Меню

Проект линии постоянного тока

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

Преимущества высоковольтных ЛЭП постоянного тока по сравнению с ЛЭП переменного тока

Ставшие традиционными, высоковольтные линии электропередачи, сегодня функционируют неизменно используя переменный ток. Но задумывались ли вы о преимуществах, которые может дать высоковольтная ЛЭП постоянного тока в сравнении с ЛЭП тока переменного? Да, речь именно о высоковольтных ЛЭП постоянного тока (HVDC Power Transmission).

Безусловно, для формирования высоковольтной линии постоянного тока необходимы прежде всего преобразователи, которые делали бы из переменного тока постоянный, а из постоянного — переменный. Такие инверторы и конвертеры дороги, как и запчасти к ним, имеют ограничения по перегрузке, к тому же для каждой линии устройство должно быть без преувеличения уникальным. На малых же расстояниях потери мощности в преобразователях делают такую ЛЭП вообще невыгодной.

Но в каких же применениях предпочтительней будет именно постоянный ток? Почему высокое напряжение при переменном токе иногда оказывается не достаточно эффективным? И наконец, применяются ли где-нибудь уже высоковольтные ЛЭП постоянного тока? На эти вопросы и попробуем получить ответы.

Преимущества высоковольтных ЛЭП постоянного тока по сравнению с ЛЭП переменного тока

За примерами далеко ходить не надо. Электрический кабель, проложенный по дну Балтийского моря между двумя странами-соседями, Германией и Швецией, имеет длину 250 метров, и будь ток переменным, то емкостное сопротивление внесло бы значительные потери. Или при поставке электроэнергии к отдаленным районам, когда нет возможности установить промежуточное оборудование. Здесь тоже постоянный ток высокого напряжения вызовет меньше потерь.

Читайте также:  Вторичная нагрузка измерительного трансформатора тока

А что если потребуется повысить мощность имеющейся линии без прокладки дополнительной? А на случай электроснабжения систем распределения переменного тока, которые между собой не синхронизированы?

Между тем, при конкретной передаваемой для постоянного тока мощности, при высоком напряжении, нужно меньшее сечение провода, а вышки могут быть ниже. Например, канадская двухполюсная ЛЭП «Nelson River Bipole» соединяет распределительную сеть и удаленную электростанцию.

Кабель постоянного тока

Электрические сети переменного тока можно стабилизировать без возрастания опасности КЗ. Коронные разряды, порождающие потери в линиях переменного тока из-за пиков сверхвысокого напряжения, при постоянном токе значительно меньше, соответственно, меньше выделяется вредного озона. Опять же снижение расходов на сооружение ЛЭП, например для трех фаз необходимо три провода, а для HVDC — всего два. И снова максимум преимуществ для подводных кабелей — не только меньше материалов, но и меньше емкостных потерь.

Фирма AAB с 1997 года осуществляет установки линий HVDC Light мощностью до 1,2 ГВт при напряжении до 500 кВ. Так, между сетями Великобритании и Ирландии возведено соединение с номиналом по мощности в 500 МВт.

Данное соединение улучшает безопасность и надежность при поставке электроэнергии между сетями. Пролегая с запада на восток, один из кабелей сети имеет длину 262 километра, причем 71% длины кабеля находится на дне моря.

Линия электропередачи постоянного тока

Еще раз вспомним, что если бы переменный ток расходовался на перезарядку емкости кабеля, появились бы лишние потери мощности, а поскольку ток применяется постоянный, то и потери мизерны. Кроме того, потери в диэлектрике при переменном токе также не стоит упускать из виду.

В общем виде, на постоянном токе большую мощность можно передать через один и тот же проводник, поскольку пики напряжения при той же мощности, но при переменном токе, выше, к тому же изоляция должна бы быть толще, сечение больше, расстояние между проводами больше и т. д. Учитывая все эти факторы, коридор ЛЭП постоянного тока обеспечивает более плотную передачу электрической энергии.

Высоковольтные линии электропередачи постоянного тока (HVDC)

Высоковольтные линии постоянного тока не создают вокруг себя низкочастотного переменного магнитного поля, как это типично для ЛЭП переменного тока. Некоторые ученые говорят о вреде этого переменного магнитного поля для здоровья человека, для растений, для животных. Постоянный ток, в свою очередь, создает лишь постоянный (не переменный) градиент поля электрического в пространстве между проводом и землей, а это безопасно как для здоровья людей, так и для животных, и для растений.

