ГЛАВА V
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА ПО УПРОЩЕННЫМ ЛИНИЯМ
В современных условиях передача электроэнергии в предельно простом случае осуществляется, как правило, в форме трехфазного тока, хотя с точки зрения физики этот способ не единственный. Так, например, уже получили практическое осуществление электропередачи постоянного тока, ведутся поисковые работы для осуществления электропередачи по волноводам, поставлены опыты по передаче энергии без проводов сфокусированным пучком электромагнитных волн и т. п.
Поднимая вопрос о необходимости уменьшения числа проводов (менее трех), необходимо подчеркнуть, что основной задачей электропередачи является передача возможно большей мощности при возможно меньших расчетных затратах. Совершенно очевидно, что при этом безразлично; каким током осуществляется передача, каково напряжение и число фаз, какие технические средства при этом используются.
Другими словами, если в качестве независимой переменной взять одну лишь мощность, то оценить различные способы электропередачи можно более определенно. Так в дальнейшем мы и будем рассматривать возможность осуществления упрощенной электропередачи.
В настоящее время промышленная передача энергии по двум проводам осуществляется в основном постоянным током. Рассмотрим кратко электропередачу постоянным током применительно к сельской электрификации.
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧА ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
С физической точки зрения электропередача постоянным током является наиболее экономичной. Однако в оценке этого способа существуют некоторые разногласия. Так, из теоретического обобщения и опыта эксплуатации ЛЭП постоянного тока в ФРГ автор переводной монографии К. Баудиш делает вывод о том, что при одинаковом к.п.д. обеих передач по воздушным линиям и при одинаковом напряжении между проводами, и следовательно, при одинаковом классе изоляции на постоянном токе может быть передана мощность в полтора раза большая, чем при переменном токе.
Советский специалист Л. Р. Нейман утверждает, что при больших мощностях и главным образом при больших длинах преимущество имеет ЛЭП постоянного тока, при меньших мощностях и длинах преимущество сохраняется за линиями переменного тока. Однако в работах Я. М. Червоненкиса подчеркивается эффективность применения передачи постоянным током небольших мощностей, так как стоимость преобразовательных подстанций с понижением мощности уменьшается быстрее стоимости линий.
Очевидно, что, оценивая способ передачи энергии постоянным током, следует еще и учитывать уровень развития технических средств, необходимых для осуществления этого способа. Если подходить к решению вопроса с этих позиций, то говоря о преимуществах постоянного тока (конечно, в определенном диапазоне мощностей, напряжений, расстояний и т. п.), необходимо отметить несовершенство преобразовательных устройств. Это привело к тому, что некоторые специалисты (В. Г. Енин, И. А. Сыромятников и др.) либо отрицательно относятся к данной проблеме, либо считают ее постановку преждевременной. Обстоятельная дискуссия на страницах журнала «Электричество» внесла некоторую ясность в саму постановку вопроса и определила основные преимущества и недостатки этого способа, подчеркнув, что в экономическом сопоставлении линий передачи постоянного и переменного тока определяющим фактором является стоимость преобразовательных подстанций постоянного тока.
Стоимость подстанций определяется в основном стоимостью строительства и отопления закрытых помещений, стоимостью трансформаторов, вентилей, реакторов, источников реактивной мощности и устройств для управления и защиты. Все перечисленные элементы являются необходимыми, когда выпрямление и инвертирование осуществляется при помощи ртутных вентилей, а основным электромагнитным устройством является силовой трансформатор.
Если распространить идею совмещения на электропередачу постоянным током, то появится возможность упростить преобразовательные устройства и тем самым удешевить подстанции.
Наиболее трудным в смысле выполнения всех предъявляемых требований является режим автономного инвертора, в связи с этим относительно возможности выполнения совмещенного инвертора с необходимыми характеристиками требуются некоторые пояснения.
Предварительным изучением электромагнитных процессов, возникающих в трансформаторе, было установлено, что «потенциальная волна» напряжения последовательно обходит все обмотки трансформатора. Если учесть, что B=Bm sin (ωt + φ), то сдвига, д. с. во времени на 2/3π и есть результат пространственного сдвига осей обмоток при синусоидальной индукции. Отсюда следует, что если соединить обмотки трансформатора треугольником и сделать от каждой обмотки определенное число отпаек, то перемещая по отпайкам щетки в направлении следования фаз (синхронно с потенциальной волной), получим на щетках постоянное напряжение. Основываясь на принципе обратимости, можно предположить, что подводя к вращающимся щеткам постоянный ток, мы получим трехфазный. Описанная схема получила название полигонной.
Если полигонную схему дополнить внутренним источником реактивной мощности, то физика инвертирования станет более благоприятной, чем в обычных схемах. Действительно, все схемные усложнения обычного способа инвертирования (мостовая схема) являются следствием скачкообразного изменения режима, то есть вентили, работая в режимах «открыто»—«закрыто», не обеспечивают равномерную передачу мощности электромагнитным путем из первичного коммутируемого контура постоянного тока во вторичный переменного. В грубом приближении инвертирование происходит в результате попеременного подключения в определенном порядке трех фаз инверторного трансформатора к соответствующим полюсам ЛЭП постоянного тока.
Распространяя идею совмещения на конструктивное оформление инвертора, можно заключить, что электромагнитная основа его должна быть такой же, как и у описанного выше регулируемого трансформатора-преобразователя. Отличие будет состоять только в соединении обмоток и дополнении коммутационным устройством.
Наиболее слабым звеном инвертора является его неустойчивость. Это объясняется тем, что противоэлектродвижущая сила находится в сложной зависимости от величины и характера нагрузки, то есть 
Устойчивой работа инвертора будет при соблюдении следующих неравенств:
то есть наиболее экономичная и устойчивая работа инвертора возможна только при получении фазового компаундирования и регулируемого источника реактивной мощности.
Предварительные экспериментальные исследования совмещенного инвертора дают основание считать такую конструкцию наиболее приемлемой. Однако и в данном случае наличие коммутирующего устройства в конструкции снижает ее надежность. После разработки высоковольтных и полупроводниковых коммутационных устройств проблема электроснабжения сельского хозяйства по линиям постоянного тока может быть решена более эффективно, чем на переменном токе при помощи совмещенного инвертора.
О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПО УПРОЩЕННЫМ ЛИНИЯМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В настоящее время в исследовании передачи переменного тока пока еще много неясного. Ученые ведут сейчас поиски в осуществлении линий электропередачи, настроенных на полуволну. Результаты поисков очень обнадеживающие. Однако, несмотря на достигнутые успехи, линии все еще остаются многопроводными, так как для обеспечения надежности в большинстве случаев приходится выполнять их двухцепными (шестипроводными). Таким образом, проблема уменьшения числа проводов ЛЭП является на сегодняшний день исключительно важной проблемой. Особенно злободневна она в сельской электрификации.
Попытки решить проблему на основе использования обычных технических средств были и раньше. Так, в свое время были предложены упрощенные системы — «один провод — земля» (ОПЗ) и «два провода — земля» (ДПЗ). Однако обе эти системы по разным причинам не получили распространения: ОПЗ в основном из-за отсутствия однофазного двигателя с хорошими пусковыми и рабочими характеристиками, а система ДПЗ из-за повышенного напряжения относительно земли и меньшей надежности (отключение при замыкании одного провода на землю).
Одной из основных причин, сдерживающих разработку упрощенных систем, является не совсем правильная оценка трехфазной электропередачи как способа, обеспечивающего максимальную пропускную способность при минимальных капиталовложениях. Рассмотрим это несколько подробнее.
Обычно при сопоставлении передачи энергии трехфазным и однофазным токами приводятся доводы о том, что для передачи переменным однофазным током активной мощности Р = UI cos φ необходимы два провода, которые пропускают ток I при экономичной плотности, а при трехфазном токе можно передать мощность в √3 раз больше, добавляя всего один провод такого же сечения. То есть, говоря иными словами, увеличение передаваемой мощности на 73% требует увеличения общего сечения только на 50%. Такое сопоставление применительно к ЛЭП без учета исходных положений неверно.
Для выбора того или иного способа электропередачи необходимо сопоставить расчетные затраты сравниваемых вариантов при одинаковой пропускной способности линий, то есть:
(47)
где К — стоимость линии и преобразовательных устройств, руб;
Рл — коэффициент, учитывающий ежегодные отчисления на амортизацию;
Рн — нормативный коэффициент = 0,125;
m — число фаз линии;
τ — число часов потерь;
с — стоимость одного киловатт-часа, руб.
При электропередаче активной величиной, определяющей пропускную способность линии и ее стоимость, является напряжение относительно земли. Это напряжение и внутреннее перенапряжение определяют стоимость линейной изоляции, а следовательно, и всей линии.
Если учесть, что напряжение относительно земли — основной параметр, то оказывается при определенных схемах однофазные и двухпроводные линии являются эквивалентными трехфазным по затратам проводникового материала на единицу передаваемой мощности и величине потерь при передаче (рис. 26).
Действительно, мощность, которую можно передать по трехфазной трехпроводной линии, определяется по известной формуле:
(48)
Заменим ток через экономическую плотность тока j и сечение провода одной фазы S, то есть
(49)
Рис. 26. Сопоставление способов передачи электрической энергии по трехпроводной, двухпроводной и однопроводной линиям.
Если же однофазный трансформатор выполнить с заземленной средней точкой высокого напряжения (рис. 26), а сечение проводов линии увеличить на 50%, сохранив ту же плотность тока, то по такой ЛЭП можно передать мощность, аналогичную передаваемой трехпроводной линией, то есть
(50)
Однако предпочтение следует отдать двухпроводной линии, поскольку она, с одной стороны, дешевле, а с другой — надежнее. Меньшие расчетные затраты объясняются:
уменьшением на 1/3 изоляторов;
удешевлением проводникового материала (три провода меньшего сечения стоят дороже двух проводов такого же суммарного сечения);
увеличением пролета, а следовательно, уменьшением числа опор за счет меньших механических нагрузок (равномерность тяжения, меньший вес гололеда и т. п.);
удешевлением строительно-монтажных работ.
Надежность двухпроводной линии объясняется тем, что при обрыве одного из проводов по линии электропередачи можно передавать половину мощности с возвратом тока через землю (ОПЗ). В этом отношении двухпроводная линия эквивалентна электропередаче постоянным током.
Таким образом, по надежности двухпроводную линию следует приравнивать к шестипроводной (имеется в виду утроенное сечение проводов) даже с несколько большей надежностью за счет меньшей вероятности возникновения аварийного режима (два провода вместо шести).
Возвращаясь к обычному сопоставлению трехфазной и однофазной линий, можно сказать, что методическая неточность объясняется неопределенностью отсчета линейного напряжения, то есть, если мы утверждаем, что при нормальном режиме в трехфазной линии напряжение любой фазы относительно земли равно Uф, то в однофазной (двухпроводной) нельзя сказать определенно, какой имеется в виду провод.
При заземлении одного провода отпадает необходимость в его изоляции. Если же учесть незначительное сопротивление земли (примерно 0,05 ом/км), то этот провод можно убрать совсем. В данном случае, утроив сечение незаземленной фазы, можно передать такую же мощность, что и по трехфазной линии, то есть:
(51)
Правда, здесь следует оговориться, что к.п.д. электропередачи несколько снизится за счет потерь в «земляном проводе». Если не учитывать характер тока, то электропередачи с меньшим числом проводов всегда предпочтительнее. Кроме того, вопрос снижения стоимости ЛЭП при уменьшении числа проводов, общее сечение которых не изменяется, исследован в области электропередачи постоянным током достаточно полно и сомнений не вызывает.
Возвращаясь к оценке трехфазного тока, необходимо отметить, что предпочтение ему отдается не из-за наименьшей стоимости трехпроводной линии, а по той причине, что именно такой ток нужен для питания асинхронных двигателей.
Таким образом, учитывая последнее замечание, следует отметить, что сопоставление упрощенных линий с трехфазными линиями электропередачи имеет смысл только в том случае, если мы располагаем техническими средствами для преобразования однофазного тока в трехфазный.
