
- •Предисловие авторов
- •Теоретические основы электротехники
- •1.1. Предмет, основные разделы и понятия теоретических основ электротехники
- •1.2. Электрические цепи: элементы, схемы, законы, классификация
- •1.3. Электромагнитные процессы и режимы электрических цепей. Режим синусоидальных токов
- •1.4. Мощности в цепях синусоидального тока
- •1.5. Трехфазные цепи: фазные и линейные токи, напряжения, мощности
- •1.6. Электрические цепи несинусоидальных токов
- •1.7. Высшие гармоники в трехфазных цепях
- •1.8. Мощности в цепях несинусоидальных токов
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Краткая история электроэнергетики. Электроэнергетические системы
- •2.1. Введение
- •А) различием в моментах появления пика нагрузки обеих энергосистем; это различие может сильно изменяться в различные периоды года;
- •Б) различием в моментах появления недельного, месячного или годового максимума.
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Режимы работы ээс и управление ими
- •Для сетей 35 кВ — при трехфазном коротком замыкании;
- •Для сетей 110—1150 кВ — при двухфазном коротком замыкании на землю.
- •3.4. Средства управления режимами и их функции
- •3.5. Регулирование напряжения в электрических сетях
- •3.6. Регулирование частоты и мощности в энергосистемах
- •Первичное регулирование частоты, обеспечивающее стабильность частоты, т.Е. Удержание отклонений частоты в допустимых рамках при нарушении общего баланса мощности в любой части энергосистемы;
- •Вторичное регулирование, обеспечивающее восстановление нормального уровня частоты и плановых режимов обмена мощностью между частями энергосистемы или регионами;
- •Централизованное регулирование частоты в сочетании с региональным регулированием мощности электростанций;
- •Децентрализованное комплексное регулирование частоты и перетоков мощности.
- •Управляющие вычислительные центры (увц) в цду еэс, оду оэс, цдс ээс, диспетчерские пункты (дп) предприятий электрических сетей (пэс);
- •Автоматизированные системы управления технологическими процессами (асутп) электростанций, энергоблоков электростанций и подстанций;
- •Централизованные и локальные системы автоматического регулирования и управления.
- •3.11. Структура системы противоаварийной автоматики
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Электрические схемы электростанций и подстанций
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Основные требования, предъявляемые к схемам распределительных устройств электроустановок
- •4.5. Схемы, применяемые на высшем и среднем напряжениях
- •4.7. Структурные схемы электрических станций и подстанций
- •4.8. Электроснабжение собственных нужд электростанций и подстанций
- •4.9. Примеры исполнения электрических схем электростанций и подстанций
- •Контрольные вопросы.
- •Литература для самостоятельного изучения.
- •Глава пятая системы электроснабжения
- •5.1. Общая характеристика систем электроснабжения
- •5.2. Основные группы потребителей электроэнергии
- •5.3. Основные условия и задачи формирования систем электроснабжения
- •5.4. Номинальные напряжения электроустановок
- •5.5. Основные типы схем электрических сетей
- •5.6. Режим нейтрали электрических сетей
- •12.7. Конструкции линий, подстанций и их основного электрооборудования
- •5.8. Основные вопросы проектирования и расчетов сэс
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Качество электроэнергии в системах электроснабжения
- •6.1. Качество электрической энергии
- •6.2. Показатели качества электроэнергии
- •6.3. Влияние качества электроэнергии на функционирование технических средств
- •6.4. Технические средства контроля качества электроэнергии
- •6.5. Обеспечение качества электроэнергии
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Электрические машины электростанций
- •7.1. Конструкции синхронных генераторов
- •7.2. Принцип действия синхронных генераторов
- •7.3. Типы турбо- и гидрогенераторов по мощностям и способам охлаждения
- •7.3.1. Турбогенераторы
- •7.3.2. Гидрогенераторы
- •7.4. Системы возбуждения генераторов
- •7.5. Совершенствование изоляции обмоток синхронных генераторов
- •3.6. Характеристики генераторов, работающих на автономную сеть
- •3.7. Включение генераторов на параллельную работу с сетью постоянного напряжения и постоянной частоты
- •7.8. Угловая характеристика. Статическая устойчивость работы генераторов при работе параллельно с сетью бесконечной мощности. V-образные характеристики генераторов
- •7.9. Синхронные двигатели
- •7.10. Синхронные компенсаторы
- •7.11. Синхронные машины продольно-поперечного возбуждения. Асинхронизированные синхронные машины
- •7.12. Асинхронные двигатели
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Трансформаторное оборудование
- •8.1. Общие вопросы
- •4.2. Принцип работы и устройство трансформатора
- •8.3. Автотрансформаторы
- •8.4. Конструкция трансформатора
- •4.5. Изоляция в трансформаторах
- •4.6. Потери и коэффициент полезного действия трансформатора
- •4.7. Структура условного обозначения типа трансформатора
- •А) масляные трансформаторы:
- •Б) трансформаторы с жидким негорючим диэлектриком:
- •В) сухие трансформаторы:
- •8.8. Измерительные трансформаторы
- •4.9. Современное состояние, тенденции развития трансформаторостроения
- •8.10. Реакторы
- •Контрольные вопросы:
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Коммутационные и защитные аппараты высокого напряжения. Силовые конденсаторы
- •9.2. Условия работы аппаратов высокого напряжения и общие требования, предъявляемые к ним
- •9.3. Выключатели высокого напряжения
- •9.3.1. Воздушные выключатели
- •9.3.2. Элегазовые выключатели
- •9.3.3. Масляные выключатели
- •Баковые (многообъемные) масляные выключатели, в которых масло используется для гашения и изоляции токоведущих частей от заземленного бака;
- •Маломасляные (малообъемные) масляные выключатели, в которых масло используется только для гашения дуги и изоляции между разомкнутыми контактами одного полюса.
- •Интенсивное дутье газопаровой смеси в зоне дуги, особенно в момент тока, близкого к нулю;
- •Максимально возможное высокое давление газопаровой смеси в области дуги в конце полупериода тока.
- •9.3.4. Электромагнитные выключатели
- •9.3.5. Вакуумные выключатели
- •9.4. Разъединители, отделители, короткозамыкатели
- •9.5. Комплектные распределительные устройства
- •9.5.1. Комплектные ру 10-35 кВ
- •9.5.2. Герметизированные комплектные ру на основе элегаза (круэ)
- •9.6. Защитные и токоограничивающие аппараты
- •9.7. Силовые конденсаторы
- •9.7.1. Основные характеристики силовых конденсаторов
- •9.7.2. Электротехнические материалы, применяемые в силовых конденсаторах
- •9.7.3. Конструкции и области применения силовых конденсаторов
- •9.8. Перспективы развития коммутационных аппаратов в мире
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Технические средства передачи электроэнергии
- •10.1.Основные понятия и определения
- •Линии открытого типа (воздушные);
- •Линии закрытого типа (кабельные).
- •10.2.Общая характеристика воздушной линии и условий ее работы
- •10.3.Провода и грозозащитные тросы
- •10.4. Классификация опор
- •Одноцепные, которые применяются при сооружении вл любых номинальных напряжений;
- •Двухцепные, которые в России применяются для вл 35—330 кВ, а за рубежом и на линиях 380—500 кВ;
- •10.5. Изоляторы и линейная арматура
- •Стеклянной или фарфоровой изолирующей детали в виде тела вращения с ребрами на нижней поверхности и с внутренней полостью конической или цилиндрической формы;
- •Шапки из ковкого чугуна, в верхней части которой имеется сферическая полость (гнездо), предназначенная для шарнирного сопряжения с другим изолятором;
- •Стержня, нижняя головка которого имеет сферическую поверхность, сопрягаемую с соответствующей поверхностью в гнезде шапки.
- •10.6. Геометрические характеристики
- •Ее токоведущих элементов (проводов) и заземленных частей (траверс и стоек опоры);
- •Проводов и грозозащитных тросов, если последние предусмотрены конструкцией;
- •Проводов в нижней точке их провисания в пролете относительно поверхности земли.
- •10.7. Общая характеристика кабельных линий
- •10.8. Кабельные линии низкого и среднего напряжений
- •10.9. Кабельные линии высокого напряжения
- •10.10. Основные сведения о сооружении кабельных линий
- •10.11. Электрические характеристики линий электропередачи переменного тока
- •10.11.1. Одноцепная транспонированная воздушная линия с нерасщепленной фазой
- •Погонное индуктивное сопротивление
- •Погонная емкостная проводимость
- •Погонная активная проводимость
- •Волновые параметры и натуральная мощность
- •10.11.2. Одноцепная транспонированная воздушная линия с расщепленной фазой
- •Погонное активное сопротивление
- •Погонные активные сопротивления и диаметры сталеалюминиевых проводов облегченного исполнения (по гост 839-80)
- •Волновые параметры и натуральная мощность
- •10.11.3. Двухцепная транспонированная воздушная линия
- •10.11.4. Кабельные линии
- •Погонное активное сопротивление
- •Погонные реактивные параметры
- •Погонная активная проводимость
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Электропередачи и вставки постоянного тока. Управляемые (гибкие) линии переменного тока
- •11.1. Возможные области применения электропередач и вставок постоянного тока
- •11.3. Схемы электропередач и вставок постоянного тока
- •Средним значением тока, протекающим через него за период частоты сети Iср;
- •Максимальным значением напряжения, которое прикладывается к нему как в прямом, так и обратном направлении, когда вентиль закрыт, и которое этот вентиль должен выдержать Uобр max.
- •1) Создает необходимое выпрямительное напряжение Udм, что обеспечивается выбором соответствующего коэффициента трансформации;
- •2) Электрически отделяет цепь выпрямленного тока от сети переменного тока.
- •Регулятор угла α на выпрямителе, исключающий длительную работу последнего при повышенных значениях этого угла, что ведет к увеличению потребления реактивной мощности из сети;
- •Регулятор баланса токов полуцепей, предназначенный для снижения до минимума тока в земле.
- •11.4. Энергетические характеристики преобразователей
- •11.6. Технико-экономические показатели электропередач постоянного тока
- •11.7. Управляемые (гибкие) линии переменного тока
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Силовая электроника
- •12.1. Введение
- •6.2. Силовые электронные ключи
- •На стороне переменного тока;
- •На стороне постоянного тока;
- •Непосредственным управлением ключевыми элементами схемы.
