Меню

Передача электроэнергии постоянным высоким напряжением

Передача электроэнергии — распространенные способы и альтернативные варианты

Электричество не относится к накопительным ресурсам. На сегодняшний день нет эффективных технологий, позволяющих аккумулировать энергию, выработанную генераторами, поэтому передача электроэнергии потребителям относится к актуальным задачам. В стоимость ресурса входят затраты на его производство, потери при транспортировке и расходы на монтаж и обслуживание ЛЭП. При этом от схемы передачи напрямую зависит эффективность системы электроснабжения.

Высокое напряжение, как способ уменьшения потерь

Несмотря на то, что во внутренних сетях большинства потребителей, как правило, 220/380 В, электроэнергия передается к ним по высоковольтным магистралям и понижается на трансформаторных подстанциях. Для такой схемы работы есть весомые основания, дело в том, что наибольшая доля потерь приходится на нагрев проводов.

Мощность потерь описывает следующая формула: Q = I 2 * R л ,

где I – сила тока, проходящего через магистраль, R Л – ее сопротивление.

Исходя из приведенной формулы можно заключить, что снизить затраты можно путем уменьшения сопротивления в ЛЭП или понизив силу тока. В первом случае потребуется увеличивать сечения провода, это недопустимо, поскольку приведет к существенному удорожанию электропередающих магистралей. Выбрав второй вариант, понадобится увеличить напряжение, то есть, внедрение высоковольтных ЛЭП приводит к снижению потерь мощности.

Классификация линий электропередач

В энергетике принято разделять ЛЭП на виды в зависимости от следующих показателей:

  1. Конструктивные особенности линий, осуществляющих передачу электроэнергии. В зависимости от исполнения они могут быть двух видов:
  • Воздушными. Передача электричества осуществляется с использованием проводов, которые подвешиваются на опоры.

Способы передачи электроэнергии

Осуществить передачу электроэнергии можно двумя способами:

  • Методом прямой передачи.
  • Преобразуя электричество в другой вид энергии.

В первом случае электроэнергия передается по проводникам, в качестве которых выступает провод или токопроводящая среда. В воздушных и кабельных ЛЭП применяется именно этот метод передачи. Преобразование электричества в другой вид энергии открывает перспективы беспроводного снабжения потребителей. Это позволит отказаться от линий электропередач и, соответственно, от расходов, связанных с их монтажом и обслуживанием. Ниже представлены перспективные беспроводные технологии, над совершенствованием которых ведутся работы.

К сожалению, на текущий момент возможности транспортировки электричества беспроводным способом сильно ограничены, поэтому об эффективной альтернативе методу прямой передачи говорить пока рано. Исследовательские работы в этом направлении позволяют надеяться, что в ближайшее время решение будет найдено.

Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя

Ниже на рисунке представлены типовые схемы, из которых первые две относятся к разомкнутому виду, остальные — к замкнутому. Разница между ними заключается в том, что разомкнутые конфигурации не являются резервированными, то есть, не имеют резервных линий, которые можно задействовать при критическом увеличении электрической нагрузки.

  1. Радиальная схема, на одном конце линии находится электростанция производящая энергию, на втором — потребитель или распределительное устройство.
  2. Магистральный вариант радиальной схемы, отличие от предыдущего варианта заключается в наличии отводов между начальным и конечным пунктами передачи.
  3. Магистральная схема с питанием на обоих концах ЛЭП.
  4. Кольцевой тип конфигурации.
  5. Магистраль с резервной линией (двойная магистраль).
  6. Сложнозамкнутый вариант конфигурации. Подобные схемы применяются при подключении ответственных потребителей.

Теперь рассмотрим более подробно радиальную схему для передачи вырабатываемой электроэнергии по ЛЕП переменного и постоянного тока.

  1. Генератор, где вырабатывается я электроэнергия с синусоидальной характеристикой.
  2. Подстанция с повышающим трехфазным трансформатором.
  3. Подстанция с трансформатором, понижающим напряжение трехфазного переменного тока.
  4. Отвод для передачи электироэнергии распределительному устройству.
  5. Выпрямитель, то есть устройство преобразующее трехфазный переменный ток в постоянный.
  6. Инверторный блок, его задача сформировать из постоянного напряжение синусоидальное.

Как видно из схемы (А), с источника энергии электричество подается на повышающий трансформатор, затем при помощи воздушных линий электропередач производится транспортировка электроэнергии на значительные расстояния. В конечной точке линия подключается к понижающему трансформатору и от него идет к распределителю.

Метод передачи электроэнергии в виде постоянного тока ( В на рис.6) от предыдущей схемы отличается наличием двух преобразовательных блоков (5 и 6).

Закрывая тему раздела, для наглядности приведем упрощенный вариант схемы городской сети.

