Основная идея и электрические схемы по передаче электроэнергии одним проводом

Работы ВИЭСХ теоретически и экспериментально показали, что однопроводная линия с высокочастотным резонансным трансформатором Тесла в начале линии может передавать электроэнергию на любой, в том числе и на нулевой частоте, т. е. на выпрямленном токе. Поэтому можно утверждать, что однопроводные резонансные системы открывают большие возможности для создания сверхдальних кабельных линий электропередачи и в перспективе — замены ими существующих воздушных линий, что значительно повысило бы надежность электроснабжения, удешевило сети, освободило большие площади земли и леса, стало безопасными для людей, животных, птиц и др.

Приведем конкретные электрические схемы, разработанные ВИЭСХ и реализующие идеи Тесла.

На рис. 12.1 представлена типовая блок-схема системы, иллюстрирующая основную идею передачи электроэнергии одним проводом. Она работает так. На вход подается трехфазное напряжение сети 380 / 200 В частотой 50 или 60 Гц. Оно преобразуется преобразователем напряжения и частоты ПНиЧ1 (такие преобразователи в электронике называются преобразователями частоты ПЧ. Поэтому в дальнейшем будут использоваться термины ПЧ или вместо них — генераторы) в однофазное напряжение частотой от единиц до 100 кГц и подается в головной повышающий резонансный трансформатор Тесла 1, который повышает его от единиц до 500 кВ и подает в однопроводную линию, вдоль которой передается в виде волны напряжения в приемный понижающий резонансный трансформатор Тесла 3. Последний подает пониженное напряжение на преобразователь напряжения и частоты ППиЧ2, который преобразует его в трехфазное переменное напряжение 380 / 220 В частотой 50 или 60 Гц.

Рис. 12.1.

Система «высоковольтная обмотка повышающего трансформатора — линия передачи — высоковольтная обмотка понижающего трансформатора» представляет собой разорванную длинную линию (см. гл. 11), где имеет место стоячая волна с узлами напряжения на началах вторичных обмоток трансформаторов и переменной амплитудой пучностей напряжений между ними, если длина системы будет равна или кратна половине длины волны напряжения. Поэтому реактивная энергия, содержащаяся в этой волне, передается на вторичную обмотку понижающего трансформатора и через ПНиЧ2 на выход к нагрузке.

Из приведенного обратим внимание на некоторые вещи:

• а) на началах вторичных обмоток высоковольтных трансформаторов потенциалы равны нулю. Поэтому их можно заземлять, как показано на рис. 12.2, что будет безопаснее для обслуживающего персонала и оборудования;
• б) начало вторичной обмотки повышающего трансформатора можно заземлить, а начало первичной и вторичной обмоток понижающего трансформатора можно объединить (рис. 12.3);
• в) начала низковольтных и высоковольтных обмоток трансформаторов можно объединять, поскольку их потенциалы равны нулю (рис. 12.4).

Рис. 12.2

Рис. 12.3.

Рис. 12.4.

На приведенных схемах видно, что системы электропередачи одним проводом могут питаться как однофазным, так и трехфазным напряжениями, а заканчиваться выпрямителями, инверторами И и нагрузками Н.

Из рис. 12.2 у читателя может создаться впечатление, что в схеме использована не однопроводная, а двухпроводная линия, в которой в качестве второго провода используется Земля. Это ошибочное представление. Земля здесь, как и в радиотехнике, играет двоякую роль: она обеспечивает началам обмоток резонансных трансформаторов (в радиотехнике — антеннам) нулевые потенциалы (узлы напряжений), между которыми не могут протекать токи, поскольку ср_1з — ср_2з = 0 — 0 = 0, а также служит для предохранения установки от разрядов атмосферного электричества. У многих сложилось мнение, что антенны «притягивают» молнии к себе. Это тоже ошибочное представление. Молнии (соединение облаков с противоположными зарядами или с Землей) проскакивают по наибольшей проводимости атмосферного воздуха, независимо от антенн.

Более того, как в радиотехнике, так и в обсуждаемых системах вместо заземлений могут применяться так называемые противовесы (на рис. 12.4 — элемент 4) — провода, подвешиваемые под антеннами (началами высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов) в мобильных системах. Ими пользуются на передвижных установках, самолетах и т. п. На морских и речных судах в качестве «земли» служит вода.

Схем электроснабжения по резонансному методу передачи электроэнергии с использованием лишь одного провода или другой проводящей среды (Земля, вода и др.), разработанных Н. Тесла и особенно сотрудниками ВИЭСХ, множество. Некоторые из них приведены выше. Приведем еще одну с характерными особенностями и конкретными данными, а позже и другие — специфичные.

На рис. 12.5 изображена блок-схема конкретной системы электроснабжения потребителя. У нее несколько особенностей: резонансный трансформатор питается от генератора переменного тока с выходной частотой / = 5 кГц и низким напряжением (номинальное напряжение генератора); начало выходной обмотки трансформатора заземлено, где имеют место узел напряжения U и пучность тока /; резонансный трансформатор повышает подаваемое в линию напряжение до нескольких десятков киловольт; в линию включен диодно-конденсаторный блок, который выпрямляет положительные и отрицательные полуволны напряжения «верхним» и «нижним» диодами соответственно и передает энергию в накопительный конденсатор С. Система заканчивается ключом К и нагрузкой. Размеры линии указаны на рис. 12.5: длина линии / = 15 км, где, согласно выражению (11−1) длина волны X = v / f — 300 000 / 5000 = 60 км. Такая линия называется четвертьволновой, поскольку 1-Х / 4. Чтобы в дальнейшем нс повторяться, укажем, что вес линии в обсуждаемой системе электропередачи делаются кратными четверти волны, г. е. / = (2п + 1) Л / 4, где п = 0, 1, 2, 3,…

Рис. 125.

Система, показанная на рис. 12.5, работает следующим образом. Генератор подает на резонансный трансформатор электроэнергию, которая распространяется вдоль линии до диодно-конденсаторного блока. Далее, если ключ К разомкнут, в линии образуется стоячая волна напряжения, амплитуда пучности которой приходится на X / 4 длины волны. Если же К замкнут на активную нагрузку г, то вдоль линии распространяется бегущая волна от источника, которая поглощается нагрузкой.