Передача энергии постоянным током

Введение:

Характерным в развитии электропередачи  всегда являлись: увеличение передаваемых мощностей, протяженности линий  и как следствие - увеличение напряжения.               Повышение этих параметров на каждом новом этапе ставило новые  и более сложные задачи перед  учеными и инженерами, перед конструкторами электрических машин, линейных устройств  и коммутационной аппаратуры.

Практически возможными являлись два  метода электропередачи -постоянным или  переменным токами.

Оба эти метода с различными успехами разрабатывались на протяжении всей истории электроэнергетики.

Основными средствами передачи электрической  энергии являлись воздушные и  кабельные линии со всем необходимым  оборудованием.

 

1.Передача энергии постоянным  током.

В развитии электропередачи постоянным током можно выделить два основных направления:получение высокого напряжения без преобразования рода тока; использование  преобразовательной техники. Наибольших достижений в развитии техники передачи электроэнергии постоянным током удалось  добиться швейцарскому инженеру Рэне Тюри.

Он реализовал идею Фонтана, введя  небольшое усовершенствование: выходившая из строя электрическая машина специальным  автоматом отсоединялась от линии, а концы последней соединялись  между собой. На приемном конце линии  сооружалась подстанция, на которой  последовательно включались двигатели. Каждый из этих двигателей приводил в  действие генератор низкого напряжения. Таким образом, «система Тюри» представляла собой линию высокого напряжения, присоединенную своими концами к  двум системам последовательно включенных машин.

Первая электропередача по системе  Тюри была осуществлена в Генуе в 1893 г. Она работала сначала на напряжении 5-6, затем 10 и даже 14 кВ при мощности 325 кВт. Общая длина линий достигала 60 км .

Опытами передачи по системе Тюри завершилось первое направление  в развитии электропередачи постоянным током.

Второе направление возникло в 1918 г. К этому времени, как будет  показано ниже, уже успешно действовала  мощная 3-х фазная электропередача  высокого напряжения (до 150 кВ).

Но уже к концу второго  десятилетия текущего столетия наметились контуры новой и весьма неожиданной  проблемы. Дело в том, что при значительных расстояниях передачи при высоком  напряжении начинала существенно сказываться  емкостная проводимость линий и  значительно возрастал емкостной  ток. Припередачи энергии на расстояние более 300 - 500 км этот емкостной ток  уже трудно было компенсировать.

Первым важность наметившейся проблемы оценил М.О. Доливо-Добровольский, и  в ноябре 1918 г., за год до смерти, выступил с докладом на тему «О границах применения переменных токов для передачи энергии  на большие расстояния». На основании  технико-экономических расчетов он показал, что возможности переменного  тока для целей электропередачи  ограниченны и будущее в этом вопросе принадлежит постоянному  току. В качестве примерной границы  он указал напряжение ~ 200 кВ и расстояние порядка несколько сотен км. С  современной точки зрения они  являются конечно заниженными, но это  ни в коей мере не умаляет важности принципиальной постановки задачи.

Замечательным является то, что еще  в 1918 г. Доливо-Добровольский указывал, что одной из вероятных схем передачи энергии может быть линия постоянного  тока, присоединенная на своих концах к преобразовательным подстанциям. Таким образом, он указывал на вероятность  того, что генерирование и распределение  энергии в будущем будут производиться  переменным током, а ее передача - выпрямленным током высокого напряжения. В качестве одного из вариантов решения проблемы преобразования переменного тока впостоянныйДоливо-Добровольский  назвал применение ртутных выпрямителей.

Рост мощностей электростанций и дальности электропередачи, укрупнение энергосистем были столь быстрыми, что уже в 1920 - 1922 гг. в США, а  затем и в других странах серьезно изучался вопрос об устойчивости параллельной работы синхронных генераторов. Известно, что нарушение устойчивости при  каких-либо более или менее резких изменениях режима работы вызываются расстройством синхронной работы генераторов на связанных линиями электростанциях. Крупнейшая авария в 1965 г. в Нью-Йорке [1] показала, что нарушение устойчивости линий электропередачи переменного тока может привести к "распаду" даже очень крупную энергетическую систему. Глубокое изучение этого вопроса привело к тому, что наряду с другими методами повышения устойчивости параллельной работы стала рассматриваться и такая радикальная мера, как осуществление межсистемных связей линиями постоянного тока. В этом случае две связанные такой линией системы могут работать и не синхронно друг с другом.

При всех своих преимуществах электропередача  постоянным током обладает крупными недостатками:

- она требует применения сложных  и дорогих выпрямителей и инверторов;

- затрудняется решение задачи  об отборе энергии в промежуточных  пунктах линии, так как современная  техника пока практически не  располагает выключателями постоянного  тока высокого напряжения.