- •Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (непрямые преобразователи);
- •Преобразователи с непосредственной связью питающей сети и цепей нагрузки, которые в литературе иногда называются преобразователями с неявно выраженным звеном постоянного тока.
- •Преобразователи с прямой передачей энергии в нагрузку;
- •Преобразователи с накоплением энергии в промежуточных элементах схемы с последующей передачей в нагрузку. Функции таких накопителей обычно выполняют индуктивные накопители (реакторы).
- •12.4. Применение силовой электроники в электроэнергетике
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Релейная защита
- •13.1. Назначение релейной зашиты. Требования, предъявляемые к релейной защите
- •13.2. Структурная схема рз, подключение рз к защищаемому объекту
- •13.3. Токовые защиты
- •15.4. Дистанционная защита
- •15.5. Продольная дифференциальная токовая защита
- •15.6. Поперечная дифференциальная токовая защита
- •15.7. Направленная защита с высокочастотной блокировкой
- •15.8. Дифференциально-фазная защита
- •15.9. Комплексы релейной защиты
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Электротехнические материалы
- •14.1. Общие положения
- •14.2. Проводниковые материалы
- •14.3. Электроизоляционные материалы
- •14.4. Магнитные материалы
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Техника высоких напряжений (твн)
- •15.1. Предмет техники высоких напряжений (твн)
- •15.2. Механизм нарушения электрической изоляции
- •15.3. Характеристика отдельных видов изоляции
- •15.3.1. Воздушная изоляция
- •15.3.2. Назначение и типы изоляторов
- •15.3.3. Внутренняя изоляция
- •15.4. Электрические воздействия на электрическую изоляцию
- •15.4.1. Грозовые перенапряжения и их ограничение
- •15.4.2, Коммутационные перенапряжения и их ограничение
- •15.5. Испытания изоляции электрооборудования
- •15.5.1. Испытания оборудования в процессе изготовления
- •15.5.2. Профилактические испытания изоляции в эксплуатации
- •15.5.3. Испытательное оборудование
- •15.6. Перспективные направления развития техники высоких напряжений
- •15.6.1. Особенности проектирования изоляции оборудования постоянного тока
- •15.6.2. Особенности проектирования изоляции оборудования ультравысокого напряжения
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения:
- •Сверхпроводимость
- •16.1. Общие сведения
- •16.2. Основные виды сверхпроводникового (сп) оборудования Введение
- •16.2.1. Кабельные линии электропередачи
- •16.2.2. Трансформаторы
- •16.2.3. Ограничители токов кз
- •16.2.4. Индуктивные и кинетические накопители энергии
- •16.2.5. Электрические машины
- •16.3. Ситуация с освоением сп-техники в электроэнергетике России
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Гидроэнергетика и другие возобновляемые источники энергии
- •17.1. Гидроэнергетические ресурсы
- •Напоров — гидравлические в водоводах, бьефах, на неиспользуемых участках водотоков;
- •Расходов — испарение из водохранилищ, фильтрацию, холостые сбросы и т.П.;
- •Энергии в оборудовании.
- •17.4. Регулирование стока реки водохранилищем
- •17.5. Гидроэлектростанции и их энергетическое оборудование
- •Гаэс — в режимах генератора, электродвигателя, синхронного компенсатора и вращающегося резерва.
- •17.6. Мощность гэс и выработка энергии
- •17.7. Гидротехнические сооружения гэс
- •17.8. Гидроаккумулирующие электростанции
- •17.9. Солнечная энергетика
- •По виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии — тепло или электричество;
- •По концентрированию энергии — с концентраторами и без концентраторов;
- •По технической сложности — простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т.П.) и сложные.
- •17.10. Ветроэнергетика
- •По мощности — малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);
- •По числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух-, трех- и многолопастные;
- •По отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока — с горизонтальной осью вращения, параллельной (рис. 17.16) или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис. 17.17).
- •17.11. Геотермальная энергетика
- •Контрольные вопросы
- •Литература для самостоятельного изучения
- •Приложение 1
- •Приложение 2
- •Словарь основных терминов
11.1. Возможные области применения электропередач и вставок постоянного тока
Как известно, в настоящее время для выработки электрической энергии, ее передачи на расстояние, распределения и потребления используется переменный ток. Это объясняется прежде всего способностью переменного тока к трансформации, т.е. изменению напряжения с помощью достаточно простых аппаратов—трансформаторов, а также и тем, что электродвигатели переменного тока по своей конструкции значительно проще и, следовательно, надежнее электродвигателей постоянного тока.
Кроме того, большое значение имеет и тот фактор, что на переменном токе, дважды в период принимающем нулевое значение, возможно создание выключателей, способных отключать большие рабочие токи и токи коротких замыканий. Значения последних могут достигать десятков килоампер при напряжении в сотни киловольт. На постоянном токе создание выключателей высоко напряжения встречает большие трудности, до настоящего времени эта задача полностью не решена.
