Возможные области применения электропередач и вставок постоянного тока

Как известно, в настоящее время для выработки электрической энергии, ее передачи на расстояние, распределения и потребления используется переменный ток. Это объясняется прежде всего способностью переменного тока к трансформации, т.е. изменению напряжения с помощью достаточно простых аппаратов—трансформаторов, а также и тем, что электродвигатели переменного тока по своей конструкции значительно проще и, следовательно, надежнее электродвигателей постоянного тока.

Кроме того, большое значение имеет и тот фактор, что на переменном токе, дважды в период принимающем нулевое значение, возможно создание выключателей, способных отключать большие рабочие токи и токи коротких замыканий. Значения последних могут достигать десятков килоампер при напряжении в сотни киловольт. На постоянном токе создание выключателей высоко напряжения встречает большие трудности, до настоящего времени эта задача полностью не решена.

Благодаря этому переменный ток используется везде и всюду, за исключением некоторых промышленных производств и электрического транспорта. И тем не менее, в последние десятилетия электроэнергетики разных стран все чаще применяют постоянный ток для решения ряда задач, в том числе связанных с передачей электрической энергии на расстояние.

Для ответа на вопрос, почему это делается, сопоставим характеристики линий переменного и постоянного тока.

Обе линии обладают однотипными параметрами — активным сопротивлением проводов, а также индуктивностью и емкостью. Активное сопротивление проводов определяет потери мощности и энергии в линии и, следовательно, ее КПД, а индуктивность и емкость — электромагнитные процессы в линии, связанные с передачей электроэнергии. Для линий переменного тока эти процессы носят волновой характер, что и определяет основные характеристики такой линии. В линии постоянного тока волновые процессы отсутствуют. Именно это различие и лежит в основе всех решений, связанных с применением постоянного тока для транспорта электроэнергии.

Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

Индуктивность и емкость линии определяются ее конструкцией — расстоянием между фазами (полюсами), диаметром проводов и длиной линии. При увеличении расстояния между фазами индуктивность линии увеличивается, а емкость линии снижается. Уменьшение этого расстояния приводит к обратному эффекту. Увеличение длины линии вызывает увеличение как ее индуктивности, так и емкости.

У воздушных линий переменного и постоянного тока расстояние между фазами (полюсами) измеряется метрами (ВЛ 500 кВ переменного тока — 12 м, ВЛ ±400 кВ постоянного тока — 10 м), у кабельной линии — несколькими сантиметрами. Отсюда следует, что воздушная линия имеет существенно большую индуктивность и значительно меньшую емкость, чем кабельная. Различие этих характеристик проявляется при работе воздушных и кабельных линий на постоянном или переменном токе.

Отметим, что реакция индуктивности и емкости на протекание переменного и постоянного тока различна. При протекании переменного тока по индуктивности в ней возникает ЭДС самоиндукции, которая противодействует протеканию тока. Иными словами, индуктивность представляет собой сопротивление для переменного тока. Это сопротивление прямо пропорционально частоте переменного тока и возрастает с увеличением последней. При этом индуктивное сопротивление много больше активного (для линий 500-750 кВ в 10-15 раз). При частоте тока, равной нулю (постоянный ток), индуктивное сопротивление тоже равно нулю.

Емкость также оказывает сопротивление протеканию переменного тока. В отличие от индуктивного сопротивления емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте. При увеличении частоты переменного тока сопротивление емкости снижается, при уменьшении частоты — возрастает. При частоте, равной нулю (постоянный ток), сопротивление емкости становится равным бесконечности. Иными словами, через емкость постоянный ток не проходит.

Рассмотрим воздушную линию. При работе воздушной линии на переменном напряжении ее индуктивность оказывает сопротивление протеканию переменного тока и, в конечном итоге, определяет ту максимальную мощность, которую можно передать по этой линии. Как уже отмечалось, индуктивное сопротивление линии возрастает при увеличении ее длины, и, следовательно, при этом снижается максимальная мощность, которую можно передать по линии.

Емкость воздушной линии переменного тока практически не влияет на передаваемую мощность, однако через нее протекает так называемый зарядный ток, который создает зарядную мощность линии и приводит к дополнительному нагреву проводов, т.е. увеличивает потери энергии в линии и снижает ее КПД. Кроме того, этот ток приводит к нежелательному повышению напряжения в промежуточных точках линии и к целому ряду других отрицательных последствий. Поэтому возникает необходимость в компенсации зарядной мощности линии, для чего используются специальные устройства — реакторы, которые, в конечном счете, приводят к увеличению стоимости линии. Однако следует отметить, что необходимость в компенсации зарядной мощности линии, как правило, возникает лишь для линий сверхвысоких напряжений — 330 кВ и выше.

При работе воздушной линии на постоянном напряжении, когда по ней протекает постоянный ток, в установившемся режиме ни ее индуктивность, ни емкость не оказывают никакого влияния на процесс передачи электрической энергии по линии и, следовательно, на максимальную мощность, которую можно передать по линии при увеличении длины последней. Зарядная мощность линии постоянного тока отсутствует в силу изложенных выше причин. Поэтому сама линия не нуждается в каких-либо компенсирующих устройствах.

Главный вывод, который может быть сделан из сказанного выше, состоит в следующем:

· для воздушной линии переменного тока существует зависимость максимальной передаваемой мощности от ее длины — чем длиннее линия, тем меньше предельная мощность, которую можно по ней передать; это одна из причин, ограничивающих допустимую длину такой линии;

· воздушная линия постоянного тока не имеет такого ограничения, поэтому линия постоянного тока может иметь любую длину и передаваемую мощность, которые диктуются практической целесообразностью. Возможные ограничения — допустимые потери энергии на нагрев проводов и пропускная способность используемой аппаратуры.

Рассмотрим теперь кабельные линии. Известно, что кабельные линии переменного тока имеют весьма ограниченную длину — не более 15—20 км. Это объясняется двумя основными причинами:

· большой зарядной мощностью, возникающей вследствие значительной емкости кабеля;

· высокой стоимостью кабеля.

Зарядная мощность приводит к дополнительному нагреву жил кабеля, вынуждая снижать полезную передаваемую мощность и ограничивать длину кабеля. В особенности это относится к высоковольтным кабельным линиям (110—500 кВ). Поэтому кабельные линии переменного тока не могут быть использованы для передачи электроэнергии на достаточно большие расстояния.

В кабельной линии постоянного тока зарядная мощность отсутствует и не создает дополнительного нагрева кабеля. Поэтому кабельные линии постоянного тока могут сооружаться достаточно длинными (100—200 км, возможно и больше) и использоваться для решения задач, которые невозможно решить иными путями, например для пересечения больших водных пространств (морских проливов), ввода больших мощностей в центры крупных городов и др.

Однако это еще не все. Для ответа на вопрос, почему в современной электроэнергетике для решения некоторых задач целесообразно использовать постоянный ток, следует отметить еще ряд проблем.

В настоящее время в мире используются две частоты переменного тока — 50 и 60 Гц. В странах Европы, СНГ и России принята частота 50 Гц; в США, Канаде, некоторых странах Южной Америки, южной части Японии — 60 Гц. Объединение систем с различной номинальной частотой на параллельную работу с помощью линий переменного тока невозможно. Для этой цели, как показывает мировая практика, может быть с успехом использован постоянный ток. Такие связи существуют в Японии и Южной Америке.

Объединение отдельных систем с одной номинальной частотой возможно только при их синхронной работе. При всех положительных сторонах такого решения следует отметить, что оно предполагает также одинаковые стандарты поддержания частоты и законы ее регулирования. Если до объединения системы работали с различными законами регулирования частоты, то такое объединение требует большой работы по реконструкции систем регулирования частоты на всех электростанциях и крупных капиталовложений. Кроме того, объединение систем на параллельную работу неизбежно приводит к одновременному увеличению токов коротких замыканий в связываемых системах. Это требует применения дорогостоящих мероприятий по их ограничению или замене коммутационной аппаратуры.

Следует отметить еще один важный аспект. Объединение систем требует обеспечения устойчивости их совместной работы. При объединении систем связями переменного тока и возникновении аварийной ситуации в одной из систем, например короткого замыкания, отключения крупного генерирующего блока или электростанции, устойчивость совместной работы может быть нарушена, что может привести к обесточиванию целых регионов и, как следствие, большому экономическому ущербу. Этот печальный опыт имеют многие из развитых стран.

Отмеченных выше отрицательных последствий можно избежать, если для объединения систем использовать звено постоянного тока. В этом случае полностью снимаются проблемы устойчивости совместной работы и увеличения токов коротких замыканий, а сами связываемые системы будут работать с одинаковыми или несколько различающимися частотами, но асинхронно. Такое решение может дать определенный «системный эффект», связанный с повышением экономичности и надежности работы объединяемых систем как в нормальных, так и в аварийных и послеаварийных режимах, поскольку звено постоянного тока предотвращает развитие каскадных аварий, что подтверждается мировой практикой.

Если линию постоянного тока использовать для объединения нескольких систем, то в этом случае все эти системы могут работать независимо друг от друга, но обмениваться между собой мощностью. В этом случае линия постоянного тока становится как бы сборными шинами для этих систем. При этом аварийные возмущения в одной из систем не будут передаваться в другие в отличие от того, как это было бы при связи на переменном токе.

Системный эффект может проявиться также и в случае, когда звено постоянного тока шунтирует существующие межсистемные связи переменного тока. Здесь за счет его высокой управляемости можно обеспечить перераспределение потоков мощности по этим связям с целью повышения экономичности работы связываемых систем и при необходимости сохранить устойчивость их синхронной работы.

При развитии электроэнергетической системы и сооружения протяженных линий переменного тока возможно образование кольцевых схем, в которых будут циркулировать большие неуправляемые потоки мощности. Размыкание таких колец для прекращения этой циркуляции нецелесообразно по соображениям надежности работы энергосистемы. Задача может быть решена включением в кольцо звена постоянного тока, что дает возможность управлять потоками мощности в нем.

Электропередача постоянного тока может проявить свои качества еще в одной области. Известно, что характерная особенность гидротурбин заключается в том, что максимальный КПД при неизменной скорости вращения их рабочего колеса, т.е. при постоянной частоте переменного тока, может быть достигнут лишь при постоянном уровне воды в верхнем бьефе (при постоянном напоре воды, на который проектируется турбина) или при незначительных его колебаниях. Такие режимы возможны лишь для гидроэлектростанций с большими объемами водохранилищ, когда водохранилище заполнено до проектной отметки. Для всех других ГЭС при неизменной скорости вращения рабочего вала при срабатывании водохранилища и снижении напора воды турбины будут снижать свой КПД. В особенности это явление будет проявляться на приливных ГЭС и на ГЭС с большими объемами водохранилищ в период их заполнения.

Для поддержания КПД на максимально высоком уровне в этих случаях турбины должны изменять частоту вращения, что приведет к изменению частоты переменного тока и невозможности выдачи мощности ГЭС в систему по линии переменного тока из-за разности частот системы и генераторов ГЭС. Если для связи ГЭС с системой используется линия постоянного тока, то обеспечивается возможность выдачи мощности в систему при переменной частоте вращения гидрогенераторов, в том числе и в период заполнения водохранилища, который может длиться многие годы.

Из сказанного выше могут быть определены возможные области применения постоянного тока в современной электроэнергетике. К ним следует отнести:

· дальние электропередачи, например от удаленных ГЭС или АЭС. Расстояния здесь могут исчисляться многими сотнями и тысячами километров. Экономическая граница между переменным и постоянным током, по разным данным, может лежать в пределах 700—1000 км в зависимости от условий прохождения трассы, требований надежности, цен на оборудование и ряда других факторов;

· передача электроэнергии через большие водные пространства;

· глубокие вводы большой мощности в центры крупных городов;

· связь систем переменного тока с различной номинальной частотой;

· несинхронные связи систем одной номинальной частоты, что позволит повысить живучесть объединенной системы;

· создание «шин постоянного тока», к которым могут подсоединяться электроэнергетические системы разных районов или стран, работающие несинхронно или с различной частотой и не выполняющие требования единства законов регулирования частоты;

· подключение к системе электростанций, работающих с переменной частотой вращения агрегатов, что позволяет обеспечить большую эффективность работы этих агрегатов;

· развязка колец, возникающих при развитии объединенной системы, в которых могут циркулировать большие неуправляемые потоки мощности.