2.4. Передача энергии постоянным током высокого напряжения

В системах переменного тока с большим количеством электростанций существует проблема поддержания синхронной работы всех генераторов. Устойчивое состояние такой системы в нормальных режимах работы определяется техническими параметрами системы, обеспечивающими способность системы противостоять возмущениям режима. Особенное значение приобретает проблема устойчивости синхронной (параллельной) работы нескольких энергосистем, объединенных межсистемными связями.

Недостаточная пропускная способность межсистемных связей (с малым запасом устойчивости) в ситуациях резкого роста нагрузок, короткого замыкания, внезапного отключения генерирующих и передающих элементов системы может приводить к нарушению статической устойчивости (при малых возмущениях) и динамической устойчивости (при резких и глубоких нарушениях нормального режима). Вследствие нарушения устойчивости происходит выпадение генераторов из синхронизма, что может привести к распаду энергосистем, входящих в энергообразование, на несинхронные части с тяжелыми экономическими последствиями для потребителей электроэнергии.

Устойчивость систем является основным фактором, ограничивающим пропускную способность электропередач переменного тока большой протяженности, близкой к длине четверти волны распространения электромагнитного поля вдоль линии (1500 км при промышленной частоте 50 Гц или 1250 км при частоте 60 Гц).

По приведенным причинам во второй половине ХХ века вновь возник интерес к электропередачам постоянного тока (ЭППТ). Однако в отличие от раннего периода развития этих передач в ХІХ веке их теперь характеризуют высокая пропускная способность, большая протяженность и сверхвысокие напряжения.

Принципиальная схема передачи включает выпрямитель трехфазного переменного тока в постоянный ток высокого напряжения и инвертор (преобразователь постоянного тока в переменный). Выпрямитель может создавать высокое постоянное напряжение одного знака (+) на одном полюсе линии относительно второго заземленного полюса (униполярная передача) либо напряжение разных знаков (плюс или минус) на каждом из полюсов относительно средней заземленной точки выпрямителя (биполярная передача, рис. 2.3).

14 августа 2003 года в энергообразовании систем восточного побережья США и юга Канады произошла крупнейшая в истории мировой электроэнергетики авария с распадом энергосистем. О масштабах случившегося можно судить по следующим данным. В процессе развития аварии были обесточены потребители суммарной мощностью 61800 МВт. Пострадали потребители восьми штатов США (Огайо, Мичиган, Нью-Йорк, Пенсильвания, Нью-Джерси, Вермонт, Коннектикут, Массачусетс), а также двух канадских провинций (Онтарио и Квебек). Авария затронула 6 зон оперативного управления и привела к остановке свыше 100 генерирующих агрегатов на электростанциях, в том числе 22 реакторов на 9 атомных электростанциях. Были закрыты 10 аэропортов, отменено более 700 авиарейсов. В метрополитене Нью-Йорка задержалось около 350 тыс. человек. Многие часы более 50 млн. человек, проживающих на территории площадью 24 тыс. кв. км, оставались без света. На полное восстановление энергоснабжения потребовалось 44 часа.

В конце сентября этого же года несколько часов оставалась полностью обесточенной вся Италия, когда в результате грозы повредились две из четырех линий электропередачи, связывающих энергосистемы Италии и Франции.

Рис. 2.3. Принципиальная схема биполярной ЭППТ между двумя энергосистемами переменного напряжения и тока

В униполярной передаче, часто используемой для подводной прокладки кабеля, выпрямитель с инвертором соединяется одним проводником (кабелем постоянного тока). В биполярной передаче выпрямитель с инвертором соединяются двухполюсной линией постоянного тока. В конструктивном отношении эта линия может быть выполнена как протяженная воздушная линия с двумя полюсными проводниками на опорах или как кабельная линия с двумя полюсными кабелями постоянного тока.

В процессе преобразования токов потребляется значительная реактивная мощность (0,5–0,6 кВА на 1 кВт активной мощности). Конденсаторные установки, необходимые для генерации реактивной мощности, усложняют и удорожают конструкции преобразовательных подстанций электропередач постоянного тока.

Технология силового преобразования трехфазных переменных токов в середине ХХ века основывалась на применении ртутных ламповых выпрямителей большой мощности. На территории бывшего СССР первая межсистемная ЭППТ с ртутными выпрямителями была построена в 1962 году между Волжской ГЭС и подстанцией Михайловка в Луганской области Украины. Напряжение передачи ± 400 кВ, длина 473 км, проектная мощность 750 МВт.

Техника преобразования тока прошла путь непрерывного совершенствования от первых выпрямителей с «ртутниками» и 6-фазным режимом выпрямления до систем на базе силовой полупроводниковой техники и 12-фазным режимом выпрямления с электронным управлением. В 60-х годах ХХ века началось широкое применение силовых тиристоров сначала с масляным охлаждением, а затем с охлаждением деионизированной водой.

