Передача постоянного тока на большие расстояния: Постоянный ток: идет ли революция?

Электрические магистрали будущего / Хабр

В 2003 году в Евросоюзе возник большой проект

Desertec

, представлявший тогдашнее видение о переводе Европы на рельсы возобновляемой энергетики. Основой “зеленой энергетики” ЕС должны были стать тепловые электростанции с концентрацией солнечной энергии, расположенные в пустыне Сахара, способные запасать энергию как минимум на вечерний пик потребления, когда обычная фотовольтаика уже не работает. Особенностью проекта должны были стать мощнейшие линии электропередач (ЛЭП) на десятки гигаватт, с дальностью от 2 до 5 тысяч км.

СЭС подобного рода должны были стать основной европейской возобновляемой энергетики.

Проект просуществовал около 10 лет, и затем был заброшен концернами-основателями, так как действительность Европейской зеленой энергетики оказалась совершенно другой и более прозаичной — китайская фотовольтаика и наземная ветрогенерация, размещаемая в самой Европе, а идея тянуть энергетические магистрали через Ливию и Сирию — слишком оптимистичной.

Планировавшиеся в рамках desertec ЛЭП: три основные направления с мощностью по 3х10 гигаватт (на картинке одна из более слабых версий с 3х5) и несколько подводных кабелей.

Однако, мощные ЛЭП возникли в проекте desertec не случайно (забавно, кстати, что площадь земли под ЛЭП в проекте получалась больше площади земли под СЭС) — это одна из ключевых технологий, которая может позволить ВИЭ-генерации вырасти до подавляющей доли, и наоборот: при отсутствии технологии передачи энергии на большие расстояния ВИЭ, вполне возможно, обречены на не более чем на долю в 30-40% в энергетике Европы.

Взаимная синергия трансконтинентальных ЛЭП и ВИЭ довольно хорошо видна на моделях (например, в гигантской модели LUT, а также в модели Вячеслава Лактюшина): объединение многих районов ветровой генерации, удаленных на 1-2-3 тысячи километров друг от друга, разрушает взаимную корреляцию уровня выработки (опасную общими провалами) и выравнивает объем поступающей в систему энергии.

Вопрос лишь в том, какой ценой и с какими потерями возможно передавать энергию на такие расстояния. Ответ зависит от разных технологий, которых на сегодня по сути три: передача переменным током, постоянным и по сверхпроводящему проводу. Хотя такое деление немножко неправильно (сверхпроводник может быть с переменным и постоянным током), но с системной точки зрения правомерно.

Впрочем, техника для передачи высоковольтного напряжения, на мой взгляд, является одной из самых фантастично выглядящих. На фото выпрямительная станция на 600 кВ.

Традиционная электроэнергетика с самого начала шла по пути объединения электрогенерации с помощью высоковольтных ЛЭП с переменным током, добравшись в 70х годах до 750-800-киловольтных ЛЭП, способных передавать 2-3 гигаватта мощности. Такие ЛЭП подошли к пределам возможностей классических сетей переменного тока: с одной стороны, по системным ограничениям, связанным со сложностью синхронизации сетей протяженностью во многие тысячи километров и желанием разделить их на энергорайоны, связанные относительно небольшими страхующими линиями, а с другой стороны, из-за нарастания реактивной мощности и потерь такой линии (связанной с тем, что растет индуктивность линии и емкостная связь на землю).

Не совсем типичная картина в энергетике России в момент написания статьи, но обычно перетоки между районами не превышают 1-2 ГВт.

Впрочем, облик энергосистем 70х-80х годов не требовал мощных и дальних линий электропередач — электростанцию чаще всего удобнее было пододвинуть к потребителям, и единственным исключением были тогдашние ВИЭ — гидрогенерация.

Гидроэлектростанции, а конкретно бразильский проект ГЭС Итайпу в середине 80х годах привели к появлению нового чемпиона по передаче электроэнергии много и далеко — ЛЭП постоянного тока. Мощность бразильского линка — 2х 3150 МВт при напряжении +-600 кВ на дальность 800 км, проект реализован фирмой ABB. Такие мощности еще на грани доступного ЛЭП переменного тока, однако бОльшие потери окупали проект с конвертацией в постоянный ток.

ГЭС Итайпу мощностью 14 ГВт — до сих пор вторая в мире по мощности ГЭС. Часть вырабатываемой энергии передается по HVDC линку в район Сан-Паоло и Рио де Жайнейро.

В отличии от ЛЭП переменного тока, ЛЭП ПТ избавлены от индуктивных и емкостных потерь (т. е. потерь через паразитную емкостную и индуктивную связь проводника с окружающей землей и водой), и изначально активно использовалось в основном при подсоединении к общей энергосистеме больших островов подводными кабелями, где потери линии переменного тока в воду могли достигать 50-60% мощности. Кроме того, ЛЭП ПТ при том же уровне напряжения и сечении провода способна передать на 15% больше мощности по двум проводам, чем ЛЭП переменного тока по трем. Проблемы с изоляцией у ЛЭП ПТ проще — ведь на переменном токе максимальная амплитуда напряжения в 1,41 раза больше, чем действующее, по которому считается мощность. Наконец, ЛЭП ПТ не требует синхронизации генераторов на двух сторонах, а значит избавляет от множества проблем, связанных с синхронизацией удаленных районов.

Сравнение ЛЭП переменного (AC) и постоянного (DC) тока. Сравнение немножко рекламное, т.к. при одинаковом токе (скажем 4000 А) ЛЭП переменного тока 800 кВ будем иметь мощность 5,5 ГВт против 6,4 ГВт у ЛЭП DC, правда с вдвое большими потерями. С одинаковыми потерями, действительно мощность будет отличатся в 2 раза.

Расчет потерь для разных вариантов ЛЭП, которые предполагалось использовать в проекте Desertec.

Разумеется, есть и минусы, и существенные. Во-первых, постоянный ток в энергосистеме переменного тока требует выпрямления с одной стороны и «закривления» (т.е. генерации синхронного синуса) с другой. Когда речь идет о многих гигаваттах и сотнях киловольт — это выполняется весьма нетривиальным (и очень красивым!) оборудованием, которое обходится в многие сотни миллионов долларов. Кроме того, до начала 2010х годов ЛЭП ПТ могли быть только вида «точка-точка», так как не существовало адекватных выключателей на такие напряжения и мощности постоянного тока, а значит, при наличии многих потребителей невозможно было отсечь одного из них с коротким замыканием — только погасить всю систему. А значит основное применение мощных ЛЭП ПТ — связь двух энергорайонов, где были нужны большие перетоки. Буквально только несколько лет назад ABB (один из трех лидеров в создании оборудования HVDC) сумели создать “гибридный” тиристорно-механический выключатель (схожий по идеям с коммутатором ИТЭР), который способен на такую работу, и сейчас строится первая высоковольтная ЛЭП ПТ “точка-мультиточка” North-East Angra в Индии.

Гибридный выключатель ABB недостаточно выразительный (и не очень засвечен), зато есть мегапафосное индусское видео по сборке механического выключателя на напряжение 1200 кВ — впечатляющая машина!

Тем не менее технология ПТ-энергетики развивалась и дешевела (во многом благодаря развитию силовых полупроводников), и к появлению гигаватт ВИЭ-генерации оказалась вполне готова для того, чтобы начать подсоединять удаленные мощные гидроэлектростанции и ветропарки к потребителям. Особенно много таких проектов реализовано в последние годы в Китае и Индии.

Однако мысль идет дальше. Во многих моделях возможности ПТ-ЛЭП по передаче энергии используются для выравнивания ВИЭ-переменчивости, которая является важнейшим фактором на пути внедрения 100% ВИЭ в больших энергосистемах. Более того, такой подход уже реализуется на деле: можно привести пример 1,4 гигаваттного линка Германия-Норвегия, призванного скомпенсировать переменчивость немецкой ветрогенерации норвежскими ГАЭС и ГЭС и 500 мегаваттного линка Австралия-Тасмания нужного для поддержания энергосистемы Тасмании (в основном работающей на ГЭС) в условиях засухи.

Большая заслуга в распространении HVDC принадлежит так же прогрессу в кабелях (так как зачастую HVDC — это морские проекты), которые за последние 15 лет повысили доступный класс напряжения с 400 до 620 кВ

Впрочем, дальнейшему распространению мешает как дороговизна самих ЛЭП подобного калибра (например, крупнейшая в мире ЛЭП ПТ Xinjiang — Anhui 10 ГВт на 3000 км обойдется китайцам приблизительно в 5 миллиардов долларов), так и неразвитость равноценных районов ВИЭ-генерации, т.е. отсутствие вокруг крупных потребителей (например, Европы или Китая) сопоставимых крупных потребителей на расстоянии до 3-5 тысяч км.

В том числе порядка 30% стоимости ЛЭП ПТ линий составляют вот такие конвертерные станции.

Однако что если появится технология ЛЭП одновременно и дешевле и с меньшими потерями (которые определяют максимальную разумную длину?). Например, ЛЭП со сверхпроводящим кабелем.

Пример реального сверхпроводящего кабеля для проекта AMPACITY. В центре формер с жидким азотом, на нем расположены 3 фазы сверхпроводящего провода из лент с высокотемпературным сверхпроводником, разделенные изоляцией, снаружи медный экран, еще один канал с жидким азотом, окруженный многослойной экранно-вакуумной теплоизоляции внутри вакуумной полости, и снаружи — защитная полимерная оболочка.

Разумеется, первые проекты сверхпроводящих ЛЭП и их экономические расчеты появились не сегодня и не вчера, а еще в начале 60-х годов сразу после открытия “промышленных” сверхпроводников на основе интерметаллидов ниобия. Однако для классических сетей без ВИЭ места таким СП ЛЭП не находилось — и с точки зрения разумной мощности и стоимости таких ЛЭП, и точки зрения объема разработок, нужных для внедрения их в практику.

Проект сверхпроводящей кабельной линии из 1966 года — 100 ГВт на 1000 км, с явной недооценкой стоимости криогенной части и преобразователей напряжения

Экономика сверхпроводящей линии определяется, по сути, двумя вещами: стоимостью сверхпроводящего кабеля и потерями энергии на охлаждение. Изначальная идея использования ниобиевых интерметаллидов споткнулась о дороговизну охлаждения жидким гелием: внутреннюю “холодную” электрическую сборку необходимо держать в вакууме (что не так сложно) и дополнительно окружить охлаждаемым жидким азотом экраном, иначе тепловой поток на температуре 4,2К превзойдет разумные мощности рефрижераторов. Такой “бутерброд” плюс наличие двух дорогостоящих систем охлаждения в свое время похоронили интерес к СП-ЛЭП.

Возврат к идее произошел с открытием высокотемпературных проводников и “среднетемпературного” диборида магния MgB2. Охлаждение на температуре 20 Кельвинов (К) для диборида или на 70 К (при этом 70 К — температура жидкого азота — широко освоена, и стоимость такого хладагента невысока) для ВТСП выглядит интересным. При этом первый сверхпроводник на сегодня принципиально более дешевый, чем изготавливаемые методами полупроводниковой промышленности ВТСП-ленты.

Три однофазных сверхпроводящих кабеля (и вводы в криогенную часть на заднем плане) проекта LIPA в США, каждый с током в 2400 А и напряжением 138 кВ, общей мощностью в 574 МВт.

Конкретные цифры на сегодня выглядят так: ВТСП имеет стоимость проводника в 300-400 долларов за кА*м (т.е. метр проводника, выдерживающего килоампер) для жидкого азота и 100-130 долларов для 20 К, диборид магния для температуры 20 К имеет стоимость 2-10 $ за кА*м (цена не устоялась, как и технология), ниобат титана — около 1 $ за кА*м, но уже для температуры в 4.2 К. Для сравнения, алюминиевые провода ЛЭП обходятся в ~5-7 долларов за кА*м, медные — в 20.

Реальные тепловые потери СП кабеля AMPACITY длинной 1 км и мощностью ~40 МВт. В пересчете на мощность криокуллера и циркуляционного насоса мощность, затрачиваемая на работу кабеля, — около 35 кВт, или меньше 0,1% передаваемой мощности.

Конечно, то, что СП кабель — это сложное вакуумированное изделие, которое можно прокладывать только под землей, добавляет дополнительных расходов, однако там, где земля под ЛЭП стоит значительных денег (например, в городах), СП ЛЭП уже начинают появляться, пускай пока и в виде пилотных проектов. В основном, это кабели из ВТСП (как наиболее освоенные), на низкие и средние напряжения (от 10 до 66 кВ), с токами от 3 до 20 кА. Такая схема минимизирует количество промежуточных элементов, связанных с повышением напряжения в магистраль (трансформаторов, выключателей и т.п.) Наиболее амбициозным и уже реализованным проектом силового кабеля является проект LIPA: три кабеля длиной 650 м, рассчитанные на передачу трехфазного тока мощностью 574 МВА, что сопоставимо с воздушной линией электропередачи на 330 кВ. Ввод в эксплуатацию самой мощной на сегодняшний день ВТСП кабельной линии состоялся 28 июня 2008 г.

Интересный проект AMPACITY реализован в Эссене, Германия. Кабель среднего напряжения (10 кВ c током 2300 А мощностью 40 МВА) со встроенным сверхпроводящим ограничителем тока (это активно развивающаяся интересная технология, позволяющая за счет потери сверхпроводимости «естественно» отключать кабель в случае перегрузок коротким замыканием) установлен внутри городской застройки. Запуск произведен в апреле 2014 г. Этот кабель станет прототипом для остальных проектов, запланированных в Германии по замене 110 кВ кабелей ЛЭП на сверхпроводящие 10 кВ кабели.

Установка кабеля AMPACITY сопоставима с протяжкой обычных высоковольтных кабелей.

Экспериментальных проектов с разными сверхпроводниками на разные значения тока и напряжения еще больше, в том числе несколько выполнено в нашей стране, например, испытания экспериментального 30-метрового кабеля со сверхпроводником MgB2, охлаждаемого жидким водородом. Кабель под постоянный ток в 3500 А и напряжение 50 кВ, созданной ВНИИКП интересен «гибридной схемой», где охлаждение водородом одновременно является перспективным методом транспортировки водорода в рамках идеи «водородной энергетики».

Однако вернемся к ВИЭ. Моделирование LUT было нацелено на создание 100% ВИЭ генерации в масштабах континентов, при этом стоимость электроэнергии должна была составить меньше 100 долларов за МВт*ч. Особенность модели — в получившихся перетоках в десятки гигаватт между европейскими странами. Такие мощности практически невозможно передать никак кроме СП ЛЭП постоянного тока.

Данные моделирования LUT для Великобритании требуют экспорта электроэнергии, доходящего до 70 ГВт, при наличии на сегодня линков острова в 3,5 ГВт и расширения этого значения до 10 ГВт в обозримой перспективе.

И подобные проекты существуют. Например Карло Руббиа, знакомый нам по реактору с ускорительным драйвером MYRRHA, продвигает проекты на базе чуть ли не единственного на сегодня в мире производителя стрэндов из диборида магния — по задумке криостат диаметром 40 см (впрочем, уже довольно сложный для транспортировке и укладки на суше диаметр) вмещает 2 кабеля с током 20 кА и напряжением +-250 кВ, т.е. общей мощностью 10 ГВт, причем в таком криостате можно разместить 4 проводника = 20 ГВт, уже близко к требуемому моделью LUT, причем в отличии от обычных высоковольтных линий постоянного тока, здесь есть еще большой запас по повышению мощности. Расходы мощности на рефрижерацию и прокачку водорода составят ~10 мегаватт на 100 км, или 300 МВт на 3000 км — где-то в три раза меньше, чем для самых передовых высоковольтных линий постоянного тока.

Предложение Руббия по 10-гигаваттной кабельной ЛЭП. Такой гигантский размер трубы для жидкого водорода нужен для того, что бы уменьшить гидравлическое сопротивление и иметь возможность ставить промежуточные криостанции не чаще 100 км. Есть проблема и с поддержанием вакуума на такой трубе (распределенный ионный вакуумный насос — не самое мудрое решение тут, ИМХО)

Если дальше увеличить размеры криостата до значений, характерных для газопроводов (1200 мм), и уложить внутрь 6-8 проводников на 20 кА и 620 кВ (максимальное освоенное на сегодня напряжение для кабелей), то мощность такой “трубы” составит уже 100 ГВт, что превосходит мощности, передаваемые самими газо- и нефтепроводами (самые мощные из которых передают эквивалент 85 ГВт тепловых). Главной проблемой может стать подсоединение такой магистрали к существующим сетям, однако факт, что сама технология уже почти доступна.

Интересно прикинуть стоимость подобной линии.

Доминировать будет, очевидно, строительная часть. Например, прокладка 800 км 4 HVDC кабелей в немецком проекте Sudlink обойдется в ~8-10 миллиардов евро (это известно, поскольку проект подорожал с 5 до 15 миллиардов после перехода с воздушной линии на кабель). Стоимость прокладки в 10-12 млн евро за км примерно в 4-4,5 раза выше, чем средняя стоимость прокладки газопроводов, судя по этому исследованию.

В принципе, ничего не мешает применять подобную технику для прокладки сверхмощных линий электропередач, впрочем, основные сложности тут видны в оконечных станциях и подключению к имеющимся сетям

Если взять что-то среднее между газом и кабелями (т.е. 6-8 млн евро за км), то стоимость сверхпроводника скорее всего потеряется в стоимости строительства: для 100-гигаваттной линии стоимость СП составит ~0,6 млн долларов на 1 км, если взять СП стоимость 2$ за кА*м.

Вырисовывается интересная дилемма: СП “мегамагистрали” оказываются в несколько раз дороже газовых магистралей при сопоставимой мощности (напомню, что это все в будущем. Сегодня ситуация еще хуже — нужно окупить НИОКР на СП-ЛЭП), и именно поэтому строятся газопроводы, но не СП-ЛЭП. Однако по мере роста ВИЭ эта технология может стать привлекательной и получить бурное развитие. Уже сегодня проект Sudlink, возможно выполнялся бы в виде СП-кабеля, если бы технология была бы готова.

Что ж, будем следить за развитием этой отрасли.

P.S. Спасибо Виталию Сергеевичу Высоцкому за помощь с реальными цифрами стоимости сверхпроводников и дополнительными материалами!

Освоение ультравысокого напряжения – как основа для глобализации электроснабжения

С.П. Филиппов

УДК 621.315

Обобщен опыт освоения сверх- и ультравысокого напряжения в СССР, Китае и других странах мира. Показано, что технологическое лидерство в данной области перешло к Китаю. Рассмотрены перспективы дальнейшего развития технологий передачи электроэнергии на дальние расстояния. Сделан вывод о том, что в основном создана технологическая основа для формирования глобальной электроэнергетической системы.

Ключевые слова: электроэнергия, электропередача, переменный ток, постоянный ток, сверхвысокое напряжение, ультравысокое напряжение, глобализация электроснабжения, глобальная электроэнергетическая система.

S.P. Filippov

Mastering ultra-high voltage as – the basis for globalization of electricity supply

      Abstract. The experience of development of extra- and ultra-high voltage in the Soviet Union, China and other countries around the world was summarized. It is shown that the technological leadership in this field has moved to China. The prospects of further development of technologies for the transmission of electricity over long distances are considered. It is concluded that the technological foundation for the formation of the global power system is basically created.

     Keywords: electricity, electricity transmission, alternating current, direct current, super-high voltage, ultra-high voltage, globalization of electricity supply, global power system.

Введение

Формирование систем централизованного электроснабжения стало одним из важнейших результатов технологического развития энергетики в индустриальный период [1]. Их создание было обусловлено прежде всего концентрацией производства электроэнергии на крупных электростанциях (тепловых, атомных, гидравлических), расположенных вдали от центров энергопотребления. Сооружение таких электростанций было вызвано процессом укрупнения энергетического оборудования, в основе которого лежали экономические соображения. Единичная электрическая мощность энергоблоков тепловых и атомных электростанций достигла 1200-1500 МВт. В России была создана одна из крупнейших в мире Единая электроэнергетическая система страны (ЕЭС России), общая установленная мощность электростанций в которой на начало 2019 г. достигла 243,2 ГВт. Доля крупных электростанций (мощностью 1 ГВт и более) составляет в ней 63,7% в установленной мощности и 74,7% в производстве электроэнергии.

Переход экономики и общества в постиндустриальную фазу своего развития под воздействием новой технологической революции, по всей видимости, будет сопровождаться децентрализацией энергопотребления и смещением структуры спроса на энергию в сторону роста доли электроэнергии [2, 3]. Это, в свою очередь, в совокупности с освоением повсеместно доступных  возобновляемых источников энергии (ВИЭ), будет благоприятствовать развитию распределенной генерации.

В то же время имеются факторы, которые не только оставляют востребованными сложившиеся системы централизованного электроснабжения, но и могут потребовать их дальнейшего развития [4, 5]. В их числе можно отметить, во-первых, продолжение процессов урбанизации с быстрым ростом населения в мегаполисах, что ведет к концентрации электрических нагрузок в городах, во-вторых, сохранение в значительных объемах крупной промышленности и, в-третьих, освоение огромных высококачественных ресурсов ВИЭ в отдаленных районах (пустыни, побережья северных и дальневосточных морей и т.д.). Причем роль последнего фактора неуклонно возрастает по мере совершенствования технологий электрогенерации на базе ВИЭ. Все это формирует спрос на технологии передачи электроэнергии на дальние расстояния и создает экономически привлекательные условия для глобализации электроснабжения на их основе. В таком случае электроэнергия получает шанс стать новым глобальным энергетическим продуктом и при определенных условиях занять нынешнее место нефти. Реальностью станет формирование глобального рынка электроэнергии. Ключевой технологией для создания глобальной электроэнергетической сети, видимо, станет передача электроэнергии постоянным током на ультравысоком напряжении (УВН).

Передача электроэнергии на ультравысоком напряжении

В международной практике к системообразующим сетям ультравысокого напряжения (ultra high voltage, UHV) относят линии электропередачи (ЛЭП) переменного тока напряжением 1000 кВ и выше и ЛЭП постоянного тока напряжением ±800 кВ и выше. Напряжение переменного тока от 330 до 1000 кВ и постоянного тока от ±400 до ±800 кВ считается сверхвысоким (extra high voltage, EHV). Более низкие уровни напряжения вплоть до 35 кВ относятся к классу высокого напряжения (high voltage, HV) [6]. Некоторые страны отступают от этой классификации.

ЛЭП переменного тока напряжением 500 кВ позволяют передавать около 1 ГВт электрической мощности. Их оптимальная протяженность по техническим и экономическим причинам не превышает 500 км. При повышении напряжения до 1000 кВт предаваемая мощность увеличивается до 4-5 ГВт, а протяженность – до 1000-1500 км.  У ЛЭП постоянного тока возможности выше. Посредством ЛЭП на напряжении ±500 кВ можно передать около 3 ГВт электрической мощности на расстояние около 1000 км, ЛЭП ±800 кВ – уже 6-9 ГВт на 2000-3000 км, а ЛЭП ±1100 кВ – вообще 12-15 ГВт на 5000-6000 км [7].

Ожидается, что переход на напряжение ±1100 кВ позволит снизить стоимость сооружения ЛЭП (на единицу передаваемой мощности), как это произошло при переходе с напряжения ±500 кВ на ±800 кВ. Тогда стоимость строительства ЛЭП снизилась на 28%. По оценке китайских специалистов, в настоящее время сооружение в Китае линейной части ЛЭП постоянного тока ±800 кВ обходится в среднем 5,88 млн юаней/км (около 880 тыс. долл./км) и каждой преобразовательной подстанции – в 7 млрд юаней (1,05 млрд долл.)  Для ЛЭП ±1100 кВ затраты в линейную часть составляют 7,6 млн юаней/км (около 1140 тыс. долл./км) и в каждую преобразовательную подстанцию – 9 млрд юаней (1,35 млрд долл.). Тогда при длине линии 2000 км и передаваемой мощности 6 ГВт по ЛЭП ±800 кВ и 12 ГВт по ЛЭП ±1100 кВ удельные капиталовложения в данные ЛЭП составят соответственно 477 и 415 долл./кВт, то есть переход на более высокое напряжение ведет к экономии примерно 15% капитальных затрат на каждую единицу передаваемой мощности. 

Основным назначением ЛЭП постоянного тока на УВН является передача больших объемов электроэнергии на дальние расстояния, а ЛЭП переменного тока на УВН – распределение полученной электроэнергии на большой площади. ЛЭП постоянного тока с напряжением ±800 кВ позволяют организовать трансрегиональные и трансграничные электрические связи, а ЛЭП с напряжением ±1100 кВ могут использоваться для создания континентальных и трансконтинентальных связей. ЛЭП ±1100 кВ по удельным энергопотерям (4-5% от передаваемой мощности) близки к сверхпроводящим линиям, но, видимо, намного дешевле [6]. Освоение в будущем напряжения ±1500 кВ и создание новых токопроводящих материалов со сверхнизким удельным электрическим сопротивлением вообще, видимо, решают все практически значимые проблемы с дальней передачей больших электрических мощностей. Тогда потребность в разработке для этих целей сверхпроводящих ЛЭП становится неочевидной.

Освоение ультравысокого напряжения в СССР

Следует отметить, что еще относительно недавно в числе мировых лидеров по разработке электротехнического оборудования на сверх- и ультравысокое напряжение был СССР [8, 9].  В стране в 1956 г. была введена в эксплуатацию ЛЭП переменного тока Куйбышевская ГЭС – Москва напряжением 400 кВ и протяженностью 815 км, которая в 1959 г. впервые в мире была переведена на напряжение 500 кВ. В 1961 г. завершилось сооружение второй длинной ЛЭП-500 кВ Сталинградская ГЭС – Москва. Уже к середине 1960-х годов общая протяженность ЛЭП-500 в стране превысила 8 тыс. км. В 1967 г. была введена в строй тестовая ЛЭП переменного тока напряжением 750 кВ Конаково – Москва длиной 87,7 км. В 1975 г. была сдана в промышленную эксплуатацию ЛЭП 750 кВ Ленинград – Конаково протяженностью 525 км. После чего началось их практическое применение, в основном для целей выдачи мощности крупных атомных электростанций. Тем не менее в России системообразующие функции и межсистемные связи до сих пор выполняют преимущественно ЛЭП 500 кВ.  Их суммарная протяженность превышает 40 тыс. км (в одноцепном исполнении), тогда как протяженность ЛЭП 750 кВ составляет около 4 тыс. км.

В 1977 г. было принято правительственное решение о сооружении уникальной ЛЭП переменного тока на напряжение 1150 кВ Сибирь – Казахстан – Урал (от Итата через Экибастуз до Челябинска) протяженностью 2344 км. Это была первая в мире ЛЭП УВН. К 1991 г. было завершено строительство основной части ЛЭП (от Барнаула до Челябинска), а к 1998 г. – оставшейся части (от Барнаула до Итата). Правда, на проектном напряжении 1150 кВ работали только участки Экибастуз – Кокчетав (с 1985 г.) и Кокчетав – Кустанай (с 1988 г.). При этом была обеспечена выдача мощности до 5,5 ГВт. Однако после 1991 г. вся ЛЭП была переведена на напряжение 500 кВ, прежде всего из-за возникших сложных технических проблем (в частности обеспечения грозозащиты линий), вызывающих частое отключение оборудования, а также резкого снижения спроса на электроэнергию. Только развал СССР не позволил их решить и лишил страну лидерства в данной области. Как отмечается в [4], в настоящее время оборудование класса 1150 кВ пришло в негодность, а производственная база для его выпуска утеряна. Во многом утеряна и научно-технологическая база.

Не менее впечатляющие успехи были в СССР и в освоении постоянного тока сверхвысокого напряжения. В 1950 г. была построена опытно-промышленная кабельная линия постоянного тока высокого напряжения Кашира – Москва. Это была передовая в то время  ЛЭП мощностью до 30 МВт, напряжением 200 кВ и длиной около 100 км. ЛЭП в разное время эксплуатировалась как биполярная при ±100 кВ и как монополярная при 200 кВ с обратным током в земле. ЛЭП была реализована на базе оборудования, предназначавшегося для немецкого проекта «Эльба» в Берлине и вывезенного из Германии в СССР после окончания Второй мировой войны в качестве репарации. Накопленный опыт был использован при разработке отечественного оборудования, проектировании и сооружении более мощных ЛЭП.

В 1962 г. была построена ЛЭП постоянного тока напряжением ±400 кВт Волгоградская ГЭС – Донбасс мощностью 720 МВт и длиной 473 км на основе ртутных выпрямителей полностью советского производства. Техническая сложность ртутных выпрямителей и неудобство в обслуживании, высокая стоимость, высокая аварийность из-за обратной дуги, низкая надежность – сдерживали развитие в СССР систем передачи электроэнергии постоянным током на высоком напряжении. Но уже  в 1969 г. были созданы первые отечественные тиристорные преобразователи. В 1978 г. на базе отечественного оборудования было начато строительство ЛЭП постоянного тока Экибастуз – Центр (до Тамбова) на рекордном напряжении ±750 кВ. Она должна была стать самой протяженной (2414 км) и самой мощной в мире (6 ГВт) на тот момент. Из-за распада СССР строительство завершено не было.

К настоящему времени все ЛЭП постоянного тока на территории России выведены из эксплуатации. Действующей осталась только вставка постоянного тока напряжением ±85 кВ и длиной около 200 м на подстанции в Выборге, объединяющая несинхронизированные электроэнергетические системы переменного тока России и Финляндии. В работе находятся 4 теристорных преобразователя мощностью 355 МВт каждый. Первый был введен в эксплуатацию в 1981 г., последний – в 2001 г. Суммарная  мощность вставки составляет 1420 МВт.

С сожалением приходится констатировать, что Россия во многом потеряла научно-технические и производственные компетенции в разработке технологий передачи электроэнергии на ультравысоком напряжении и выпуске соответствующего электросетевого оборудования. Между тем в СССР еще в 80-х годах прошлого века ставилась задача разработки электротехнического оборудования для ЛЭП напряжением 1500 кВ [8]. Учитывая перспективы развития систем централизованного электроснабжения, настоятельно требуется восстановление в стране в максимально короткие сроки соответствующих компетенций и производственной базы.

Опыт Китая в освоении УВН

Освоение УВН в Китае было обусловлено экономической необходимостью. Бурное развитие экономики требовало дополнительной электроэнергии. Страна богата углем и гидроэнергией, однако имеет место огромный дисбаланс между территориальным размещением энергоресурсов и центров энергопотребления. Около 76% запасов каменного угля находится на севере и северо-западе страны, 80% гидроресурсов – на юго-западе. Основные континентальные ресурсы ветровой энергии размещены в северной части страны. В то же время свыше 70% энергопотребления сосредоточено в Восточном и Центральном Китае. Расстояние между крупными базами энергоресурсов и центрами энергопотребления составляет около 1000-3000 км и более.

       Основным используемым топливом в Китае является каменный уголь, добыча которого в стране достигла фантастических 3,4 млрд т в год. На Китай сейчас приходится почти 45% от всей добычи угля в мире. Кроме того, страна ежегодно импортирует более 260 млн т угля, в том числе из России [10]. Неудивительно, что в Китае возникали жесткие инфраструктурные ограничения на перевозку огромных объемов угля и во многих городах сложилась крайне неблагоприятная экологическая обстановка. Количество дней с превышением природоохранных нормативов переваливало в них за 50%. Поэтому покрытие роста электропотребления за счет строительства в этих районах новых угольных электростанций стало просто невозможным. Выход был найден в производстве электроэнергии в отдаленных районах – в местах концентрации крупных гидроресурсов и вблизи угольных месторождений с передачей электроэнергии потребителям по ЛЭП ультравысокого напряжения [6].

В Китае первая ЛЭП переменного тока на напряжение 500 кВ была введена в строй в 1981 г., на напряжение 750 кВ – в 2005 г. и на 1000 кВ – в 2009 году. В 1989 г. была построена ЛЭП постоянного тока Гэчжоуба – Шанхай напряжением ±500 кВ, а в 2010 г. ЛЭП Сяньцзяба – Шанхай на ±800 кВ с передаваемой мощностью 6,4 ГВт. Все эти ЛЭП базировались на импортном оборудовании (в основном ABB и Siemens), проектировались и сооружались зарубежными компаниями. Правительством страны была поставлены задачи освоения УВН и перехода на отечественное оборудование, которые были успешно выполнены.

Основными составляющими успеха Китая в освоении ультравысокого напряжения стали развитие отечественной науки и техники в совокупности с трансфером зарубежных знаний и технологий и активным научно-техническим и технологическим заимствованием. Ключевую роль в этом сыграла мощная Государственная электросетевая корпорация (ГЭК). Она объединила разрозненные силы различных исследовательских групп и инженеров и приступила к разработке отечественного оборудования. Были созданы соответствующие научно-исследовательские организации и научно-производственные предприятия, проведены многочисленные научные конференции и научно-практические семинары с участием ведущих мировых разработчиков и производителей техники сверхвысоких и ультравысоких напряжений (ABB, Siemens, Areva, Toshiba, Mitsubishi и др.), организованы посещения китайскими специалистами зарубежных электротехнических центров и компаний. Очень эффективным оказалось привлечение к сотрудничеству по разработке новой китайской техники ведущих мировых специалистов, которым были созданы привлекательные условия.

В результате китайцам удалось в короткое время перенять накопленные в мире знания и имеющийся передовой опыт по передаче электроэнергии высоким и ультравысоким напряжением. Можно констатировать, что Китай выиграл в данной области глобальную «битву за мозги» и сейчас по праву гордится полученными результатами. Выдвинутый Китаем в свое время принцип «рынок в обмен на технологии» успешно сработал, и это дало такой поразительный результат. Было освоено производство электротехнического оборудования УВН, проектирование, сооружение и эксплуатация  ЛЭП на его основе.

На базе китайского оборудования в 2009 г. была введена в строй экспериментальная ЛЭП УВН Шаньси – Неньян – Цзинмэнь на переменном токе и напряжении 1000 кВ протяженностью 640 км. Она обеспечила стабильную пропускную способность 5 ГВт и в 2011 г. была принята в промышленную эксплуатацию. Полученный опыт открыл путь для сооружения в Китае ЛЭП переменного тока на УВН на базе отечественного оборудования.

Еще более впечатляющим является китайский опыт создания ЛЭП постоянного тока на УВН. В 2003, 2004 и 2007 годах в Китае с помощью зарубежных компаний и на основе самых передовых в мире технологий были построены три ЛЭП напряжением ±500 кВ и мощностью 3 ГВт каждая из Санься в Чанчжоу, Гуадун и Шанхай. Однако зарубежным компаниям было поставлено жесткое требование по локализации производства основного оборудования на китайских предприятиях и привлечении китайских специалистов к проектированию и сооружению ЛЭП. Поэтому уже при строительстве ЛЭП Санься – Шанхай степень локализации производства основного оборудования достигла 100% и управление проектом осуществляли китайские компании. В результате китайские производители оборудования быстро овладели технологиями передачи электроэнергии постоянным током на сверхвысоком напряжении. Был накоплен достаточный технический потенциал для реализации собственных проектов на базе отечественного оборудования.

На основе полученного опыта Китаем была самостоятельно спроектирована, разработана и построена экспериментальная ЛЭП постоянного тока на напряжение ±660 кВ Ниндун – Шаньдун. В 2010 г. была введена в эксплуатацию ЛЭП Сянцзяба – Шанхай длиной 1891 км с самым высоким в мире уровнем напряжения ±800 кВ, самым передовым техническим оснащением и самым большим уровнем передаваемой мощности (6,4 ГВт). С этого времени в Китае начинается эра сооружения ЛЭП постоянного тока на УВН с использованием собственного оборудования.

При освоении УВН китайскими специалистами реализованы многие технические нововведения. Так, в 2010 г. в Китае был успешно разработан первый повышающий трансформатор переменного тока, позволяющий генераторы мощностью 1 ГВт напряжением 27 кВ включать непосредственно в сеть УВН 1000 кВ. Прежде подключения осуществлялись путем двухступенчатой трансформации (27/500 и 500/1000 кВ), что требовало промежуточного трансформатора и усложнения схемы. Прорывом стало освоение производства мощных высоковольтных тиристоров – высокотехнологичных элементов силовой электроники с большой пропускной способностью, выдерживающих ультравысокое напряжение, достаточно простых и безопасных в эксплуатации и ремонте. В ЛЭП ±800 кВ сила тока достигает 4,5 кА и более, поэтому используются 6-дюймовые тиристоры с развитой системой охлаждения. Применение 12-пульсных преобразователей позволило существенно улучшить гармонические характеристики как на стороне постоянного, так и переменного тока, упростить фильтры, уменьшить площадь, занимаемую оборудованием и, как следствие, уменьшить стоимость строительства преобразовательных подстанций. В итоге Китай стал мировым лидером в разработке, производстве и использовании электросетевого оборудования на УВН, что открывает для него хорошие перспективы для крупномасштабного развития «зеленой» энергетики и выхода на мировые рынки с конкурентоспособной высокотехнологичной продукцией.

Ближайшей перспективой технологического развития в области передачи электроэнергии в Китае является промышленное освоение постоянного тока напряжением ±1100 кВ. Опыт сооружения и эксплуатации ЛЭП ±800 кВ показал, что для этого не существует непреодолимых технических препятствий. Уже начато строительство ЛЭП ±1100 кВ Zhundong – Southen Anhui протяженностью 3324 км. Целевые ориентиры технологического развития дальнего транспорта электроэнергии в Китае видят в освоении напряжения 1500 кВ на переменном и постоянном токе.

В КНР в настоящее время сооружены 8 ЛЭП на переменном токе напряжением 1000 кВ общей протяженностью около 5310 км и длиной отдельных линий от 240 до 1050 км при средней величине примерно 660 км. Кроме них в Китае сооружены 13 ЛЭП на постоянном токе напряжением ±800 кВ общей протяженностью около 22130 км. Средняя их длина составляет примерно 1700 км, а протяженность отдельных ЛЭП – от 1120 до 2410 км. Введется строительство еще четырех ЛЭП переменного тока на напряжение 1000 кВт общей протяженностью 970 км, а также двух ЛЭП постоянного тока, одна из которых на напряжение ±800 кВт длиной 1490 км, а вторая – ЛЭП +/-1100 кВ, о которой говорилось выше. Панируется довести протяженность ЛЭП УВН в стране до 400 тыс. км, а передаваемую с их помощью мощность до 400 ГВт, в том числе около 150 ГВт ЛЭП постоянного тока для трансрегиональной передачи электрической мощности с запада Китая на восток и с севера на юг [7].

Освоение сверх- и ультравысокого напряжения в других странах мира

Передача электроэнергии сверхвысоким и ультравысоким напряжением активно осваивается во многих странах мира. Прежде всего, это касается стран с большой территорией и значительным территориальным разнесением центров концентрации энергоресурсов и центров электропотребления.

Первая в мире промышленная ЛЭП переменного тока напряжением 735 кВ была сооружена в Канаде в 1965 г., на два года раньше ЛЭП-750 кВ Конаково – Москва в СССР. Развитие сети 735 кВ в восточной части энергосистемы Канады было вызвано необходимостью выдачи мощности крупных ГЭС на реках северо-запада провинции Квебек, удаленных на 1000 км от центров электропотребления. Было сооружено 6 магистральных ЛЭП-735 кВ. В восточной части страны широкое распространение получила сеть напряжением 500 кВ.