Стабильности систем переменного тока способствует постоянный ток. Благодаря высокому напряжению и постоянному току, можно передавать энергию между системами переменного тока, которые не синхронизированы между собой. Так предотвращается распространение каскадных отказов. При некритичных же отказах, энергия просто движется в систему либо из системы.

Это способствует еще большему внедрению высоковольтных сетей постоянного тока, порождая новые основания.

Преобразовательная подстанция Siemens для линии передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC)

Преобразовательная подстанция Siemens для линии передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) между Францией и Испанией

Схема современной линии HVDC

Схема современной линии HVDC

Регулировку потока энергии осуществляет система управления либо преобразовательная станция. Поток не связан с режимом работы подключенных к линии систем.

Межсистемные связи на линиях постоянного тока обладают сколь угодно малой емкостью передачи, в сравнении с линиями переменного тока, и проблема слабых связей устраняется. Сами же линии могут разрабатываться с учетом оптимизации потоков энергии.

К тому же пропадают трудности синхронизации нескольких разных систем управления операциями отдельных энергетических систем. Быстрые аварийные контроллеры на линиях электропередачи постоянного тока повышают надежность и стабильность общей сети. Регулировка потока энергии может гасить колебания в параллельных линиях.

Названные преимущества помогут развить внедрение соединений на базе постоянного тока высокого напряжения с целью разбить крупные энергетические системы на несколько частей, которые между собой синхронизируемы.

Высоковольтная линия постоянного тока

Например, в Индии построено несколько региональных систем, которые между собой соединены высоковольтными линиями постоянного тока. Присутствует там и цепочка преобразователей, управляемая из специального центра.

Так же и в Китае. В 2010 году ABB построила в Китае первый в мире сверхвысокого напряжения постоянного тока 800 кВ в Китае. Линия сверхвысокого напряжения постоянного тока Чжундун – Ваннань на 1100 кВ, протяженностью 3400 км и мощностью 12 ГВт была завершена в 2018 году.

По состоянию на 2020 год было завершено строительство как минимум тринадцати линий сверхвысокого напряжения постоянного тока в Китае . Линии HVDC передают большие мощности на значительные расстояния, причем к каждой линии подключено несколько поставщиков электроэнергии.

Как правило, разработчики высоковольтных ЛЭП постоянного тока не предоставляют широкой публике информацию о стоимости своих проектов, поскольку это коммерческая тайна. Тем не менее, особенности проектов вносят свои коррективы, и стоимость варьируется в зависимости от: мощности, длины кабелей, способа прокладки, стоимости земли и т. д.

Экономически сопоставляя все аспекты, принимают решение о целесообразности возведения линии HVDC. Так например, возведение четырехлинейной ЛЭП между Францией и Англией, мощностью 8ГВт, вместе с береговыми работами потребовало примерно миллиард фунтов.

Список значимых проектов высоковольтных линий постоянного тока (HVDC) прошлого

В 1880-х годах шла так назваемая война токов между сторонниками сети постоянного тока, такими как Томас Эдисон, и сторонниками сети переменного тока, такими как Никола Тесла и Джордж Вестингауз. Постоянный ток выдержал 10 лет, но быстрое развитие силовых трансформаторов, необходимых для повышения напряжения и, таким образом, ограничения потерь, привело к распространению сетей переменного тока. Только с развитием силовой электроники стало возможным использование постоянного тока высокого напряжения.

Технология HVDC появилась в 1930-х годах XX века. Она был разработана ASEA в Швеции и Германии. Первая линия HVDC была построена в Советском Союзе в 1951 году между Москвой и Каширой. Затем в 1954 году была построена еще одна линия между островом Готланд и континентальной Швецией.

Москва — Кашира (СССР) — длина 112 км, напряжение — 200 кВ, мощность — 30 МВт, год постройки — 1951. Считается первой в мире полностью статической электронной высоковольтной линией постоянного тока, введённой в эксплуатацию. В настоящее время линия не существует.

Готланд 1 (Швеция) — длина 98 км, напряжение — 200 кВ, мощность — 20 МВт, год постройки — 1954. Первое в мире коммерческое соединение HVDC. Расширен компанией ABB в 1970 г., выведен из эксплуатации в 1986 г.

Волгоград — Донбасс (СССР) — длина 400 км, напряжение — 800 кВ, мощность — 750 МВт, год постройки — 1965. Первая очередь линии электропередачи постоянного тока 800 кВ Волгоград — Донбасс была введена в действие в 1961-м году, что в прессе того времени омечалось, как очень важный этап в техническом развитии советской энергетики. В настоящее время линия разобрана.

Испытание высоковольтных выпрямителей

Испытание высоковольтных выпрямителей для линии постоянного тока в лаборатории ВЭИ, 1961 год

Схема высоковольтной линии постоянного тока Волгоград — Донбасс

HVDC между островами Новой Зеландии — длина 611 км, напряжение — 270 кВ, мощность — 600 МВт, год постройки — 1965. С 1992-го года реконструирована А BB . Напряжение 350 кВ.

С 1977 года все системы HVDC были построены с использованием твердотельных компонентов, в большинстве случаев тиристоров, с конца 90-х годов начали применятся преобразователи на IGBT-транзисторах.

Инверторы на IGBT-транзисторах на преобразовательной подстанции

Инверторы на IGBT-транзисторах на преобразовательной подстанции Siemens для линии передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) между Францией и Испанией

Кахора Басса (Мозамбик — ЮАР) — длина 1420 км, напряжение 533 кВ, мощность — 1920 МВт, год постройки 1979. Первый HVDC с напряжением выше 500 кВ. Ремонт ABB 2013-2014 гг.

Экибастуз – Тамбов (СССР) — длина 2414 км, напряжение — 750 кВ, мощность — 6000 МВт. Начало реализации проекта — 1981 год. После запука в работу это была бы самая длинная ЛЭП в мире. Строительные площадки заброшены примерно в 1990 году из-за распада Советского Союза, линия так и не была завершена.

Interconnexion France Angleterre (Франция — Великобритания) — длина 72 км, напряжение 270 кВ, мощность — 2000 МВт, год постройки 1986.

Гэчжоуба — Шанхай (Китай) — 1046 км, 500 кВ, мощность 1200 МВт, 1989 г.

Риханд-Дели (Индия) — длина 814 км, напряжение — 500 кВ, мощность — 1500 МВт, год постройки — 1990.

Балтийский кабель (Германия — Швеция) — длина 252 км, напряжение — 450 кВ, мощность — 600 МВт, год постройки — 1994.

Тянь-Гуан (Китай) — длина 960 км, напряжение — 500 кВ, мощность — 1800 МВт, год постройки — 2001.

Талчер-Колар (Индия) — длина 1450 км, напряжение — 500 кВ, мощность — 2500 МВт, год постройки — 2003.

Три ущелья — Чанчжоу (Китай) — длина 890 км, напряжение — 500 кВ, мощность — 3000 МВт, год постройки — 2003. В 2004-м и в 2006-м от гидроэлектростанции «Три ущелья» было построено еще 2 линии HVDC на Хуэйчжоу и Шанхай дляной 940 и 1060 км.

Гидроэлектростанция Три ущелья

Самая крупная гидроэлектростанция в мире «Три ущелья» соединена с Чанчжоу, Гуандуном и Шанхаем посредством высоковольтных линий постоянного тока

Сянцзяба-Шанхай (Китай) — линия из Фулуна в Фэнся. Длина 1480 км, напряжение — 800 кВ, мощность — 6400 МВт, год постройки — 2010.

Юньнань — Гуандун (Китай) — длина 1418 км, напряжение — 800 кВ, мощность — 5000 МВт, год постройки — 2010.

Источник

Плюс и минус

Сегодня во всём мире растёт интерес к линиям электропередачи на постоянном токе (ЛЭП ПТ), которые в ряде случаев обладают заметными техническими и экономическими преимуществами по отношению к линиям электропередачи переменного тока той же мощности.

Переход на постоянный ток выгоден по многим причинам. Затраты на строительство самих линий снижаются — замена трёх фаз на два полюса позволяет резко сократить стоимость проводов или кабелей. В случае воздушных линий опоры конструктивно проще и легче, а трасса линии — уже. Также заметно снижается расход строительных и конструкционных материалов. Однако преобразовательные подстанции ЛЭП ПТ сложнее и дороже подстанций ЛЭП переменного тока, поскольку содержат много дополнительного оборудования. Это мощные преобразовательные установки со своими системами регулирования, защиты, сигнализации, охлаждения и т. д. Также на подстанциях должны быть синхронные компенсаторы или мощные батареи конденсаторов для компенсации реактивной мощности, потребляемой самими преобразователями. Там же монтируются фильтры высших гармоник, сглаживающие реакторы и другое оборудование.