На биполярной ЭППТ ± 530 кВ Кабора Басса мощностью 1920 МВт, находящейся на территории Мозамбика, где в 70-е годы ХХ века велись военные действия с антиправительственными группами, каждый полюс линии постоянного тока был сооружен на отдельных опорах и проходил по разным трассам, удаленным друг от друга на десятки километров. Это позволяло в случае диверсии (подрыва опоры) сохранять половину мощности передачи по неповрежденному полюсу.

В 1970 году в США была введена в действие тихоокеанская линия постоянного тока мощностью 1400 МВт, напряжением ± 400 кВ, длиной 1362 км для передачи электроэнергии от ГЭС в штате Орегон в энергосистему Лос-Анджелеса. В период 1973–1990 гг. в Канаде были введены в эксплуатацию три передачи длиной около 900 км, построенные от ГЭС Нельсон Ривер, находящихся у полярного круга, до г.Виннипег на юге страны. Мощность третьей ЭППТ составила 2000 МВт при напряжении ± 500 кВ. В 1983 и 1985 гг. в Бразилии введены в строй две цепи ЭППТ ГЭС Итайпу пропускной способностью 3150 МВт на цепь при напряжении ± 600 кВ. Длина каждой цепи около 800 км.

В 80-е годы ХХ века в СССР велись интенсивные работы по созданию ЭППТ ± 750 кВ Экибастуз (Казахстан) – Центр России протяженностью 2400 км, мощностью 6000 МВт для передачи электроэнергии от крупнейших ТЭС на месторождениях дешевого угля.

Электропередачи постоянного тока применялись повсеместно для транспорта электроэнергии от мощных ГЭС или ТЭС, удаленных на большие расстояния от центров электропотребления.

Наряду с использованием электропередач постоянного тока для транспорта электроэнергии их стали применять для выполнения функций межсистемных связей значительной протяженности. Эффективность применения дальних передач постоянного тока обусловлена не только повышением устойчивости межсистемных связей, но также низкими потерями активной мощности, уменьшением размеров конструкций биполярной линии по сравнению с трехфазной воздушной линией при одинаковой мощности (рис. 2.4), отсутствием ограничений по длине передачи и возможностью быстрого регулирования величины мощности и направления ее передачи за счет обратимости выпрямителей в инверторы и наоборот.

Таблица 2.2 Линии постоянного тока Балтийского региона

* ППТ 4 находится в стадии проекта, остальные эксплуатируются.

Рис. 2.4. Сравнение опор ВЛ 800 кВ переменного тока (а) и ВЛ ±500 кВ постоянного тока (б) для одинаковой передаваемой мощности (размеры указаны в метрах)

Системы электропередач постоянного тока оказались особо предпочтительными для подводных кабельных линий при расстояниях до 300 км и напряжении 400 кВ. Морские подводные кабели постоянного тока нашли широкое применение, особенно в Японии и Европе (например в Балтийском регионе, табл. 2.2). Одна из наиболее протяженных европейских кабельных линий длиной 292 км проложена еще в 1967 году между Италией и островом Сардиния через Тирренское море. В 2005 году построена электропередача постоянного тока между Австралией и островом Тасмания. Протяженность подводной части электропередачи составляет 295 км.

Мощные электропередачи постоянного тока в будущем могут стать средством объединения энергосистем в трансконтинентальные энергообразования. Рассматривается вариант строительства мощной многоподстанционной электропередачи постоянного тока, связывающей энергосистемы России, Беларуси, Польши и Германии. Возможно создание связи постоянного тока Россия – США через Берингов пролив.

Системы электропередач постоянного тока используются также как соединительные вставки между двумя энергосистемами, работающими на переменном токе несинхронно или с разной номинальной частотой. Помимо этого, использование вставки постоянного тока (ВПТ) эффективно при различных способах регулирования частоты тока и напряжения в соединяемых энергосистемах или при несоразмерности мощности этих систем. У вставок постоянного тока выпрямительный и инверторный преобразователи располагаются на одной и той же подстанции, а длина соединяющей их линии постоянного тока составляет всего несколько метров. Вставки постоянного тока обеспечивают развязку примыкающих энергосистем по частоте, напряжению и мощности короткого замыкания при высокой управляемости передачи энергии по величине и направлению в одну или другую энергосистему. В Японии вставки постоянного тока использованы для связи энергосистем, работающих на частоте переменного тока 50 и 60 Гц. Одна из мощных вставок постоянного тока сооружена в России (г. Выборг) для связи двух крупнейших энергообразований – ЕЭС России и NORDEL (объединение энергосистем стран Северной Европы).

Прокладка кабельных линий электропередач

Открытое распределительное устройство 750 кВ подстанции «Киевская»