RU2736579C1

RU2736579C1 - Method of transmitting electricity with direct current through a multi-wire power line and a device for its implementation

Info

Publication number: RU2736579C1
Application number: RU2020123345A
Authority: RU
Inventors: Ярослав Элиевич Шклярский; Алексей Игоревич Барданов; Алиса Александровна Выдрова
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2020-11-18

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electric engineering, in particular, to the DC power supply systems. During power transmission three or more wires are simultaneously used, at least at least one wire is connected to one of power supply poles, which operates in overcurrent mode, wherein at least two wires are connected to another pole of power supply, which operates in partial current loading mode, wires are switched so that for period of time, duration of which is not less than three time constants of transient process of charging smoothing capacitor, each of power transmission line wires is in current overload mode equal to share of period.

EFFECT: technical result consists in improvement of long-term permissible current and transmission capacity of multi-wire power transmission line.

2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к системам электроснабжения сетей постоянного тока. Способ может быть использован в системах электроснабжения для повышения длительно допустимого тока и пропускной способности многопроводных линий электропередачи постоянного тока.The invention relates to electrical engineering and power engineering, namely to power supply systems for direct current networks. The method can be used in power supply systems to increase the long-term allowable current and throughput of multi-wire DC power lines.

Известен способ передачи электрической энергии в трехфазной системе на расстояние (патент RU № 2307438, опубликован 27.09.2007), заключающийся в том, что напряжение в одной из фаз трехфазной системы сдвигается на треть периода, а другой фазе на две трети периода с помощью специальных линий задержки, состоящих из однофазных коаксиальных проводов в трубе из магнитомягкого материала, что позволяет регулировать время задержки с помощью внешнего магнитного поля или путем изменения конфигурации трубы, таким образом, разность фаз между отдельными проводами линии становится равной нулю, затем напряжение передается по коаксиальному трехпроводному кабелю на требуемое расстояние, затем, после обратного преобразования двумя линиями задержки, подается на клеммы потребителей, этим достигается уменьшение полосы отчуждения вокруг линии электропередачи и снижение потерь на коронарное излучение за счет прокладывания трех проводов в коаксиальном кабеле.There is a known method of transferring electrical energy in a three-phase system over a distance (patent RU No. 2307438, published on September 27, 2007), which consists in the fact that the voltage in one of the phases of a three-phase system is shifted by a third of the period, and the other phase by two thirds of a period using special lines delays consisting of single-phase coaxial wires in a pipe made of soft magnetic material, which allows you to adjust the delay time using an external magnetic field or by changing the configuration of the pipe, thus, the phase difference between the individual wires of the line becomes zero, then the voltage is transmitted through the coaxial three-wire cable to the required distance, then, after the reverse conversion by two delay lines, is fed to the consumer terminals, thereby reducing the right-of-way around the power line and reducing corona radiation losses by laying three wires in a coaxial cable.

Основным недостатком является необходимость точного сдвига трехфазного напряжения по фазам, так как возникновение малейшей разности фаз, приведет к возникновению разности потенциалов между проводами и возможному повреждению линии электропередачи в следствие короткого замыкания, еще одним существенным недостатком можно считать необходимость использования специального трехпроводного коаксиального кабеля, также следует отметить, что длительно допустимый ток, а следовательно и пропускная способность при таком способе передачи электроэнергии ограничен действующим значением переменного тока.The main disadvantage is the need for an accurate phase shift of the three-phase voltage, since the appearance of the slightest phase difference will lead to a potential difference between the wires and possible damage to the power line as a result of a short circuit, another significant disadvantage can be considered the need to use a special three-wire coaxial cable, it should also note that the long-term permissible current, and hence the throughput with this method of power transmission, is limited by the effective value of the alternating current.

Известны способ и устройство для передачи электрической энергии (варианты) (патент RU № 2474031, опубликован 27.01.2013), согласно которому электроэнергия передается конечному потребителю переменным по однопроводной линии электропередачи переменным током через выпрямитель и инвертор на частоте такой, чтобы в подключенном далее LC контуре, индуктивным элементом в котором является первичная обмотка трансформатора, создавался резонанс напряжений, что позволило бы значительно повысить напряжение на индуктивном элементе и, следовательно, на вторичной обмотке трансформатора, чем достигается снижение потерь в линии и повышение ее пропускной способности.There is a known method and device for the transmission of electrical energy (options) (patent RU No. 2474031, published on 01/27/2013), according to which electricity is transmitted to the end consumer by alternating current over a single-wire power line through a rectifier and an inverter at a frequency such that in the further connected LC circuit , the inductive element in which is the primary winding of the transformer, a voltage resonance was created, which would significantly increase the voltage on the inductive element and, consequently, on the secondary winding of the transformer, thereby reducing losses in the line and increasing its throughput.

Основным недостатком способа является необходимость прохождения обратного тока через толщу земли, что ведет к возникновению блуждающих токов, приводящих к порче металлоконструкций, частично или полностью помещенных в землю, также к числу недостатков можно отнести то, что передача электроэнергии осуществляется всего по одному проводу, при обрыве которого передача электроэнергии прекращается и то, что пропускная способность линии электропередачи ограничена длительно допустимым током провода.The main disadvantage of this method is the need for a reverse current to pass through the thickness of the earth, which leads to the appearance of stray currents leading to damage to metal structures, partially or completely placed in the ground, and the disadvantages include the fact that the transmission of electricity is carried out only through one wire, in case of a break which the transmission of electricity is interrupted and the fact that the transmission capacity of the transmission line is limited by the long-term permissible current of the wire.

