Меню

Лэп с переменным током

Однопроводные ЛЭП: дорога в никуда или будущее энергетики?

Передача электроэнергии в удаленные населенные пункты с небольшим числом жителей требует экономичных решений. Одним из вариантов является применение однопроводных линий. Обратной стороной снижения затрат при строительстве являются значительные ограничения по передаваемой мощности и вариантам размещения системы. Поэтому около 30 лет тому назад однопроводные линии сочли бесперспективным направлением, но сейчас к ним снова возрождается интерес. Считается, что современные технологии позволяют вывести однопроводные ЛЭП на новый технический уровень, когда они смогут конкурировать с двух- и трехпроводными аналогами не только по стоимости строительства, но и по эффективности. Разберемся, так ли это на самом деле и какие есть реальные перспективы для подобных решений.

В последнее время вокруг фигуры Николы Тесла возник ореол таинственности. Говорят, что этот ученый сделал некое изобретении, которое позволяло обеспечить человечество бесплатной электроэнергией. Тесла якобы научился черпать энергию из ничего, что не понравилось нефтяным магнатам. Правда, никаких публикаций о подобных системах не осталось, что, кстати, дополнительно подогревает интерес любителей «теории заговоров» — значит, «мировая закулиса» уничтожила все документальные свидетельства великого изобретения.

Но вполне возможно, что полумифическое изобретение, вокруг которого подняли шумиху, существует в реальности и даже практически реализовано, просто принцип его действия несколько иной, чем они его описывают. Действительно, Тесла нашел способ, как значительно удешевить строительство ЛЭП и на порядок снизить потери в них. В итоге человечество могло получить, хотя и не бесплатную, но очень дешевую электроэнергию. Изобретение было запатентовано в 1900 году, но практическая реализация оказалось отложена более чем на век. И причина заключается не в злокознях нефтяных баронов, а просто потому, что долгое время уровень развития технологий не позволял его реализовать.

Система, предложенная Николой Тесла, работает следующим образом (рис. 1). На передающей и приемной сторонах стоят трансформаторы Тесла. Они соединены между собой однопроводной линией электропередачи, которая, как и любой отрезок провода, имеет некую собственную резонансную частоту. Оба трансформатора настроены на эту частоту.

Благодаря резонансу электроэнергия передается не током в сердцевине провода, а электромагнитными волнами, распространяющимися вдоль его поверхности. Таким образом, резко снижаются потери электроэнергии. Кроме этого, можно сэкономить на проводе — он может быть значительно тоньше, чем в традиционных ЛЭП и выполнен из дешевого сплава со сравнительно невысокой проводимостью. И, конечно, значительная экономия получается благодаря тому, что проводов не два, а один.

Основная проблема в реализации такого принципа заключается в том, что собственная частота резонанса линии постоянно меняется. Изменилась температура окружающей среды — изменилась длина провода, нужно менять частоту, на которой передается электроэнергия. И есть множество других факторов, которые требуют постоянно подстраивать рабочую частоту системы. В начале XX века это было невозможно сделать, поэтому дальше лабораторных опытов дело не пошло.

Но от идеи использовать один провод вместо двух инженеры не отказались, реализовав ее на доступном тогда технологическом уровне.

Система SWER

В простейшем варианте однопроводные линии электропередач работают на тех же принципах, что и двухпроводные, но в качестве одного из проводов используется земля. Называется такая система SWER (Single Wire Earth Return — однопроводная с землей в качестве обратного провода).

Схема передачи электроэнергии по системе SWER показана на рис. 2. Используется заземление с сопротивлением 5-10 Ом. Поскольку сопротивление нашей планеты составляет менее 1 Ом, характеристики системы будут определяться главным образом сопротивлением заземления. Сила тока в заземлении не должна превышать 8 А, что ограничивает передаваемую мощность. Напряжение между проводом или землей составляет 12,7 или 19,1 кВ. Провод, по которому осуществляется передача энергии — стальной оцинкованный диаметром 3,26 мм, в последнее время вместо оцинкованных используют стальные провода, покрытые тонким слоем алюминия.

Основной проблемой для системы SWER является обеспечение безопасности. Система рассчитывается таким образом, чтобы шаговое напряжение в почве не превышало 20 В/м. То есть шаговое напряжение не опасно для человека. Хотя некоторые экологи считают, что протекание электрического тока через землю негативно сказывается на природе. К тому же, SWER нельзя использовать в крупных агломерациях, так как там она будет вызывать электрическую коррозию объектов городской инфраструктуры вблизи питающих подстанций. Поэтому SWER используется только для электрификации удаленных населенных пунктов.

В случае, если провод упал на землю или на дерево, но при этом сила тока оказалась в допустимых пределах, соответствующих нормальной нагрузке, это обстоятельство не может быть сразу определено на передающей стороне без получения информации, что к потребителю энергия не поступает. Соответственно, нет возможности сразу отключить подачу электроэнергии в подобных аварийных ситуациях. Это уже приводило к возникновению лесных пожаров.

Впервые система SWER была использована еще в 1925 году при строительстве ЛЭП в Новой Зеландии. С тех пор SWER получила большое распространение в этой стране, а также в соседней Австралии. Причина того, что именно в этих странах SWER завоевала популярность, связана с низкой плотностью населения там. В Австралии есть дополнительное преимущество для данной системы — значительная часть территории страны покрыта пустынями, где система SWER не создает практически никаких проблем. По данным на 2008 г., в Австралии эксплуатировалось более 150 тыс. км. линий SWER.