  1. Электростанция, где электроэнергия производится.
  2. Подстанция, повышающая напряжение, чтобы обеспечить высокую эффективность передачи электроэнергии на значительные расстояния.
  3. ЛЭП с высоким напряжением (35,0-750,0 кВ).
  4. Подстанция с понижающими функциями (на выходе 6,0-10,0 кВ).
  5. Пункт распределения электроэнергии.
  6. Питающие кабельные линии.
  7. Центральная подстанция на промышленном объекте, служит для понижения напряжения до 0,40 кВ.
  8. Радиальные или магистральные кабельные линии.
  9. Вводный щит в цеховом помещении.
  10. Районная распределительная подстанция.
  11. Кабельная радиальная или магистральная линия.
  12. Подстанция, понижающая напряжение до 0,40 кВ.
  13. Вводный щит жилого дома, для подключения внутренней электрической сети.

Передача электроэнергии на дальние расстояния

Основная проблема, связанная с такой задачей – рост потерь с увеличением протяженности ЛЭП. Как уже упоминалось выше, для снижения энергозатрат на передачу электричества уменьшают силу тока путем увеличения напряжения. К сожалению, такой вариант решения порождает новые проблемы, одна из которых коронные разряды.

С точки зрения экономической целесообразности потери в ВЛ не должны превышать 10%. Ниже представлена таблица, в которой приводится максимальная протяженность линий, отвечающих условиям рентабельности.

Таблица 1. Максимальная протяженность ЛЭП с учетом рентабельности (не более 10% потерь)

Напряжение ВЛ (кВ) Протяженность (км)
0,40 1,0
10,0 25,0
35,0 100,0
110,0 300,0
220,0 700,0
500,0 2300,0
1150,0* 4500,0*

* — на текущий момент ультравысоковольтная ВЛ переведена на работу с напряжением в половину от номинального (500,0 кВ).

Постоянный ток в качестве альтернативы

В качестве альтернативы электропередачи переменного тока на большое расстояние можно рассматривать ВЛ с постоянным напряжением. Такие ЛЭП обладают следующими преимуществами:

  • Протяженность ВЛ не влияет на мощность, при этом ее максимальное значение существенно выше, чем у ЛЭП с переменным напряжением. То есть при увеличении потребления электроэнергии (до определенного предела) можно обойтись без модернизации.
  • Статическую устойчивость можно не принимать во внимание.
  • Нет необходимости синхронизировать по частоте связанные энергосистемы.
  • Можно организовать передачу электроэнергии по двухпроводной или однопроводной линии, что существенно упрощает конструкцию.
  • Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи.
  • Практически отсутствует генерация реактивной мощности.

Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях.

С инверсией (процесс полностью противоположный выпрямлению) также не все просто, необходимо допиться качественных синусоидальных характеристик, что существенно увеличивает стоимость оборудования. Помимо этого следует учитывать проблемы с организацией отбора мощности и низкую рентабельность при протяженности ВЛ менее 1000-1500 км.

Кратко о свехпроводимости.

Сопротивление проводов можно существенно снизить, охладив их до сверхнизких температур. Это позволило бы вывести эффективность передачи электроэнергии на качественно новый уровень и увеличить протяженность линий для использования электроэнергии на большом удалении от места ее производства. К сожалению, доступные на сегодняшний день технологии не могут позволить использования сверхпроводимости для этих целей ввиду экономической нецелесообразности.

Читайте также:  Как правильно должен работать регулятор напряжения

Источник



ПЕРЕДА́ЧА ЭЛЕКТРОЭНЕ́РГИИ

ПЕРЕДА́ЧА ЭЛЕКТРОЭНЕ́РГИИ, ком­плекс уст­ройств и со­ору­же­ний, пред­на­зна­чен­ных для пе­ре­да­чи элек­тро­энер­гии вы­со­ко­го на­пря­же­ния пе­ре­мен­ным трёх­фаз­ным то­ком или по­сто­ян­ным то­ком на оп­ре­де­лён­ное рас­стоя­ние (от не­сколь­ких де­сят­ков до ты­сяч км и бо­лее). Не­об­хо­ди­мость П. э. обу­слов­ле­на тем, что элек­тро­энер­гия вы­ра­ба­ты­ва­ет­ся круп­ны­ми элек­тро­стан­ция­ми, а по­треб­ля­ет­ся срав­нитель­но ма­ло­мощ­ны­ми при­ём­ни­ка­ми элек­тро­энер­гии, рас­пре­де­лён­ны­ми на зна­чит. тер­ри­то­рии, ча­сто су­щест­вен­но уда­лён­ной от элек­тро­стан­ций. От эф­фек­тив­но­сти П. э. за­ви­сит ра­бо­та еди­ных элек­тро­энер­ге­ти­че­ских сис­тем, ох­ва­ты­ваю­щих об­шир­ные тер­ри­то­рии.