Известен способ и устройство управления гибридной системой передачи постоянного тока (патент RU № 2693530, опубликован 03.07.2019), заключающийся в том, что электроэнергия от источника передается постоянным током по двухпроводной линии постоянного тока нагрузке, так, что на конце линии формируется неизменная разность потенциалов, которая, преобразуется в трехфазное переменное напряжение посредством сетевого инвертора, при этом на передающей подстанции установлено выпрямительное устройство, включающее несколько независимых подмодулей, позволяющих регулировать величину напряжения на нагрузке путем переключения числа подмодулей.There is a known method and device for controlling a hybrid DC transmission system (patent RU No. 2693530, published on 03.07.2019), which consists in the fact that electricity from a source is transmitted by direct current through a two-wire DC line to the load, so that a constant potential difference is formed at the end of the line , which is converted into a three-phase alternating voltage by means of a network inverter, while a rectifier device is installed at the transmitting substation, which includes several independent submodules that allow regulating the voltage across the load by switching the number of submodules.

Основным недостатком данного способа является ограничение пропускной способности линии электропередачи длительно допустимым током проводов.The main disadvantage of this method is the limitation of the transmission line throughput by the long-term permissible current of the wires.

Известны способ и трехпроводная система электроснабжения постоянного тока (варианты) (патент RU № 2658675, опубликован 22.06.2018), принятый за прототип способа, заключающийся в том, что электроэнергия передается потребителю постоянным током от двух независимых источников постоянного напряжения по трем проводам. Один из проводов подключен к положительному полюсу одного из источников, а второй к отрицательному полюсу другого источника. При этом источники соединены последовательно, так, чтобы свободный положительный полюс одного из источников, подключался к свободному отрицательному полюсу другого источника, а последний провод, называемый общим, также присоединялся к этой точке. Нагрузка подключается между положительным и общим проводом, а параллельно с ней подключается выход преобразователя полярности, вход которого подключен между общим и отрицательным проводами, что позволяет равномерно распределить плотность тока по сечению проводников при передаче электроэнергии.The known method and three-wire DC power supply system (options) (patent RU No. 2658675, published on June 22, 2018), taken as a prototype of the method, which consists in the fact that electricity is transmitted to the consumer with direct current from two independent DC voltage sources through three wires. One of the wires is connected to the positive pole of one of the sources, and the other to the negative pole of the other source. In this case, the sources are connected in series, so that the free positive pole of one of the sources is connected to the free negative pole of the other source, and the last wire, called common, is also connected to this point. The load is connected between the positive and common wires, and in parallel with it, the output of the polarity converter is connected, the input of which is connected between the common and negative wires, which makes it possible to evenly distribute the current density over the cross-section of the conductors during power transmission.

Недостатками данного способа являются необходимость применения преобразователя полярности при подключении нагрузки, а также необходимость задействовать дополнительные независимые источники напряжения при подключении дополнительных проводов.The disadvantages of this method are the need to use a polarity converter when connecting the load, as well as the need to use additional independent voltage sources when connecting additional wires.

Известен способ и устройство управления гибридной системой передачи постоянного тока (патент RU № 2693530, опубликован 03.07.2019), которое заключается в использовании группы выпрямляющих/инвертирующих подмодулей, соединенных последовательно, для управления напряжением и током двух или трехпроводной линией электропередачи постоянного тока, путем сравнения отклонения по мощности или по постоянному току от задания, что позволяет обеспечить надежную, регулируемую передачу электроэнергии постоянным током по двухпроводной линии.There is a known method and device for controlling a hybrid DC transmission system (patent RU No. 2693530, published 03.07.2019), which consists in using a group of rectifying / inverting submodules connected in series to control the voltage and current of a two or three-wire DC transmission line, by comparing deviations in power or in direct current from the reference, which allows for reliable, regulated transmission of direct current power over a two-wire line.

Основным недостатком устройства является необходимость применения модульного многоуровнего преобразователя для реализации переключения уровней напряжения и потенциалов проводов линии.The main disadvantage of the device is the need to use a modular multilevel converter to implement the switching of voltage levels and potentials of the line wires.

Известна система для отбора электроэнергии от высоковольтной линии передачи постоянного тока (патент RU 2089986 C1, опубликован 10.09.1997), которая заключается в подключении двумя проводами линии постоянного тока через инвертор и трансформатор к однофазной линии переменного тока, с возможностью регулирования направления потока мощности за счет установки в выпрямительных устройствах пар выпрямительных диодов включенных встречно-направленно.A known system for the selection of electricity from a high-voltage DC transmission line (patent RU 2089986 C1, published 09/10/1997), which consists in connecting two wires of a DC line through an inverter and a transformer to a single-phase AC line, with the ability to control the direction of the power flow due to installation in rectifier devices of pairs of rectifier diodes connected in opposite directions.

Основным недостатком устройства является то, что для работы инвертора в режиме источника тока и поддержания тока, подаваемого на первичную обмотку согласующего трансформатора, требуется последовательно включить в линию электропередачи постоянного тока катушку индуктивности, что усложняет конструкцию и снижает надежность устройства.The main disadvantage of the device is that in order to operate the inverter in the mode of a current source and maintain the current supplied to the primary winding of the matching transformer, an inductor must be sequentially connected to the DC power line, which complicates the design and reduces the reliability of the device.