Помимо Австралии и Новой Зеландии, система SWER использовалась в Бразилии, Канаде, а также в ряде африканских стран. Существует опытная ЛЭП и в США на Аляске. Также системы, аналогичные SWER, используются на некоторых подводных ЛЭП, обратным проводом в них является морская вода. Как правило, подводные однопроводные системы работают на постоянном токе.

Следует отметить, что в большинстве стран мира национальные нормы требуют использования металлического обратного провода, но в ряде случаев эксплуатация систем SWER, тем не менее, допускается на основе разрешения, выданного в индивидуальном порядке. В СССР и в современной России SWER и аналогичные ей системы никогда не использовались, даже не рассматривалась официально возможность строительства таких ЛЭП. Для нашей страны с большими лесными массивами и множеством факторов, способствующим обрыву проводов ЛЭП, имеющиеся в системе SWER проблемы с безопасностью оказываются совершенно неприемлемыми.

За рубежом интерес к развитию системы SWER к середине 80-х годов постепенно угас, но в конце 2000-х годов возродился вновь. В условиях глобального экономического кризиса инвесторы обратили свои взоры на Африку, так как экономики многих стран этого континента демонстрируют впечатляющий рост. Но именно там существуют проблемы с энергоснабжением. Система SWER способна решить их с небольшими затратами, при этом условия на континенте (малая плотность населения, значительную часть площади занимают пустыни) оптимальны для данной системы.

Резонансные системы передачи

В СССР вместо SWER разрабатывали систему однопроводной системы передачи электроэнергии, основанной на принципе, открытом Николой Тесла. Работы по изучению работы ЛЭП в резонансном режиме были начаты в 1956 году в Сибирском НИИ энергетики (Сиб-НИИЭ) под руководством профессора В.К.Щербакова. В 80-е годы разработки по однопроводным линиям велись во Всесоюзном энергетическом институте (ВИЭ), позже это проблематикой занялись во Всероссийском НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

По сравнению со SWER, однопроводная резонансная линия более безопасна. При обрыве или же замыкании на землю провода меняется частота собственного резонанса линии. Это может быть обнаружено автоматикой на передающей стороне и подача электроэнергии будет сразу же отключена. Не говоря уж о том, что из-за изменения частоты резонанса напряжение в линии само по себе резко уменьшается. По этой же причине однопроводные резонансные линии надежно защищены от несанкционированного отбора электроэнергии. Данные о воздействии электрической коррозии от резонансных однопроводных систем на городскую инфраструктуру пока отсутствуют из-за малочисленности опытов.

Современная реализация идей Теслы предусматривает подстройку рабочей частоты системы и резонансной частоты трансформаторов с помощью компьютеров. Это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования, что является недостатком системы. Поэтому применять однопроводные резонансные системы стоит главным образом как часть интеллектуальных систем электропитания с распределенным управлением, что позволяет использовать одно и то же компьютерное оборудование как для управления сетью, так и для подстройки частоты.

В резонансных однопроводных линиях передача энергии осуществляется на частотах от 1,5 кГц до 20 кГц. Это значительно выше, чем частота переменного тока в обычных линиях (50 Гц), к тому же, частота может меняться в широких пределах. При передаче больших мощностей по воздушным ЛЭП возникает проблема электромагнитной совместимости с электронными устройствами, находящимися поблизости, не решенная до сих пор.

Тем не менее, однопроводные резонансные системы уже сейчас могут найти применение для питания устройств с небольшой потребляемой мощностью (порядка единиц ватт). Речь идет о камерах видеонаблюдения и публичных точках доступа Wi-Fi, установленных в парках, а также других открытых пространствах. Эти устройства соединяются друг с другом самонесущим волоконно-оптическим кабелем, имеющим внутри прочный стальной трос. По этому тросу можно организовать однопроводную передачу электроэнергии.

В 2013 году в подмосковном городе Дубна была введена в эксплуатацию непрерывная зона доступа Wi-Fi вдоль набережной Волги длиной 1250 м. Точки доступа Wi-Fi питаются в ней через стальной трос оптического кабеля описанным выше способом. Оборудование создано ООО «Мезон» — резидентом технопарка при местном университете. По оценкам разработчиков, их система позволяет на 40% сократить капитальные затраты на строительство линии электропередачи.

Дальнейшее развитие однопроводных резонансных систем будет, очевидно, связано с внедрением технологии для создания подземных кабельных линий. При этом автоматически решается проблема электромагнитной совместимости, да и частота собственного резонанса линии, находящейся под землей, более стабильна, что упрощает систему регулировки частоты.

В ВИЭСХ уже создана опытная подземная однопроводная линия длиной 1,2 км, способная передавать электроэнергию мощностью до 20 кВт. Есть и разработки, позволяющие передавать до 100 кВт. Основная проблема, которую предстоит решить для широкого распространения подземных однопроводных линий — создание недорогой изоляции с минимальными потерями электромагнитных волн, распространяющихся вдоль провода. Возможным выходом станут так называемые газоизолированные ЛЭП, в которых изоляцией является специальный газ, закачанный под давлением в оболочку провода. Тем не менее, о полной замене традиционных систем передачи электроэнергии на однопроводные резонансные в обозримом будущем говорить не приходится. Но для специализированных применений, как, например, упоминавшаяся система электропитания точек доступа Wi-Fi, однопроводные системы уже сейчас могут использоваться, давая значительную экономию.

Алексей ВАСИЛЬЕВ
Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок» №4 (64) июль-август 2015

Источник

Высоковольтные ЛЭП

16 декабря 2019

Время на чтение:

Перемещение электроэнергии осуществляется при помощи ЛЭП. Такие установки должны быть надежды, а также безопасны для людей и экологии. В этой статье говорится о том, что представляет собой воздушная линия электропередачи, а также представлено несколько простых схем.

Что это такое

Аббревиатура расшифруется как линии электропередач. Эта установка необходима для передачи электрической энергии по кабелям, находящимся на открытой местности (воздухе) и установленными при помощи изоляторов и арматуры к стойкам или опорам. За точку начала и конца линий электропередач принимают линейные входы или линейные выходы РУ, а для ветвления — специальная опора и линейный вход.

Читайте также:  Стеклянный аппарат с током

Как выглядит станция ЛЭП

Опоры можно разделить на:

  • промежуточные которые находятся на прямых участках трассы установок, их используют только для удержания кабелей;
  • анкерные в основном монтируются на прямых границах ВЛ;
  • концевые стойки — это подвид анкерных, они ставятся в начале и конце ВЛ. При стандартных условиях функционирования установки, они принимают нагрузку от кабелей;
  • специальные стойки используются для изменения положения кабелей на ЛЭП;
  • декорированные стойки, помимо поддержки, они выполняют роль эстетичной красоты.

Линии электропередач можно условно разделить на воздушные и подземные. Последние все больше набирают популярность из-за удобства прокладки, высокой надежности и снижения потерь напряжения.

Обратите внимание! Эти линии различаются методом прокладки, особенностью конструкции. В каждой есть свои плюсы и минусы.

При работе с ЛЭП необходимо соблюдать все правила безопасности, потому что во время монтажа можно получить не только травмы, но и погибнуть.

Типы используемых опор

Технические характеристики линий электропередач

Основные параметры ЛЭП:

  • l — промежутки между стойками или опорами ЛЭП;
  • dd — пространство ме­ж­ду со­сед­ни­ми кабельными линиями;
  • λλ — можно расшифровать как протяженность гир­лян­ды ЛЭП;
  • HH — высота стойки;
  • hh — самое малое разрешенное рас­стоя­ние от низкой отметки кабеля до почвы.

Расшифровывать все характеристики установок сможет не каждый. Поэтому за помощью можно обратиться к профессионалу.

Ниже представлена таблица линий электропередач, обновленная в 2010 году. Более полное описание можно находить на форумах электрики.

Чтобы понизить число ава­рий­ных выключений, которые возникают при плохих погодных условиях, линии электростанций снабжаются грозо­за­щит­ны­ми канатами, которые устанавливаются на стойках вы­ше кабелей и используются для подавления пря­мых по­па­да­ний грозы в ЛЭП. Они похожи на металлические оцин­ко­ван­ные мно­го­про­во­лоч­ные тросы или специальные уси­лен­ные алюминиевые кабели малого се­че­ния.

Производятся и используются такие устройства от молний с встроенными в их труб­ча­тый стержень оп­ти­ко-во­ло­кон­ны­ми жилами, которые дают мно­го­ка­наль­ную связь. На территориях с постоянно по­вто­ряю­щи­ми­ся и силь­ны­ми морозами, лед откладывается на провода и образуются ава­рии из-за пробивания воздушных линий при приближении про­вис­ших канатов и кабелей.

Рабочая температура линий электропередач составляет от 150 до 200 градусов. Внутри провода не имеют изоляцию. Они должны обладать высокой степенью проводимости, а также устойчивостью к механическим повреждениям.

Ниже описано, какие линии электропередач используются для передачи электроэнергии.

Два основных вида

ЛЭП используются для перемещения и распространения электроэнергии. Виды линий можно поделить:

  • по виду расположения кабелей — воздушные (находятся на открытом воздухе) и закрытые (в кабель-каналах);
  • по функциям — сверхдальние, для магистралей, распределительные.

Воздушные ЛЭП также можно разделить на подвиды, который зависят от проводников, типа тока, мощности, применяемого сырья. Ниже подробно описаны эти классификации.

Переменного тока

По типу тока ЛЭП можно подразделить на две группы. Первая из них — это линии электропередач постоянного тока. Такие установки помогают свести к минимуму потери при перемещении энергии, потому используются для передачи тока на дальние расстояния. Этот вид ЛЭП достаточно популярен в европейских государствах, но в России такие линии электропередач можно пересчитать по пальцам. Многие железные дороги работают на переменном токе.

Схема передачи энергии

Постоянного тока

Вторая группа — это линии электропередач постоянного тока, в которых энергия всегда одинакова независимо от направления и сопротивления. Почти все установки в России питаются постоянным током. Их проще произвести и эксплуатировать, но потери при перемещении тока очень часто достигают 10 кВт/км за полгода на ЛЭП с напряжением 450 кВ.