В ком­плекс для пе­ре­да­чи пе­ре­мен­но­го то­ка вхо­дят: ли­ния элек­тро­пе­ре­да­чи, кон­це­вые и про­ме­жу­точ­ные под­стан­ции элек­три­че­ские с ком­му­та­ци­он­ной ап­па­ра­ту­рой, транс­фор­ма­то­ры и ав­то­транс­фор­ма­то­ры на этих под­стан­ци­ях, уст­рой­ст­ва про­доль­ной и по­пе­реч­ной ком­пен­са­ции (см. Ком­пен­си­рую­щие уст­рой­ст­ва), пе­ре­клю­ча­тель­ные пунк­ты (при не­об­хо­ди­мо­сти), уст­рой­ст­ва ре­лей­ной за­щи­ты и ав­то­ма­ти­ки, те­ле­мет­рии, свя­зи. Пе­ре­да­чи пе­ре­мен­ным то­ком мо­гут быть транс­порт­ны­ми и меж­сис­тем­ны­ми. Транс­порт­ная пе­ре­да­ча пред­на­зна­че­на для П. э. от уда­лён­ной элек­трич. стан­ции в при­ём­ную сис­те­му, меж­сис­тем­ная – для свя­зи отд. элек­тро­энер­ге­тич. сис­тем и об­ме­на элек­тро­энер­ги­ей ме­ж­ду ни­ми. По ЛЭП пе­ре­да­ют­ся по­то­ки мощ­но­сти, из­ме­ряе­мые сот­ня­ми и ты­ся­ча­ми МВт. Од­ной из осн. ха­рак­те­ри­стик элек­тро­пе­ре­да­чи яв­ля­ет­ся её про­пу­ск­ная спо­соб­ность, т. е. та наи­боль­шая мощ­ность, ко­то­рую мож­но пе­ре­дать по ЛЭП. П. э. свя­за­на с за­мет­ны­ми по­те­ря­ми, т. к. элек­трич. ток на­гре­ва­ет про­во­да ЛЭП. Мощ­ность $P$, пе­ре­да­вае­мая по ли­нии трёх­фаз­но­го то­ка при сим­мет­рич­ной на­груз­ке фаз,$$P=\sqrt<3>IU\cos φ,\tag1$$ где $I$ и $U$ – дей­ст­вую­щие зна­че­ния ли­ней­ной си­лы то­ка и ли­ней­но­го на­пря­же­ния, $φ$ – угол сдви­га фаз ме­ж­ду фаз­ным на­пря­же­ни­ем и си­лой то­ка.

Мощ­ность, те­ряе­мая в про­во­дах, $$P_l=3I^2R=3I^2\rho\frac,\tag2$$ или $$P_l=\frac<3P^2><3U^2\cos^2 \varphi>\rho\frac=\frac\rho\frac\tag3$$Здесь $R$ – на­груз­ка в элек­трич. це­пи, $ρ$ – удель­ное со­про­тив­ле­ние ма­те­риа­ла про­во­дов, $l$ – их дли­на, $S$ – пло­щадь по­пе­реч­но­го се­че­ния. Ана­ли­зи­руя вы­ра­же­ние (3), мож­но оты­скать пу­ти умень­ше­ния те­ряе­мой мощ­но­сти. Пе­ре­да­вае­мая мощ­ность $P$ и даль­ность пе­ре­да­чи энер­гии $l$ оп­ре­де­ля­ют­ся ус­ло­вия­ми элек­тро­пе­ре­да­чи. Эти ве­ли­чи­ны из­ме­нить не­воз­мож­но. Удель­ное со­про­тив­ле­ние $ρ$ за­ви­сит от ма­те­риа­ла, из ко­то­ро­го из­го­тов­лены про­во­да. На прак­ти­ке ис­поль­зу­ют­ся пре­им. ма­те­риа­лы с наи­мень­шим зна­че­ни­ем $ρ$ (медь, алю­ми­ний). Уве­ли­че­ние пло­ща­ди по­пе­реч­но­го се­че­ния про­во­дов ма­ло­эф­фек­тив­но; зна­чи­тель­ное их утол­ще­ние не­воз­мож­но из-за боль­шой мас­сы и стои­мо­сти ли­нии. По­это­му ос­та­ют­ся два пу­ти умень­ше­ния по­терь элек­трич. энер­гии: уве­ли­че­ние на­пря­же­ния в ЛЭП и по­вы­ше­ние ко­эф. мощ­но­сти. Ко­гда ко­эф. мощ­но­сти $\cos φ$ мал, часть энер­гии цир­ку­ли­ру­ет по про­во­дам от ге­не­ра­то­ра к по­тре­би­те­лям и об­рат­но, что при­во­дит к зна­чит. по­те­рям на на­гре­ва­ние про­во­дов. Пре­дель­ная пе­ре­да­вае­мая мощ­ность до­сти­га­ет­ся, ко­гда $\cos j=1$. Да­же при та­ком срав­ни­тель­но вы­со­ком ко­эф. мощ­но­сти, как $\cos φ=0,8$, по­те­ри в ЛЭП при­мер­но в 1,5 ра­за боль­ше, чем в слу­чае, ко­гда $\cos φ=1$. При совр. мас­шта­бах пе­ре­да­чи энер­гии по­вы­ше­ние зна­че­ния $\cos φ$ с 0,8 до 0,9 да­ло бы ог­ром­ную эко­но­мию мощ­но­сти, рав­ную мощ­но­сти не­сколь­ких круп­ных элек­тро­стан­ций. Од­на­ко гл. путь умень­ше­ния по­терь мощ­но­сти в про­во­дах ЛЭП – это по­вы­ше­ние на­пря­же­ния в ли­нии пе­ре­да­чи. Чем длин­нее ЛЭП, тем вы­год­нее ис­поль­зо­вать бо­лее вы­со­кое на­пря­же­ние. По­это­му при пе­ре­да­че энер­гии от мощ­ных элек­тро­стан­ций элек­трич. ток по ши­нам по­сту­па­ет на транс­фор­ма­тор­ные по­вы­шаю­щие под­стан­ции. По­сле по­вы­ше­ния на­пря­же­ния на под­стан­ции до 35, 110, 220, 500, 750 кВ энер­гия на­прав­ля­ет­ся в рай­он по­тре­би­те­ля на по­ни­жаю­щие под­стан­ции, где на­пря­же­ние по­ни­жа­ет­ся до 6–10 кВ. С по­ни­жаю­щих под­стан­ций по се­ти с на­пря­же­ни­ем 6–10 кВ энер­гия час­тич­но на­прав­ля­ет­ся к вы­со­ко­вольт­ным по­тре­би­те­лям, час­тич­но на по­ни­жаю­щие под­стан­ции, где на­пря­же­ние по­ни­жа­ет­ся обыч­но до 380 В. Да­лее по низ­ко­вольт­ной се­ти она под­во­дит­ся к по­тре­би­те­лям.