Известна электропередача постоянного тока (патент RU 2134009 C1, опубликован 27.07.1999), заключающаяся в том, что двухпроводная линия постоянного тока присоединяется к трехфазной системе через два шестипульсных тиристорных выпрямителя, соединенных последовательно и образующих двенадцатипульсный выпрямитель, который, в свою очередь, присоединен к двум трехобмоточным трансформаторам, первые вторичные обмотки которых, соединены в треугольник и звезду, соответственно, а вторые вторичные обмотки соединены друг с другом через пассивные реактивные двухполюсники с такими частотными характеристиками, чтобы подавлять 5 и 7 гармоники во вторичных обмотках трансформаторов, что в совокупности позволяет повысить качество электроэнергии как на стороне постоянного тока, так и на стороне переменного тока.Known direct current power transmission (patent RU 2134009 C1, published on July 27, 1999), which consists in the fact that a two-wire DC line is connected to a three-phase system through two six-pulse thyristor rectifiers connected in series and forming a twelve-pulse rectifier, which, in turn, is connected to two three-winding transformers, the first secondary windings of which are connected in a delta and a star, respectively, and the second secondary windings are connected to each other through passive reactive two-pole networks with such frequency characteristics as to suppress the 5th and 7th harmonics in the secondary windings of transformers, which together makes it possible to increase power quality on both the DC and AC side.

Основным недостатком устройства является необходимость применения трехобмоточных трансформаторов со вторичными обмотками, соединенными через пассивные реактивные двухполюсники, параметры которых требуется тщательно соблюдать, чтобы получить требуемые частотные характеристики, что усложняет конструкцию устройства и как следствие, снижает его надежность.The main disadvantage of the device is the need to use three-winding transformers with secondary windings connected through passive reactive two-pole devices, the parameters of which must be carefully observed in order to obtain the required frequency characteristics, which complicates the design of the device and, as a result, reduces its reliability.

Известна преобразовательная цепь с распределенным накопителем электроэнергии и способ для управления такой цепью (Converter circuit with distributed energy storage and method for controlling such a converter circuit) (патент DE10103031B4, опубликован 01.12.2011) принятая за прототип устройства, заключающаяся в том, что источник постоянного напряжения, который подключен параллельно к трем парам мощных полупроводниковых ключей, соединенных последовательно, присоединяется к трехфазной сети, каждая из фаз которой соединена с точкой потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками, что позволяет подключать положительный или отрицательный потенциал к любой из трех фаз.Known converter circuit with distributed energy storage and method for controlling such a converter circuit (patent DE10103031B4, published 01.12.2011) adopted as a prototype of the device, which consists in the fact that the source of constant voltage, which is connected in parallel to three pairs of powerful semiconductor switches connected in series, is connected to a three-phase network, each of the phases of which is connected to a potential point between powerful semiconductor switching units, which allows you to connect a positive or negative potential to any of the three phases.

Основным недостатком которого является то, что присоединение многопроводной линии электропередачи к выводам устройства возможно только по группам, всего тремя группами.The main disadvantage of which is that the connection of a multi-wire power line to the device terminals is possible only in groups, in only three groups.

Техническим результатом способа является повышение длительного допустимого тока и пропускной способности многопроводной линии электропередачи.The technical result of the method is to increase the long-term permissible current and throughput of a multi-wire power transmission line.

Технический результат достигается тем, что ри передаче электроэнергии одновременно используется три и более проводов, при этом не менее одного провода подключают к одному из полюсов источника питания, который работает в режиме перегрузки по току, при этом не менее двух проводов подключают к другому полюсу источника питания, который работает в режиме неполной загрузки по току, провода переключают таким образом, что за период времени, длительность которого составляет не менее трех постоянных времени переходного процесса заряда сглаживающего конденсатора, каждый из проводов линии электропередачи находится в режиме перегрузки по току равную долю периода, что обеспечивает равномерную загрузку проводов и повышает длительно допустимый ток линии электропередачи в соответствии с формулой:The technical result is achieved by the fact that when transmitting electricity, three or more wires are simultaneously used, while at least one wire is connected to one of the poles of the power source, which operates in overcurrent mode, while at least two wires are connected to the other pole of the power source , which operates in the mode of partial current load, the wires are switched in such a way that for a period of time, the duration of which is not less than three time constants of the transient process of charging the smoothing capacitor, each of the wires of the power line is in the overcurrent mode for an equal fraction of the period, which ensures uniform loading of wires and increases the long-term permissible current of the power transmission line in accordance with the formula:

где: Where:

I _max - длительно допустимый ток линии электропередачи, работающей в режиме кратковременной перегрузки рабочих проводов по току; I _max - long-term permissible current of a power transmission line operating in the mode of short-term overload of working wires by current;

I _доп - длительно допустимый ток проводов линии; I _add - long-term permissible current of the line wires;

k - число проводов, работающих в режиме перегрузки по току; k is the number of wires operating in overcurrent mode;

n - общее число проводов многопроводной линии электропередачи. n is the total number of wires in a multi-wire transmission line.

Техническим результатом устройства является подключение многопроводной линии электропередачи к источнику постоянного напряжения, с возможностью подключения каждого провода к положительному или отрицательному полюсу источника.The technical result of the device is to connect a multi-wire power transmission line to a constant voltage source, with the ability to connect each wire to the positive or negative pole of the source.

Технический результат достигается тем, что в качестве управляемых силовых ключей используют электромагнитные переключатели, а провода многопроводной линии электропередачи присоединяются к общим точкам пар управляемых силовых ключей, число которых соответствует числу проводов многопроводной линии электропередачи, через плавкие вставки.The technical result is achieved by the fact that electromagnetic switches are used as controlled power switches, and wires of a multi-wire power transmission line are connected to common points of pairs of controlled power switches, the number of which corresponds to the number of wires of a multi-wire power transmission line, through fusible links.

