Разработка резонансной системы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей малой мощности

Электрические сети России составляют более 3,1 млн. км линий электропередач 0,38 — 220 кВ, включая около 300,0 тыс. км воздушных линии (BJI) напряжением 35 — 220 кВ, примерно 700 тыс. трансформаторных подстанций 6 — 35/0,4 кВ. По сельской местности проходит ~ 2,1 млн. BJI различных классов напряжения. В эксплуатации находятся ~ 470 ТП. Электрические сети построены в основном в 50 — 70-е годы прошлого столетия. Требуется замена ~ 40% линий электропередач и трансформаторных подстанций [1].

Потери электроэнергии в электрических сетях за последние 15 лет возросли на 20 — 25%, продолжительность перерывов в электроснабжении сельских объектов возросла до 75 ч в год [2].

Хищения (безучётное потребление) электроэнергии распределяются следующим образом: промышленность -6%, сельское хозяйство -16%, общественный сектор -27%, население -51% [3].

В 1998 году в 19 областях Центральной России снято 250 тыс. км провода с BJI, похищено оборудование на многих подстанциях, выведены из строя тысячи сельских трансформаторных пунктов [4].

Вопросы электроснабжения сельских территорий должны решаться на более высоком техническом уровне с использованием новых принципов построения сетей и технических решений. Электроснабжение должно быть надежным, приемлемым по стоимости и экологически безопасным.

Система электроснабжения в сельском хозяйстве была сформирована в 60 годы 20 века. 70% территории страны, где проживает ~15% населения, не имеет централизованного снабжения электрической энергией из-за высокой стоимости строительства и эксплуатации линий электропередач [5]. Значительно повышает затраты на строительство и создание централизованных систем электроснабжения вырубка просек в лесных районах и постоянное поддерживание линий электропередач в процессе их эксплуатации, необходимость повышения механической устойчивости линии согласно требованиям ПУЭ 7-го издания, а также строительство электрических сетевых объектов в экстремальных климатических условиях. Электрическая энергия вырабатывается в отдалённых районах в основном, дизельными электрическими станциями (ДЭС), топливо к которым завозят танкерами, а в чрезвычайных условиях вертолётами, как, например, в Корякском автономном округе.

Создание автономных электроэнергетических систем, работающих на возобновляемой энергии, в этих районах требует также значительных затрат.

Для электроснабжения удалённых сельскохозяйственных потребителей от централизованных систем электроснабжения разработана в ВИ-ЭСХе резонансная система передачи электрической энергии по однопро-водниковой воздушной или кабельной линии [6].

Настоящая работа выполнена в соответствии с общими положениями Федерального Закона «Об электроэнергетике» от 26 марта 2003 года № 35ФЭ, а также в соответствии с заданием Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001;2005 годы. Россельхозакадемии по «Созданию техники и энергетики нового поколения и формирование эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса», с «Концепцией развития электрификации сельского хозяйства» до 2010 года (принятой в 2001 году Минсельхозом РФ и Россельхозакадемией), с «Основными направлениями развития распределительных электрических сетей на период до 2015 года» (ОАО «ФСК ЕЭС») [1].

Проблемы экологической безопасности и надежности электроснабжения с учётом возрастающей стоимости земельных участков могут решаться при переходе от воздушных к кабельным линиям электропередачи. Однако кабельные линии передачи электроэнергии на большие расстояния возможны только на постоянном токе.

Поэтому весьма актуальной является проблема повышения эффективности передачи и распределения электроэнергии, особенно в сельской местности для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, отличающихся значительной протяжённостью.

В качестве одного из эффективных средств снабжения электроэнергией сельскохозяйственных потребителей может рассматриваться резонансная система передачи и распределения электроэнергии, предложенная в работах Н. Тесла [7,8].

Цель диссертационной работы состоит в разработке основных элементов резонансной системы передачи электроэнергии сельскохозяйственным потребителям при соответствующем качестве электроэнергии и заданном уровне надёжности электроснабжения, которая обеспечит снижение потерь электроэнергии в линиях, расхода цветных металлов и стоимости электрооборудования при строительстве электрических сетей.

Задачи исследования:

— анализ состояния и проблем развития систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей;

— обоснование возможности использования резонансного метода для передачи электрической энергии;

— разработка схем и основных технических решений для резонансной системы передачи электрической энергии;

— разработка аналитических методов и методик расчёта параметров и режимов работы резонансной системы;

— разработка и экспериментальное исследование элементов электрооборудования резонансной системы;

— определение основных условий и технико-экономические показателей применения резонансной системы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Методика исследования основана на использовании теоретических основ электротехники, методов расчёта резонансных контуров, теории электромагнитного поля, техники высоких напряжений, техники передачи электрической энергии в электрических сетях.

Впервые теоретически разработаны и экспериментально подтверждены новые технические решения для передачи электрической энергии по однопроводниковой линии с использованием резонансного режима.

Разработаны инженерные методы расчёта резонансной электрической линии для передачи электрической энергии (мощности) и разработана, создана и испытана экспериментальная установка однопроводниковой линии для передачи электрической энергии напряжением 10 кВ, мощностью 20 кВт. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 20 031 033 618/09 (3 804) от 07.02.2003 г. выдан 17 марта 2005 г.

