Передача электроэнергии

Передача электроэнергии

Передача электроэнергии от электростанции к потребителям — одна из важнейших задач энергетики. Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока. Необходимость передачи электроэнергии на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории. Тенденция к концентрации мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии. Размещение мощных электростанций производится с учётом целого ряда факторов, таких, например, как наличие энергоресурсов, их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия, возможность работы в составе единой энергосистемы и т. п. Часто такие электростанции оказываются существенно удалёнными от основных центров потребления электроэнергии. От эффективности передачи электроэнергии на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.

Одной из основных характеристик электропередачи является её пропускная способность, то есть та наибольшая мощность, которую можно передать по ЛЭП с учётом ограничивающих факторов: предельной мощности по условиям устойчивости, потерь на корону, нагрева проводников и т. д. Мощность, передаваемая по ЛЭП переменного тока, связана с её протяжённостью и напряжениями зависимостью

где: и — напряжения в начале и в конце ЛЭП, — волновое сопротивление ЛЭП,? — коэффициент изменения фазы, характеризующий поворот вектора напряжения вдоль линии на единицу её длины (обусловленный волновым характером распространения электромагнитного поля), l — протяжённость ЛЭП,? — угол между векторами напряжения в начале и в конце линии, характеризующий режим электропередачи и её устойчивость. Предельная передаваемая мощность достигается при? = 90°, когда sin? = 1. Для воздушных ЛЭП переменного тока можно приближённо считать, что максимальная передаваемая мощность примерно пропорциональна квадрату напряжения, а стоимость сооружения ЛЭП пропорциональна напряжению. Поэтому в развитии электропередач наблюдается тенденция к увеличению напряжения как к главному средству повышения пропускной способности ЛЭП. Предельные значения напряжении ЛЭП, связанные с возможными перенапряжениями, ограничиваются изоляцией ЛЭП и электрической прочностью воздуха. Повышение пропускной способности ЛЭП переменного тока возможно и путём усовершенствования конструкции линии, а также посредством включения различных компенсирующих устройств. Так, например, на ЛЭП напряжением 330 Кв и выше используется «расщепление» проводов в каждой фазе на несколько электрически связанных между собой проводников; при этом индуктивное сопротивление линии уменьшается, а ёмкостная проводимость увеличивается, что ведёт к снижению Zc и уменьшению ?. Одним из способов повышения пропускной способности ЛЭП является сооружение «разомкнутых» линий, у которых на опорах подвешиваются провода двух цепей таким образом, что провода разных фаз оказываются сближенными между собой.

К основными потерям на ЛЭП можно отнести следующие факторы:

1) Тепловые (или так называемые «омические») потери;

2) Реактивные потери (индуктивные и емкостные);

3) Потери на корону.

Тепловые потери определяются омическим сопротивлением проводящих элементов ЛЭП, как правило, изготовляемых из алюминия. При прохождении электрического тока через проводники происходит их нагрев. Нагреваясь, проводники рассеивают тепло в окружающее пространство. На нагрев расходуется часть передаваемой по ЛЭП полезной мощности.

Из закона Ома хорошо видно, что увеличение диаметра поперечного сечения проводника приводит к уменьшению его удельного сопротивления. Но бесконечно увеличивать диаметр нельзя, что приводит к удорожанию ЛЭП, увеличению нагрузки на конструкции опор, ветровой нагрузки на проводники.

Реактивные потери неизбежны при эксплуатации ЛЭП, работающих на переменном токе. Существует множество методов компенсации реактивных потерь. При индуктивном характере ЛЭП используется емкостная компенсация потерь, при емкостном — индуктивная.

Потери на корону — потери электроэнергии при её передаче вследствие возникновения коронного разряда (короны).

По физической природе потери на корону — главным образом тепловые, они обусловлены передачей кинетической энергии, запасаемой ионами в электрическом поле, нейтральным молекулам газа в результате их столкновений и повышением скорости молекул и температуры газа. Незначительная часть потерь (доли или единицы%) составляют потери на ионизацию газа, химические реакции в зоне короны (образование озона и окислов азота в воздухе) и высокочастотное излучение в диапазоне 104−107 гц (т. н. радиопомехи от короны).

