Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

 Школа для электрика / Справочник электрика / Полезная информация / Преимущества высоковольтных ЛЭП постоянного тока по сравнению с ЛЭП переменного тока


 

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.

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 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 КитаеЛинии 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

Схема высоковольтной линии постоянного тока Волгоград — Донбасс

Смотрите: Фотографии электротехнических установок и электрооборудованя в СССР 1959 - 1962 гг.

HVDC между островами Новой Зеландии - длина 611 км, напряжение - 270 кВ, мощность - 600 МВт, год постройки - 1965. С 1992-го года реконструирована АBB. 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 преобразоваетли 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.