RU100686U1

RU100686U1 - ELECTRIC POWER TRANSMISSION DEVICE

Info

Publication number: RU100686U1
Application number: RU2008126381/22U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Семенович Стребков; Олег Алексеевич Рощин; Леонид Юрьевич Юферев
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-12-20

Abstract

Устройство для передачи электрической энергии, включающее преобразователь электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора и потребителя и высоковольтную кабельную линию, выполненную в виде однопроводникового волновода с толщиной изоляции 3-300 мм, установленного осесимметрично внутри трубопровода из диэлектрического материала, пространство между волноводной линией и трубопроводом заполнено изолирующим веществом с фазовым переходом, например парафином. A device for transmitting electric energy, including a voltage and frequency converter of electric energy from an electric generator and consumer and a high-voltage cable line made in the form of a single-conductor waveguide with an insulation thickness of 3-300 mm, mounted axisymmetrically inside the pipeline of dielectric material, the space between the waveguide line and the pipeline is filled with an insulating substance with a phase transition, for example paraffin.

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу и устройству для передачи электрической энергии.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to a method and apparatus for transmitting electrical energy.

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.A device for transmitting electricity through a cable line using solid, gaseous or liquid media as an insulation, a hermetic enclosure, oil-filled cable lines 110-500 kV are widely used in power supply systems. Insulated cable cores are placed in steel pipes and filled with oil under a pressure of 1.5 MPa.

Наличие в кабеле металлической оболочки ограничивает распространение электромагнитных волн в ограниченном пространстве между токоведущими элементами и оболочкой.The presence of a metal sheath in the cable limits the propagation of electromagnetic waves in a limited space between live elements and the sheath.

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.The consequence of this is significantly lower values of wave impedance and an increase in capacitive conductivity compared with the high-voltage, air line. For 35-220 kV cable lines, the charging power increases by 8-50 times compared with the overhead line, which limits the maximum length of AC cable lines to 25 km. Excessive reactive power requires the use of shunt reactors.

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).The presence of a protective shell worsens the conditions of heat removal from the current-carrying element of the cable and reduces the value of the transmitted power by 1.4-1.7 times in comparison with the air line at the same voltage and cross section. The cost of oil-filled cables is 10 times the cost of overhead power lines of the same power and length. Electrical Reference TK. Ed. MPEI, M., 2002. Cable power lines, p. 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.The closest in technical essence to the present invention is a method of powering electrical devices using an alternating voltage generator connected to a consumer, in which the voltage of the generator is supplied to the low voltage winding of the high-frequency transformer converter, and one of the terminals of the high-voltage winding is connected to one of the input terminals of the electrical device, in this case, by changing the frequency of the generator, resonance oscillations in the formed elec trotehnicheskoy chain.

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.).A device that implements this method is a variable voltage source with an adjustable frequency, a high-frequency transformer, one output of the high-voltage section of which is isolated, and the second is designed to supply energy to the consumer (S. Avramenko. Power supply method for electrical devices and a device for its implementation. Patent RF №2108649 dated 04/11/1995).

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.Instead of a Tesla step-down transformer, a diode-capacitor unit can be used, which is used in voltage doubling circuits and is made of two counterclockwise diodes connected to a capacitor, the common point of the diodes is connected to a power source (Electrical Manual. M., Energy, vol. 1, 1971, p. 871). When an alternating voltage is applied to the diode-capacitor unit, the positive wave of the alternating reactive current goes to one capacitor plate, and the negative wave goes to the other plate. The capacitor will accumulate charges until the voltage at its terminals reaches the positive and negative amplitude of the alternating voltage at the common point of the diodes, then the diodes will be locked and the capacitor charge will stop. This is how the known rectifier circuit with voltage doubling works.

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 см², установленного осе симметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала, например сшитого полиэтилена или стеклопластика.The closest in technical essence to the present invention is a device for transmitting electrical energy, comprising a frequency converter and a resonant circuit of a step-up transformer, a high voltage line, a resonant circuit of a step-down transformer and a load, the high-voltage line is made underground or under water in the form of a single-conductor waveguide with a length of 1-20000 km, with a cross-section of 0.01-1000 cm ² installed axially symmetrically inside a pipeline with a diameter of 0.02-10 m of dielectric material, for example cross-linked polyethylene or fiberglass.

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.To increase the transmitted voltage and power in the device for transmitting electric energy, the waveguide is made of an electrically insulated cable with an insulation thickness of 3-300 mm, and the space between the waveguide and the pipeline is filled with electrically insulating gas under pressure, such as SF6 gas.

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 см², 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.In an embodiment of a device for transmitting electrical energy comprising a frequency converter, a resonant circuit of a step-up transformer, a high voltage line, a resonant circuit of a step-down transformer and a load, the high-voltage line is made in the form of a single-conductor waveguide with a length of 1-20000 km, a cross-section of 0.01-1000 cm ² , installed axis symmetrically inside the pipeline with a diameter of 0.02-10 m of dielectric material, and contains an electric screen made in the form of a plurality of electrically insulated from each other closed conductor cylindrical shells, the total length of which is equal to the length of the waveguide, and the length of each conductive sheath is 1-1000 m. To reduce losses in the device for transmitting electric energy, each sheath of the electric shield is connected to the ground using an inductor.

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.The disadvantage of all known devices for the transmission of electrical energy is that they do not allow for highly efficient transmission of electrical energy over a long distance through an underground or submarine cable due to the loss of high-frequency energy on the resistance of the line and along the length of the line in the surrounding conductive medium.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности, снижение потерь и повышение надежности передачи электрической энергии по подземному или подводному кабелю.The objective of the invention is to increase efficiency, reduce losses and increase the reliability of the transmission of electrical energy through an underground or underwater cable.

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.This result is achieved by the fact that in the device for transmitting electrical energy including an electric energy converter, in voltage and frequency of the electric generator and consumer, and a high-voltage cable line made in the form of a single-conductor waveguide mounted axisymmetrically inside a pipeline of dielectric material with an insulation thickness of 3- 300 mm The space between the waveguide line and the pipeline is filled with an insulating substance with a phase transition, for example, paraffin.

Устройство для передачи электрической энергии иллюстрируется фиг 1, на котором показано поперечное сечение, однопроводниковой волноводной кабельной линии.A device for transmitting electrical energy is illustrated in FIG. 1, which shows a cross section of a single-conductor waveguide cable line.

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.A single-conductor waveguide line consists of a metal single-core or stranded conductor 1, an insulating material 2, a paraffin filler 3, an external insulation, for example, cross-linked polyethylene 4 and a shielding sheath 5 or without it, spacers 6 are used to fix the conductor 1 inside the cable, for example, from fluoroplastic installed along the cable at a distance of 2-10 cable diameters.

Парафин - неполярное воскообразное вещество. Получают его разгонкой и вымораживанием из соответствующей фракции дистиллята парафинистой нефти. Удельное сопротивление парафина более 10¹⁶ Ом * см, у сшитого полиэтилена 10¹⁵ 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.Paraffin is a non-polar waxy substance. Get it by distillation and freezing from the corresponding fraction of paraffin oil distillate. The specific resistance of paraffin is more than 10 ¹⁶ Ohm * cm, for crosslinked polyethylene 10 ¹⁵ Ohm * cm, breakdown voltage of paraffin 25 ... 40 kV / mm, for crosslinked polyethylene 45 ... 55 kV / mm, breakdown voltage of SF6 at a pressure of 0.3 MPa 20 kV / mm, the dielectric loss tangent of paraffin is 0.0003 ... 0.0007, for comparison, for cross-linked polyethylene is 0.001, this allows the use of a cable at higher frequencies, the dielectric constant of paraffin is 1.9-2.2, for cross-linked polyethylene 2.4, it also reduces capacity cable and charging currents.

Однопроводниковая волноводная линия диаметром 100 мм (R₂=50 мм), с проводниковой жилой диаметром 2 мм (R₁=1 мм), длиной L=25 км с парафиновым наполнителем будет иметь пробивное напряжение:A single-conductor waveguide line with a diameter of 100 mm (R ₂ = 50 mm), with a conductor core with a diameter of 2 mm (R ₁ = 1 mm), a length of L = 25 km with a paraffin filler will have a breakdown voltage:

Где U_пр1мм - пробивное напряжение на 1 мм.Where U _pr1mm - breakdown voltage per 1 mm.

Емкость такой линии:The capacity of such a line:

где ε=2 диэлектрическая проницаемость парафина.where ε = 2 is the dielectric constant of paraffin.

Проводимость изоляции:Insulation conductivity:

Сопротивление изоляции:Insulation resistance:

где γ=10^-13 Сим/м. - проводимость парафинаwhere γ = 10 ^-13 Sim / m. - paraffin conductivity

Claims

A device for transmitting electric energy, including a voltage and frequency converter of electric energy from an electric generator and consumer and a high-voltage cable line made in the form of a single-conductor waveguide with an insulation thickness of 3-300 mm, mounted axisymmetrically inside the pipeline of dielectric material, the space between the waveguide line and the pipeline is filled with an insulating substance with a phase transition, for example paraffin.