линией значения волнового сопротивления и увеличения емкостной проводимости. Для кабельных линий 35-220 кВ зарядная мощность увеличивается в 8-50 раз по сравнению с воздушной линией, что ограничивает предельную длину кабельных линий переменного тока до 25 км. Избыток реактивной мощности требует использования шунтирующих реакторов.
Наличие защитной оболочки ухудшает условия тепло отвода от токоведущего элемента кабеля и снижает величину передаваемой мощности в 1,4-1,7 раза по сравнению с воздушной линией при одинаковом напряжении и сечении провода. Стоимость маслонаполненных кабелей в 10 раз превышает стоимость воздушных линий электропередачи такой же мощности и длинны. Электротехнический справочник ТЗ. Изд. МЭИ, М., 2002 г. Кабельные линии электропередачи, с.815-818).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ питания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, в котором напряжение генератора подают на низковольтную обмотку высокочастотного трансформаторного преобразователя, а один из выводов высоковольтной обмотки соединяют с одной из входных клемм электротехнического устройства, при этом изменением частоты генератора добиваются установления резонансных колебаний в образованной электротехнической цепи.
Устройство, реализующее данный способ, представляет собой' источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован, а второй предназначен для подачи энергии потребителю (Авраменко С.В. Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления. Патент РФ №2108649 от 11.04.1995 г.).
Вместо понижающего трансформатора Тесла может быть использован диодно-конденсаторный блок, который используется в схемах удвоения напряжения и выполнен из двух встречно включенных диодов, соединенных с конденсатором, общая точка диодов соединена с источником питания (Электротехнический справочник. М., Энергия, т.1,1971, с.871). При подаче на диодно-конденсаторный блок переменного напряжения положительная волна переменного реактивного тока идет на одну обкладку конденсатора, а отрицательная - на другую обкладку. Конденсатор будет накапливать заряды, пока напряжение на его выводах не достигнет положительной и отрицательной амплитуды переменного напряжения на общей точке диодов, тогда диоды окажутся запертыми и заряд конденсатора прекратится. Так работает известная схема выпрямителя с удвоением напряжения.
2
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для передачи электрической энергии, содержащее преобразователь частоты и резонансный контур повышающего трансформатора, высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, высоковольтная линия выполнена под землей или под водой в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см, установленного осе симметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала, например сшитого полиэтилена или стеклопластика.
Для повышения передаваемого напряжения и мощности в устройстве для передачи электрической энергии волновод выполнен из электроизолированного кабеля с толщиной изоляции 3-300 мм, а пространство между волноводом и трубопроводом заполнено электроизолирующим газом под давлением, например элегазом.
2
В варианте исполнения устройства для передачи электрической энергии, содержащего преобразователь частоты, резонансный контур повышающего трансформатора, высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, высоковольтная линия выполнена в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см, установленного осе симметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала, и содержит электрический экран, выполненный в виде множества электроизолированных друг от друга незамкнутых проводящих цилиндрических оболочек, общая длина которых равна длине волновода, а длина каждой проводящей оболочки составляет 1-1000 м. Для снижения потерь в устройстве для передачи электрической энергии каждая оболочка электрического экрана соединена с землей с помощью катушки индуктивности.
Недостатком всех известных устройств передачи электрической энергии является то, что они не позволяют обеспечить высокоэффективную передачу электрической энергии на большое расстояние по подземному или подводному кабелю из-за потерь высокочастотной энергии на сопротивлении линии и по длине линии в окружающей проводящей среде.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности, снижение потерь и повышение надежности передачи электрической энергии по подземному или подводному кабелю.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для передачи электрической энергии включающем преобразователь электрической энергии, по напряжению и частоте у электрического генератора и потребителя, и высоковольтную кабельную линию, выполненную в виде однопроводникового волновода, установленного осесиметрично внутри трубопровода из диэлектрического материала с толщиной изоляции 3-300 мм. Пространство между волноводной линией и трубопроводом заполнено изолирующим веществом с фазовым переходом, например, парафином.
Устройство для передачи электрической энергии иллюстрируется фиг 1, на котором показано поперечное сечение, однопроводниковой волноводной кабельной линии.
Однопроводниковая волноводная линия состоит из металлического одножильного или многожильного проводника 1, электроизоляционного материала 2, наполнителя из парафина 3, внешней изоляции, например из сшитого полиэтилена 4 и экранирующей оболочки 5 или без нее, для фиксации проводника 1 внутри кабеля применяются распорки 6, например, из фторопласта, установленные вдоль кабеля на расстоянии 2-10 диаметров кабеля.
16
15
Парафин - неполярное воскообразное вещество. Получают его разгонкой и вымораживанием из соответствующей фракции дистиллята парафинистой нефти. Удельное сопротивление парафина более 10 Ом * см, у сшитого полиэтилена 10 Ом * см, пробивное напряжение парафина 25…40 кВ/мм, у сшитого полиэтилена 45…55кВ/мм, пробивное напряжение элегаза при давлении 0.3 Мпа 20 кВ/мм, тангенс диэлектрических потерь парафина 0,0003…0,0007, для сравнения у сшитого полиэтилена 0,001, это позволяет использовать кабель на более высоких частотах, диэлектрическая проницаемость парафина 1,9-2,2, у сшитого полиэтилена 2,4, это также уменьшает емкость кабеля и зарядные токи.
2
1
Однопроводниковая волноводная линия диаметром 100 мм (R=50 мм), с проводниковой жилой диаметром 2 мм (R=1 мм), длиной L=25 км с парафиновым наполнителем будет иметь пробивное напряжение:
пр1мм
Где U - пробивное напряжение на 1 мм.
Емкость такой линии:
где ε=2 диэлектрическая проницаемость парафина.
Проводимость изоляции:
Сопротивление изоляции:
-13
где γ=10 Сим/м. - проводимость парафина