Классификация ЛЭП

Такие установки могут классифицироваться по назначению, напряжению, режиму работы и так далее. Ниже подробно описан каждый этот пункт.

По роду тока

В последние годы передача электроэнергии выполняется в основном на переменном токе. Такой метод популярен, потому что, большее количество источников электроэнергии выдают переменное напряжение (за исключением индивидуальных источников, например солнечные батареи), а главным потребителем выступают установки переменного тока.

Схема монтажа проводов ВЛ

Очень часто передача электроэнергии на постоянном токе более благоприятна. Для понижения потерь в ЛЭП, при передаче электрической энергии на любом виде тока, при помощи трансформаторов (ТТ) поднимают напряжение.

Также при выполнении передачи от установки к потребителю на постоянном токе нужно превращать электрическую энергию из переменного тока в постоянный, для этого существуют специальные выпрямители.

По предназначению

По назначению линии электропередач можно разделить на несколько видов. По расстоянию линии делятся на:

  • сверхдальние. На таких ЛЭП напряжение будет свыше 500 киловольт. Их применяют для перемещения энергии на дальние расстояния. В основном они необходимы для того, чтобы объединять разные энергосистемы или их элементы;

Классификация ВЛЭП

  • магистральные. Такие линии бывают с напряжением 220 или 380 кВ. Они объединяют друг с другом большие энергетические центры или разные установки;
  • распределительные. К этому виду относятся системы с напряжением в 35, 110 и 150 кВ. Применяются для объединения районов и малых питающих центров;
  • подводящие электрическую энергию к людям. Напряжение — не выше 20 кВ, самые популярные виды на 6 и 10 кВ. Эти ЛЭП подводят энергию к распределительным точкам, а потом и к людям в дом.

По напряжению

По базисному напряжению такие ЛЭП в основном разделяют на две главные группы. С низким напряжением до 1 кВ. ГОСТами указываются четыре основных напряжения, 40, 220, 380 и 660 В.

С напряжение выше 1 кВ. ГОСТом здесь описано 12 параметров, средние показатели — от 3 до 35 кВ, высокие — от 100 до 220 кВ, самые высокие — 330, 500 и 700 кВ и ультравысокие — больше 1 МВ. Его также называют высоковольтным напряжением.

ЛЭП 330 Кв

По системе функционирования нейтралей в электроустановках

Такие установки можно разделить на четыре сети:

  • трехфазные, в которых не присутствует заземление. В основном эта схема применяется в сетях напряжением до 35 кВ, где перемещаются малые токи;
  • трехфазные, в которых есть заземление с помощью индуктивности. Эту установку также называют резонансно-заземленного вида. В таких воздушных линиях применяется напряжение 3-35 кВ, где перемещаются токи большой величины;
  • трехфазные, в которых присутствует полное заземление. Такой режим функционирования нейтрали применяется в воздушных линиях со средним и высоким напряжениями. Здесь нужно использовать трансформаторы тока;
  • глухозаземленная нейтраль. Здесь работают воздушные линии с напряжением меньше 1,0 кВ или больше 220 кВ.

Процесс монтажа

По режиму работы в зависимости от механического состояния

Также бывает и такое разделения ЛЭП, где предусматривается внешнее состояние всех частей установки. Это линии электропередач в хорошем состоянии, где кабели, стойки и другие элементы почти новые. Основной акцент делается на качество кабелей и канатов, на них не должно быть механических повреждений.

Также бывает аварийное положение, где качество кабелей и канатов достаточно низкое. В таких установках необходимо проводить незамедлительный ремонт.

  • линии электропередач хорошего режима работы — все составляющие новые и не повреждены;
  • аварийные линии — при явных видимых повреждениях проводов;
  • линии монтажного вида — в процессе монтажа стоек, кабелей и канатов.

Определять состояние линий электропередач необходимо только опытному электромонтеру.

Если установка аварийная, то это может привести к ряду последствий. Например, энергия будет подаваться не постоянно, возможно короткое замыкание, оголённые провода при соприкосновении могут вызвать пожар. Если ЛЭП вовремя не подверглась монтажу и случились ненепоправимые последствия, то это может грозить огромными штрафами.

Подземные кабельные линии электропередач

Предназначение ВЛ электропередач

Такими ВЛ называются установки, которые используются для перемещения и рас­пределения электрической энергии по кабелям, находящимся на открытом воздухе и удерживающимися, при помощи специальных стоек. ВЛ устанавливаются и используются в самых различных погодных условиях и гео­графической местности, склонны к атмосферному влиянию (осадки, перепады температур, ветры).

Поэтому воздушные линии необходимо устанавливать с учетом погодных факторов, загрязнения атмосферы, требований прокладки (для города, поля, деревни) и прочее. Установка должна соответствовать ряду правил и нормативам:

  • экономически выгодная стоимость;
  • ­высокой электропроводностью, прочностью используемых канатов и стоек;
  • устойчивость к механическим повреждениям, коррозии;
  • быть безопасной для природы ичеловека, не занимать много свободной территории.

Как выглядят изоляторы

Какое напряжение ЛЭП

По определенных характеристикам, можно узнать напряжение линий электропередач по внешнему виду. Первое на что стоит обратить внимание — это изолятор. Чем больше их находится на установке, тем она будет мощнее.

Самые популярные изоляторы воздушных линий 0,4кВ. Их обычного изготавливают из прочного стекла. По их количеству можно определяться в мощности.

ВЛ-6 и ВЛ-10 по форме такой же, но намного крупнее. Кроме штыревого фиксирования, иногда применяют такие изоляторы по аналогу гирлянд по одному/двум образцам.

Обратите внимание! На воздушной линии 35кВ чаще всего устанавливают навесные изоляторы, хотя иногда можно увидеть штыревого вида. Гирлянда складывается из трех-пяти видов.

Число роликов в гирлянде может быть таким:

  • ВЛ-110кВ — 6 роликов;
  • ВЛ-220кВ — 10 роликов;
  • ВЛ-330кВ — 12 роликов;
  • ВЛ-500кВ — 22 ролика;
  • ВЛ-750кВ — от 20 и выше.

Как узнать мощность ЛЭП

Также напряжение можно узнать по числу кабелей:

  • ВЛ-0,4 кВ число проводов от 2 до 4 и выше;
  • ВЛ-6, 10 кВ — всего три кабеля наустановке;
  • ВЛ-35 кВ, 110 кВ — для каждого изолятора свой провод;
  • ВЛ-220 кВ — для каждого изолятора один большой провод;
  • ВЛ-330 кВ — в фазах по два кабеля;
  • ВЛ-750 кВ — от 3 до 5 проводов.

В заключении необходимо отметить, что в современном мире невозможно обойтись без линий электропередач. Именно они снабжают всю страну электричеством. В настоящее время применяют воздушные и кабельные ЛЭП повсеместно.

Источник

Высоковольтные линии постоянного и переменного тока. Генерация напряжения в электротехнике. Часть 1

В 1919 г. инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский написал работу «О пределах применимости трехфазного переменного тока для передачи электроэнергии на расстояние». Проведя исследования, он доказал, что при электропередачах большой мощности и на очень дальнее расстояние произойдет обратный переход от переменного тока к постоянному. [30]

Считается, что ушли в прошлое времена, когда решался вопрос, каким быть электросетям в мире – сетям постоянного или переменного тока (так называемая «война токов или напряжений», имевшая место на рубеже 19-20 веков). В настоящее время большинство сетей – это сети переменного напряжения с частотой 50 / 60 Гц. Тем не менее, последние события в энергетике показывают, что старая дискуссия может вернуться.

В настоящее время идут процессы, которые могут потеснить монополию переменного тока

1) Развитие высоковольтных систем постоянного тока (ЛПТ / HVDC систем) в системах электропередачи продолжается благодаря следующим преимуществам [1]:
  • Отсутствуют потери на излучение, так электромагнитные волны излучает только проводник с переменным током.
  • В сети нет реактивной (паразитной) мощности и, следовательно, затрат на борьбу с ней, т.е. нет коэффициента мощности и необходимости его улучшения.
  • Экономия на материалах опор ЛЭП, проводов.
Читайте также:  Метод контур токов пример решения задачи

Основное преимущество HVDC – это возможность передать большее количество энергии на большое расстояние с меньшими капитальными затратами и меньшими потерями, чем в HVAC линиях [1]. В зависимости от уровня напряжения и конструкционных особенностей потери составляют около 3% на 1км [1]. HVDC позволяют более эффективно использовать энергетические источники удаленные от нагрузочных центров.

Основные примеры, где использование HVDC более эффективно, чем HVAC:

  • Подводные кабели (например, 250 км Балтийский кабель между Швецией и Германией [1], 600 км кабель NorNed между Норвегией и Голландией, 290 км связка Basslink между Австралийским материком и Тасманией [1]). В подводных кабелях линии переменного тока неэффективны по причине потерь на токи Фуко в солёной воде.
  • Дальнемагистральные мощные линии электропередачи типа «конечная точка – конечная точка» без промежуточных ответвлений, например, в удаленных (незаселенных) областях.
  • Увеличение мощности существующей силовой сети в ситуациях, где дополнительные провода устанавливать трудно или дорого.
  • Передача мощности и стабилизация между несинхронизированными распределительными системами переменного напряжения (Power transmission and stabilization between unsynchronised AC distribution systems).
  • Подключение удалённой генерирующей электростанции к главной сети, например: Nelson River DC Transmission System.
  • Стабилизация преобладающей AC сети за счет того, что HVDC не вносит вклад в общий ток КЗ системы (Stabilizing a predominantly AC power-grid, without increasing prospective short circuit current).
  • Снижение цены линии электропередачи. HVDC нуждается в меньшем количестве проводников так как нет необходимости поддержки многофазных систем. Так же, из-за отсутствия скин-эффекта могут использоваться более тонкие проводники.
  • Облегчение передачи (обмена) энергией между странами (районами, сетями), которые используют разные частоты промышленной сети.
  • Синхронизация сетей переменного напряжения, выработанного ВИЭ [1].