По­вы­ше­ние про­пу­ск­ной спо­соб­но­сти ЛЭП пе­ре­мен­но­го то­ка воз­мож­но и пу­тём усо­вер­шен­ст­во­ва­ния кон­ст­рук­ции ли­нии, а так­же по­сред­ст­вом вклю­че­ния разл. ком­пен­си­рую­щих уст­ройств. Уст­рой­ст­ва про­доль­ной ком­пен­са­ции при­ме­ня­ют­ся для по­вы­ше­ния про­пу­ск­ной спо­соб­но­сти пе­ре­да­чи. Та­ким уст­рой­ст­вом слу­жит кон­ден­са­тор­ная ба­та­рея, вклю­чён­ная в рас­сеч­ку ли­нии, за счёт че­го ком­пен­си­ру­ет­ся часть ин­дук­тив­но­сти ли­нии и, как след­ст­вие, по­вы­ша­ет­ся про­пу­ск­ная спо­соб­ность по­след­ней. Уст­рой­ст­ва по­пе­реч­ной ком­пен­са­ции слу­жат для по­гло­ще­ния из­бы­точ­ной за­ряд­ной мощ­но­сти ЛЭП в ре­жи­мах ма­лых на­гру­зок и ге­не­ра­ции ре­ак­тив­ной мощ­но­сти в ре­жи­мах боль­ших на­гру­зок, ста­би­ли­за­ции на­пря­же­ния в уз­ло­вых точ­ках пе­ре­да­чи. В ка­че­ст­ве уст­ройств по­пе­реч­ной ком­пен­са­ции ис­поль­зу­ют­ся управ­ляе­мые и не­управ­ляе­мые шун­ти­рую­щие ре­ак­то­ры, ста­тич. ти­ри­стор­ные ком­пен­са­то­ры (уст­рой­ст­ва, ос­но­ван­ные на при­ме­не­нии си­ло­вой пре­об­ра­зо­ват. тех­ни­ки). Пе­ре­клю­ча­тель­ные пунк­ты пред­став­ля­ют со­бой про­ме­жу­точ­ную под­стан­цию без на­груз­ки, на ко­то­рой име­ют­ся толь­ко вы­клю­ча­те­ли вы­со­ко­го на­пря­же­ния, разъ­е­ди­ни­те­ли и за­зем­ли­те­ли, пред­на­зна­чен­ные для от­клю­че­ния отд. уча­ст­ков ка­ж­дой из це­пей про­тя­жён­ной ли­нии при по­вре­ж­де­ни­ях на дан­ном уча­ст­ке или для про­ве­де­ния на нём ре­монт­но-про­фи­лак­тич. ра­бот.