Освоение огромного гидроэнергетического потенциала северо-запада провинции Квебек и передача электроэнергии к Монреалю и в северо-восточные районы США потребовали сооружения ЛЭП постоянного тока. Начиная с 1972 г. и по 1990 г. было построено 7 таких линий напряжением ±450 кВ. Каждая из них способна передавать около 2 ГВт электрической мощности, и имеет протяженность около 1480 км. На базе данных ЛЭП была создана первая в мире многотерминальная электропередача постоянным током. Она имеет пять преобразовательных подстанций, из которых три расположены на территории Канады и две на территории США. В 2015 г. в Канаде были введены в строй две ЛЭП постоянного тока напряжением ±500 кВ и передаваемой мощностью 1 ГВт: Восточная Альберта (485 км) и Западная Альберта (350 км). Высоковольтное оборудование было поставлено компанией Siemens. В провинции Манитоба сооружается  ЛЭП постоянного тока Manitoba Bipol напряжением ±500 кВ, мощностью 2 ГВт и  протяженностью 1324 км, которая свяжет ГЭС на реке Нельсон с потребителями западного берега озера Манитоба.

В США развиваются две системы напряжений переменного тока: 115-230-500 кВ и 156-345-765 кВ. Первая ЛЭП 500 кВ была включена в работу в 1965 г., а ЛЭП 765 кВ – в 1969 году. Роль системообразующих и межсистемных связей выполняют ЛЭП 345-765 кВ. В 1970 г. была введена в строй Тихоокеанская электропередача постоянного тока (Path 65), простирающаяся на расстояние 1362 км вдоль западного побережья США из северо-западного штата Орегон (подстанция Celilo) к Лос-Анжелесу (подстанция Sylmar). После серии модернизаций пропускная способность ЛЭП достигла 3,1 ГВт, напряжение составляет ±500 кВ. Модернизация подстанций производилась на базе 12-пульсных преобразователей компании ABB и тиристорного оборудования компании Siemens. Кроме Тихоокеанской ЛЭП в США имеется еще ряд ЛЭП и около десятка вставок постоянного тока. Наиболее крупной является ЛЭП ±500 кВ (Path 27) из штата Юта (подстанция Intermauntine) в Калифорнию (подстанция Adelanto) мощностью 2,4 ГВт и длиной 785 км. Имеются проекты новых ЛЭП постоянного тока ультравысокого напряжения.

В Европе опорной считается сеть переменного тока напряжением 220-380 кВ. Сети более высокого напряжения не получили распространения. Это объясняется достаточно равномерным размещением в Европе электрических нагрузок и электростанций и высокой плотностью электрических сетей, обилие которых превратило территорию Европы в своеобразную «медную доску». В Европе имеется достаточно много относительно коротких линий постоянного тока напряжением ±500 кВ и менее, а также вставок постоянного тока, использующихся для целей объединения национальных электроэнергетических систем [11]. Существуют электрические связи постоянным током сверхвысокого напряжения между Финляндией и Швецией (±400 кВ, 500 МВт, 233 км, год ввода 1989 г. а также ±500 кВ, 800 МВт, 303 км, 2011 г.), Германией и Швецией (±450 кВ, 600 МВт, 262 км, 1994 г.), Данией и Германией (±400 кВ, 600 МВт, 170 км, 1996 г.), Швецией и Польшей (±450 кВ, 600 МВт, 245 км, 2000 г.), Италией и Грецией (±400 кВ, 500 МВт, 310 км, 2001 г.), Англией и Голландией (±450 кВ, 1000 МВт, 245 км, 2010 г.), Данией и Норвегией (±500 кВ, 700 МВт, 244 км, 2015 г.) и др. С 1986 г. функционирует первая в мире мультитерминальная система постоянного тока Италия – Корсика –Сардиния (±200 кВ, 200 МВт, 483 км). Бурное развитие электрогенерации на базе ВИЭ на севере Европы настоятельно требует переброски больших объемов электроэнергии в центральные и южные регионы. Этим предрекается масштабное развитие сети постоянного тока в Европе, в основном на напряжении от ±400 до ±500 кВ.

Интенсивное электросетевое строительство на основе ЛЭП сверхвысокого напряжения ведется во многих странах Азии, помимо Китая. Основой системообразующей сети Японии являются ЛЭП напряжением 275 и 500 кВ, а Южной Кореи – 345 кВ. В то же время в Японии в 1993 г. была введена в строй ЛЭП переменного тока напряжением 1000 кВ, связавшая АЭС Касивадзаки с Токио, а в Южной Корее с 2004 г. эксплуатируется ЛЭП переменного тока 765 кВ. Основной их задачей является выдача мощности крупных АЭС.

 В Индии сооружаются мощные ЛЭП постоянного тока с целью освоения гидроэнергетического потенциала горных районов севера страны и передачи мощности крупных ГЭС в густонаселенные южные районы. С 1990 г. введено в эксплуатацию 5 ЛЭП ±500 кВ передаваемой мощностью от 1,5 до 2,5 ГВт и протяженностью от 750 до 1450 км. До 2000 г. основным поставщиком оборудования для них была компания ABB, а после 2000 г. им стала компания Siemens. Несколько ЛЭП постоянного тока имеется в Австралии, в том числе самая длинная в мире кабельная линия Basslink ±400 кВ протяженностью 370 км и передаваемой мощностью 500 МВт.

Мощные электроэнергетические системы формируются в Южной Америке, прежде всего в Бразилии и Аргентине. Наивысшее напряжение электрических сетей переменного тока в Бразилии составляет 765 кВ. Имеются также сеть линий 500 кВ, отдельные линии 400 кВ и сеть 345 кВ. В Аргентине развивается сеть переменного тока напряжением 500 кВ. Суммарная протяженность соответствующих ЛЭП в стране превысила 10 тыс. км. Освоение имеющегося гигантского гидроэнергетического потенциала стимулировало сооружение на континенте мощных ЛЭП постоянного тока.  

В Бразилии эксплуатируются две линии электропередачи постоянного тока напряжением ±600 кВ и предаваемой мощностью 3,15 ГВт каждая, связавших одну из крупнейших в мире ГЭС Итайпу с районом  Сан-Паулу. ЛЭП введены в эксплуатацию в 1984 и 1987 гг. и имеют протяженность 785 и 805 км соответственно. В 2013 г. введены в строй две ЛЭП постоянного тока Rio Madeira напряжением ±600 кВ. Предаваемая мощностью каждой из них составляет 3,15 ГВт, а протяженность – 2375 км. Они связали ГЭС на реке Мадейра в бассейне Амазонки с центрами электропотребления в районе Сан-Паулу. Оборудование для данных ЛЭП было поставлено компаниями ABB и Alstom.

В конце 2017 г. завершилось строительство ЛЭП постоянного тока Xingu – Estreito напряжением ±800 кВ, передаваемой мощностью 4 ГВт и протяженностью 2076 км. Это, видимо, первая за пределами Китая промышленная линия постоянного тока ультравысокого напряжения. Она предназначена для передачи мощности ГЭС Belo Monte, сооружаемой на реке Хингу в бассейне Амазонки на севере Бразилии, в густонаселенные юго-восточные районы страны. Минимальная гарантированная мощность ГЭС Belo Monte состаляет 4,57 ГВт.

На пороге взрывного роста электропотребления и, соответственно, электросетевого строительства стоит африканский континент. Многими странами уже освоено сверхвысокое напряжение. В Египте используются сети переменного тока напряжением 500 кВ, в ЮАР – 400 кВ, в Нигерии, Замбии, Зимбабве и некоторых других странах – 330 кВ, в прочих странах – 220-230 кВ. Огромный гидроэнергетический потенциал экваториальной Африки, также как и в Южной Америке, создал основу для сооружения длинных ЛЭП постоянного тока для передачи электрической мощности в удаленные центры потребления. Мозамбик и ЮАР связывает ЛЭП постоянного тока Cahora Bassa (±533 кВ, 1920 МВт, 1420 км), введенная в строй в 1979 г. и реконструированная в 2014 году. В Конго с 1982 г. действует ЛЭП постоянного тока Inga – Shaba (±500 кВ, 1120 МВт, 1630 км, в 2014 г. она была реконструирована). В Намибии с 2010 г. функционирует ЛЭП постоянного тока Caprivi Link (±350 кВ, 300 МВт, 950 км). Для связи энергосистем Эфиопии и Кении сооружается ЛЭП постоянного тока напряжением ±500 кВ (мощность 2000 МВт, длина 1045 км). Основным поставщиком электротехнического оборудования для африканских ЛЭП постоянного тока является компания ABB.

Развитие технологий электропередачи постоянным током на УВН

Расширение использования в мире передачи электроэнергии постоянным током обусловлено их важными преимуществами, в частности, высокой пропускной способностью, низкими потерями энергии, более простыми конструкциями опор, меньшей шириной полосы отчуждения, что приобретает особую важность в районах с дорогой землей. Равномерное распределение напряжения по длине линии не требует установки устройств поперечной компенсации.

Особый интерес представляют кабельные линии постоянного тока УВН. В них проще обеспечивать УВН, высокую плотность тока, большую передаваемую мощность, низкие потери. Емкостной ток в них не является ограничением для дальности передачи. Поэтому они могут найти широкое применение для организации глубоких вводов мощности в крупные города, передачи электроэнергии по дну морей, в частности, для энергоснабжения отдаленных островов.

Однако, как показал опыт, передача электроэнергии постоянным током имеет и недостатки, которых, как показал опыт эксплуатации действующих ЛЭП, тоже немало [6]. Большинство из них связано со стадиями преобразования тока. Преобразовательные подстанции являются технически сложными и дорогими объектами. Сложной оказывается их эксплуатация. Тиристорные преобразователи потребляют значительные объемы реактивной мощности и вызывают появление высших гармонических составляющих. Поэтому на обоих концах ЛЭП требуется устанавливать фильтры переменного и постоянного тока, а также устройства компенсации реактивной мощности. Это усложняет эксплуатацию, увеличивает площади подстанций и ведет к их удорожанию.

Со значительными сложностями связано осуществление процедур коммутации оборудования ЛЭП постоянного тока. Во многом они обусловлены появлением и сложностью гашения дуги огромной мощности. Существенной является проблема загрязнения электротехнического оборудования вследствие притягивания пыли статическим электричеством. Это повышает требования к внешней изоляции. В системах с земляным контуром имеет место электрический контакт с подземными металлическими конструкциями и трубопроводами, резко возрастает скорость их электрохимической коррозии. Протекание постоянного тока в заземлении нейтрали вызывает дополнительное намагничивание сердечника и вибрацию трансформатора. Во многих местах из-за свойств грунта затруднительным становится выбор места для заземления.

Имеются серьезные системные проблемы. Аварии в системах переменного тока, сопряженных  с ЛЭП постоянного тока, неизбежно ведут к нарушению коммутации на преобразовательных подстанциях. Современное оборудование позволяет их минимизировать, но полностью исключить не может. Большую проблему представляет отбор мощности в промежуточных точках ЛЭП постоянного тока и, следовательно, создание многополюсных систем передачи электроэнергии постоянным током.        

В мире прилагаются значительные усилия для устранения недостатков данного способа передачи электроэнергии [6, 12, 13]. Разрабатываются новые технологии безопасного включения систем передачи электроэнергии постоянным током УВН в потребительские сети переменного напряжения, новые типы выключателей, новое оборудование защиты и управления в целях повышения устойчивости и надежности систем. Исключительная важность придается созданию новых технологий преобразования тока и напряжения. Появление новых типов приборов силовой электроники, в частности  IGBT-транзисторов – биполярных транзисторов с изолированным затвором (insulated-gate bipolar transistor), открывает возможности для использования в системах передачи электроэнергии постоянным током широтно-импульсной модуляции PWM (pulse-width modulation) и преобразователей напряжения VSC (voltage source converter). Некоторый опыт здесь уже имеется. Впервые возможности технологии VSC были продемонстрированы в 1997 г. на экспериментальной ЛЭП ±10 кВ, 3 МВт длиной 10 км. В 1999 г. был реализован более крупный коммерческий проект (ЛЭП ±80 кВ, 50 МВт, 140 км). В 2011 г. в Китае была осуществлена прокладка подводного кабеля с технологий VSC на остров Хайнань (ЛЭП ±30 кВ, 18 МВт) [6]. По мере разработки более мощных IGBT-транзисторов будут расширяться возможности их применения в сетях постоянного тока, в том числе УВН.

Для создания глобальной электроэнергетической сети нужны надежные  мультитерминальные технологии передачи электроэнергии постоянным током ультравысокого напряжения. Как было показано выше, до сих пор строились практически только двухконцевые ЛЭП, имеющие в своем составе линейную часть и две преобразовательные подстанции: входную (выпрямитель), преобразующую исходный переменный ток в постоянный, и выходную (инвертер), преобразующую постоянный ток в переменный, направляемый потребителям. Отбор мощности по трассе ЛЭП не предусматривался. Основной задачей таких ЛЭП была переброска больших мощностей из одного района в другой. В мультитерминальных (многоконцевых) системах передачи постоянного тока преобразовательных подстанций три и более. Они позволяют собирать и отбирать мощность по трассе ЛЭП и строить связанные сети постоянного тока. Однако в таких системах возникают сложные задачи распределения мощности между преобразовательными подстанциями в переходных режимах, проведения противоаварийных мероприятий, обеспечения приемлемого уровня надежности и др. Мультитерминальные системы пока не получили широкого распространения в мире. Однако исследования и разработки в данной области продолжаются и наиболее интенсивно они ведутся в Европе и Китае.

В Европе консорциумом из 39-ти партнеров был реализован четырехлетний проект Best Paths, выполнявшийся на средства 7-й Рамочной программы ЕС и завершившийся в сентябре 2018 г. [14]. Целью проекта стало создание новых сетевых технологий, необходимых для перехода от единичных линий постоянного тока к системам постоянного тока и их инкорпорации в существующие системы переменного тока.  Результаты проекта должны помочь в разработке необходимого для этого электросетевого оборудования и алгоритмов управления режимами его работы. Такие технологии требуются для эффективной интеграции удаленных электрогенерирующих установок на базе ВИЭ в существующие электроэнергетические системы. В Китае упор делается на разработке для этих целей мощных мультитерминальных систем передачи постоянного тока на УВН.

Стимулировать дальнейшее развитие технологий дальнего транспорта электроэнергии на ультравысоком напряжении будет рост спроса на них, прежде всего в целях освоения огромных высококачественных ресурсов ВИЭ, удаленных от центров потребления энергии. Это создает основу для создания глобальной электроэнергетической системы. Формирование такой системы, в свою очередь, приведет к взрывному росту спроса на электросетевое оборудование для электропередач сверх- и ультравысокого напряжения. Такое оборудование является наукоемким и высокотехнологичным. Его производство создает значительную добавленную стоимость и потому представляет интерес для бизнеса.

Научно-технические достижения Китая в области электротехники и экономическая мощь позволяют ему ставить амбициозные задачи по созданию глобальной электроэнергетической сети и взять на себя роль лидера в их реализации и, скорее всего, в последующем управлении [15]. Китай видит в этом хороший рынок для поставок оборудования китайской электротехнической промышленности, что должно загрузить ее заказами на многие десятилетия вперед. Для реализации этих идей и координации усилий по их реализации Китаем создана международная организация GEIDCO (Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization). Она пользуется политической поддержкой китайского правительства, а также научно-технической и финансовой поддержкой китайского бизнеса. 

Заключение

Технологическую базу для формирования глобальной электроэнергетической системы составят технологии дальней передачи электроэнергии переменным и  постоянным током на ультравысоком напряжении. Можно считать освоенным напряжение 1000 кВ и ±800 кВ. Сооружается ЛЭП с напряжением ±1100 кВ. Целевым ориентиром является освоение напряжения 1500 кВ. Мировым лидером в данной области стал Китай.

ЛЭП постоянного тока на УВН имеют низкие удельные энергопотери и вполне приемлемые экономические характеристики, позволяющие эффективно передавать большие объемы электроэнергии на дальние расстояния и создавать континентальные и трансконтинентальные связи. Областью применения ЛЭП переменного тока на УВН является эффективное распределение электроэнергии на большой площади. Активизацию спроса на технологии передачи электроэнергии на дальние расстояния можно связывать с массированным вовлечением в мировой топливно-энергетический баланс высококачественных ресурсов ВИЭ, расположенных в отдаленных районах, а также с вытеснением из него органических топлив с большими удельными выбросами парниковых газов, прежде всего угля, в рамках борьбы с глобальным изменением климата.

Китай активно продвигает проекты по созданию глобальной электроэнергетической системы на основе ЛЭП постоянного тока на УВН. Это создает основу для формирования мирового рынка электроэнергии, которая в таком случае может стать новым глобальным энергетическим продуктом и при определенных условиях занять нынешнее место нефти. 

России целесообразно присоединиться к проектам по созданию глобальной электроэнергетической системы, учитывая ее географической положение и богатство ресурсами возобновляемых видов энергии. Это открывает для нее новые возможности для создания крупномасштабной возобновляемой энергетики, а также развития высокотехнологичной электротехнической промышленности.

Страна во многом потеряла научно-технические и производственные компетенции в разработке технологий электропередачи на ультравысоком напряжении и выпуске соответствующего электросетевого оборудования. Учитывая огромный потенциальный рынок для такого оборудования, настоятельно требуется восстановление в максимально короткие сроки соответствующих компетенций и производственной базы.

---

[1] Сергей Петрович Филиппов – директор Института энергетических исследований (ИНЭИ) РАН, академик РАН, д.т.н., e-mail: [email protected]

[2] Sergey P. Filippov – Director of the Energy Research Institute of the Russian Academy of Sciences (ERI RAS), Academician of the RAS, Doctor of Engineering, e-mail: [email protected]

от 11 ноября 2010 года N 1/н-ор 117

Председателю
Законодательного Собрания
Санкт-Петербурга
Тюльпанову В.А.

     
     В октябре 2010 года исполнилось 65 лет открытому акционерному обществу «Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения» (далее — ОАО «НИИПТ»).
     
     ОАО «НИИПТ» было создано в системе Министерства электростанций на основании распоряжения СНК СССР от 18.10.1945 N 15173р для решения проблем, связанных с внедрением в энергетику электропередач постоянного тока и созданием Единой энергосистемы страны.
     
     С самого начала в тематике института также получили развитие системное и высоковольтное направления, связанные с созданием системообразующих линий передачи электроэнергии на большие расстояния, необходимых для формирования Единой электроэнергетической системы страны.
     
     В 1950 году, несмотря на отсутствие практического опыта, институт осуществил впервые в мировой практике пуск опытно-промышленной передачи постоянного тока от электростанции в г.Кашира до подстанции в Москве с воздушно-кабельной линией напряжением 200 кВ длиной 112 км, мощностью 30 МВт. В течение 1962-1965 годов была введена в эксплуатацию другая, в то время самая крупная в мире, передача постоянного тока от Волжской гидроэлектростанции в Волгограде до подстанции Михайловская на Украине (720 МВт, ± 400 кВ, 479 км). Таким образом, уже в середине шестидесятых годов усилиями ученых и инженеров института, проектировщиков и изготовителей оборудования был сделан решающий вклад в развитие теории и освоение техники передачи электроэнергии постоянным током.
     
     К своему 25-летнему юбилею в 1970 году НИИПТ реализовался как многопрофильный научный электроэнергетический центр, имеющий крупные успехи не только в разработке передач постоянного тока, но также в решении проблем обеспечения устойчивости и надежности объединенных энергосистем, в вопросах техники высоких напряжений для линий электропередачи переменного тока, в создании устройств преобразовательной техники для народного хозяйства. В эти и последующие годы институт принял участие в разработках и внедрении всех новых высших классов напряжения для линий электропередачи переменного тока (от 330 до 1150 кВ). В 1981-1984 годах очередями введена в работу крупнейшая выпрямительно-инверторная подстанция (вставка постоянного тока) в районе Выборга на электрической связи 330/400 кВ Россия — Финляндия, обеспечившая несинхронное объединение ЕЭС и NORDEL.
     