Реализация принципов передачи электроэнергии по однопроводниковой линии обеспечит:

Научно-технические разработки, инженерные расчёты и результаты испытаний практически использованы:

— в ООО «Сургутгазпром» при создании комплекта оборудования для передачи электрической энергии по однопроводниковой линии станции катодной защиты и водозаборных сооружений КС-5 Южно-Балыкского ЛПУ МГ мощностью 20 кВт, напряжением 10 кВ;

— в РФЯЦ-ВНИИЭФ при разработке и проведении испытаний экспериментального образца однопроводной энергетической системы для передачи информации (договор от 21.06.2002 № 3834К);

— в ООО «Новатранс-Техника» при проработке схемы электропитания троллейбуса по однопроводной контактной сети.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах и доложены на 2-й Международной научно-технической конференции (3−5 октября 2000 года, МоскваВИЭСХ) «Энергосбережение в сельском хозяйстве», на 3-й Международной научно-технической конференции (14−15 мая 2003 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ), на 4-й Международной научно-технической конференции (12−13 мая 2004 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ) и на 3-й научно-практической конференции (16−18 июня 2004 года, Москва, ГНУ ВИМ), на 5-й Международной научно-технической конференции (16−17 мая 2003 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ). Действующий макетный образец получил Золотую медаль на международной выставке «Энергетика будущего». Получен патент РФ.

Выводы по главе 4.

1. Экспериментально установлено, что свободные концы высоковольтных обмоток трансформаторов имеют нулевой потенциал по отношению к Земле и их соединение с Землёй не изменяет резонансные характеристики линии и её электрических параметры. Однопроводниковая PC ведёт себя как волновод, в котором заземление участков с узлами волны напряжения не влияет на распределение потенциалов, и токов и параметров нагрузки.

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

2. Экспериментально подтверждена возможность передачи электрической энергии от солнечной батареи мощностью 100 Вт в резонансном режиме по однопроводной линии.

3. Рассмотрены основные области применения PC:

— Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей с помощью воздушных и кабельных однопроводниковых линий.

— Передача электрической энергии на мобильные объекты.

4. Расчеты экономической эффективности показывают быструю генери-руемость поступлений прибыли и выгодность для всех потенциальных участников, как для создателей данной технологии, для инвесторов и кредиторов так и государству.

Рентабельность строительства резонансных кабельных линий протяженностью в 20 км составляет 111% (резонансных воздушных линий -10%).

Точка безубыточности при строительстве резонансных кабельных линий протяженностью в 20 км равняется 7 км (резонансных воздушных линий -15,2 км.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Произведён анализ современного состояния электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, в результате которого установлено, что электрические сети не соответствуют требованиям эксплуатационных показателей.

Установлено, что использование технологий возобновляемой энергетики при существующей высокой стоимости, способствует частичному решению проблем энергообеспечения удалённых регионов.

Линии электропередач переменного и постоянного тока, не могут обеспечить электроснабжение удалённых районов, где проживает более 10% жителей России, из-за технической сложности их сооружения и дороговизны, поэтому проблема разработки новых методов и устройств электроснабжения сельскохозяйственных потребителей малой мощности является актуальной.

2. Разработаны электрические схемы двух типов PC: с двумя ВЧ трансформаторами и с ВЧ трансформатором на входе PC и диодно-конденсаторным блоком на конце линии у потребителя. Преимущество первого типа PC заключается в возможности использования высокого напряжения в линии и низкого напряжения на нагрузке. Преимущество второго типа PC заключается в простоте настройки и эксплуатации в связи с отсутствием резонансного контура на выходе PC, однако, для второго типа PC требуется высоковольтный инвертор.

3. Разработан метод расчёта компонентов PC: передающего резонансного контура с повышающим ВЧ трансформатором, однопроводниковой линии, приёмного резонансного контура с понижающим ВЧ трансформатором. Разработан метод настройки резонансных контуров PC с учётом взаимной индукции обмоток ВЧ трансформаторов. Измерения параметров изготовленных контуров, подтвердили соответствие с расчётными данными. Показано, что потери на излучение при частоте 1 кГц не превышают 8,6% передаваемой мощности при длине линии до 9000 км.

4. Разработаны и изготовлены резонансные ВЧ трансформаторы, которые характеризуются почти в 2 раза меньшими затратами материалов по сравнению с существующими трансформаторами 50 Гц той же мощности.

5. Разработанные Программа и методика исследований и используемые измерительные средства позволяют провести в требуемом объеме необходимые измерения и сделать количественную и качественную оценку электрических параметров комплекта оборудования РС-20.

Результаты исследований показали, что комплект оборудования PC -20 позволяет передавать электрическую мощность 20,5 кВт, при напряжении на линии 6,8 кВ и частоте 3,4 кГц. Экспериментально подтверждено, свойство однопроводной линии передавать электрическую энергию без существенных джоулевых потерь на сопротивлении линии. Предельная электрическая плотность тока и предельная удельная электрическая мощность на 1 мм² площади сечения проводника линии PC превышают параметры линий переменного и постоянного тока.

6. Экспериментально установлено, что свободные концы высоковольтных обмоток трансформаторов имеют нулевой потенциал по отношению к Земле и их соединение с Землёй не изменяет резонансные характеристики линии, и её электрических параметры. Однопроводная PC ведёт себя как волновод, в котором заземление участков с узлами волны напряжения не влияет на распределение потенциалов и токов и параметров нагрузки.

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

7. Рассмотрены основные области применения PC: Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей с помощью воздушных и кабельных однопроводных линий, передача электрической энергии на мобильные объекты.

Экспериментально подтверждена возможность передачи электрической энергии от солнечной батареи мощностью 100 Вт в резонансном режиме по однопроводной линии.

8. Расчеты экономической эффективности показывают быструю генери-руемость поступлений прибыли и выгодность для всех потенциальных участников, как для создателей данной технологии, для инвесторов и кредиторов, так и государству.

Рентабельность строительства резонансных кабельных линий протяженностью в 20 км составляет 111% (резонансных воздушных линий -10%).

Точка безубыточности при строительстве резонансных кабельных линий протяженностью в 20 км равняется 7 км (резонансных воздушных линий -15,2 км).