Наи­бо­лее пер­спек­тив­ным спо­со­бом пе­ре­да­чи элек­тро­энер­гии на даль­ние рас­стоя­ния яв­ля­ет­ся ис­поль­зо­ва­ние по­сто­ян­но­го то­ка. При П. э. по­сто­ян­ным то­ком вы­ра­ба­ты­вае­мое ге­не­ра­то­ра­ми элек­тро­стан­ции пе­ре­мен­ное на­пря­же­ние пред­ва­ри­тель­но по­вы­ша­ют с по­мо­щью транс­фор­ма­то­ров, а за­тем с по­мо­щью вы­пря­ми­те­лей пре­об­ра­зу­ют в по­сто­ян­ное на­пря­же­ние. В кон­це ЛЭП по­сто­ян­ное на­пря­же­ние сно­ва пре­об­ра­зу­ют в пе­ре­мен­ное с по­мо­щью ин­вер­то­ров, по­сле че­го транс­фор­ма­то­ры по­ни­жа­ют его до нуж­но­го зна­че­ния. В ком­плекс для пе­ре­да­чи по­сто­ян­но­го то­ка вхо­дят: ЛЭП по­сто­ян­но­го то­ка, пре­об­ра­зо­ват. уст­рой­ст­ва (вы­пря­ми­тель и ин­вер­тор) со свои­ми транс­фор­ма­то­ра­ми, фильт­ро­ком­пен­си­рую­щие уст­рой­ст­ва пе­ре­мен­но­го то­ка, ли­ней­ные ре­ак­то­ры и фильт­ры по­сто­ян­но­го то­ка, а так­же сис­те­мы управ­ления пре­об­ра­зо­ва­те­ля­ми, ре­гу­ли­ро­ва­ния, за­щи­ты, ав­то­ма­ти­ки, сис­те­ма свя­зи. В элек­тро­пе­ре­да­чах по­сто­ян­но­го то­ка от­сут­ст­ву­ют мн. фак­то­ры, свой­ст­вен­ные элек­тро­пе­ре­да­чам пе­ре­мен­но­го то­ка и ог­ра­ни­чи­ваю­щие их про­пу­ск­ную спо­соб­ность (напр., ЛЭП по­сто­ян­но­го то­ка по­зво­ля­ют пе­ре­да­вать по тем же про­во­дам бóльшую энер­гию). Кро­ме то­го, при пе­ре­да­че элек­тро­энер­гии по­сто­ян­ным то­ком ис­че­за­ют за­труд­не­ния, свя­зан­ные с ин­дук­тив­ным со­про­тив­ле­ни­ем и ём­ко­стью ли­нии. Ог­ра­ни­че­ния­ми здесь яв­ля­ют­ся лишь макс. до­пус­ти­мый кпд ли­нии и мощ­ность пре­об­ра­зо­ва­те­лей. От­сут­ст­вие за­ряд­ной мощ­но­сти ли­нии (ём­кость ме­ж­ду ли­ни­ей и зем­лёй) по­зво­ля­ет со­ору­жать ка­бель­ные ли­нии дли­ной 100–200 км и бо­лее, что не­дос­ти­жи­мо для ка­бель­ных ли­ний пе­ре­мен­но­го то­ка из-за пе­ре­гре­ва то­ко­ве­ду­щих жил ка­бе­ля за­ряд­ной мощ­но­стью. Осн. об­лас­ти при­ме­не­ния элек­тро­пе­ре­дач по­сто­ян­но­го то­ка: связь элек­тро­энер­ге­тич. сис­тем, ра­бо­таю­щих не­син­хрон­но или с разл. час­то­та­ми (объ­е­ди­не­ние круп­ных уда­лён­ных друг от дру­га энер­го­сис­тем); пе­ре­се­че­ние боль­ших вод­ных про­странств с по­мо­щью ка­бель­ных ли­ний и др. Ог­ра­ни­чен­ность при­ме­не­ния элек­тро­пе­ре­дач по­сто­ян­но­го то­ка свя­за­на гл. обр. с тех­нич. труд­но­стя­ми соз­да­ния эф­фек­тив­ных не­до­ро­гих уст­ройств для пре­об­ра­зо­ва­ния пе­ре­мен­но­го то­ка в по­сто­ян­ный (в на­ча­ле ли­нии) и по­сто­ян­но­го то­ка в пе­ре­мен­ный (в кон­це ли­нии).

Ка­че­ст­во пе­ре­да­чи элек­тро­энер­гии оп­ре­де­ля­ет­ся на­дёж­ной и ус­той­чи­вой ра­бо­той элек­тро­пе­ре­да­чи, что обес­пе­чи­ва­ет­ся, в ча­ст­но­сти, при­ме­не­ни­ем ком­пен­си­рую­щих уст­ройств и сис­тем ав­то­ма­тич. ре­гу­ли­ро­ва­ния и управ­ле­ния. (Ис­то­ри­че­скую справ­ку см. в ст. Ли­ния элек­тро­пе­ре­да­чи.)

Источник

Передача электроэнергии постоянным высоким напряжением

В мировой практике наиболее распространена передача электроэнергии переменным током. Но мощность, которую можно передать по таким линиям, особенно на большие расстояния, ограничивается многими факторами: предельной мощностью по условиям устойчивости, по нагреву проводников, потерями на корону и т.д.
Передача электроэнергии постоянным током более перспективна, считают специалисты петербургского НИИ постоянного тока Наталья Георгиевна Лозинова и Михаил Иванович Мазуров.
Система электропередачи постоянного тока работает более устойчиво, уменьшаются потери в ЛЭП, отпадает необходимость в синхронизации работы электростанций. При этом не требуется замена основного оборудования действующих электростанций и трансформаторных подстанций.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения avs 500d ремонт

