3.2.4. Натуральная мощность и пропускная способность лэп

Рассмотрим ЛЭП без потерь, для которой активное сопротивление r₀= 0 и активная проводимостьg₀= 0. Выделим на ней отрезок единичной длины∆lс индуктивным сопротивлениемx₀∆lи емкостной проводимостьюb₀∆l. На этом участке имеют место потребление реактивной мощности на индуктивном сопротивлении и генерация реактивной мощности за счет емкостной проводимости:

x₀∆l,Q_C =U ² b₀∆l.

Мощность Q_Lзависит от величины передаваемой мощности, а мощностьQ_Cот величины передаваемой мощности не зависит. Следовательно, при некоторой активной мощностиPбудет иметь место равенствоQ_L = Q_Cи реактивная мощность ЛЭП будет равна нулю, то есть линия станет идеальной. Мощность, передаваемую в этом режиме, называютнатуральной мощностью P_нат, а сам режим работы ЛЭП — режимом передачи натуральной мощности. При номинальном напряжении

x₀∆lωL₀∆l,

b₀∆lωС₀∆l,

,

откуда находим:

или

,

где — волновое сопротивление линии.

В реальной линии, в которой r₀ ≠ 0 и g₀ ≠ 0, при Q = 0 будут наименьшими:

∆P ,

а при P=P_натлиния будет работать с наибольшим КПД вследствие того, что она находится на самобалансе реактивной мощности.

На практике невозможно обеспечить работу всех линий в режиме, близком к натуральному, но этого добиваются для отдельных линий, когда существует возможность регулировать передаваемую мощность за счет ее перераспределения в электрической сети и генерирования реактивной мощности в местах ее потребления.

Пропускная способность ЛЭП определяется величиной активной мощности, которую линия может передать при выполнении всех условий, определяющих ее нормальную работу. Натуральная мощность, пропускная способность и предельная длина воздушных ЛЭП на напряжения 35 кВ и выше приведена в таблице 3.3. Натуральная мощность кабельных линий на порядок больше, чем воздушных.

Таблица 3.3. Пропускная способность и дальность передачи линий 35…1150 кВ

Напряжение линии, кВ	Сечение провода, мм2	Передаваемая мощность, МВт		Длина ЛЭП, км
		натуральная	при плотности тока 1,1 А/мм2	предельная при КПД 0,9	средняя меж- ду двумя со-седними ПС
35	70…150	3	4…10	25	8
110	70…240	30	13…45	80	25
150	150…300	60	38…77	250	20
220	24…400	135	90…150	400	100
330	2∙240…2∙400	360	270…450	700	130
500	3∙300…3∙500	900	770…1300	1200	280
750	5∙300…5∙500	2100	1500…2000	2200	300
1150	8∙300…8∙500	5200	4000…6000	3000	—

Примечание: Передаваемая мощность зависит от длины линии.

3.2.5 Линии электропередач постоянного тока

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, чтоэлектродвигателипеременного тока по своей конструкции значительно проще и, следовательно, надежнее электродвигателей постоянного тока. 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.

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. 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.

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.

Из сказанного можно сделать следующие выводы:

1. 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;

2. Воздушная линия постоянного тока не имеет такого ограничения, поэтому линия постоянного тока может иметь любую длину и передаваемую мощность, которые диктуются практической целесообразностью.

Кабельные линии переменного токаимеют весьма ограниченную длину — не более 15–20 км. Это объясняется большой зарядной мощностью, возникающей вследствие значительной емкости 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 токазарядная мощность отсутствует и не создает дополнительного нагрева кабеля. Поэтому кабельные линии постоянного тока могут сооружаться достаточно длинными (100–200 км и более) 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.

Кроме того, с помощью линий постоянного тока можно объединять энергосистемы, работающие несинхронного, а также энергосистемы, работающие на разных частотах. Объединение с помощью линий переменного тока крупных энергосистем, даже работающих синхронно, может приводить к потере устойчивости, что грозит крупными авариями. Если же энергосистемы объединять с помощью звена постоянного тока, то они будут работать независимо друг от друга, но обмениваться между собой мощностью. При этом аварийные возмущения в одной из систем не будут передаваться в другие, как это было бы при связи на переменном токе.

Из сказанного выше могут быть определенывозможные области применения постоянного токав современной электроэнергетике. К ним следует отнести:

— дальние электропередачи, например, от удаленных ГЭС или АЭС. Расстояния здесь могут исчисляться многими сотнями и тысячами километров;

— 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.

Внастоящее время все электропередачи постоянного тока делятся на две группы. К первой из них относятся собственноэлектропередачи 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 называемыевставки 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.

Структурные схемы ППТ и ВПТ приведены на рис. 3.13. Электрическая энергия переменного тока, вырабатываемая генераторами передающей системы, выпрямителями Впреобразуется в энергию постоянного тока и передается по линии, а затем с помощью инверторовИснова преобразуется в энергию переменного тока и передается в приемную систему.

Преобразователи построены на основе трехфазных вентильных мостов. С целью повышения напряжения цепи постоянного тока преобразователи выполняются по 12-фазным схемам, образуемым последовательным включением двух трехфазных мостов. Преобразователи являются реверсивными: при необходимости изменения направления передачи мощности выпрямитель становится инвертором, а инвертор — выпрямителем. При этом направление тока в линии остается неизменным, так как вентили в преобразователях пропускают ток только в одном направлении, но меняется полярность самих преобразователей.

Основным элементом преобразовательного мостаявляются вентили. В настоящее время в качестве вентилей чаще всего используютсявысоковольтные тиристорные вентили(ВТВ), собранные из множестватиристоров, включенных последовательно. Кроме того, все более широко применяются полностью управляемые высоковольтные вентили на базеIGBTтранзисторов.

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

— согласует напряжение сети переменного тока с напряжением линии постоянного тока, что обеспечивается выбором соответствующего коэффициента трансформации;

— электрически отделяет цепь выпрямленного тока от сети переменного тока.

Электропередачи постоянного тока могут выполняться по униполярнойилибиполярнойсхеме. В униполярной схеме (рис. 3.13а) один из полюсов передачи заземляется с обеих сторон. Заземление выполняется обязательно, так как в противном случае потенциалы полюсов относительно земли в этой цепи будут определяться случайными факторами, главным образом токами утечки по изоляции. Это недопустимо, поскольку невозможно будет осуществить координацию изоляции.

В униполярной схеме провод заземленного полюса обычно отсутствует, его роль выполняет земля. Сопротивление земли для постоянного тока равно нулю. Поэтому сопротивление заземленного провода будет определяться только сопротивлением заземлителей, имеющим очень малую величину (0,05–0,15 Ом). Обычно электропередачи такого типа сооружаются при пересечении больших водных пространств, например морских проливов.

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. Если 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.

Мощные ППТ выполняются по биполярной схеме (рис. 3.13б), где линия выполнена с двумя полюсами, каждый из которых изолирован от земли. Заземляются средние точки преобразовательных подстанций. При этом напряжение между полюсами вдвое выше, чем напряжение полюс земля. Это позволяет повысить КПД передачи. Кроме того, 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 продолжает работать.

У вставок постоянного тока линия отсутствует, поэтому они выполняются по униполярной схеме на меньшие напряжения цепи постоянного тока.

Стоимость линии постоянного тока меньше стоимости линии переменного тока, главным образом, за счет более легких опор. В то же время стоимость подстанций ППТ будет выше, чем стоимость подстанций переменного тока, за счет более сложного и дорогого оборудования. Следовательно, с превышением некоторой критической длины линии ППТ становится дешевле ЛЭП переменного тока такой же мощности. В зависимости от конкретной ситуации критическая длина линии может составлять от 500 до 1000 км.

По состоянию на 2012 год во всем мире действовало (или готовилось к вводу в эксплуатацию) 83 ППТ общей мощностью около 99 ГВт и 39 ВПТ общей мощностью 18,6 ГВт. Лидером в области строительства ППП является Китай, где имеется 14 ППТ общей мощностью 43,8 ГВт (44,3% от мощности всех ППТ в мире). Наиболее мощной и протяженной воздушной ППТ также станет китайская ППТ Цзиньпин–Восточный Китай (КНР), 2100 км, 7,2 ГВт, ±800 кВ. Напряжение ±800 кВ в настоящее время является самым высоким напряжением ППТ. Ввод этой линии на полную мощность намечен на 2014 г.

Наиболее протяженными кабельными ППТ являются ППТ Герус–Замбези (Намибия), 970 км, 300 МВт и Ява–Суматра (Индонезия) 700 км, 3 ГВт.

Абсолютное большинство действующих ППТ и ВПТ выполнено на тиристорных преобразователях. Однако с 1997 г. началось создание передач и инверторами напряжения на IGBTтранзисторах. Первая такая ППТ, построенная в Швеции, имела мощность всего 3 МВт. Однако к настоящему времени действуют уже 12 ППТ наIGBTтранзисторах, мощность отдельных электропередач достигает 800 МВт (Германия).

В России помимо ВПТ «Выборг» мощностью 1,065 ГВт, связывающей энергосистемы России и Финляндии, действует единственная ППТ Волгоград–Донбасс (400 кВ, 750 МВт, 475 км), построенная еще в 1964 г. Строительство ППТ Экибастуз–Тамбов (Экибастуз–Центр) протяженностью 2400 км, мощностью 6 ГВт и напряжением ±750 кВ, начатое в 80-е годы XXв., прекращено в 90-е годы в связи с распадом СССР.

В период до 2018 года в мире планируется ввести в строй 28 ППТ и ВПТ общей мощностью около 90 ГВт. Лидером по-прежнему является Китай, где планируется ввести 13 ППТ общей мощностью 76,4 ГВт, в том числе ППТ Иркутск–Пекин мощностью 6,4 ГВт. Заслуживает также внимания проект кабельной ППТ между Францией и Испанией на IGBTтранзисторах мощностью 2 ГВт (напряжение ±320 кВ, длина 60 км), которая планируется к пуску в 2014 г.

В Генеральном плане развития электрической сети ЕЭС России на период до 2020 г. рекомендуется строительство ППТ Сибирь – Урал – Центр (±750 кВ, 3 ГВт, 3700 км), Урал – Средняя Волга – Центр (±750 кВ, 3 ГВт, 1850 км), две ППТ Эвенкийская ГЭС – Тюмень ((±500 кВ, 2,5 ГВт, 600 и 800 км), Сибирь – Тюмень (±550 кВ, 2 ГВт, 900 км). С целью объединения энергосистем Сибири и Дальнего Востока рекомендуется установить на подстанциях Могочи и Хани ВПТ мощностью 500 МВт каждая.