ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ КАК ЗАЩИТА ОТ ГОЛОЛЕДА
Каганов В.И.
Доктор технических наук, профессор, Московский государственный Университет Телекоммуникационных систем, радиотехники и электроники (МИЭА).
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ КАК ЗАЩИТА ОТ ГОЛОЛЕДА
Аннотация
Предлагаются для защиты от гололеда два способа преобразования электромагнитной энергии в тепло: с помощью бегущей и стоячей волны. Приводятся результаты лабораторного эксперимента по проверке методов
Ключевые слова: электромагнитные волны, гололед , тепло, резонатор.
Ksganov W.I.
Professor, Doctor of Technical Sciences, Moscow State University of Information Technologies, Radio Engineering and Electronics (MIREA)
ELECTROMAGNETIC WAVES AS PROTECTION ICING
Abstract
Two ways to convert electromagnetic energy into heat are analyzed: with the help of traveling and standing waves. The results of laboratory experiment to test methods given.
Keywords: electromagnetic wave, icing , thermal heating , resonator.
Отложение наледи на проводах происходит при резком перепаде значения температуры окружающего воздуха, когда влага замерзает на поверхности охлажденных предметов. При этом толщина льда на проводах ЛЭП может достигать 60 мм. В результате происходит обрыв проводов, их недопустимо близкое сближение и раскачивание. Можно привести много примеров серьезных аварий из-за гололеда в электросетях России, Канады и Европы.
Одной из серьезных причин нарушения нормального функционирования железнодорожного транспорта во всем мире является обледенение проводов контактной сети. В результате обледенения создаются дополнительные механические нагрузки на провода и возникают дуговые разряды с большими токами, обусловливающие обжигание проводов и повреждение дорогостоящих графитовых токоприемников. Подобные явления возникают даже при образовании на проводах тонкого ледяного слоя в виде инея.
В этой связи предлагается принципиально новый способу защиты электрических сетей от гололеда путем преобразования энергии СВЧ электромагнитных волн в тепло и нагрев проводов до температуры + (15-20)0 С , что должно предотвращать образование на них наледи. Таким образом, предлагается не очищать от гололеда провода, а защищать последние от образования на них наледи с помощью как бегущей, так и стоячей электромагнитной волны.
Способ бегущей электромагнитной волны В этом случае к линии электропередачи через высоковольтные конденсаторы подключается высокочастотный генератор частотой 81,36 Мгц, разрешенной к применению для промышленных целей. Для волны, распространяющейся вдоль бесконечно длинной линии на расстоянии x от ее начала, уравнение баланса мощностей имеет вид :
(1)
где PГ – мощность волны, подводимой к линии от внешнего высокочастотного генератора; PR – мощность волны, перешедшей в тепло в силу распределенного активного сопротивления длинной линии; PS - мощность излучения линии.
По причине скин-эффекта, т.е. вытеснения тока к внешней поверхности провода, его активное (омическое) сопротивление резко возрастает [1 -2] . Для преобразования в тепло энергии излучения вдоль провода располагаются специальные резисторы –излучатели, греющие провода. Экспериментальная проверка нагрева двухпроводной длинной линии с многожильными алюминиевыми проводами с помощью бегущей электромагнитной, проведенная на территории Подольского химико-металлургического завода (ПХМЗ), подтвердила реальность данного метода.
Преобразование энергии стоячей электромагнитной волны в тепло.
В этом случае нагреваемое тело размешается внутри объемного резонатора, резонансная частота которого определяется целым числом стоячих полуволн, укладываемых вдоль его стенок [2]. Частота генератора должна совпадать как с резонансной частотой резонатора, так и с частотой дипольного момента молекул тел нагреваемого тела. Для быстрого ввода и вывода последнего в пространство облучения (поз.1 на рис.1) предлагается использовать новый тип объемного резонатора – полуоткрытый, с металлической сеткой, соединяющий рефлекторы по части их окружности (поз.2 на рис.1).
Рис.1
Рис.2
Фотография лабораторной установки по экспериментальной проверке данного метода нагрева провода с ледяной коркой приведена на рис.2. Установка включает магнетрон мощностью 800 Вт (поз.3 на рис.1) с блоком питания от серийно выпускаемой микроволновой печи частотой 2450 МГц . В качестве резонатора полуоткрытого типа использовались два металлических рефлектора диаметром 25см, соединенные между собой металлической сеткой с малыми ячейками. Расстояние между центрами рефлекторов равно 31 см. Измерение температуры производилось с помощью инфракрасного пирометра. В качестве индикатора эффективности нагрева с помощью микроволнового излучения использовался баллон с водой массой 100г, помещенный в свободное пространство между рефлекторами (рис.2).
Данный метод борьбы с гололедом предлагается использовать для быстрого уничтожения ледяной пленки на контактном проводе железнодорожного транспорта [3]. Расположив перед пантографом группу таких микроволновых нагревателей с магнетронами повышенной мощности каждый локомотив будет, образно говоря, расчищать перед собой дорогу, избавляясь от наледи на контактном проводе.
Отражатели можно закрепить на дополнительном пантографе, имеющим вместо графитового токоприемника прочный керамический стержень, скользящий по контактному проводу. Тем самым будет обеспечено постоянное расположение контактного провода по вертикали в центре электромагнитного поля резонатора. Реализация описанного изобретения позволит обеспечить нормальные условия эксплуатации железнодорожного транспорта при самых неблагоприятных погодных условиях.
Заключение. Проведенное исследования позволяет сделать вывод о том, что с помощью ВЧ и СВЧ электромагнитных волн можно защитить от гололеда как высоковольтные воздушные линии электропередачи , так и контактную сеть на железнодорожном транспорте. Оба способа защиты проводов от гололеда с помощью бегущей и стоячей электромагнитной волны проверены экспериментально на лабораторных стендах.
Таким образом, с помощью электромагнитных волн можно обеспечить нормальные условия эксплуатации двух важнейших промышленных систем при самых неблагоприятных погодных условиях. Для внедрения в экономику нового метода борьбы с гололедом следует приступить к созданию промышленных установок.
Литература
- Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М.: ГИТТЛ, 1956.
- Джексон Дж. Классическая электродинамика. – .:М.:Мир, 1965.
- Каганов В.И. //Инженерная физика, 2014г., №9, С.3-8.
References
- Tamm I.E. Osnovy teorii jelektrichestva. – M.: GITTL, 1956.
- Dzhekson Dzh. Klassicheskaja jelektrodinamika. – .:M.:Mir, 1965.
- Kaganov V.I. //Inzhenernaja fizika, 2014g., №9, S.3-8.