Л.С. 斯特列勃科夫等 全俄农业电气化科研所所长、俄罗斯农业科学院院士

编者按：本文原是全俄2000年国际农业电气化与节能大会上的论文。现已征得原作者同意发表。由华北电力科学研究院的王晓玲副译审译出，并由中国农业大学的郭喜庆教授校对。因本刊篇幅有限，已略去“对单导线线路参数计算”一节，仅供参考。

摘要：从理论上分析论证了单导线（不利用大地）输电系统的工作原理，并用摸拟实验验证了其工作原理，模拟实验证明，可以用位移电流沿着单导线线路向负载输送有功功率，传输效率高达98%以上。单导线线路可以采用非金属导电介质。还提出了用位移电流极化分量从无功功率获得热量的方法。

关键词：单导线输电系统非金属导电介质位移电流

为了给电动拖拉机供电和节约导线，20世纪中叶就已经使用了以大地作为第二根导线的单导线输电系统。在“单导线-大地”回路中，固定式35/10kV变电所的一条10kV母线经10kV单导线髙压架空线路与移动式配电变压器连接。移动式配电变压器的高压绕组一端接到10kV架空线路上，而该绕组的另一端可靠接地。这时，流过单导线线路、变压器绕组和接地极的电流，等于流经大地的电流。“大地”回线的电阻不是固定的，而取决于土壤状况和变电所与配电变压器之间的距离。

1、单导线输电系统的原理

变压器和受电器一端接地的这种单导线系统的工作原理与双导线架空线路工作原理一样，都是利用闭合回路中的传导电流把发电机发出的有功功率送给用户。髙压单导线—大地线路末端断线，是该线路的事故状态，这时线路发生断线谐振和过电压，有可能引起电气绝缘和电气设备损坏。

我们提出并研究了单导线输电的新原理.它对应于在受电器处（末端）断开相线和中性线时的普通线路的事故运行状态。在这种情况下，线路有功传导电流和磁场等于零，而电场最大。电场由无功容性位移电流产生，该电流使导线的对地电容充电。线路首、末端电压之间相位差等于零，但电压的直沿线路在很大范围内变化。

希望把线路设计在谐振状态下工作，并考虑在受电器处获得最大过电压，如果普通闭合线路在运行状态下某些地方的过电压为10%~300%，在没有补偿的情况下断线时过电压达到发电机电压的10~15倍，则单导线线路在受电器侧的工作电压被设计为发电机电压的30~50倍。

与普通线路的第二个功能区别是：电能不是借助于传导电流输送，而是借助于无功电流（位移电流）输送的，这时欧姆定律和焦耳—楞次定律不起作用。在线路任意工作温度下，线路对于电荷电流都具有准超导特性，致使线路中没有电阻损耗。还可以用一根钢导线甚至是非金属导电介质代替（两相或三相）铝导线或铜线，因为100kHz以下范围的电磁能辐射损耗不大，而线路的无功电流、无功功率和品质因数与频率成比例，所以我们提出把线路频率提髙到1~100kHz。

为使普通供电系统与所提出的单导线系统相匹配，研制了匹配装置和转换器，把它们装在单导线线路的首末端，可以在输人和输出端使用普通的交、直流电气设备。这些装置可保证用无功功率输送电能井将它转换成用户的有功功率。

髙压和低压线路的单导线系统电气接线，如图1所示。

图1单导线输电系统

(a)100~1000V低压线路；(b)1~1000kV高压线路；

1—高频发生器；

2—高频升压变压器；

3—1~30kHz单导线线路；

4—二极管电容器组；

5—可控硅开关；

6—负载；

7—高频降压变压器；

8—电容；

9—整流器；

该系统有一个频率可调的髙频发生器1和高频升压变压器2，其一端绝缘，另一端接到线路上，在单导线线路的另一端装有髙频降压变压器7，或者在线路为低电压时装有二极管—电容器组4，在线路的输出端可以安装整流器或逆变器。用来获得直流电流或50Hz工频三相电压。

在研究开发本系统时，采用尼古拉•特斯拉1894年关于单导线输电的研究成果。特斯拉变压器是无铁芯或铁芯不闭合的变压器，其一次绕组装在外面或与二次绕组同轴。二次绕组由多匝细铜线绝缘线匝组成。二次绕组的一端接地，另一端（在传递一次绕组的高频电压时）接到线路上。在谐振条件下，在髙压二次绕组中产生电压达7MV的髙频振荡。

