Передача электроэнергии по одному проводу — выдумка или реальность?
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 у нас в стране 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.
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 за рядами!
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.
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.
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.
Высокие должностные лица с учеными степенями, убедившиеся в реальности опыта, были просто ошеломлены (однако своих фамилий просили на всякий случай не называть).
А наиболее представительная делегация знакомилась с опытами Авраменко еще летом 1989 года.
В нее входили заместитель министра Минэнерго, начальники главков и другие ответственные научно-административные работники.
Поскольку вразумительного теоретического объяснения эффектам Авраменко никто дать не мог, делегация ограничилась тем, что пожелала ему дальнейших успехов и чинно удалилась. Кстати, о заинтересованности государственных органов в технических новшествах: Авраменко подал первую заявку на изобретение в январе 1978 года, но до сих пор не получил авторского свидетельства.
А ведь 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.
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.
Источник
Однопроводные ЛЭП: дорога в никуда или будущее энергетики?
Передача электроэнергии в удаленные населенные пункты с небольшим числом жителей требует экономичных решений. Одним из вариантов является применение однопроводных линий. Обратной стороной снижения затрат при строительстве являются значительные ограничения по передаваемой мощности и вариантам размещения системы. Поэтому около 30 лет тому назад однопроводные линии сочли бесперспективным направлением, но сейчас к ним снова возрождается интерес. Считается, что современные технологии позволяют вывести однопроводные ЛЭП на новый технический уровень, когда они смогут конкурировать с двух- и трехпроводными аналогами не только по стоимости строительства, но и по эффективности. Разберемся, так ли это на самом деле и какие есть реальные перспективы для подобных решений.
В последнее время вокруг фигуры Николы Тесла возник ореол таинственности. Говорят, что этот ученый сделал некое изобретении, которое позволяло обеспечить человечество бесплатной электроэнергией. Тесла якобы научился черпать энергию из ничего, что не понравилось нефтяным магнатам. Правда, никаких публикаций о подобных системах не осталось, что, кстати, дополнительно подогревает интерес любителей «теории заговоров» — значит, «мировая закулиса» уничтожила все документальные свидетельства великого изобретения.
Но вполне возможно, что полумифическое изобретение, вокруг которого подняли шумиху, существует в реальности и даже практически реализовано, просто принцип его действия несколько иной, чем они его описывают. Действительно, Тесла нашел способ, как значительно удешевить строительство ЛЭП и на порядок снизить потери в них. В итоге человечество могло получить, хотя и не бесплатную, но очень дешевую электроэнергию. Изобретение было запатентовано в 1900 году, но практическая реализация оказалось отложена более чем на век. И причина заключается не в злокознях нефтяных баронов, а просто потому, что долгое время уровень развития технологий не позволял его реализовать.
Система, предложенная Николой Тесла, работает следующим образом (рис. 1). На передающей и приемной сторонах стоят трансформаторы Тесла. Они соединены между собой однопроводной линией электропередачи, которая, как и любой отрезок провода, имеет некую собственную резонансную частоту. Оба трансформатора настроены на эту частоту.
Благодаря резонансу электроэнергия передается не током в сердцевине провода, а электромагнитными волнами, распространяющимися вдоль его поверхности. Таким образом, резко снижаются потери электроэнергии. Кроме этого, можно сэкономить на проводе — он может быть значительно тоньше, чем в традиционных ЛЭП и выполнен из дешевого сплава со сравнительно невысокой проводимостью. И, конечно, значительная экономия получается благодаря тому, что проводов не два, а один.
Основная проблема в реализации такого принципа заключается в том, что собственная частота резонанса линии постоянно меняется. Изменилась температура окружающей среды — изменилась длина провода, нужно менять частоту, на которой передается электроэнергия. И есть множество других факторов, которые требуют постоянно подстраивать рабочую частоту системы. В начале XX века это было невозможно сделать, поэтому дальше лабораторных опытов дело не пошло.
Но от идеи использовать один провод вместо двух инженеры не отказались, реализовав ее на доступном тогда технологическом уровне.
Система SWER
В простейшем варианте однопроводные линии электропередач работают на тех же принципах, что и двухпроводные, но в качестве одного из проводов используется земля. Называется такая система SWER (Single Wire Earth Return — однопроводная с землей в качестве обратного провода).
Схема передачи электроэнергии по системе SWER показана на рис. 2. Используется заземление с сопротивлением 5-10 Ом. Поскольку сопротивление нашей планеты составляет менее 1 Ом, характеристики системы будут определяться главным образом сопротивлением заземления. Сила тока в заземлении не должна превышать 8 А, что ограничивает передаваемую мощность. Напряжение между проводом или землей составляет 12,7 или 19,1 кВ. Провод, по которому осуществляется передача энергии — стальной оцинкованный диаметром 3,26 мм, в последнее время вместо оцинкованных используют стальные провода, покрытые тонким слоем алюминия.
Объекты альтернативной энергетики, такие, как массивы солнечных батарей или ветряки, обычно располагаются вдали от крупных городов, зачастую в труднодоступных местах. Для доставки электроэнергии от них к потребителю разработана система SWER нового поколения, работающая на постоянном токе. Проблемы с безопасностью решаются с помощью усовершенствованных защитных устройств.
Основной проблемой для системы SWER является обеспечение безопасности. Система рассчитывается таким образом, чтобы шаговое напряжение в почве не превышало 20 В/м. То есть шаговое напряжение не опасно для человека. Хотя некоторые экологи считают, что протекание электрического тока через землю негативно сказывается на природе. К тому же, SWER нельзя использовать в крупных агломерациях, так как там она будет вызывать электрическую коррозию объектов городской инфраструктуры вблизи питающих подстанций. Поэтому SWER используется только для электрификации удаленных населенных пунктов.
В случае, если провод упал на землю или на дерево, но при этом сила тока оказалась в допустимых пределах, соответствующих нормальной нагрузке, это обстоятельство не может быть сразу определено на передающей стороне без получения информации, что к потребителю энергия не поступает. Соответственно, нет возможности сразу отключить подачу электроэнергии в подобных аварийных ситуациях. Это уже приводило к возникновению лесных пожаров.
Впервые система SWER была использована еще в 1925 году при строительстве ЛЭП в Новой Зеландии. С тех пор SWER получила большое распространение в этой стране, а также в соседней Австралии. Причина того, что именно в этих странах SWER завоевала популярность, связана с низкой плотностью населения там. В Австралии есть дополнительное преимущество для данной системы — значительная часть территории страны покрыта пустынями, где система SWER не создает практически никаких проблем. По данным на 2008 г., в Австралии эксплуатировалось более 150 тыс. км. линий SWER.
Помимо Австралии и Новой Зеландии, система SWER использовалась в Бразилии, Канаде, а также в ряде африканских стран. Существует опытная ЛЭП и в США на Аляске. Также системы, аналогичные SWER, используются на некоторых подводных ЛЭП, обратным проводом в них является морская вода. Как правило, подводные однопроводные системы работают на постоянном токе.
Следует отметить, что в большинстве стран мира национальные нормы требуют использования металлического обратного провода, но в ряде случаев эксплуатация систем SWER, тем не менее, допускается на основе разрешения, выданного в индивидуальном порядке. В СССР и в современной России SWER и аналогичные ей системы никогда не использовались, даже не рассматривалась официально возможность строительства таких ЛЭП. Для нашей страны с большими лесными массивами и множеством факторов, способствующим обрыву проводов ЛЭП, имеющиеся в системе SWER проблемы с безопасностью оказываются совершенно неприемлемыми.
За рубежом интерес к развитию системы SWER к середине 80-х годов постепенно угас, но в конце 2000-х годов возродился вновь. В условиях глобального экономического кризиса инвесторы обратили свои взоры на Африку, так как экономики многих стран этого континента демонстрируют впечатляющий рост. Но именно там существуют проблемы с энергоснабжением. Система SWER способна решить их с небольшими затратами, при этом условия на континенте (малая плотность населения, значительную часть площади занимают пустыни) оптимальны для данной системы.
Резонансные системы передачи
В СССР вместо SWER разрабатывали систему однопроводной системы передачи электроэнергии, основанной на принципе, открытом Николой Тесла. Работы по изучению работы ЛЭП в резонансном режиме были начаты в 1956 году в Сибирском НИИ энергетики (Сиб-НИИЭ) под руководством профессора В.К.Щербакова. В 80-е годы разработки по однопроводным линиям велись во Всесоюзном энергетическом институте (ВИЭ), позже это проблематикой занялись во Всероссийском НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).
Большой вклад в развитие однопроводных резонансных систем электропередачи внес российский ученый С. В. Авраменко. Наряду с созданием резонансных систем, эффективность которых подтверждена официальной наукой, ему принадлежит идея так называемой «вилки Авраменко» — однопроводной системы передачи, не требующей заземления и традиционных резонансных контуров с катушками. Тема «вилки Авраменко» широко обсуждается на интернет- форумах, приводятся данные о многочисленных опытах, подтверждающих работоспособность данной конструкции. Внимательное изучение фотографий показывает, что многие любительские опыты дают сомнительные результаты из-за явного присутствия в них обратного провода в виде емкостной связи, хотя были и опыты, проводившиеся квалифицированными специалистами по всем правилам. Официальная наука пока не создала теорию, объясняющую работу «вилки Авраменко».
По сравнению со SWER, однопроводная резонансная линия более безопасна. При обрыве или же замыкании на землю провода меняется частота собственного резонанса линии. Это может быть обнаружено автоматикой на передающей стороне и подача электроэнергии будет сразу же отключена. Не говоря уж о том, что из-за изменения частоты резонанса напряжение в линии само по себе резко уменьшается. По этой же причине однопроводные резонансные линии надежно защищены от несанкционированного отбора электроэнергии. Данные о воздействии электрической коррозии от резонансных однопроводных систем на городскую инфраструктуру пока отсутствуют из-за малочисленности опытов.
Современная реализация идей Теслы предусматривает подстройку рабочей частоты системы и резонансной частоты трансформаторов с помощью компьютеров. Это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования, что является недостатком системы. Поэтому применять однопроводные резонансные системы стоит главным образом как часть интеллектуальных систем электропитания с распределенным управлением, что позволяет использовать одно и то же компьютерное оборудование как для управления сетью, так и для подстройки частоты.
В резонансных однопроводных линиях передача энергии осуществляется на частотах от 1,5 кГц до 20 кГц. Это значительно выше, чем частота переменного тока в обычных линиях (50 Гц), к тому же, частота может меняться в широких пределах. При передаче больших мощностей по воздушным ЛЭП возникает проблема электромагнитной совместимости с электронными устройствами, находящимися поблизости, не решенная до сих пор.
Тем не менее, однопроводные резонансные системы уже сейчас могут найти применение для питания устройств с небольшой потребляемой мощностью (порядка единиц ватт). Речь идет о камерах видеонаблюдения и публичных точках доступа Wi-Fi, установленных в парках, а также других открытых пространствах. Эти устройства соединяются друг с другом самонесущим волоконно-оптическим кабелем, имеющим внутри прочный стальной трос. По этому тросу можно организовать однопроводную передачу электроэнергии.
В 2013 году в подмосковном городе Дубна была введена в эксплуатацию непрерывная зона доступа Wi-Fi вдоль набережной Волги длиной 1250 м. Точки доступа Wi-Fi питаются в ней через стальной трос оптического кабеля описанным выше способом. Оборудование создано ООО «Мезон» — резидентом технопарка при местном университете. По оценкам разработчиков, их система позволяет на 40% сократить капитальные затраты на строительство линии электропередачи.
Дальнейшее развитие однопроводных резонансных систем будет, очевидно, связано с внедрением технологии для создания подземных кабельных линий. При этом автоматически решается проблема электромагнитной совместимости, да и частота собственного резонанса линии, находящейся под землей, более стабильна, что упрощает систему регулировки частоты.
В ВИЭСХ уже создана опытная подземная однопроводная линия длиной 1,2 км, способная передавать электроэнергию мощностью до 20 кВт. Есть и разработки, позволяющие передавать до 100 кВт. Основная проблема, которую предстоит решить для широкого распространения подземных однопроводных линий — создание недорогой изоляции с минимальными потерями электромагнитных волн, распространяющихся вдоль провода. Возможным выходом станут так называемые газоизолированные ЛЭП, в которых изоляцией является специальный газ, закачанный под давлением в оболочку провода. Тем не менее, о полной замене традиционных систем передачи электроэнергии на однопроводные резонансные в обозримом будущем говорить не приходится. Но для специализированных применений, как, например, упоминавшаяся система электропитания точек доступа Wi-Fi, однопроводные системы уже сейчас могут использоваться, давая значительную экономию.
Алексей ВАСИЛЬЕВ
Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок» № 4 (64) июль-август 2015
Источник