В электропередачах постоянного тока (ППТ) отсутствуют многие факторы, свойственные электропередачам переменного тока и ограничивающие пропускную способность. Предельная мощность, передаваемая по ЛЭП постоянного тока, больше, чем у аналогичных ЛЭП переменного тока. Ограниченность применения ППТ связана главным образом с техническими трудностями создания эффективных недорогих устройств для преобразования переменного тока в постоянный (в начале линии) и постоянного тока в переменный (в конце линии).
Применение ППТ и вставок постоянного тока (ВПТ – подстанция, предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный и последующего преобразования постоянного тока в переменный исходной или иной частоты) определяется их специфическими техническими характеристиками:

  • с помощью ППТ (ВПТ) осуществляется несинхронная связь между энергосистемами, обеспечивающая возможность независимого регулирования частоты в каждой из них. Нарушения режима (КЗ, сбросы мощности, набросы нагрузки) в одной из объединенных энергосистем практически не сказываются на работе другой.
    Через ППТ (ВПТ) могут объединяться энергосистемы, работающие с различной номинальной частотой (50 и 60 Гц) или разной идеологией поддержания частоты;
  • быстродействующее регулирование преобразователей ППТ и ВПТ позволяет практически безынерционно изменять величину и направление потока мощности, благодаря чему такая связь свободна от нерегулируемых перетоков мощности и способна осуществлять передачу электроэнергии по заданной программе. Законы регулирования могут быть выбраны с большой степенью независимости от изменений режима (уровней напряжения, частоты) в связываемых энергосистемах. При необходимости специальные регуляторы могут использоваться, например, для поддержания частоты, демпфирования субгармонических колебаний, повышения устойчивости параллельных ВЛ переменного тока и т.д.;
  • объединение энергосистем переменного тока или ввод дополнительной мощности в энергосистему через ППТ (ВПТ) не приводит к увеличению токов КЗ;
  • для длинных ВЛ (наиболее протяженная из построенных ВЛ ППТ имеет длину 1730 км) нет ограничений передаваемой мощности по условиям нарушения устойчивости. Технические пределы нагрузки для воздушных и кабельных линий определяются только условиями теплового режима;
  • по сравнению с ЛЭП переменного тока линии постоянного тока имеют в 1,5 раза меньшую зону отчуждения земли для трассы линии;
  • ППТ обладают существенным по сравнению с ЛЭП переменного тока преимуществом в части надежности, так как вероятность одновременного отключения обоих полюсов ППТ более чем на порядок ниже вероятности отключения трехфазной линии;
  • при передаче электроэнергии через широкие водные преграды (более 40–50 км) применение ППТ с подводным кабелем не имеет альтернативы.

ИСТОРИЯ И ТЕНДЕНЦИИ

К настоящему времени в мире действует около 100 объектов постоянного тока общей мощностью около 75 ГВт. Достижения классической технологии ППТ и ВПТ связаны с работами, проведенными в бывшем СССР (НИИПТ, ВЭИ), Швеции (АВВ), Германии (Siemens), Японии (Toshiba).
Одной из крупнейших в мире должна была стать строившаяся в 80-х годах ППТ «Экибастуз – Центр». Ее мощность 6 ГВт, напряжение ±750 кВ и длина линии 2400 км значительно превосходили все известные на тот период ППТ. Распад СССР помешал доведению строительства до конца, но основное оборудование ППТ было создано и испытано на стендах. Это силовое оборудование (трансформаторы, вентили) на напряжение ±750 кВ, 12-фазный преобразовательный блок мощностью 1,5 ГВт, линейный реактор 4 Гн, 1000 А, фильтры высших гармоник на напряжение 500 кВ и синхронные компенсаторы мощностью 320 МВА.
В немалой степени конкуренция в производстве оборудования ППТ между СССР и странами Запада способствовала строительству и вводу в эксплуатацию в 1984-87 гг. самой большой в настоящее время в мире ППТ Itaipu в Бразилии. Эта ППТ мощностью 6,3 ГВт состоит из двух биполярных линий по 3,15 ГВт длиной примерно по 800 км каждая, с напряжением между полюсами ±600 кВ. Электропередача сооружена для связи самой мощной в мире ГЭС Itaipu (12,6 ГВт), совместно построенной Бразилией и Парагваем на реке Парана, с промышленным центром Бразилии Сан-Паулу. Поскольку электрические сети Бразилии имеют частоту 60 Гц, а сети Парагвая – 50 Гц, на ГЭС Itaipu было установлено по 9 генераторов с каждой из частот. Однако потребление Парагваем электроэнергии от ГЭС незначительно (

250 МВт), поэтому практически вся мощность 9 генераторов с частотой 50 Гц преобразуется на ППТ и передается в сети Бразилии [1]. Из числа построенных ВПТ по суммарной установленной мощности преобразователей в настоящее время самой большой в мире является Выборгская выпрямительно-инверторная подстанция (ВИП) электропередачи 330/400 кВ «Россия – Финляндия». Мощность всей линии после ввода в 2000 г. 4-го преобразовательного блока достигла 1400 МВт [2].
В то же время мощность единичного блока Выборгской ВИП составляет 350 МВт и по единичной мощности преобразовательных блоков она уступает некоторым зарубежным. В частности, на ВПТ Durnror («Австрия – Чехия») еще в 1983 г. был установлен преобразовательный блок мощностью 550 МВт, а выведенный в настоящее время из работы в резерв преобразователь на ВПТ Etzenricht (Германия) имеет наибольшую в мире мощность 600 МВт. Широкое применение (известно более 20 объектов) получили кабельные ППТ. В России первый практический опыт работы кабеля при постоянном напряжении был получен с пуском в 1950 году ППТ «Кашира – Москва». На этой линии применялся кабель общей длиной 30 км, с помощью которого, в частности, преодолевались и реки.
Наибольшую протяженность кабельного участка сейчас имеют ППТ между Швецией и Германией – 250 км и ППТ Basslink (Австралия) – 290 км. Ведутся проектные работы по более протяженным кабельным ППТ. Так, в Малайзии (проект Bakun) намечено [3] построить ППТ напряжением ±500 кВ, общей длиной 1330 км, с самым длинным кабельным участком 670 км. Ведется строительство ППТ между Нидерландами и Норвегией кабелем длиной 580 км. Наиболее мощная подводная КЛ постоянного тока с пропускной способностью 2,0 ГВт связывает энергосистемы Великобритании и Франции. Ее длина 70 км, номинальное напряжение ± 270 кВ. Более чем тридцатилетние наблюдения за показателями надежности существующих ППТ, проведенные рабочей группой 14-04 СИГРЭ, указывают, что энергетическая готовность ППТ всё время нарастала. Особенно заметный ее рост был связан с переходом от ртутных вентилей к тиристорным.
Опыт эксплуатации Выборгской ВИП электропередачи «Россия – Финляндия» указывает на стабильно высокую энергетическую готовность как каждого блока (92%), так и всей вставки (99%) [1, 4].

Через шесть лет после начала эксплуатации энергетическая готовность ППТ Itaipu достигла 99% и устойчиво сохраняется. Все вновь введенные ППТ и ВПТ после окончания периода приработки имеют энергетическую готовность 98–99% и по статистике являются весьма надежными элементами энергосистем.
Таким образом, электропередача постоянного тока может рассматриваться как хорошо отработанный элемент энергосистемы, обладающий, несмотря на значительную технологическую сложность основных составляющих, вполне приемлемыми техническими характеристиками.
Поскольку длительный прогноз сетевого строительства, несомненно, связан с прогнозами роста нагрузок и строительством новых электростанций, наибольший интерес представляют планы покрытия дефицита мощности в регионах, где он уже обнаружился (центр и северо-запад европейской части, Урал, часть Сибири и Дальнего Востока). Однако задачи покрытия дефицита мощности в указанных регионах за счет строительства дальних ППТ или применения ВПТ следует увязывать с возможностью транспорта электроэнергии в зарубежные энергосистемы. Такой комплексный подход может улучшить экономическое обоснование объектов постоянного тока, привлечь внимание зарубежных инвесторов и способствовать развитию взаимовыгодных обменов мощностями с зарубежными странами.

Читайте также:  Проверка полевых транзисторов по напряжению

РОССИЙСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Для применения ППТ в Единой национальной электрической сети России (ЕНЭС) существуют объективные предпосылки, исходящие из указанных выше преимуществ ППТ:

  • большая протяженность территории страны;
  • неравномерное распределение энергоресурсов и промышленности (наибольшие запасы минерального топлива и гидроресурсов – в Сибири, наибольшее сосредоточение населения и промышленности – в европейской части);
  • большое число удаленных от центров потребления перспективных створов для сооружения ГЭС;
  • формирование ЕНЭС в виде крупных региональных объединений, связанных между собой сравнительно слабыми связями.

В перспективных планах роль ППТ в ЕНЭС связана с необходимостью транспорта электроэнергии из энергоизбыточных регионов Сибири в центр, на юг и Дальний Восток (см. табл. 1). Это объясняется:

  • снижением выработки электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС) центра из-за ожидаемого снижения объемов поставки газа (например, дефицит газа в 2015 году ожидается на уровне 33 млрд м3);
  • увеличением использования угольных ТЭС Канско–Ачинского бассейна и возможным строительством ТЭС на тугнуйских и ургальских углях;
  • намеченными работами по достройке Бурейской ГЭС, строительству Южно-Якутского гидроэнергетического комплекса, Богучанской ГЭС и Тугурской приливной электростанции;
  • разностью в ценах электроэнергии, произведенной в центре и в Сибири;
  • необходимостью резерва мощности для обеспечения надежного энергоснабжения центра, целенаправленного управления режимами ЕНЭС.

В отличие от межсистемных связей переменного тока ППТ обеспечивают:

  • возможность наиболее эффективного централизованного управления режимами большого по мощности и протяженного энергообъединения;
  • локализацию аварий в энергообъединении и возможность реализации максимальной аварийной взаимопомощи энергосистем, не ограниченной условиями устойчивости;
  • снижение объема использования средств противоаварийной автоматики и соответственно отключений потребителей;
  • возможность параллельной работы энергосистем без необходимости предварительного приведения их к единому стандарту качества частоты и единым условиям аварийного регулирования, что особенно существенно при организации связей с энергосистемами других государств;
  • отсутствие стохастических колебаний мощности и возможность объединения сколь угодно мощных энергосистем связями относительно малой пропускной способности с возможностью наращивания ее по мере необходимости;
  • наиболее благоприятные условия функционирования межрегиональных и межгосударственных оптовых рынков электроэнергии и мощности.

СВЯЗЬ С ЗАРУБЕЖНЫМИ ЭНЕРГОСИСТЕМАМИ

Интерес к передаче постоянного тока подтверждается примерами использования ППТ и ВПТ в быстроразвивающихся Китае и Индии. В табл. 2 приведен перечень завершенных в последнее время проектов линий постоянного тока в Китае.
В Европе в последние годы наблюдается тенденция к интегрированию международных энергосистем для получения дополнительных эффектов от их совместной работы и для равноправного участия производителей и потребителей на международном рынке электроэнергии.
При этом передачам постоянного тока [5] отведена существенная роль как в силу географических причин (водные преграды между, например, Скандинавскими странами и материком), так и в силу характеристик ППТ, позволяющих контролировать перетоки мощности.
Из-за особого расположения России на Евро-Азиатском континенте отечественная энергосистема может стать не только крупнейшим экспортером электроэнергии, но и посредником в обмене энергопотоками для энергосистем сопредельных государств, что потребует значительного улучшения управляемости ЕНЭС.
Принципы объединения энергосистем для транспорта электроэнергии в сопредельные с Россией государства с использованием ВПТ могут быть предметом дискуссии [6], однако существующий опыт, в том числе зарубежный, свидетельствует, что связь между энергосистемами на постоянном токе позволяет более полно и эффективно контролировать переток мощности и выполнение контрактных обязательств.
Важными причинами использования ППТ для связи России с энергосистемами других государств являются:

  • наличие в стране избыточных неиспользованных гидроресурсов, особенно в Сибири;
  • сложности объединения на переменном токе с крупными зарубежными энергосистемами и из-за различий в системах регулирования частоты и мощности, других системах автоматики, различий в системах оперативного управления и нормативной базе и др.;
  • большие расстояния, затрудняющие создание синхронных связей с энергосистемами стран, расположенных к югу от границ с Россией (энергообъединение среднеазиатских республик бывшего СССР, энергосистемы Китая, Кореи, Ирана, Турции и других стран);
  • наличие широких водных преград ( при связи, например, с энергосистемами Японии и Турции).

В настоящее время на связях ЕНЭС с зарубежными энергосистемами эксплуатируются ППТ «Волгоград – Донбасс» (Россия–Украина) и ВПТ «Россия – Финляндия».
Параметры ППТ «Волгоград – Донбасс», построенной в 1962– 65 гг., были наивысшими для того времени: напряжение ±400 кв, мощность 720 МВт, длина линии 470 км. За прошедший период эксплуатации мощность ППТ (определяемая в основном Волжской ПС) снизилась до 360 МВт, а реальная рабочая мощность составляет около 200 МВт. В большой мере это связано с изношенным оборудованием ПС «Михайловская» в Донбассе, на которой до сих пор работают ртутные вентили, выпуск которых прекращен 30 лет назад.
Намечающийся процесс присоединения на переменном токе украинской энергосистемы к энергосистеме Европы может потребовать усиления электросвязей с Украиной на постоянном токе с возможной поставкой электроэнергии в страны Восточной Европы. В связи с этим может оказаться целесообразной реконструкция ППТ «Волгоград – Донбасс» с увеличением ее мощности и продлением линии к западу Украины.
В параллельную работу ППТ «Россия – Финляндия», о которой мы говорили выше, на энергосистему Финляндии в настоящее время подключается первый блок Северо-Западной ТЭЦ (С.-Петербург) мощностью 450 МВт. Объем поставляемой электроэнергии в Финляндию в последние годы значительно увеличился и превышает 10 млрд кВт·ч в год.
В табл. 3 приведен перечень перспективных ППТ традиционного исполнения для электросвязей с зарубежными энергосистемами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ивакин В.Н., Сысоева Н.Г., Худяков В.В. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы. – М.: Энергоатомиздат, 1993.
2. Балыбердин Л.Л. и др. Увеличение мощности электропередачи 330/400 кВ с вставкой постоянного тока между энергосистемами России и Финляндии // Электрические станции. – 2004. – № 10.
3. Power Link, № 2, 1996 г. ABB Power Systems.
4. Передачи и вставки постоянного тока высокого напряжения / Под ред. В.В. Худякова. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
5. HVDC – A major option for the electricity networks or the 21st century. M. Chamia, IEEE WPM + 999 – Panel Session.
6. Зеленохат Н.И., Шаров Ю.В. Комбинированное объединение больших энергосистем // Электричество. – 2006. – № 5.

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник