Однопроводная передача электроэнергии: миф или реальность? В чем выгода?

миф или реальность? В чем выгода?

Как может происходить передача электроэнергии по одному проводу. Это реальность или миф? Преимущества однопроводной передачи энергии. Схема Авраменко.

Человечество находится в постоянном поиске. Стремление сократить потери в линии электропередач, натолкнуло на идею передачи энергии по одному проводу. Это удалось решить в 1892 году ученому Тесла. На это изобретение патент Тесла получил в 1897 году. Однако, до настоящего времени неизвестно как он это делал. Часть его записей сгорела, а другую не могут расшифровать и по сей день. Аналогичные патенты были получены французскими учеными и нашим соотечественником Авраменко. В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик, что собой представляет передача электроэнергии по одному проводу и вообще, миф это или реальность.

Содержание:

Уникальность идеи

Всем известно, что для прохождения электрического тока по проводам должен иметься замкнутый контур из двух проводов, по которым протекает ток. Или отдельный провод и заземление.

Теоретически передача энергии по одному проводу невозможна. Однако, при передаче электроэнергии по методу Авраменко, ток протекает не по проводнику, а по его поверхности.

В результате мощность передаваемой энергии никак не зависит от материала и толщины проводов. Она может быть очень малой, при этом проводники не нагреваются.

При поверхностной передаче электроэнергии, толщина провода не имеет значения. А это значит, что проводник может иметь малую толщину. Так же не имеет значение материал, из которого сделан провод.

Его не обязательно делать медным, он может быть из стали или другого токопроводящего материала. По сути, проводник служит указателем, куда нужно передать энергию. Но это все по заявлениям разработчиков. На самом деле эта теория не имеет научного объяснения.

Но если представить, что это возможно, то перед мировой энергетикой открываются новые возможности:

• Нет необходимости в громоздких опорах электропередач. Снижение капитальных затрат.
• Отпадает необходимость использовать такое количество проводов. А это колоссальная экономия.
• Отсутствие потерь в линиях электропередач. Увеличение пропускной способности.
• Сведение до минимума аварийных ситуаций на линии. Отсутствие короткого замыкания и сокращение обрывов проводов.

Все это приведет к снижению эксплуатационных затрат. И как следствие уменьшению стоимости электричества конечному потребителю.

Мифы и реальность

В специальной литературе и на просторах интернета ведутся оживленные дискуссии, возможна ли однопроводная передача электричества к потребителю. Мнения разделились на два противоположных лагеря.

Разберемся, где мифы и реальность. Изобретение Тесла доказывает возможность передачи электричества по одному проводнику. Однако, достоверных данных, подтверждающих это, нет. Поэтому вокруг изобретения существуют многочисленные догадки и слухи.

Опыты нашего соотечественника доказывают, что однопроводная передача энергии возможна. При этом Авраменко не только доказал такую возможность, он создал установку, которая позволяет передавать электричество по одному проводу.

Свое изобретение он открыл случайно, когда снимал нейлоновую рубашку возле выключенной настольной лампы. После случайного касания рубашкой лампы, она начала светиться.

Длительные эксперименты позволили изобрести «вилку Авраменко». Она представляет собой два диода и конденсатор. Как показано на схеме:

С ее помощью удавалось по одному проводу заряжать конденсатор, который питает нагрузку. В данном случае лампочку. Изначально применялся разрядник, в котором появлялись искры.

Частота разряда зависела от номинала конденсатора. На основании своего изобретения, Авраменко собирает схему и демонстрирует передачу электричества по одному проводу.

На рисунке снизу представлена схема однопроводной передачи электроэнергии:

Она состоит из генератора частотой 8 кГц, катушки, провода. Причем в опытах применялся не медный, а вольфрамовый провод. Во время опыта он не нагревался и не светился. Приемным элементом выступала «вилка Авраменко», к которой подсоединена нагрузка.

В этом случае электричество передается не по проводнику, а по поверхности провода. Поэтому он может быть очень тонким. Ограничение заключается в механической прочности. Он должен выдерживать атмосферные осадки и порывы ветра.

При такой подаче напряжения, провода не нагреваются. А это значит, что потери на большие расстояния будут незначительными. А поражение электрическим током человека, если он прикоснется к оголенному проводу, исключено. Т.к. в проводе отсутствует ток.

Кроме того, проводились опыты с перегоревшими лампами накаливания. При включении в сеть они загорались.

Использование схемы Авраменко позволяет исключить потери на нагрев проводов, что составляет 10-15%. При передаче электроэнергии традиционным способом, плотность тока составляет всего 6-7 А/мм², а передача энергии по однопроводной линии позволяет увеличить этот показатель до 428 А/мм² и это при мощности 10 кВт.

По схеме Авраменко были созданы многочисленные схемы с применением трансформатора. Например, как показано на рисунке снизу:

Где генератор ВЧ собран на транзисторе. Это открытие должно было перевернуть всю электро индустрию. Несмотря на высокий КПД установки и очевидные выгоды, этого не произошло.

Кроме этого Авраменко доказал, что для однопроводной передачи напряжения, совершенно не обязательно применять металлические провода. В качестве волновода можно использовать луч лазера, оптоволокно, электронные лучи, трубопроводы и т.д.

Т.е. для передачи энергии можно использовать любую изолированную токопроводящую среду. А это в свою очередь дает возможность изобрести многочисленные машины, где применяется этот эффект. Но это будущее.

Заключение

Любое значительное изобретение с трудом пробивается в нашей стране. Однако, на сегодня изобретение однопроводной передачи энергии нашло применение в промышленности.

Во ВНИИЭСХе изготавливают коагулятор крови. Этот прибор позволяет останавливать кровотечение при операциях. Он с помощью микродуги электроплазмы позволяет «сваривать» края поврежденных сосудов.

Существующие зарубежные приборы представляют собой громоздкие устройства, с водяным охлаждением. При выходной мощности 8 Вт, потребляют более 1 кВт электроэнергии.

Отечественный прибор работает от аккумулятора и вмещается в дипломат. А по стоимости в 40 раз меньше аналога. Этот прибор уже с успехом применяется не только в клиниках, но и в лабораториях по удалению бородавок, папиллом, сведения татуировок и т.п.

Разработками Авраменко заинтересовался Газпром. При его содействии были разработаны и внедрены в 2003 году устройства однопроводного питания катодной защиты и водозаборных сооружений мощностью 20 Квт.

В 2006 году на форуме «Селигер» была представлена резонансная установка, от которой запитано уличное освещение. Уникальность устройства состоит в том, что имеет возможность дистанционно изменять уровень освещения.

В 2009-2013 годах были установлены приборы освещения в птичниках и на фермах КРС.

Таким образом, можно отметить, что однопроводная передача электроэнергии, с трудом, но пробивает себе дорогу в жизнь. Будем надеяться, что мы не будем приобретать устройства, использующие это изобретение за рубежом. А будем сами экспортировать оборудование с уникальными свойствами.

Опубликовано: 10.09.2020 Обновлено: 10.09.2020 нет комментариев

Особенности передачи энергии по резонансной однопроводной ЛЭП

Резонансная однопроводная линия электропередачи (РО ЛЭП) включает: источник электрической энергии, преобразователь частоты ПЧ1, резонансный контур (С1, трансформатор Теслы Т1), собственно однопроводную ЛЭП (как правило, в виде одножильного высоковольтного кабеля) ОЛ, приёмный резонансный контур (С2, Т2), преобразователь частоты ПЧ2, к которому присоединяется одно- или трёхфазная нагрузка (рис. 1).

Источник электроэнергии — обычная трёхфазная сеть либо, в автономных системах, генератор переменного тока повышенной частоты. Напряжение расчётной повышенной частоты подаётся в резонансный контур, включающий конденсатор С1 и модифицированный трансформатор Теслы (ТТ) Т1. При расчётном соотношении индуктивностей «первичной» и «вторичной» обмоток и ёмкостей, включающих также и межвитковую ёмкость ТТ Т1, в последнем возникает резонанс напряжений.

Длина ОЛ, включая длины кабеля, высоковольтных обмоток передающего и приёмного ТТ, не ограничена, но должна быть кратной целому числу полуволн либо четверти волны тока.

Конец линии ОЛ присоединяется ко входу высоковольтной обмотки приёмного ТТ Т2, также работающего в резонансном режиме. К его «низковольтной» обмотке подключают ПЧ2, на выходе которого получается требуемое трёхфазное напряжение промышленной частоты.

Область частот 1—100 кГц наиболее пригодна для передачи электрической энергии по однопроводниковому волноводу в силу ограничений, которые накладывают потери на излучение из-за антенного эффекта.

Рассмотрим характеристики одной из опытных систем для передачи номинальной мощности 20 кВт. Передающий и принимающий воздушные ТТ имеют следующие параметры: числа витков высоковольтной обмотки — по 952; числа витков низковольтных обмоток — соответственно 19 и 27; ёмкости С1 и С2 — соответственно 14 и 12 мкФ. В качестве ПЧ1 и ПЧ2 использовались модернизированные для функций РО ЛЭП преобразователи частоты серии Р-22 мощностью 22 кВт. В качестве нагрузки применялись секции из 24 ламп накаливания мощностью 1 кВт каждая. Входное напряжение составляло 380 В, напряжение линии — до 7 кВ [2]. Диаметр провода линии выбирался в пределах от 0,08 до 1,3 мм. Резонансная частота РО ЛЭП составляла 3,4 кГц.

На рис. 2 приведено семейство внешних характеристик выходного трансформатора РО ЛЭП для передачи номинальной мощности 20 кВт. Каждая из характеристик получена при соответствующем напряжении ОЛ: 3,2—6,8 кВ. Измерения произведены на постоянном токе на выходе выпрямителя преобразователя частоты Р-22. Сопротивление нагрузки — 8 Ом.

Важно подчеркнуть, что внешние характеристики системы вполне соответствуют внешним характеристикам обычного трансформатора.

Расчётные и опытные данные показали, что реактивная зарядная мощность, передаваемая по линии, в первом приближении пропорциональна частоте и квадрату напряжения линии [2]. Зависимость передаваемой мощности от величины напряжения для данной частоты однопроводной линии получена эмпирическим путём и имеет вид:

Р = k • U^1,896

где k — коэффициент пропорциональности, равный 0,541.

В РО ЛЭП мы имеем дело с продольными волнами, которые проходят не по сечению провода, а вдоль его поверхности, не входя в него. Из этого следует, что для РО ЛЭП не имеет принципиального значения активное сопротивление провода и его сечение, т.е. в качестве проводника для неё можно использовать, например, тонкий стальной провод или трос, заключённый в изолирующую оболочку либо подвешенный на высоковольтных изоляторах, как это делал Тесла.

Для процессов передачи электроэнергии по этой линии значение имеет её собственная ёмкость и частота [4]. Другими словами, однопроводная линия при идеальной настройке ведёт себя как проводник без потерь. Для подтверждения этого представления при передаче по резонансной линии электроэнергии мощностью 30 кВт использовался, наряду с кабелем диаметром жилы 1,3 мм, кусок провода длиной 6 м и диаметром 0,08 мм, который не испытывал существенного нагрева.

Эти особенности объясняют и весьма высокие плотности передаваемых тока и мощности, невозможные в обычных ЛЭП и приближающиеся к криогенным кабельным линиям. Так, эффективная плотность тока в линии при передаваемой мощности 20 кВт составила 600 А/мм², а удельная электрическая мощность — 4 МВт/мм² [2]. Из изложенного следует, что РО ЛЭП обладает квазисверхпроводимостью при обычной температуре [3,4].

Опытные и расчётные данные показали, что потери на излучение для линии, передающей 20 кВт, при частоте 3,4 кГц составили всего 102 Вт, т.е. Ризл = 0,005Рн [2].

В целом потери в системе РО ЛЭП складываются из электрических потерь в преобразователях ПЧ1 и ПЧ2 и потерь на излучение. КПД современных преобразователей весьма высок. Поэтому интегральный КПД РО ЛЭП в сравнении с обычной ЛЭП может доходить до 94—96%. Потери в системе существенно снижаются, если в качестве источника электроэнергии непосредственно используется генератор повышенной частоты (1—50 кГц), приводимый во вращение первичным двигателем — дизелем или турбиной.

РО ЛЭП состоит из простых и надёжных узлов. Воздушный трансформатор Теслы во всех отношениях проще и дешевле масляного. Применение генераторов повышенной частоты могло бы исключить преобразователи частоты и приблизить КПД РО ЛЭП к величинам порядка 98—99%. Но и с применением ПЧ РО ЛЭП обеспечивают колоссальную экономию электроэнергии. Одножильный кабель, уложенный в землю, требует минимального отвода земли, не сопряжён с экологическими проблемами.

