DOI 10.57112/22022-31

УДК 621.311

ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ

Сычев Дмитрий Андреевич

Сташко Василий Иванович

Аннотация:

Ограниченная пропускная способность линии электропередачи (ЛЭП) по отношению к потребностям является серьезной проблемой, с которой приходится сталкиваться при передаче электрической энергии. Поэтому для обеспечения постоянно растущего потребления электроэнергии и мощности, необходимо решать проблему увеличения пропускной способности ЛЭП. Сооружение новых воздушных линий электропередач усложняется, поэтому необходимо искать альтернативные решения, которые позволят увеличить пропускную способность существующей линий. В данной статье предлагается способ повышения пропускной способности линии электропередачи за счёт перевода её с переменного тока на постоянный.

Ключевые слова: постоянный ток, ЛЭП, ППТ, мощность, электроэнергия, электропередача, переменный ток.

Существующая сетевая модель работы во многих динамично развивающихся регионах страны обусловлена растущими темпами потребления электроэнергии, связанными с увеличением отпуска электроэнергии отдельным потребителям и подключением новых потребителей. Эта ситуация приводит к повышенным нагрузкам на воздушные линии электропередачи, также к этим нагрузкам могут быть добавлены транзитные перетоки мощности. Из этого следует, что уже в ближайшей перспективе необходимо будет пересмотреть существующую модель построения электрических сетей с целью повышения их пропускной способности.

Основная тенденция применения технологии ППТ (передача постоянного тока) - передача большой мощности на дальние расстояния с использованием постоянного тока ультравысокого напряжения (УВН). В настоящее время данная технология наиболее широко используется в Китае, Индии и Бразилии, что обусловлено с неравномерностью распределения энергоресурсов и центров потребления электроэнергии по территории страны. В КНР сегодня функционирует 14 ППТ УВН с напряжением ± 800 кВ, и ещё несколько ЛЭП (линия электропередачи) находятся на стадии сооружения [1].

В 2016 г. было принято решение о реализации энергетического проекта «Центральная Азия – Южная Азия», известного под аббревиатурой CASA-1000. Этот позволит экспортировать излишки гидроэлектроэнергии из Кыргызстана и Таджикистана в Афганистан и в Пакистан. Проект предусматривает строительство ЛЭП ППТ для транспортировки электроэнергии общей протяженностью в  750 км [2].

Развитие отечественной высоковольтной техники для ППТ берёт своё начало с исследований, которые проводились в 20-х годах прошлого века в ВЭИ - Всероссийском электротехническом институте им. В. И. Ленина (с 2017 г. ВЭИ является филиалом ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е. И. Забабахина»). На базе ВЭИ проводилась разработка, проектирование и создание комплексов электротехнического оборудования для крупнейших в мире ЛЭП ППТ, таких как  Экибастуз – Центр, 1500 кВ, мощностью 6 ГВт и Выборгская вставка постоянного тока мощностью 1,5 ГВт [3].  

Важно отметить тот факт, что выполненные в 80-90-х гг. прошлого века в ВЭИ исследования заложили основы реализации многоподстанционных и многоподстанционных сетей постоянного тока, которые опередили зарубежные разработки примерно на 20-30 лет [3]. К сожалению, из-за возникновения множества проблем, уникальный проект ППТ Экибастуз – Центр так и не был реализован до конца.

Всего в мире, за последнее столетие было введено в строй более 100 объектов ППТ (рисунок 1).

Рисунок 1 – Количество введенных в эксплуатацию и планируемых к строительству объектов постоянного тока в 1950-2020 гг.

Сегодня проблема создания ЛЭП ППТ вновь стала весьма актуальной. Это связано в первую очередь с тем, что современная энергосистема должна быть не только эффективной и экономичной, но и должна обладать более высокой пропускной способностью.

Применению ППТ также способствует тенденция на развитие и применение силовых полупроводниковых приборов, что связано, главным образом, с бурным развитием электромобилей, ИБП (источники бесперебойного питания), ВИЭ (возобновляемые источники энергии), строительством высоковольтных ЛЭП постоянного тока и т.д. (рисунок 2).

Внедрение полупроводниковых технологий позволит повысить управляемость, пропускную способность сетей и обеспечить надёжность передачи электроэнергии.

Электропередача постоянным током отличается по многим факторам, присущих передаче переменным током, одним из таких факторов является пропускная способность. Максимальная мощность, которая может быть пропущена пол линиям переменного тока меньше, чем у линии постоянного тока того же номинального значения напряжения. В в настоящее время передача и распределение электроэнергии осуществляется на переменном токе. Данная система имеет ряд преимуществ, но не лишена и недостатков, основной из которых как раз и является – недостаточная пропускная способность ЛЭП.