Читайте также:  Какие бывают направления тока

Точка невозврата

Существует понятие критической длины линии. Это длина, при которой суммарная стоимость решений на постоянном и переменном токе (подстанции плюс линия) одинакова. При длине линии больше критической экономически выгоднее строить ЛЭП ПТ. По данным Всероссийского электротехнического института (ВЭИ), критическая длина воздушной линии, в зависимости от передаваемой мощности и конкретных географических условий, составляет 600-800 км, кабельной — 30-50 км.

В некоторых случаях постоянный ток оказывается безальтернативным вариантом. Например, если нужно соединить две системы переменного тока, работающие асинхронно или имеющие разные частоты (50 и 60 Гц). В таких случаях используют вставки постоянного тока.

Также отметим, что мощность и длина линии переменного тока ограничиваются эффектами статической и динамической неустойчивости, а мощность и длина ЛЭП ПТ — только параметрами преобразовательного оборудования. Более того, постоянный ток облегчает работу системного оператора: передаваемую по ЛЭП ПТ мощность можно регулировать очень быстро и практически от нуля до максимума.

ЛЭП ПТ также снижают вероятность серьёзных системных аварий и облегчают послеаварийное восстановление сетей. Если при повреждении провода одной фазы линия переменного тока отключается целиком, то при повреждении провода одного из полюсов ЛЭП ПТ по проводу другого полюса можно передавать половинную мощность. Земля заменяет повреждённый провод. Подобный режим, допустимый лишь ограниченное время, обычно позволяет сохранить энергоснабжение потребителей первой категории.

Поле для внедрения

В современных крупных городах, где возможности строительства новых воздушных линий ограничены, используются «глубокие вводы» на кабелях постоянного тока. Подводные кабельные линии, работающие на постоянном токе, могут иметь длину до 500 км. Подобные решения на переменном токе невозможны в принципе из-за повышенной реактивной составляющей кабельной линии.

Конечно же, перспективы применения ЛЭП ПТ зависят от общей конфигурации энергосистемы. В 1960-х годах в СССР сложилась такая ситуация, что основные энергетические ресурсы страны размещались за Уралом, а центры электрической нагрузки — в Европейской части страны. Нужно было перебрасывать большие мощности на огромные расстояния. На тот момент уже были отработаны методы разработки и технологии строительства классических ЛЭП ПТ с высоковольтными ртутными и тиристорными преобразователями напряжения.

В середине 1960 гг. в СССР была разработана государственная программа, конечной целью которой было создание сверхмощной (6 ГВт) линии электропередачи постоянного тока Экибастуз — Центр напряжением 1500 кВ (±750 кВ относительно земли). В проекте линии длиной 2400 км (она должна была стать крупнейшей в мире) предполагалось на начальной стадии для преобразования напряжения использовать высоковольтные ртутные вентили.

В 1966 г. Совет Министров СССР выпустил постановление о проведении НИОКР в области создания сверхдлинных ЛЭП постоянного тока. Головным предприятием по разработке комплексного электротехнического оборудования для ЛЭП ПТ напряжением 1500 кВ был назначен Всесоюзный электротехнический институт. В то время ВЭИ занимал лидирующие позиции в стране и мире в области мощных ртутных вентилей и электронных вакуумных устройств.

Однако уже в 1970 г. в связи с быстрым развитием полупроводниковой преобразовательной техники было принято решение прекратить разработку новых мощных ртутных вентилей и в дальнейшем ориентироваться на тиристорные силовые приборы.

Наращивая напряжение

С 1970 по 1980 гг. в стране разрабатывались комплексы электрооборудования для ультравысоковольтных ЛЭП переменного тока напряжением 1150 кВ и постоянного тока 1500 кВ (±750 кВ). Практическая реализация проектов была запущена 30 апреля 1981 г. совместным Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 412. Это постановление предписывало Министерству энергетики и электрификации СССР построить и ввести в действие в 1981-1990 гг. ЛЭП переменного тока напряжением 1150 кВ Экибастуз — Кокчетав — Кустанай — Челябинск (1272 км), Сургут — Урал (500 км), Итат — Новокузнецк (272 км), Новокузнецк — Западно-Сибирская — Экибастуз (950 км), а также уже упомянутую ЛЭП ПТ Экибастуз — Центр. Её назначение — передача энергии от Экибастузских ГРЭС в энергосистему Центра для покрытия дефицита мощности в этом районе. Кроме того, ставилась задача построить линии электропередачи переменного тока напряжением 500 кВ (с подстанциями) общей протяжённостью около 2 тыс. км, необходимые для распределения электрической энергии от подстанций с напряжениями 1150 и 1500 кВ.