Преимущества и недостатки HVDC по другому источнику [2]:

A. Преимущества HVDC

  • Большая передаваемая мощность для проводника одного сечения (нет излучения, нет скин-эффекта и др.).
  • Более простая конструкция линии (нет реактивных компенсаторов и др.).
  • Может быть использован возврат через землю (ОЛВЗ). Имеется в виду, что меньше потери на токи Фуко и др., т.к. в HVAC линиях также используется ОЛВЗ / SWER.
  • В случае ОЛВЗ каждый проводник может работать как независимая цепь.
  • Нет зарядного тока, т.е. переменного тока идущего на подзаряд емкостей линии (No charging current. Additional current must flow in the cable to charge the cable capacitance). Это особенно важно в подземных / подводных кабелях. Поэтому в подводных ЛЭП HVDC используется уже несколько десятилетий.
  • Нет скин эффекта.
  • Кабели могут работать при более высоком градиенте напряжения (так как нет токов Фуко).
  • Коэффициент мощности линии всегда равен единице: реактивной мощности нет, линия не требует реактивной компенсации.
  • Меньше коронный разряд и радиопомехи, особенно в плохую погоду, для проводника с теми же самыми диаметром и RMS напряжением как в HVAC.
  • Синхронная работа не требуется.
  • Следовательно, дистанция линии не ограничена требованиями стабильности.
  • Может соединять системы переменного напряжения с разными частотами.
  • Низкий ток КЗ в линии с постоянным током (Low short-circuit current on DC line).
  • Не вносит вклад в ток КЗ AC линии (Does not contribute to short-circuit current of a A.C system).
  • Регулирование перетоков мощности легко осуществляется / контролируется (Tie-line power is easily controlled).

B. Недостатки HVDC

  • Конверторы дороги.
  • Конверторы сопряжения с HVAC сталкиваются с проблемой реактивной мощности.
  • Конверторы генерируют гармоники, требуются фильтры.
  • Мультитерминальную (сеть с множеством потребителей) систему построить нелегко (Multiterminal or network operation is not easy) [2].

Дальние дистанции технически недостижимы для линий HVAC без промежуточных станций компенсации реактивной мощности. Частота и промежуточные реактивные компоненты вызывают проблемы стабильности AC линии. С другой стороны HVDC линия электропередачи не имеет проблемы стабильности из-за отсутствия частоты, и следовательно, нет ограничения на длину линии. Цена на единицу длины для HVDC линии ниже, чем для HVAC при той же мощности и надёжности. Однако, цена терминального оборудования (оборудования конечных станций) HVDC линии значительно выше чем HVAC. Наибольшее ценовое преимущество HVDC линии достигается на расстояниях свыше 500-800 км. HVDC линии меньше воздействует на человека и на природу в целом, это делает HVDC более «дружелюбной» по отношению к окружающей среде [2].

Преимущества HVDC [9]:

Высоковольтные DC и сверхвысоковольтные DC системы – это совершенные технологии, превосходно подходящие для целей интеграции различных источников энергии таких, как солнце и ветер в локальные электрические сети. Это особенно важно для крупномасштабных оффшорных проектов ветроэлектростанций, или крупномасштабных СЭС. HVDC имеют многочисленные преимущества над традиционной HVAC ЛЭП. Одно из главных преимуществ HVDC – малые потери при передаче энергии, в отличие от больших потерь в HVAC линиях.

Основное практическое правило выглядит следующим образом: на каждые 1000 км DC линии потери составляют менее 3% (на примере линии 5000 МВт, 800 кВ). Обычно потери DC линии на 30-40% меньше, чем потери для линий AC, при тех же уровнях напряжения. Поэтому для ЛЭП большой длины DC (ЛПТ) являются единственным приемлемым решением, как с технической, так экономической точки зрения. Подтверждение можно можно почерпнуть из опытных данных, представленных ниже и полученных на HVAC и HVDC Transmission system for the Nelson River Bipole [1, 2]. Из графиков сравнения затрат на строительство стандартной ЛЭП и ЛПТ, видно что начиная с расстояния 450 миль ЛПТ более выгодны, и с дальнейшим ростом расстояния выгода растёт.

На рисунке ниже показана наземная ЛЭП: площадь занимаемая HVDC оптимальна и составляет около одной трети площади HVAC. HVDC это два проводника, а HVAC это три проводника плюс нейтраль, в результате установочная цена на милю для HVDC ниже.

HVDC лучше HVAC для оффшорных (вне береговых) подводных проектов. Для подводных систем электропередачи, потери в AC линии из-за её ёмкости очень велики, что делает HVDC экономически выгоднее на более коротких дистанциях, чем на земле.

Благодаря преимуществам (см. выше) одна и таже ЛЭП может передать в 3 раза больше энергии при переходе с технологии HVAC к HVDC [19]:

Преимущества HVDC [12]:

Особенность системы ABB HVDC Light – возможность стабилизировать напряжение линий переменного тока, а так же возможность использования для связи с изолированными удаленными источниками генерации в местах, где строительство новых воздушных линий сверхвысокого напряжения слишком затратно. Это важно для ветряных электростанций, так как они значительно удалены и разница в скорости ветра может привести к значительным колебаниям напряжения.

Так же система HVDC выгодна для подземных подводных кабелей. Вот примеры реализованных проектов:

  • Протяженный подземный кабель (70 км Gotland HVDC Light) от ветряной электростанции (Швеция).
  • Протяженный подземный кабель (59 км Terranora interconnector и 180 км Murraylink) между двумя сетями (Австралия) [12] и др.

Замечание: HVDC имеют много особенностей, которые продолжают изучаться и часто не могут быть отнесены только к преимуществам или только недостаткам, например, коронный разряд не только приводит к потерям и радиошумам, но и вырабатывает озон.