Благодаря этому переменный ток используется везде и всюду, за исключением некоторых промышленных производств и электрического транспорта. И тем не менее, в последние десятилетия электроэнергетики разных стран все чаще применяют постоянный ток для решения ряда задач, в том числе связанных с передачей электрической энергии на расстояние.
Для ответа на вопрос, почему это делается, сопоставим характеристики линий переменного и постоянного тока.
Обе линии обладают однотипными параметрами — активным сопротивлением проводов, а также индуктивностью и емкостью. Активное сопротивление проводов определяет потери мощности и энергии в линии и, следовательно, ее КПД, а индуктивность и емкость — электромагнитные процессы в линии, связанные с передачей электроэнергии. Для линий переменного тока эти процессы носят волновой характер, что и определяет основные характеристики такой линии. В линии постоянного тока волновые процессы отсутствуют. Именно это различие и лежит в основе всех решений, связанных с применением постоянного тока для транспорта электроэнергии.
Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.
Индуктивность и емкость линии определяются ее конструкцией — расстоянием между фазами (полюсами), диаметром проводов и длиной линии. При увеличении расстояния между фазами индуктивность линии увеличивается, а емкость линии снижается. Уменьшение этого расстояния приводит к обратному эффекту. Увеличение длины линии вызывает увеличение как ее индуктивности, так и емкости.
У воздушных линий переменного и постоянного тока расстояние между фазами (полюсами) измеряется метрами (ВЛ 500 кВ переменного тока — 12 м, ВЛ ±400 кВ постоянного тока — 10 м), у кабельной линии — несколькими сантиметрами. Отсюда следует, что воздушная линия имеет существенно большую индуктивность и значительно меньшую емкость, чем кабельная. Различие этих характеристик проявляется при работе воздушных и кабельных линий на постоянном или переменном токе.
Отметим, что реакция индуктивности и емкости на протекание переменного и постоянного тока различна. При протекании переменного тока по индуктивности в ней возникает ЭДС самоиндукции, которая противодействует протеканию тока. Иными словами, индуктивность представляет собой сопротивление для переменного тока. Это сопротивление прямо пропорционально частоте переменного тока и возрастает с увеличением последней. При этом индуктивное сопротивление много больше активного (для линий 500-750 кВ в 10-15 раз). При частоте тока, равной нулю (постоянный ток), индуктивное сопротивление тоже равно нулю.
Емкость также оказывает сопротивление протеканию переменного тока. В отличие от индуктивного сопротивления емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте. При увеличении частоты переменного тока сопротивление емкости снижается, при уменьшении частоты — возрастает. При частоте, равной нулю (постоянный ток), сопротивление емкости становится равным бесконечности. Иными словами, через емкость постоянный ток не проходит.
Рассмотрим воздушную линию. При работе воздушной линии на переменном напряжении ее индуктивность оказывает сопротивление протеканию переменного тока и, в конечном итоге, определяет ту максимальную мощность, которую можно передать по этой линии. Как уже отмечалось, индуктивное сопротивление линии возрастает при увеличении ее длины, и, следовательно, при этом снижается максимальная мощность, которую можно передать по линии.
Емкость воздушной линии переменного тока практически не влияет на передаваемую мощность, однако через нее протекает так называемый зарядный ток, который создает зарядную мощность линии и приводит к дополнительному нагреву проводов, т.е. увеличивает потери энергии в линии и снижает ее КПД. Кроме того, этот ток приводит к нежелательному повышению напряжения в промежуточных точках линии и к целому ряду других отрицательных последствий. Поэтому возникает необходимость в компенсации зарядной мощности линии, для чего используются специальные устройства — реакторы, которые, в конечном счете, приводят к увеличению стоимости линии. Однако следует отметить, что необходимость в компенсации зарядной мощности линии, как правило, возникает лишь для линий сверхвысоких напряжений — 330 кВ и выше.
При работе воздушной линии на постоянном напряжении, когда по ней протекает постоянный ток, в установившемся режиме ни ее индуктивность, ни емкость не оказывают никакого влияния на процесс передачи электрической энергии по линии и, следовательно, на максимальную мощность, которую можно передать по линии при увеличении длины последней. Зарядная мощность линии постоянного тока отсутствует в силу изложенных выше причин. Поэтому сама линия не нуждается в каких-либо компенсирующих устройствах.
Главный вывод, который может быть сделан из сказанного выше, состоит в следующем:
для воздушной линии переменного тока существует зависимость максимальной передаваемой мощности от ее длины — чем длиннее линия, тем меньше предельная мощность, которую можно по ней передать; это одна из причин, ограничивающих допустимую длину такой линии;
воздушная линия постоянного тока не имеет такого ограничения, поэтому линия постоянного тока может иметь любую длину и передаваемую мощность, которые диктуются практической целесообразностью. Возможные ограничения — допустимые потери энергии на нагрев проводов и пропускная способность используемой аппаратуры.
Рассмотрим теперь кабельные линии. Известно, что кабельные линии переменного тока имеют весьма ограниченную длину — не более 15—20 км. Это объясняется двумя основными причинами:
большой зарядной мощностью, возникающей вследствие значительной емкости кабеля;
высокой стоимостью кабеля.
Зарядная мощность приводит к дополнительному нагреву жил кабеля, вынуждая снижать полезную передаваемую мощность и ограничивать длину кабеля. В особенности это относится к высоковольтным кабельным линиям (110—500 кВ). Поэтому кабельные линии переменного тока не могут быть использованы для передачи электроэнергии на достаточно большие расстояния.
В кабельной линии постоянного тока зарядная мощность отсутствует и не создает дополнительного нагрева кабеля. Поэтому кабельные линии постоянного тока могут сооружаться достаточно длинными (100—200 км, возможно и больше) и использоваться для решения задач, которые невозможно решить иными путями, например для пересечения больших водных пространств (морских проливов), ввода больших мощностей в центры крупных городов и др.
Однако это еще не все. Для ответа на вопрос, почему в современной электроэнергетике для решения некоторых задач целесообразно использовать постоянный ток, следует отметить еще ряд проблем.
В настоящее время в мире используются две частоты переменного тока — 50 и 60 Гц. В странах Европы, СНГ и России принята частота 50 Гц; в США, Канаде, некоторых странах Южной Америки, южной части Японии — 60 Гц. Объединение систем с различной номинальной частотой на параллельную работу с помощью линий переменного тока невозможно. Для этой цели, как показывает мировая практика, может быть с успехом использован постоянный ток. Такие связи существуют в Японии и Южной Америке.
Объединение отдельных систем с одной номинальной частотой возможно только при их синхронной работе. При всех положительных сторонах такого решения следует отметить, что оно предполагает также одинаковые стандарты поддержания частоты и законы ее регулирования. Если до объединения системы работали с различными законами регулирования частоты, то такое объединение требует большой работы по реконструкции систем регулирования частоты на всех электростанциях и крупных капиталовложений. Кроме того, объединение систем на параллельную работу неизбежно приводит к одновременному увеличению токов коротких замыканий в связываемых системах. Это требует применения дорогостоящих мероприятий по их ограничению или замене коммутационной аппаратуры.
Следует отметить еще один важный аспект. Объединение систем требует обеспечения устойчивости их совместной работы. При объединении систем связями переменного тока и возникновении аварийной ситуации в одной из систем, например короткого замыкания, отключения крупного генерирующего блока или электростанции, устойчивость совместной работы может быть нарушена, что может привести к обесточиванию целых регионов и, как следствие, большому экономическому ущербу. Этот печальный опыт имеют многие из развитых стран.
Отмеченных выше отрицательных последствий можно избежать, если для объединения систем использовать звено постоянного тока. В этом случае полностью снимаются проблемы устойчивости совместной работы и увеличения токов коротких замыканий, а сами связываемые системы будут работать с одинаковыми или несколько различающимися частотами, но асинхронно. Такое решение может дать определенный «системный эффект», связанный с повышением экономичности и надежности работы объединяемых систем как в нормальных, так и в аварийных и послеаварийных режимах, поскольку звено постоянного тока предотвращает развитие каскадных аварий, что подтверждается мировой практикой.
Если линию постоянного тока использовать для объединения нескольких систем, то в этом случае все эти системы могут работать независимо друг от друга, но обмениваться между собой мощностью. В этом случае линия постоянного тока становится как бы сборными шинами для этих систем. При этом аварийные возмущения в одной из систем не будут передаваться в другие в отличие от того, как это было бы при связи на переменном токе.
Системный эффект может проявиться также и в случае, когда звено постоянного тока шунтирует существующие межсистемные связи переменного тока. Здесь за счет его высокой управляемости можно обеспечить перераспределение потоков мощности по этим связям с целью повышения экономичности работы связываемых систем и при необходимости сохранить устойчивость их синхронной работы.
При развитии электроэнергетической системы и сооружения протяженных линий переменного тока возможно образование кольцевых схем, в которых будут циркулировать большие неуправляемые потоки мощности. Размыкание таких колец для прекращения этой циркуляции нецелесообразно по соображениям надежности работы энергосистемы. Задача может быть решена включением в кольцо звена постоянного тока, что дает возможность управлять потоками мощности в нем.
Электропередача постоянного тока может проявить свои качества еще в одной области. Известно, что характерная особенность гидротурбин заключается в том, что максимальный КПД при неизменной скорости вращения их рабочего колеса, т.е. при постоянной частоте переменного тока, может быть достигнут лишь при постоянном уровне воды в верхнем бьефе (при постоянном напоре воды, на который проектируется турбина) или при незначительных его колебаниях. Такие режимы возможны лишь для гидроэлектростанций с большими объемами водохранилищ, когда водохранилище заполнено до проектной отметки. Для всех других ГЭС при неизменной скорости вращения рабочего вала при срабатывании водохранилища и снижении напора воды турбины будут снижать свой КПД. В особенности это явление будет проявляться на приливных ГЭС и на ГЭС с большими объемами водохранилищ в период их заполнения.
Для поддержания КПД на максимально высоком уровне в этих случаях турбины должны изменять частоту вращения, что приведет к изменению частоты переменного тока и невозможности выдачи мощности ГЭС в систему по линии переменного тока из-за разности частот системы и генераторов ГЭС. Если для связи ГЭС с системой используется линия постоянного тока, то обеспечивается возможность выдачи мощности в систему при переменной частоте вращения гидрогенераторов, в том числе и в период заполнения водохранилища, который может длиться многие годы.