Проект ЛЭП ПТ Экибастуз — Центр разрабатывали три организации: «Энергосетьпроект» (ведущий проектировщик), ВЭИ (разработчик электротехнического оборудования) и Научно-исследовательский институт постоянного тока (разработчик технических требований к оборудованию).

Согласно проекту, выпрямительная подстанция располагалась в Экибастузе, инверторная — в Тамбове. Для ЛЭП Экибастуз — Центр были разработаны, изготовлены, испытаны и частично поставлены на первую очередь преобразовательных подстанций (одна ветвь мощностью 1500 МВт) уникальные высоковольтные тиристорные вентили, однофазные двухобмоточные преобразовательные трансформаторы мощностью 320 МВА на классы напряжения ±400 и ±750 кВ, линейные реакторы на класс напряжения ±750 кВ, серия унифицированных разрядников, аппаратура систем управления, регулирования, защиты и автоматики ЛЭП и другое электрооборудование.

Ввод линии постоянного тока в эксплуатацию, перенесённый на 1992-1995 гг., не состоялся из-за распада СССР. К 1991 г. была построена воздушная ЛЭП длиной почти 1000 км, на преобразовательных подстанциях начался было монтаж электрооборудования, но вскоре все работы были прекращены. Электрооборудование было разобрано, ЛЭП — демонтирована и сдана в металлолом.

О грандиозном советском проекте сегодня напоминают лишь оставшиеся кое-где отдельные конструкции. Например, в районе Вольска (Саратовская область) гигантские 124-метровые опоры, установленные для пересечения Волги, несут провода 500-киловольтной ЛЭП переменного тока Балаковская АЭС — Курдюм — Фролово.

По данным специалистов ВЭИ, электрооборудование для линий постоянного тока напряжением 1500 кВ, созданное в СССР, опередило зарубежные разработки примерно на 20 лет. Первая ЛЭП подобного класса (±800 кВ) была запущена в эксплуатацию в Китае только в 2010 г.

Источник



Высокотемпературные сверхпроводящие кабельные линии постоянного тока – шаг к умным электросетям

В. Е. Сытников, доктор техн. наук, заместитель научного руководителя, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

Т. В. Рябин, заместитель генерального директора, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»;

Д. В. Сорокин, канд. техн. наук, начальник Центра системных исследований и разработок ИЭС ААС, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

Электроэнергетика XXI века должна обеспечивать высокую эффективность выработки, транспортировки и потребления энергии. Этого можно достичь путем повышения требований к управляемости энергосистемы, а также к экологическим и ресурсосберегающим характеристикам на всех этапах производства и распределения электроэнергии. Использование сверхпроводниковых технологий позволяет перейти на качественно новый интеллектуальный уровень функционирования данной отрасли. ПАО «ФСК ЕЭС» была принята программа НИОКР, включающая создание высокотемпературных сверхпроводящих кабельных линий (далее – ВТСП КЛ) переменного и постоянного тока 1 .

В большинстве промышленно развитых стран мира ведутся интенсивные исследования и разработка новых видов электротехнических устройств на основе сверхпроводников. Интерес к данным разработкам особенно усилился в последние годы в связи с открытием высокотемпературных сверхпроводников (далее – ВТСП), не требующих сложных и дорогих охлаждающих приборов.

Перспективы внедрения сверхпроводящих кабелей

Именно силовые сверхпроводящие кабели являются наиболее разработанным и продвинутым способом применения сверхпроводимости в электроэнергетике в настоящее время [1, 2]. Основными преимуществами сверхпроводящих кабелей являются:

ВТСП КЛ постоянного и переменного тока – инновационная разработка, позволяющая решить значительную часть проблем электрических сетей. Однако при использовании ВТСП КЛ постоянного тока линия становится управляемым элементом сети, регулирующим потоки передаваемой энергии вплоть до реверса передачи. ВТСП КЛ постоянного тока имеют ряд дополнительных преимуществ по сравнению с линиями переменного тока:

  • ограничение токов короткого замыкания, что позволяет соединить по низкой стороне отдельные секторы энергосистемы без увеличения токов короткого замыкания;
  • повышение устойчивости сети и предотвращение каскадных отключений потребителей за счет взаимного резервирования энергорайонов;
  • регулирование распределения потоков мощности в параллельных линиях;
  • передача мощности с минимальными потерями в кабеле и, как следствие, снижение требований к криогенной системе;
  • возможность связи несинхронизированных энергосистем.

В электрических сетях возможно создание схемы с применением как ВТСП КЛ переменного, так и линий постоянного тока. Обе системы имеют свои предпочтительные области применения, и в конечном итоге выбор определяется как техническими, так и экономическими соображениями.

Сверхпроводящие вставки между подстанциями в мегаполисах

Энергетические сети мегаполисов являются динамично развивающейся структурой, которая имеет следующие особенности:

  • быстрый рост потребления энергии, что обычно превышает средний темп роста потребления по всей стране;
  • высокая плотность энергопотребления;
  • наличие дефицитных по энергообеспечению районов;
  • высокая степень разветвленности распределительных электрических сетей, что обусловлено необходимостью многократного дублирования линий электроснабжения потребителей;
  • секционирование электрической сети с целью уменьшения токов короткого замыкания.

Все эти факторы определяют основные проблемы в сетях городских агломераций:

  • высокий уровень потерь электроэнергии в распределительных сетях;
  • высокие уровни токов короткого замыкания, значения которых в некоторых случаях превосходят отключающую способность коммутационного оборудования;
  • низкий уровень управляемости.

При этом загрузка подстанций в городе очень неравномерна. Во многих случаях трансформаторы подстанций загружены только на 30–60 %. Как правило, подстанции глубокого ввода в городах запитываются по отдельным линиям высокого напряжения. Соединение подстанций на стороне среднего напряжения может обеспечить взаимное резервирование энергорайонов и высвободить резервные трансформаторные мощности, что в конечном итоге приведет к снижению потерь энергии в сети. Кроме того, такой тип подключения позволяет использовать высвободившиеся мощности для подключения дополнительной нагрузки без необходимости ввода в эксплуатацию новых трансформаторов или строительства новых подстанций и линий электропередачи [3–5].

Читайте также:  Установка конденсатора в цепь постоянного тока

При наличии вставки (рис. 1) три трансформатора полностью обеспечат электроэнергией присоединенных потребителей при загрузке не более 80 %. Четвертый трансформатор и питающая его линия могут быть выведены в оперативный резерв, что приведет к снижению потерь энергии. Также они могут использоваться для подключения дополнительных потребителей. Такая вставка может быть выполнена как по традиционным технологиям, так и с использованием сверхпроводящих кабельных линий.

Основной проблемой при реализации такой схемы является тот факт, что прямое соединение подстанций приведет к существенному увеличению тока короткого замыкания. Данная схема станет работоспособной только в случае, если вставка будет выполнять две функции: передачу мощности и ограничение токов короткого замыкания. Следовательно, при передаче больших потоков энергии на распределительном напряжении сверхпроводящие линии имеют неоспоримые преимущества.

Решение задачи создания вставки сулит большие перспективы по совершенствованию систем электроснабжения мегаполисов. В настоящее время в мире осуществляются три крупных научных проекта, имеющих целью передачу высокой мощности на среднем напряжении между двумя подстанциями при одновременном ограничении токов короткого замыкания: проект HYDRA, Нью-Йорк, США; проект AmpaCity, Эссен, Германия 2 ; проект «Санкт-Петербург», Россия [3, 6]. На последнем проекте остановимся подробнее.

Российская ВТСП КЛ постоянного тока

Цель проекта «Санкт-Петербург» – разработка и установка сверхпроводящей линии постоянного тока мощностью 50 МВт между двумя городскими подстанциями с целью повышения надежности электроснабжения потребителей и ограничения тока короткого замыкания в городской сети Северной столицы. Проект предусматривает монтаж кабельных линий между подстанцией 330/20 кВ «Центральная» и подстанцией 220/20 кВ РП 9 (рис. 2). Сверхпроводящая линия постоянного тока свяжет две подстанции на стороне среднего напряжения 20 кВ. Длина линии – 2 500 м, а передаваемая мощность – 50 МВт. В петербургском проекте функции передачи мощности и ограничения токов короткого замыкания разделены между кабелем и преобразователями при их соответствующей настройке. Сверхпроводящий кабель постоянного тока, в отличие от кабеля переменного тока, не имеет потерь энергии, что существенно снижает требования к мощности криогенной установки. Однако при данной схеме возникают дополнительные потери энергии в преобразователях. Линия постоянного тока является активным элементом сети и позволяет управлять энергетическими потоками в прилегающих линиях как по направлению, так и по мощности передачи.

Влияние проекта на электрические режимы

В энергорайоне ПС 330 кВ «Центральная» и ПС 220 кВ РП 9 (далее – Центральная/РП 9) возможно возникновение ряда послеаварийных режимов, обусловленных аварийным отключением линий электропередачи и связанных с нарушением электроснабжения потребителей (выделением энергорайонов на изолированную нагрузку).

Расчеты показали, что резервирование электроснабжения потребителей за счет строительства и ввода в эксплуатацию линии электропередачи переменного тока (традиционной кабельной или воздушной линии электропередачи) Центральная/РП 9 невозможно, так как это повышает тяжесть послеаварийных режимов. Избежать этого можно за счет ввода в эксплуатацию управляемой передачи постоянного тока с ВТСП КЛ постоянного тока.

Управление величиной и направлением потока мощности ВТСП КЛ постоянного тока позволяет также обеспечить возможность:

  • снижения потерь активной мощности в электрических сетях (за счет перераспределения и ликвидации транзитных потоков мощности);
  • подключения новых потребителей на базе существующей электросетевой инфраструктуры (за счет перераспределения потоков мощности и снятия токовых перегрузок электрических сетей в нормальных эксплуатационных и послеаварийных режимах энергосистем).

Влияние проекта на уровень токов короткого замыкания

Расчеты токов короткого замыкания выполнены 3 для случая ввода в схему традиционной кабельной линии переменного тока, а также ВТСП КЛ постоянного тока. По результатам расчетов (табл. 1) приходим к выводу, что включение в схему электроснабжения Санкт-Петербурга кабельной линии переменного тока Центральная/РП 9 приводит к росту величины тока короткого замыкания выше уровня номинального тока отключения выключателей. Это означает, что потребуется реализация дополнительных токоограничивающих мероприятий или замена коммутационных аппаратов на подстанциях. Применение же ВСТП КЛ постоянного тока (таб. 3) не приводит к увеличению токов короткого замыкания в энергосистеме.

Оценка потерь энергии в сверхпроводящих линиях

В линиях переменного тока среднего напряжения потери электрической энергии возникают в самом кабеле, электрической изоляции и токовых вводах. В линии постоянного тока потери энергии в кабеле и изоляции отсутствуют, однако они есть в преобразовательных устройствах, токовых вводах. Кроме того, криогенная система потребляет электроэнергию для компенсации всех теплопритоков в холодную зону и для прокачки хладагента по всей трассе.

Для трехфазной линии переменного тока среднего напряжения на передаваемую мощность 100 МВА потери энергии на фазу складываются из следующих величин:

  • электромагнитные потери в жиле кабеля – 1,0–1,5 Вт/м;
  • теплопритоки через криостат – 1,5 Вт/м;
  • теплопритоки через токовводы – (200–300 Вт) x 2;
  • потери энергии в изоляции – порядка 0,1 Вт/м.

Общие теплопритоки в холодную зону при длине трехфазной линии 10 км составят 78,5–93,5 кВт. Умножая эту величину на типичное значение коэффициента рефрижерации, равное 20, получим 1,57–1,87 МВА, или менее 2% от передаваемой мощности.

Для аналогичной линии постоянного тока теплоприток в холодную зону ограничивается только теплопритоками через криостат и токовводы. Тогда общие потери энергии в кабеле длиной 10 км с учетом криогенной системы составят 0,31 МВА, или 0,31 % от передаваемой мощности.

Для оценки общих потерь в линии постоянного тока следует прибавить потери в преобразователях – 2% от передаваемой мощности. Итоговые потери в ВТСП КЛ постоянного тока длиной 10 км на передаваемую мощность 100 МВт оцениваются величиной не более 2,5 % от передаваемой мощности.

Приведенные оценки показывают, что потери энергии в сверхпроводящих кабельных линиях существенно меньше, чем в традиционных кабельных линиях. При увеличении передаваемой мощности процент потерь энергии снижается. При сегодняшнем уровне характеристик материалов возможна передача энергии 150–300 МВт при напряжении 20 кВ и до 1 000 МВт при 110 кВ.

Возможности внедрения

Успешные испытания ВТСП КЛ постоянного и переменного [7] токов продемонстрировали высокую эффективность сверхпроводящих линий.

Одним из основных преимуществ сверхпроводящих кабельных линий является возможность передачи больших потоков энергии (сотни мегаватт) на распределительном напряжении. Эти открывшиеся новые возможности целесообразно учитывать и использовать при проектировании или кардинальной реконструкции сетевых объектов.

Например, при реконструкции/создании энергосистемы Новой Москвы целесообразно было бы предусмотреть создание продольных мощных сверхпроводящих линий, а несколько мощных подстанций связать в кольцевую структуру сверхпроводящими линиями постоянного тока на стороне среднего напряжения. Это позволит существенно повысить энергоэффективность сети, уменьшить количество базовых подстанций, обеспечить высокую управляемость энергопотоками и в конечном счете увеличить надежность энергоснабжения потребителей. Такая сеть может стать реальным прообразом умной сети будущего.

Литература

  1. Глебов И. А., Черноплеков Н. А., Альтов В. А. Сверхпроводниковые технологии – новый этап в развитии электротехники и энергетики // Сверхпроводимость: исследования и разработки. 2002. № 41.
  2. Сытников В. Е. Сверхпроводящие кабели и перспективы их использования в энергетических системах XXI века // Сверхпроводимость: исследования и разработки. 2011. № 15.
  3. EPRI. Superconducting Power Equipment Technology Watch 2012. Palo Alto, CA, USA, 2012.
  4. Stemmle M., Merschel R, Noe M. Physics Procedia 36 (2012).
  5. Сытников В. E., Копылов С. И., Шакарян Ю. Г., Кривецкий И. В. ВТСП передача постоянного тока как элемент «интеллектуальной сети» крупных городов. Материалы 1-й Национальной конференции по прикладной сверхпроводимости. М. : НИЦ «Курчатовский институт», 2013.
  6. Kopylov S., Sytnikov V., Bemert S. et. al. // Journal Physics.: Conference. Series. 2014. V. 507. P. 032047.
  7. Волков Э. П., Высоцкий B. C., Kapпышев A. B., Костюк В. В., Сытников В. Е., Фирсов В. П. Создание первого в России сверхпроводящего кабеля с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимости. Сборник статей РАН «Инновационные технологии в энергетике» под ред. Э. П. Волкова и В. В. Костюка. М. : Наука, 2010.

1 Основное внимание в статье уделено результатам испытаний и перспективам широкого внедрения в электроэнергетику ВТСП кабельных линий постоянного тока.

2 1. Проект HYDRA, Нью-Йорк, США [1, 6]. Цель проекта – разработка и установка сверхпроводящей кабельной линии переменного тока между двумя городскими подстанциями в Нью-Йорке. Линия должна обеспечивать связь с высокой пропускной способностью (96 МВА) между подстанциями на стороне вторичной обмотки трансформаторов (13,8 кВ). Кабельная система будет иметь способность ограничивать ток короткого замыкания за счет быстрого перехода в нормально проводящее состояние ВТСП лент второго поколения. За счет этого обеспечивается низкое значение сопротивления линии в номинальном режиме (сверхпроводящее состояние линии) и переход в состояние с высоким сопротивлением при перегрузке по току.
В проекте HYDRA сочетаются функции передачи большой мощности и ограничения тока в одном устройстве – сверхпроводящем кабеле специальной конструкции. Это делает чрезвычайно сложной задачу оптимизации кабеля с учетом возможных сетевых режимов, условий охлаждения и прокладки кабеля. Кроме того, технические решения, разработанные для одного проекта, не могут тиражироваться для других в силу различных режимных условий и условий прокладки, а значит, и условий охлаждения кабеля, который периодически должен переходить из сверхпроводящего состояния в нормально проводящее.
2. Проект AmpaCity, Эссен, Германия [2, 7]. Цель проекта – разработка и установка сверхпроводящей передачи переменного тока мощностью 40 МВА между двумя городскими подстанциями. Передача состоит из сверхпроводящего кабеля длиной 1 000 м и токоограничителя на напряжение 10 кВ, включенных последовательно. Эта передача соединяет две подстанции 110/10 кВ Herkules и Dellbrugge в центре города Эссен. Реализация проекта позволит вывести из эксплуатации один трансформатор мощностью 40 МВА и линию 110 кВ.
В проекте AmpaCity функции передачи мощности и ограничения токов короткого замыкания разделены между кабелем и токоограничителем. Это упрощает задачу разработки каждого устройства и позволяет изготавливать кабель с высокой степенью стабилизации, что невозможно в проекте HYDRA. Разумеется, требуется согласование характеристик кабеля и токоограничителя, однако это не является сложной задачей, и разработанные при выполнении проекта технические решения могут тиражироваться при разработке других линий с аналогичными параметрами.

3 Расчеты выполнены на базе применения перспективной схемы энергосистемы Санкт-Петербурга и Ленинградской области на 2020 год.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Источник