Способ и устройство поясняются следующими фигурами:The method and device are illustrated by the following figures:

фиг. 1 - схема переключения проводов в многопроводной линии электропередачи;fig. 1 is a circuit for switching wires in a multi-wire power transmission line;

фиг. 2 - принципиальная схема подключения многопроводной линии электропередачи к трехфазным сетям переменного тока;fig. 2 is a schematic diagram of connecting a multi-wire power transmission line to three-phase AC networks;

фиг. 3 - схема переключения проводов в трехпроводной линии электропередачи в течение одно периода;fig. 3 is a diagram for switching wires in a three-wire power transmission line during one period;

фиг. 4 - принципиальная схема лабораторного стенда;fig. 4 - schematic diagram of the laboratory bench;

фиг. 5 - зависимость температуры проводов от времени, полученная в ходе натурного эксперимента при протекании по проводам трехфазных переменных токов; fig. 5 - the dependence of the wire temperature on time, obtained in the course of a full-scale experiment when three-phase alternating currents flow through the wires;

фиг. 6 - зависимость температуры проводов от времени, полученная в ходе натурного эксперимента при передаче по линии электроэнергии с повторно-кратковременной перегрузкой проводов по току;fig. 6 - the dependence of the temperature of the wires on time, obtained in the course of a full-scale experiment when transmitting electricity through the line with a repeated-short-term overload of wires by current;

фиг. 7 - принципиальной электрической схема устройства переключения проводов, где:fig. 7 is a circuit diagram of a wire switching device, where:

1 - активное сопротивление проводов;1 - active resistance of wires;

2 - индуктивность проводов;2 - wire inductance;

3 - ввод системы электропередачи;3 - input of the power transmission system;

4 - вывод системы электропередачи;4 - output of the power transmission system;

5 - сетевой инвертор для преобразования переменного тока в постоянный;5 - grid inverter for converting AC to DC;

6 - сглаживающий конденсатор;6 - smoothing capacitor;

7 - устройство переключения проводов;7 - device for switching wires;

8 - сетевой инвертор для преобразования постоянного тока в переменный;8 - grid inverter for converting direct current into alternating current;

9 - провода первой группы;9 - wires of the first group;

10 - провода второй группы;10 - wires of the second group;

11 - первая группа проводов;11 - the first group of wires;

12 - вторая группа проводов;12 - the second group of wires;

13 - автоматический выключатель;13 - automatic switch;

14 - понижающий трансформатор;14 - step-down transformer;

15 - трехфазный двухпозиционный переключатель;15 - three-phase two-position switch;

16 - трехфазный диодный выпрямитель;16 - three-phase diode rectifier;

17 - устройство переключения проводов;17 - device for switching wires;

18 - регулируемые активно-индуктивные сопротивления проводов;18 - adjustable active-inductive resistances of wires;

19 - сглаживающий конденсатор;19 - smoothing capacitor;

20 - блок нагрузки с регулируемым сопротивлением;20 - load block with adjustable resistance;

21 - клеммы для присоединения системы постоянного тока;21 - terminals for connecting the DC system;

22 - шины постоянного тока;22 - DC buses;

23 - пары управляемых силовых ключей;23 - pairs of controlled power switches;

24 - общие точки пар силовых ключей;24 - common points of pairs of power switches;

25 - плавкие вставки;25 - fusible links;

26 - клеммы для присоединения проводов линии электропередачи;26 - terminals for connecting the wires of the power transmission line;

27 - первая группа пар ключей;27 - the first group of key pairs;

28 - вторая группа пар ключей.28 is the second group of key pairs.

Способ осуществляется следующим образом. Принципиальная схема линии электропередачи представлена на фиг. 1. Линия электропередачи с числом проводов n, большим, либо равным трем, одинаковыми активным сопротивлением проводов 1 и индуктивностью проводов 2, подключается одним концом к трехфазной электросети переменного тока - источнику электроэнергии через ввод системы электропередачи 3, а другим концом к трехфазной сети переменного тока - приемнику электроэнергии через вывод системы электропередачи 4 и передает электроэнергию постоянным током от источника к приемнику, для чего используются все провода одновременно. Электроэнергия преобразуется сетевым инвертором, для преобразования переменного тока в постоянный 5 (допускается применение пассивного выпрямителя), пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором 6. Выпрямленное и сглаженное напряжение через устройство переключения проводов 7 подается на провода линии. На принимающем конце линии устанавливается второе устройство переключения проводов 7, подключенное инверсно, осуществляющее переключение проводов линии электропередачи таким образом, чтобы на выходе формировалось постоянное напряжение. Сглаживающий конденсатор 6, устанавливаемый на выходе устройства, поддерживает на нагрузке постоянного напряжение во время переключения проводов. Затем электроэнергия передается в трехфазную сеть - приемник электроэнергии посредством сетевого инвертора для преобразования постоянного тока в переменный 8.The method is carried out as follows. A schematic diagram of a transmission line is shown in FIG. 1. A power line with the number of wires n , greater than or equal to three, the same active resistance of wires 1 and inductance of wires 2, is connected at one end to a three-phase AC power grid - a source of electricity through the input of the power transmission system 3, and the other end to a three-phase AC network - to the receiver of electricity through the output of the power transmission system 4 and transmits electricity with direct current from the source to the receiver, for which all wires are used simultaneously. Electricity is converted by a grid inverter to convert alternating current to constant 5 (passive rectifier is allowed), rectified voltage ripples are smoothed by capacitor 6. Rectified and smoothed voltage through the wire switching device 7 is fed to the line wires. At the receiving end of the line, a second device for switching wires 7 is installed, connected inversely, which switches the wires of the power transmission line so that a constant voltage is formed at the output. Smoothing capacitor 6, installed at the output of the device, maintains a constant voltage across the load during wire switching. Then, electricity is transmitted to a three-phase network - a receiver of electricity by means of a network inverter to convert direct current into alternating current 8.

