Системы передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) приобретают все большее значение, поскольку радикальный энергетический переход меняет ландшафт производства, передачи и распределения электроэнергии.
Энергосистема испытывает давление, поскольку все больше внимания уделяется цифровизации, декарбонизации, росту распределенной генерации. Технология HVDC предлагает наиболее эффективные средства передачи большего количества энергии на дальние расстояния для подключения к сети возобновляемых источников энергии и стабилизации трехфазных сетей.
В отчете 360i Research, опубликованном в начале этого года, прогнозируется, что мировой рынок вырастет примерно на 11% в течение следующих пяти лет. В частности, рынок преобразовательных подстанций HVDC в 2018 году составлял 8,73 млрд. долларов США и, по прогнозам, к 2027 году достигнет 21,44 млрд. долларов США.
Необходимость HVDC.
Быстрый переход от ископаемого топлива к возобновляемым ресурсам необходим для выполнения обязательств по Парижскому соглашению и оказывает мощное воздействие на потоки нагрузки. Для того чтобы справиться с возросшими нагрузками, требуется значительное усовершенствование существующей инфраструктуры передачи электроэнергии. Помимо увеличения нагрузок, новая сеть должна также обеспечивать передачу мощности на большие расстояния между генерацией электроэнергии и центрами нагрузки. Если добавить к этому рыночные силы развивающихся международных рынков электроэнергии, которые нуждаются в увеличении пропускной способности с помощью усовершенствованных трансграничных соединительных линий, то это - система, которая постоянно изменяется и нуждается в усилении.
Увеличение нагрузок при сохранении оптимальной производительности за счет минимизации потерь сети имеет решающее значение, и именно здесь HVDC играет важную роль. При передаче электроэнергии на большие расстояния передача постоянного тока высокого напряжения является наиболее экономичным решением по сравнению с передачей переменного тока высокого напряжения.
Потребность в возобновляемых источниках энергии.
Одним из важных факторов развития технологии HVDC является растущая потребность интеграции возобновляемых ресурсов в сеть. Поскольку эти ресурсы часто расположены вдали от центров нагрузки, а в случае оффшорных ветряных электростанций, удаленны от самой сети, подключение HVDC является оптимальным решением. Тенденция использования морских ветроэнергетических установок, несомненно, усиливается. В прошлом году в сеть Германии было добавлено 160 морских турбин общей мощностью 1,1 ГВт. Согласно планам, разработанным федеральным правительством, к 2030 году мощность морских ветроэнергетических установок достигнет 15 ГВт.
Подключение к центрам нагрузки.
Интеграция возобновляемых источников энергии, а также стабилизация сети требует преимуществ, которые может предоставить HVDC. В Германии планируется построить соединение Север-Юг, называемое SuedLink, в рамках более широкой программы по увеличению пропускной способности между Северной и Южной Германией и содействию интеграции возобновляемых источников энергии в сеть. Этот проект также позволит избежать перетоков, вызванных скачками генерации в некоторых частях Германии в сети соседних стран: Венгрии, Польши, Чешской Республики и Словакии. Данная линия будет построена с использованием технологии HVDC, которая позволит стабилизировать сеть при сильных колебаниях в выработке энергии, включая оптимизированный поток нагрузки для балансировки сети переменного тока 400 кВ. Планируемые линии электропередачи HVDC будут в основном реализованы подземными кабелями постоянного тока напряжением ± 525 кВ.
Эта линия будет включать в себя станции HVDC преобразователей для максимального контроля потока электроэнергии.
В зависимости от типа схемы преобразователя, мощность может быть преобразована в емкостную или индуктивную (либо поток мощности может быть вообще изменен).
Эти особенности преобразователей HVDC будут использоваться для будущих сетей по всему миру.
Для межсистемных соединений переходные станции требуются после прокладки кабеля определенной длины для обеспечения разделения и безопасного заземления каждого участка линии, для проведения испытаний по питанию и пуско-наладке, а также для физического разделения кабелей от разных поставщиков. Такие станции кабельного перехода могут включать разъединители и заземлители, устройства для измерения напряжения и тока, определения места повреждения линии. В то же время, воздушные переходы от одной линии к другой также включают в себя разрядники для защиты от перенапряжений.
Распределительные устройства с газовой изоляцией.
В растущем количестве приложений для систем HVDC пространство является очень ценным товаром - будь то оффшорные ветряные электростанции, решения HVDC для густонаселенных районов или даже переходные станции в межсетевых соединениях. Когда дело доходит до технологий экономии места при передаче электроэнергии высокого напряжения, одним из наиболее эффективных инструментов является распределительное устройство с элегазовой изоляцией (GIS - КРУЭ) вместо распределительного устройства с воздушной изоляцией (AIS).
Поскольку это справедливо для каждой новой технологии, в отношении приложения постоянного тока также возникали некоторые проблемы, которые необходимо было учитывать при разработке КРУЭ постоянного тока. Недавно разработанные технологии изоляции постоянного тока позволили Siemens Energy успешно адаптировать испытанную технологию распределительного устройства переменного тока с элегазовой изоляцией 8DQ1 для высоковольтных устройств постоянного тока напряжением до ± 550 кВ и токов до 5000 А.
Потенциал КРУЭ значительно экономит место, так как потребность в пространстве для распределительного устройства может быть снижена до 95% в отличие от AIS.
Технология КРУЭ для приложений постоянного тока исследовалась с 1980-х годов и мало применялась. За последнее десятилетие, в рамках программы развития, отмечается значительный прогресс в области базовых знаний о системах с газовой изоляцией постоянного тока, что привело к появлению новых технических решений.
Технология Dc GIS уже используется в рамках коммерческих проектов в Японии, например, Kii Channel Link, введенная в эксплуатацию в 2001 году, и преобразовательная станция Hokuto, введенная в эксплуатацию в 2019 году. В Европе появляются проекты DolWin6 и BorWin5 - шестой и седьмой проект по подключению к морской сети высокого напряжения постоянного тока Siemens Energy в Северном море Германии, оба с использованием систем с газовой изоляцией постоянного тока. DolWin6 и BorWin5 планируется ввести в эксплуатацию в 2023 и 2025 годах.
Требуется новый подход.
По сравнению с AIS, конструкция с газовой изоляцией систем HVDC для преобразовательных и переходных станций предлагает операторам различные преимущества. Это особенно актуально в тех случаях, когда требуется компактная установка, эстетичная планировка станции, независимость от условий окружающей среды и предотвращение попаданий молнии.
Компактные сборки КРУЭ для приложений HVDC были разработаны и в настоящее время выходят на рынок. Системы с газовой изоляцией, как правило, отличаются высокой степенью надежности и отличными долгосрочными характеристиками. Однако существенное различие между переменным током и постоянным током состоит в том, что электрическая проводимость изоляционных материалов, определяющая постоянное электрическое поле, сильно зависит от температуры, в то время как их диэлектрическая проницаемость, определяющая переменное электрическое поле, не изменяется в соответствующем диапазоне температур. Впоследствии при разработке необходимо учитывать специфические аспекты постоянного тока, которые необходимо подтверждать соответствующими испытаниями.
Спецификация КРУЭ постоянного тока имеет некоторые существенные отличия от хорошо зарекомендовавших себя КРУЭ, поскольку изоляторы постоянного тока подвержены явлению полевого перехода, сопровождающегося накоплением заряда в объеме и на границах раздела. После подачи питания электростатическое поле, определяемое диэлектрической проницаемостью, со временем преобразуется в поле электрического потока, которое определяется проводимостью.
Результирующее распределение резистивного поля сильно зависит от используемых материалов и их проводимости, зависящей от температуры и электрического поля. Теплопроводность, излучение и конвекция газа, вызванные током в проводнике, приводят к градиенту температуры во время работы. Результирующий температурный градиент поперек изолятора от проводника к корпусу вызывает повышенную проводимость материала в более теплом материале вблизи проводника. Соответственно, наибольшее напряжение электрического поля смещается в сторону более холодных участков корпуса.
Из-за этого зависящего от температуры распределения постоянного поля необходимы соответствующие материалы и надежный контроль электрического поля. Надежность КРУЭ постоянного тока 8DQ1 при различных условиях нагрузки и электрических и тепловых нагрузок была подтверждена в ходе типовых испытаний в соответствии с применимыми стандартами IEC для аналогичных технологий переменного тока и рекомендациями CIGRE по диэлектрическим испытаниям систем HVDC с газовой изоляцией.
С 2014 года CIGRE JWG D1 / B3.57 разрабатывает рекомендации – «Диэлектрические испытания систем HVDC с газовой изоляцией». В принципе, электрические и механические требования согласно IEC 62271-203, которые не зависят от типа рабочего напряжения, должны быть выполнены. Дополнительные электрические и термоэлектрические испытания должны учитывать уникальные аспекты применения напряжения постоянного тока.
Типовые испытания с кабелем постоянного тока.
Еще одна важная особенность КРУЭ постоянного тока - это интерфейсные модули, необходимые для перехода от КРУЭ к другому оборудованию, например к воздушной линии или кабелю постоянного тока. Недавним достижением стало успешное завершение первого в мире испытания на утверждение типа кабельной системы постоянного тока напряжением 525 кВ с интерфейсом КРУЭ постоянного тока в соответствии с IEC 62271-209 и CIGRE TB496.
Совместно с Sumitomo Electric Industries и Südkabel компания Siemens провела типовые испытания в лабораториях KEMA Labs, торговой марки CESI в Германии, в Мангейме.
Интегрированные кабели были изолированы современным компаундом из сшитого полиэтилена, разработанного Sumitomo Electric Industries для операций с изменением полярности. Они были произведены в двух разных местах. Первый кабель был произведен на Südkabel GmbH в Мангейме, Германия, а второй кабель был произведен Sumitomo Electric Industries в Hitachi, Япония.
В соответствии с МЭК 62271-209 оба кабеля были подключены к Siemens GIS через шины КРУЭ постоянного тока в соответствии с IEC 62271-209. Результаты совместных испытаний показали соответствие кабельной системы постоянного тока 525 кВ и интерфейса КРУЭ постоянного тока в соответствии с CIGRE TB496. В дополнение к нормативным требованиям, предъявляемым к испытаниям на уровне напряжения U=525 кВ, были успешно пройдены последующие операции по изменению полярности на основе уровня напряжения U=640 кВ, которые показали целостность системы в направлении более высоких уровней напряжения системы.
Благодаря повышению изоляционной способности прямая комбинация систем изоляции КРУЭ постоянного тока и кабеля требует значительно меньше места, чем альтернативная система с воздушной изоляцией. Таким образом, эта мощная комбинация может помочь операторам систем передачи преодолеть проблемы, часто встречающиеся в проектах с морскими (и береговыми) преобразовательными подстанциями или переходными станциями.
Заглядывая в будущее.
В энергетическом ландшафте, обусловленном растущим спросом на электроэнергию и глобальной декарбонизацией, потребуются многополюсные соединители постоянного тока для обеспечения надежного и устойчивого энергоснабжения. Когда речь идет о кабельных линиях высокого напряжения подключенных к оффшорным преобразовательным платформам и береговым переходным станциям, КРУЭ постоянного тока представляет собой компактное и эффективное решение с высокой функциональностью.
Успешное типовое испытание подтвердило соответствие КРУЭ постоянного тока Siemens Energy и кабельной системы постоянного тока 525 кВ требованиям последних международных испытаний кабельной системы. Это еще раз подчеркивает ориентированную на будущее конструкцию распределительного устройства постоянного тока - особенно когда речь идет о сложных требованиях к пространству - и может быть добавлено к списку преимуществ систем постоянного тока с газовой изоляцией на постоянном токе.