Потери на корону на ЛЭП возрастают с повышением напряжения. Единственный путь ограничения потерь при заданном напряжении линии — увеличение диаметра проводов.

На ЛЭП сверхвысокого напряжения (500 кВ и выше) применяют т. н. расщепленные провода, т. е. пучок из нескольких проводов небольшого диаметра (2−3 см), разнесённых друг от друга на 40−50 см и удерживаемых изоляционными распорками.

Однако и расщепление проводов лишь ограничивает потери на корону, но полностью их не устраняет. Практически потери отсутствуют лишь в хорошую погоду, когда на проводах нет осадков. Капли дождя, снег, иней и т. п., оседая на проводах, создают на них «острые» выступы и тем самым как бы уменьшают диаметр провода и провода начинают коронировать.

Ещё к одним серьёзным недостаткам ЛЭП переменного тока можно отнести сложность синхронизации, т. е. соответствие частоты и фазы объединяемых с помощью ЛЭП энергосистем. Небольшое отклонение от заданных параметров хотя бы в одной части энергосистемы может привести к аварийной ситуации и каскадному распространению аварии с одной части энергосистемы на другую.

Внедрение ЛЭП, использующих постоянный ток позволяет избежать недостатков, присущим ЛЭП переменного тока.

Высоковольтные ЛЭП постоянного тока могут оказаться более экономичными при передаче больших объёмов электроэнергии на большие расстояния. Использование постоянного тока для подводных ЛЭП позволяет избежать потерь реактивной мощности, из-за большой ёмкости кабеля неизбежно возникающих при использовании переменного тока. В определённых ситуациях ЛЭП постоянного тока могут оказаться полезными даже на коротких расстояниях, несмотря на высокую стоимость оборудования.

ЛЭП постоянного тока позволяет транспортировать электроэнергию между несинхронизированными энергосистемами переменного тока, а также помогает увеличить надёжность работы, предотвращая каскадные сбои из-за рассинхронизации фазы между отдельными частями крупной энергосистемы. ЛЭП постоянного тока также позволяет передавать электроэнергию между энергосистемами переменного тока, работающими на разной частоте, например, 50 Гц и 60 Гц. Такой способ передачи повышает стабильность работы энергосистем, так как, в случае необходимости, они могут использовать резервы энергии из несовместимых с ними энергосистем.

Как известно, мощность равна произведению напряжения на ток (P = U*I). Таким образом, увеличив напряжение можно уменьшить передаваемый по проводу ток и, как следствие, можно уменьшить сечение провода, необходимого для передачи этой мощности, что удешевит ЛЭП.

Но одним из серьёзных недостатков ЛЭП постоянного тока является то, что на сегодняшний день не существует способа без больших потерь изменять в широких пределах напряжение постоянного тока. Самым эффективным устройством для изменения величины напряжения является трансформатор, работающий на переменном токе.

Поэтому на входе всех высоковольтных ЛЭП постоянного тока устанавливается трансформатор для повышения напряжения переменного тока и оборудование для преобразования переменного тока в постоянный, а на выходе — оборудование преобразования постоянного тока в переменный и трансформатор для понижения напряжения этого переменного тока.

Первым способом преобразования больших мощностей из постоянного тока в переменный и обратно была система генератор-двигатель. Простыми словами, на входе ЛЭП двигатель переменного тока вращает генератор постоянного тока, а на выходе — двигатель постоянного тока вращает генератор переменного тока. Такая система имела довольно низкий КПД и низкую надёжность.

Практическое применение ЛЭП постоянного тока стало возможным только с появлением мощного дугового электроприбора под названием ртутный вентиль.

Но революцию в использовании ЛЭП постоянного тока сделало изобретение и внедрение мощных полупроводниковых приборов — тиристоров, биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), мощных полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) и запираемых тиристоров (GTO).

Основным преимуществом высоковольтных ЛЭП постоянного тока является возможность передавать большие объёмы электроэнергии на большие расстояния с меньшими потерями, чем у ЛЭП переменного тока. В зависимости от напряжения линии и способа преобразования тока потери могут быть снижены до 3% на 1000 км. Передача энергии по высоковольтной ЛЭП постоянного тока позволяет эффективно использовать источники электроэнергии, удаленные от энергоузлов нагрузки.

В ряде случаев высоковольтная ЛЭП постоянного тока более эффективна, чем ЛЭП переменного тока:

А) при передаче энергии по подводному кабелю, который имеет довольно высокую ёмкость, приводящую при использовании переменного тока к потерям на реактивную мощность;

Б) передача энергии в энергосистеме напрямую от электростанции к потребителю, без дополнительных 'отводов', например, в удаленные районы;

В) увеличение пропускной способности существующей энергосистемы в случаях, когда установить дополнительные ЛЭП переменного тока сложно или слишком дорого.

Г) передача энергии и стабилизация между несинхронизированными энергосистемами переменного тока.

Упрощается передача энергии между энергосистемами, использующими разные стандарты напряжения и частоты переменного тока (например, 50 Гц и 60 Гц).

Синхронизация с сетью переменного тока энергии, производимой возобновляемыми источниками энергии.

Длинные подводные кабели имеют высокую емкость. В то время как этот факт имеет минимальную роль для передачи электроэнергии на постоянном токе, переменный ток приводит к зарядке и разрядке емкости кабеля, вызывая дополнительные потери мощности. Кроме того, мощность переменного тока расходуется на диэлектрические потери.

Высоковольтная ЛЭП постоянного тока может передавать большую мощность по проводнику, так как для данной номинальной мощности постоянное напряжение в линии постоянного тока ниже, чем амплитудное напряжение в линии переменного тока. Мощность переменного тока определяет действующее значение напряжения, но оно составляет только приблизительно 71% максимального амплитудного напряжения, которое и определяет фактическую толщину изоляции и расстояние между проводниками. Поскольку у линии постоянного тока действующее значение напряжения равно амплитудному, становится возможным передавать на 41% больше мощности по существующей линии электропередачи с проводниками и изоляцией того же размера, что на переменном токе, что снижает затраты.

Поскольку высоковольтная ЛЭП постоянного тока допускает передачу энергии между несинхронизированными распределительными системами переменного тока, это позволяет увеличить устойчивость системы, препятствуя каскадному распространению аварии с одной части энергосистемы на другую. Изменения в нагрузке, приводящие с десинхронизации отдельных частей электрической сети переменного тока, не будут затрагивать линию постоянного тока, и переток мощности через линию постоянного тока будет стабилизировать электрическую сеть переменного тока. Величину и направление перетока мощности через линию постоянного тока можно непосредственно регулировать и изменять для поддержания необходимого состояния электрических сетей переменного тока с обоих концов линии постоянного тока.

Потеря на корну на ЛЭП переменного тока при прочих равных условиях выше, чем на линиях постоянного тока с непрерывно «горящей» короной. Это одно из преимуществ электропередач постоянного тока.

В последнее время построено множество источников электроэнергии, использующих возобновляемые природные ресурсы, например ветроэлектростанции.

Огромные прибрежные территории морей и побережья служат местом для установки многочисленных ветроэлектроагрегатов. И лишь только ЛЭП постоянного тока способны объединить эти источники электроэнергии в единую электрическую сеть.

Развитие современных технологий, широкое внедрение новых высоковольтных полупроводниковых приборов, внедрение схем с 12 вентилями (двенадцатиимпульсный режим) для улучшения гармонического состава постоянного тока делают использование ЛЭП постоянного тока весьма перспективными.

Способность управления потоком мощности, соединение несинхронизированных систем переменного тока, эффективное использование при передаче энергии подводными кабелями делают ЛЭП постоянного тока привлекательными для использования на межнациональном уровне.

При передаче энергии на очень большие расстояния, например в отдалённые районы Сибири, Канады и скандинавского севера, выбор обычно склоняется в сторону ЛЭП постоянного тока.

электроэнергия напряжение передача потребитель