РО ЛЭП обеспечивают высокую надёжность электроснабжения, поскольку в них в принципе невозможно межфазное короткое замыкание. Кабельным РО ЛЭП не страшны стихийные бедствия: снегопад, гололёд, ветры и т.д. Капитальные затраты на сооружение таких систем в несколько раз меньше, чем для обычных высоковольтных ЛЭП. РО ЛЭП — это высоковольтные системы, они хороши в качестве распределительных сетей. Однако наиболее эффективными из-за малых потерь являются дальние и сверхдальние РО ЛЭП. Такой подход может изменить идеологию энергоснабжения народного хозяйства: генерирующие мощности можно будет располагать непосредственно у месторождений, а вместо энергоносителей с их громоздкими и крайне дорогими системами транспортировки передавать электрическую энергию, как наиболее универсальную для использования, по простой и надёжной РО ЛЭП на любые расстояния с минимальными издержками.

ВЫВОДЫ

Резонансные однопроводные системы, обладающие квазисверхпроводимостью, обеспечивают передачу электроэнергии большой плотности по единственному, весьма тонкому проводнику с минимальными потерями энергии. Они являются высокотехнологичными ресурсо- и энергосберегающими системами и открывают возможности для замены ими существующих многофазных высоковольтных ЛЭП.

ЛИТЕРАТУРА
1. Стребков Д.С. Резонансные системы распределения электрической энергии. «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение», №3, 2010 г., с. 72—75.
2. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 3-е. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008 г., 352 с.
3. Стребков Д.С. Высокотемпературная квазисверхпроводимость проводников для ёмкостных токов. Доклады РАСХН, №4, 2005 г., с. 56—58.
4. Алиев И.И. Энергосберегающая резонансная однопроводная ЛЭП. «Энергобезопасность и энергосбережение». №6, 2011 г., с. 35—38.

Передача электроэнергии по одному проводу, правда или нет

Передача электроэнергии по одному проводу — выдумка или реальность? В 1892 году в Лондоне, а через год в Филадельфии, известный изобретатель, серб по национальности, Никола Тесла демонстрировал передачу электроэнергии по одному проводу. Как он это делал — остается загадкой. Часть его записей до сих пор не расшифрована, другая часть сгорела. Сенсационность опытов Тесла очевидна любому электрику: ведь, чтобы ток шел по проводам, они должны составлять замкнутый контур. А тут вдруг — один незаземленный провод!

Но, я думаю, современным электрикам предстоит удивиться еще больше, когда они узнают, что в Россие работает человек, который тоже нашел способ передавать электроэнергию по одному незамкнутому проводу. Инженер Станислав Авраменко делает это уже 15 лет.

Как же осуществляется феноменальное явление, не укладывающееся в рамки общепризнанных представлений? На рисунке показана одна из схем Авраменко. Она состоит из трансформатора Т, линии электропередачи (провода) Л, двух встречно включенных диодов Д, конденсатора С и разрядника Р.

   рис. 1. Передача электроэнергии по одному проводу, cхема Авраменко

Трансформатор имеет ряд особенностей, которые пока (дабы сохранить приоритет) раскрывать не будем. Скажем только, что он схож с резонансным трансформатором Тесла, в котором первичная обмотка питается напряжением с частотой, равной резонансной частоте вторичной обмотки.

Подключим входные (на рис.— нижние) выводы трансформатора к источнику переменного напряжения. Поскольку два других его вывода между собой не замкнуты (точка 1 просто висит в воздухе), тока наблюдаться в них вроде бы не должно. Однако в разряднике возникает искра — происходит пробой воздуха электрическими зарядами! Он может быть непрерывным или прерывным, повторяться с интервалом, зависящим от емкости конденсатора, величины и частоты приложенного к трансформатору напряжения.

Получается, что на противоположных сторонах разрядника периодически накапливается определенное число зарядов. Но поступать туда они могут, по всей видимости, лишь от точки 3 через диоды, выпрямляющие переменный ток, существующий в линии Л. Таким образом в вилке Авраменко (часть схемы правее точки 3) циркулирует постоянный по направлению и пульсирующий по величине ток.

Подключенный к разряднику вольтметр V, при частоте около 3 кГц и напряжении 60 В на входе трансформатора, показывает перед пробоем 10 — 20 кВ. Установленный вместо него амперметр регистрирует ток в десятки микроампер.

   рис. 2. Передача электроэнергии по одному проводу, cхема Авраменко

На этом “чудеса” с вилкой Авраменко не заканчиваются. При сопротивлениях R1=2 — 5 МОм и R2=2 — 100 МОм (рис. 2) наблюдаются странности при определении выделяющейся на последнем мощности.

Измерив (по общепринятой практике) ток магнитоэлектрическим амперметром А и напряжение электростатическим вольтметром V, перемножив полученные величины, получаем мощность много меньше той, которая определяется точным калориметрическим способом по тепловыделению на сопротивлении R2. Между тем, по всем существующим правилам, они должны совпадать. Объяснения тут пока нет.

Эксперименты с использованием схемы Авраменко

Усложнив схему, экспериментаторы передавали по линии Л мощность, равную 1,3 кВт. Это подтвердили три ярко горевшие лампочки, суммарная мощность которых составляла как раз названную величину.

Опыт проводился 5 июля 1990 года в одной из лабораторий Московского энергетического института. Источником питания служил машинный генератор с частотой 8 кГц. Длина провода Л равнялась 2,75 м. Интересно, что он был не медным или алюминиевым, которые обычно применяют для передачи электроэнергии (их сопротивление относительно мало), а вольфрамовым! Да к тому же диаметром — 15 мкм! То есть электрическое сопротивление такого провода намного превышало сопротивление обычных проводов той же длины.

По идее, здесь должны происходить большие потери электроэнергии, а провод — раскалиться и излучать тепло. Но этого не было, пока трудно объяснить почему,— вольфрам оставался холодным.

При внимательном взгляде на опыты Авраменко становится ясно, что это не просто экспериментаторские игрушки. Вспомните, какая мощность передавалась по вольфрамовому проводнику, и он не нагревался! То есть линия как бы не имела сопротивления. Так что же она собой представляла — “сверхпроводник” при комнатной температуре? Тут уж дальше и комментировать нечего — насчет практического значения.

Есть, конечно, и теоретические предположения, объясняющие результаты опытов. Не вдаваясь в подробности, скажем, что эффект может быть связан с токами смещения и резонансными явлениями — совпадением частоты напряжения источника питания и собственных частот колебания атомных решеток проводника.

Между прочим, о мгновенных токах в единичной линии писал еще Фарадей, в 30-х годах прошлого века, а в соответствии с электродинамикой, обоснованной Максвеллом, ток поляризации не приводит к выделению на проводнике джоулева тепла — то есть проводник не оказывает ему сопротивления.

Время придет — строгая теория будет создана, а пока инженер Авраменко успешно опробовал передачу электроэнергии по одному проводу на 160 м.

Так же читайте про без проводную передачу электроэнергии в нашей статье «Передача электроэнергии без проводов«

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Однопроводная передача энергии « Попаданцев.нет

В теме про квадруплекс мы уже упоминали, что телеграфисты часто использовали единственный провод, возвращая ток по земле. Можем ли мы использовать то же решение для передачи энергии?

Проводимость даже влажной земли на порядки хуже проводимости металла того же сечения. На первый взгляд может показаться что это ставит крест на возможности передачи энергии.

Но при расстояниях даже в единицы километров на середине пути ток может распределиться по объему земли сравнимых линейных размеров(несколько км) — мы имеем дело с проводником сечение которого измеряется в квадратных километрах. Сечение типичного провода измеряется в квадратных миллиметрах — это в триллион раз меньшая величина! На практике, сопротивление земли определяется в основном сопротивлением участка у заземляющего электрода и легко сводится к единицам Ом и меньше(типичное сопротивление провода на маломощной линии 0.1-1 Ом на км).

Перед нами открывается интересная возможность — пустив обратный ток через заземление мы уменьшим омические потери, сэкономим на втором проводе и сможем сэкономить на опорах. Последний пункт поподробнее — расстояние между опорами ЛЭП обычно определяется не прочностью провода, а проблемой перехлеста проводов. При большом пролете и небольшом расстоянии между проводами ветер неизбежно вызывает перехлесты, увеличение расстояния между проводами/уменьшение расстояния между опорами увеличивает затраты. С единственным проводом проблема перехлестов исчезает — обычная ЛЭП с 7 столбами на км заменяется однопроводной с 2.5 столбов на км.

Такие линии вполне используются в реале(см. single-wire ground return, SWER) — они используются в сельской местности в Австралии(200,000 км, 20% от общей длины), Новой Зеландии, Канаде, Бразилии, США и некоторых африканских странах, традиционные трамваи/электрички возвращают ток через рельс, и часть тока неизбежно идет через землю. Попаданцу особенно интересен опыт стран третьего мира — в Лаосе и Мозамбике такие линии составляют большинство. Как показывает практика, такая линия на треть дешевле обычной двухфазной и вдвое дешевле в обслуживании, так что такая популярность неудивительна. Даже обычные ЛЭП часто временно используют землю в случае обрыва одного из проводов.

Возникает естественный вопрос, почему же большинство ЛЭП возвращают ток по проводам?

Причина номер один, ставшая очевидной еще в конце 19 века, это резкое усиление коррозии металлических элементов — один ампер постоянного тока через конструкцию «съедает» примерно 10 килограммов железа в год(переменный ток десятки раз менее опасен в этом плане), а ток потребления электрички измеряется в килоамперах. Только в США блуждающие токи(stray voltage) от электротранспорта наносят ущерб в полмиллиарда долларов в год, в основном страдает собственность жд компаний. И это несмотря на многочисленные предупреждающие меры — рельс изолирован от земли специальными прокладками, так что сопротивление заземления может составлять сотни Ом/км, расстояние между тяговыми подстанциями может сокращаться до сотен метров, уязвимые конструкции снабжаются катодной защитой/слоем изоляции или подключаются к станциям автоматического усиленного дренажа.

На сельских однопроводных ЛЭП ток потребителя ограничивают десятком ампер и мирятся с коррозией, большие однопроводные линии принимают специальные меры — например катод заземления Baltic Cable(~1000 А) представляет собой кольцо диаметром в 2 км на дне моря в паре километров от берега.

Рядом с мощным заземлением возникает шаговое напряжение, которое может быть опасно для людей и животных. Наводки от блуждающих токов нарушают работу сигнальных систем — в 19 веке распространение трамваев заставило резко сократить использование земли для возврата сигнала телеграфа/телефона, сегодня наводки нарушают работу сигнальных жд систем и создают шум в аудиосистемах — для борьбы с этим их иногда отключают от заземления(см. cheater plug), что является весьма небезопасной практикой.

Некоторые специфические проблемы однопроводных систем — короткое замыкание на землю может быть трудноотличимо от нормальной работы линии, мощная линия искажает показания компаса на десяток градусов на расстоянии в сотню метров из-за того что магнитные поля провода и тока возврата не полностью компенсируют друг друга.

Однопроводные линии не так хороши с трехфазным током(он обеспечивает большую равномерность передачи энергии чем однофазный и позволяет использовать очень простые в устройстве асинхронные электродвигатели). Для трехфазной линии экономия на опорах сильно меньше и земля заменяет лишь один провод из трех, так что экономия уменьшается.

Попаданца большинство этих проблем волнуют куда меньше чем современных инженеров. Скорее всего большая часть электричества уйдет на электролизные и искровые установки, так что постоянный или двухфазный ток вполне устроит попаданца. Металлические трубы и опоры практически не используются хроноаборигенами. Телеграфные/телефонные компании скорее всего аффилированы с попаданцем, так что договориться с ними куда проще.

Мы уже отмечали возможные отличия попаданческих технологий от реала — быстрое развитие нарезного оружия, меньшую ценность персональной и корабельной брони, угнетение телеграфа более ранними телефоном и радио. Теперь к ним добавилось еще одно — массовое использование однопроводных ЛЭП.

Что еще можно сделать для упрощения линии передачи? Сразу отметим что мы не будем рассматривать системы в которых одиночный провод используется в качестве волновода для высокочастотных радиоволн(Goubau line, E-Line) — они относительно реалистичны, но слишком сложны и для попаданца и для любительского анализа.

У пытливого читателя может возникнуть мысль вообще отказаться от второго проводника. В конце концов, если соеденить проводом два объекта, заряженных до разных потенциалов, то по проводу потечет ток — произойдет передача энергии. Какое количество энергии мы можем передать таким способом? Очевидно, оно пропорционально емкости соединенных объектов.

Мы умеем создавать конденсаторы — устройства с огромной электрической емкостью. Но принцип их работы основан на маскировке заряда другим зарядом противоположного знака — получается набор диполей, а электрическое поле диполя уменьшается пропорционально кубу расстояния, т.е. быстрее чем поле одиночного заряда. Очевидно что для работы конденсатора надо два проводника — для отвода заряда с одной пластины и подвода к другой.

В однопроводной схеме мы сможем использовать лишь уединенную емкость, это естественная емкость любого объекта. Если сообщить предмету заряд, то заряженные частицы распределятся по его поверхности, минимизируя потенциал, чем больше предмет, тем дальше друг от друга частицы и меньше напряжение. Уединенная емкость крайне мала по сравнению с емкостью обычного конденсатора. Для предмета размером порядка метра это 100 пикофарад. При напряжении в 1000 Вольт мы можем передать аж 0.00005 Дж за один цикл. Соответственно даже на частоте 10 кГц мы передадим смешную мощность порядка 0.5 Вт. Разумеется полноценный расчет куда сложнее, надо учитывать все эффекты, возникающие в колебательной системе. Но все эти эффекты работают лишь на ухудшение конечного результата, так что мы получили разумную оценку сверху.

Катушка Теслы может работать на частотах до мегагерца и напряжениях в миллионы вольт, так что в принципе однопроводная схема может передавать и гигаватты. Но при увеличении частоты многие виды потерь растут нелинейно — токи Фуко пропорциональны квадрату частоты, радиоизлучение — четвертой степени, увеличение напряжения вызывает огромные потери на коронный разряд на тонком проводе и т.д. т.п. При обычных напряжениях и частоте такая система имеет смехотворно низкую мощность, при увеличении напряжения она все еще уступает традиционным аналогам, а при увеличении напряжения и частоты может догнать традиционные системы по мощности, но безнадежно уступает по экономичности. Сеть полна видео фриков, показывающих использование катушки Теслы для передачи сотен ватт на несколько метров по одиночному проводу. В этих экспериментах нет ничего неожиданного для грамотного инженера. Ничего неожиданного и ничего практически ценного.

Из колебательных эффектов надо отдельно упомянуть волшебное слово «резонанс». Фрики знают что на обычного человека оно действует гипнотизирующе, так что вставляют его к месту и не к месту. Скажем, небезызвестный Назгул рекламирует свое изобретение — подрыв нескольких взрывных зарядов на резонансной частоте человеческого тела якобы обладает феноменальным поражающим эффектом. Резонанс действительно может приводить к неожиданным разрушениям, если энергия маломощного источника(топот солдат) накапливается в колебательной системе с хорошей добротностью(мост). Но с взрывным устройством у нас нет никаких проблем с мгновенным высвобождением всей доступной мощности. Все чего мы можем добиться при резонансных взрывах это сильно ухудшить действие взрывчатки за счет неточного совпадения частот и рассеяния энергии в теле человека(или кто-то полагает что колебательная система из мяса имеет высокую добротность?). В некоторых случаях мы могли бы усилить разрушающее действие, переведя большую часть энергии взрыва в определенный частотный диапазон, но это явно требует куда больших усилий чем просто подрыв нескольких зарядов по таймеру.

При передаче энергии по одиночному проводу частоты приемника и передатчика должны быть согласованы, чтобы «мячик» заряда которым они перекидываются передавался без задержек и помех. Но попытки добиться высокой добротности колебаний бессмысленны — стоячая компонента резонансной волны не передает энергии по определению, многократная передача заряда туда-сюда приведет лишь к увеличению потерь, аналогичные проблемы вызывают реактивные сопротивления в традиционных энергосистемах. Катушка Теслы также использует резонанс для простого получения высокой частоты, но устройство генератора слабо влияет на сам процесс передачи. Никаких магических результатов резонанс при однопроводной передаче энергии не дает. Точка.

Ладно, а что если мы используем Землю в качестве единственного провода(да-да, Тесла, башня Ворденклиф, секретные технологии рептилоидов Анунахов)? В конце-концов стоимость киловатчаса на станции Восток немного выше стоимости энергии в цивилизованных местах, можно смириться даже с низким КПД. Как пример можно привести нашумевшую в 2013 г. статью «Как работала Башня Тесла по передаче энергии» — в комментах многочисленные «технари» пытаются найти проблемное место проекта, в основном безуспешно.

Проблема такой системы в том что провод это одномерная система, а Земля уже двухмерная(скин-эффект не пустит волну глубже нескольких километров). Как показывает практика ненаправленная беспроводная передача худо-бедно работает на расстояниях порядка километров, а размеры планеты на 4 порядка больше.

Опять вспомним магическое слово — резонанс, на этот раз уже по делу. В резонаторе волна проходит через систему несколько раз, соответственно в несколько раз увеличивается и плотность энергии. Нам надо увеличить плотность энергии в 10,000 раз, так что нужна система с чудовищно хорошей добротностью. Волна должна пройти через десятки и сотни миллионов километров земных пород/воздуха, сохранив большую часть энергии.

Возможно, нам повезло и Земля обладает требуемой добротностью на определенной частоте? Нетрудно прикинуть что на таких расстояниях одни только омические потери становятся неприятно большими. А ведь при волна будет терять энергию еще и на поворот диполей в поляризуемых породах, перемагничивание доменов, излучение…

Какие бы модели мы не приводили, всегда остается возможность ошибки. Эксперимент — лучший судья. Если бы мы могли посмотреть на результат быстрого «впрыскивания» в Землю мощного электрического заряда… Секундочку, а как насчет молнии? Импульс тока достаточно резкий чтобы возбуждать колебания до сотен МГц, молния это десяток кулонов заряда и гигаджоуль энергии. За секунду в Землю бьет примерно сотня молний, это сотня гигаватт, даже если на нашу частоту суперрезонанса придется одна миллиардная, то работа молний эквивалентна работе башни Тесла в сотню ватт. Если башня мощностью в мегаватты способна передавать полезные количества энергии, то результат накачки резонатора планеты сотней ватт должны легко обнаруживаться приборами.

Фрики часто рисуют красивую «зебру» стоячих волн резонанса через всю Землю, понятно что удары молний не могут создать такой однородный рисунок. Но такой рисунок не может создать и одиночная башня — фазовая скорость волн до десятка килогерц в морской воде и твердых породах отличается в десятки раз. Неоднородность верхних слоев неизбежно исказит фронт волны до неузнаваемости. Это не важно, важна лишь добротность системы. Если она достаточно высока, то планеты будет накапливать передаваемую энергии до тех пор пока ее плотность не возрастет до достаточно высокой для легкого сбора. Если она низка, то проект неосуществим. Таким образом удары молний это вполне адекватный аналог башни Теслы.

Как показывают наблюдения за молниями(и весь опыт радиоспециалистов), на волны хоть-сколько то высоких частот быстро затухают. Даже на частотах в килогерцы затухание составляет примерно 2-3 дБ на тысячу км — за один оборот вокруг Земли волна ослабевает в миллиард раз, а на более высоких частотах картина еще печальней. Худо-бедно планета резонирует на нескольких частотах порядка десятка Гц — т.н. резонанс Шумана. Добротность планеты на этих частотах — 3-8 единиц(Schumann Resonances by Janis Gales, Q factors of the Schumann resonances by Toshio Ogawa and Yoshikazu Tanaka), т.е. волна теряет больше половины своей энергии уже через несколько оборотов. Если бы планета резонировала на некоторой частоте в тысячу раз лучше чем на частотах резонанса Шумана, мы не смогли бы это упустить. В общем, добротность Земли даже близко не дотягивает до чисел при которых резонансная передача энергии имела бы смысл.

Однопроводное заземление — Single-wire earth return

Однопроводной возврат на землю ( SWER ) или однопроводной возврат на землю — это однопроводная линия передачи, которая поставляет однофазную электроэнергию из электрической сети в удаленные районы по низкой цене. Его отличительной особенностью является то, что земля (или иногда водоем) используется в качестве обратного пути для тока, чтобы избежать необходимости использовать второй провод (или нейтральный провод ) в качестве обратного пути.

Однопроводное заземление в основном используется для электрификации сельской местности , но также находит применение для больших изолированных нагрузок, таких как водяные насосы. Он также используется для постоянного тока высокого напряжения по подводным силовым кабелям . Электрическая однофазная железнодорожная тяга, такая как легкорельсовый транспорт , использует очень похожую систему. В нем используются резисторы, соединенные с землей, чтобы уменьшить опасность от напряжения на рельсах, но первичные обратные токи проходят через рельсы.

История

Ллойд Мандено , OBE (1888–1973) полностью разработал SWER в Новой Зеландии примерно в 1925 году для электрификации сельской местности. Хотя он называл это «Земляная однопроводная линия», ее часто называли «веревкой для белья Мандено». Сейчас проложено более 200 000 километров в Австралии и Новой Зеландии. Он считается безопасным, надежным и недорогим при условии правильной установки предохранительных устройств и заземления. Австралийские стандарты широко используются и цитируются. Она применялась во всем мире, например, в канадской провинции из Саскачевана ; Бразилия ; Африка ; и части Верхнего Среднего Запада Соединенных Штатов и Аляски ( Вефиль ).

Принцип работы

SWER — это жизнеспособный выбор для распределительной системы, когда обычная проводка обратного тока будет стоить больше, чем изолирующие трансформаторы SWER и небольшие потери мощности. Энергетики, имеющие опыт работы как с SWER, так и с обычными линиями электропередач, оценивают SWER как одинаково безопасные, более надежные, менее дорогостоящие, но с несколько меньшей эффективностью, чем у обычных линий. SWER может вызвать возгорание при плохом техническом обслуживании, а лесные пожары представляют опасность.

Электропитание в линию SWER осуществляется через разделительный трансформатор мощностью до 300 кВА . Этот трансформатор изолирует сеть от земли или земли и изменяет напряжение сети (обычно 22 или 33 кВ между фазами) на напряжение SWER (обычно 12,7 или 19,1 кВ между фазами).

Линия SWER представляет собой одиночный проводник, который может растягиваться на десятки или даже сотни километров, с несколькими распределительными трансформаторами по всей длине. На каждом трансформаторе, например, в помещении клиента, ток течет от линии через первичную обмотку понижающего изолирующего трансформатора на землю через заземляющий стержень. От заземляющего стержня ток в конечном итоге возвращается к главному повышающему трансформатору в начале линии, замыкая цепь . SWER, таким образом, является практическим примером фантомной петли .

В областях с высокопрочным грунтом сопротивление грунта расходует энергию. Другая проблема заключается в том, что сопротивление может быть достаточно высоким, чтобы в нейтраль земли протекал недостаточный ток, в результате чего заземляющий стержень плавал до более высоких напряжений. Автоматические выключатели с самовозвратом обычно сбрасываются из-за разницы в напряжении между линией и нейтралью. Следовательно, в случае сухих грунтов с высоким сопротивлением уменьшение разницы в напряжении между линией и нейтралью может препятствовать включению выключателей. В Австралии в местах с очень сухими почвами заземляющие стержни должны быть очень глубокими. Опыт Аляски показывает, что SWER необходимо заземлять под слоем вечной мерзлоты , которая имеет высокое сопротивление.

Вторичная обмотка местного трансформатора будет снабжать потребителя однофазным (N-0) или расщепленным (N-0-N) напряжением при стандартных напряжениях электроприборов в регионе, при этом линия 0 В подключена к защитному заземлению. который обычно не пропускает рабочий ток.

Большая линия SWER может питать до 80 распределительных трансформаторов. Трансформаторы обычно рассчитаны на 5 кВА, 10 кВА и 25 кВА. Плотность нагрузки обычно ниже 0,5 кВА на километр (0,8 кВА на милю) линии. Максимальный спрос любого отдельного потребителя, как правило, составляет менее 3,5 кВА, но могут быть поставлены и большие нагрузки, вплоть до мощности распределительного трансформатора.

Некоторые системы SWER в США представляют собой обычные распределительные фидеры, которые были построены без непрерывной нейтрали (некоторые из них были устаревшими линиями электропередачи, которые были переоборудованы для обслуживания распределения в сельской местности). Подстанция, питающая такие линии, имеет заземляющий стержень на каждом полюсе внутри подстанции; тогда на каждом ответвлении от линии промежуток между полюсом рядом с трансформатором и полюсом, несущим трансформатор, будет иметь заземленный провод (что дает каждому трансформатору две точки заземления по соображениям безопасности).

Механический дизайн

Правильная механическая конструкция линии SWER может снизить стоимость ее срока службы и повысить ее безопасность.

Поскольку линия высокого напряжения с малым током, проводником, используемым в исторических линиях SWER, был забор из оцинкованной стальной проволоки № 8 . В более современных установках используются специально разработанные провода из высокоуглеродистой стали AS1222.1 , плакированные алюминием. Провода с алюминиевым покрытием вызывают коррозию в прибрежных районах, но в остальном они более подходят. Из-за больших пролетов и высокого механического напряжения вибрация от ветра может вызвать повреждение проводов. Современные системы устанавливают на провода спиральные гасители колебаний.

Изоляторы часто бывают фарфоровыми, потому что полимеры склонны к повреждению ультрафиолетом . Некоторые коммунальные предприятия устанавливают изоляторы более высокого напряжения, чтобы можно было легко модернизировать линию для увеличения мощности. Например, линии 12 кВ могут быть изолированы до 22 кВ или линии от 19 кВ до 33 кВ.

Железобетонные опоры традиционно использовались в линиях SWER из-за их низкой стоимости, низких эксплуатационных расходов и устойчивости к повреждениям водой, термитам и грибкам . Местная рабочая сила может производить их в большинстве районов, что еще больше снижает затраты. В Новой Зеландии распространены металлические столбы (часто бывшие рельсы от железнодорожной линии). Допускаются деревянные столбы. В Мозамбике столбы должны были быть высотой не менее 12 м (39 футов), чтобы жирафы могли безопасно проходить под линией.

Если зона подвержена ударам молнии, современные конструкции помещают заземляющие перемычки молнии в опоры, когда они построены, перед возведением. Ремни и проводка могут быть скомпонованы в виде недорогого грозового разрядника с закругленными краями, чтобы избежать попадания молнии.

Характеристики

Безопасность

SWER считается безопасным из-за изоляции земли как от генератора, так и от пользователя. В большинстве других электрических систем используется металлическая нейтраль, подключенная непосредственно к генератору или к общей земле.

Заземление имеет решающее значение. Значительные токи порядка 8  ампер проходят через землю около точек заземления. Необходимо качественное заземление , чтобы предотвратить риск поражения электрическим током из-за повышения потенциала земли вблизи этой точки. Также используются отдельные заземления для питания и безопасности. Дублирование точек заземления гарантирует, что система все еще безопасна, если любое из оснований повреждено.

Хорошее заземление обычно представляет собой шестиметровый стальной медный столб, вбитый вертикально в землю и прикрепленный к заземлению трансформатора и резервуару. Хорошее сопротивление заземления составляет 5–10 Ом, которое можно измерить с помощью специального оборудования для проверки заземления. Системы SWER предназначены для ограничения электрического поля в земле до 20 вольт на метр, чтобы избежать поражения электрическим током людей и животных, которые могут находиться в этом районе.

Другие стандартные функции включают автоматические выключатели повторного включения ( реклоузеры ). Большинство неисправностей (перегрузка по току) являются кратковременными. Поскольку сеть находится в сельской местности, большинство этих неисправностей будет устранено устройством повторного включения. Каждому сервисному центру требуется сменный плавкий предохранитель для защиты и переключения трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора также должна быть защищена стандартным предохранителем с большой разрывной нагрузкой (HRC) или автоматическим выключателем низкого напряжения. Ограничитель перенапряжения (искровой разрядник) на стороне высокого напряжения является обычным явлением, особенно в местах, подверженных ударам молнии.

Большинство угроз пожарной безопасности при распределении электроэнергии связано со старением оборудования: корродированными линиями, сломанными изоляторами и т. Д. Более низкая стоимость обслуживания SWER может снизить стоимость безопасной эксплуатации в этих случаях.

SWER избегает линий сталкивающихся в ветре, существенной особенности противопожарной безопасности, но проблема всплыла в официальном расследовании в лесные пожары Черной субботы в Виктории, Австралии . Они продемонстрировали, что оборванный провод SWER может замыкать на землю через сопротивление, аналогичное нормальной нагрузке схемы; в данном конкретном случае — дерево. Это может вызвать большие токи без индикации замыкания на землю. Это может представлять опасность в пожароопасных зонах, где может сломаться проводник, и ток может пройти через деревья или сухую траву.

Связь с неизолированными проводами или с заземлением может быть нарушена из-за тока заземления, если зона заземления находится ближе чем 100 м или пропускает ток более 10 А. Современные радио, оптоволоконные каналы и системы сотовой связи не пострадали.

Многие национальные электротехнические правила (особенно США) требуют наличия металлической обратной линии от нагрузки к генератору. В этих юрисдикциях каждая линия SWER должна утверждаться в порядке исключения.

Ценовые преимущества

Главное преимущество SWER — невысокая стоимость. Он часто используется в малонаселенных районах, где затраты на строительство изолированной распределительной линии не могут быть оправданы. Капитальные затраты составляют примерно 50% от эквивалентной двухпроводной однофазной линии. Они могут стоить 30% 3-проводных трехфазных систем. Затраты на техническое обслуживание составляют примерно 50% от стоимости эквивалентной линии.

SWER также снижает самую большую стоимость распределительной сети: количество полюсов. Обычные 2-проводные или 3-проводные распределительные линии имеют более высокую пропускную способность, но могут потребовать 7 полюсов на километр с пролетами от 100 до 150 метров. Высокое линейное напряжение и низкий ток SWER также позволяют использовать недорогую оцинкованную стальную проволоку (исторически называемую заборную проволоку № 8). Повышенная прочность стали позволяет использовать пролет в 400 метров и более, уменьшая количество опор до 2,5 на километр.

Если на опорах также проложен оптоволоконный кабель для телекоммуникаций (нельзя использовать металлические проводники), капитальные затраты энергетической компании могут быть дополнительно сокращены.

Надежность

SWER можно использовать в виде сетки или петли, но обычно его используют в линейной или радиальной схеме для экономии затрат. В обычной линейной форме одноточечный отказ в линии SWER приводит к потере мощности всеми потребителями, расположенными дальше по линии. Однако, поскольку в полевых условиях меньше компонентов, у SWER меньше отказов. Например, поскольку существует только одна линия, ветры не могут вызвать столкновение линий, устраняя источник повреждений, а также источник пожаров в сельской местности.

Поскольку большая часть линии передачи имеет присоединения к земле с низким сопротивлением, чрезмерные токи заземления от коротких замыканий и геомагнитных бурь встречаются реже, чем в обычных системах с металлическим возвратным током . Таким образом, SWER имеет меньше размыканий выключателя замыкания на землю для прерывания работы.

Возможность обновления

Хорошо спроектированная линия SWER может быть существенно модернизирована по мере роста спроса без новых полюсов. Первым шагом может быть замена стальной проволоки более дорогой стальной проволокой, плакированной медью или алюминием.

Возможно, удастся увеличить напряжение. Некоторые удаленные линии SWER теперь работают при напряжении до 35 кВ. Обычно для этого требуется замена изоляторов и трансформаторов, но новые полюса не нужны.

Если требуется большая мощность, вторая линия SWER может быть проложена на тех же полюсах, чтобы обеспечить две линии SWER, сдвинутые по фазе на 180 градусов. Это требует больше изоляторов и провода, но удваивает мощность без удвоения полюсов. Многие стандартные опоры SWER имеют несколько отверстий под болты для поддержки этой модернизации. Эта конфигурация вызывает подавление большинства токов заземления, снижая опасность поражения электрическим током и помех для линий связи.

Двухфазное обслуживание также возможно при двухпроводном обновлении: хотя оно менее надежно, но более эффективно. Поскольку требуется больше мощности, линии могут быть модернизированы для соответствия нагрузке, от однопроводного SWER до двухпроводного, однофазного и, наконец, до трехпроводного, трехфазного. Это обеспечивает более эффективное использование капитала и делает первоначальную установку более доступной.

Все оборудование заказчика, установленное до этих обновлений, будет однофазным, и его можно будет повторно использовать после обновления. Если требуются небольшие количества трехфазного питания , его можно экономично синтезировать из двухфазного питания с помощью местного оборудования.

Слабость в качестве электроэнергии

Линии SWER имеют тенденцию быть длинными с высоким импедансом, поэтому падение напряжения на линии часто является проблемой, вызывая плохое регулирование. Изменения в потреблении вызывают колебания подаваемого напряжения. Для борьбы с этим некоторые установки имеют автоматические регулируемые трансформаторы на объекте заказчика, чтобы поддерживать полученное напряжение в пределах юридических спецификаций.

После нескольких лет опыта изобретатель предложил установить конденсатор последовательно с землей главного изолирующего трансформатора, чтобы противодействовать индуктивному сопротивлению трансформаторов, проводов и обратного пути заземления. План состоял в том, чтобы улучшить коэффициент мощности , снизить потери и улучшить характеристики напряжения за счет потока реактивной мощности . Хотя это теоретически разумно, это не стандартная практика. Это также позволяет использовать тестовый цикл постоянного тока, чтобы отличить допустимую переменную нагрузку от (например) упавшего дерева, которое могло бы быть путем постоянного тока к земле.

Использовать

Помимо Новой Зеландии и Австралии, однопроводное заземление используется во всем мире.

Аляска

В 1981 году опытный образец линии SWER мощностью 8,5 миль был успешно проложен от дизельного завода в Бетеле до Напакиака на Аляске , США . Он работает при 80 кВ и изначально был установлен на специальных легких опорах из стекловолокна , образующих А-образную раму . С тех пор рамы А были сняты и установлены стандартные деревянные опоры . Стойки с А-образной рамой можно было переносить на легких снегоуборочных машинах и устанавливать с помощью ручных инструментов на вечную мерзлоту без значительных копаний. Для возведения «анкерных» столбов по-прежнему требовалось тяжелое оборудование, но экономия средств была значительной.

По оценкам исследователей из Университета Аляски в Фэрбенксе , США , сеть таких линий в сочетании с прибрежными ветряными турбинами может значительно снизить зависимость сельских районов Аляски от все более дорогостоящего дизельного топлива для выработки электроэнергии. Проведенное в штате Аляска экономическое энергетическое обследование рекомендовало дальнейшее изучение этого варианта с целью использования большего количества недоиспользуемых источников энергии в штате.

В развивающихся странах

В настоящее время некоторые развивающиеся страны приняли системы SWER в качестве своих систем электроснабжения , особенно Лаос , Южная Африка и Мозамбик . SWER также широко используется в Бразилии.

В системах HVDC

Многие системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC), использующие подводные силовые кабели, представляют собой однопроводные системы заземления. Биполярные системы с положительным и отрицательным кабелями также могут содержать заземляющий электрод с морской водой, используемый при выходе из строя одного полюса. Во избежание электрохимической коррозии заземляющие электроды таких систем располагаются отдельно от преобразовательных подстанций, а не рядом с кабелем передачи.

Электроды могут располагаться в море или на суше. Для катодов можно использовать неизолированные медные провода, а для анодов — графитовые стержни, закопанные в землю, или титановые сетки в море. Чтобы избежать электрохимической коррозии (и пассивации титановых поверхностей), плотность тока на поверхности электродов должна быть небольшой, поэтому требуются электроды большого размера.

Примеры систем HVDC с однопроводным заземлением включают Baltic Cable и Kontek .

Ссылки

внешние ссылки

Однопроводная передача энергии — Студопедия.Нет

В московском научно-исследовательском электротехническом институте С. В. Авраменко демонстрировал передачу переменного тока по одному проводу без заземления [17].

                                         

                                               Рис. 5. Схема однопроводной передачи энергии по схеме Авраменко [17].

 

Основу устройства составляла «вилка Авраменко», которая представляет собой два последовательно включенных полупроводниковых диода (рис.5). Если вилку присоединить к проводу, находящемуся под переменным напряжением 10-10000В, то в контуре вилки циркулирует пульсирующий ток, и через некоторое время в разряднике Р наблюдается серия искр. Временной интервал от подключения до разряда зависит от величины емкости С, частоты пульсации и размера зазора Р. Включение в линию передачи резистора номиналом 2-5 МОм не вызывает существенных изменений в работе схемы [17].

Исследуя передачу энергии по одному проводу Авраменко, Заев и Лисин приходят к выводу, что феномен объясняется наличием тока поляризации [17, 18]. По их мнению, величина тока поляризации прямо пропорционально зависит от частоты, диаметра провода обмотки генератора, плотности материала провода, атомного номера материала провода и обратно пропорциональна длине провода обмотки, массовому числу материала провода. Но главная зависимость, по мнению исследователей – обратная пропорциональность от разности квадратов частот колебаний – резонансной частоты атома материала обмотки и частоты генератора.

Авторы статьи [18] считают необходимым проверить целесообразность изготовления обмоток генератора из проводов медных, никелевых, железных, свинцовых и т. д.

Идея однопроводной передачи электроэнергии заинтересовала многих исследователей. Так в [17] описывается эксперимент Стефана Хартманна, основанный на изобретении Авраменко.

Рис. 6. Схема Стефана Хартманна [17].

В генераторе используется автомобильная катушка зажигания. Электронный генератор работает на частоте 10кГц. В качестве нагрузки используется ксеноновая лампа-вспышка, медный провод используется как антенна (рис.6). Генератор переменного напряжения через проводник, длина которого кратна длине стоячей волны электрического поля в нем, связан с «вилкой Авраменко». В случае резонанса амплитуда напряжения в точке подключения «вилки» – максимальна. Автор утверждает, что конденсатор заряжается напряжением, которое не влияет на первичный источник энергии. Генератор, по его мнению, является только источником информации. Энергия, выделяющаяся в ксеноновой лампе, определяется частотой и амплитудой колебаний. Поджег лампы осуществляется свободными электронами, текущими через медную антенну. Если убрать антенну, то ксеноновая лампа не горит.

Наши эксперименты по однопроводной передаче энергии.

       Авторы настоящей статьи провели эксперименты по передаче электроэнергии по одному проводу. В нашей схеме не использовалась «вилка Авраменко». Вместо «вилки Авраменко» использовалась обычная мостовая схема. Кроме этого мы внесли ряд других изменений в схему Авраменко, что повысило ее эффективность. Схема приведена на рисунке 7.

Общий вид устройства показан на рисунке 8а. Энергией устройство обеспечивает источник питания постоянного тока Б5-47. Нагрузкой служит лампа накаливания 220В 25Вт. На электрической схеме, изображенной на рис. 7, цифрами обозначены: 1 — генератор, 2 — расширитель спектра, 3 — «антенна». Генератор и трансформатор размещены в корпусе из диэлектрика (рис.8б, 8в), диоды, конденсатор, лампа, элементы 2 и 3, составляющие приемник энергии – в бело-голубом корпусе под лампой (рис.8).

Рис. 7. Принципиальная схема устройства для однопроводной передачи энергии

Рис. 8. Фотографии экспериментов по однопроводной передаче энергии.

       В экспериментах использовались различные лампы накаливания, наилучший результат был достигнут при использовании ламп 220В, 25Вт (рис.8г, 8д). Ключевым моментом в повышении эффективности, по сравнению со схемой Авраменко, является использование стандартной мостовой схемы, а не ее половины, а также наличие расширителя спектра. Наличие в схеме расширителя спектра приводит к тому, что нагрузка, не мешает полному заряду конденсатора. Как следствие, вся приходящая энергия расходуется на зарядку высоковольтного конденсатора с малым током утечки. Цепь при этом замыкается токами смещения на свободный конец вторичной обмотки трансформатора через антенну 3 (рис.7).

 

Что такое линии передачи? — Параметры и производительность линий передачи

Линия передачи используется для передачи электроэнергии от генерирующей подстанции к различным распределительным узлам. Он передает волну напряжения и тока от одного конца к другому. Линия передачи состоит из проводника, имеющего одинаковое поперечное сечение вдоль линии. Воздух действует как изолирующая или диэлектрическая среда между проводниками.

Линии передачи

В целях безопасности расстояние между линией и землей намного больше.Электрическая вышка используется для поддержки проводников линии электропередачи. Башни сделаны из стали для обеспечения высокой прочности проводника. Для передачи высокого напряжения в линии передачи используется постоянный ток высокого напряжения на большие расстояния.

Параметры ЛЭП

Производительность линии передачи зависит от параметров линии. Линия передачи имеет в основном четыре параметра: сопротивление, индуктивность, емкость и шунтирующую проводимость.Эти параметры равномерно распределены по линии. Следовательно, его также называют распределенным параметром линии передачи.

Индуктивность и сопротивление образуют последовательный импеданс, тогда как емкость и проводимость образуют проводимость шунта. Некоторые критические параметры линии передачи подробно описаны ниже

Линейная индуктивность — Ток в линии передачи индуцирует магнитный поток. Когда ток в линии передачи изменяется, магнитный поток также изменяется из-за того, какая ЭДС индуцирует в цепи.Величина индуцируемой ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потока. ЭДС создает в линии передачи сопротивление потоку тока в проводнике, и этот параметр известен как индуктивность линии.

Емкость линии — В линиях передачи воздух действует как диэлектрическая среда. Эта диэлектрическая среда представляет собой конденсатор между проводниками, который накапливает электрическую энергию или увеличивает емкость линии. Емкость проводника определяется как наличие заряда на единицу разности потенциалов.

Емкость незначительна в коротких линиях передачи, тогда как в длинных линиях передачи; это самый важный параметр. Это влияет на эффективность, регулирование напряжения, коэффициент мощности и стабильность системы.

Шунтирующая проводимость — Воздух действует как диэлектрическая среда между проводниками. Когда в проводнике присутствует переменное напряжение, в диэлектрической среде протекает некоторый ток из-за диэлектрических дефектов. Такой ток называется током утечки. Ток утечки зависит от атмосферных условий и загрязнений, таких как влажность и поверхностные отложения.

Шунтовая проводимость определяется как протекание тока утечки между проводниками. Распределяется равномерно по всей длине лески. Его представляет символ Y, и он измеряется в Сименсах.

Производительность линий электропередачи

Термин «производительность» включает в себя расчет конечного напряжения отправки, конечного тока отправки, коэффициента мощности конечной мощности отправки, потерь мощности в линиях, эффективности передачи, регулирования и ограничений потоков мощности в установившемся режиме и в переходных режимах.Расчеты производительности полезны при планировании системы. Некоторые критические параметры описаны ниже

.

Регулировка напряжения — Регулирование напряжения определяется как изменение величины напряжения между передающим и принимающим концом линии передачи.

КПД линий передачи — КПД линий передачи определяется как отношение входной мощности к выходной мощности.

Важные моменты

• Допуск измеряет мощность электрической цепи или, можно сказать, измеряет эффективность линии передачи, позволяя переменному току проходить через них без каких-либо препятствий.Это единица СИ — Сименс и обозначается символом Y.
.
• Импеданс является обратной величиной полного сопротивления. Его мера: затруднение возникает в ЛЭП при протекании переменного тока. Он измеряется в омах и обозначается символом z.

Страница не найдена | 404 Ошибка

• Пропустить навигацию

Находка:

• Индекс от А до Я
• Справочник людей

Подробнее:

• О коричневый
• Академики
• Прием
• Исследования
• Жизнь в кампусе

Информация для:

• Текущие студенты
• Факультет
• Персонал
• Семьи
• Выпускники
• Друзья и соседи

Информация для:

• Текущие студенты
• Факультет
• Персонал
• Семьи
• Выпускники
• Друзья и соседи

коричневый

• О коричневый
• Академики
• Прием
• Исследования
• Жизнь в кампусе
• Индекс от А до Я
• Справочник людей

г.Brown.edu

• Новости
• События
• Посетите
• Жизнь в кампусе
• Карта
• Справочник
• Коричневые приложения
• Безопасность

• О коричневый
• Академики
• Прием
• Исследования
• Жизнь в кампусе

• Индекс от А до Я
• Справочник людей

ТРАНСМИССИЯ 101: ОСНОВЫ | Служба трансмиссии

Transmission 101: основы работы системы

Линии электропередачи — это наборы проводов, называемые проводниками, по которым электроэнергия передается от генерирующих станций к подстанциям, которые поставляют электроэнергию потребителям.На электростанции электрическая мощность «повышается» до нескольких тысяч вольт трансформатором и доставляется в линию электропередачи. На многочисленных подстанциях в системе передачи трансформаторы понижают мощность до более низкого напряжения и передают ее по распределительным линиям. Линии распределения несут электроэнергию на фермы, дома и предприятия. Тип линий электропередачи, используемых для любого проекта, определяется характеристиками маршрута линии электропередачи, включая рельеф местности и существующую инфраструктуру.

Типовые конструкции линий электропередачи

• Высокое напряжение (230 кВ, 345 кВ, 400 кВ (постоянный ток), 500 кВ (постоянный ток):

В настоящее время в Миннесоте система высокого напряжения обычно состоит из систем на 230 кВ и 345 кВ. Есть также две линии постоянного тока (DC), одна на 400 кВ и одна на 500 кВ.

Конструкции обычно представляют собой стальные решетчатые башни, деревянные H-образные рамы или однополюсные стальные. (фото каждого ниже).

• Системы передачи низкого напряжения:

Системы 161 кВ и 115 кВ несут ответственность за передачу энергии от более крупной системы передачи и генерирующего объекта по всему штату.Некоторые крупные промышленные потребители могут обслуживаться напрямую от систем 161 кВ и 115 кВ.

Конструкции на 161 и 115 кВ обычно представляют собой однополюсные конструкции высотой от 70 до 95 футов.

Системы от 69 кВ до 23 кВ передают мощность на распределительные подстанции. Они также обеспечивают связь с некоторыми из более удаленных и малонаселенных районов Большой Миннесоты. Многие более мелкие и сельские промышленные потребители получают электроэнергию непосредственно от этих систем.

Конструкции обычно представляют собой однополюсные башни, построенные из дерева или стали, и имеют высоту от 50 до 70 футов.

Номинальное напряжение передачи: +/- 400 кВ HVDC Тип: Башня Типичная высота башни: 145–180 футов Типичная ширина полосы отвода: 160–180 футов	Номинальное напряжение передачи: 500 кВ Тип: Башня Типичная высота башни: 90–150 футов Типичная ширина полосы отвода: 160–200 футов	Номинальное напряжение передачи: 345 кВ Тип: Double Ckt Pole Типичная высота башни: 115–150 футов Типичная ширина полосы отвода: 140–160 футов
Номинальное напряжение передачи: 230 кВ Тип: Н-образная рама Типичная высота башни: 60-90 футов Типичная ширина полосы отвода: 100-160 футов	Номинальное напряжение передачи: 161 кВ Тип: , однополюсный Типичная высота башни: 70-95 футов Типичная ширина полосы отвода: 100-150 футов	Номинальное напряжение передачи: 115 кВ Тип: , однополюсный Типичная высота мачты: 55-80 футов Типичная ширина полосы отвода: 90-130 футов
Номинальное напряжение передачи: 69 кВ Тип: , однополюсный Типичная высота мачты: 50-70 футов Типичная ширина полосы отвода: 70-100 футов

назад в топяздчбдузвукдыдевецейр

Как надежная электроэнергия доходит до вас

Кооперативы по производству и передаче электроэнергии (G&T), такие как Great River Energy, управляют объектами по производству электроэнергии.На парогенераторной установке топливо (уголь, ядерная энергия или биомасса) нагревает воду, чтобы произвести пар и привести в действие турбину. В турбине внутреннего сгорания топливо (газ или мазут) сжигается, а горячий газ приводит в движение турбину. Другими формами производителей энергии являются ветровая гидроэнергетика и солнечная энергия.

Высоковольтные линии передачи

Трансформаторы на электростанции повышают напряжение до напряжения передачи (69 кВ, 115 кВ, 230 кВ, 500 кВ, 765 кВ), поэтому он может перемещаться на большие расстояния по высоковольтным линиям электропередачи.G&T управляет этими линиями, по которым электроэнергия передается от генерирующих станций к местам, где она используется.

ПОДСТАНЦИЯ ПЕРЕДАЧИ Трансформаторы снижают электрическую энергию до более низкого напряжения (69 кВ, 34 кВ), что делает его пригодным для доставки больших объемов на короткие расстояния.

МЕСТНАЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ ПОДСТАНЦИЯ Трансформаторы снижают электрическую энергию до более низкого напряжения (69 кВ, 34 кВ), что делает его пригодным для доставки больших объемов на короткие расстояния.

Крупный промышленный пользователь В большинстве отраслей требуется от 2400 до 4160 вольт для работы тяжелого оборудования.У них обычно есть собственная подстанция на объекте.	Распределительные линии Линии, принадлежащие местным электрическим кооперативам, подают электроэнергию к трансформаторам, которые снижают уровни мощности до 120/240 или 120/208 вольт для использования в школах, фермах, малых предприятиях и жилых домах.

к началу

ИСТОЧНИК: Minnesotta Electric Transmission Planning

Применение

линий передачи в PSpice

Линии передачи используются для распространения цифровых и аналоговых сигналов, а также в качестве компонентов частотной области в микроволновых системах.В этой заметке приложения показаны шаги и проблемы, связанные с моделированием и анализом линий передачи в PSpice.

Линии передачи используются для различных приложений, в том числе:

• ЛЭП
• Телефонные линии
• Следы на печатных платах
• Следы на многочиповых модулях
• Следы на интегральных схемах

OrCAD PSpice содержит распределенные и сосредоточенные линии передачи с потерями, которые могут помочь повысить надежность многих приложений.Для аналоговых и цифровых схем необходимо проверить качество сигнала для печатной платы и кабелей в системе. Для аналоговых цепей можно анализировать частотную характеристику цепей с линиями передачи. Целью данной статьи является изучение шагов и проблем, связанных с моделированием и анализом линий передачи в PSpice.

Анализ сетей линий электропередачи требует нескольких шагов. Эти шаги представлены на следующей блок-схеме:

Рисунок 1.Схема анализа сетей ЛЭП

Эта статья предоставляет информацию для двух центральных блоков, обсуждая соответствующие устройства и модели в PSpice, а также конкретные методы моделирования и примеры.

Концепции

В этом разделе представлены основные понятия характеристического импеданса и задержки распространения, а также отражений и перекрестных помех.

• Волновое сопротивление, Z0

Характеристический импеданс линии передачи — это отношение напряжения к току.Для форменной одежды

линии, она инвариантна относительно времени и положения на линии:

Если R и G равны нулю, характеристическое сопротивление не будет зависеть от частоты и уменьшится до

.

Константа затухания является реальной частью постоянной распространения и важна, когда необходимо учитывать потери.

Задержка распространения является обратной величиной фазовой скорости, умноженной на длину линии передачи:

где c — скорость света, а er — относительная диэлектрическая проницаемость.Для единой линии передачи без потерь.

Таблица 1. Задержка и диэлектрические постоянные для некоторых линий передачи

Когда скачок напряжения проходит по линии передачи с однородным импедансом, а затем сталкивается с резким изменением импеданса, часть падающей энергии «отражается» назад. Количество отраженной энергии зависит от степени несоответствия импеданса. Коэффициент отражения напряжения (Z1-Z0) / (Z1 + Z0) является мерой этого несоответствия:

Рисунок 2.Отражение импеданса через границу

Перекрестные помехи — это нежелательная энергия, передаваемая линии передачи из-за сигналов в соседних линиях. Величина перекрестных помех зависит от времени нарастания, геометрии сигнальной линии и конфигурации сети (типа оконечной нагрузки и т. Д.).

Количественно эта энергия является результатом взаимных индуктивностей и емкостей в уравнениях телеграфа:

Перекрестные помехи часто обсуждаются с точки зрения коэффициентов прямого и обратного перекрестных помех.Они определяются отношением взаимной емкости к собственной емкости и взаимной индуктивности к собственной индуктивности. Если мешающая линия j соединена с пострадавшей линией i , которая заканчивается своим характеристическим сопротивлением, эти коэффициенты связи равны

.

Эти выражения действительны для незакрепленных муфт (KB <0,25). Понятно, что перекрестные помехи можно уменьшить, уменьшив взаимную связь Cij и Lij или увеличив связь с землей.

На рисунке 3 показаны две сигнальные линии в непосредственной близости, которые связаны с емкостной (CM) и индуктивной (LM) связью. Обе линии имеют одинаковое характеристическое сопротивление Z0 и полностью терминированы, чтобы избежать отражений. Одна линия является «активной» и передает импульс, а другая — «пассивной».

На исходном конце пассивной линии ток из-за CM и ток из-за LM складываются. Эти суммированные токи создают падение напряжения той же полярности, что и напряжение источника, называемое перекрестными помехами «ближнего конца» или «обратного» (оно распространяется в направлении, противоположном импульсу источника).На дальнем конце пассивной линии ток из-за CM и ток из-за LM имеют противоположную полярность, вызывая перекрестные помехи «на дальнем конце» или «вперед».

Рис. 3. Две параллельно соединенные линии передачи. L = длина.

Рис. 4. Перекрестные помехи на ближнем и дальнем конце, возникающие из-за ступенчатого входа на соседней линии

• «Длинный» vs.«Короткие» линии

При определении точки, в которой межсоединение следует рассматривать как линию передачи и, следовательно, применять анализ отражения, нет единого мнения. Практическое правило: когда задержка от одного конца до другого больше, чем время нарастания / 2, линия считается электрически длинной. Если задержка меньше, чем время нарастания / 2, в линии короткое замыкание. Следовательно, следующие рекомендации:

• Сосредоточенная линия: tr / Td> = 4

• Короткая линия: 4> tr / Td> 2

«Сосредоточенные» и «короткие» линии всегда можно смоделировать с помощью цепей с сосредоточенными параметрами.Тема следующего раздела — решить, как лучше всего смоделировать электрически «длинную» линию.

Идеальные линии передачи и линии передачи с потерями

Линии передачи без потерь, то есть R = G = 0, называются идеальными линиями передачи. Это справедливо, если ослабление и скин-эффект либо незначительны, либо не влияют на анализируемые частоты сигнала.

Для реальных линий последовательное сопротивление не совсем равно нулю, а фазовая скорость немного зависит от приложенной частоты.Эти неидеальности приводят к затуханию и дисперсии.

Затухание приводит к уменьшению амплитуды сигнала, которая может зависеть от частоты.

Дисперсия возникает из-за того, что скорость распространения различна для разных частот.

Эти эффекты могут привести к тому, что частотные компоненты сигнала на дальнем конце линии будут сильно отличаться от источника. Время быстрого нарастания и спада входных сигналов можно уменьшить и сделать их «округленными».Следует отметить, что существует теоретическое условие, при котором есть затухание без дисперсии, когда R / L = G / C. Обычно это не имеет практического значения.

Производители кабелей часто предоставляют график зависимости затухания от частоты, чтобы показать подверженность этим эффектам:

Рисунок 5 — Затухание в зависимости от частоты для 100-метрового коаксиального кабеля с потерями

Количественно затухание — это действительная часть комплексной постоянной распространения

.

На высоких частотах действительная часть

или

В следующих разделах обсуждаются физические причины потери линии, скин-эффекта, диэлектрических потерь и эффекта близости.

Скин-эффект возникает из-за того, что токи имеют тенденцию концентрироваться на поверхности проводника. Плотность тока непрерывно увеличивается от центра проводника к его поверхности. Для классических скин-эффектов глубина проникновения равна

.

где K = 1 / sqrt (p * m * s), m = магнитная проницаемость проводящего материала, выраженная в генри на единицу длины, и s = проводимость проводящего материала. Для единиц СИ и для медного проводника s = 5,85×107 (ом-метр) -1 и m = 4p × 10-7 (H / метр).

Скин-эффект уменьшает эквивалентную площадь поперечного сечения проводника, что приводит к увеличению эффективного сопротивления на единицу длины с увеличением частоты.

Диэлектрические потери возникают из-за токов утечки через диэлектрический материал, что приводит к увеличению проводимости шунта на единицу длины. Это приводит к ослаблению сигнала. Для частот ниже 250 МГц этими потерями обычно можно пренебречь. Потери скин-эффекта будут преобладать до радиочастот.

Это перераспределение плотности тока в проводнике из-за взаимного отталкивания (или притяжения) токов, протекающих в соседних проводниках. Это перераспределение плотности тока уменьшает эффективную площадь поперечного сечения проводника, тем самым увеличивая последовательное сопротивление. Никаких общих практических правил предложено не было из-за его сложной природы. Этот эффект зависит от диаметра проводника, расстояния между проводниками и частоты.

Влияние потерь на параметры первичной линии

• Сопротивление на единицу длины, R

Для коаксиальных линий преобладают потери на скин-эффект, а сопротивление на единицу длины описывается как

.

На высоких частотах Rdc часто можно пренебречь

• Индуктивность на единицу длины, л

Для двухпроводных линий (витая пара, параллельный провод) было показано, что при увеличении частоты скин-эффект и эффект близости вызывают небольшое снижение эффективной самоиндукции на единицу длины линии.Этим частотным эффектом в моделях часто можно пренебречь, что может привести к отсутствию причинно-следственной связи.

• Емкость на единицу длины, C

Это зависит в первую очередь от диэлектрической проницаемости изолирующей среды и геометрии проводника. Емкость на единицу длины постоянна в широком диапазоне частот для большинства диэлектриков, таких как полиэтилен.

• Электропроводность на единицу длины, G

Если доступен тангенс угла потерь, G можно смоделировать с использованием

.

Где C — емкость на единицу длины, w — угловая частота, а tanj — коэффициент диэлектрического материала, известный как «тангенс угла потерь».

• Получение R и G из кривой зависимости затухания от частоты

Часто бывает необходимо получить R и G одновременно из кривой зависимости затухания от частоты. Были успешно использованы следующие методы:

1: Используя две точки на нижней и верхней границе интересующих частот сигнала, одновременно решите два уравнения вида:

2: Отнести 90% потерь к R и 10% потерь к G [3].Рациональным для этого является то, что большая часть потерь на высоких частотах происходит из-за сопротивления центрального проводника.

Конкретные примеры моделирования кривой затухания приведены ниже.

И идеальные линии передачи, и линии передачи с потерями могут быть смоделированы как распределенные, так и сосредоточенные. Устройство внутренней линии передачи в PSpice является распределенным, но часто можно использовать сосредоточенную макромодель. По этой причине оба представлены в библиотеках OrCAD. Ниже приведены рекомендации по выбору модели.

Выбор модели

Сети линий передачи обычно охватывают несколько категорий. Каждую линию передачи следует моделировать как можно проще, чтобы ускорить моделирование.

Таблица 2. Выбор модели для различных значений времени нарастания и постоянных первичной линии.

Распределенный (T и TLOSSY)

OrCAD предоставляет как идеальные, так и распределенные модели с потерями:

Параметры идеальной линии передачи:

• Z0 — характеристическое сопротивление
• TD — Задержка передачи

Параметры линии передачи с потерями:

• R — Сопротивление на единицу длины

• G — (шунтирующая) проводимость на единицу длины

• C — Собственная емкость на единицу длины

• L — Собственная индуктивность на единицу длины

• LEN — длина линии передачи

Сосредоточенные модели RC (TLURCx)

Линия RC — это особый случай, когда R / L велико (или последовательная индуктивность мала).Самая простая модель RC-линии — это конденсатор и резистор.

Рис. 6. Одиночный кусок RC.

OrCAD предоставляет следующие модели RC с сосредоточенными параметрами в библиотеке линий передачи:

Таблица 3. Модели RC с сосредоточенными параметрами.

Для TLURC64 значение R для одного куска составляет R * LENGTH / 64.

Распределенная линия RC может быть реализована с помощью каскада Т-образных секций, каждая Т такая же, как на рисунке 6.Если бы количество секций было бесконечным, определяющие уравнения были бы

.

В совокупности они образуют уравнение диффузии

«Задержка Элмора» этой линии составляет td = 0,5 R CL2 + R CL * L + Rd * CL + Rd CL, где Rd — сопротивление драйвера, CL — емкость нагрузки, а L — длина линии. PSpice можно использовать для прогнозирования этой задержки для гетерогенных сетей.

Сосредоточенные модели RLCG (TLUMPx)

Когда wL / R >> 1 или wC / G >> 1, индуктивность на единицу длины должна быть включена в сосредоточенную модель.

Рисунок 7: RLCG с сосредоточенными параметрами, включая последовательную индуктивность

OrCAD предоставляет следующие модели RLCG с сосредоточенными параметрами в библиотеке линий передачи

Таблица 4. Модели RLC с сосредоточенными параметрами.

Муфты трансмиссии

Линии передачи могут быть соединены для изучения эффектов взаимной индуктивной и емкостной связи, например перекрестных помех. Для этих макромоделей можно использовать как распределенную, так и сосредоточенную модель.

Системы связанных линий передачи можно описать их матрицами емкостей и индуктивностей. Элементы матрицы емкости C определены как

Cij дает заряд, индуцированный на i-м проводнике, когда провод j установлен на потенциал 1 В, а все остальные проводники заземлены. Диагональные элементы C связаны с емкостью и -го проводника относительно земли по следующей формуле

Недиагональные элементы — это взаимные емкости проводников i и j .

Члены матрицы индуктивности L описываются

Lij дает магнитный поток между проводником i -й и землей, когда провод j имеет 1,0 А, а все остальные проводники являются плавающими. Недиагональные члены — это взаимные индуктивности.

В PSpice взаимные параметры структуры связанных линий передачи следующие:

LM — Взаимная индуктивность между соседними линиями на единицу длины

CM — Взаимная емкость между соседними линиями на единицу длины

Методы [1] и [2] используются для разделения параметров линии передачи при следующих допущениях:

1. Все параметры линии, C, L, R, G, CM и LM, должны быть одинаковыми для всех линий в наборе.
2. Связь моделируется только по соседним линиям.

Краевые эффекты не учитываются из-за первого ограничения.

Для спаренных линий передачи доступны следующие модели:

Таблица 5. Детали муфты линии передачи.

В некоторых случаях для моделирования связи желательно использовать схему с сосредоточенными параметрами. Здесь мы представляем симметричную 3-проводную модель с сосредоточенными параметрами:

* симметрично соединенные 3-х проводные с сосредоточенными параметрами

.subckt C3L in1 in2 in3 out1 out2 out3

+ параметры: len = 1 r = 0 l = 1 c = 1 lm = 1 см = 1

* первый кондуктор

r1 in1 1 {len * r + 1u}

l1 1 2 {len * l / 2}

c1 2 0 {len * c}

l2 2 out1 {len * l / 2}

* второй проводник

r3 in2 3 {len * r + 1u}

l3 3 4 {len * l / 2}

c2 4 0 {len * c}

l4 4 out2 {len * l / 2}

* третий проводник

r5 in3 5 {len * r + 1u}

l5 5 6 {len * l / 2}

c3 6 0 {len * c}

l6 6 out3 {len * l / 2}

* муфты взаимные

k1 l1 l3 {лм / л}

k2 l2 l4 {лм / л}

k3 l3 l5 {лм / л}

k4 l4 l6 {лм / л}

k5 l1 l5 {лм / л}

k6 l2 l6 {лм / л}

c4 2 4 {длина * см}

c5 4 6 {длина * см}

c6 2 6 {длина * см}

.заканчивается

Эта модель может быть экстраполирована на два, четыре и пять проводников.

Чтобы иметь возможность разъединить матрицы индуктивности и емкости, LM

Практические правила выбора между сосредоточенными и распределенными типами

• Для коротких линий передачи распределенная модель может замедлить моделирование, задав максимальный временной шаг Td / 2. Для каждой строки, где Tr> Td / 2, рассмотрите возможность использования сосредоточенной модели.Кроме того, большое количество требуемых кусков может замедлить моделирование — используйте куски наибольшего размера, которые по-прежнему дают точные результаты

• Асимметричные связанные линии должны моделироваться с использованием сосредоточенных моделей из-за допущений в модели [1] и [2].

• RC (линии с высокими потерями) необходимо моделировать как контуры с сосредоточенными параметрами.

Библиотека моделей и моделирования

В этом разделе представлен обзор доступных моделей и представлены методы моделирования и соображения.

Библиотека моделей

Библиотеки OrCAD (PSpice A / D и PSpice) содержат линии передачи с потерями для коаксиального кабеля и витой пары (только анализ в частотной области), а также другие распределенные и сосредоточенные макромодели.

Коаксиальный кабель для моделирования

Простая формула для характеристического импеданса коаксиального кабеля:

Где d1 — диаметр внутреннего проводника, а d2 — диаметр внутренней поверхности экрана.Задержка распространения

Для коаксиальных линий основные потери связаны с скин-эффектом. Сопротивление на единицу длины становится:

.

Где 0 .

Где C — емкость на единицу длины, w — угловая частота, а tanf — коэффициент диэлектрического материала («тангенс угла потерь»).Угол f называется углом диэлектрических потерь. Этот угол обычно довольно мал (<0,005 радиана) для большинства диэлектриков вплоть до радиочастот.

Ниже приведен пример модели коаксиального кабеля RG6A / U из библиотек OrCAD. Обратите внимание, что R и G используют переменную Лапласа s для моделирования затухания как функции частоты:

* Единицы измерения параметров модели следующие:

* Длина: метры

* R: Ом / метр

* L: Генри / метр

* Г: Mhos / метр

* C: Фарады / метр

*

долл. США

* Z0 (Ом) vp (%) F1 (МГц) Loss1 (дБ / 100 футов) F2 (МГц) Loss2 (дБ / 100 футов)

* RG6A / U 75 66 100 2.9 1000 11

.model RG6A / U TRN (r = {59.5022u * sqrt (2 * s)} l = 379.050n

+ G = {0,0428900p * абс (с)} c = 67,3867p)

*

долл. США

Альтернативная версия модели получается путем использования атрибута FREQ в части RG6A / U для использования заданной частоты для оценки R и G. Это может иметь некоторые преимущества при анализе переходных процессов.

* Версия Subckt использует фиксированную частоту frq для моделирования простой линии с потерями

*

* Ближний конец привет

* | Ближний конец lo

* | | Дальний конец привет

* | | | Дальний конец lo

* | | | |

.subckt RG6A / U A1 A2 B1 B2 params: frq = 100Meg len = 1

.param PI2 {3.141592654 * 2}

.model RG6A / U TRN (r = {59.5022u * sqrt (PI2 * frq)} l = 379.050n

+ G = {0,0428900p * PI2 * frq} c = 67,3867p)

t A1 A2 B1 B2 rg6a / u len = {len}

.ends

• Моделирование R и G на высоких частотах

Данные по затуханию в зависимости от частоты обычно доступны для ~ 1 ГГц для коаксиального кабеля.На частотах выше ~ 1 МГц R и G имеют следующие зависимости от частоты:

Вот комплексная частота (переменная Лапласа).

Моделирование затухания в Mathcad:

Ниже приводится программа Mathcad, которая подбирает параметры потерь R и G к двум точкам кривой затухания в зависимости от частоты:

Введите затухание 100 футов кабеля в дБ при f1.

attn1: = 2,9

Введите характеристическое сопротивление кабеля.

Введите частоту @ attn1

Введите затухание 100 футов кабеля в дБ при f2.

attn2: = 11

Введите частоту @ attn2

F1 в радианах / сек

F1 в радианах / сек

Коэффициент затухания для f1 в неперсах на метр

Коэффициент затухания для f2 в неперсах на метр

альфа1 = 0,0042559231

альфа2 = 0,0108141844

* r и g являются функциями частоты и вычисляются с использованием метода

.

* описано в «Transmission Lines» Роберта Чипмана, McGraw-Hill, 1968,

* С. 65-66.Предполагается, что r увеличивается пропорционально квадратному корню

* частоты, а g изменяется прямо пропорционально частоте. Высокий

* частотное соотношение для коэффициента затухания:

*

* Альфа = ((r / z0) + (g * z0)) / 2,

*

* и r и g можно найти, выбрав значения альфа на двух частотах

* (Здесь используются 100 МГц и 1 ГГц) и решение двух одновременных уравнений:

*

* Альфа1 = (.5 / z0) * r1 + (0,5 * z0) * g1

* Альфа2 = (.5 / z0) * sqrt (w2 / w1) * r1 + (.5 * z0) * (w2 / w1) * g1

*

* Альфа конвертируется в неперы на метр, а частоты —

.

* (w1 и w2) в радианах в секунду. Правило Крамера дает:

r1 = 0,6963951914

g1 = -0,0000103123

* Тогда частотно-зависимые выражения для r и g:

Полученные параметры линии передачи равны

.

R = {2.77821e-5 * sqrt (s)}

G = {- 1.64125e-14 * абс (т)}

Твинаксиальное моделирование и моделирование экранированной витой пары (STP)

Витая экранированная пара (STP) или «твинаксиальная» рекомендуется для систем дифференциальной передачи на высоких частотах или в шумной среде. Несмотря на превосходное подавление шума, близость экрана увеличивает распределенную емкость, которая значительно ослабляет сигнал.

• Моделирование L, C, LM и CM

Чтобы смоделировать STP для дифференциального привода, необходима многожильная линия передачи.

• Могут использоваться части библиотеки OrCAD T2COUPLED или KCOUPLE2.

• В дополнение к параметрам tline с потерями R, L, G, C вам понадобятся LM и CM, взаимная индуктивность и емкость между соседними tline на единицу длины

Простая формула для характеристического сопротивления двух параллельных проводов —

.

Где d — диаметр проводника, а s — расстояние между центрами проводов.Задержка распространения

Для моделирования многопроводников (перекрестных помех) важно получить параметры связи между проводниками LM и CM. Вот предложения по получению этих параметров:

• Обратитесь к поставщику кабеля для получения данных о взаимной емкости и индуктивности.
• Измерьте матрицы емкости и индуктивности в лаборатории.
• Используйте решатель 2-D поля, такой как код, приведенный в [5].

Иногда предоставляются нечетные и четные импедансы, а не матрицы индуктивности и емкости.Характеристические импедансы четной и нечетной моды связаны с L, C, LM и CM следующим образом:

Зои = КОРЕНЬ ((L + e * LM) / (C — e * CM))

Зоопарк = КОРЕНЬ ((L + o * LM) / (C — o * CM))

Tde = SQRT ((L + e * LM) (C — e * CM))

Tdo = SQRT ((L + o * LM) (C — o * CM))

Zoe и Zoo — импедансы четной и нечетной моды соответственно, а Tde и

Tdo — соответствующие задержки. Коэффициенты e и o четные и

собственные значения нечетной моды матрицы [L] [C], и выходят на e = SQRT (2) / 2 и

o = -SQRT (2) / 2 для двух симметричных прямых.

L, C, Lm и Cm находятся путем решения 4 приведенных выше уравнений в терминах Zoe, Zoo,

.

Тде и Тдо.

• Моделирование R и G на высоких частотах

Кривые затухания твинаксиального кабеля имеют частотную зависимость a + b * sqrt (f), как и у коаксиального кабеля. Тот же метод, который предлагается для коаксиального кабеля, можно использовать для моделирования R и G для твинаксиального кабеля.

Моделирование неэкранированной витой пары (UTP)

Неэкранированная витая пара (UTP) не может использоваться на более высоких частотах, как STP.

Простая формула для характеристического сопротивления двух параллельных проводов —

.

Где d — диаметр проводника, а s — расстояние между центрами проводов. Задержка распространения

Для UTP индуктивность в области ниже ~ 500 кГц может незначительно изменяться в зависимости от частоты. Модель линии передачи с распределенными потерями позволяет R и G зависеть от частоты, но не L.Лучшее решение — выбрать значение L для интересующих частот.

Библиотека линий передачи OrCAD содержит четыре модели UTP:

Таблица 6. Модели UTP в библиотеке линий передачи.

Примечание : Эти модели можно использовать для анализа переходных процессов, установив FREQ = <частота сигнала>. Это позволит PSpice использовать значения R, G и L, соответствующие <частота сигнала>.Для использования с разверткой переменного тока установите FREQ = <ничего>.

• Моделирование R и G на средних частотах

Данные кривой затухания для кабеля UTP обычно недоступны для частот выше ~ 16 МГц. На этих средних частотах затухание не всегда подчиняется зависимости квадратного корня от частоты. Вот предлагаемый метод моделирования затухания UTP:

• Получите частотно-зависимые кривые R, G в зависимости от частоты у поставщика кабеля.

Используйте процедуру линейной аппроксимации методом наименьших квадратов, чтобы подогнать больше точек кривой затухания к полиному формы

.

Где s — комплексная частота.

• Если доступны только данные о затухании, следуйте методу, использованному в [3], который действителен выше ~ 500 кГц. Предположим, что 90% потерь вызвано скин-эффектом (параметр R), а 10% — диэлектрическими потерями (параметр G). Тогда R = 0,9 * (2Z0) * затухание и G = 0,1 * (2 / Z0) * затухание. Обратите внимание, что эта модель значительно переоценивает потери на низких частотах.

Модели с геометрическими параметрами

Другой способ моделирования линии передачи — описание ее физических размеров и относительной диэлектрической проницаемости.Существуют эмпирические уравнения, полученные для многих популярных геометрий линий электропередачи [6]. Функции, поддерживаемые выражениями аналогового моделирования поведения PSpice, позволяют создавать модели для большого разнообразия геометрий, включая коаксиальные, парные, копланарные, микрополосковые, полосковые, инвертированные микрополосковые и моды волноводов низкого порядка. Связанные линии также можно параметризовать по их геометрии. Двумя наиболее распространенными типами являются микрополосковые и полосковые.

• Конфигурация микрополосков

Рисунок 8.Конфигурация микрополосковой.

Простая формула действительна для 0,1 < w / h <2,0:

Здесь h, — высота над землей, w — ширина трассы, а t — толщина линии.

• Конфигурация полосковой линии

Рис. 9. Конфигурация полосковой линии.

Простая формула:

Здесь h, — расстояние между землями, w — ширина следа, а t — толщина линии.

Доступна библиотека геометрических параметризованных моделей, которую можно загрузить с ftp.microsim.com/tech_support/tlinean.zip.

Ленточный кабель Многопроводное моделирование

Этот тип кабеля чаще всего используется для несимметричной передачи данных, хорошо знаком разработчикам и может состоять из любого количества жил. Ленточный кабель очень гибкий, потому что он узкий, и может поместиться в узких местах, где круглый многожильный кабель не годится.Заземление может использоваться как «барьер» между асинхронными сигналами.

Простая формула для характеристического сопротивления двух параллельных проводов —

.

Где d — диаметр проводника, а s — расстояние между центрами проводов. Задержка распространения

Для моделирования многопроводников (перекрестных помех) важно получить параметры связи между проводниками LM и CM. Вот предложения по получению этих параметров:

• Обратитесь к поставщику кабеля для получения данных о взаимной емкости и индуктивности.

• Измерьте матрицы емкости и индуктивности в лаборатории.

• Используйте решатель 2-D поля, такой как код, приведенный в [5].

Рекомендации по круглому многожильному кабелю

Круглый многожильный кабель обычно не рекомендуется для высокоскоростных приложений, потому что в худшем случае количество перекрестных помех, которые могут возникнуть, варьируется от кабеля к кабелю. Тем не менее, статистический анализ перекрестных помех может быть выполнен для кабелей, соответствующих жестким производственным спецификациям.Если можно определить известное минимальное расстояние между двумя чувствительными проводниками и максимальную параллельную длину, то можно будет изучить результирующие перекрестные помехи.

Наилучшие ставки для получения матриц индуктивности и емкостей:

• Измерьте матрицы емкости и индуктивности в лаборатории.
• Используйте двумерный решатель поля, такой как двумерный код аппроксимации разделения проводов, представленный в [5].

Этот пример служит для иллюстрации процесса моделирования и имитации сети высокоскоростных системных часов с применением шагов, описанных в блок-схеме.

Введение

Системные часы ECL должны проходить через несколько печатных плат (включая объединительные платы) и 30-футовый кабель. Желательно использовать ленточный кабель, но при необходимости можно использовать твинаксиальный кабель (хотя он и дороже).

Рис. 11. Системные часы ECL, охватывающие несколько печатных плат.

ШАГ 1 : Определите частоты движения и технологические ограничения.

Мы используем технологию ECL100K, которая имеет следующие характеристики устройства:

• Нормальный логический размах составляет около 800 милливольт.

Voh = -0,9 вольт

Vol = -1,7 вольт

Высокий уровень, 125 милливольт

Низкий уровень, 125 милливольт

Хотя это гарантированный минимум, каждый из них обычно лучше примерно на 75 милливольт.

• Обычно Vcc заземлен, а Vee привязан к –5,2 вольт.

• Типичная задержка затвора составляет 1 нс

• Выходное сопротивление обычно составляет 5 Ом как в высоком, так и в низком состоянии

• Входное сопротивление затвора обычно составляет 50 кОм

• Входная емкость затвора обычно составляет 3-5 пФ.

• Выходная емкость затвора обычно составляет 2-5 пФ

• Выходные понижающие резисторы не включены в микросхему

• Максимальная рекомендуемая длина открытой линии для микрополосковой конфигурации

Z0 (Ом)	Fanout = 1 (3.3пФ) МАКС.	Fanout = 2 (6,6 пФ) МАКС.	Fanout = 4 (13,2 пФ) МАКС.	Fanout = 8 (26,4 пФ) МАКС.
50	1,6	1,1	0.7	0,6
68	1,4	0,8	0,5	0,4
75	1,3	0,8	0,4	0,3

Таблица 7.Максимальная длина открытой линии для ECL 100K для микрополосков.

На практике существует компромисс между использованием оконечной нагрузки и снижением рассеиваемой мощности. Таким образом, завершения в тракте тактового сигнала не идеальны.

ШАГ 2 : Решите, как моделировать сеть.

Канал передачи данных включает несимметричные сигналы на печатных платах и ​​дифференциальный сигнал через 30-футовый ленточный кабель. Схема также предполагает следующее:

• Требуется типовая модель для ECL 100K.
• Для ленточного кабеля необходима многожильная модель, поскольку он будет управляться дифференциально.
• Линии передачи печатных плат должны быть охарактеризованы.
• Разъемы плата-плата и плата-кабель должны иметь характеристики. Эти модели должны учитывать расположение выводов заземления для последующего моделирования перекрестных помех.

ШАГ 3 : Создайте модели.

• Драйвер и приемник ECL100K

Они включены в стандартные библиотеки OrCAD.

• Экранированный ленточный кабель с соседними дифференциальными сигналами

Технические характеристики ленточного кабеля:

Радиус проволоки (мил) = 7,5

Толщина изоляции (мил) = 10,0

Относительная диэлектрическая проницаемость изоляции = 3,5

Расстояние между соседними проводами (мил) = 50,0

Матрицы L и C получены из 2-D кода в [3].

L11 = 0.74850 мкГн / м

L12 = 0,5077 мкГн / м

L22 = 0,74850 мкГн / м

C11 = 37,432 пФ / м

C12 = 18,716 пФ / м

C22 = 37,432 пФ / м

Кривые затухания подобраны для R и G:

R = {851u * sqrt (2 * s)} Ом / м

G = {- 0,340p * абс (с)} siemens-m

• Альтернативный твинаксиальный кабель имеет следующие характеристики:

L11 = L22 = 332.730 нГн / м

C11 = C22 = 57,02 пФ / м

L12 = 253,85 нГн / м

C12 = 45,131 пФ / м

R = {241,315u * sqrt (2 * s)} Ом / м

G = {- 0.140442p * abs (s)} siemens-m

Этот кабель лучше подходит для печатных плат, но стоит дороже.

Тактовая частота ECL будет направлена ​​на внешний слой печатной платы (микрополосковой) со следующими свойствами:

Будет использоваться импеданс 75 +/- 10 Ом. Задержка распространения равна 0.16 нс / дюйм. Моделирование должно исследовать влияние верхних пределов диапазона допуска.

• Разъем D-SUB с расположением контактов 2: 1 сигнал-земля

Рис. 11. Расположение сигнала / заземления в разъемах D-SUB; S = сигнал, G = земля.

Мы используем двумерный решатель поля конечных элементов для получения матрицы емкости и индуктивности:

L11 = 2.97 нГн

L12 = 0,98 нГн

L22 = 2,91 нГн

C11 = 0,122 пФ

C12 = 0,0314 пФ

C22 = 0,122 пФ

Можно использовать модель RLCG с 8 кусками, такую ​​как TLUMP8. Для моделирования перекрестных помех мы можем использовать KCOUPLE2 или сосредоточенную связанную модель.

ШАГ 4 : Имитация сети. Выполните анализ переходных процессов 150 нс для схемы на рисунке nn.

ШАГ 5 : Сравните результаты с проектными спецификациями.

Чрезвычайно важно, чтобы системные часы соответствовали спецификациям Vil, max и Vih, min на всех входах приемника. Если «сбой» превысит эти напряжения, мы рискуем повредить данные.

Рисунок 12. Запас по напряжению

График зонда (рисунок 13) показывает, что Vih, min = -1,165 мВ и Vil, max = -1,475 мВ никогда не превышаются, а фронты тактовых импульсов монотонны в переходной области.Дифференциальное входное напряжение на конце 30-футового кабеля составляет 382 мВ в худшем случае, что превышает требуемый минимум 300 мВ.

Рис. 14. График OrCAD Probe, показывающий тактовые сигналы на входах приемников

Разрешение импульсной характеристики

Для частотно-независимых R и G OrCAD PSpice рассчитывает импульсные характеристики замкнутой формы [1]. Но когда R и G являются выражениями Лапласа, числовая импульсная характеристика вычисляется с использованием БПФ.Минимальное количество точек для БПФ — 256, а максимальное — 65536. Уменьшение RELTOL увеличивает это разрешение по частоте.

Вот несколько моментов, о которых следует помнить:

• Большие отношения G / C и R / L (особенно> ~ 1E8) могут давать неточные результаты, и моделирование может расходиться. Если одно из этих соотношений превышает 1E10, PSpice выдаст предупреждение для этого условия:

ВНИМАНИЕ — G / C для T_T1 равен 1e + 015. Результаты могут быть неточными для G / C> 1e10.

Для этих линий с высокими потерями используйте подход моделирования с сосредоточенными параметрами, как обсуждалось ранее.

• Размер временного шага будет уменьшаться по мере увеличения соотношения R / L или G / C (для линий с большими потерями). В этих случаях определяющим фактором для временных шагов становится временное разрешение импульсных характеристик, используемых в свертках для ветвей с потерями в линиях передачи.

• Чтобы увеличить разрешение для быстрых входов, установите Шаг печати на Tr / 10.

• Когда выражения Лапласа используются для R и G, числовые импульсные характеристики вычисляются на основе БПФ.Количество используемых точек и, следовательно, разрешение варьируется от 256 до 65536. PSpice пытается оценить наилучшее разрешение для моделирования, исследуя модель и длину линии передачи, RELTOL, шаг печати, верхний предел шага и конечное время . Однако существует компромисс между разрешением и временем моделирования. Количество точек можно увеличить, установив меньший шаг печати, что увеличивает разрешение импульсной характеристики. Установка нижнего предела шага также увеличит разрешение, но также может потребовать излишне малого максимального временного шага во время анализа переходных процессов.По сути, причина этого «пользовательского контроля» заключается в том, что при вычислении импульсной характеристики для tline с потерями он не знает входных данных, которые будут применяться во время анализа переходных процессов.

Пример : 10 м коаксиального кабеля RG58 / U используется для симуляции 60 нс и 600 нс. Импульсная характеристика составляет ~ 4% непричинной, но результаты все еще действительны. Моделирование 60 нс показывает хорошее разрешение на дальнем конце линии, однако имитация 600 нс требует установки RELTOL = 0.0001, чтобы получить такое же хорошее разрешение.

Беспричинность и числовая импульсная реакция

PSpice использует числовую свертку для получения импульсных характеристик линий передачи с потерями и частотно-зависимыми потерями. В основе метода свертки [1] лежит предположение о том, что импульсная характеристика является причинной функцией времени. К сожалению, не все выражения Лапласа имеют причинно-импульсные реакции.

• Что делать, если PSpice сообщает, что импульсная характеристика не является причинной?

Если импульсный отклик частично не является причинным, PSpice напишет сообщение в выходной файл:

ВНИМАНИЕ — 10.9038 процентов импульсной характеристики T_T1 не является причинной.

ВНИМАНИЕ — Должна быть задержка не менее 4,86374e-013 сек.

Отсутствие причинно-следственной связи, превышающее несколько процентов, может привести к очень неточным результатам, в зависимости от того, какая особенность импульсной характеристики была потеряна из-за усечения значений для t <0. Ниже приведены рекомендации по улучшению моделирования.

• Попробуйте добавить фазовую задержку к выражению Лапласа, умножив его на exp (-s * ), где — рекомендуемая задержка в выходном файле.

• Используйте выражение Лапласа в форме a + b * sqrt (s). sqrt (s) принципиально не является причинно-следственным, но имеет известную фазу в 45 градусов. Более высокие отношения b / L приводят к большему количеству непричинности (L = индуктивность). Проверьте, позволяют ли расчеты уменьшить это соотношение.

• Большие отношения <конечное время> / <задержка распространения> увеличивают степень отсутствия причинности из-за ограниченного разрешения БПФ, используемого для вычисления импульсной характеристики.Попробуйте выполнить более короткие симуляции для симуляции с частотно-зависимыми выражениями потерь, а затем запустите более длинные симуляции с единственными выражениями частотных потерь.

• Наконец, рассмотрите возможность использования постоянного значения для R и G, используя значения, соответствующие интересующим частотам при моделировании. Для синусоидальных сигналов это просто. Для цифровых (импульсных) входов используйте 2 / Tr для частоты.