6 Дәріс конспектісі.
Дәріс тақырыбы: .Электрэнергияны жеткузіге байланысты көкейкесті мәселер. Электр желісінің қалыпты жұмысы, электр энергиясын алыс қашықтыққа жеткізу. Тұрақты токты тасымалдау туралы негізгі түсініктер, өткізгіштік қабілеті жоғары компактілі желілер, электр энергиясын өткізгішсіз жеткізу.
Қазіргі уақытта электр энергиясын өндіру, тарату, бөлу және тұтынуда ауыспалы тоқ қолданылады. Бұл ең алдымен ауыспалы тоқтың трансформацияға, яғни қарапайым аппараттар – трансформаторлар көмегімен кернеуін өзгерту мүмкін болуымен, ауыспалы тоқтың электродвигательдері тұрақты тоқ электродвигательдеріне қарағанда қарапайым әрі сенімді болуымен түсіндіріледі. Осыған байланысты ауыспалы тоқ кейбір өнеркәсіп орындары мен электр транспортынан басқа барлық жерде қолданылады. Соған қарамастан соңғы он жылдықта әр елдердің электроэнергетиктері түрлі мақсаттарда, соның ішінде электр энергиясын қашыққа таратуда тұрақты тоқты жиі қолданып жүр (сурет 6.1).
Неге бұлай істеледі деген сұраққа жауап беру үшін ауыспалы және тұрақты тоқ линияларының сипаттамаларын салыстырайық.
Екі линияның да біртипті параметрлері бар – желілерінің белсенді қарсылығы, индуктивтілігі және сыйымдылығы. Желілердің белсенді қарсылығы линиялардағы энергия мен қуаттың жоғалуын, яғни ПӘК–ін, ал индуктивтілік пен сыйымдылық электр энергиясын берумен байланысты линиядағы электромагнитті процестерді анықтайды. Ауыспалы тоқ линиялары үшін бұл процестер толқындық сипатта болады. Бұл осы линияның негізгі сипаттамаларын анықтайды. Тұрақты тоқ линиясында толқындық процестер болмайды. Дәл осы айырмашылық электроэнергия тасымалында тұрақты тоқты пайдалану шешіміне негіз болды.
Осы сұрақты толығырақ қарастырайық.
Линияның индуктивтілігі мен сыйымдылығы оның конструкциясы – фазалар (полюстер) арасындағы қашықтық, сымдар диаметрі және линия ұзындығымен анықталады. Фазалар арасындағы қашықтық артқан сайын линия индуктивтілігі өсіп, сыйымдылығы төмендейді. Осы қашықтықты қысқартсақ кері эффект аламыз. Линия ұзындығының артуы оның индуктивтілігін де, сыйымдылығын да арттырады.
Ауыспалы және тұрақты тоқтың әуе линияларында фазалар (полюстер) арасы метрлермен (ВЛ 500 кВ ауыспалы тоқ – 12 м, ВЛ ±400 кВ тұрақты тоқ – 10 м), кабельді линияларда сантиметрлермен өлшенеді. Бұдан шығатыны әуе линиясының кабельді линияға қарағанда индуктивтілігі жоғары, ал сыйымдылығ төмен болады. Бұл сипаттамалардың айырмашылығы әуе және кабельдік линиялардың тұрақты немесе ауыспалы кернеуде жұмыс істегенінде байқалады.
Алдымен ауыспалы тоқ пен тұрақты тоқтың өтуіне индуктивтік пен сыйымдылық реакциясы әр түрлі болатынын атап өтелік. Ауыспалы тоқ өткенде онда индуктивтік бойынша тоқтың жүруіне қарсылық көрсететін өзара индукция ЭҚК – ші пайда болады. Басқаша айтқанда индуктивтік – ауыспалы тоққа қарсылық. Бұл қарслық ауыспалы тоқ жиілігіне тік пропорционалды және ол артқан сайын өсе береді. Тоқ жиілігі нөлге тең болғанда (тұрақты тоқ) индуктивті қарсылық та нөлге тең болады.
Сыйымдылық та ауыспалы тоқтың жүруіне қарсылық көрсетеді. Индуктивті қарсылыққа қарағанда сыйымдылық карсылығы жиілікке кері пропорционалды. Ауыспалы тоқтың жиілігін арттырған кезде сыйымдылқ қарсылығы төмендейді, жиілік азайғанда артады. Жиілік нөлге тең болғанда (тұрақты тоқ) сыйымдылық қарсылығы шексіздікке тең болады. Басқаша айтқанда сыйымдылық арқылы тұрақты тоқ жүрмейді.
Әуе линиясының тұрақты тоғының сыйымдылығы берілетін қуатқа еш әсер етпейді, бірақ ол арқылы линияда зарядтаушы қуатты пайда болдыратын және сымды қосымша қыздырытын, яғни линиядағы электр энергиясының жоғалуы мен ПӘК–ң төмендеуіне алыпкелетін зарядтаушы тоқ жүреді. Осыдан басқа бұл тоқ линияның аралық нүктелеріндегі кернеудің артуына және басқа да жағымсыз әсерлердің пайда болуына алып келеді. Сондықтан линияның зарядтаушы қуатын компенсациялау қажеттілігі туындайды. Ол үшін арнайы құрылғылар – реакторлар қоладанылады. Оларды қолдану линия құнының артуына алып келеді. Бір атап өтерлік жайт, линияның зарядтаушы қуатын компенсациялау тек өте жоғары кернеулі линиялар үшін ғана қажет (330 кВ және одан жоғары).
Әуе линиясында тұрақты тоқ жүретін тұрақты кернеуде, тұрақтандырылған режимде жұмыс істегенде оның индуктивтілігі де, сыйымдылығы да линия бойынша электр энергиясын беруге, демек линия ұзындығы артқанда да онымен беруге болатын максималды қуатқа еш әсер етпейді. Жоғарыда аталған себептерге байланысты тұрақты тоқ линиясында зарядтаушы қуат болмайды. Сондықтан линия қандай да бір компенсациялаушы құрылғыларды талап етпейді.
Электр энергиясын жіберу процесі магнит өрісімен жүзеге асырылып, толқынды сипатта екені белгілі. Энергияның бір бөлігі өткізгіште жоғалады, ол энергия шығыны деп аталады. Ток , өткізгіштер мен трансформаторлардан өте отырып, олардың пайдасыз қызуын тудырады. Орта есеппен шығындар барлық берілетін қуаттың 10% (одан да жоғары болады) құрайды және мемлекетке жү миллиондаған сомғ,а түседі. Сонымен, қуаттылығы 1 ГВт (1000 МВт) жүйеде бұл шығындар бағасы бойынша ақшамен алғанда 5-6 млн. сом/жыл-ды құрайды. Шығынннан бөлек бұл жыл сайынғы шығынға мұндай жүйеге станциялардағы қосымша жабдықтар, компенсациялаушы құрылғылар (КУ), қосымша қызметкер отын және осы шығындардың орнын толтыру үшін т.б. бір жылғы қаражат бөлінуі қажет. Елімізде 1980 ж орнатылған қуат шамамен 270 ГВт-қа тең болды. Желілер мен трансформаторлардағы барлық шығыннның орнын толтыруға жұмсалатын еліміздің қаражатын санап шығу қиын емес, ол жылына миллиардтаған сомға жетеді. Сондықтан осы шығындарды азайту шараларын табу жолдары мен өңдеп шығару жолдары зерттелуде. Зерттеу лабораторияларында энергияны берудің принципті түрдегі жаңа тәсілдерін проблемалары жүргізілуде. Мұндайға энергия арнайы қоспадағы, абсолюттік нольге жақын температураға дейін суытылған (шамамен 4К) өткізгіштен тыс желілерді жатқызуға болады. Бұл желілерді құруджың басты қиыншылықтары – төменгі температураны ұстануы. Іс жүзінде энергияны беру энергияның күшті ағыны шығындалмай берілуін қамтамасыз ету үшін көптеген проблема мен міндеттемелерді шешуді қажет етеді.
Тұрақты тоқтың кабельдік линиясында зарядтаушы қуат болмайды және кабельді қосымша қыздыруды болдырмайды. Сондықтан тұрақты тоқтың кабельдік линиялары өте ұзын бола алады (100-200 км) және басқа жолдармен шешуге болмайтын тапсырмаларды орындауда, мысалы үлкен су кеңістіктерін кесіп өтуде (теңіз шығанақтары), ірі қалалардың орталықтарына үлкен мөлшерде қуат жеткізуде және т. б. жағдайларда қолданылады.
Қазіргі кезде әлемде ауыспалы тоқтың екі жиілігі қолданылады – 50 және 60 Гц. Ресейде, Европа және ТМД елдерінде 50 Гц, АҚШ, Канада, Оңтүстік Американың бірқатар елдерінде, Жапонияның оңтүстігінде 60 Гц жиілік қабылданған. Әр түрлі номиналды жиіліктегі жүйені ауыспалы тоқ линиясы көмегімен параллель жұмыс істеуге біріктіру мүмкін емес. Бұл мақсатта әлемдік тәжірибе көрсеткендей тұрақты тоқты пайдалануға болады. Осындай байланыстар Жапония мен Оңтүстік Америкада бар.
Бір номиналды жиіліктегі жекелеген жүйелерді біріктіру олар синхронды жұмыс істегенде ғана мүмкін болады. Мұндай шешімнің барлық жағымды жақтарына қарамастан оның жиілікті қолдау стандарттары мен оны реттеу заңдары бірдей болатынын атап өткен жөн. Егер жүйе біріктірілгенге дейін әр түрлі жиілікті реттеу заңдылқтарымен жұмыс істесе оларды біріктіру барлық электр станцияларындағы жиілікті реттеу жүйесінің күрделі реконструкциясы мен ірі қаржылық салымдарды талап етеді. Сонымен қатар жүйелерді параллель жұмыс істеуге біріктіру байланыстырылатын жүйелердегі қысқа тұйықталу тоқтарының бір мезгілде артуына алып келеді. Оларды шектеу немесе коммутациялық аппаратты ауыстыру қымбатқа түсетін шараларды жүргзуді талап етеді.
Тағы бір маңызды аспектіні атап өткен жөн. Жүйелерді біріктіру олардың бірге жұмыс істеуінің тұрақтылығын қамтамасыз етуді талап етеді. Жүйелерді ауыспалы тоқ байланыстарымен біріктіргенде және жүйелердің бірінде апаттық жағдай пайда болғанда, мысалы қысқа тұйықталу, электр станциясы немесе ірі генерациялаушы блок сөнгенде, біріккен жұмыс тұрақтылығы бұзылуы мүмкін. Бұл тұтас аудандардың электр энергиясынсыз қалып, үлкен экономикалық шығындарға әкелуі мүмкін. Көптеген дамыған елдер осындай жағдайларды басынан өткерген.
6.1- сурет. Тұрақты тоқты тарату структуралық схемасы ППТ (тұрақты тоқты тарату, а), (тұрақты ток қыстырғылары, б)
Егер жүйені біріктіру үшін тұрақты тоқ буынын қолданса жоғарыда аталған проблемалар туындамайды. Бұл жағдайда біріккен жұмыс тұрақтылығы мен қысқа тұйықталу тоқтарының артуы проблемасы толығымен алынады, ал байланыстырылатын жүйелер бірдей немесе аз ғана айырмашылықты жиілікте, бірақ асинхронды жұмыс істейді. Мұндай шешім қалыпты, апаттық, апаттан кейінгі жағдайларда біріктірілген жүйелердің сенімді әрі тиімді жұмыс істеу қабілетін жоғарылатуға байланысты белгілі «жүйелік эффект беруі мүмкін», себебі әлемдік практика көрсеткендей тұрақты тоқ буыны каскадты апаттардың таралуына жол бермейді.
Егер тұрақты тоқ линиясын бірнеше жүйені біріктіру үшін қолданса, онда барлық осы жүйелер бір – бірінен тәуелсіз жұмыс істей алады, бірақ өзара қуат алмасып тұрады. Бұл жағдайда тұрақты тоқ линиясы осы жүйелер үшін жинақтаушы шиналар рөлін атқарады. Және де бір жүйедегі апаттық ауытқулар ауыспалы тоқтағы байланыстай бір – біріне берілмейді.
Жүйелік эффект тұрақты тоқ буыны ауыспалы тоқтың жүйеаралық байланысын шунттағанда да көрініс табуы мүмкін. Бұл жерде оның жақсы басқарылуы есебінен баланыстырылатын жүйенің жұмысының тиімділігін арттыру үшін осы байланыстар бойынша қуат ағымдарының қайта таралуын қамтамасыз етуге және қажет болған жағдайда олардың синхронды жұмысын сақтап қалуға болады.
Тұрақты тоқты тарату өз қасиетін тағы бір салада көрсете алады. Гидротурбиналардың ерекшелігі жұмыс доңғалақтарының өзгеріссіз бір жылдамдықта, яғни ауыспалы тоқтың жиілігі тұрақты болғанда максималды ПӘК–не жоғарғы бьефтегі су деңгейі тұрақты немесе аз ауытқулар болғанда ғана қол жеткізуге болатыны белгілі. Мұндай режимдер тек су қоймасы жобалық белгіге дейін толтырылған, су сыйымдылығы үлкен су қоймалары бар гидростанциялар үшін мүмкін. Басқа ГЭС–тер үшін су қоймасы істеп, су арыны төмендегенде жұмысшы валдың айналу жылдамдығы өзгермей істеп тұруы турбинаның ПӘК–ін төмендетеді. Әсіресе бұл құбылыс суы көтерілетін ГЭС–тер мен ірі су қоймалары бар ГЭС–де оларды толтыру кезінде жиі байқалады.
ПӘК–ін максималды деңгейде сақтап тұру үшін бұл жағдайда турбиналардың айналу жиіліктерін өзгерту қажет. Бұл ауыспалы тоқ жиілігінің өзгеруіне және ГЭС генераторлары мен жүйе жиіліктерінің әр түрлі болуына байланысты ауыспалы тоқ линиясы бойынша жүйеге ГЭС қуат бере алмауына алып келеді. Егер ГЭС–ті жүйемен байланыстыру үшін тұрақты тоқ линиясы қолданылса жүйеге қуат беру мүмкіндігін гидрогенераторлардың айналымы ауыспалы жиілігінде, соның ішінде ұзақ жылдарға созылуы мүмкін су қоймасын толтыру кезеңінде де қамтамасыз етуге болады. Жоғарыда айтылғандардан қазіргі заманғы электроэнергетикада тұрақты тоқты пайдалану мүмкін салаларды анықтауға болады.
Негізгі әдебиеттер 5 [373-442]
Қосымша әдебиеттер 2 [232-322]
Бақылау сұрақтары:
Тұрақты тоқты тарату артықшылығы мен кемшіліктері?
Тұрақты ток қыстырғылары деген не?
Тұрақты тоқты тарату схемаларының ерекшеліктері?
Электрэнергетикалық жүйелерде не себептен ттқ қолданылады?
Зарядтаушы қуат деген не?