Глава 2. Теории электропередачи

2.1. Теория передачи энергии путем взаимного превращения электрического и магнитного полей

В основах теории электричества часто утверждается, что электрические и магнитные поля связаны между собой и способны взаимно превращаться друг в друга. Также часто утверждается, что всякое изменение электрического поля вызывает появление магнитного и наоборот — всякое изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля. В /4/ говорится: «Между электрическими и магнитными полями существует глубокая внутренняя связь, проявляющаяся в том, что эти поля могут превращаться друг в друга. Поэтому электрическое и магнитные поля, взаимно превращаясь и поддерживая друг друга, будут распространяться вдоль линии. Такое объяснение передачи электроэнергии электрической энергии было предложено в начале второй половины прошлого века Максвеллом. Максвелл изложил свою теорию в 1864 году в книге «Динамическая теория электромагнитного поля». В то время еще не были разработаны и созданы современные электрические станции, сверхвысоковольтные линии электропередач и энергетические системы. Многие теории создавались интуитивно и предположительно.
Проанализируем эту теорию о связи электрического и магнитного полей с учетом современных достижений науки и практики. Есть заряд – есть электрическое поле. Движется заряд — вместе с ним движется его электрическое поле. Движение заряда вызывает появление магнитного поля. Остановился заряд – не стало магнитного поля. Электрическое поле зависит от потенциала. Магнитное поле зависит от величины электрического тока.
Связь проявляется в том, что всякое изменение величины тока и напряжения пропорциональны между собой согласно закону Ома, соответственно пропорционально изменяются электрическое и магнитное поля.
Не выдерживает критики теория превращения электрического и магнитного поля друг в друга. Превращения одного поля в другое не наблюдается. Они без какого-либо физического вмешательства не могут превращаться друг в друга. Взаимное превращение электрического и магнитного поля невозможно себе представить. В линии присутствуют оба вида поля.
Трансформация электрического тока изменяет электрическое и магнитное поля. При повышении напряжения усиливается электрическое поле и обратно пропорционально уменьшается магнитное поле. Трансформация электрического тока основана на принципах электромагнитной индукции, также как в генераторе. На низкой стороне повышающего трансформатора мало напряжение соответственно большой ток, а на высокой стороне большое напряжение, зато ток меньше во столько раз, во сколько увеличено напряжение.
Очень важно обратить внимание на то, что направленное движение зарядов в проводнике – обмотке электрической машины и трансформатора имеет место за счет действия магнитного потока. Это будет необходимо при дальнейшем обсуждении теории передачи электроэнергии.
Спорным также является вопрос – что движет заряды электродвижущая сила (ЭДС) или магнитное поле. В классической теории ошибочно считается, что силой, создающей упорядоченное движение электронов, является сила со стороны электрического поля внутри проводника, которое определяется электрическим напряжением на концах (обмотки в генераторе) провода /2/. Практика показала, что эта теория не подтверждается. На конце линии в некоторых случаях напряжение больше, чем в начале, но тем не менее передача мощности происходит как обычно. Это дополнительно подтверждает теорию движения заряда магнитным полем.
Также спорным является вопрос: посредством, каких процессов происходит распространение электрической энергии вдоль линии.
Согласно основному положению теории Максвелла, изменяющееся электрическое поле вызывает появление магнитного поля. Согласно второму основному положению теории Максвелла изменяющееся магнитное поле вызывает появление электрического поля /4/. Полагается, что электрическое и магнитное поля, взаимно превращаясь и поддерживая друг друга, будут распространяться вдоль линии. Однако электрическое и магнитное поля рассматриваются между двумя проводами. При таком рассмотрении принято, что ток постоянно замыкается по контуру между проводами токами смещения и токами проводимости по проводнику. Такое рассмотрение не является реальным. Токи проводимости по проводнику измеряются тысячами Ампер, а токи смещения составляют микроамперы или миллиамперы.
Принято, что существуют два различных процесса передачи электроэнергии: с помощью токов проводимости и при помощи электромагнитных волн. Если быстрота изменения полей мала (малые частоты), токи проводимости играют основную роль. В этом случае электрические явления существенно зависят от сопротивления линии и, следовательно, от материала проводов. Если же поля изменяются быстро (большие частоты), то основную роль играют электрические явления, которые определяются электромагнитными волнами. При этом, основные процессы происходят между проводами, в окружающей среде, и электрические явления практически не зависят от свойств материала проводов /4/.
Генерация, трансформация и передача электрического тока имеют одинаковую физику процесса. В электрическом генераторе магнитное поле ротора пересекает обмотку статора, воздействуют на заряды (электроны) и приводят их в движение, появляется электрический ток. В трансформаторе электрический ток первичной обмотки создает магнитный поток в стали, который приводит в движение заряды в проводнике вторичной обмотки, таким образом, происходит трансформация электрической энергии. В линии электропередачи электрический ток создает вокруг провода магнитное поле, которое движет заряды в проводнике, которое в свою очередь создает магнитное поле, таким образом, процесс идет непрерывно.
В курсах ТОЭ и «Электрические сети и системы» вообще нет объяснения физики процесса переноса электроэнергии. Нужно включить отдельные разделы в эти курсы по теории передачи электрической энергии.

2.2. Теория передачи электрической энергии электронной проводимостью

Мы считаем, что перенос электроэнергии происходит как за счет электронной электропроводности проводника, так и за счет электрического поля. Активная мощность передается по проводнику, а реактивная мощность передается электрическим полем.
Согласно квантово–механической теории электропроводности металлов, найдены зависимость электропроводности от концентрации электронов, величины заряда, средней скорости упорядоченного движения зарядов. Плотность тока по этой теории

j = nev,

где n – концентрация электронов, е – заряд, v — средняя скорость упорядоченного движения электронов, которая в свою очередь зависит от длины свободного пробега и мессы электрона.
Чем больше напряжение, тем сильнее сказывается электрическое поле, а магнитное поле пропорционально электрическому току. Электрическое и магнитное поля сдвинуты на 180 градусов. Они характеризуются емкостной и индуктивной реактивной мощностями. Они компенсируют друг друга. При преобладании электрического поля генерируемая линией емкостная реактивная мощность больше, чем потребляемая ею индуктивная мощность, и, наоборот, при преобладании магнитного поля индуктивная реактивная мощность больше, чем емкостная.
При передаче электрической энергии, активной мощности оказывает сопротивление активное сопротивление, емкостной реактивной мощности емкостное сопротивление, а индуктивной реактивной мощности индуктивное сопротивление цепи. В последовательной схеме расчет ведут по полному току.
В учебниках «Электрические сети и системы» /5.6.7/ все расчеты излагаются исходя из того, что все элементы электрической системы замещаются с сосредоточенными параметрами, где применимы законы Ома, Кирхгофа.
В отдельной главе, посвященной длинным сверхвысоковольтным линиям, передача электроэнергии принята электромагнитными волнами и с распределенными параметрами. Такое допущение принято и в других учебниках.
В литературе серьезно не обосновывается, в каких случаях имеет место передача электроэнергии токами проводимости или передача электромагнитными волнами, не объясняются причины перехода передачи электроэнергии токами проводимости к передаче токами смещения на линиях сверхвысокого напряжения. Не рассматриваются такие вопросы как зависимость вида электропередачи от частоты и ряд других.
Согласно квантово-механической теории электропроводности металлов, электропроводность зависит от подвижности и плотности свободных электронов, от длины свободного пробега электрона, а скорость передачи электрической энергии – от средней скорости мигрирующих электронов.
Удельная электропроводность материала проводника равна
γ =ne2t/2m

Средняя скорость упорядоченного движения электронов, которое равно
v = eEt/2m,

Где t – среднее время свободного пробега электронов, m – масса носителя заряда.
Плотность тока определяется из выражения
j =ne2tE/2m

В виду того, что скорость передачи электрической энергии по металлу зависит от скорости мигрирующих электронов, которая равна, примерно, V=1000 км/сек, скорость передачи электрической энергии по проводам равна скорости электронов /2/.
Длина волны в таком случае составит всего
λ=TV,

где Т — период, при частоте f=50 гц, равный 0,02 с.
Переменный ток частотой 50 Гц относится к низким частотам, поэтому надо считать, что передача активной электрической энергии переменным током осуществляется токами проводимости, а реактивной энергии электрическим полем.
Необходимо отметить, что вопросы разграничения двух процессов передачи электрической энергии в зависимости от частоты в литературе не приводятся. В линиях связи (телефон, телеграф, радио, телевидение), где применяются высокие частоты, сечение провода и материал не играют существенной роли, так как передача электрической энергии осуществляется распространением электромагнитных волн вдоль проводов линии.

2.3. Теория передачи электромагнитными волнами (Волновая теория)

В /3/ утверждается, передача энергии вдоль проводов сверхвысоковольтной линии осуществляется электромагнитным полем, распространяющимся в диэлектрике вдоль проводов линии. Провода линии служат направляющими электромагнитного поля.
В /4/ говорится: если же поля изменяются быстро (большие частоты), то основную роль играют токи смещения, и электрические явления определяются электромагнитными волнами. При этом основные процессы происходят между проводами в окружающей среде и электрические явления практически не зависят от свойств материала проводов.
Скорость передачи электромагнитными волнами принимается равной скорости света 300⋅103 км/сек.
Длина волны при этом будет равна

λ=0,02⋅300⋅103 (км).

Передача электрического тока электромагнитными волнами, согласно основному положению, вдоль линии происходит путем превращения электрического поля в магнитное и обратного превращения в электрическое. Теория и практика показали несостоятельность этой теории.
Электрическое и магнитное поля играют непосредственную роль в передаче электроэнергии. Начиная с генератора магнитное поле, вызывает движение электронов. Движение электронов (электрический ток) создает магнитное поле, которое в свою очередь вызывает движение электронов. Передача переменного тока частотой 50 Гц электромагнитными волнами (токами смещения) не выдерживает критики.
Нет никаких объяснений доказательств, что в дальних электропередачах сверхвысокого напряжения электроэнергия передается электромагнитными волнами.
Проанализируем изменения параметров, характеристик линии с ростом напряжения и протяженности для выявления причин, по которым передача энергии токами проводимости переходит к токам смещения.
С ростом дальности линии растет активное и индуктивное сопротивления, емкостная проводимость, соответственно, индуктивная и емкостная мощности линии пропорционально ее длине, которые не могут резко изменить процесс передачи энергии, так как все зависимости являются линейными. Активное, реактивное сопротивления прямо пропорциональны длине, соответственно генерируемая и потребляемая мощности будут пропорциональны длине линии. С ростом напряжения сильно увеличивается емкостная мощность пропорционально квадрату напряжения. Однако, ее доля относительно натуральной мощности линии в зависимости от напряжения при частоте 50гц не меняется и составляет примерно 10% на 100 км длины линии.
В зависимости от частоты, имеет место рост доли передачи энергии электромагнитными волнами, так как емкостная проводимость b0=ω⋅C0 прямо пропорциональна частоте ω=2π⋅f и индуктивное сопротивление линии увеличивается пропорционально частоте xl = 2πfl.
В линиях связи, где применяются частоты в тысячи и сотни тысяч раз большие, чем в линиях электропередачи, несомненно, основная роль передачи энергии принадлежит электромагнитным волнам, а основная роль в передаче переменного тока принадлежит токам проводимости проводника.
Весь опыт проектирования линий электропередачи (выбор сечения проводов, расчет и выбор трансформаторов и т.д.), расчеты их параметров (потери мощности, энергии, напряжения и т.д.) показывают, что передача электрической мощности частотой 50 Гц осуществляется за счет электронной проводимости проводов. При передаче электрической энергии вокруг провода устанавливается электрическое и магнитное поля, которые создают емкостную проводимость, индуктивное сопротивление, емкостную и индуктивную мощности. Электромагнитными волнами не может быть передана даже какая-то часть активной мощности при такой низкой частоте, которая применяется в передачах переменного тока.
Подтверждением передачи энергии за счет электронной проводимости проводов является факт определения емкостной, индуктивной и натуральной мощностей на линии, исходя из факта протекания тока по проводнику.
Возникает вопрос, не допускаем ли мы ошибки при анализе режимов и в расчетах сверхвысоковольтных длинных линий, принимая, что в ней природа передачи иная, чем в обычных линиях. Мы считаем, что волновая теория электропередачи не подходит для расчетов линий электропередач переменного тока 50 Гц любого класса напряжения, в том числе и в передачах сверхвысоких напряжений.
При передаче энергии по сверхвысоковольтным длинным линиям электронной проводимостью, для них так же должны быть применены законы Ома, Кирхгофа и других. При таком подходе возникает задача пересмотра существующих их методов расчета.
Другой большой ошибкой является принятие скорости передачи электромагнитной волны вдоль провода равной скорости света. Излученная электромагнитная волна (радиоволна) распространяется, конечно, со скоростью света, так как они имеют одинаковую физическую сущность. Передача электромагнитной волны вдоль провода связана с передачей электрического тока электронами, которые имеют совершенно другую скорость. Скорость перемещения электрического поля жестко связана со скоростью перемещения электронов.
Третьей серьезной ошибкой в расчетах сверхвысоковольтных линий является применение уравнений однородной линии с распределенными параметрами.

2.4. О теории прямой и обратной волны

Считается /8.9/, что передача энергии связана с распространением бегущих результирующих волн тока и напряжения, каждую из которых для удобства анализа представляют двумя бегущими волнами – прямой (падающей) и обратной (отраженной). Падающей электромагнитной волной называют процесс перемещения электромагнитной волны от источника к приемнику. Отраженной электромагнитной волной называют процесс перемещения электромагнитной волны от приемника к источнику энергии. Утверждается, что передача активной мощности по линии совершается именно за счет движения результирующих волн напряжения и тока. Считается, что как прямая, так и обратная волна несут активную и реактивную мощность. Также считается, что при каких — то условиях могут отсутствовать обратные волны. При рассмотрении линий низких и высоких напряжений обычно в литературе ничего не говорится о прямых и обратных волнах. При рассмотрении сверхвысоковольтных линий электропередач наряду с рассмотрением их как цепи с распределенными параметрами, принято считать, что передача электроэнергии имеет волновой характер и имеет место прямая и обратная волна. Проведя анализ методов расчета обычных и сверхвысоковольтных линий, мы пришли к заключению, что в передачах переменного тока любой длины и любого напряжения применима выше рассмотренная электронная теория электропередачи и не подходит теория передачи электромагнитными волнами и отсутствуют прямые и обратные волны. Электропередачи переменного тока представляют собой замкнутые цепи и ни от чего отражаться потокам электронов в проводнике. Отраженные волны могут иметь место в высокочастотных передачах радиоволнами так и в высокочастотных передачах энергии по проводам. Ошибочно некоторые считают волновую теорию передачи применимой в электроэнергетике, в которой нет никаких обратных волн.

Содержание:

Статьи и книги по теме: