• 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.

В первом приближении можно принять

 

где U_dм — выпрямленное напряжение моста.

Тогда мощность преобразовательного моста будет функцией параметров вентилей

 

(11.5)

 

Отсюда следует: чем выше ток и напряжение вентилей, тем большая единичная мощность моста может быть достигнута. Поэтому усилия инженеров и конструкторов направлены на разработку вентилей с возможно более высокими параметрами.

В настоящее время разработаны конструкции ВТВ, позволяющие получить единичную мощность моста P_dм до 750—800 МВт при напряжении U_dм до 500 кВ. Тем не менее полученная мощность единичного моста и его напряжение могут оказаться недостаточными для преобразования всей мощности ППТ, поэтому необходимо применять последовательно-параллельное соединение отдельных преобразовательных мостов. Следует отметить, что к последовательному (каскадному) соединению мостов необходимо прибегать и при значительно меньшей их мощности по причинам, которые будут рассмотрены ниже.

Другим важным элементом преобразовательного блока является трансформатор, который связывает преобразовательный мост с сетью передающей или приемной системы. Этот трансформатор выполняет две функции:

• 1) Создает необходимое выпрямительное напряжение Udм, что обеспечивается выбором соответствующего коэффициента трансформации;

• 2) Электрически отделяет цепь выпрямленного тока от сети переменного тока.

Необходимость такой гальванической развязки объясняется следующим обстоятельством. При глухо заземленной нейтрали сетей 220—500 кВ, куда включаются преобразователи ППТ и ВПТ, потенциалы фаз по отношению к земле жестко фиксированы и в нормальных режимах не превышают амплитуды фазного напряжения. В то же время потенциалы отдельных мостов по отношению к земле при их последовательном соединении различны, и потенциал полюса может существенно превышать потенциал фазы. Так, например, при U_d = ±750 кВ и напряжении сети 500 кВ потенциал полюса равен 750 кВ, амплитуда фазного напряжения сети составляет 407,5 кВ. Отсюда необходимость их электрического разделения.

Обмотку трансформатора, присоединенную к питающей сети, обычно называют сетевой обмоткой, а обмотку, подключенную к вентильному мосту, вентильной. Группами соединений обмоток трансформатора, которые обычно применяются на практике, являются Y/Y-12 или Y/-11. При этом с целью уменьшения содержания токов высших гармоник в токе фазы эти группы обычно используют в сочетании друг с другом.

Трансформатор может быть как двухобмоточный, так и многообмоточный, обычно трех- или четырехобмоточный. В последнем случае одна из обмоток — сетевая, две — вентильные, присоединенные к двум последовательно включенным мостам, к четвертой обмотке могут подключаться фильтры высших гармоник или синхронный компенсатор.

Вентили, применяемые в схеме моста, обладают свойством управляемости, т.е. они могут открыться только при подаче на управляющий электрод вентиля электрического импульса относительно небольшой мощности, в последних конструкциях — светового импульса. Изменяя момент подачи этого импульса (сдвиг по фазе), можно в широких пределах регулировать параметры режима моста (мощность, напряжение), переводить мост из выпрямительного режима в инверторный и наоборот. Важно отметить, что изменение режима может осуществляться практически безынерционно.

Управление режимом моста может осуществляться с помощью системы управления СУ, показанной на рис. 11.3, которая генерирует управляющие импульсы, распределяет их по вентилям моста и осуществляет необходимый сдвиг их по фазе относительно питающего напряжения.

На систему управления воздействует система автоматического регулирования САР, поддерживающая неизменными параметры режима, например ток в линии, передаваемую мощность и ряд других, в заданных пределах путем изменения фазы подаваемых импульсов. На эту же систему СУ воздействует система защиты СЗ, которая автоматически снимает передачу управляющих импульсов на вентили при возникновении аварийных ситуаций в преобразовательном мосту или в линии. Кроме того, на СУ воздействует система автоматики СА, которая осуществляет, например, автоматический ввод моста в работу после действия защиты и выполняет ряд других функций. Все эти системы объединены в один комплекс СУРЗА (система управления, регулирования, защиты, автоматики), являющийся неотъемлемой частью преобразовательного блока. На современных ППТ и ВПТ СУРЗА выполняется с использованием микропроцессорной техники.

Трансформатор и СУРЗА являются обязательными элементами обоих типов преобразователей, приведенных на рис. 11.3, а.

На рис. 11.3, а в полюс моста включен реактор. Обычно этот реактор включается в каждый полюс линии. Он предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного тока и исключает совместно с фильтрами, установленными на полюсах, проникновение переменных токов высших гармоник в линию. Кроме того, этот реактор ограничивает скорость изменения тока при авариях на линии, что диктуется условиями работы вентилей, а также защищает оборудование подстанции и прежде всего преобразовательные мосты от волн перенапряжений, которые могут приходить с линии. Для вставок постоянного тока такие реакторы также необходимы. Здесь они включаются непосредственно между выпрямителем и инвертором.

Одним из обязательных элементов преобразовательного блока являются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Они предназначены для компенсации токов высших гармоник и реактивной мощности. В состав ФКУ входят фильтры токов высших гармоник, батареи статических конденсаторов, синхронные компенсаторы или статические регулируемые источники реактивной мощности. Схемы включения и состав элементов ФКУ могут быть различны. Так, например, фильтры могут включаться как на дополнительную обмотку трансформатора преобразователя, так и непосредственно на шины сети. Синхронные компенсаторы могут также быть включены или на шины сети через дополнительные трансформаторы, или же на дополнительную обмотку преобразовательного трансформатора. Целесообразность размещения фильтров высших гармоник в той или иной точке схемы во многом определяется параметрами примыкающей сети переменного тока и ее частотными характеристиками.

Как уже отмечалось, максимальная мощность преобразовательных мостов, разработанных к настоящему времени, достигает 750—800 МВт, что достаточно для решения существующих задач. В принципе, при достигнутых параметрах тиристоров преобразовательные мосты можно конструировать на значительно большие мощности. Однако здесь возникает ограничение, связанное с возможностью выполнения трансформаторов, питающих такие преобразователи.

Отсюда возникает проблема увеличения мощности всей передачи при ограниченной мощности преобразовательных мостов. Эту проблему можно разделить на две: 1) увеличение мощности электропередач постоянного тока и 2) увеличение мощности вставок постоянного тока.

Для электропередач, особенно дальних, как известно, важнейшим фактором увеличения передаваемой мощности является повышение напряжения линии. Поэтому увеличение мощности электропередачи и одновременно ее напряжения может быть достигнуто за счет последовательного (каскадного) соединения нескольких преобразовательных мостов. При этом напряжение полюса равно сумме напряжений отдельных мостов. Для того чтобы ограничить количество последовательно включенных мостов с целью упрощения схемы подстанции, необходимо, чтобы каждый мост имел достаточно высокое выпрямленное напряжение, что, естественно, увеличивает стоимость оборудования.

Однако для очень мощных электропередач этого решения может быть недостаточно. Для увеличения мощности электропередачи в этом случае необходимо увеличить еще и ток полюса. С этой целью прибегают к параллельному соединению двух ветвей, в каждую из которых входят несколько последовательно соединенных преобразовательных мостов. Такое решение может быть объяснено тем, что пока еще нет возможности изготовить оборудование, в том числе и линейные реакторы, на необходимые номинальные токи.

Другим путем увеличения мощности дальней электропередачи является сооружение второй параллельной цепи линии. Выбор того или иного варианта решения задачи должен производиться на основании тщательных технико-экономических сопоставлений. Возможные схемы увеличения мощности ППТ приведены на рис. 11.4.

У вставок постоянного тока нет линии, значит, нет и необходимости значительно увеличивать выпрямленное напряжение, что положительно сказывается на стоимости оборудования и упрощает конструктивные решения. Поэтому в ВПТ увеличение мощности достигается за счет параллельного включения преобразовательных блоков относительно меньшей мощности и более низкого, чем в ППТ, напряжения. Причем увеличение мощности ВПТ может осуществляться и в дальнейшем по мере необходимости за счет параллельного включения новых блоков. В то же время и здесь приходится прибегать к каскадному соединению преобразовательных мостов отдельных блоков, чтобы уменьшить содержание токов высших гармоник в сетевом токе преобразователя.

Выше говорилось о возможных схемах преобразовательных подстанций. Теперь рассмотрим возможные схемы выполнения самих электропередач постоянного тока.

Поскольку цепи переменного и постоянного тока в ППТ электрически не связаны, то, если в цепи постоянного тока отсутствует связь с землей, потенциалы относительно земли в этой цепи будут определяться случайными факторами, главным образом токами утечки по изоляции, что недопустимо, так как в этом случае невозможно осуществить координацию изоляции. Поэтому хотя бы одна из точек в цепи постоянного тока должна быть заземлена. На практике в ППТ обычно заземляют две точки. Это могут быть или один из полюсов передачи, или средние точки преобразовательных подстанций.

В первом случае, когда с двух сторон заземляется один из полюсов передачи, провод этого полюса обычно отсутствует, его роль выполняет земля. Для постоянного тока сопротивление земли равно нулю. Поэтому сопротивление заземленного полюса будет определяться только сопротивлением растекания заземлителей, с помощью которых полюс соединяется с землей. Это сопротивление имеет очень малую величину (0,05—0,15 Ом) и поэтому не оказывает влияния на режим передачи. В результате для электропередачи требуется только один полюс, подвешенный на изоляторах, если линия воздушная, или одножильный кабель, проложенный в земле или по дну морского пролива. Такие передачи называются униполярными, или монополярными. Схема униполярной ППТ приведена на рис. 11.5, а.

Обычно электропередачи такого типа сооружаются при пересечении больших водных пространств, например морских проливов. Для передачи мощности от выпрямителя к инвертору требуется проложить одножильный кабель, рассчитанный на напряжение полюс-земля. Заземляющие электроды закладываются в землю непосредственно на берегу или опускаются прямо в воду. В последнем случае применяются мероприятия по защите рыбы от воздействия тока растекания.

По такой схеме выполнен целый ряд электропередач: Италия — о-в Сардиния в Средиземном море, Швеция—Дания через пролив Скагеррак в Балтийском море, Швеция—Финляндия через Ботнический залив и ряд других. На электропередаче Швеция—Финляндия, которая является самой мощной из униполярных передач, проложен кабель длиной 200 км всего лишь с одной соединительной муфтой.

Использование земли для возврата тока имеет и свои отрицательные стороны. Наиболее существенным недостатком здесь является возможность коррозионного разрушения металлических инженерных сооружений, проложенных в земле вблизи заземления, — трубопроводов, кабелей. Часть тока передачи будет распространяться по этим сооружениям и, стекая с них, может вызвать их повреждения за счет электролиза вплоть до образования отверстий в трубопроводах или оболочках кабелей. Последствия этого очевидны.

На основании расчетов и экспериментальных исследований установлено, что при токе заземленного полюса, равном 1 кА, радиус опасной зоны вокруг заземлителя составляет около 5 км. Для подземных сооружений, расположенных в этой зоне, необходимо применение катодной защиты. В некоторых случаях, когда линия прокладывается в местности, где много подземных инженерных сооружений, например при глубоком вводе в город, для того чтобы избежать растекания тока по земле, заземленный полюс выполняется в виде кабеля, жила которого заземлена. Область применения униполярных ППТ — передача относительно небольших мощностей (несколько сотен мегаватт) на сравнительно небольшие расстояния, главным образом при пересечении водных преград.

Для мощных электропередач применяют другую схему, где линия выполнена с двумя полюсами, каждый из которых изолирован от земли. Заземляются средние точки преобразовательных подстанций, расположенных по концам передачи. Такая передача называется биполярной. Схема одной цепи такой передачи приведена на рис. 11.5, б. Иногда такую цепь называют биполем. При необходимости увеличения мощности передачи сооружают вторую такую же цепь. Так сделано на ППТ Итайпу, где мощность каждого биполя составляет 3150 МВт.

Благодаря тому, что средние точки преобразовательных подстанций заземлены, каждая цепь (биполь) может быть разделена на две независимые полуцепи. В нормальных режимах ток от выпрямителя к инвертору передается по положительному полюсу линии и возвращается по отрицательному. При равной нагрузке обеих полуцепей ток в земле равен нулю. Однако на практике невозможно обеспечить полную идентичность параметров оборудования и параметров режима каждой из полуцепей. Поэтому некоторый небаланс может быть, и ток в земле не будет равен нулю. Однако он много меньше тока полюса, и в дальнейшем его не будем учитывать. При выходе одной полуцепи из работы другая продолжает работать, но с возвратом тока через землю. При этом мощность передачи уменьшается вдвое, но, тем не менее, передача, хотя и со сниженной мощностью, продолжает работать.

Для мощных электропередач, где ток полюса составляет несколько тысяч ампер, зона опасного влияния тока в земле значительно больше упомянутой ранее. Поэтому точки заземления с помощью специальных линий выносятся на расстояние в несколько десятков километров от преобразовательных подстанций туда, где нет подземных инженерных сооружений.

Для биполярных передач различают два вида напряжения линии: напряжение полюс-земля U_dп-з и напряжение полюс-полюс U_dп-п. Очевидно, что напряжение полюс-полюс в 2 раза больше напряжения полюс-земля. Поэтому передача с напряжением, например, ±500 кВ и передача 1000 кВ — это одна и та же передача.

Область применения биполярных электропередач — передача больших мощностей на большие расстояния. По биполярной схеме выполнены все мощные и дальние электропередачи постоянного тока, построенные к настоящему времени: Итайпу (Бразилия), Тихоокеанская (США), Кабора Басса — Апполо (Мозамбик — ЮАР) и многие другие. По этой же схеме строилась электропередача Экибастуз—Центр. Следует, правда, отметить, что к биполярным передачам прибегают и в других случаях, например ППТ Англия—Франция, проложенная через пролив Ла-Манш, выполнена как биполярная. Одной из причин, приведших к такому решению, было стремление избежать влияния магнитного поля однополюсной линии на навигационные приборы судов, идущих по проливу.

Линии постоянного тока как униполярные, так и биполярные не имеют линейных выключателей. Их роль с успехом выполняют управляемые вентили преобразователя. При возникновении аварийных ситуаций в линии постоянного тока достаточно снять управляющие импульсы с вентилей выпрямителя (закрыть вентили), чтобы ток в линии прекратился. Закрытие вентилей может быть выполнено как вручную дежурным персоналом подстанции, так и автоматическими устройствами защиты, реагирующими на возникновение повреждения.

Отсутствие линейных выключателей упрощает конструкцию преобразовательной подстанции и благоприятно отражается на ее экономических показателях. Однако такое решение может быть принято лишь для магистральных электропередач, т.е. передач, не имеющих промежуточных подстанций. Для передач с промежуточными подстанциями (сети постоянного тока) необходимо применение выключателей постоянного тока, предназначенных для локализации аварий, которые могут возникнуть на отдельных участках передачи.

Создание высоковольтного выключателя постоянного тока представляет собой весьма сложную техническую задачу, решение которой требует проведения серьезных научно-исследовательских и конструкторских проработок. Пути решения этой задачи найдены.

В настоящее время в России и за рубежом разработаны опытные образцы высоковольтных выключателей постоянного тока напряжением до 750 кВ, однако применения в практике они пока не нашли. Для промежуточного отбора мощности от ППТ необходимо в точке отбора соорудить преобразовательную подстанцию. При этом необходимо, чтобы туда можно было подать напряжение от местной энергосистемы для обеспечения работы инвертора. Эта промежуточная преобразовательная подстанция может быть включена в линию последовательно или параллельно, как это показано на рис. 11.6.

При последовательном включении часть преобразовательных мостов как бы разнесена по линии от концевых подстанций в промежуточные точки. Каждая из промежуточных подстанций может работать как в выпрямительном, так и инверторном режиме. При работе в выпрямительном режиме энергия промежуточной системы поступает в линию постоянного тока, при работе в инверторном — отбирается от линии и поступает в эту промежуточную систему.

Недостатком схемы последовательного отбора мощности является зависимость работы всех подстанций друг от друга. Это проявляется в трудности регулирования мощности отдельных подстанций, поскольку ток в последовательной цепи должен оставаться неизменным для всех ее участков. Выход из работы любой из подстанций в результате аварии может привести к прерыванию тока и обесточиванию всех остальных подстанций. Поэтому промежуточные подстанции должны быть оборудованы шунтирующими аппаратами, в том числе и шунтирующими вентилями, которые автоматически включаются при аварии на данной подстанции.

Параллельное включение промежуточных подстанций, во-первых, позволяет осуществить независимое регулирование мощности на всех подстанциях и изменять ее направление, т.е. переходить на любой из подстанций из режима выпрямителя в режим инвертирования и наоборот; во-вторых, параллельное включение позволяет перейти к созданию высоковольтной сети постоянного тока, предназначенной для связи нескольких промежуточных энергосистем.

Недостаток схемы ППТ с параллельным отбором мощности состоит в необходимости использования выключателей постоянного тока для отключения поврежденных участков. Выключатели могут быть заменены разъединителями с дистанционным приводом. Но в этом случае необходимо сначала обесточить всю передачу, затем в бестоковую паузу отключить поврежденный участок передачи и снова ее включить. Обесточивание передачи может быть осуществлено снятием управляющих импульсов с преобразователей, работающих выпрямителем (закрытием вентилей). Все это осуществляется средствами защиты и автоматики электропередачи. На пятиподстанционной ППТ Канада—США использован именно этот метод. Этот же метод используется на электропередаче Италия — о-в Корсика — о-в Сардиния с отбором мощности на о-ве Корсика.

В случае если какие-то преобразовательные подстанции в схеме их параллельного включения должны работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме, то на таких подстанциях необходимо иметь устройство для переключения полярности полюсов преобразователя, чтобы изменять направление тока в преобразователе при сохранении полярности напряжения линии. При использовании преобразователей напряжения, где полярность остается неизменной, такие устройства не нужны.

Для вставок постоянного тока, как уже отмечалось, нет необходимости увеличивать напряжение и мощность преобразовательного блока. Увеличение мощности вставки достигается параллельным включением нескольких блоков аналогично тому, как это делается на электростанциях при параллельном включении генераторов. В качестве примера может быть приведена ВПТ Россия—Финляндия в г. Выборге. Она состоит из четырех одинаковых комплектных высоковольтных преобразовательных устройств (КВПУ) мощностью по 355 МВт каждое и включенных с одной стороны на шины 330 кВ, куда заходят линии от системы Ленэнерго, с другой — на шины 400 кВ, связанные с энергосистемой Финляндии. Каждое КВПУ размещено в отдельном здании, где также расположены все системы, обслуживающие преобразователи (СУРЗА, система охлаждения и др.).

Каждый из преобразователей (выпрямитель и инвертор) благодаря применению тиристорных вентилей, которые могут практически мгновенно включаться и столь же мгновенно отключаться (время включения для мощных тиристоров составляет несколько десятков, а выключения — несколько сотен микросекунд), по существу является быстродействующим переключателем. Поэтому принцип действия преобразователя основан на поочередном подключении фаз сети переменного тока к линии постоянного тока таким образом, чтобы в этой линии сохранялись неизменными полярность полюсов линии и направление тока. Такие переключения осуществляются 6 раз за каждый период частоты сети переменного тока, т.е. через каждые 0,0033 с. Изменяя момент подачи управляющего импульса на вентили, можно изменять как величину, так и полярность выпрямленного напряжения. В последнем случае осуществляется переход из режима выпрямления в режим инвертирования и наоборот.

В преобразовательной технике принято измерять временные интервалы не в единицах времени, а в электрических градусах (1 эл. град, равен 55,5 мкс) и все временные интервалы измеряются в углах (10 эл. град., 20 эл. град, и т.д.). При угле управления преобразователем, равном нулю (α = 0), на его выходе будет наибольшее выпрямленное напряжение. При изменении угла α от 0 до 90 эл. град, это напряжение будет снижаться и при α = 90 эл. град., будет равно нулю. При дальнейшем увеличении угла α сверх 90 эл. град, полярность напряжения изменится на противоположную и преобразователь перейдет в режим инвертирования (рис. 11.7). Нетрудно видеть, что напряжение на выходе моста образовано отрезками синусоид междуфазных напряжений вентильной обмотки трансформатора преобразователя. Для сглаживания имеющихся пульсаций и предназначен реактор, который включается последовательно в цепь выпрямленного тока. За реактором на стороне линии при этом будет постоянное без пульсаций напряжение, значение и знак которого также будут зависеть от угла α.

На возможности быстрого изменения углов управления преобразователями и основана система автоматического регулирования ППТ и ВПТ. При этом система включает в себя несколько регуляторов и делится на две подсистемы — первичного и вторичного регулирования. Первая из них быстродействующая, вторая действует с некоторым замедлением.

Одними из основных регуляторов подсистемы первичного регулирования являются регуляторы тока, которые устанавливаются как на выпрямителе, так и на инверторе. Их назначением является поддержание заданного тока в линии, который называется током уставки. Регулятор тока выпрямителя через систему управления вентилями воздействует на изменение выпрямленного напряжения, регулятор тока инвертора — на изменение противоЭДС последнего.

При возникновении ситуации, когда ток в линии стремится к увеличению, например при коротком замыкании в линии, в действие вступает регулятор тока выпрямителя. Сравнивая ток в линии с заданным значением (током уставки), этот регулятор выявляет положительное приращение тока и воздействует на систему управления вентилями, увеличивая угол α и снижая тем самым выпрямленное напряжение. В результате ток в линии возвращается к заданному значению.

При стремлении тока в линии к снижению, например при снижении напряжения в передающей системе в результате каких-то аварийных ситуаций в ней, регулятор тока инвертора выявляет отрицательное приращение тока линии и воздействует на свою систему управления, снижая противоЭДС инвертора и возвращая тем самым ток линии к заданному значению. Ток уставки регулятора тока инвертора составляет 90—95 % тока уставки регулятора выпрямителя.

Таким образом, ток в линии как бы зажат между токами уставок двух регуляторов и не может ни увеличиться, ни уменьшиться. Именно поэтому межсистемная электропередача постоянного тока не приводит к взаимному увеличению токов коротких замыканий в связываемых системах и никакие аварийные ситуации в одной из систем не вызывают каких-либо возмущений в другой, что и подтверждается опытом эксплуатации существующих ППТ и ВПТ. На токи уставок двух регуляторов тока воздействует регулятор мощности, который поддерживает заданную мощность, передаваемую по линии, или же изменяет эту мощность в соответствии с заданным графиком нагрузки. Если выпрямитель и инвертор разделены большим расстоянием, необходим телеканал связи, чтобы изменять уставки тока двух регуляторов одновременно. Наличие регулятора мощности в особенности целесообразно на межгосударственных связях, поскольку он строго обеспечивает в любой период времени передачу оговореннои контрактом мощности вне зависимости от возможных коллизии в приемной системе и облегчает тем самым коммерческие расчеты.

Помимо указанных выше регуляторов ППТ и ВПТ оснащены еще рядом регулирующих устройств. К ним относятся: