Области применения электропередач и вставок постоянного тока

В настоящее время для выработки электрической энергии, ее передачи на расстояние, распределения и потребления используется в основном 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 то, что значительно легче создать выключатели переменного тока, способные отключать токи в десятки тысяч ампер при напряжении в сотни киловольт. Благодаря этому переменный ток используется везде, 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 и задач, связанных с передачей электрической энергии на расстояние.
Для ответа на вопрос, почему это делается, сопоставим характеристики линий переменного и постоянного тока.
Обе линии имеют однотипные параметры — активное сопротивление проводов, индуктивность и емкость. 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. В линии переменного тока эти процессы носят волновой характер, что и определяет основные характеристики такой линии. В линии постоянного тока в установившихся режимах волновые процессы отсутствуют. Именно это различие и лежит в основе всех решений, связанных с применением постоянного тока для транспорта электроэнергии.
Разумеется, генерация, передача, распределение и потребление электроэнергии осуществляются на переменном токе. Постоянный  ток используется лишь для решения сравнительно небольшого, но достаточно важного круга задач, что объясняется специфическими свойствами постоянного тока и характером электромагнитных процессов, связанных с передачей электроэнергии.

В настоящее время все известные объекты постоянного тока делятся на две группы. К первой из них относятся электропередачи постоянного тока (ППТ), по которым 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.

Структурные схемы ППТ и ВПТ приведены на рис. 1. По концам электропередачи включены преобразователи П1 и П2, которые преобразовывают переменный ток в постоянный на отправном конце и постоянный в переменный — на приемном. Устройство, преобразующее переменный ток в постоянный, называется выпрямителем, преобразующее постоянный ток в переменный — инвертором. По линии электропередачи передается постоянный ток.

Рис. 1. Структурные схемы ППТ (а) и ВПТ (б)

Вставка постоянного тока может быть расположена или вблизи от одной из связываемых систем, или на одной из промежуточных подстанций электропередачи переменного тока, которая связывает эти две системы. В последнем случае линии, подходящие с разных сторон к ВПТ, могут иметь разное напряжение или связываемые системы могут иметь разную частоту. Линии переменного тока и вставки постоянного тока, используемые для связи двух несинхронно работающих систем или систем с разной частотой, имеют преимущество, которое состоит в том, что с их помощью проще обеспечить питание потребителей, расположенных вдоль трассы линии. Для этого нужно построить обычные трансформаторные подстанции. В случае связи систем с помощью ППТ это сделать значительно сложнее.
Процесс передачи электрической энергии по линии постоянного тока носит принципиально иной характер, поскольку в ней отсутствуют волновые процессы. Благодаря этому линия постоянного тока обладает качественно иными свойствами. Так как частота в данном случае равна нулю, то продольное индуктивное сопротивление линии и ее поперечная емкостная проводимость также равны нулю. Если пропускная способность линии переменного тока, определяемая главным образом электромагнитными свойствами, зависит от длины линии и уменьшается с увеличением последней, то в линии постоянного тока такая зависимость отсутствует. Именно поэтому линия постоянного тока рассматривается как одно из эффективных средств передачи больших мощностей на большие расстояния, когда задача не может быть решена с помощью линии переменного тока или когда применение передачи переменного тока оказывается менее экономичным решением.
В линии постоянного тока отсутствует зарядная мощность, характерная для линий переменного тока. Это обстоятельство имеет большое значение для кабельных линий. В кабельных линиях переменного тока зарядная мощность ограничивает их длину и полезную передаваемую мощность из-за нагрева токоведущих жил кабеля. В кабельных линиях постоянного тока это ограничение снимается, что позволяет делать их достаточно длинными. Так, например, кабельная линия постоянного тока, связывающая энергосистемы Швеции и Финляндии и проложенная по дну Балтийского моря, имеет длину 200 км при напряжении полюса 400 кВ. В перспективе предполагается сооружение кабельных линий постоянного тока длиной 600—700 км (Великобритания — Исландия). Построить такие линии на переменном токе не представляется возможным.
Кабельные линии постоянного тока высокого напряжения и с передаваемой мощностью в сотни мегаватт могут применяться и для ввода мощности в центры крупных городов и промышленных районов, которые занимают большие территории и потребляют весьма значительные мощности. Так, например, в Москве эти мощности составляют 35—40, в Берлине — до 100, в Нью-Йорке (Манхеттен) — до 500 МВт/км. Причем эти мощности имеют тенденцию к возрастанию. Сооружение крупных электростанций в центральной 330 части города нецелесообразно по многим причинам, в том числе и экологическим. Поэтому мощности нужно вводить в центр города с его окраин или из пригородов, где возможно сооружение подстанций СВН, куда передается энергия от удаленных электростанций, а затем эту мощность передавать в центр города по кабельным линиям, так называемым глубоким вводам.

Таблица 1
Характеристика некоторых крупных электропередач и вставок постоянного тока

Глубокий ввод мощности в город по кабелям постоянного тока имеет преимущество, заключающееся в том, что при этом не увеличиваются токи коротких замыканий и исключаются мероприятия по их ограничению или замене коммутационных аппаратов, как это было бы при использовании ввода на переменном токе. Однако при этом следует иметь в виду, что такое решение потребует сооружения преобразовательных подстанций в начале и конце кабельной линии.
Поскольку как в ППТ, так и в ВПТ мощность передается через звено постоянного тока, то осуществляется полная развязка по частоте. С их помощью можно связывать системы, работающие с разной номинальной частотой (ВПТ Шин-Шинано и Сакума, Япония) или с одной номинальной частотой, но несинхронно (ВПТ Россия—Финляндия в г. Выборге), а также системы с одной номинальной частотой, в которых применяются разные законы ее регулирования или имеются различные требования к ее поддержанию. И во всех этих случаях может быть обеспечена передача мощности в двух направлениях, т.е. реверсивность работы передачи.

Важно отметить при этом, что преобразователи ППТ и ВПТ оснащены весьма быстродействующей системой автоматического регулирования. Поэтому возмущения, возникшие в результате аварии в одной из связываемых систем, не передаются в другую, как это было бы при их связи по линиям переменного тока.
Таким образом, ППТ и ВПТ могут применяться для решения достаточно широкого круга задач электроэнергетики, а именно:
передача энергии от удаленных электростанций;
связь двух или нескольких систем, работающих несинхронно или с различной номинальной частотой;
пересечение больших водных пространств с помощью кабельных линий;
глубокие кабельные вводы в города и промышленные центры;
межгосударственные связи.
Следует отметить, что наряду с перечисленными выше преимуществами электропередачи и вставки постоянного тока традиционного исполнения имеют ряд недостатков, как, впрочем, и любое другое инженерное решение.
К их числу относятся:
большое потребление реактивной мощности преобразовательными устройствами, составляющее 0,5—0,6 квар/кВт на каждой преобразовательной подстанции; для мощных ППТ и ВПТ это требует установки дополнительных компенсирующих устройств на подстанциях и соответственно дополнительных затрат;
потребление преобразователями из сети или генерация в сеть тока несинусоидальной формы, т.е. тока, содержащего высшие гармоники. При большой мощности преобразователей токи высших гармоник имеют большие значения и, следовательно, могут оказывать отрицательное воздействие на примыкающие системы, поэтому на преобразовательных подстанциях принимают меры по их компенсации, что также требует дополнительных затрат.
Следует отметить, что новые типы преобразователей, разработанные в последнее время, в значительной мере лишены этих недостатков, однако в силу ряда причин они еще не получили широкого применения.
В результате преобразовательные подстанции электропередач и вставок постоянного тока имеют существенно большую стоимость, чем подстанции переменного тока при равной мощности. Удельная стоимость мощной подстанции постоянного тока составляет 55— 75 долл/кВт против 20—40 долл/кВт для переменного тока.
Стоимость воздушной линии электропередачи определяется стоимостью проводов, опор, их фундаментов, линейной изоляции, условиями прокладки трассы, монтажа. По современным данным стоимость 1 км линии постоянного тока примерно на 20—25 % меньше стоимости 1 км линии переменного тока. Поскольку затраты на линию определяются ее длиной, то в результате для протяженных линий постоянного тока экономия на их сооружении компенсирует избыточные затраты на сооружение преобразовательных подстанций.

 

Рис. 2. Капитальные вложения в электропередачи переменного (штриховая линия) и постоянного тока (сплошная линия) одинаковой пропускной способности:
1,3 — тяжелые условия прохождения трассы; 2, 4 — благополучные условия прохождения трассы

При некоторой длине линии, называемой критической Lкр (Lкр1 и Lкр2) затраты К на сооружение электропередачи постоянного и переменного тока становятся одинаковыми (рис. 2). При длине линии свыше критической целесообразно сооружать линию постоянного тока, при длине линии менее критической — переменного тока.
Естественно, что значение критической длины линии определяется соотношением цен на аппаратуру и оборудование преобразовательных подстанций, а также на провода, изоляторы, опоры линий. Кроме того, значение критической длины линии определяется условиями прохождения трассы. При тяжелых условиях эта длина меньше, чем при благоприятных условиях. Применительно к условиям России критическая длина линии составляет 600—1000 км.
Выбор рода тока — постоянного или переменного, а также номинального напряжения при выборе варианта сооружения электропередачи производится на основании детальных технико-экономических сопоставлений. В них учитывается целый ряд факторов, таких как капитальные вложения в линии и подстанции, ежегодные издержки на эксплуатацию и ремонт линий и подстанций, стоимость потерь энергии на нагрев проводов и корону и пр. Одним из важных показателей является себестоимость электроэнергии на приемном конце электропередачи. Необходимо также учитывать и системные аспекты, которые возникнут при сооружении той или иной передачи: вопросы устойчивости генераторов удаленной станции или связываемых систем, перспективы развития системы и многое др. При выборе рода тока следует учитывать стабилизирующий эффект электропередач или вставок постоянного тока, о чем говорилось выше.