Рисунок 2 – Основные факторы и тенденции развития силовой электроники

Вместе с тем, сложности применения ППТ связаны с техническими трудностями при создании эффективных и недорогих устройств, которое необходимо устанавливать в начале и конце линии, для преобразования переменного тока в постоянный и обратно.

Споры о том, какой ток использовать, переменный или постоянный, завершились более 100 лет назад, когда предпочтение было отдано переменному току. Но, время идёт, технологии развиваются, сегодня уже нет сомнений в том, что решить проблему существенного повышения пропускной способности распространенных сегодня ЛЭП возможно только на основе применения технологий HVDC (High-Voltage Direct Current).

HVDC по сравнению с традиционной HVAC ЛЭП имеет много преимуществ. Главное преимущество HVDC – сравнительно небольшие потери электроэнергии при передаче. Так, для ЛЭП постоянного тока, на каждые 1000 км потери составляют менее 3%, что дает возможность снизить потери при передаче электроэнергии на 30-40% по сравнению с ЛЭП переменного тока. Таким образом, строительство ЛЭП ППТ большой длины являются единственным рациональным с экономической стороны решением, если между производителем и потребителем электроэнергии расстояние более 750 км. При этом, чем больше длинна линии, тем более выгодным является данный вариант строительства [4].

Таким образом, спектр применения технологий HVDC для передачи электроэнергии определяется известными техническими и экономическими преимуществами данной технологии. Наиболее важными из этих преимуществ являются:

- более простые требования к строительству опор ЛЭП по сравнению с ЛЭП HVAC (переменного тока высокого напряжения), а также более низкие удельные затраты, в том числе затраты на километр линии и на МВт передаваемой мощности;

- значительно меньшая стоимость кабелей той же пропускной способности (по сравнению с линиями HVAC);

- возможность соединения энергосистем с различной номинальной частотой (50 и 60 Гц) и систем, использующих различные стандарты регулирования частоты;

- нет ограничений, накладываемых соображениями устойчивости на пропускную способность линий постоянного тока высокого напряжения;

- дополнительные компенсаторы реактивной мощности не требуются при использовании длинных линий электропередачи постоянного тока высокого напряжения;

- благодаря полупроводниковому оборудованию возможность независимого регулирования потоков мощности и частоты в энергосистемах, подключенных по линиям постоянного тока высокого напряжения;

- использование передачи мощности постоянного тока высокого напряжения существенно снижает взаимное влияние аварийных процессов в объединенных энергосистемах;

-по условиям устойчивости у ППТ отсутствуют ограничения по пропускной способности и ограничиваются лишь условиями нагрева проводников;

- земля, отводимая под постройку линий постоянного тока в 1,5 раза меньше, чем под линии переменного тока.

Предпосылки использования HVDC в ЕЭС России:

- большая протяженность территории страны;

- разброс по территории страны центров нагрузки и центров генерации;

- наличие слабых межсистемных связей ЕЭС России.

В отличие от межсистемных связей переменного тока, ППТ обеспечивают:

- более гибкое и эффективного централизованного управления режимами большого по мощности за счет использования полупроводникового оборудования;

- снижение объема использования средств противоаварийной автоматики и соответственно отключений потребителей;

- возможность параллельной работы энергосистем без необходимости предварительного приведения их к единому стандарту качества частоты и единым условиям аварийного регулирования, что особенно существенно при организации связей с энергосистемами других государств;

- наиболее благоприятные условия функционирования межрегиональных и межгосударственных оптовых рынков электроэнергии и мощности.

Список использованной литературы

1. Суслова, О. В. Тенденции развития технологий передачи электроэнергии постоянным током (по материалам международного коллоквиума 2017 СИГРЭ A3, B4 и D1) / О. В. Суслова, Л. В. Травин // Энергия единой сети. – 2018. – № 1(36). – С. 48-58. – EDN YQAOUW.

2. Эффективность линии электропередачи постоянного тока, реализация и основные рекомендации по их использованию / А. Джахонгири, С. К. Шарипов, Р. К. Самадов, К. Ф. Бобохонов // Вестник Бохтарского государственного университета имени Носира Хусрава. Серия естественных наук. – 2022. – № 2-2(99). – С. 55-58. – EDN QDRSFS.

3. Шульга, Р. Н. Вклад ВЭИ в технику постоянного тока высокого напряжения К 100-летию ВЭИ / Р. Н. Шульга, Т. С. Смирнова // Энергоэксперт. – 2021. – № 3(79). – С. 8-14. – EDN FDXLWU.

4. Алексеева С.Ф., Кутюмова К.Ю. Оценка экономической целесообразности перехода от традиционной HVAC[1] к hvdc2 // Инновационная наука. 2017. №2-1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-ekonomicheskoy-tselesoobraznosti-perehoda-ot-traditsionnoy-hvac-1-k-hvdc2 (дата обращения: 11.11.2022).

Информация об авторах

Сычев Д. А. - студент группы 8Э(з)-01, Сташко В. И. – к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

-