Таким образом, преимущества HVDC для подводных и подземных применений обусловлены отсутствием токов Фуко, а преимущества на дальних дистанциях – малой занимаемой площадью из-за меньшего расстояния между проводами и отсутствия скин-эффекта (нет необходимости разбивать проводники на несколько меньших, работает весь объем провода, независимо от сечения) и проблем коэффициента мощности.

Недостатки HVDC связаны со использованием сложных преобразователей (конверторов), необходимостью их контроля и обслуживания [1].

С начала развития линий постоянного тока с 1880-х годов и до середины 20 века во многих странах было предпринято несколько попыток построения ЛПТ систем (Италия, Швейцария, Германия и др.). Только затем началось существенное развитие DC систем. После Великой Отечественной Войны в СССР были введены в строй ЛПТ ЛЭП 30 МВт ЛПТ Кашира–Москва (1951 г), 750 МВт Волгоград–Донбасс (1964 г) и др. С тех пор число ЛПТ ЛЭП в мире увеличилось и продолжает расти.

Достигнуты большие мощности и расстояния ЛПТ ЛЭП, например – UHVDC Xiangjiaba-Shanghai 2,071 км 7200 МВт ±800 кВ (от ГЭС Xiangjiaba до Шанхая) [1,11]. Количество реализованных и проектируемых ЛПТ ЛЭП за период 2000 г — 2013 г превысило количество всех построенных в 20 веке ЛПТ ЛЭП. В общем, рост ЛПТ систем касается только сферы большой энергетики, так как традиционно в бытовом применении (и для большинства промышленных нагрузок) во всём мире используется переменное напряжение 50 или 60 Гц.

Ниже приведена карта HVDC линий Европы (многие из которых обслуживают объекты возобновляемой энергетики такие, как ветро- и гидро- электростанции), а также проектируемые HVDC Китая [4,5].

2) Возобновляемая энергетика как «локомотивная отрасль» тянет за собой развитие систем / линий постоянного тока (ЛПТ / HVDC) за счёт их преимущества

В связи с прохождением пика потребления углеводородов в результате роста цен на газ и нефть резко возрастает роль возобновляемых источников энергии, а также всех смежных с ними отраслях, том числе строительстве ЛПТ. Линии переменного тока AC эффективны в системах с машинной генерацией напряжения синусоидальной формы, например: ДЭС, ТЭС, АЭС и т.п.. А для таких возобновляемых источников энергии, таких как ВЭС и СЭС более эффективны в работе ЛПТ.

Это связано с тем что:

  • Данные ВИЭ не могут самостоятельно генерировать переменное напряжение с фиксированной частотой и напряжением (как генераторы на обычных ЭС). Это связано с нестабильностью альтернативных источников энергии (Солнце, ветер) и актуальной проблемой выгодного аккумулирования энергии. Поэтому для ВИЭ требуются импульсные преобразователи, которым легче работать с ЛПТ. Наоборот, паровые, дизельные, газовые и др. приводы генераторов обычных ЭС изначально легко дают фиксированное переменное напряжение («стабильное напряжение, стабильная частота»).

Выходит, что эффективность ЛЭП переменного тока как бы «привязана» к нефти, газу др. НВИЭ. Исключением являются ГЭС (ВИЭ), но ГЭС не могут работать круглосуточно и поэтому также нуждаются в объединении сетей (в ГЭС с накопительным водохранилищем работа на номинальную мощность производится периодически т.к. вода аккумулируется в периоды пониженных нагрузок). ГЭС работающие на водотоке не годны для выработки больших мощностей – см. ниже.

Рассмотрим распространенную ситуацию с централизованной электростанцией в регионе, когда электростанция – это одиночный центр, питающий весь окружающий регион. В этом случае никакие объединения электросетей не требуются или требуются только для аварийного режима. Речь может идти об объединении единиц ЭС – ЭС на ВИЭ (ВЭС СЭС и др.), сильно рассредоточенными по большой территории, поэтому вопрос объединения десятков, сотен, и более единиц ЭС в единую сеть крайне важен. А в случае объединения ЛПТ выигрывает по сравнению с ЛЭП переменного тока по простоте и эффективности.

Причины необходимости объединения ЭС на ВИЭ и выгодности HVDC для этих целей:

  • Парковые ВЭС (Ветроэлектростанции / Wind farms) и СЭС электростанции изначально является сильно рассредоточенными по большой территории на площади несколько десятков и сотен кв. км. Примером могут служить оффшорные, горные, равнинные парковые ВЭС – в среднем от 30 до 300 единичных ВЭС мощностью 1-6 МВт каждая на территории 10-300 кв. км [7].
  • Парковые ЭС на ВИЭ требуют объединения в единую энергосистему, так как источник энергии нестабилен, а дешёвый аккумулятор электроэнергии до сих пор не разработан.
  • Парковые ЭС часто удалены и рассредоточены, так как привязаны к ресурсам солнца и ветра, поэтому требуется много длинных ЛЭП, что более подходит для HVDC технологии.
  • Для объединения многих терминалов (источников и потребителей) HVDC значительно выгоднее (см преимущества выше). Главная причина – не требуется синхронизация, терминалы подключаются параллельно.
  • При использовании HVDC линий упрощается постройка системы «сетевая электростанция». При этом парковая ЭС может выдавать энергию в сеть, принимать энергию из сети в аккумуляторы, передавать / ретранслировать потоки энергии.
  • При использовании HVDC линий упрощается постройка системы «объединённая сетевая электростанция» для большого числа малых частных ЭС / потребителей.
  • При использовании HVDC упрощается построение энергосистемы «силовой интернет», включающей множество мелких и крупных станций типа «источник», «потребитель», «аккумулятор», а также их комбинаций.
  • Даже в настоящее время, когда большинство основных магистральных сетей – HVAC, из-за своей выгодности HVDC используются для сопряжения сетей HVAC, сопряжения сетей HVAC с ЭС на ВИЭ.
Читайте также:  Тока лайф ворлд аватарки

Система BorWin1 – одна из крупнейших HVDC систем Германии. Используется для энергетического соединения оффшорного ветропарка BARD Offshore 1 (400 МВт) и других оффшорных ветроферм, расположенных в Германии рядом с Боркумом с Европейской энергетической сетью. Характеристики: мощность 400 МВт, биполярная линия, напряжение 150 кВ. ЛЭП HVDC BorWin1, идущая от оффшорной платформы BorWin Alpha к подстанции Diele, содержит участки 75 км подземного и 125 км подводного кабеля. Запущена в строй в 2009 г.

Система Atlantic Wind Connection (AWC), HVDC магистральная линия длиной 350 миль от Sayreville NJ до Virginia Beach передаёт от 6000 до 7000 MВт мощности от парковой ветроэлектростанции в общую сеть (в процессе строительства).

А если кто то спросит: «что случится если ветер перестанет дуть?», то мы всегда можем ответить, что ветер всегда дует где-нибудь, мы только должны перебросить энергию туда где она необходима. И сделать это можно с помощью линий HVDC [9].

Источник



Передача электроэнергии — распространенные способы и альтернативные варианты

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

Высокое напряжение, как способ уменьшения потерь

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

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

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

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

Классификация линий электропередач

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

  1. Конструктивные особенности линий, осуществляющих передачу электроэнергии. В зависимости от исполнения они могут быть двух видов:
  • Воздушными. Передача электричества осуществляется с использованием проводов, которые подвешиваются на опоры. Воздушные линии электропередачВоздушные линии электропередач
  • Кабельными. Такой способ монтажа подразумевает укладку кабельных линий непосредственно в грунт или в специально предназначенные для этой цели инженерные системы. Обустройство блочной кабельной канализацииОбустройство блочной кабельной канализации
  1. Вольтаж. В зависимости от величины напряжения ЛЭП принято классифицировать на следующие виды:
  • Низковольтные, к таковым относятся все ВЛ с напряжением не более 1-го кВ.
  • Средние – от 1-го до 35-ти кВ.
  • Высоковольтные – 110,0-220,0 кВ.
  • Сверхвысоковольтные – 330,0-750,0 кВ.
  • Ультравысоковольтные — более 750-ти кВ. Ультравысоковольтная ЛЭП Экибастуз-Кокчетав 1150 кВУльтравысоковольтная ЛЭП Экибастуз-Кокчетав 1150 кВ
  1. Разделение по типу тока при передаче электричества, он может быть переменным и постоянным. Первый вариант более распространен, поскольку электростанции, как правило, оборудованы генераторами переменного тока. Но для уменьшения нагрузочных потерь энергии, особенно на большой дальности передачи, более эффективен второй вариант. Как организованы схемы передачи электричества в обоих случаях, а также преимущества каждого из них, будет рассказано ниже.
  2. Классификация в зависимости от назначения. Для этой цели приняты следующие категории:
  • Линии от 500,0 кВ для сверхдальних расстояний. Такие ВЛ связывают между собой отдельные энергетические системы.
  • ЛЭП магистрального назначения (220,0-330,0 кВ). При помощи таких линий осуществляется передача электричества, вырабатываемого на мощных ГЭС, тепловых и атомных электростанциях, а также их объединения в единую энергосистему.
  • ЛЭП 35-150 кВ относятся к распределительным. Они служат для снабжения электроэнергией крупных промышленных площадок, подключения районных распределительных пунктов и т.д.
  • ЛЭП с напряжением до 20,0 кВ, служат для подключения групп потребителей к электрической сети.

Способы передачи электроэнергии

Осуществить передачу электроэнергии можно двумя способами:

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

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

Технологии беспроводной передачи электричества

Технологии беспроводной передачи электричества

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

Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя

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

Пример наиболее распространенных конфигураций ЛЭП

Пример наиболее распространенных конфигураций ЛЭП

Обозначения:

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

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

Схемы передачи электроэнергии к потребителям при использовании ЛЭП с переменным (А) и постоянным (В) током

Рис. 6. Схемы передачи электроэнергии к потребителям при использовании ЛЭП с переменным (А) и постоянным (В) током

Обозначения:

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

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

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

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

Наглядный пример структурной схемы электроснабжения

Наглядный пример структурной схемы электроснабжения

Обозначения:

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

Передача электроэнергии на дальние расстояния

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

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

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

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

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

Постоянный ток в качестве альтернативы

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

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

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

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

Кратко о свехпроводимости.

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

Источник