     За работы в области электропередач 750 кВ, системной противоаварийной автоматики и Выборгскую вставку постоянного тока институт был удостоен Государственных премий. Всего до настоящего времени 4 работы института отмечены такими премиями.
     
     В 1993 году институт преобразовался в акционерное общество открытого типа — ОАО «НИИПТ», дочернее предприятие РАО «ЕЭС России». Приказом по РАО «ЕЭС России» от 18.01.1996 N 7/2 институт определен головной научной организацией отрасли в области систем электропередач переменного и постоянного тока большой протяженности для развития на этой базе системообразующей сети ЕЭС. В 2005 году Председателем Правления ОАО РАО «ЕЭС России» А.Б.Чубайсом принято решение (распоряжение N 294р от 12.12.2005) по созданию на базе ОАО «НИИПТ» Научно-технического центра системной надежности и управления режимами ЕЭС. В связи с этим с 2006 года планомерно расширяются работы института, связанные с задачами ОАО «СО ЕЭС» по обеспечению системной надежности. В октябре 2007 года статус ОАО «НИИПТ» как Научного и инжинирингового центра ОАО «СО ЕЭС» оформлен юридически — институт стал 100-процентным Дочерним зависимым обществом ОАО «СО ЕЭС».
     
     В 2009 году в Екатеринбурге образован Филиал ОАО «НИИПТ» «Системы управления энергией», специализирующийся в области создания программных средств и систем автоматизации для целей оперативно-диспетчерского управления и планирования режима предприятий энергетической отрасли.
     
     В настоящее время институт проводит исследования и выполняет разработки в следующих направлениях: проектирование и развитие электроэнергетических систем; устойчивость, надежность и живучесть электроэнергетических систем; режимное и противоаварииное управление; стратегия и технологии оперативного управления ЕЭС России; автоматизированные системы мониторинга, сбора, передачи, обработки информации и управления технологическими процессами; управляемые электропередачи: вставки и электропередачи постоянного тока, технологии FACTS; технологии и оборудование электрических установок высокого напряжения; разработка, испытания и внедрение силовой преобразовательной техники.
     
     В рамках этих направлений ведутся исследования и расчеты, разработка алгоритмов, программных продуктов, отдельных устройств и систем, методических и нормативных материалов, испытания и исследования аппаратуры и высоковольтного оборудования на действующих комплексах, стендах и установках экспериментально-исследовательской базы института.
     
     По состоянию на ноябрь 2010 года ОАО «НИИПТ» не имеет задолженностей в местные и федеральные бюджеты. Заработная плата выплачивается регулярно.
     
     Прошу рассмотреть возможность награждения работников ОАО «НИИПТ» Почетным дипломом 4 (четыре) человека, объявлением благодарности 9 (девять) человек Законодательного Собрания Санкт-Петербурга и рассмотреть представление к награждению ОАО «НИИПТ» Почетным дипломом Законодательного Собрания Санкт-Петербурга.
     
     Приложение: 1. Представление к награждению ОАО «НИИПТ».
     
     2. Представление к награждению Почетным дипломом или объявлению благодарности, 13 человек.
     
     3. Список представляемых к награждению.
     
     С уважением,
     
     

Генеральный директор
О.В.Фролов

     
     
     
Электронный текст документа
подготовлен ЗАО «Кодекс» и сверен по:
рассылка

Высоковольтная линия постоянного тока — это… Что такое Высоковольтная линия постоянного тока?

Высоковольтная линия постоянного тока (HVDC) используется для передачи больших электрических мощностей по сравнению с системами переменного тока. При передаче электроэнергии на большие расстояния устройства системы HVDC менее дороги и имеют более низкие электрические потери. Даже при использовании на небольших расстояниях, где стоимость преобразовательного оборудования HVDC системы сравнима со стоимостью системы переменного тока, линия постоянного тока имеет больше преимуществ.

Современный способ передачи HVDC использует технологию, разработанную в 30-х годах XX века шведской компанией ASEA. Одни из первых систем HVDC были построены в Советском Союзе в 1951 году между Москвой и городом Кашира, и островом Готланд и Швецией в 1954 году, с мощностью системы 10-20 МВт.^[1]

Самая длинная HVDC линия в мире в настоящее время Сянцзяба(向家坝; pinyin: Xiàngjiābà)-Шанхай — 2071 км, мощностью 6400 МВт при 800 кВ, соединяющая плотину Сянцзяба и город Шанхай в Китае^[2]. В 2012 году, самая длинная HVDC линия будет соединять районы Амазонас и Сан-Паулу, длиной более 2500 км ^[3]

HVDC системы в Западной Европе. Красным отмечены существующие линии, зеленым — строящиеся, синим — предложенные. Многие из них передают электроэнергию от возобновимых источников, таких как вода и ветер.

Высоковольтная передача

Высокое напряжение используется для уменьшения потерь электроэнергии в сопротивлении проводов. Мощность пропорциональна току в цепи, а потери на нагрев проводов пропорциональны квадрату тока. Однако, мощность также пропорциональна напряжению, таким образом заданный уровень мощности может быть обеспечен более высоким напряжением при более низких токах. При этом, чем выше напряжение, тем ниже мощность потерь. Мощность потерь так же может быть уменьшена путем уменьшения сопротивления линии, что обычно достигается увеличением диаметра проводника; однако провода большего сечения имеют больший вес и стоимость.

Высокое напряжение нельзя прямо использовать для освещения и электроснабжения оборудования, и значит напряжение должно быть уменьшено до величины, совместимой с конечным потребителем. Трансформатор, который может работать только на переменном напряжении, является эффективным способом изменения напряжения. Соревнование между сторонником постоянного тока Томасом Эдисоном и переменного тока Николой Тесла и Джорджа Вестингауза, известное как «Война токов», привела к победе сторонников переменного тока. Практическое применение постоянного тока стало возможным только с развитием мощных электронных устройств, таких как ртутные (англ.)русск. вентили и более поздние полупроводниковые устройства, такие как тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) и запираемые тиристоры (GTO).

История HVDC

HVDC в 1971: этот 150 КВ ртутный вентиль преобразовывал переменное напряжение для передачи в отдаленные города от гидрогенераторов Манитобы.

Первая передача электроэнергии на большое расстояние, использующая постоянный ток, была продемонстрирована в 1882 году на линии Мисбах-Мюнхен, однако мощность передачи составила 2,5 кВт. Один из способов передачи электроэнергии на постоянном токе высокого напряжения был разработан швейцарским инженером Рене Тюри (Rene Thury) [2] и осуществлен в 1889 в Италии компанией Acquedotto de Ferrari-Galliera . Это устройство использовало последовательно соединенные двигатели-генераторы для увеличения напряжения. Каждая группа была изолирована от земли и приводилась в движение основным двигателем. Линия работала на постоянном токе, с напряжением до 5000 В на каждой машине, некоторые машины имели двойные коммутаторы, для уменьшения напряжения на каждом коммутаторе. Эта система передавала мощность 630 кВт на постоянном напряжении 14 кВ на расстояние 120 км. ^[4][5] Система Moutiers-Lyon передавала 8600 кВт гидроэлектрической мощности на расстояние 124 мили, включая 6 миль подземного кабеля. Устройство использовало восемь последовательно соединенных генераторов с двойными коммутаторами для создания полного напряжения 150 кВ между полюсами, и находилось в работе приблизительно с 1906 до 1936. К 1913 действовало пятнадцать систем Тюри. ^[6] Другие системы Тюри, работающие на постоянном напряжении 100 кВ, использовались до 1930-х, но вращающиеся машины требовали высокого технического обслуживания и имели большие потери энергии. В первой половине 20-го столетия были опробованы другие электромеханические устройства, но они не получили широкого распространения. ^[7]

Один из способов преобразования высокого постоянного напряжения до низкого напряжения сети состоял в том, что сначала должны были заряжаться последовательно соединенные батареи, затем, соединив батареи параллельно, накопленным зарядом питать нагрузку. ^[8] Хотя в начале XX века было, по крайней мере, два случая промышленного применения, способ не был перспективен вследствие ограниченной емкости батарей, трудностей в переключении между последовательным и параллельным соединениями, и неэффективностью цикла заряда/разряда батареи.

Ртутные вентили использовались в передаче энергии в период 1920—1940. Начиная с 1932, Дженерал Электрик использовала ртутные вентили на линии передачи постоянного тока напряжением 12 кВ, которая также использовалась, чтобы преобразовывать напряжение генераторов с частотой 40 Гц в напряжение нагрузки с частотой 60 Гц, в Mechanicville, Нью-Йорк. В 1941 была разработана 115-километровая подземная кабельная линия, мощностью 60 МВт, напряжением +/-200 кВ, для города Берлина, использовавшая ртутные вентили (Проект Эльба), но вследствие краха немецкого правительства в 1945 проект не был завершен. ^[9] Использование кабеля объяснялось тем, что во время военного времени подземный кабель будет менее заметной целью бомбардировок. Оборудование перешло Советскому Союзу и было введено в эксплуатацию. ^[10]

Применение ртутных вентилей в 1954 положило начало современной эре передачи HVDC. HVDC-связь была создана компанией ASEA между материковой Швецией и островом Готланд. Ртутные вентили были распространены в устройствах, разработанных до 1975, но в более поздних устройствах HVDC используют только твердотелые приборы. С 1975 до 2000 преобразователи с естественной коммутацией (LCC) были тиристорного исполнения. Согласно экспертам, таким как Vijay Sood, следующие 25 лет могут получить более широкое распространение преобразователи с принудительной коммутацией (CCC), которые в значительной степени вытеснили использование LCC. ^[11] Со времени использования полупроводниковых приборов, были проложены сотни подводных кабелей HVDC, которые работали с более высокой надежностью.

Преимущества HVDC по сравнению с передачей на переменном токе

Преимущество HVDC — способность передавать большее количество энергии на длинные дистанции с меньшими капитальными затратами и меньшими потерями, чем на переменном токе. В зависимости от уровня напряжения и схемы, потери будут составлять приблизительно 3 % на 1000 км. Передача на постоянном токе высокого напряжения позволяет эффективно использовать источники энергии, удаленные от энергоузлов нагрузки.

Во многих случаях HVDC передача более эффективна, чем передача на переменном токе. Например:

• Подводные кабели, где высокая емкость приводит к дополнительным потерям. (например, 250 км линия Baltic Cable между Швецией и Германией ^[12]))
• Передача энергии в энергосистеме от пункта к пункту без промежуточных ‘отводов’, например, в удаленные районы
• Увеличение пропускной способности существующей энергосистемы в ситуациях, где установка дополнительных линий является трудной или дорогой
• Передача энергии и стабилизация между несинхронизированными системами распределения переменного тока
• Присоединение удаленной электрической станции к энергосистеме, например, линия Nelson River Bipole
• Уменьшение стоимости линии за счет уменьшения количества проводников. Кроме того, могут использоваться более тонкие проводники, так как HVDC не подвержен поверхностному эффекту.
• Упрощается передача энергии между странами, которые используют переменный ток различных напряжений и/или частот
• Синхронизация переменного напряжения, произведенного возобновляемыми источниками энергии

Длинные подводные кабели имеют высокую емкость. В то время как этот факт имеет минимальную роль для передачи электроэнергии на постоянном токе, переменный ток приводит к зарядке и разрядке емкости кабеля, вызывая дополнительные потери мощности. Кроме того, мощность переменного тока расходуется на диэлектрические потери.

HVDC может передавать большую мощность по проводнику, так как для данной номинальной мощности постоянное напряжение в линии постоянного тока ниже, чем амплитудное напряжение в линии переменного тока. Мощность переменного тока определяет действующее значение напряжение, но оно составляет только приблизительно 71 % амплитудного напряжения, которое определяет фактическую толщину изоляции и расстояние между проводниками. Поскольку у линии постоянного тока действующее значение напряжения равно амплитудному, становится возможным передавать на 41% больше мощности по существующей линии электропередачи с проводниками и изоляцией того же размера, что на переменном токе, что снижает затраты.

Поскольку HVDC допускает передачу энергии между несинхронизированными распределительными системами переменного тока, это позволяет увеличить устойчивость системы, препятствуя каскадному распространению аварии с одной части энергосистемы на другую. Изменения в нагрузке, приводящие с десинхронизации отдельных частей электрической сети переменного тока, не будут затрагивать линию постоянного тока, и переток мощности через линию постоянного тока будет стабилизировать электрическую сеть переменного тока. Величину и направление перетока мощности через линию постоянного тока можно непосредственно регулировать и изменять для поддержания необходимого состояния электрических сетей переменного тока с обоих концов линии постоянного тока.

Недостатки

Недостатки HVDC в преобразовании, переключении и управлении. Работающая схема HVDC требует хранения многих запасных частей, которые могут быть использованы исключительно в одном устройстве, поскольку устройства HVDC менее стандартизированы, чем устройства переменного тока и используемая технология быстро изменяется.

Необходимые преобразователи дороги и имеют ограниченную перегрузочную способность. На меньших расстояниях потери в самих преобразователях могут быть больше чем в линии электропередачи переменного тока. За исключением двух все прежние ртутные выпрямители во всем мире были демонтированы или заменены тиристорными преобразователями. Схема HVDC между Северным и Южным островами Новой Зеландии все еще использует выпрямители на ртутных вентилях, как и система HVDC линии Vancouver Island в Канаде.

В отличие от систем переменного тока, реализация мультитерминальных систем сложна, так как требует расширение существующих схем до мультитерминальных. Управление перетоком мощности в мультитерминальной системе постоянного тока требует наличие хорошей коммуникации между всеми терминалами. Выключатели цепи постоянного тока высокого напряжения более сложны в изготовлении, так как требуют наличия какого-либо механизма встроенного в выключатель для обнуления тока, иначе будет образовываться дуга, и износ контакта был бы слишком большим, чтобы позволить надежное переключение. Мультитерминальные линии редки. Одна из них работает в системе Hydro Quebec — New England от Radisson к Sandy Pond. ^[13] Другая система — линия соединяющая Сардинию и материковую Италию, которая была изменена в 1989, чтобы обеспечивать мощностью остров Корсика. ^[14]

Стоимость HVDC передачи

Обычно производители, такие как Alstom Grid, Siemens и ABB не публикуют информацию о стоимости проекта, так как это — коммерческий вопрос между изготовителем и клиентом.

Стоимость широко меняется в зависимости от специфических особенностей проекта, таких как номинальная мощность, длина линии, воздушный или подводный способ прокладки трассы, стоимость земли, и изменение электрической сети переменного тока каждого конца линии. Может потребоваться детальное сравнение стоимости линии постоянного тока против стоимости линии переменного тока. Там где технические преимущества линии постоянного тока не играют роли, и выбор делается по экономическому сравнению вариантов.

Основываясь на некоторых проектах, можно выделить некоторую информацию о стоимости проекта HVDC:

Для 8 ГВт 40 км линии, проложенной под Ла-Маншем, приблизительные затраты на первичное оборудование для биполярной HVDC линии на 500 кВ мощностью 2000 МВт (исключая подъездные пути, береговые работы, согласование, технику, страхование, и т. д.) составили: преобразовательные станции — ~£110M, подводный кабель + монтаж — ~£1M/km.

Так, для четырехлинейной системы между Англией и Францией мощностью 8 ГВт, стоимость установочных работ составила немного более £750M. Добавьте £200-300M за дополнительные береговые работы. ^[15]

Выпрямление и инвертирование

Составляющие

Два из трех тиристорных комплектов вентилей, использованных для передачи мощности на большое расстояния от дамбы в Манитобе

Ранее в линии HVDC использовали ртутные выпрямители, которые были ненадёжны. Два устройства HVDC, использующие ртутные выпрямители, всё ещё в процессе эксплуатации (на 2008). Тиристоры были впервые использованы в устройствах HVDC в 1960-х. Тиристор — полупроводниковое устройство, подобное диоду, но с дополнительным выводом — управляющим электродом, который используется для включения прибора в определенный момент времени. Также применяется биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), который имеет лучшую управляемость и меньшую стоимость.

Поскольку напряжение в устройствах HVDC в некоторых случаях доходит до 800 кВ, превышая напряжение пробоя полупроводникового прибора, преобразователи HVDC построены с использованием большого количества последовательно соединённых полупроводниковых приборов.

Низковольтные управляющие цепи, используемые для включения и выключения тиристоров, должны быть гальванически развязаны от высоких напряжений линии электропередачи. Обычно такая развязка оптическая. В гибридной системе управления низковольтная контролирующая электроника посылает световые импульсы по оптоволокну к электронике управления высоким напряжением. Другое устройство обходится без электроники с высокой стороны, вместо этого, используя световые импульсы от управляющей электроники, непосредственно переключает фототиристоры (LTTs).

Полный переключающий элемент обычно называется вентилем, независимо от его конструкции.

Выпрямители и инверторы

В выпрямлении и инверсии используются по существу одни и те же агрегаты. Многие подстанции настроены таким образом, чтобы они могли работать и как выпрямители, и как инверторы. В конце линии переменного тока ряд трансформаторов, часто трех однофазных трансформаторов, развязывают преобразовательную станцию от сети переменного тока, обеспечивая заземление и гарантируя корректное постоянное напряжение. Выходы этих трансформаторов подключены к выпрямителям по мостовой схеме, сформированной большим числом вентилей. Базовая конфигурация выпрямителя содержит шесть вентилей. Схема работает с фазовым сдвигом в шестьдесят градусов, поэтому в выпрямленном напряжении содержится значительное число гармоник.

Для улучшения гармонического состава применяется схема 12 вентилями (двенадцатипульсный режим). Преобразовательный трансформатор имеет две вторичные обмотки (или используются два трансформатора), одна из которых имеет соединение «звезда», а другая — «треугольник», тем самым обеспечивая сдвиг фазы в 30 градусов между напряжениями на вторичных обмотках трансформатора. К каждой из вторичных обмоток подключен выпрямительный мост содержащий 6 вентилей, выводы постоянного тока которых соединены. Тем самым обеспечивается двенадцатипульсный режим с лучшим гармоническим составом.

В дополнение к преобразовательным трансформаторам, наличие реактивной составляющей линии помогает фильтровать гармоники.

Типы схем

Монополярная

В монополярной схеме, один из выводов выпрямителя заземляют. Другой вывод, с электрическим потенциалом выше или ниже заземленного, связан с линией электропередачи. Заземленный вывод может или не может быть связан с соответствующим выводом преобразовательной станции посредством второго проводника.

При отсутствии второго металлического проводника, токи протекают в земле между заземленными электродами двух электростанций. Поэтому это однопроводная схема с земным возвратом. Проблемы, которые создает ток, протекающий в земле, включают:

• Электрохимическая коррозия длинных проложенных в грунте металлических объектов, таких как трубопроводы
• При использовании воды в качестве второго проводника, ток, протекающий в морской воде может произвести хлор или как-либо иначе затронуть водный состав.
• Несбалансированный ток может привести к возникновению магнитного поля, которое может повлиять на магнитные навигационные компасы судов, проходящих над подводным кабелем.

Эти воздействия могут быть устранены установкой металлического обратного проводника между двумя концами монополярной линии электропередачи. Так как один из выводов преобразователей заземлен, нет необходимости в установке изоляции обратного провода на полное напряжение передачи, что делает обратный провод менее дорогостоящим, чем проводник высокого напряжения. Решение об использовании металлического обратного провода основывается на экономических, технических и экологических факторах. ^[16]

Современные монополярные системы воздушной сети передают примерно 1500 МВт. ^[17] При использовании подземного или подводного кабеля, обычное значение составляет 600 МВт.

Большинство монополярных систем разработаны для будущего расширения до биполярной схемы. Опоры линии электропередачи могут быть разработаны так, чтобы нести два проводника, даже если первоначально используется только один провод в монополярной системе. Второй проводник или не используется, или используется параллельно с другим (как в случае Baltic-Cable).

Биполярная

Биполярные опоры системы Baltic-Cable-HVDC в Швеции

В биполярной передаче используется пара проводников, каждый под высоким напряжением относительно земли, противоположной полярности. Так как изоляция этих проводников должна выбираться по полному напряжению, стоимость линии электропередачи выше монополярной схемы с обратным проводом. Однако, преимущества биполярной передачи делают ее более привлекательной по сравнению с монополярной. При нормальной нагрузке в земле протекают незначительные токи, как и в случае монополярной передачи с металлическим обратным проводом. Это уменьшает потери в земле и снижает экологическое воздействие. Когда короткое замыкание происходит на одной из линий биполярной системы, схема может продолжать работать на неповрежденной линии в монополярном режиме, передавая приблизительно половину номинальной мощности с использованием земли в роли обратного проводника. Так как для данной номинальной мощности по каждому проводнику биполярной линии протекает только половина тока монополярной линии, стоимость второго проводника меньше по сравнению с монополярной линией той же самой мощности. На очень неблагоприятной местности второй проводник может быть проведен на независимом наборе опор ЛЭП, чтобы при повреждении одной из линий, часть мощности передавалась потребителю.

Биполярное устройство может также быть установлено с металлическим обратным проводником.

Биполярные устройства могут передавать до 3200 МВт на напряжении +/-600 кВ. Подводная кабельная линия, первоначально сооруженная как монополярная, может быть модернизирована дополнительными кабелями и работать в биполярном режиме.

Вставка постоянного тока

Вставка постоянного тока является станцией, в которой и инверторы и выпрямители находятся в одном месте, обычно в одном и том же здании. Линия постоянного тока выполняется настолько короткой насколько возможно. Вставки постоянного тока используются для: соединения магистральных линий различной частоты (как в Японии) соединения двух электрических сетей той же самой номинальной частоты, но разных нефиксированных фазовых сдвигов (как до 1995/96 в коммуне Этценрихт). различных частот и числе фаз

Величина постоянного напряжения в промежуточной схеме вставки постоянного тока может быть выбрано свободно из-за малой длины линии. Обычно постоянное напряжение выбирают настолько низким насколько возможно, чтобы построить меньший зал для преобразователей и избежать последовательных соединений вентилей. По этой причине во вставке постоянного тока используют сильноточные вентили.

Системы с линиями электропередачи

Самая общая конфигурация линии HVDC это две преобразовательные станции инвертор/выпрямитель, связанные воздушной линией. Такая же конфигурация обычно используется в соединении несинхронизированных энергосистем, в передаче энергии на большие расстояния, и в случае использования подводных кабелей.

Мультитерминальная HVDC линия, соединяющая более двух пунктов, редка. Конфигурация мультитерминальной системы может быть последовательной, параллельной, или гибридной (последовательно-параллельной). Параллельная конфигурация чаще используется для передачи энергии от больших электростанций, а последовательная — от менее мощных электростанций. Например, система Quebec-New England мощностью 2000 МВт, открытая в 1992, в настоящее время является крупнейшей мультитерминальной HVDC системой в мире. ^[18]

Трехполярная

Недавно запатентованная схема (в 2004 году) предназначена для перевода существующих линий электропередачи переменного тока на HVDC. Два из трех проводников схемы работают в биполярном режиме. Третий проводник используется как параллельный монополь, оборудованный реверсными вентилями (параллельными вентилями, включенными в обратной полярности). Параллельный монополь периодически уменьшает ток от одного полюса или другого, переключая полярность на несколько минут. Без изменения полярности в системе с параллельным монополем, который был бы загружен на +/-100 % по нагреву, биполярные проводники были бы нагружены или на 137 % или на 37 %. В случае с изменяющейся полярностью, суммарный среднеквадратичный тепловой эффект такой же, как и в случае, если бы каждый из проводников работал при номинальном токе. Это позволяет пропускать большие токи по биполярным проводникам, и наиболее полно использовать третий проводник для передачи энергии. Даже когда энергопотребление низкое, высокие токи могут циркулировать по проводам линии для удаления с них льда.

Преобразование существующей линии переменного тока в трехполярную систему позволяет передавать до 80 % больше мощности при том же самом фазном напряжении с использованием той же самой линии передачи, опор и проводников. Некоторые линии переменного тока не могут быть нагружены до их теплового предела из-за проблем устойчивости системы, надежности и реактивной мощности, которые не существуют в HVDC линии.

Трехполярная система работает без обратного провода. Так как авария одного полюса преобразователя или проводника приводит только к малой потере производительности, а обратный ток, протекающий в земле, не возникает, надежность этой схемы высока, без времени, требуемого на переключение.

На 2005 не было преобразований существующих линий переменного тока в трехполярную систему, хотя линия электропередачи в Индии была преобразована в биполярную HVDC.

Коронный разряд

Коронный разряд — это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Это явление может вызвать значительные потери мощности, создавать слышимые и радиочастотные помехи, производить ядовитые смеси, такие как оксиды азота и озон, создавать видимое свечение.

Линии электропередачи и переменного и постоянного тока могут создавать коронные разряды, в первом случае в форме колеблющихся частиц, в последнем — постоянного потока. Коронный разряд вызывает потери мощности, которые могут составлять примерно половину от всех потерь на единицу длины линии переменного тока высокого напряжения, несущего то же самое количество мощности. В монополярной передаче выбор полярности проводника определяется степенью создания коронных разрядов, влияния на окружающую среду. Отрицательные коронные разряды производят значительно больше озона чем коронные разряды положительной величины, воздействуя на здоровье. Использование напряжения положительной величины уменьшает объем создаваемого озона монополярной линии HVDC.

Применение

Краткий обзор

Способность управления потоком мощности, соединение несинхронизированных систем переменного тока, эффективное использование при передаче энергии подводными кабелями делают HVDC системы привлекательными для использования на межнациональном уровне. Ветроэлектростанции часто располагаются на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше) и требуют подводных кабелей и синхронизации полученной энергии. При передаче энергии на очень большие расстояния, например в отдалённые районы Сибири, Канады и скандинавского севера, выбор обычно склоняется в сторону меньшей стоимости линии HVDC. Другие применения HVDC систем были отмечены выше.

Объединения электрической сети переменного тока

Линии электропередачи переменного тока могут связывать только синхронизированные электрические сети переменного тока, которые работают на той же самой частоте и в фазе. Много зон, которые желают поделиться энергией, имеют несинхронизированные электрические сети. Энергосистемы Великобритании, северной Европы и континентальной Европы не объединены в единую синхронизированную электрическую сеть. У Японии есть электрические сети на 60 Гц и на 50 Гц. Континентальная Северная Америка, работая на частоте 60 Гц, разделена на области, которые несинхронизированы: Восток, Запад, Техас, Квебек, и Аляска. Бразилия и Парагвай, которые совместно используют огромную гидроэлектростанцию Итайпу, работают на 60 Гц и 50 Гц соответственно. Устройства HVDC позволяют связать несинхронизированные электрические сети переменного тока, а также добавить возможность управления напряжением переменного тока и потоком реактивной мощности.

Генератор, связанный длинной линией электропередачи переменного тока, может стать неустойчивым и выпасть из синхронизации с отдаленной энергосистемой переменного тока. Линия HVDC может сделать выполнимым использование удаленных электростанций. Ветряные электростанции, расположенные на расстоянии от берега, могут использовать устройства HVDC, чтобы собрать энергию у большого числа несинхронизированных генераторов для передачи на берег подводным кабелем.

Однако, обычно линия питания HVDC связывает две области распределения мощности энергосистемы переменного тока. Устройства, выполняющие преобразование между переменным и постоянным токами, значительно увеличивают стоимость передаваемой энергии. Выше определенного расстояния (приблизительно 50 км для подводных кабелей, и примерно 600—800 км для воздушных линий), меньшая стоимость электрических проводников HVDC перевешивает стоимость электроники.

Преобразовательная электроника также предоставляет возможность эффективно управлять энергосистемой посредством управления величиной и перетоком мощности, что дает дополнительное преимущество существования HVDC линий — потенциальное увеличение устойчивости энергосистемы.

Использование меньшего напряжения

Развитие биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и запираемых тиристоров (GTO) сделало малые системы HVDC экономичнее. Они могут быть установлены в существующих энергосистемах переменного тока для стабилизации мощности без увеличения тока короткого замыкания, как в случае установки дополнительной линии электропередачи переменного тока. Такие устройства разрабатываются фирмами АВВ и Siemens и называются «HVDC Light» и «HVDC PLUS» соответственно. Использование таких приборов расширило использование HVDC до блоков в несколько десятков мегаватт и линий в несколько километров воздушной линии. Разница между двумя технологиями — в понятии автономного инвертора напряжения (VSI), тогда как «HVDC Light» использует широтно-импульсную модуляцию, «HVDC PLUS» выполнен на многоуровневом инверторе.

См. также

Примечания

1. ↑ Narain G. Hingorani in IEEE Spectrum magazine, 1996.
2. ↑ ABB HVDC website.
3. ↑ ABB HVDC website.
4. ↑ ACW’s Insulator Info — Book Reference Info — History of Electrical Systems and Cables
5. ↑ R. M. Black The History of Electric Wires and Cables, Peter Perigrinus, London 1983 ISBN 086341 001 4 pages 94-96
6. ↑ Alfred Still, Overhead Electric Power Transmission, McGraw Hill, 1913 page 145, available from the Internet Archive
7. ↑ «Shaping the Tools of Competitive Power»
8. ↑ Thomas P. Hughes, Networks of Power
9. ↑ «HVDC TransmissionF»
10. ↑ IEEE — IEEE History Center
11. ↑ Vijay K. Sood HVDC and FACTS Controllers: Applications Of Static Converters In Power Systems. — Springer-Verlag. — P. 1. — ISBN 978-1402078903
12. ↑ ABB HVDC website
13. ↑ «HVDC multi-terminal system «. ABB Asea Brown Boveri (23 октября 2008).(недоступная ссылка — история) Проверено 12 декабря 2008.
14. ↑ The Corsican tapping: from design to commissioning tests of the third terminal of the Sardinia-Corsica-Italy HVDC Billon, V.C.; Taisne, J.P.; Arcidiacono, V.; Mazzoldi, F.; Power Delivery, IEEE Transactions on Volume 4, Issue 1, Jan. 1989 Page(s):794 — 799
15. ↑ Source works for a prominent UK engineering consultancy but has asked to remain anonymous and is a member of Claverton Energy Research Group
16. ↑ Basslink project
17. ↑ Siemens AG — HVDC website
18. ↑ ABB HVDC Transmission Québec — New England website

Перспективные технологии передачи электрической энергии на дальние расстояния | Куренев

Открытый доступ  Доступ для подписчиков

Перспективные технологии передачи электрической энергии на дальние расстояния

Александр Сергеевич Куренев, Татьяна Владимировна Выприцкая, Михаил Владимирович Дубинин, Вячеслав Сергеевич Еремин, Алексей Владимирович Лебедев, Cергей Валентинович Юферев, Анастасия Александровна Гусарова, Юлия Радиковна Салимова

Аннотация

В статье рассмотрены перспективные технологии передачи электрической энергии на дальние расстояния (ДЭП). Проведён анализ российских и зарубежных практик и перспективных направлений развития.

Ключевые слова

электроэнергия, линия электропередачи, переменный ток, постоянный ток, сверхпроводимость, устройства компенсации реактивной мощности.

Полный текст:

PDF

Литература

Jun, Yu. The global electricity network concept of study [Text] / Jun Yu [et al.] // ELECTRA. — 2017. — No. 293. – P. 20 — 27.

Бушуев, В.В. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока и сравнительный анализ [Текст] / В.В. Бушуев, Т.Г. Красильникова, Г.И. Самородов // ЭЛЕКТРО: Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2012. — № 2. – С. 2 — 7.

Voltage Source Converter (VSC) HVDC for Power Transmission-Economic Aspects and Comparison with other AC and DC Technologies [Text] // Technical brochure CIGRE. — 2012. — April. — 109 p.

Mircea Eremia. Advanced Solutions in Power Systems: HVDC, FACTS, and Artificial Intelligence [Text] / Mircea Eremia, Chen-Ching Liu, Abdel-Aty Edris // Wiley-IEEE Press. – 2016. – October. — 1072 p.

Сытников, В.Е. Перспективы создания сверхпроводящих кабельных линий для передачи электроэнергии на большие расстояния / В.Е. Сытников, А.В. Кащеев, Т.В. Рябин // Энергия единой сети. — 2018. — № 1. – 34 — 40 с.

Огнев, А.Ю. Сотрудничество России и Китая в области электроэнергетики / А.Ю. Огнев // Регионалистика. — 2015. – Т. 2. — № 3. – С. 51 — 56.

Годовой отчёт ПАО «ФСК ЕЭС» за 2016 [Электронный ресурс]. – (URL: http://www.fsk-ees.ru/upload/docs/2017_GOSA_8_Proekt_GO_FSK_za_2016.pdf).

Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2035 года [Текст]: утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 9 июня 2017 г. № 1209-р. — М., 2017. — 277 с.

Ссылки

• На текущий момент ссылки отсутствуют.

     

                         

© 1998 — 2021 НТФ «Энергопрогресс»  

 

---

Адрес редакции:
129090, Москва. ул. Щепкина, 8, офис 101
Тел. (495) 234-74-17, (495) 234-74-19
E-mail: [email protected] 

Передача электроэнергии на расстояние. Трансформаторы

Приливная электростанция имеет водохранилище прямоугольной формы площадью 100 км и высоту прилива и отлива 8 м. Прилив продолжается 12 ч. КПД преобразования энергии приливной волны в электрическую 90%. Напряжение с шин генератора повышается трансформатором со 100 В до 500 кВ с КПД 95 %. Электроэнергия передается в город на расстоянии 30 км по линиям электропередачи, имеющим удельное сопротивление 0,0003 Ом/м. Понижающий трансформатор, имеющий КПД также 95 %, снижает напряжение на нагрузке до 100 В. Определите значение мощности, подведенной к потребителю. Сколько энергии теряется прн производстве, преобразовании и передаче электроэнергии В какой форме проявляются потери (Предположим, что подведенная энергия и потери в сумме равны аккумулирующей способности водохранилища, куда поступает вода во время прилива.)  [c.44]
Гибкость электричества особенно увеличилась после изобретения трансформатора (преобразователя) электрического тока, который открыл широчайшие перспективы для передачи электроэнергии на большие расстояния от центров ее производства до потребителей. При передаче электроэнергии по проводам происходят потери за счет нагревания проводов, утечки электричества в атмосферу и т. д.  [c.18]

Переменный ток применяется во всех случаях, когда нужно передать электрическую энергию на большие расстояния. Этому способствует свойство переменного тока трансформироваться с одного напряжения на другое. Для передачи электроэнергии на большие расстояния у источника тока устанавливается повышающий трансформатор, а у приемника — понижающий. При этом для передачи по линии той же мощности необходим гораздо меньший ток, поэтому есть возможность применять провода меньшего сечения.  [c.126]

При передаче электроэнергии на большое расстояние применяют переменный ток высокого напряжения, который у потребителей превраш,ается в ток низкого напряжения при помощй трансформаторов.  [c.131]

В современных условиях невозможно осуществить передачу электроэнергии к потребителям без трансформаторов, особенно на большие расстояния. Материалами для сердечников трансформаторов, в которых происходит непрерывное перемагничивание переменным магнитным полем, могут быть только ферромагнитные вещества с малой  [c.12]

Потери энергии в линии передач зависят главным образом от силы тока и в меньшей степени от напряжения. Поэтому становится выгодным повысить напряжение и, не увеличивая силу тока, передавать электроэнергию на более длинные расстояния при равных потерях. В месте потребления электроэнергии трансформатор позволяет снова понизить напряжение до уровня, необходимого потребителю. В результате открытия явления трансформирования электрической энергии снято ограничение по передаче ее на большие расстояния.  [c.18]

Первые электрифицированные железные дороги по своей протяженности были небольшими. Строительство железных дорог большой протяженности наталкивалось на трудности, связанные с большими потерями энер-гии которые вызывает передача постоянного тока на длительные расстояния. С появлением в 80-х годах трансформаторов переменного тока, дающих возможность передавать ток на большие расстояния, они были введены в схемы питания электроэнергией железнодорожных магистралей.  [c.231]

Напряжение иа выводах генератора обычно не удается получить выше 15—20 тыс. в. Передача же электроэнергии на дальние расстояния должна производиться при значительно более высоком напряжении, чтобы уменьшить потери в линиях. Сейчас уже находятся в эксплуатации линии электропередач переменного тока на 330 и 500 тыс. в. Задача повышения напряжения переменного тока при неизменной частоте решается нри помощи трансформаторов.  [c.18]

Выработанная электроэнергия многократно трансформируется сначала повышается напряжение для высоковольтной передачи на большое расстояние — до районной понизительной подстанции, затем для передачи с меньшим напряжением — от районной до заводской подстанции, затем снова трансформируется (до 380—500 в и более) и с этим напряжением подводится к электрическим печам. В зависимости от типа электрической печи возможна дополнительная трансформация электрической энергии при прямом нагреве устанавливается трансформатор, понижающий напряжение до 5—20 в и выше, при индукционном нагреве требуется преобразователь частоты, повышающий промышленную частоту тока с 50 до 2000 гц и более. При каждой трансформации теряется часть энергии в мощных 2—4%, в менее мощных 4—5%, в преобразователях частоты до 20—25%, в сетях до 10—15%. Общие электрические потери могут быть весьма большими. К- п. д. сети от электрического генератора до электротермической установки составляет величину порядка т сет 0,80 0,85.  [c.241]

Для гидроэлектростанций вопрос решается однозначно в пользу передачи электроэнергии. Передача же электроэнергии, вырабатываемой па тепловых электростанциях, обходится в ряде случаев дороже, чем транспортирование угля, имеющего высокую энергоемкость (теплоту сгорания). Еще выгоднее транспортировать на дальние расстояния нефть и природный газ. С другой стороны, большой экономический эффект дает строительство тепловых электростанций у крупных месторождений дешевого малоэнергоемкого угля с передачей электроэнергии в энергетические системы [29, 104, 108]. При этом следует учитывать и капитальные затраты. Например, с учетом стоимости постройки линий электропередач и потерь электроэнергии (на линиях, в трансформаторах, в устройствах стабилизации и регулирования режима) стоимость передачи 150 МВт на 400 км равна половине стоимости постройки тепловой электростанции той же мощности.  [c.102]

Уже первые трансформаторы и генераторы однофазного переменного тока, обладавшие достаточно высокими эксплуатационными параметрами, позволили осуществить в 1884 г. пробные передачи электроэнергии на расстояние. Важным событием в истории освоения техники переменных токов стала первая крупная электростанция однофазного тока, построенная в 1885 г. в Дентфорде (близ Лондона) для освещения улиц в западной части города мощность 1000 кВт, расстояние передачи 12 км при напряжении 10 кВ. Крупные станции однофазного переменного тока в 1887 г. были построены в России в Одессе и Царском Селе.  [c.59]

Все энергетические системы — это системы т р е х ф аз -ного переменного тока, получившего развитие после изобретения выдающимся русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889—1900 гг. трехфазных генераторов и трехфазных трансформаторов. Трехфазный ток в совокупности с трехфазными асинхронными двигателями, также изобретенными Доливо-Добровольским, оказался наиболее удобным для передачи электроэнергии на далекие расстояния и широкого внедрения ее в промышленность.  [c.265]

---

Электротехника

У истоков зарождения и развития электротехнических научных школ в Политехническом институте стояли выдающиеся ученые: чл.-корр. АН СССР М.А. Шателен, академики В.Ф. Миткевич, В.В. Скобельцын, А.Ф. Иоффе, А.А. Чернышев, М.П. Костенко, профессора А.А. Горев, А.М. Залесский, Е.Г. Шрамков, В.К. Попов, В.А. Толвинский и др. Многие из политехников приняли самое активное участие в составлении плана ГОЭЛРО и строительстве Волховской, Днепровской, Свирской, Куйбышевской и других ГЭС. Велика заслуга политехников в создании первых линий электропередач (ЛЭП). Профессора Политехнического института В.Ф. Миткевич и С.Н. Усатый в 1907 г. доказали возможность применения в российских климатических условиях ЛЭП с расщепленными проводами на дальние расстояния. Уже в советское время в построенном в 30-е гг. на территории института высоковольтном корпусе были проведены исследования по ЛЭП 400 кВ Куйбышев — Москва, а после войны профессорами А.А. Вульфом, Н.Н. Щедриным и О.В. Щербачевым доказана принципиальная возможность передачи электроэнергии переменного тока на 2000-4000 км. За участие в создании в 1959 г. ЛЭП Волгоград — Москва политехники В.В. Афанасьев, В.В. Бургсдерф, И.Д. Дроздов, В.Ю. Френкель были удостоены Ленинской премии.

В 60-е гг. под руководством проф. Г.Н. Александрова в ЛПИ была сооружена уникальная лаборатория сверхвысоких напряжений со стендом наружных испытаний, позволившая в результате исследований доказать перспективность создания ЛЭП на высокие напряжения. Важную роль в изучении свойств электроэнергетических систем с линиями переменного и постоянного тока, электромагнитных полей и электрических цепей сыграли теоретические работы академиков Л.Р. Неймана, К.С. Демирчана, профессоров В.Н. Воронина, И.Ф. Кузнецова, В.М. Юринова и др.

Политехники одними из первых стали применять в исследовании больших электроэнергетических систем вычислительную технику. На основе математического моделирования, проведенного К.П. Кадомской, Г.А. Евдокуниным, О.В. Щербачевым и Ю.П. Горюновым, были выполнены комплексные исследования для электростанций и энергосистем Сибири, Дальнего Востока и Европейской части России.

Д.А. Рожанский (1882-1936)

Значителен вклад политехников в создание надежной высоковольтной изоляции и теории теплового электрического пробоя твердых диэлектриков (А.Ф. Иоффе, А.В. Вальтер, Б.М. Вул, Н.Н. Семенов, В.А. Фок). В создании современного учения об электрическом пробое диэлектриков участвовали также политехники А.П. Александров, Н.П. Богородский, А.К. Вальтер, А.А. Горев, Б.М. Гохберг, Л.Д. Инге, П.П. Кобеко, И.В. Курчатов, Л.Е. Машкилейсон, Д.А. Рожанский, Г.И. Сканави.

Одним из результатов исследований, выполненных в новой лаборатории сверхвысоких напряжений, стало создание первой в мире ЛЭП 1150 кВ в Сибири. Современный стенд наружных испытаний кафедры электрических и электронных аппаратов позволяет испытывать изоляционные конструкции аппаратов практически без ограничения их номинального напряжения, что позволило значительно упростить конструкцию выпрямителей, разъединителей и трансформаторов тока, повысив при этом надежность их работы. Кафедрой электрических и электронных аппаратов совместно с заводом „Электроаппарат» были созданы аппаратные генераторные комплексы для Саяно-Шушенской ГЭС. Большим успехом увенчались ведущиеся с 70-х гг. работы по полимерным изоляторам. Созданы лучшие в мире стеклопластиковые изоляторы с покрытием из кремнийорганической резины и получены три патента на связанные с ними технологические процессы.

>

Одним из значительных достижений советской энергетики было завершение в 1970 г. создания крупнейшей в мире Единой энергетической системы (ЕЭС) Европейской части СССР. Политехники сыграли заметную роль на всех этапах создания ЕЭС Еще в 1913 г. под руководством проф. М.А. Шателена была осуществлена параллельная работа первой государственной ГЭС России „Белый уголь» (вблизи г. Ессентуки) и дизельной электростанции „Тепловая» (г. Пятигорск), что стало первым в мире опытом создания электроэнергетической системы.

Профессорами Е.И. Юревичем и В.Н. Козловым был выполнен цикл работ по автоматическому управлению частотой и активной мощностью Единой энергосистемы. В числе авторов научной концепции ЕЭС СССР были питомцы ЛПИ академики АН СССР Л.А. Мелентьев, Ю.Н. Руденко, чл.-корр. РАН А.А. Макаров.

В настоящее время политехники продолжают научные исследования в самых разных областях электротехники. Широкую известность в научном мире снискали работы проф. В.В. Попова по созданию математических моделей, используемых в электромашиностроении, проф. Шнеерсона в области электрофизики и высоковольтной импульсной техники, проф. Ю.Б. Гука и А.К. Черновца, обосновавших надежность главных схем и систем электроснабжения АЭС, А.В. Донского и С.В. Дресвина, стоящих у истоков школы плазменной техники и технологии.

А.А. Горев (1884-1953)

Автор фундаментальных уравнений синхронной машины (уравнение Горева-Парка). Основатель научной школы, занимавшейся передачей электроэнергии на дальние расстояния. Участник работ по плану ГОЭЛРО.

А.А. Чернышев (1882-1940)

Выпускник электромеханического отделения 1907 г. В 1931-1934 гг. опубликовал работы „Единая высоковольтная сеть СССР» и „Высоковольтные сети в районе Волги», внеся значительный вклад в решение проблем защиты от перенапряжений и передачи электроэнергии на большие расстояния переменным и постоянным током.

В.Ф. Миткевич (1872-1951)

Академик АН СССР (1929). Организатор первой в России учебной лаборатории переменных токов, создатель оригинального курса „Физическая основа электротехники». Внес значительный вклад в исследование электромагнитных явлений.

М.П. Костенко (1889-1976)

Сыграл ведущую роль в становлении научной школы электротехники. С конца 30-х гг. принимал самое активное участие в решении многих проблем электромашиностроения. На электромехе им были созданы первые серии отечественных мощных турбогенераторов с воздушным охлаждением. Лауреат Государственной и Ленинской премий, Герой Социалистического Труда.

Н.Н. Тиходеев. Род. 1927

Создатель школы ТВН в НИИПТ и организатор сооружения новой экспериментальной базы отдела ТВН в НИИПТ на основе испытательных установок нового поколения. Создатель теорий многих проблем ТВН (статистических методов координации, выбора и приведения изоляции „к норме» и т.д.). Руководитель филиала кафедры „Электрические системы и сети» СПбГПУ в НИИПТ. Академик АН СССР — РАН с 1979 г.

В.А. Глухих Род. 1929

Один из создателей теории и основ проектирования МГД-машин с жидкометаллическим рабочим телом, газоразрядных лазеров термоядерных установок типа ТОКАМАК. С 1989г — заведующий кафедрой электромеханического факультета. Действительный член АН СССР — РАН с 1987 г.

Г.Н. Александров. Род. 1930

Создатель школы сверхвысоковольтной техники и крупнейшей в мире лаборатории сверхвысоких напряжений. Чл.-корр. РАН с 1991 г.

М.В. Костенко. Род. 1912

Создатель теории волновых процессов в системах с сосредоточенными и распределительными параметрами, в т. ч. частотнозависимыми и нелинейными. Профессор кафедры „Техника высоких напряжений» с 1987 г. Чл.-корр. АН СССР-РАН с 1962 г.

Основные преимущества передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC)

По мере роста спроса на электроэнергию государственная политика стимулирует коммунальные предприятия использовать возобновляемые источники энергии. Коммунальные предприятия вкладывают время и деньги в улучшение передачи возобновляемых источников энергии от морского ветра и солнца.

Сегодня в большинстве электрических сетей используется высоковольтный переменный ток (HVAC) для передачи энергии на большие расстояния, но эта технология подвержена потерям во время передачи, имеет ограничения на передачу энергии на большие расстояния и имеет ограниченные возможности управления мощностью.Система постоянного тока высокого напряжения (HVDC) преобразует мощность из переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) на передающей стороне, передает мощность с использованием постоянного тока, преобразует мощность обратно из постоянного в переменный на принимающей стороне и подает питание в сеть переменного тока принимающей стороны.

Применение технологии HVDC расширяется не только для передачи больших объемов электроэнергии на большие расстояния, но и для объединения возобновляемых источников энергии.

Эффективность оптовой передачи электроэнергии

Стоимость передачи зависит от множества факторов, таких как размер и количество проводов, оборудование, необходимое на оконечных станциях, и размер опоры передачи.

HVDC особенно хорошо подходит для передачи больших объемов электроэнергии на большие расстояния по нескольким причинам:

• Биполярная система HVDC, состоящая из двух высоковольтных проводов на одной опоре, обеспечивает надежность, сравнимую с двухцепной линией HVAC, значительно сокращая затраты на линии передачи и требования к полосе отвода.
• Потери в линии передачи зависят от сопротивления линии. Одним из факторов, влияющих на сопротивление, является скин-эффект, который вызывает увеличение эффективного сопротивления с увеличением частоты переменного тока.Использование постоянного тока устраняет скин-эффект, уменьшая общие потери при передаче.

Для систем передачи HVDC требуются преобразовательные подстанции на каждом конце линии для преобразования переменного тока в постоянный и обратно. Стоимость преобразовательных подстанций HVDC может быть значительно выше, чем у обычных подстанций переменного тока с аналогичной производительностью. Эти расходы могут быть уравновешены снижением затрат на линии передачи и уменьшением потерь. Это становится более очевидным по мере увеличения расстояния и / или уровня передачи мощности.

Преимущество длины кабеля

Длина кабеля передачи HVAC ограничена, поскольку с увеличением длины кабеля увеличивается емкостной зарядный ток. Может доходить до того, что ток емкостной зарядки приближается к полной допустимой нагрузке кабеля. HVDC не имеет емкостного зарядного тока, и более высокие уровни мощности могут передаваться на большие расстояния. Длина кабеля HVDC теоретически ограничена только капитальными затратами. Включенные приложения включают:

• Подключение оффшорных ветряных электростанций: По мере развития оффшорных ветрогенераторов местоположение генераторов ветряных турбин перемещается все дальше от берега.Увеличение расстояний между генераторами и береговой точкой соединения означает, что необходимая длина кабеля увеличивается. HVDC может быть жизнеспособным вариантом передачи, раскрывающим истинный потенциал возобновляемой энергии.
• Передача в густонаселенные районы: Растущий спрос, особенно в густонаселенных районах, в сочетании с проблемами доступа к полосам отвода, вызвал необходимость максимизировать передачу электроэнергии и подтолкнуть к уходу под землю. HVDC — отличный вариант для мощных кабельных линий передачи, позволяющий максимально увеличить мощность, передаваемую по кабелю.

Регулировка мощности

В системе HVAC возможность управления потоками мощности на любом заданном параллельном пути ограничена. Потоки мощности продиктованы относительным сопротивлением различных параллельных путей от данного источника генерации до данной нагрузки. HVDC, с другой стороны, предлагает очень быстрое и точное управление мощностью, протекающей в его системе. Оператор может выбрать количество мощности, передаваемой по каналу. Если эта мощность доступна на передающей стороне, она затем преобразуется в постоянный ток, передается на принимающую сторону, конвертируется обратно в переменный ток и вводится в принимающую систему переменного тока.Дополнительные функции управления могут дополнительно повысить стабильность системы переменного тока, обеспечивая регулирование частоты и демпфирование колебаний мощности в сети переменного тока.

Системы

HVDC обеспечивают более высокую пропускную способность и более низкие потери при передаче на большие расстояния, чем системы переменного тока, и обеспечивают лучшую возможность управления потоками энергии. Кроме того, они обеспечивают возможность передачи большей мощности по кабелям большей длины, что делает их привлекательной альтернативой для перехода на возобновляемые источники энергии.

Узнайте больше о технологиях преобразователей HVDC, системных компонентах и ​​преимуществах для коммунальных служб.

Передача энергии постоянного тока — обзор

Биполярная конфигурация с заземлением нейтрали на обеих клеммах показана на рис. 11.8A.

а.

Рабочие характеристики. В этой конфигурации на стороне постоянного тока используются два независимых монополярных пути заземления, и токи в этих двух путях противоположны по направлению.При нормальной работе системы постоянного тока, если постоянные токи, протекающие через два полюса, равны, постоянный ток в обратном пути заземления равен нулю.

Когда один полюс выходит из строя из-за неисправности, ток, протекающий в исправном полюсе, автоматически возвращается через путь заземления, а именно, система автоматически переходит из биполярного режима работы в режим монополярного возврата на землю. Таким образом, система может передавать по крайней мере номинальную мощность монополя и, при необходимости, передавать мощность, соответствующую перегрузочной способности монополя.Чтобы уменьшить влияние на системы переменного тока на обоих терминалах, когда один полюс отключен из-за неисправности, исправный полюс автоматически увеличит мощность передачи до максимально допустимого значения, а затем постепенно снизит мощность в зависимости от фактических условий системы.

Эта конфигурация гибкая и удобная при высокой надежности. Таким образом, эта конфигурация используется для всех проектов передачи сверхвысокого напряжения постоянного тока.

б.

Постоянный ток и заземляющий электрод в земле.Во время нормального сбалансированного биполярного режима практически не протекает постоянный ток (только несимметричный ток менее 1% от номинального постоянного тока) через землю; во время несбалансированной биполярной работы ток, протекающий через землю, представляет собой разницу между током, протекающим через два полюса; только после того, как система переведена в режим монополярного заземления, в случае, если один полюс не работает из-за неисправности, через путь заземления будет протекать большой постоянный ток (максимальный постоянный ток, равный току перегрузки монополя).

Для проектов постоянного тока, использующих биполярную конфигурацию с заземлением нейтрали на обоих выводах, заземляющий электрод спроектирован на основе продолжительности режима монополярного заземления и величины рабочего тока, чтобы снизить инвестиционные затраты на проект. Следовательно, при выборе режима монополярного заземления оператор должен контролировать продолжительность работы и ограничение мощности передачи в пределах диапазона, разрешенного конструкцией заземляющего электрода. В противном случае срок службы заземляющего электрода будет снижен.

г.

Режим работы постоянного тока с отключенным одним полюсом. Для биполярной системы передачи постоянного тока с заземлением нейтральной точки на обоих выводах существует три монополярных конфигурации после того, как один полюс не работает, то есть монополярный режим заземления, режим монополярного металлического возврата и монополярный режим заземления с двумя параллельными проводниками. . Эти три конфигурации имеют разные рабочие характеристики и требования к оборудованию.

В этом рабочем состоянии нейтральная точка исправной преобразовательной подстанции на одном выводе соединена с обычным заземляющим электродом через провода заземляющих электродов, тогда как нейтральная точка преобразовательной подстанции, заземляющий электрод которой выходит из строя, подключается к заземлению станции. .Если постоянный ток, протекающий через два полюса, значительно отличается, ток в обратном пути заземления будет увеличиваться, что приведет к увеличению потенциала на земле станции и создаст риски для безопасности эксплуатации преобразовательных подстанций. По этим причинам через землю преобразовательной подстанции не может постоянно протекать большой ток. Следовательно, эта специальная конфигурация используется только в полностью сбалансированном биполярном режиме работы.

i.

Монополярный режим заземления.Конфигурация для этого показана на рис. 11.7A. В этой конфигурации величина рабочего постоянного тока и продолжительность работы ограничиваются перегрузочной способностью одного полюса и конструкцией заземляющих электродов. Поскольку сопротивление цепи постоянного тока является дополнительным к сопротивлению линий заземляющих электродов и заземляющих электродов на обоих выводах, потери в линии в этой конфигурации немного больше, чем потери на одном полюсе, работающем в биполярном режиме.

ii.

Монополярный металлический возвратный режим.Конфигурация для этого показана на рис. 11.7B. В этой конфигурации рабочий ток постоянного тока ограничен только перегрузочной способностью монополя. Во время работы потери в линии примерно вдвое больше, чем на одном полюсе, работающем в биполярном режиме. Эту конфигурацию можно использовать, когда система заземляющих электродов требует ремонта после неисправностей или планового обслуживания. Однако, поскольку это приводит к максимальным потерям в линии и эксплуатационным расходам, эту конфигурацию обычно не следует использовать для длительной работы, когда это возможно.

iii.

Монополярный режим заземления с двумя параллельными проводниками. Конфигурация для этого показана на рис. 11.7C. Эта конфигурация может быть выбрана только в том случае, если неисправности происходят с оборудованием одного полюса на преобразовательных подстанциях на обоих терминалах, а остальное оборудование системы передачи постоянного тока находится в нормальном состоянии. Однако в этом случае две полюсные линии соответственно с положительной и отрицательной полярностью на стороне постоянного тока должны быть преобразованы в конфигурацию из двух параллельных проводов после отключения системы передачи постоянного тока.В таком режиме работы величина рабочего тока и продолжительность работы ограничиваются перегрузочной способностью одного полюса и конструкцией заземляющих электродов. Потери в линии составляют примерно половину потерь на одном полюсе, работающем в биполярном режиме. Таким образом, данная конфигурация является наиболее экономичной конфигурацией при монополярном режиме работы в данных проектах.

iv.

Переход между монополярными режимами работы. Когда биполярная система постоянного тока с заземлением нейтрали на обоих выводах переводится в монополярный режим работы из-за отключения одного полюса из-за неисправности, иногда необходимо переключиться с монополярного заземления на монополярный металлический возврат и наоборот.Чтобы уменьшить влияние на системы переменного тока на обоих терминалах из-за сбоя системы постоянного тока и повысить надежность и доступность системы, система постоянного тока может работать под нагрузкой непрерывно за счет переключения между конфигурациями с помощью переключателя заземления и возврата на землю (GRTS) и металлический прерыватель обратной передачи (MRTB).

Обычно MRTB и GRTS устанавливаются только на выпрямительной станции. На рис. 11.2 показана конфигурация. MRTB — это прерыватель постоянного тока, предназначенный для прерывания постоянного тока, протекающего по пути заземления, когда требуется переключиться из режима заземления в режим металлического возврата (при этом сторона инвертора все еще заземлена через заземляющий электрод).GRTS — это прерыватель постоянного тока, предназначенный для прерывания постоянного тока, протекающего по металлическому обратному пути, когда требуется переключиться из режима металлического возврата в режим заземления.

v.

Шина нейтрали на преобразовательных подстанциях имеет прямое заземление. Для проекта биполярной передачи постоянного тока с заземлением нейтральной точки на обеих клеммах, если в системе заземляющих электродов на одной клемме при симметричном биполярном режиме возникают неисправности, нейтральная точка (т. Е. Нейтральная шина) на неисправной клемме может быть напрямую подключена к заземление преобразовательной подстанции через заземлитель шины нейтрали (NBGS, автоматический выключатель постоянного тока, установленный на шине нейтрали преобразовательных подстанций.Как следует из названия, он предназначен для заземления нейтральной шины. На рис. 11.2 показана конфигурация), чтобы увеличить доступность биполярной работы и уменьшить биполярные отключения. После этого неисправный заземляющий электрод отключается для осмотра и обслуживания, тем самым предотвращая биполярное отключение в случае повреждения заземляющего электрода.

Линии передачи постоянного тока

Линии передачи постоянного тока

Райан Хамерли

22 октября 2010 г.

Представлено как курсовая работа по физике 240, Стэнфордский университет, осень 2010 г.

Фиг.1: Спрос на электрическое освещение был главный фактор в расширении электрического покрытия в начало 20 века. (Источник: Викимедиа Commons)

В 2008 году население Земли потребляло энергию на уровне средняя мощность 15 тераватт (т.е. 1,5 × 10 ¹³ Вт) общий. В определенный день мы потребляем 40 миллионов энергии, эквивалентных тонн угля или, что то же самое, 30 000 десятикотонных атомных бомб. А также потому что большинство потребителей не хотят жить рядом с электростанцией или нефтяная вышка, передача этой энергии конечному пользователю является особенно важный вызов.

На протяжении большей части истории энергия собиралась локально, прежде всего в виде дерева. Переход от дерева к угольная энергия была одной из основных причин промышленной революции, и действительно, некоторые ученые утверждали, что обилие дров и угля в США и Великобритании сыграли доминирующую роль в росте экономики этих стран в этот период. Но уголь, нефть, газ и древесина — не очень удобный источник энергии. Чтобы преобразовать их в механическую работу нужен двигатель внутреннего сгорания, который, кроме того, издавать много шума и устранять неприятные запахи, создает очень реальная угроза безопасности дома или на рабочем месте.Чтобы преобразовать их в свет, нужна масляная лампа, что очень неэффективно источник света и печально известная опасность пожара. Ведь практически для любой энергии применение помимо отопления, топливо — очень обременительный способ потребления энергия.

Электроэнергия хорошо заполняет эту нишу. Изобретение двигатель переменного тока и лампа накаливания позволили электричеству используются для обеспечения как освещения, так и механических работ тысячам конечные пользователи без опасностей и неэффективности, связанных с сжиганием топливо.[1,2] Производство электроэнергии может быть централизовано для выработки электроэнергии. заводах, где эффект масштаба позволяет производить гораздо больше эффективнее, чем в индивидуальном домашнем хозяйстве или на рабочем месте, и передается конечным пользователям по электрическим кабелям.

Трансмиссия переменного тока

Есть два разных подхода к электрическому передача: постоянный ток (DC, предложенный Эдисоном) и переменный Ток (переменный ток, предложенный Tesla). Постоянный ток работает, применяя постоянное электрическое напряжение, от которого большинство устройств будет получать постоянное электрический ток.Аккумуляторы — распространенный источник постоянного тока, и большинству современной электроники для работы требуется постоянный ток. В схема переменного тока, напряжение колеблется в зависимости от время — обычно с частотой 50 или 60 Гц.

Рис.2: Схема электрического линия передачи, разбитая на дискретные сегменты. в предел континуума, L и C заменяются проводимостью и емкость на единицу длины.

Оба вида электричества одинаково способны питание лампочек, электродвигателей и большинства типов приборов. Что делает переменный ток лучше точки передачи электроэнергии зрения заключается в том, что из-за принципа магнитной индукции он очень легко и дешево поднять или понизить напряжение с помощью трансформатор с железным сердечником. Поскольку мощность, рассеиваемая в коробке передач линия масштабируется как квадрат тока, и поскольку увеличение напряжение с помощью трансформатора снижает ток, можно резко снизить потери за счет использования высоковольтной передачи электроэнергии.Принцип магнитной индукции работает только для переменного тока, и это причина того, что в прошлом веке почти вся коммерческая электроэнергия был произведен и передан через переменный ток.

Электрический кабель можно смоделировать как передачу линия, или, что то же самое, бесконечная цепочка конденсаторов и катушек индуктивности, как показано на рисунке, где C и L относятся к емкости, а индуктивность на единицу длины. Уравнения Кирхгофа дают:

Взяв континуальный предел, находим волновые решения переменного тока формы

где

— скорость распространения волны и характеристика сопротивление.(Напряжение и ток являются действительными величинами. система линейна, действительная часть комплексного решения — это решение сам). Мощность, передаваемая по линии в любой заданной точке это

Рис. 3: Основные компоненты постоянного тока система электропередачи. Реалистичные системы также могут включить заземляющий провод, соединяющий выпрямитель и инвертор, что позволяет устройству работать на половинной мощности, если одно из кабели повреждены.

Напряжение ограничено пробивной прочностью диэлектрическая среда (воздух около 3 МВ / м). Это принципиально ограничивает мощность, которая может передаваться по любому проводу. Результат независимый частоты колебаний, из чего можно сделать вывод, что такая же предел должен ограничивать кабели постоянного тока, а также кабели переменного тока.

Есть еще одно чуть более тонкое ограничение Мощность и эффективность передачи переменного тока — скин-эффект .Этот эффект, уникальный для систем переменного тока, предотвращает протекание тока в внутренность токопроводящих кабелей. Эффект более выражен выше частота, поэтому кабели постоянного тока не страдают от этого ограничения. В общем, скин-эффект ограничивает практический диаметр кабеля до 3 сантиметры. Более тонкие кабели передают электроэнергию менее эффективно, чем толстые кабели, и, как следствие, скин-эффект отрицательно сказывается на КПД линии электропередачи.

Обзор передачи постоянного тока

Direct Current предлагает альтернативу обычная передача переменного тока, которая устраняет многие дефекты переменного тока.Должно не следует рассматривать как замену для трансмиссии переменного тока, которая в большинство контекстов работает нормально, но скорее как альтернатива для конкретные приложения, в которых линии переменного тока непрактичны или дороги. К таким приложениям относятся:

1. Соединения несинхронизированных электрических сетей,
2. Подземные или подводные соединения на расстоянии более 50 км длина,
Наземные соединения протяженностью более 800 км,

Соединения над регионами, где стоимость земли доминирующий фактор.[3,4]

Система передачи постоянного тока обычно состоит из трех частей. Электроэнергия поступает в систему в виде переменного тока — генерируемого, например, на местной электросети станции, преобразуется в высоковольтный переменный ток с помощью стандартного переменного тока. трансформаторы, и преобразованные в мощность постоянного тока с помощью упомянутой цепи как выпрямитель . Затем электроэнергия передается вниз. силовые кабели постоянного тока и преобразованные обратно в переменный ток посредством инвертора .Стоит отметить, что пока ток, протекающий по проводам, является постоянным, как на входе, так и на выходе система переменного тока, поэтому кабели постоянного тока могут быть легко интегрированы в существующие электрические сети переменного тока. [3]

Системы постоянного тока выгодны для нескольких причины. Во-первых, они могут передавать немного больше мощности по кабелю, так как по сравнению с системами переменного тока эквивалентного напряжения. Во-вторых, контроль над схемы выпрямителя и инвертора позволяют легко синхронизировать ввод и вывод передачи в соответствующие электрические сети.В Кроме того, цепи постоянного тока часто могут работать на частичной мощности, даже если одна из линий не работает. Однако во многих случаях эти преимущества необходимо сопоставить с возросшими затратами на преобразование переменного тока в постоянный. оборудование.

Первая современная линия электропередачи постоянного тока была подводный кабель, соединяющий остров Готланд со Швецией в 1954 году. ток генерировался с помощью ртутных дуговых клапанов, технологии, которая с тех пор в значительной степени были заменены на твердотельные тиристоры. [5]

Фиг.5: Вверху: три источника переменного напряжения. К срабатывание тиристоров на временах t 1 , t 2 и t 3 выпрямитель производит выход, соответствующий максимальному напряжению всех трех источников. Внизу: упрощенная схема 6-пульсного моста преобразователя. Устройство преобразует 3-полюсный источник переменного тока в выход постоянного тока. Цвета соответствуют напряжениям, указанным наверху. панель.

Преобразование переменного тока в постоянное

Основным техническим препятствием для передачи постоянного тока является то, что преобразования переменного тока в постоянный и наоборот, чтобы Линия электропередачи может сопрягаться с существующими электрическими сетями.В настоящее время, это осуществляется с помощью схем, называемых выпрямителями , и Инверторы , в которых используется высоковольтный триггерный диод, называемый тиристор .

Тиристор состоит из четырех чередующихся слоев Полупроводники N- и P-типа. Работает как диод с триггером; до того, как устройство сработает, оно не будет проводить, но после будет проводить электричество, пока остается тиристор смещен в прямом направлении. Как только прямое смещение будет снято, устройство остановится. проведение и может возобновиться только при последующем срабатывании.

Простейший преобразователь переменного тока в постоянный состоял бы из одиночный тиристор, индуктор и источник переменного тока. Тиристор срабатывает в середине цикла и проводит ток в течение доля периода. Однако, будучи диодом, он перестает проводить, когда напряжение указывает в противоположную сторону и ожидает оставшейся части период перед повторным срабатыванием. Таким образом, тиристор действует в так же, как и типичный диод. Результирующее напряжение далеко от Идеальный источник постоянного тока, представляет собой периодическую серию положительных импульсов.Тем не мение, в отличие от случая переменного тока, все импульсы имеют одинаковую полярность. К правильно комбинируя вместе импульсы от разных источников переменного тока, мы можем сгладить неровный сигнал и создать гораздо более подходящий DC выход.

Это можно сделать с помощью трех синхронизированных источников переменного тока, колеблющиеся на 120 градусов не совпадающие по фазе друг с другом. Вместо один тиристор, в каждом из них задействовано шесть блоков, каждый из которых срабатывает один раз цикл. Возьмите положительный полюс преобразователя, показанного на рис. 5. При время t ₁ , срабатывает первый тиристор и течет ток через первую линию переменного тока.Треть периода спустя, время от времени t ₂ , срабатывает второй тиристор, а так как в этот момент потенциал на второй линии превышает потенциал на первой линии, первый тиристор имеет отрицательное смещение и отключается. Треть периода позже срабатывает третий тиристор, третья линия выдает последний треть мощности постоянного тока для цикла, и цикл повторяется. Похожий картина повторения прослеживается для отрицательного полюса. В напряжения на этих полюсах по-прежнему неоднородны, но, тем не менее, это схема, называемая мостом преобразователя с 6 импульсами , обеспечивает гораздо больше постоянный источник питания постоянного тока по сравнению с однотиристорной моделью, описанной выше.[3]

Коммерческие системы передачи постоянного тока работают еще лучше чем это, используя 12-пульсный мост преобразователя, который сглаживает сигнал даже больше; и устранить любые оставшиеся колебания в линии, выпрямители устанавливают полосовые фильтры на обоих концах переменного и постоянного тока. схема. Применяя аналогичную схему, можно использовать тиристоры для преобразования Подача постоянного тока обратно в переменный — то есть для выполнения функции преобразователя . [3]

Фиг.6: Разработка тиристоров и IGBT Технология. [8]

Ранние линии электропередачи постоянного тока основывались на ртутной дуге клапаны, но к 1970-м тиристоры захватили рынок. [3] За последние 20 лет энергетические компании продвигали состояние искусство в тиристорной технологии, увеличивающее мощность устройства более чем в два раза пропускной способности и увеличения его напряжения на 50%. Дальнейшие достижения, такие как Преобразователи с источником напряжения (VSC) и биполярный затвор с изолированным затвором Транзисторы (IGBT) вскоре могут создавать менее масштабные схемы передачи постоянного тока экономичный.С такими достижениями в базовой технологии будущее передачи электроэнергии постоянного тока.

Экономика

Стоимость схемы высоковольтной передачи зависит от четырех основных факторов: стоимости трансформаторов, стоимость кабелей и опор, стоимость земли, над которой проходят линии ложь, и стоимость потерь из-за омического нагрева в ЛЭП. [6] Что касается первого подсчета, то победа AC безоговорочно. В отличие от дешевого железного сердечника силовые трансформаторы, выпрямители переменного тока в постоянный чрезвычайно дороги.[7] Однако цена трансформаторов не зависит от длина провода, поэтому, если линии постоянного тока окажутся дешевле или дороже эффективнее, чем линии переменного тока, тогда будет некоторая точка безубыточности за пределами которого DC становится лучшим вариантом.

DC: повышенная эффективность для особо крупных Проекты проистекают из того факта, что напряжение на проводе постоянного тока постоянно. Эта константа, V _max , связана с различными инженерными проблемами. а также геометрию конфигурации линии электропередачи и электрического пробивная сила воздуха.Подобные ограничения устанавливают размер проводов переменного тока, и в результате трехпроводная опора на 500 кВ переменного тока примерно в 1,5 раза больше в виде двухкабельной опоры постоянного тока 500 кВ. [4] Это дает примерно 30% экономии. в линейных расходах. Но для очень длинных линий стабильность системы ограничения ставят AC в дополнительное неудобство; кроме того, средний коммутационные станции обычно требуются для междугородных линий переменного тока, дальнейшее увеличение затрат. Из этих фактов мы приходим к общему вывод, что линия постоянного тока может передавать как минимум в два раза больше мощности, чем линия переменного тока линия того же напряжения.[8]

Как показано на рис. 7, это означает, что линия питания постоянного тока будет значительно меньше, чем его эквивалент переменного тока, примерно на фактор два. Поскольку для переменного и постоянного тока используются примерно одинаковые типы кабелей, это приводит к снижению производственных затрат и снижению затрат на мачту. [6] В Кроме того, значительно уменьшается необходимый дорожный просвет. В регионах, где земля дорогая и правила строгие, получение прилегающая полоса земли может быть такой же сложной задачей, как и возведение сами линии — а DC в этом плане дешевле на 40-50 \%.ОКРУГ КОЛУМБИЯ был выбран в проекте Риханд-Дели (Индия) и Квинсленд проекта (Австралия) в части башни были более компактными. [5]

Рис.7: Три конфигурации высокого напряжения мощностью 2 ГВт. Необходимый зазор для линии постоянного тока составляет несколько меньше, чем требуется для эквивалентов переменного тока. [4]

Кроме того, DC получает выгоду от снижения линейных потерь за счет омического нагрева.Без сомнения, это частично связано с тем, что что линии постоянного тока не испытывают скин-эффекта, что позволяет делать кабели толще, чтобы уменьшить сопротивление лески. Действительно, высоковольтный постоянный ток линии обычно имеют уровень потерь около 3% по сравнению с 6% ставка для линий переменного тока. Однако, за исключением самых длинных строк, где уровень потерь значительно превышает этот показатель, затраты из-за неэффективность — лишь второстепенный фактор в экономике линий электропередач. [8]

Надежность будет играть дополнительную роль в дебаты.Возможно (хотя и нежелательно), чтобы система постоянного тока работала при половинной мощности в случае выхода из строя одного из кабелей или трансформаторов. Это достигается путем прокладки заземляющего провода (который не нужно изолировать) вдоль силовые провода и использование земли для передачи энергии от сохранившаяся силовая линия для образования замкнутой цепи на половине исходное напряжение. В качестве альтернативы можно отказаться от этого дополнительного провода. вместе и просто проведите цепь через землю в в случае сбоя.Однако эти преимущества необходимо сбалансировать. на фоне того, что тиристорные трансформаторы обычно меньше надежнее традиционных трансформаторов переменного тока, из-за которых системы постоянного тока менее надежный.

Рис.8: Расстояние безубыточности как функция напряжения. [4,5]

В итоге, фиксированная стоимость передачи постоянного тока для трансформаторных подстанций, намного больше, чем фиксированная стоимость для переменного тока передача, стоимость километра для линий постоянного тока значительно меньше.Следовательно, существует длина линии безубыточности, за пределами которой DC становится более дешевый выбор. Для наземных кабелей длина безубыточности указана на порядка 800 км. Для подводных кабелей он намного короче — обычно около 50 км, потому что переменный ток быстро рассеивается под водой. [9]

Приложения

Поскольку HVDC не работает даже на очень длинных линиях, он нашел нишу, соединяющую большие электрические сети с изолированной мощностью станции. Многие источники энергии, особенно возобновляемые, являются сосредоточены в регионах, где мало или совсем нет населения.Транспортировка этой энергии в населенные пункты требует длительного, высоковольтные линии часто превышают 1000 км. Оффшорные ветряные электростанции обеспечивают один такой пример, и действительно первый такой объект, построенный в Великобритания была связана с островом высоковольтным кабелем постоянного тока протяженностью 26 км. [9] В гораздо большем масштабе более трети из 22 ГВт, произведенных Плотина Три ущелья в Китае транспортируется в Восточный и Южный Китай по дороге. кабелей постоянного тока 500 кВ. [10]

По тем же причинам высоковольтный постоянный ток может недорогая энергия для изолированных потребителей электроэнергии по всему миру.Для например, острова на юго-востоке Аляски, отдаленные районы на севере Канада и горнодобывающие сообщества в Западной Австралии в настоящее время зависят от местные генераторы, работающие на мазуте, вырабатывают электроэнергию. Высоковольтный постоянный ток линии, особенно разработанные с использованием новой технологии VSC, могут сделать экономичным подключение этих изолированных центров нагрузки к основной сетка. [3]

Рис. 9: Эскимосы на островах Аляски могут однажды положитесь на электричество постоянного тока, чтобы обогреть свои иглу.(Источник: Викимедиа Commons)

И Европа, и Северная Америка объединены числом различных электрических сетей. Не все эти сети работают синхронно, и в частности, в Европе они часто не работают на той же частоте или. Так называемые соединители постоянного тока «спина к спине» — соединители, которые включают в себя выпрямитель и инвертор скромного напряжения, но чья передача линия настолько короткая, что ею можно пренебречь — может быть построена для соединения этих сети, позволяющие энергокомпаниям поставлять необходимую электроэнергию в регионы с особенно высоким спросом, для арбитража цены на электроэнергию колебания, а также для предотвращения отключения электроэнергии.Такие бизнес-стратегии невозможно с традиционными подключениями переменного тока, так как подключение двух Несинфазные электрические сети могут легко привести к перегрузкам и отключениям. С другой стороны, соединитель постоянного тока, расположенный спина к спине, может быть тривиально синхронизируется с сетями, которые он подключает.

Заключение

В то время как переменный ток преобладал в силе линии в течение столетия, твердотельные тиристоры сделали постоянный ток жизнеспособная альтернатива при определенных обстоятельствах. Хотя вряд ли заменить переменный ток как доминирующую форму электроэнергии, это стал экономичнее переменного тока для ВЛ протяженностью более 800 км. и подводные или подземные линии протяженностью более 50 км, что делает DC идеальным выбор для особо длинных подключений и подключений к изолированному источнику питания заводы и потребители.Более того, прямые соединения постоянного тока позволяют присоединение асинхронных электрических сетей с повышением цены стабильность и защита от отключений.

© Райан Хамерли. Автор дает разрешение на копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с указание на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] Н. Тесла, «Электродвигатель», Патент №416194 (1889 г.).

[2] T. Edison, Improvement in Electric Фары , Патент № 214636 (1879).

[3] Дж. Кокрейн и Р. Хаут, «HVDC Power Трансмиссия »в энциклопедии электротехники и электроники Wiley . Инженерное дело (Wiley, 2001).

[4] П. Хартли, «HVDC Передача: часть энергетического решения? », Джеймс А. Бейкер III. Институт государственной политики, Университет Райса, май 2003 г.

[5] Р. Рудерваль, Дж. П. Шарпантье и Р.Шарма, «Постоянный ток высокого напряжения (HVDC) Transmission Systems, Energy Week 2000, Вашингтон, округ Колумбия, 7-8 марта. 2000.

[6] М. П. Бахрман и Б. К. Джонсон, «Азбука Технологии передачи HVDC, журнал IEEE Power and Energy 5 , № 2 (2007).

[7] М. Рабинович, «Энергетические системы будущего. 4», Мощность англ. Ред. 20 , № 8, 4 (2000).

[8] М. П. Бахрман, «Обзор передачи HVDC», в Proc. Конференция и выставка IEEE Power Systems 2006 (IEEE, 2006), стр.18.

[9] P. Bresesti et al. , «Подключение HVDC Морские ветряные фермы к системе передачи, IEEE Trans. On Energy Преобразование 22 , 37 (2007).

[10] Х. Го, «Опрос электросети трех ущелий (TGPG), Proc. 2000 IEEE Power Eng. Soc. Зимнее собрание 1 , 3 (2000).

Разница между системой передачи переменного и постоянного тока и линиями электропередач

Сравнение линий передачи переменного и постоянного тока с их преимуществами и недостатками

Электроэнергия может передаваться как переменным, так и постоянным током для коротких и длинных систем передачи и распределения.

У обеих систем есть свои преимущества и недостатки. Давайте обсудим технические преимущества и недостатки систем линий электропередачи как переменного, так и постоянного тока.

Коробка передач постоянного тока:

Раньше передача электроэнергии осуществлялась на постоянном токе из-за следующих преимуществ перед переменным током.

Преимущества передачи постоянного тока

• При передаче постоянного тока используются два проводника, а при передаче переменного тока требуется три проводника.
• При передаче постоянного тока отсутствуют индуктивность и скачки (волны высокого напряжения в течение очень короткого времени).
• Из-за отсутствия индуктивности в линиях передачи постоянного тока наблюдается очень низкое падение напряжения по сравнению с переменным током (если и нагрузка, и конечное напряжение передачи одинаковы).
• В линиях передачи постоянного тока отсутствует понятие скин-эффекта. Следовательно, в линии передачи постоянного тока требуется проводник с малой площадью поперечного сечения.
• Система постоянного тока имеет меньшую потенциальную нагрузку по сравнению с системой переменного тока при том же уровне напряжения.Следовательно, линия постоянного тока требует меньшей изоляции.
• В системе постоянного тока нет помех другим линиям и системам связи.
• В линии постоянного тока потери от короны очень низкие по сравнению с линиями передачи переменного тока.
• В линиях передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) диэлектрические потери отсутствуют.
• В системе передачи постоянного тока нет трудностей с синхронизацией и связанных с ней проблем со стабильностью.
Система
• постоянного тока более эффективна, чем переменного тока, поэтому цена на опоры, столбы, изоляторы и проводники низкая, поэтому система экономична.
• В системе постоянного тока диапазон регулирования скорости больше, чем в системе переменного тока.
• В системе постоянного тока требуется низкая изоляция (около 70%).
• Цена на кабели постоянного тока невысока (из-за низкой изоляции).
• В системе питания постоянного тока потери в оболочке подземных кабелей низкие.
Система
• постоянного тока подходит для передачи большой мощности на основе передачи высокого тока.
• В системе постоянного тока значение зарядного тока довольно низкое, поэтому длина линий передачи постоянного тока больше, чем линий переменного тока.

Связанное сообщение: AC или DC — какой из них более опасен и почему?

Недостатки передачи постоянного тока:

• Из-за проблем с коммутацией невозможно вырабатывать электроэнергию при высоком (постоянном) напряжении.
• В передаче высокого напряжения мы не можем повышать уровень постоянного напряжения (поскольку трансформатор не работает на постоянном токе).
• Есть ограничение на переключатели постоянного тока и автоматические выключатели (и они тоже дороги).
• Мотор-генераторная установка используется для понижения уровня постоянного напряжения, а эффективность мотор-генераторной установки ниже, чем у трансформатора.
• Система передачи постоянного тока более сложная и дорогостоящая по сравнению с системой передачи переменного тока.
• Уровень постоянного напряжения не может быть легко изменен (повышен или понижен). Таким образом, мы не можем получить желаемое напряжение для электрических и электронных устройств (например, 5 В, 9 В, 15 В, 20 и 22 В и т. Д.) Напрямую от линий передачи и распределения.

Связанное сообщение: Разница между приводами переменного тока и приводами постоянного тока

Трансмиссия переменного тока:

В настоящее время производство, передача и распределение электроэнергии в основном осуществляется с использованием переменного тока.

Преимущества системы передачи переменного тока

Связанное сообщение: Почему конденсатор блокирует постоянный ток, но пропускает переменный ток?

Недостатки системы переменного тока

• В линии переменного тока размер проводника больше, чем у линии постоянного тока.
• Стоимость линий передачи переменного тока выше, чем стоимость линий передачи постоянного тока.
• Из-за скин-эффекта потери в системе переменного тока больше.
• Из-за емкости в линиях передачи переменного тока происходит постоянная потеря мощности, когда на линиях электропередачи нет нагрузки или когда линия вообще разомкнута.
• Есть некоторые дополнительные потери в линии из-за индуктивности.
• В системе передачи переменного тока требуется дополнительная изоляция.
• Потери на коронный разряд возникают в системе линий электропередачи переменного тока.
• Линии электропередачи переменного тока создают помехи другим линиям связи.
• Проблемы со стабильностью и синхронизацией в системе переменного тока.
Система передачи переменного тока
• менее эффективна, чем система передачи постоянного тока.
• Есть трудности с контролем реактивной мощности.

Связанное сообщение: Почему в электронных схемах используется постоянный ток вместо переменного?

Приведенное выше сравнение показывает, что система передачи постоянного тока лучше, чем система передачи переменного тока , но все же большая часть передачи энергии осуществляется по линиям электропередачи переменного тока из-за стоимости и использования трансформаторов для изменения уровня напряжений на разных уровнях для разных целей.

Хотя ртутный дуговый выпрямитель, тиратрон, диоды и полупроводники можно использовать для простого преобразования переменного тока в постоянный и постоянного в переменный.Поэтому в некоторых странах электроэнергия передается по линиям электропередачи постоянного тока. Диапазон этих передач постоянного тока составляет от 100 кВ до 800 кВ +.

Полезно знать:

• Недавно в Китае мощность 12 ГВт была передана при 11 кВ постоянного тока на расстояние 3300 км .
• Кроме того, самая длинная линия электропередачи постоянного тока высокого напряжения в мире составляет 2385 км на Мадейре, Бразилия.

Похожие сообщения:

Первый выбор при передаче на большие расстояния

Переменный ток при передаче на большие расстояния — Обычный переменный ток имеет частоту 60 Гц в Северной Америке и 50 Гц в Европе.Ток имеет периодическое направление назад и вперед за секунду, а энергия непрерывно течет от источника электроэнергии к устройству.

Этот переменный ток имеет преимущество быстрого изменения напряжения с помощью преобразования. Использование трансформаторов позволяет нам передавать мощность высокого напряжения на большие расстояния и, с другой стороны, снижать напряжение для типичных приложений. Этот процесс сводит к минимуму потери энергии при передаче электроэнергии.

Преимущества переменного тока при передаче на большие расстояния

Генераторы переменного тока вырабатывают электроэнергию на электростанциях, таких как электростанции, ветряные, гидротурбины и т. Д.Все электростанции расположены далеко от объектов потребления и нуждаются в переменном токе в линиях дальней передачи, чтобы обеспечить источник в городах и поселках. Описанный процесс использования передающих линий для подачи электроэнергии на объекты называется передачей электроэнергии.

Передача энергии имеет некоторые проблемы, самая важная из которых — потеря мощности. Энергия преобразуется в тепло из-за джоулева нагрева в кабелях и линиях передачи. Есть километры линий для передачи, и это составляет значительную долю энергии.{2}

КПД = \ frac {P_ {loss}} {P_ {total}}

Для минимизации потерь мощности мы должны уменьшить ток или сопротивление линий передачи. Мы используем толстые провода в линиях, чтобы уменьшить сопротивление, но стоимость производства и другие связанные с этим расходы увеличиваются за счет использования более толстых кабелей. Этот метод неэкономичен для снижения потерь мощности.

Поскольку мы использовали генераторы переменного тока и генераторы переменного тока в системах передачи на большие расстояния и системах, для нас есть простой способ.Наиболее важной особенностью переменного тока при передаче на большие расстояния является свойство напряжения и способность повышаться и понижаться в трансформаторах. Использование этого метода увеличивает напряжение на базе, а источник питания уменьшает ток и существенно снижает потери мощности. Мы можем использовать еще один понижающий трансформатор и объекты недалеко от городов, чтобы иметь соответствующее напряжение и ток для потребления в жилых районах. Использование трансформаторов — это эффективный и экономичный способ предотвращения потерь мощности и экономии энергии.

переменного тока при передаче на большие расстояния и наличие трансформаторов. (Ссылка: intl.siyavula.com )

Перемещается ли переменный ток при передаче на большие расстояния дальше, чем постоянный ток?

Как обсуждалось в предыдущем разделе, неверно, что переменный ток проходит дальше, чем постоянный ток; это все потому, что переменный ток может передаваться с меньшими потерями мощности. Сопротивление в передающих кабелях и проводах одинаково, и тепло вырабатывается током, протекающим в них. Эта потеря мощности проявляется в более низком напряжении в конце (городах) по сравнению с напряжением электростанции.

Чтобы уменьшить потери, нам нужно уменьшить ток в линиях. Трансформаторы являются критически важными устройствами в передаче, и они решают проблему, уменьшая ток и увеличивая напряжение в линиях. Линии могут передавать от 100 000 до 700 000 В, и в результате линии передачи очень опасны. Не стоит приближаться к какой-либо линии, поэтому они находятся далеко от домов. Вблизи городов трансформаторы изменяют напряжение до 120 или 240 вольт по мере необходимости.

Трудно выполнить изменения напряжения постоянного тока, и потери в процессе преобразования значительны.Целью использования трансформаторов является снижение потерь, а использование постоянного тока — это противоположность тому, что мы пытаемся сделать. Эффективность преобразования переменного тока составляет около 95 процентов, и мы можем достичь даже более высоких значений.

Подробнее о Linquip

Трансформаторы в силовых трансмиссиях

Трансформаторы используют электромагнитную индукцию для передачи переменного тока из одной цепи в другую. Обычно он работает для увеличения или уменьшения напряжения и тока для различных приложений.Трансформаторы просто пропускают переменный ток во вторую цепь и не подходят для приложений постоянного тока, и вы должны это знать. Переменному току при передаче на большие расстояния нужны эти важные части для повышения и понижения.

Принципы трансформаторов

Мощность трансформаторов остается постоянной при повышении и понижении напряжения, и это не должно вызывать удивления для вас. Увеличение и уменьшение тока и напряжения являются обратными, поэтому мощность не меняется.

P = V_ {1} I_ {1} = V_ {2} I_ {2}

Как обсуждалось ранее, электромагнитная индукция является причиной изменений напряжения и тока. Когда мы используем переменный ток в первичной катушке, переменный ток создает магнитное поле в системе, которое можно изменить. Изменение магнитного поля и потока включает его воздействие на вторичную катушку и индуцирование там напряжения. Вот почему нельзя использовать постоянный ток в этой системе, так как постоянный ток постоянен и не может создавать магнитное поле в катушках .

Работа простого трансформатора. Ip и Vp — это ток и напряжение первичных катушек, которые проходят через обмотки Np и создают магнитное поле и поток в железном сердечнике. Поток проходит в сердечнике и создает напряжение Vs и ток Is в цепи катушки Ns и вторичной цепи. (Ссылка: energyeducation.ca )

Отношение N _s к N _p напрямую изменяет напряжения на входе и выходе. Это отношение, известное как коэффициент витков , представляет собой отношение количества витков первичной обмотки к вторичной.Связь между может быть представлена ​​следующим образом:

N_ {p} N_ {s} = V_ {p} V_ {s} = I_ {p} I_ {s}

где:

• N _p : Количество витков или витков в первичной катушке.
• N _с : количество витков или витков вторичной обмотки.
• В _p : напряжение в первичной цепи
• В _с : напряжение во вторичной цепи
• I _с : ток в первичной цепи
• I _p : ток во вторичной цепи

Если количество витков в первичной катушке больше, чем во вторичной, то напряжение во вторичной цепи будет больше по сравнению с другой стороной.Это преобразование известно как понижающий в трансформаторах. С другой стороны, увеличивая количество витков во вторичной катушке, мы можем получить повышающее преобразование и большее напряжение во вторичной цепи.

Передача сверхвысокого напряжения | 735 кВ

Впервые в мире от Hydro-Qubec

Электричество часто перемещается на очень большие расстояния, чтобы добраться до городских центров нагрузки.Например, расстояние между регионом Бэ-Джеймс, где вода из Гранд-Ривир попадает после приведения в движение турбин на восьми электростанциях, и Монтралем составляет около 1000 километров по прямой. Однако чем дальше должно пройти электричество, тем выше риск того, что его часть будет потеряна в пути. Поскольку коммунальные предприятия вкладывают значительные средства в передачу больших объемов электроэнергии на большие расстояния, они принимают специальные меры для ограничения этих потерь при передаче.

Работы под напряжением: Работа с электропитанием
Этот метод заключается в выполнении различных работ по техническому обслуживанию и ремонту высоковольтных линий в полностью безопасных условиях, но без обесточивания линий.Поскольку передача электроэнергии никогда не прекращается, коммунальные предприятия могут избежать простоев оборудования и связанных с этим потерь доходов.

735 кВ кто-нибудь?
Нет проблем! Линейщик может работать в среде 735 кВ при условии соблюдения надлежащих мер безопасности. Например, необходимо использовать специальные защитные ковши для антенн, изолирующие палки и изолирующие перчатки, чтобы предотвратить прохождение электричества через тело строителя к земле.

Высоковольтная передача — решение, усовершенствованное Hydro-Qubec

При перемещении больших объемов электроэнергии лучше увеличивать напряжение, а не силу тока (силу тока), чтобы снизить потери энергии и ограничить общую стоимость передачи (например, строительство дополнительных линий электропередачи).Большая часть электроэнергии, производимой Hydro-Qubec, передается по линиям 735 кВ. Без этих высоковольтных линий ландшафт был бы загроможден башнями. Одна линия 735 кВ равна четырем линиям 315 кВ, следующий уровень напряжения ниже.

Фактически, Hydro-Qubec является пионером в области передачи электроэнергии высокого напряжения: она разработала первую в мире коммерческую линию 735 кВ, а также самое раннее оборудование, предназначенное для этого напряжения.

В 1965 году была введена в эксплуатацию первая в истории линия электропередачи 735 кВ, соединившая генерирующие станции Manic-Outardes с мегаполисами Qubec и Montral.Этот подлинный прорыв в энергетической отрасли — технология, изобретенная инженером Qubec Жан-Жаком Аршамбо, — сыграла важную роль в развитии гидроэлектрических проектов на северо-западе и северо-востоке Кубека.

Трансмиссия постоянного тока

Технология передачи постоянного тока не самая распространенная. Однако это может быть полезно для изоляции систем переменного тока или контроля количества передаваемой электроэнергии. Hydro-Qubec имеет линию постоянного тока (которая идет от региона Бэ-Джеймс до Сэнди-Понд, недалеко от Бостона), а также множество соединений постоянного тока с соседними системами.

Подстанция Radisson

Мощная альтернатива переменному току

Китай жаждет энергии. Быстро растущий средний класс стимулирует неуклонный спрос на электроэнергию. По данным Национального управления энергетики Китая, годовое потребление электроэнергии растет примерно на 8 процентов — вдвое больше, чем в Соединенных Штатах.

Этот спрос не должен загрязнять окружающую среду. Китай имеет возможность вырабатывать необходимую ему электроэнергию на своих гидроэлектростанциях.К сожалению, эти заводы расположены в основном далеко от прибрежных городских центров, которые потребляют большую часть электроэнергии страны.

В ответ Китай использовал передовую технологию передачи энергии, которая может преодолевать огромные расстояния — технологию, которая, по иронии судьбы, восходит к самым ранним дням электроэнергетики.

В 2010 году он стал первой страной, принявшей на вооружение сверхвысокое напряжение постоянного тока (UHVDC). Хотя пионер отрасли Томас Эдисон выступал за передачу электроэнергии постоянным током еще в конце девятнадцатого века, переменный ток (AC) стал стандартом, потому что было намного проще преобразовать между очень высокими напряжениями, необходимыми для линий электропередач на большие расстояния, и гораздо более низкими напряжениями, используемыми в обычные домочадцы.Недостаток переменного тока в том, что он теряет мощность во время передачи. Это потому, что направление тока колеблется взад и вперед (отсюда «переменное»), что потребляет значительную часть энергии. При заданном напряжении в системе переменного тока потери примерно в два раза больше, чем в системе постоянного тока.

Система сверхвысокого напряжения постоянного тока, созданная с помощью транснациональных компаний Siemens и ABB Group, передает 6,4 гигаватт от плотины Сянцзяба в провинции Сычуань почти на 2000 км до Шанхая при 800 киловольт (кВ), что вдвое превышает напряжение типичных систем дальней связи.

Фактически, система UHVDC может обеспечить до 10 гигаватт, что достаточно для питания почти 20 миллионов китайских домов. И это только начало больших линий электропередач. Ранее в этом году компания Siemens поставила в Китай первый в мире трансформатор на 1100 кВ, который может выдерживать до 13 ГВт, что примерно соответствует мощности 10 атомных электростанций. «Если вы хотите преодолеть расстояния в несколько тысяч километров, вам просто нужно построить системы с более высоким напряжением», — говорит Франк Шеттлер, менеджер по жизненному циклу продукции подразделения Siemens HVDC plus.

Власть народу

Помимо лучшей передачи энергии, в некоторых частях системы постоянного тока используется меньше материалов, что делает их дешевле и экологичнее. Типичная система переменного тока использует шесть проводников, тогда как постоянный ток использует три провода немного большего размера. Это не только означает, что системам постоянного тока требуется меньше алюминия для их проводов, но и башни могут быть меньше и требуют меньше стали, потому что они имеют меньший вес, не говоря уже о меньшей физической площади.

Все эти факторы снижают стоимость.

«Когда вы находитесь на расстоянии 700 миль и выше, ваши капитальные затраты на систему 800 кВ становятся намного меньше по сравнению с системой переменного тока», — говорит Нил Кирби, менеджер по развитию бизнеса HVDC в подразделении GE Power Grid Solutions, которое В прошлом году помог установить первую фазу системы электропередачи 800 кВ, мощностью 6000 МВт.

Частично экономия компенсируется стоимостью строительства и эксплуатации специализированных станций на обоих концах, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный и обратно.По оценке Кирби, эти станции могут быть дорогими, в некоторых случаях до 1 миллиарда долларов за пару. И есть переменные, такие как конструкция системы, затраты на генерацию и цены на энергию, из-за которых сложно сказать, в какой именно момент система UHVDC становится дешевле, но в некоторых обстоятельствах она уже дешевле.

Новые технологии для развивающихся стран

По крайней мере, на данный момент наиболее благоприятными местами для сверхвысокого напряжения постоянного тока являются более крупные страны, которые способны производить большие объемы электроэнергии и должны доставлять ее в города на большие расстояния.Наряду с Китаем и Индией, где в прошлом году была смонтирована первая фаза системы электропередачи мощностью 800 кВ, мощностью 6000 МВт, потенциальные рынки включают Бразилию, которая зависит от гидроэнергетики более чем на 75 процентов поставок электроэнергии и уже реализует проект. Большая часть гидроэнергии Бразилии вырабатывается в Амазонии на севере, но наибольший спрос имеют города на юго-востоке, такие как Рио-де-Жанейро и Сан-Паулу.

Также говорят о создании систем сверхвысокого напряжения постоянного тока для передачи энергии от ветряных электростанций в Северном море или солнечных батарей в пустыне.Однако здесь технические проблемы усугубляются проблемами пересечения границ юрисдикции и необходимостью заключения соглашений между отдельными правительствами и конкурирующими энергетическими компаниями.

Рам Адапа, технический руководитель сектора поставки и использования электроэнергии в Исследовательском институте электроэнергетики, некоммерческой организации в Пало-Альто, Калифорния, указывает на проект HVDC на 600 кВ, который планировался для передачи энергии от ветряных электростанций в Оклахоме к клиенты в Мемфисе, штат Теннесси.Но Арканзас, расположенный между двумя штатами, возражал против прокладки линий электропередач, и ранее в этом году Министерство энергетики США отказалось от поддержки этого проекта.

Несмотря на такой интерес к США, будущее высоковольтной передачи постоянного тока находится в развивающемся мире.