二极管—电容器组4由与电容器连接的两个反向二极管构成，被用于倍压电路中。二极管的公用点与电源连接。用单导线线路向二极管电容器组输送交流电压时，交流的正半波进人一个电容器极板，负半波进人另一个电容器极板。当电容器输出端的电压未达到二极管公共点交流电压的正振幅和负振幅之前，电容器存储电荷。二极管关闭时，电容器停止充电。众所周知的倍压整流器电路就是这样工作的。

2、实验结果

研制成230V、10kV和100kV的单导线输电线路。髙压变压器包括带直径40~50mm开路铁芯的绕在公用框架上的多层圆筒式髙压绕组（4000~6000匝）和装在外部的低压一次绕组（40~60匝）髙压绕组的外端头（对地）绝缘，而内端头接到单导线线路上。低压一次绕组接到1~100kHz的发电机上。髙频变压器的调整就是仔细选配一次和二次绕组的匝数，在这些匝数下用电压表测得的髙压绕组绝缘外端头的对地电位等于零。如果在调整到谐振频率的变压器中，把髙压绕组的内端头接地，使髙压绕组外端头的电位逐渐变成此前绕组内端头的电位，这时的谐振频率则降低到二分之一。

对于带封闭铁心的普通变压器，不可能在一个端头上获得零电位。在给定的情况下，我们利用了四分之一波长、半波长线路或任意长度装有特斯拉变压器的单导线线路的特性，在线路末端点观察到电压波节和电流波腹、特斯拉变压器髙压绕组是线路的一部分髙压绕组的一个端头也就是线路的首端是零电位（电压波节）。

单导线线路由直径为5~200μm的导线构成。线路利用镍铬合金、钨、铜、铝或钢等作为导线材料。

我们还使用了在真空中涂上铝薄膜（0.5μm）的尼龙钓鱼线作为导线材料。这种带薄金属涂层的塑料导线在10kV电压下可传输1kW电功率。经过若干次弯折后，长3mm的弯曲处的金属涂层脱落了，并出现了涂层断裂缺陷。在这个断裂部位接上铝膜塑料导线时出现了电弧，并使尼龙线熔。

还使用了非金属介质作导体，例如，直泾100μm单位电阻率100Ω/m的石墨线丝，有0.3μm厚透明导电氧化锡膜、电阻300Ω/m、5mm宽的玻璃带，以及直径10mm、长1.5m、填满自来水和湿土的聚乙烯管，和盛有1cm厚泥土或水的，宽10cm、长70cm的塑料槽。

实验证明，将上述非金属导电介质串联和并联到10kV、5kHz单导线线路中时，未降低电容传输到有功负载中的容量。该有功负载是经过特斯拉降压变压器(图1，b)接人3m长单导线线路的100W、220V白炽灯。白炽灯所需的电功率用白炽灯回路中的电流表和白炽灯的发光度测定。在每种非金属导电介质单独接入时和将其全部一起串联到单导线线路时，白炽灯的电功率没有改变过。

电压为100~230V时，传输功率为1kW。二极管—电容器组由16kV、0.25μF电容和两组串联KH-108V（俄罗斯型号——译者注）二极管（每组三个二极管相串联）组成，其公用点接到线路上（图1，a)。放电器的间隙为5mm。选择功率的另一种方法是在线路末端电容前装上降压变压器，其二次绕组直接或经过整流器与负载连接（图1.b)。特斯拉降压变压器的结构与特斯拉升压变压器相类似、变压器髙压绕组的一端接到单导线线路上，而第二端接到由直径20cm髙40cm金属容器形成的自身电容上。低压绕组接到总功率1kW的220V白炽灯组。在长10~160m的单导线线路上。在不同点同时接上4个带有放电器的二极管—电容器组和1个带白炽灯负载的降压变压器。在调整过程中平稳改变频率，直到线路出现谐振状态，这时线路负载功率最大。

实验证明，谐振条件下通过特斯拉髙频降压变压器流向负载的电流，是流经髙压绕组的电容充电电流的几十倍。在任何直径和材料的单导线线路中，甚至在线路中部串联100MΩ的电阻时，在谐振状态下传输1kW功率的情况都不会改变。与普通输电线路不同的是，线路导线接地时，线路输人端的电流和功率降低。电流和功率下降的原因是线路参数改变和线路脱离谐振。无论特斯拉髙频变压器的绕组匝数和长度如何，它都发出与发电机频率相符的波。而谐振频率由变压器的匝间分布电容、电感和线路的电感、电容以及无功负载来确定。取消了铁芯时，谐振频率增大2~3倍。特斯拉变压器还产生波长为4~5cm的电磁波，它的波长与变压器髙压绕组的直径有关。这些驻波和行波用4个串联到高压绕组的荧光灯作记录。在荧光灯发光时，横向黑暗区和发光区移动。黑暗区，发光区的尺寸为2.5~3cm。此种情况下，特斯拉变压器髙压绕组额外完成了空间圆柱形螺旋天线的功能，它沿天线轴线辐射出厘米波段的圆形偏振电磁波。波长被谐振器和波导管的直径限制，这一功能由特斯拉变压器高压绕组来完成。

静电模拟是单导线线路工作原理的一种直观说明。由沿线路在空间分布的电磁场沿导体传输能量，导线起着导向装置的作用。

沿线路分布着T形横向电磁波。它们可具有任意频率，其中包括零频率。横向平面T形波的场结构与静电场和恒定磁场相同。也就是说，电流波仅可以在可能有静电场存在的导向系统中传播。因为场的横向分量是由Ez和Hi的标量减少确定的，并且与它们的陡度成正比，所以根据静电场模拟，EzHz是EiHi的位势函数。

在每振荡半周期髙频升压变压器都在单导线线路建立髙静电场强和电荷密度，其符号随髙频发生器产生的频率而变化，由于电磁波以接近光速的速度运动，波的传播时间远小于振荡周期，所以线路参数可以认为是准静态的。

单导线线路中的容性充电电流与沿电场等位线电荷的跨越电流有关。它取决于库伦力，而不是外电动势起作用，电荷将沿开路导线从高电位的电源向线路末端低电位受电器流动。电荷沿导线表面运动。

这种电荷电流与焦耳损耗无关，且不会导致电位拉平，因为在半周期内作为静电发生器工作的特斯拉变压器在线路首端不断产生电荷，井提髙电源的电位，而在容性受电器中进行电荷选择井使电荷流向负载。

在下一个半周期内，电荷符号改变，线路重新充电。但是电源和受电器之间仍然保持着电位差，在库伦力的作用下沿着线路到负载移动着另一种符号的电荷。可以用BaH-jep-rpaa静电发生器作为在不闭合电路中工作的电荷发生器设计原型。特斯拉变压器具有很髙功率，可以产生两种符号的电荷，且其频率和强度是使用摩擦机械的机械式静电发生器所不能产生的。

为检验直接将无功能量转换成热量的可能性，使用了木质生物材料，它是带线性和交联结构的聚合物，具有非准弹性极化特性。在感性电路电流流过带树皮的树段时，木质强烈加热，随后外表面烧焦，这种现象可以用于木质快速干燥工艺和用于电动除草。

当单导线线路中有空气间隙时，在回路断开处出现（气体放电的）等离子区。如果一段单导线线路由盛在塑料槽中的水面构成，而来自线路首端的导线未触及水面。当线路接通时，则在导线和水面之间的气隙中出现沿线路流动的无功电流等离子区（线状）。与传输有功功率时在闭合回路中发生电弧放电的等离子区(例如电焊电弧）不同的是。无功等离子区不产生火花和溅水。而且当1kW无功功率等离子区（线）通过表面积200cm²和体积250cm³的水介质时，15min内水温没有升髙。这样，与传输有功功率时在闭合回路中所产生的通常的热电弧等离子区不同的是，传输无功功率时在单导线线路断线处出现"冷"等离子区。利用"冷"等离子特性。C.B阿伏拉缅科制成了医用凝结剂来治疗皮肤和其它器官的疾病。在无功等离子的等离子区中不出现髙温的必要条件是：在等离子区末端没有金属导线，即利用生物体（人、牲畜）表面、水表面或其它液体表面作为处于负载侧的单导线线路。等离子区与汽油或苯接触不会引起燃烧。然而酒精可被燃烧。这是由于苯和汽油的很强的介电特性和酒精中存在烃基OH，烃基OH可提高离子导电率和等离子区的强度。

为了用无功等离子获取热量，必须在等离子区受电端装上金属导线，它在无功功率经过单导线线路时开始急剧变热。

3、结论

（1）实验表明：所研究的负载连接回路可以用位移电流沿单导线线路向负载输送有功功率所传输的有功功率值与频率、负载自身电容和负载的电压平方成比例。并且可以超过几十兆瓦和几百兆瓦。

（2）频率1~50kHz范围内的辐射损耗很小，又因为对于位移电流，欧姆定律和焦耳定律不起作用，所以有功电阻内没有损耗。因此，在电压谐振方式下单导线线路具有很高的效率，超过98%。

（3）实验表明，单导线线路的材科可采用金属导体和非金属导电的电介质，例如河水、海水、潮湿的土壤、含碳纤维、导电聚合物和半导体氧化薄膜。

（4）提出了借助于单导线线路断裂处位移电流和等离子放电的极化分量，从无功功率获得热量的方法。

(王晓玲译 郭喜庆校）

(本栏編辑 天晴）