Порядок переключения проводов линии поясняется следующим. Каждый из проводов линии электропередачи выдерживает длительно допустимый постоянный ток I _доп. Из них выбирается группа, включающая не менее чем один провод, которая подключаются к одному из двух полюсов источника электроэнергии. По этой группе проводов будет протекать общий ток линии I _лин. В дальнейшем будем называть эту группу проводов - первой, а число проводов в этой группе обозначим k. Так как провода имеют одинаковое сечение, общий ток поделится по проводам поровну, а сила тока в каждом из проводов группы составит:The procedure for switching line wires is explained as follows. Each of the wires of the power transmission line withstands the continuous permissible constant current I _add . Of these, a group is selected that includes at least one wire, which is connected to one of the two poles of the power source. The total line current I _lin will flow through this group of wires. In what follows we will call this group of wires the first, and the number of wires in this group will be denoted by k . Since the wires have the same cross-section, the total current will be divided equally along the wires, and the current in each of the wires in the group will be:

где: k - число проводов первой группы;where: k is the number of wires of the first group;

I ₁ - ток, протекающий по каждому из проводов первой группы; I ₁ - current flowing through each of the wires of the first group;

I _лин - общий ток линии электропередачи. I _lin is the total current of the transmission line.

Провода, не входящие в первую группу, объединяются во вторую группу, которая подключаются ко второму полюсу источнику питания. Число проводов в этой группе составляет n - k, а ток в проводах второй группы определяется по формуле:The wires that are not included in the first group are combined into a second group, which is connected to the second pole of the power supply. The number of wires in this group is n - k , and the current in the wires of the second group is determined by the formula:

где: I ₂ - ток, протекающий по проводам второй группы;where: I ₂ - current flowing through the wires of the second group;

Число k проводов в первой группе выбирается меньшим половины общего числа проводов линии n. Тогда ток I ₁, протекающий по каждому из проводов первой группы больше тока проводов I ₂, протекающего по второй группе проводов, поэтому провода первой группы нагреваются сильнее, чем провода второй группы. Чтобы добиться равномерного нагрева провода первой и второй группы периодически меняются местами. Переключение проводов продемонстрировано на фигуре 2. Раз за период T’, который выбирается большим, чем три постоянных времени заряда сглаживающего конденсатора на стороне узла - приемника электроэнергии, один из проводов первой группы 9 переключается и становится проводом второй группы 10, в то время как один из проводов второй группы 10 также переключается и становится проводом первой группы 9, таким образом количество проводов в каждой группе остается неизменным. При этом полный период переключения проводов T, в течении которого каждый из проводов равное время проводит ток I ₁, оказывается в n раз больше, чем T’. Длительность протекания большего тока по каждому из проводов первой группы можно определить по формуле:The number k of wires in the first group is chosen to be less than half of the total number of wires in the line n . Then the current I ₁ flowing through each of the wires of the first group is greater than the current of the wires I ₂ flowing through the second group of wires, therefore the wires of the first group are heated more than the wires of the second group. To achieve uniform heating, the wires of the first and second groups are periodically interchanged. The switching of the wires is shown in figure 2. Once during the period T ' , which is chosen greater than three time constants of the charge of the smoothing capacitor on the side of the node - the power receiving unit, one of the wires of the first group 9 switches and becomes the wire of the second group 10, while one of the wires of the second group, 10 also switches and becomes the wire of the first group 9, so the number of wires in each group remains unchanged. In this case, the full switching period of the wires T , during which each of the wires conducts the current I _{1 for} an equal time, turns out to be n times greater than T ' . The duration of the flow of more current through each of the wires of the first group can be determined by the formula:

где: T ₁ - период, в течение которого каждый провод находится в первой группе и пропускает ток I ₁;where: T ₁ - the period during which each wire is in the first group and passes the current I ₁ ;

T - период переключения проводов, в течение которого все провода совершат переключение. T is the wire switching period, during which all wires will switch.

Период, в течение которого каждый провод работает во второй группе, проводя ток равен I ₂ определится уравнением:The period during which each wire works in the second group, carrying current is equal to I _{2 is} determined by the equation:

где: T ₂ - период, в течение которого каждый провод работает во второй группе и ток I ₂.where: T ₂ - the period during which each wire operates in the second group and the current I ₂ .

Длительно допустимый ток линии электропредачи при этом определяется из условия, что количество теплоты, выделяемое за период переключения проводов T при протекании по ним длительно допустимого тока I _доп, определенного конструктивными параметрами провода, было равно количеству теплоты, выделяемом в каждом проводе в предлагаемом режиме:The long-term permissible current of the power line is determined from the condition that the amount of heat released during the switching period of the wires T when a long-term permissible current I _add , determined by the design parameters of the wire, flows through them, was equal to the amount of heat released in each wire in the proposed mode:

где: I _доп - длительно допустимый ток проводов линии.where: I _add - long-term permissible current of the line wires.

Ток, который способна выдержать линия электропередачи, работающая в таком режиме, определится формулой 6:The current that a power line operating in this mode can withstand is determined by formula 6:

где: I _max - длительно допустимый ток линии электропередачи, работающей в режиме переключения проводов.where: I _max - long-term permissible current of the power transmission line operating in the wire switching mode.

Если по линии передается ток I _max, больший чем ток I _доп, провода работают в режиме повторно-кратковременной перегрузки. Температура проводов линии электропередачи растет, когда они находятся в первой группе, и снижается, когда они находятся во второй группе. В ходе работы линии устанавливается режим динамического равновесия проводов линии электропередачи, когда за время T ₁ температура проводов повышается также, на сколько она снижается за время Т ₂. Средняя температура проводов при этом остается на допустимом уровне. If a current I _max is transmitted along the line, greater than the current I _add , the wires operate in the mode of intermittent overload. The temperature of the power line wires rises when they are in the first group and decreases when they are in the second group. During the operation of the line, the mode of dynamic equilibrium of the wires of the power transmission line is established, when during the time T _{1 the} temperature of the wires also increases, by how much it decreases during the time T ₂ . At the same time, the average temperature of the wires remains at an acceptable level.

Способ поясняется следующими примерами. Предложенный способ был реализован на лабораторном стенде для трехпроводной линии электропередачи. В результате опытов были получены зависимости температуры проводов от времени при различной мощности нагрузки (171 Вт и 228 Вт). Полученные результаты сравнивались с температурой проводов при передаче электроэнергии нагрузке, мощностью 187,5 Вт трехфазным переменным током.The method is illustrated by the following examples. The proposed method was implemented on a laboratory bench for a three-wire power line. As a result of the experiments, the dependences of the temperature of the wires on time were obtained at various load powers (171 W and 228 W). The results obtained were compared with the temperature of the wires during the transmission of electricity to the load, with a power of 187.5 W with three-phase alternating current.

Схема переключения проводов в трехпроводной линии электропередачи в течение одно периода показана на фигуре 3. В первую группу проводов 11 входит один провод, а во вторую группу проводов 12 - два провода. Период переключения проводов был выбран равным 60 секунд. В течение периода каждый провод работал 20 секунд (одну треть периода) в первой группе и 40 секунд (две трети периода) во второй группе.The circuit for switching wires in a three-wire transmission line for one period is shown in figure 3. The first group of wires 11 includes one wire, and the second group of wires 12 includes two wires. The wire switching period was chosen to be 60 seconds. During the period, each wire worked 20 seconds (one third of the period) in the first group and 40 seconds (two thirds of the period) in the second group.

Схема лабораторного стенда представлена на фигуре 4. Для обеспечения автоматического отключения питания при возникновении короткого замыкания или перегрузки в стенде установлен автоматический выключатель 13. Переменное напряжение подается на понижающий трансформатор 14, осуществляющий преобразование действующего значения напряжения с 380 В до 36 В. Затем переменное напряжение подается на двухпозиционный трехфазный переключатель 15, откуда может быть подано либо непосредственно на нагрузку через линию электропередачи, либо на трехфазный диодный выпрямитель 16, после, чего выпрямленное напряжение непосредственно подается на устройство переключения проводов 17. К устройству переключения проводов подключены регулируемые активно-индуктивные сопротивления проводов 18, имитирующие линию электропередачи. Линия электропередачи присоединяется к другому трехфазному двухпозиционному переключателю 15, с которого напряжение может быть подано либо на регулируемый блок нагрузки 20, либо на другой трехфазный диодный выпрямитель 16, который в данном случае случит в качестве устройства переключения проводов, управляемого напряжением. После устройства переключения проводов установлен сглаживающий конденсатор 19, служащий для поддержания напряжения на нагрузке во время переключения проводов, а затем блок нагрузки с регулируемым сопротивлением 20.The diagram of the laboratory stand is shown in Figure 4. To ensure automatic power off in the event of a short circuit or overload, an automatic switch is installed in the stand 13. An alternating voltage is supplied to a step-down transformer 14, which converts the effective voltage value from 380 V to 36 V. Then an alternating voltage is supplied to a two-position three-phase switch 15, from where it can be supplied either directly to the load through the power line, or to a three-phase diode rectifier 16, after which the rectified voltage is directly fed to the wire switching device 17. Adjustable active-inductive resistances of wires 18 are connected to the wire switching device imitating a power line. The power line is connected to another three-phase two-position switch 15, from which voltage can be applied either to an adjustable load unit 20 or to another three-phase diode rectifier 16, which in this case happens as a voltage controlled wire switching device. After the device for switching wires, a smoothing capacitor 19 is installed, which serves to maintain the voltage across the load during switching of wires, and then a load unit with an adjustable resistance 20.

Согласно уравнению 6 при передаче по одной и той-же трехпроводной линии электропередачи электроэнергии трехфазным переменным током и предлагаемым способом, длительно допустимый ток можно увеличить в корень из двух раз:According to equation 6, when transmitting electricity through the same three-wire power transmission line with three-phase alternating current and the proposed method, the long-term permissible current can be increased by the root of two times:

Результаты эксперимента представлены на фиг. 5 и фиг. 6. В режиме повторно-кратковременной перегрузки проводов по току температура проводов остается на одном уровне, совершая колебания вокруг некоторого среднего значения, так как среднее количество теплоты, выделяемое в проводах, остается неизменным. На фигурах отмечены уровни температуры, соответствующие различной мощности нагрузки. Видно, что способ передачи электроэнергии постоянным током с переключением проводов позволил питать нагрузку большей мощности при сохранении одинаковой температуры проводов. The experimental results are shown in FIG. 5 and FIG. 6. In the mode of repeated-short-term overload of wires by current, the temperature of the wires remains at the same level, oscillating around a certain average value, since the average amount of heat released in the wires remains unchanged. The figures show the temperature levels corresponding to different load powers. It can be seen that the method of transmitting electricity with direct current with switching wires made it possible to supply a load of higher power while maintaining the same temperature of the wires.

Достоинством предлагаемого способа является возможность задействовать в передаче электроэнергии все провода многопроводной линии электропередачи, тем самым повысить длительно допустимый ток проводов и пропускную способность линии.The advantage of the proposed method is the ability to use all the wires of a multi-wire power transmission line in the transmission of electricity, thereby increasing the long-term permissible current of the wires and the line throughput.

Устройство для переключения проводов многопроводной линии электропередачи с числом проводов n большим, или равным трем, содержит две клеммы для присоединения системы постоянного напряжения 21, к которым присоединяются две шины постоянного тока 22. Между шинами постоянного тока 22, параллельно друг другу, подключаются n пар управляемых силовых ключей 23. В качестве силовых ключей используют электромагнитные переключатели. К общим точкам пар управляемых силовых ключей 24, одним концом присоединены плавкие вставки 25. Другие концы плавких вставок 25 соединены с клеммами для присоединения проводов линии электропередачи 26, число которых соответствует числу проводов многопроводной линии электропередачи.A device for switching wires of a multi-wire power transmission line with the number of wires n greater than or equal to three, contains two terminals for connecting a constant voltage system 21, to which two DC buses 22 are connected. Between the DC buses 22, in parallel to each other, n pairs of controlled power switches 23. Electromagnetic switches are used as power switches. To the common points of pairs of controlled power switches 24, fuse-links 25 are connected at one end. The other ends of the fuse-links 25 are connected to terminals for connecting wires of the power line 26, the number of which corresponds to the number of wires of the multi-wire power line.

Устройство работает следующим образом. Устройство включается между системой постоянного тока и многопроводной линией электропередачи. Электрическая энергия передаются со входа устройства на выход. В прямом включении клеммы для присоединения системы постоянного напряжения 21 являются вводом электротехнического устройства, а клеммы для присоединения проводов линии электропередачи 25 являются выводом электротехнического устройства. В инверсном включении ввод и вывод устройства меняются местами и электроэнергия передается от линии электропередачи в систему постоянного тока. The device works as follows. The device is connected between the DC system and a multi-wire power line. Electrical energy is transferred from the input of the device to the output. In direct connection, the terminals for connecting the constant voltage system 21 are the input of the electrical device, and the terminals for connecting the wires of the power line 25 are the output of the electrical device. In inverse connection, the input and output of the device are reversed and electricity is transferred from the power line to the DC system.

Рассмотрим работу устройства в прямом включении. Постоянное напряжение из системы постоянного тока поступает на шины постоянного тока 22 через клеммы для присоединения системы постоянного тока 21. Таким образом на одной из шин постоянного тока 22 оказывается либо высокий, либо низкий потенциал системы постоянного тока. Каждый ключ в парах управляемых силовых ключей 23 работает в противофазе, когда один из двух ключей в паре замкнут, другой остается разомкнутым, не допуская возникновения короткого замыкания в системе постоянного тока. При реализации пар управляемых силовых ключей 23 с помощью электромагнитных реле, их силовые контакты должны быть шунтированы антипараллельными диодами, обеспечивающими протекание тока на время коммутации. Замыкая один из двух управляемых силовых ключей в парах, можно сообщить общей точке пары силовых ключей 24 потенциал одной из двух шин постоянного тока 22. Далее, через плавкие вставки 25, соответствующие потенциалы передаются клеммам для присоединения проводов линии электропередачи 26 и проводам линии. Контролируя состояние каждой пары управляемых силовых ключей 23 отдельно, можно сформировать две группы пар управляемых силовых ключей: первую группу пар ключей 27 которые будут сообщать общим точкам пар управляемых силовых ключей 24 потенциал одной из двух шин постоянного тока 22 и вторую группу пар управляемых силовых ключей 28, которые будут сообщать общим точкам пар управляемых силовых ключей 24 потенциал другой шины постоянного тока 22. Таким образом на любой из проводов многопроводной линии электропередачи, подключенных к клеммам для присоединения проводов линии электропередачи 26, может быть подан либо высокий, либо низкий потенциал системы постоянного тока, что позволит сформировать в проводах линии электропередачи требуемые токи. Перевод любой пары управляемых силовых ключей 23 из одной группы в другую и обратно осуществляется путем изменения состояния управляемых силовых ключей в парах: открытый управляемый силовой ключ закрывается, а закрытый управляемый силовой ключ открывается.Let's consider the operation of the device in live connection. DC voltage from the DC system is supplied to the DC bus 22 through the terminals for connecting the DC system 21. Thus, one of the DC bus 22 is either high or low potential of the DC system. Each key in pairs of controlled power keys 23 operates in antiphase, when one of the two keys in a pair is closed, the other remains open, preventing a short circuit from occurring in the DC system. When implementing pairs of controlled power switches 23 using electromagnetic relays, their power contacts must be shunted by antiparallel diodes, which ensure the flow of current during switching. By closing one of the two controlled power switches in pairs, it is possible to communicate the potential of one of the two DC buses 22 to the common point of the pair of power switches 24. Further, through the fuse-links 25, the corresponding potentials are transmitted to the terminals for connecting the wires of the power line 26 and the wires of the line. By monitoring the state of each pair of controlled power switches 23 separately, it is possible to form two groups of pairs of controlled power switches: the first group of pairs of switches 27 which will communicate to the common points of pairs of controlled power switches 24 the potential of one of the two DC buses 22 and the second group of pairs of controlled power switches 28 , which will communicate to the common points of the pairs of controlled power switches 24 the potential of another DC bus 22. Thus, either high or low potential of the DC system can be supplied to any of the wires of the multi-wire power line connected to the terminals for connecting wires of the power line 26 , which will allow the required currents to be formed in the wires of the power transmission line. The transfer of any pair of controlled power switches 23 from one group to another and vice versa is carried out by changing the state of the controlled power switches in pairs: the open controlled power switch is closed, and the closed controlled power switch is opened.

В инверсном включении устройство работает следующим образом. Электрические потенциалы проводов многопроводной линии электропередачи, присоединенные к клеммам для присоединения проводов линии электропередачи 26 периодически изменяются. Поэтому электрический потенциал общих точек пар управляемых силовых ключей 24 также периодически изменяется. Пары управляемых силовых ключей 24 работают в противофазе и меняют свое состояние таким образом, чтобы одной из двух шин постоянного тока 22 передавался высокий потенциал, в то время другой шине постоянного тока передавался низкий потенциал. При этом электроэнергия передается от линии электропередачи, через клеммы для присоединения проводов линии электропередачи 26, через общие точки пар управляемых силовых ключей 24, управляемые силовые ключи, шины постоянного тока 23 и через клеммы для присоединения системы постоянного тока 21 в систему постоянного тока, к которой присоединено устройство. Состояние каждой пары силовых ключей 23 зависит от потенциала, передаваемого общей точке пары управляемых силовых ключей 24, через клемму для присоединения проводов линии электропередачи 26 и через плавкие вставки 25 проводам многопроводной линии электропередачи. Если провод передает высокий потенциал, а пара управляемых силовых ключей 23 подключает его к шине постоянного тока 22 с низким потенциалом или наоборот (провод с низким потенциалом подключается к шине с высоким потенциалом), то в устройстве возникает короткое замыкание, что приводит к нарушению передачи электроэнергии.In reverse connection, the device works as follows. The electric potentials of the wires of the multi-wire power line connected to the terminals for connecting wires of the power line 26 change periodically. Therefore, the electric potential of the common points of the pairs of controlled power switches 24 also changes periodically. Pairs of controlled power switches 24 work in antiphase and change their state so that one of the two DC buses 22 is transmitted a high potential, while the other DC bus is transmitted a low potential. In this case, electricity is transmitted from the power line, through the terminals for connecting the wires of the power line 26, through the common points of the pairs of controlled power switches 24, controlled power switches, DC buses 23 and through the terminals for connecting the DC system 21 to the DC system, to which connected device. The state of each pair of power switches 23 depends on the potential transmitted to the common point of the pair of controlled power switches 24 through the terminal for connecting the wires of the power line 26 and through the fuse-links 25 to the wires of the multi-wire power line. If the wire transmits a high potential, and a pair of controlled power switches 23 connects it to the DC bus 22 with a low potential or vice versa (a low potential wire is connected to a high potential bus), then a short circuit occurs in the device, which leads to a disruption in the transmission of electricity ...

При возникновении короткого замыкания в линии электропередачи, ток одного или нескольких проводов увеличивается в разы, что приводит к перегоранию одной из плавких вставок 25. Таким образом, провод, в котором возникло короткое замыкание, отсоединяется, поврежденный участок отключается и перестает участвовать в передаче электроэнергии.When a short circuit occurs in a power transmission line, the current of one or more wires increases significantly, which leads to burnout of one of the fuse links 25. Thus, the wire in which the short circuit occurs is disconnected, the damaged section is turned off and ceases to participate in the transmission of electricity.

Предложенный способ передачи электроэнергии постоянным током по многопроводной линии электропередачи и устройство для его осуществления позволяет повысить пропускную способность линии электропередачи по сравнению с электропередачей переменным током, за счет повышения длительно допустимого тока, а также позволяет использовать много проводные линии электропередачи для передачи постоянным током, позволяя задействовать весь потенциал проводов линии электропередачи.The proposed method for transmitting electricity with direct current through a multi-wire power transmission line and a device for its implementation allows to increase the throughput of the power transmission line in comparison with the power transmission with alternating current, by increasing the long-term allowable current, and also allows the use of multi-wire power transmission lines for transmission with direct current, allowing full potential of power line wires.

Claims

1. A method for transmitting electricity by direct current, including the transmission of electricity from a constant voltage source with the formation of a constant potential difference on the load, characterized in that three or more wires are simultaneously used during transmission of electricity, while at least one wire is connected to one of the poles of the power source , which operates in overcurrent mode, while at least two wires are connected to the other pole of the power source, which operates in partial current load mode, the wires are switched in such a way that for a period of time, the duration of which is at least three time constants of the transient the process of charging the smoothing capacitor, each of the wires of the power transmission line is in the overcurrent mode for an equal fraction of the period, which ensures uniform loading of the wires and increases the long-term permissible current of the power transmission line in accordance with the formula:

Where:

I _max - long-term permissible current of a power transmission line operating in the mode of short-term overload of working wires by current;

I _add - long-term permissible current of the line wires;

k is the number of wires operating in overcurrent mode;

n is the total number of wires in a multi-wire transmission line.

2. A device for switching wires of a multi-wire power transmission line, including two terminals for connecting a DC voltage system, two DC buses connected to them, at least three pairs of controlled power switches connected to DC buses in parallel to each other, to the common points of which the terminals for connection of wires of a power transmission line, characterized in that electromagnetic switches are used as controlled power switches, and wires of a multi-wire power transmission line are connected to common points of pairs of controlled power switches, the number of which corresponds to the number of wires of a multi-wire power transmission line, through fuse-links.