| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2273939
СПОСІБ І ПРИСТРІЙ ДЛЯ ПЕРЕДАЧІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ
Ім'я винахідника: Стребков Дмитро Семенович (RU); Некрасов Олексій Йосипович
Ім'я патентовласника: Державна наукова установа Всеросійський науково-дослідний інститут електрифікації сільського господарства (ГНУ ВІЕСХ)
Адреса для листування: 109456, Москва, 1-й Вишняківська пр-д, 2, ГНУ ВІЕСХ, О.В. Голубєвої
Дата початку дії патенту: 2004.12.01
Винахід відноситься до електротехніки і може бути використано для передачі електричної енергії. Технічний результат полягає в підвищенні ефективності, зниження втрат і підвищення надійності передачі електричної енергії по підземному або підводному кабелю. Передачу електричної енергії здійснюють під землею або під водою в резонансному режимі при резонансній частоті 50 Гц - 50 кГц і напрузі 1-1000 кВ, щільності струму 1-500 А / мм 2 по однопроводніковому електроізольований кабелю, зокрема, багатожильному довжиною 1-20000 км перетином 0,01-1000 см 2, у якого діаметр кабелю в 5-100 разів перевищує діаметр провідника. В іншому варіанті передачу електричної енергії здійснюють під землею або під водою в резонансному режимі по Осесиметрична однопроводніковому волноводу всередині герметичного пустотілого діелектричного циліндричного каналу в атмосфері ізолюючого газу, зокрема елегазу, при тиску 1-10 кг / см 2. У ще одному варіанті способу електричну енергію передають з одиночного електростатично екранованому і електроізольований волноводу поверхневої хвилі всередині пустотілого циліндричного екрану і герметичного діелектричного каналу в атмосфері ізольованого газу. Високовольтна лінія може бути виконана під землею або під водою у вигляді однопроводнікового хвилеводу довжиною 1-20000 км, перетином 0,01-1000 см, встановленого Осесиметрична всередині трубопроводу діаметром 0,02-10 м з діелектричного матеріалу. Для підвищення переданого напруги і потужності хвилевід виконаний з електроізольований кабелю з товщиною ізоляції 3-300 мм, а простір між хвилеводом і трубопроводом заповнене електроізолюючим газом під тиском, наприклад елегазом. Високовольтна лінія виконана у вигляді однопроводнікового хвилеводу довжиною 1-20000 км, перетином 0,01-1000 см 2, встановленого Осесиметрична всередині трубопроводу діаметром 0,02-10 м з діелектричного матеріалу, і містить електричний екран, виконаний у вигляді безлічі електроізольований один від одного незамкнутих проводять циліндричних оболонок, загальна довжина яких дорівнює довжині хвилеводу, а довжина кожної провідної оболонки становить 1-1000 м.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до способу і пристрою для передачі електричної енергії.
Відомо пристрій для передачі електричної енергії, що містить генератор змінного струму 50 Гц, трансформаторну підстанцію на початку і кінці високовольтної кабельної лінії. Наявність в кабелі металевої оболонки обмежує поширення електромагнітних хвиль в обмеженому просторі між струмоведучими елементами і оболонкою.
Наслідком цього є значно менші в порівнянні з високовольтної повітряної лінією значення хвильового опору і збільшення місткості провідності. Для кабельних ліній 35-220 кВ зарядна потужність збільшується в 8-50 разів у порівнянні з повітряною лінією, що обмежує максимальну довжину кабельних ліній змінного струму до 25 км. Надлишок реактивної потужності вимагає використання шунтуючих реакторів.
Наявність захисної оболонки погіршує умови тепловідведення від струмопровідних елементів кабелю і знижує величину переданої потужності в 1,4-1,7 рази в порівнянні з повітряною лінією при однаковій напрузі і перерізі дроту (Електротехнічний довідник. Т3. Изд. МЕІ, М., 2002 р . Кабельні лінії електропередач, с.815-818).
Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого винаходу є спосіб харчування електротехнічних пристроїв з використанням генератора змінної напруги, що підключається до споживача, в якому напруга генератора подають на низьковольтну обмотку високочастотного трансформаторного перетворювача, а один з висновків високовольтної обмотки з'єднують з однією з вхідних клем електротехнічного пристрою, при цьому зміною частоти генератора домагаються встановлення резонансних коливань в утвореної електротехнічної ланцюга.
Пристрій, що реалізовує даний спосіб, є джерело змінної напруги з регульованою частотою, високочастотний трансформатор, один висновок високовольтної секції якого ізольований, а другий призначений для подачі енергії споживачеві (Авраменко С.В. Спосіб харчування електротехнічних пристроїв і пристрій для його здійснення. Патент РФ № 2108649 від 11.04.1995 р).
