1.2. Характеристика передачи электроэнергии переменным и постоянным током.

В настоящее время производство, передача электроэнергии во всех странах мира осуществляется преимущественно на трехфазном переменном токе 50 Гц или 60 Гц. Это объясняется следующими причинами. Основными потребителями являются электропривода различных механизмов, для которых применяют про­стые и надежные трехфазные асинхронные двигатели. Вращающееся электромаг­нитное поле — естественное свойство трехфазной системы. Производство элек­троэнергии технически возможно как генераторами переменного тока, так и по­стоянного тока, рабочее напряжение которых ограничено по конструктивным соображениям до 30 кВ. Для обеспечения экономичности передачи электроэнергии на дальние расстояния необходимо напряжение, значительно превышающее но­минальное напряжение генераторов. Непосредственная трансформация постоян­ного тока невозможна. Поэтому повышение напряжения при токах в несколько тысяч ампер возможно только с помощью явления электромагнитной индукции и трансформаторов, что создает возможность для последующей эффективной пере­дачи электроэнергии переменным током. Потребление электроэнергии произво­дится на относительно низком напряжения — сотни, тысячи вольт. Поэтому на приемном конце электропередачи необходимо снова использовать трансформа­торные устройства. Переменный ток выявил свои преимущества после изобрете­ния трансформатора. По этим двум причинам цепочка: производство, передача и потребление осуществляется, как правило, на переменном токе [7].

Доставка ЭЭ от электростанции к электроприемникам в общем случае осуще­ствляется сетями различного класса номинального напряжения, т. е. выводы генера­торов на электростанциях и электроприемников разделяют сети нескольких ступе­ней трансформации. На рис. 1.2 представлена принципиальная упрощенная схема передачи и распределения ЭЭ, охватывающая все ступени (классы) номинального напряжения. Условная схема отдельной электропередачи в направлении передачи энергии от электрической станции ЭС к электроприемникам ЭП имеет пять линий различного класса напряжения и пять подстанций (ПС1 — ПС5), ступеней транс­формации. Например, если подстанция ПС1 соединяет выводы генератора с ЛЭП 500кВ, то возможными напряжениями линий последующих ступеней будут 220 (330), ПО (150), 35, 10, 0,38 кВ. Чем ниже напряжение сети, тем больше количество линий она имеет и тем меньшая мощность передается по каждой из них.

Рис. 1.2. Условная схема системы передачи и распределения электроэнергии

Свойства линий электропередачи и электрических сетей переменного тока рассматриваются в дальнейшем. Приведем краткую характеристику электропере­дачи постоянного тока.

Для передачи электроэнергии постоянным током сооружаются преобразова­тельные подстанции — выпрямительная (ВПС) на питающем конце электропередачи, преобразующая после трансформации на высокое напряжение переменный ток в по­стоянный с незначительными пульсациями с последующей передачей энергии на рас­стояние, и инверторная (ИПС) на переменном конце с обратным преобразованием по­стоянного тока в переменный для трансформации на низкое напряжение [7].

Упрощенная схема, поясняющая состав главных элементов и общий прин­цип работы линии постоянного тока, дана на рис. 1.3. Для обеспечения работы преобразовательных подстанций необходима значительная реактивная мощность (примерно 50% от передаваемой активной). Эта мощность должна покрываться генераторами, имеющимися в системе, и источниками реактивной мощности (ИРМ), компенсирующими устройствами большой мощности, устанавливаемыми поблизости от преобразователей. Для сглаживания пульсаций тока и ограничения скорости возрастания его при повреждениях в линию включают реакторы.

Рис. 1.3. Принципиальная схема электропередачи постоянного тока

До настоящего времени не созданы удовлетворительной конструкции вы­ключатели постоянного тока высокого напряжения. Отключение линий постоян­ного тока (ЛПТ) производится закрытием вентилей ВПС. Поэтому электропере­дача постоянного тока имеет блоковую схему: ВПС— ЛПТ — ИПСбез присоеди­нения других ИПСв промежуточных пунктах линии. Техническая трудность осу­ществления разветвленных линий электропередачи постоянного тока вызвана также особенностями их режимного регулирования, обеспечения устойчивости, необходимостью локализации аварий и др. [2].

Энергия передается по воздушным или кабельным линиям постоянного тока высокого напряжения. Реактивные элементы линии не проявляют себя при посто­янном токе, а сопротивление линии ограничивается только омическим значением. Поэтому наибольшая мощность, передаваемая по ЛПТ, ограничена пропускной способностью преобразовательных подстанций и допустимым нагревом прово­дов, кабелей и других элементов.

Из ряда качеств ЛПТ выделим особое: по электропередаче постоянного тока возможно соединение ЭЭС с различной частотой, т. е. возможно выполнить не­синхронную связь различных систем и, в частности, передачу мощности от ГЭС при пониженных напоре и частоте, объединение маломощной системы с более мощной без замены оборудования по параметрам режима короткого замыкания.

Наличие двух подстанций (выпрямительной и инверторной) — дорогих и сложных в эксплуатации — сдерживает широкое применение линий постоянного тока. Применение постоянного тока для передачи электроэнергии может быть альтернативой переменному току для сверхдальних линий (от 1500 км и выше и передаче мощности свыше 2000 МВт). Электропередачи постоянного тока мень­шей протяженности применяются при решении технических задач формирования объединенных энергосистем, не решаемых с помощью электропередач перемен­ного тока (обеспечение устойчивости параллельной работы, несинхронная связь ЭЭС большой мощности, кабельные линии большой протяженности) [2, 7], а так­же в тех случаях, когда сооружение воздушных и кабельных линий ЛЭП пере­менного тока экономически нецелесообразно, например, для пересечения морско­го пространства.

Наиболее полно анализ проблем и сопоставление ЛЭП переменного и по­стоянного тока выполнены в [2, 3, 7].

В дальнейшем рассматриваются системы передачи и распределения ЭЭ на переменном трехфазном токе. В большинстве случаев преимущество этой систе­мы передачи и распределения электроэнергии неоспоримы в электрических сетях по всему диапазону напряжений, начиная с низковольтных линий передачи 0,38 кВ и до ЛЭП сверхвысокого напряжения 1150 кВ, т. е. от обеспечения электро­энергией индивидуальных потребителей до межсистемных связей длиной до 2000 км и более. Прогресс в технике передачи переменным током заключается в инже­нерном освоении и совершенствовании существующих линий, в глубоких науч­ных исследованиях и конструкторских разработках создаваемых линий электро­передачи, в дальнейшем увеличении параметров по напряжению, передаваемой мощности и дальности передачи электрической энергии.

Результаты исследований, накопленный опыт проектирования и эксплуатации электропередач переменного тока позволяют рекомендовать некоторые целесообраз­ные соотношения между указанными параметрами, приведенными в табл. 1.1.

Представленные в табл. 1.1 линии электропередачи образуют сети всех классов напряжений. Известны различные классификации линий и сетей по классам напряже­ний [8—11]. По наиболее распространенной из них, сложившейся в последние 25—30 лет, в зависимости от протяженности, величины передаваемой мощности, номинально­го напряжения и назначения электрические сети подразделяются на протяженные (дальние), системообразующие, питающие и распределительные.

Вместе с тем, в соответствии с этапами транспорта ЭЭ от электростанции к потребителям (рис. 1.2), выделим ЛЭП, формирующие систему передачи энергии, и ЛЭП, составляющих систему распределения энергии.

Экономически целесообразные параметры линий электропередачи переменного тока

К первой системе — системе передачи ЭЭ — отнесены внутрисистемные и межсистемные линии, включая протяженные (дальние) линии, напряжением 330—750 кВ. Эти линии являются системообразующими и, в соответствии с их главной функцией, передают электроэнергию от систем с ее избытком к системам с дефицитом энергии, от источников к центрам распределения, питания распреде­лительных сетей. Ко второй системе — системе распределения ЭЭ — отнесем ли­нии 6—110 (220) кВ, основное назначение которых заключаются в распределении ЭЭ между крупными районами распределения (сетевыми районами) и непосред­ственной доставке ЭЭ потребителям. К этой системе относится также низко­вольтная сеть. Такая классификация отличается от традиционной и отражает на­значение дальних ЛЭП и существенно изменившейся, на наш взгляд, в последние годы роли так называемых питающих сетей 110, а в ряде случаев 220 кВ. Эти ли­нии по причине значительной разветвленное™, вызванной появлением вдоль ли­нии новых районов и подстанций электропотребления, все в большей степени вы­полняют функции распределения ЭЭ, а также связи (объединения) местных срав­нительно небольших источников и крупных узлов нагрузки на значительной тер­ритории потребления энергии.

Характеристики систем передачи и распределения электроэнергии рассмот­рим в разд. 1.4 и 1.5.

Важной и неотъемлемой частью системы передачи и распределения ЭЭ яв­ляются различные устройства автоматики и регулирования, краткая характери­стика которых приводится ниже.