Схемы электропередач постоянного тока
Электропередачи постоянного тока (ППТ) предназначаются для транспорта больших количеств электроэнергии на дальние расстояния, передачи мощности через большие водные пространства по кабельным линиям и для связи между энергосистемами.
Связь отдельных электрических систем друг с другом посредством ППТ делает допустимой несинхронную совместную работу их на различных частотах. Направление потока мощности по линии передачи легко изменить автоматическим переключением в устройствах сеточного управления вентилей. Токи короткого замыкания в приемной системе переменного тока не могут возрастать при передаче электроэнергии постоянным током за счет передающей системы и наоборот, так как инвертор не подпитывает точку короткого замыкания. ППТ используются также для связи энергосистем в тех случаях, когда требуется иметь независимое регулирование частоты в каждой из объединенных систем.
Допустимая напряженность электрического поля для кабелей постоянного тока в 5— 6 раз выше, чем для кабелей переменного тока. Для примера можно сказать, что кабели, рассчитанные для работы с номинальным напряжением 35 кВ переменного тока, могут быть использованы для постоянного тока напряжением 200 кВ. Поэтому, несмотря на большую стоимость концевых устройств ППТ, передачи постоянного тока с кабельными линиями при длинах 30—40 км становятся соизмеримыми по стоимости с кабельными передачами переменного тока или даже выгоднее их. ППТ с кабельными линиями высокого напряжения ±250 кВ эксплуатируются за рубежом (Англия, Новая Зеландия и др.).
Кратности внутренних перенапряжений на воздушных линиях постоянного тока ниже, чем для линий переменного тока. Это значит, что при одинаковых уровнях изоляции для ППТ можно применить более высокое напряжение. Конструкция линии ППТ много проще, чем линии переменного тока, меньше количество гирлянд изоляторов, меньше затрата металла. Важно отметить также, что предел передаваемой мощности ППТ не зависит от длины электропередачи, как для переменного тока, поскольку устойчивость работы ППТ определяется в основном преобразователями (инверторами).
В СССР впервые в мировой практике в 1965 г. была осуществлена передача энергии постоянным током при напряжении ±400 кВ по воздушной биполярной линии Волгоград — Донбасс, связывающей Центральную и Южную энергосистемы. Пропускная способность электропередачи 720 МВт, протяженность линии 473 км. ППТ Волгоград — Донбасс в настоящее время успешно работает в реверсивном режиме.
Обладая значительными достоинствами, передача электроэнергии постоянным током не лишена и крупных недостатков. Появляется необходимость в возведении сложных концевых подстанций с большим количеством преобразователей высокого напряжения и вспомогательной аппаратуры; меньшая надежность в работе из-за пропусков и обратных зажиганий в ртутных вентилях; требуется большая мощность установок для компенсации реактивной мощности преобразователей. Усложняется и удорожается промежуточный отбор мощности для электроснабжения районов, расположенных вдоль трассы линии передачи постоянного тока.
В экономическом отношении применение электропередач постойного тока с воздушными линиями оправдывается при транспорте больших количеств энергии на дальние расстояния. Экономическая граница между передачами переменного и постоянного тока по дальности транспорта энергии лежит в пределах 800—1000 км — для передач без промежуточного отбора мощности и 1000—1400 км — с промежуточным отбором 25—50% передаваемой мощности. Чем больше передаваемая мощность, тем меньше граничное расстояние выгодности передачи мощности постоянным током.
На рис. 1 представлена принципиальная схема ППТ. Вырабатываемый генераторами электростанции трехфазный переменный ток поступает в повысительный трансформатор 1, обмотки СН которого, работающие на выпрямительную установку, имеют различные соединения — звездой и треугольником. Переменный ток от каждой обмотки со сдвигом фаз в 30° поступает в выпрямительную установку, состоящую из вентилей (ртутных выпрямителей с сеточным управлением), включенных по мостовой схеме (рис. 2). Таким образом, вся установка состоит из четырех мостов, в каждой фазе которых включено по два вентиля. Все вентильные мосты соединены последовательно (каскадная схема). Средняя точка четырехмостовой схемы заземлена наглухо, образуя две полуцепи «полюс — земля» биполярной передачи. Каждая из полуцепей может оставаться в работе при выведенной другой полуцепи в ремонт или по другой причине. В этом случае передача будет работать по униполярной схеме с возвратом тока через землю и со сниженной вдвое мощностью.
Рис. 1. Схема электропередачи энергии постоянным током с биполярной линией.
1 — трехобмоточный трансформатор (группа) с расщепленными обмотками СН и НН; 2 — вольтодобааочный трансформатор; 3 — вентильный мост; 4 — шунтирующий вентиль; 5 — шунтирующий аппарат; 6 — линейный реактор; 7— токоограничивающий реактор; 8 — конденсаторная батарея-фильтр; 9 — синхронный компенсатор
Вентильный мост является основным агрегатом преобразовательной подстанции. Подключенный к обмотке трехфазного трансформатора (рис. 2) он создает шестифазный режим выпрямления тока, а каскадное соединение двух мостов с подключением каждого моста к обмоткам трансформатора, имеющим сдвиг в 30° (соединенным звездой и треугольником), создает 12-фазный режим выпрямления. Выпрямленный ток поступает в двухпроводную линию и передается на приемную подстанцию. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в линии установлены реакторы с большим индуктивным сопротивлением, а для снижения амплитуды аварийного тока при обратном зажигании вентиля последовательно с обмотками трансформаторов, питающими выпрямительные мосты, установлены токоограничивающие реакторы. Параллельно каждому мосту включен шунтирующий вентиль и шунтирующий аппарат, назначение которых исключить из схемы мост в случае его повреждения.
Для инвертирования постоянного тока, т. е. преобразования его в трехфазный, на приемной подстанции используют такие же управляемые ртутные вентили, как и для выпрямления переменного тока. Мостовая схема соединения инверторной установки такая же, как у выпрямительной, но с обратным включением полюсов. Инвертор работает как быстродействующий переключатель, включающий каждую фазу понизительного трансформатора дважды за один период изменения напряжения приемной системы — при прямом и обратном его направлениях, и тем самым обусловливает протекание в цепи трансформатора переменного тока. Реактивная мощность, необходимая для инвертирования тока (около 0,55 квар на 1 кВт передаваемой мощности) и для покрытия потребности нагрузки, получается от конденсаторных батарей-фильтров, включенных на приемные шины инверторной подстанции. Эти же установки служат и для фильтрации высших гармоник инвертированного переменного тока. В случае необходимости дополнительно устанавливают также СК с присоединением его к третичной обмотке трансформатора.
Современные мощные вентили изготавливаются на анодное испытательное напряжение 130 кВ и, следовательно, максимальное рабочее напряжение электропередачи, изображенной на рис. 1, составляет ±200 кВ. Чтобы получить в линии передачи более высокое напряжение, применяют последовательное включение большего количества мостов, а чтобы повысить надежность работы установки, вентили включают на половинное номинальное напряжение. Так, например, для линии передачи Волгоград — Донбасс напряжением ±400 кВ принято восемь вентильных мостов, включенных последовательно, с двумя вентилями в каждом плече Моста, работающих при половинном номинальном напряжении.
При проектировании ППТ большой пропускной способности идут на параллельное включение вентилей в плече моста, что позволяет довести ток и мощности моста до требуемой величины. В настоящее время созданы полупроводниковые приборы (тиристоры), позволяющие построить выпрямительную аппаратуру на напряжение 1500 кВ, Так, например, преобразовательные подстанции электропередачи Экибастуз — Центр будут оборудованы уже не ртутными выпрямителями, а полупроводниковыми.
Рис. 2. Схема вентильного моста UH = 110 кВ
1 — вентиль; 2 — анодный реактор
Эта электропередача, протяженностью 2400 км, напряжением 1500 кВ (±750 кВ) предназначается для передачи до 40 млрд. кВт·ч электрической энергии в год при мощности передачи до 6 млн. кВт. Электрическая энергия будет вырабатываться на пяти тепловых электростанциях мощностью по 4000 кВт, с энергоблоками по 500 МВт. Электростанции, первая из которых уже начата строительством, будут работать на местном буром угле.
Передача энергии из Итатского бассейна, где намечено построить десять электростанций по 6,4 млн. кВт с энергоблоками по 800 МВт, потребует применения для ППТ более высокого напряжения 2200 кВ (±1100 кВ).