Замість понижувального трансформатора Тесла може бути використаний діод-конденсаторний блок, який використовується в схемах подвоєння напруги і виконаний з двох зустрічно включених діодів, з'єднаних з конденсатором, загальна точка діодів з'єднана з джерелом живлення (Електротехнічний довідник. М., Енергія, т.1, 1971, с.871). При подачі на діод-конденсаторний блок змінної напруги позитивна хвиля змінного реактивного струму йде на одну обкладку конденсатора, а негативна - на іншу обкладку. Конденсатор буде накопичувати заряди, поки напруга на його висновках не досягне позитивної та негативної амплітуди змінної напруги на спільній точці діодів, тоді діоди виявляться замкнутими і заряд конденсатора припиниться. Так працює відома схема випрямляча з подвоєнням напруги.
Недоліком всіх відомих способів і засобів передачі даних електричної енергії є те, що вони не дозволяють забезпечити високоефективну передачу електричної енергії на велику відстань по повітряній лінії в дощову погоду, а й по підземному або підводного кабелю, через втрати високочастотної енергії на опорі лінії і по довжині лінії в навколишньому провідному середовищі.
Завданням запропонованого винаходу є підвищення ефективності, зниження втрат і підвищення надійності передачі електричної енергії по підземному або підводному кабелю.
Зазначений результат досягається тим, що в способі передачі електричної енергії, що включає перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у електричного генератора, передачу електричної енергії по високовольтної лінії і перетворення електричної енергії по напрузі і по частоті у споживача, передачу електричної енергії здійснюють під землею або під водою в резонансному режимі при резонансній частоті 50 Гц - 50 до Гц і напрузі 1-1000 кВ, щільності струму 1-500 А / мм 2 по однопроводніковому електроізольований кабелю.
Для зниження втрат в пристрої для передачі електричної енергії, що містить перетворювач частоти і резонансний контур трансформатора, високовольтну лінію, резонансний контур понижувального трансформатора і навантаження, високовольтну лінію виконують під землею або під водою у вигляді електроізольований однопроводнікового многожильного кабелю довжиною 1-20000 км перетином 0 , 01-1000 см 2, у якого діаметр кабелю в 5-100 разів перевищує діаметр провідника.
В іншому варіанті способу передачі електричної енергії, що включає перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у електричного генератора, передачу електричної енергії по високовольтної лінії і перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у споживача, передачу електричної енергії здійснюють під землею або під водою в резонансному режимі при резонансної частоті 50 Гц - 50 до Гц і напрузі 1-10000 кВ, щільності струму 1-500 А / м по Осесиметрична однопроводніковому волноводу всередині герметичного пустотілого діелектричного циліндричного каналу в атмосфері ізолюючого газу. Для підвищення ефективності способу передачі електричної енергії передачу електричної енергії по хвилеводу здійснюють в атмосфері елегазу при тиску 1-10 кг / см 2.
У ще одному варіанті способу передачі електричної енергії, що включає перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у електричного генератора, передачу електричної енергії по високовольтної лінії і перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у споживача, електричну енергію передають при частоті 50 Гц - 50 кГц і напрузі 1-10000 кВ, щільності струму 1-500 А / см 2 з одиночного електростатично екранованому і електроізольований Осесиметрична однопроводніковому волноводу поверхневої хвилі всередині пустотілого циліндричного екрану і герметичного діелектричного каналу в атмосфері ізольованого газу.
Для підвищення потужності, що передається передачу електричної енергії здійснюють за волноводу в атмосфері елегазу при тиску 1-10 кг / см 2.
У пристрої для передачі електричної енергії, що містить перетворювач частоти і резонансний контур трансформатора, високовольтну лінію, резонансний контур понижувального трансформатора і навантаження високовольтна лінія виконана під землею або під водою у вигляді однопроводнікового хвилеводу довжиною 1-20000 км, перетином 0,01-1000 см 2, встановленого Осесиметрична всередині трубопроводу діаметром 0,02-10 м з діелектричного матеріалу, наприклад зшитого поліетилену або склопластику.
Для підвищення переданого напруги і потужності в пристрої для передачі електричної енергії хвилевід виконаний з електроізольований кабелю з товщиною ізоляції 3-300 мм, а простір між хвилеводом і трубопроводом заповнене електроізолюючим газом під тиском, наприклад елегазом.
У варіанті виконання пристрою для передачі електричної енергії, що містить перетворювач частоти, резонансний контур трансформатора, високовольтну лінію, резонансний контур понижувального трансформатора і навантаження, високовольтна лінія виконана у вигляді однопроводнікового хвилеводу довжиною 1-20000 км, перетином 0,01-1000 см 2, встановленого Осесиметрична всередині трубопроводу діаметром 0,02-10 м з діелектричного матеріалу, і містить електричний екран, виконаний у вигляді безлічі електроізольований один від одного незамкнутих проводять циліндричних оболонок, загальна довжина яких дорівнює довжині хвилеводу, а довжина кожної провідної оболонки становить 1-1000 м . для зниження втрат в пристрої для передачі електричної енергії кожна оболонка електричного екрану з'єднана з землею за допомогою котушки індуктивності.
Спосіб і пристрій для передачі електричної енергії ілюструються креслення, де:
 |
 |
Фиг.1 показана блок-схема способу і пристрою для передачі електричної енергії по однопроводніковому підземному волноводу; на фіг.2 - поперечний переріз однопроводнікового хвилеводу.
 |
 |
 |
Фіг.3 - поперечний переріз підземного однопроводнікового хвилеводу з циліндричної порожнистими діелектричної оболонкою; на фіг.4 - поперечний переріз підземного однопроводнікового хвилеводу з електростатичний екран; на фіг.5 - схема з'єднання електростатичного екрана з котушками індуктивності і ємністю.
На фіг.1 електричний високочастотний генератор 1 створює резонансні коливання в послідовному резонансному контурі 1, що складається з ємності 3 і низьковольтної обмотки 4, високовольтного трансформатора Тесла 5. Один з висновків 6 високовольтної обмотки 7, прилеглої до низьковольтної обмотки, з'єднаний з висновком 8 низьковольтної обмотки 4, а інший висновок 9 високовольтної обмотки приєднаний до підземного однопроводніковому електроізольований волноводу 10. У споживача електричної енергії однопроводніковий волновод 10 з'єднаний з внутрішнім висновком 11 високовольтної обмотки 12 понижуючого високовольтного трансформатора Тесла 13. інший висновок 14 високовольтної обмотки 12 з'єднаний з землею 15. Низьковольтна обмотка 16 трансформатора 13 і ємність 17 утворюють приймальний резонансний контур 18, який з'єднаний з навантаженням 19.
На фіг.2 показано поперечний переріз однопроводнікового хвилеводу 10, встановленого під землею 15 або під водою. Хвилевід складається з металевого многожильного провідника 20, обмотки 21 з електроізоляційного матеріалу, наприклад із зшитого поліетилену. Для зниження втрат струму через опір місткості 22 хвилеводу 10 по відношенню до землі 15, співвідношення діаметра D зовнішньої оболонки хвилеводу 10 і діаметра d металевого многожильного провідника 20 одно D / d = 5-10.
На Фіг.3 показано поперечний переріз однопроводнікового хвилеводу 10, встановленого під землею 15 або під водою, Осесиметрична в пустотілої циліндричній оболонці 23 з електроізоляційного матеріалу, наприклад із зшитого поліетилену або склопластику. Однопроводніковий волновод 10 складається з металевого многожильного провідника 20 і оболонки 21 з електроізоляційного матеріалу. Простір 24 між однопроводніковим волноводом 10 і порожнистими циліндричною оболонкою 23 заповнене електроізолюючим газом, наприклад елегазом, при тиску 1-10 кг / см 2. Хвилевід 10 закріплений в центрі порожнистої циліндричної оболонки 23 за допомогою діелектричних упорів 25.
На фіг.4 показано поперечний переріз однопроводнікового хвилеводу 10, встановленого під землею 15 або під водою Осесиметрична за допомогою діелектричних упорів 25 в пустотілої циліндричній оболонці 23 з електроізоляційного матеріалу. У просторі між хвилеводом 10 і оболонкою 23 встановлені незамкнуті ізольовані один від одного електростатичні екрани 26 з металевого листа або сітки. Екрани закріплені на діелектричних акцентах 25 і мають довжину 1-1000 м. Загальна довжина всіх екранів дорівнює довжині підземної частини хвилеводу 10.
На фіг.5 показана схема з'єднання електростатичних екранів 26 підземного хвилеводу з котушками індуктивності L е, які служать для компенсації ємності екрану Се. Екрани 26 розміщені на зовнішній поверхні додаткової циліндричної оболонки 27 з електроізольований матеріалу, наприклад із зшитого поліетилену або склопластику, і розміщені всередині основної порожнистими діелектричної циліндричної оболонки 23.
Пристрій працює наступним чином.
Генератор 1 виробляє електричний струм підвищеної частоти 50 Гц - 50 кГц. У послідовному резонансному контурі 2 при резонансній частоті 50 Гц - 50 кГц відбувається зростання напруги на індуктивності низьковольтної обмотки 4 трансформатора Тесла 5. Збільшення напруги на обмотці 4 в порівнянні з напругою V o генератора 1 становить QV o, де Q - добротність контуру 2. Це напруга збільшується в n раз в високовольтної обмотці 7 трансформатора Тесла 5, де n - коефіцієнт трансформації. Таким чином, повне напруга U 2 на внутрішньому виведення 9 високовольтної обмотці 7 складе V 2 = 
QU 0 n, де - Коефіцієнт зв'язку обмоток 4 і 7, 0 < <1.
На виведення 6 високовольтної обмотки 7 виникає пучность струму і вузол напруги, і цей висновок 6 з'єднують з висновком 8 низьковольтної обмотки 4. Напруга і струм із зсувом фаз 90 ° з виведення 9 високовольтної обмотки 7 надходять в однопроводніковий волновод 10 і передаються через трансформатор Тесла 13 в резонансний контур 18. Загальна довжина L AB хвилеводу 10 і високовольтних обмоток 7 і 12 двох трансформаторів повинна складати ціле число півхвиль: n · 
/ 2 = L AB, де = 
/ F. Для f = 1 кГц, = 300 км, L Abмін = 150 км. Для зниження ємності в хвилеводі 10 по відношенню до Землі 15 зменшують діаметр d металевого провідника 20 хвилеводу 10 і збільшують діаметр D ізолюючої оболонки 21 хвилеводу 10 до співвідношення D / d = 5-10. Таким чином, передача електричної енергії відбувається між двома резонансними контурами по хвилеводної лінії зв'язку, а роль трансформаторів Тесла 5 і 13 зводиться до створення НЕ симетрії потенціалів на висновках 9 і 11. На поверхні однопроводнікового хвилеводу в зв'язку з наявністю фазового зсуву між хвилями струму і напруги виникають поверхневі заряди, які створюють кулоновие збуджуючі електричні поля, і ці поля призводять до появи кулонових струмів в провіднику. У провіднику виникає потенційна електричне поле, яке забезпечує перенесення зарядів і ток в хвилеводі. Описані процеси мають електростатичну природу і супроводжуються малими втратами в хвилеводі. Поверхневі заряди в однопроводніковом хвилеводі змінюються в часі і створюють в просторі, що оточує провідник, струм зміщення, який замикається струмом в провіднику, які порушуються потенційним електричним полем. Струми зміщення, на відміну від струмів провідності, не супроводжуються виділенням джоулева тепла (Тамм Є.І. Основи теорії електрики. - М .: Наука, 1976, с.133, 397-400. Сотников В.В. Джерела кулонова поля в провідниках і їх вплив на електричний струм. Известия РАН. Енергетика. 2002 р № 7, с.104-111).
Тому щільність струму в однопроводніковом хвилеводі 10 в 10-100 разів перевищує щільність струму в звичайних кабельних лініях і може становити 10-500 А / мм 2. Мінімальний діаметр провідника 20 хвилеводу вибирають з умови механічної міцності рівним 1 мм. Максимальна напруга для хвилеводу на фіг.2 становить 10 6 В, для хвилеводів на фіг.3 і 4 - 10 7 В. Резонансна частота підземної передачі електричної енергії становить 50 Гц - 50 кГц при оптимальній частоті 150-1500 Гц. Максимальна довжина хвилеводу становить 20000 км і обмежена втратами на випромінювання і струмами витоку через ємність провідника 20 хвилеводу 10 по відношенню до Землі. Ці втрати зменшуються зі зменшенням частоти до 150-1500 Гц. Втрати на випромінювання лінії довжиною 20000 км визначається формулою:
де n - число напівхвиль;
I еф - ефективний струм в лінії.
Приймаємо ефективний струм в лінії I еф = 3000 А, напруга U = 10 6 B, потужність Р л = 3000 · 10 6 кВт, частоту f = 0,6 кГц, довжину хвилі = 500 км, число півхвиль на довжині лінії n = 80. Розрахунок за формулою дає Р изл = 2245,4 кВт або в відносних одиницях:
При використанні елегазу при тиску 1-10 кг / см і конструкції хвилеводу 10 згідно фіг.3 і 4 максимальна напруга на хвилеводі складе 10000 кВ. Електростатичне екранування електричного поля хвилеводу 10, згідно фіг.4 дозволять значно знизити вплив Землі 15 або води на втрати енергії. Для зниження ємності екранів 26 та хвилеводу 10 по відношенню до Землі 15, екрани 26 приєднують до Землі 15 за допомогою індуктивності L е. Величину індуктивності L е вибирають з умови:
де С е - ємність екрану 26 по відношенню до Землі, af рез - резонансна частота.
Розглянутий спосіб і пристрій розроблений таким чином дозволяють передавати в максимумі тераваттние потоки електричної потужності між континентами Землі, а й знизити залежність електропостачання від погодних умов.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Спосіб передачі електричної енергії, що включає перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у електричного генератора, передачу електричної енергії по високовольтної лінії і перетворення електричної енергії по напрузі і по частоті у споживача, що відрізняється тим, що передачу електричної енергії здійснюють під землею або під водою в резонансному режимі при резонансній частоті 50 Гц - 50 кГц і напрузі 1-1000 кВ, щільності струму 1-500 А / мм по однопроводніковому електроізольований кабелю.
2. Спосіб передачі електричної енергії, що включає перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у електричного генератора, передачу електричної енергії по високовольтної лінії і перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у споживача, що відрізняється тим, що передачу електричної енергії здійснюють під землею або під водою в резонансному режимі при резонансній частоті 50 Гц - 50 кГц і напрузі 1-1000 кВ, щільності струму 1-500 А / мм 2 з одиночного електроізольований Осесиметрична і однопроводніковому волноводу всередині герметичного пустотілого діелектричного циліндричного каналу в атмосфері ізольованого газу.
3. Спосіб передачі електричної енергії по п.2, що відрізняється тим, що передачу електричної енергії по хвилеводу здійснюють в атмосфері елегазу при тиску 1-10 кг / см 2.
4. Спосіб передачі електричної енергії, що включає перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у електричного генератора, передачу електричної енергії по високовольтної лінії і перетворення електричної енергії по напрузі і частоті у споживача, що відрізняється тим, що електричну енергію передають при частоті 50 Гц - 50 кГц і напрузі 1-10000 кВ, щільності струму 1-500 А / мм 2 з одиночного електростатично екранованому і електроізольований Осесиметрична однопроводніковому волноводу поверхневої хвилі всередині пустотілого циліндричного екрану і герметичного діелектричного каналу в атмосфері ізольованого газу.
5. Пристрій для передачі електричної енергії, що містить перетворювач частоти і резонансний контур трансформатора, високовольтну лінію, резонансний контур понижувального трансформатора і навантаження, яке відрізняється тим, що високовольтна лінія виконана під землею або під водою у вигляді електроізольований однопроводнікового многожильного кабелю довжиною 1-20000 км , перетином 0,01-1000 см 2, у якого діаметр кабелю в 5-100 разів перевищує діаметр провідника.
6. Пристрій для передачі електричної енергії по п.5, що відрізняється тим, що хвилевід виконаний з електроізольований кабелю з товщиною ізоляції 3-300 мм.
7. Пристрій для передачі електричної енергії, що містить перетворювач частоти і резонансний контур трансформатора, високовольтну лінію, резонансний контур понижувального трансформатора і навантаження, яке відрізняється тим, що високовольтна лінія виконана під землею або під водою у вигляді однопроводнікового хвилеводу довжиною 1-20000 км, перетином 0,01-1000 см 2, встановленого Осесиметрична всередині трубопроводу діаметром 0,02-10 м з діелектричного матеріалу, наприклад поліетилену або склопластику.
8. Пристрій для передачі електричної енергії по п.7, що відрізняється тим, що хвилевід виконаний з електроізольований кабелю з товщиною ізоляції 3-300 мм.
9. Пристрій для передачі електричної енергії по п.7, що відрізняється тим, що простір між хвилеводом і трубопроводом заповнене електроізолюючим газом під тиском, наприклад елегазом.
10. Пристрій для передачі електричної енергії, що містить перетворювач частоти, резонансний контур трансформатора, високовольтну лінію, резонансний контур понижувального трансформатора і навантаження, яке відрізняється тим, що високовольтна лінія виконана у вигляді однопроводнікового хвилеводу довжиною 1-20000 км, перетином 0,01-1000 см, встановленого Осесиметрична всередині трубопроводу діаметром 0,02-10 м з діелектричного матеріалу і містить електричний екран, виконаний у вигляді безлічі електроізольований один від одного незамкнутих проводять циліндричних оболонок, загальна довжина яких дорівнює довжині хвилеводу, а довжина проводять оболонок становить 1-1000 м .
11. Пристрій для передачі електричної енергії по п.10, що відрізняється тим, що кожна оболонка електричного екрану з'єднана з землею за допомогою котушки індуктивності.
Версія для друку
Дата публікації 17.02.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.