Из сказанного выше могут быть определены возможные области применения постоянного тока в современной электроэнергетике. К ним следует отнести:
дальние электропередачи, например от удаленных ГЭС или АЭС. Расстояния здесь могут исчисляться многими сотнями и тысячами километров. Экономическая граница между переменным и постоянным током, по разным данным, может лежать в пределах 700—1000 км в зависимости от условий прохождения трассы, требований надежности, цен на оборудование и ряда других факторов;
передача электроэнергии через большие водные пространства;
глубокие вводы большой мощности в центры крупных городов;
связь систем переменного тока с различной номинальной частотой;
несинхронные связи систем одной номинальной частоты, что позволит повысить живучесть объединенной системы;
создание «шин постоянного тока», к которым могут подсоединяться электроэнергетические системы разных районов или стран, работающие несинхронно или с различной частотой и не выполняющие требования единства законов регулирования частоты;
подключение к системе электростанций, работающих с переменной частотой вращения агрегатов, что позволяет обеспечить большую эффективность работы этих агрегатов;
развязка колец, возникающих при развитии объединенной системы, в которых могут циркулировать большие неуправляемые потоки мощности.
11.2. Использование объектов постоянного тока в мировой электроэнергетике
В настоящее время в мире построено много линий и вставок постоянного тока для решения задач электроэнергетики, и их применение расширяется в значительной степени благодаря успехам силовой полупроводниковой техники.
Объекты постоянного тока делятся на две группы. К первой из них относятся электропередачи постоянного тока (ППТ), где электрическая энергия передается на какое-то расстояние. Неотъемлемой частью этих электропередач является воздушная или кабельная линия постоянного тока. Ко второй группе относятся так называемые вставки постоянного тока (ВПТ), где линия постоянного тока отсутствует. Все звено постоянного тока расположено на одной подстанции, на которую заходят линии переменного тока от связываемых систем. Схемы ППТ и ВПТ приводятся ниже.
Приведем краткий обзор наиболее мощных объектов постоянного тока в мировой электроэнергетике. В Европе существует высокая плотность электрических сетей переменного тока. Поэтому здесь нет электропередач постоянного тока, проложенных по суше. В то же время ряд стран Европы отделен от континента и друг от друга морскими проливами, отсюда — необходимость преодоления морских пространств. Поэтому здесь получили распространение в основном кабельные и гибридные ППТ. Под гибридными понимаются ППТ, где основная часть линии выполнена кабелем, а небольшие концевые участки — воздушными линиями.
В настоящее время все крупные энергосистемы континента объединены электропередачами и вставками постоянного тока, что позволяет говорить о трансъевропейской сети. Наиболее крупными из них являются:
ППТ между Англией и Францией через пролив Ла-Манш, позволившая объединить энергосистемы этих стран; мощность двух цепей этой ППТ составляет 2000 МВт;
связь между Данией и Норвегией через пролив Скагеррак, где проложено три цепи кабельной ППТ общей мощностью 1040 МВт;
кабельная двухцепная электропередача между Данией и Швецией (670 МВт);
ППТ между Финляндией и Швецией через Ботнический залив (500 МВт);
вставка постоянного тока в г. Выборге между Россией и Финляндией (1400 МВт);
трехподстанционная воздушно-кабельная ППТ 500 МВт Италия—Корсика—Сардиния;
в Англии осуществлен глубокий ввод мощности 640 МВт в г. Лондон с помощью ППТ Кингснорт (устье р. Темзы) и двух подстанций в черте города.
Связи на постоянном токе между государственными электроэнергетическими системами Европы будут усиливаться. Уже введена в строй гибридная ППТ Италия—Греция, ведется сооружение кабельных линий между Норвегией и Нидерландами, Швецией и Германией, Северной Ирландией и Шотландией. Выполнен также проект ППТ Англия—Исландия.
В Северной Америке действует целый ряд мощных электропередач и вставок постоянного тока. Одна из них — двухцепная ППТ Нельсон Ривер—Виннипег (Канада) общей мощностью 3600 МВт и длиной 930 км. На западном побережье Канады сооружена кабельная ППТ на о-в Ванкувер мощностью 680 МВт, в восточной части страны имеются две ВПТ, служащие для несинхронной связи с энергосистемами северной части США. Одна из них ВПТ Ил Ривер (320 МВт), другая — ВПТ Шатегей (1000 МВт). Кроме того, в начале 1990-х годов была введена в работу многоподстанционная ППТ (МППТ) общей длиной 1486 км от ГЭС на р. ЛаТранд, впадающей в Гудзонов залив, до района г. Виннипег (Канада) и далее в район г. Бостон (США). Передаваемая мощность 2200 МВт. Эта электропередача имеет пять подстанций — три в Канаде и две в США — и является несинхронной управляемой связью между энергосистемами Канады (Квебек) и США (Новая Англия).
В США построен ряд передач и вставок постоянного тока. Крупнейшие из них — Тихоокеанская ППТ (3100 МВт, 1362 км), Интермаунтин (1600 МВт, 788 км), Сквер Бьют (500 МВт, 730 км). В США сооружено десять вставок постоянного тока, которые используются для управляемых несинхронных связей энергообъединений.
В Южной Америке в Бразилии построена самая мощная в настоящее время ППТ Итайпу, предназначенная для передачи мощности от ГЭС Итайпу на р. Парана в район г. Сан-Пауло. Эта передача состоит из двух цепей мощностью по 3150 МВт и длиной около 800 км каждая. Кроме того, энергосистема Бразилии (60 Гц) соединена с энергосистемами Парагвая и Аргентины (50 Гц) тремя ВПТ. Одна из них служит для связи с энергосистемой Парагвая, две — с энергосистемой Аргентины. Суммарная мощность этих ВПТ составляет 1100 МВт. По одному из вариантов плана развития энергосистемы Бразилии предусматривается сооружение еще нескольких ППТ от ГЭС, которые должны быть сооружены на притоках р. Амазонки.
Положительный опыт Северной Америки в создании межсистемных несинхронных связей используется и в других странах, имеющих большую территорию. Особый интерес в этом отношении представляет план развития энергосистемы Индии, в соответствии с которым предполагается изначальное разделение энергосистемы страны на несколько несинхронно работающих частей, связанных между собой электропередачами и вставками постоянного тока. С этой целью была построена одна межсистемная ППТ и введены в эксплуатацию четыре ВПТ общей мощностью 2500 МВт. Эти ВПТ связывают между собой северную, западную и южную энергосистемы. Строятся еще три межсистемные ППТ и четыре межсистемные ППТ проектируются. Кроме того, внутри региональных систем построены три ППТ и планируется сооружение еще трех передач. Все эти ППТ в совокупности должны создать системообразующую сеть постоянного тока, что позволит обеспечить высокую управляемость и высокую живучесть энергосистемы страны.
Близкий к этому подход принят и в Китае, где после ввода в эксплуатацию ГЭС «Три ущелья» предполагается приступить к созданию единой энергосистемы. Для этой цели в дополнение к двум действующим ППТ будет сооружен ряд новых длиной 1700—2300 км и передаваемой мощностью 5—6 ГВт. Это наряду с созданием системообразующей сети постоянного тока обеспечит и передачу значительной мощности от ГЭС в удаленные регионы страны.
Несколько мощных протяженных ППТ имеются в Африке и Азии. В Африке построены две такие электропередачи: одна из них от ГЭС Кабора Басса (Мозамбик) в ЮАР (1920 МВт, 1400 км), другая — Инга-Шаба (Заир, 1120 МВт, 1700 км). На экспертном уровне ведутся обсуждения по возможности сооружения электропередачи от нескольких ГЭС, которые можно построить на р. Конго в районе водопадов Ливингстона, в Европу (предполагаемая передаваемая мощность до 30 ГВт).
Как уже отмечалось, электропередачи и вставки постоянного тока могут использоваться для связи систем с различной номинальной частотой. Такие ППТ и ВПТ работают в Японии и Южной Америке, где исторически сложились энергообъединения, работающие на различных частотах.
В Японии граница между системами, работающими на различных частотах, проходит по о-ву Хонсю. В северной части острова принята частота 50 Гц, в южной — 60 Гц. Связь между этими системами осуществляется с помощью трех ВПТ общей мощностью 1200 МВт. Кроме того, в южной части острова между двумя системами, работающими с одной номинальной частотой, есть ВПТ, которая используется для регулирования межсистемных перетоков мощности. В Японии работают также гибридные и кабельные ППТ. Одна из них является несинхронной связью между энергосистемами о-вов Хоккайдо и Хонсю, другая служит для выдачи мощности крупных электростанций, расположенных на небольшом острове. Кроме того, ведется предварительная проработка проекта трехподстанционной ППТ для выдачи мощности от тепловой электростанции на о-ве Сахалин (Россия) на о-ва Хоккайдо и Хонсю.
В Новой Зеландии и Австралии также построено несколько ППТ и ВПТ. В Новой Зеландии гибридная ППТ объединяет энергосистемы г. Вашингтона, поддерживает в ней постоянную частоту и демпфирование колебаний. В Австралии существует одна ВПТ и одна ППТ (200 МВт, длиной 180 км).
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что объекты постоянного тока достаточно широко используются для решения ряда задач мировой электроэнергетики.
Далее рассмотрим перспективы применения объектов постоянного тока в России. Географическое положение, природные условия, протяженность территории, неравномерное распределение ископаемых ресурсов страны, развитая промышленность, наличие крупных энергообъединений, расположенных на значительных расстояниях друг от друга, делают Россию страной, где объекты постоянного тока могут найти широкое применение.
В России длительное время, начиная с первых послевоенных лет, ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию оборудования для ППТ и ВПТ. Ведущую роль в этих работах играют НИИПТ (Санкт-Петербург), ВЭИ (Москва), а также ряд производственных предприятий. Эти работы позволили построить опытно-промышленную ППТ Волгоград—Донбасс (800 кВ, 900 МВт) и создать обо-
рудование для ППТ Экибастуз—Тамбов ( 6000 МВт, 2400 км), которое по ряду параметров превосходило зарубежные аналоги. К сооружению этой электропередачи приступили в 80-х годах XX в. К 1990 г. была построена часть линии, закончена строительная часть подстанций в Тамбове и Эки-бастузе, начался монтаж оборудования, однако эти работы не были завершены. По замыслу разработчиков эта ППТ должна быть лишь первым звеном мощной межсистемной связи, охватывающей основные энергопроизводящие регионы страны: Сибирь— Урал—-Центр. Предполагалось в дальнейшем эту передачу продлить от Экибастуза до Итатского месторождения энергетических углей и впоследствии в Сибирь, а также создать ответвление на Урал.
Актуальность подобной межсистемной связи не утрачена и в настоящее время. Такая связь постоянного тока, будучи наложенной на существующие и перспективные межсистемные связи переменного тока, за счет своей высокой управляемости позволит демпфировать колебания в этих связях, возникающие при аварийных нарушениях работы той или иной энергосистемы, осуществлять при необходимости несинхронную связь между ними, иными словами, позволит повысить надежность и живучесть Единой энергосистемы страны.
Освоение богатейших гидроэнергетических ресурсов сибирских рек также требует применения электропередач постоянного тока. Так, например, выдача энергии ГЭС Ангаро-Енисейского каскада суммарной мощностью свыше 36 ГВт при дальности передачи до 3000 км по трассам высокой сложности целесообразна при использовании передач постоянного тока.
В настоящее время все более проявляется тенденция, связанная с увеличением использования угля для производства электроэнергии и одновременным снижением применения природного газа. В этой связи целесообразно рассматривать передачу электроэнергии от тепловых электростанций Кане ко-Ачинского угольного бассейна в район Урала, где наряду с электропередачами переменного тока могут быть использованы и передачи постоянного тока. Этот вопрос требует достаточно глубоких технико-экономических исследований.
Из других направлений транспорта электроэнергии внутри России следует отметить связь ОЭС Сибири с Якутией и Дальним Востоком. В данном случае речь может идти о линиях мощностью 1—3 ГВт и длиной 1000—1500 км. Здесь ППТ будут иметь преимущества за счет большой протяженности линий и прохождения трасс этих линий в достаточно сложных условиях. Кроме того, следует также учитывать высокую управляемость таких связей и возможность несинхронной работы связываемых систем.
В более отдаленной перспективе целесообразно рассматривать возможность использования ППТ при передаче электроэнергии от приливных электростанций (ПЭС), которые могут быть сооружены в России. На территории нашей страны имеется несколько перспективных морских заливов, где возможно строительство мощных ПЭС. Эти заливы располо-
жены на побережье Белого и Охотского морей. В связи с малой населенностью этих мест и, следовательно, отсутствием достаточно мощных местных потребителей, вырабатываемую ПЭС энергию надо передавать в центры потребления на расстояния 1000 км и более. Очевидно, что для этой цели целесообразно использовать электропередачи постоянного тока, особенно если учесть специфику ПЭС, о чем говорилось выше.
Следует также отметить использование постоянного тока при связях островных энергосистем, например о-ва Сахалин, о-ва Валаам в Ладожском озере, Соловецких о-вов в Белом море и др., с системами, расположенными на материке. Что же касается межгосударственных электроэнергетических связей России с приграничными государствами, то здесь применение постоянного тока также имеет большие перспективы. На западном направлении возможно сооружение многоподстанционной передачи постоянного тока ±500 кВ мощностью до 4 ГВт Россия—Беларусь—Польша—Германия. Эта передача исключает известные трудности синхронной работы связываемых систем, исключаются технические трудности транзита мощности через сети других государств при использовании объединения на переменном токе.
На северо-западном направлении возможно усиление связей с Финляндией и Норвегией за счет расширения существующей ВПТ в г. Выборге, сооружение новой ППТ Россия—Финляндия с прокладкой кабеля по дну Финского залива, создание связей (ППТ или ВПТ) между Карельской энергосистемой и Норвегией.
В южном и юго-восточном направлениях применение постоянного тока представляется предпочтительным из-за больших расстояний (более 1000 км), затрудняющих создание синхронных связей с энергосистемами стран, расположенных к югу от границ России. Наиболее перспективными в этом направлении являются связи с Китаем. Имеется несколько вариантов электропередач Сибирь—Китай. Передаваемая мощность по этим связям может составить несколько гигаватт, расстояние около 2000 км. В настоящее время реализация таких связей возможна только на постоянном токе.
В восточном направлении возможно создание связей Россия—Япония и Россия—Корея. Поскольку Япония является островным государством, то создание таких связей возможно только с помощью кабельных линий, что предполагает применение постоянного тока. Здесь возможно сооружение следующих электропередач:
в Японию от специально сооруженной на о-ве Сахалин тепловой электростанции;
в Японию через о-в Сахалин от ГЭС на притоках р. Лены в Якутии; в этом случае необходимо также сооружение линии через Татарский пролив; сооружение такой линии постоянного тока в настоящее время не встречает технических трудностей;
связь с Кореей может быть выполнена воздушными линиями из района Приморья.