В конце 30-х начале 40-х годов в  разных странах было построено несколько  опытных линий передачи постоянного  тока напряжением 30-90 кВ.

 

2. Передача энергии переменным  током.

Многолетняя борьба за выбор рода тока закончилась в свое время  полной победой переменного тока, причем решающую роль в этой победе сыграла 3-х фазная система.

В настоящее время передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется, за редким исключением, только переменным током.

Уже отмечалось, что вся история  электропередачи сопровождалась увеличением  передаваемых мощностей, напряжений и  протяженностью линий.

На первом этапе преобладающей  по важности проблемой было уменьшение потерь в линии, что требовало  повышение напряжения.

В течение первого десятилетия XX века на первый план выдвинулась проблема изоляции линий. Применявшиеся штаревые изоляторы не позволяли поднять  напряжение выше 60 - 70 кВ. Это ограничивало пропускную способность линий: для  увеличения мощности передачи приходилось  сооружать несколько параллельных цепей, что было весьма дорого. Только изобретение в конце 1906 г. подвесных  изоляторов (Хьюлетт, США) позволило  увеличить применявшееся напряжение.

В 1908 - 1912 гг. в Америке и Германии были построены первые линии 110 кВ, а  следующее десятилетие дало увеличение напряжения еще в два раза (1920 Г.-165 кВ, 1922 Г.-220 кВ).

Новое затруднение на пути роста  напряжения возникло в связи с  увеличением потерь на корону. Многочисленные теоретические исследования, проводившиеся  в 1910 - 1914 годах (В.Ф. Миткевич в России, Пик в Америке, Г. Капп в Англии и другие) показали, что уменьшение потерь на корону (повысить критическое  коронное напряжение) можно путем  увеличения действительного или "электрического" диаметра провода. Первое направление  привело к применению алюминиевых, сталеалюминиевых и полых проводов большого диаметра. Второе направление (В.Ф. Миткевич) расширило указанные  возможности применения расщепленных проводов, когда каждая фаза линии  состоит, например, из трех проводов. При  этом увеличивается "электрический" диаметр провода и к тому же снижается индуктивность проводов. Последнее обстоятельство оказалось  очень важным в дальнейшем развитии техники электропередачи.

Первая линия 220 кВ с расщеплением фазы на 2 провода была построена  в 1956 г. на Урале, а затем с расщеплением на 3 провода стали строить все  линии 400 и 500 кВ.

Следующим этапом борьбы за освоение высоких напряжений явилась разработка методов компенсации индуктивного падения напряжения в линии. При  напряжении больше 110 кВ и дальности  больше 150-200 км индуктивное падение  напряжения принимает такие размеры, что становится невозможным поддерживать постоянным напряжение в конце линий. Эта проблема была решена путем применения статических конденсаторов и  синхронных компенсаторов. Впервые  синхронный компенсатор был использован по предложению Доливо-Добровольского еще в 1892 г. на линии Бюлах-Эрликон (Швейцария).

Наконец, одной из наиболее серьезных  проблем в развитии электропередачи  явилась возникшая в 20-х гг. проблема устойчивости параллельной работы электростанций.

Известно, что при нарушении  статической (при малых нарушениях режима работы) или динамической (при  резких и глубоких нарушениях) устойчивости синхронные генераторы на станциях выпадают из синхронизма и происходит распад энергетической системы.

Если при протяженности линий 200 - 300 км нет опасений за нарушение  статической устойчивости и удается  обеспечить динамическую устойчивость при быстром (0,1 сек. и меньше) отключении аварийного участка, то при дальности  передачи 500 - 1000 км наиболее сложной  задачей является обеспечение статической  устойчивости.

Основополагающие работы по анализу  этой проблемы выполнили в 30-е годы А.А. Горев, П.С. Жданов и другие в  СССР; Парк, Робертсон и другие в  США. В результате удалось найти  ряд методов повышения устойчивости (регулирование турбин, аварийная  разгрузка системы по частоте, фазировка  возбуждения, внедрение быстродействующих  защит, компенсация параметров линии  и др.).

 

3. Развитие кабельных  и воздушных линий.

На заре развития электроэнергетики  многие конструкции и схемы заимствовались из области неэнергетических применений электричества. Особенно много дала в этом отношении телеграфная  техника. В связи с развитием  телеграфа родилась и получила начальное  развитие кабельная техника.

Впервые годы строительства силовых  электросетей наиболее естественной казалась подземная проводка, которая лучше  защищена от механических повреждений  и не портит внешнего вида улиц.

Решающую роль в развитии кабельной  техники сыграло применение пропитанной  бумажной изоляции.

Недостатки кабелей с поясной  изоляцией привели к созданию кабеля с экранированными жилами (1913 г.). Такие 3-х жильные кабели на напряжение, равное 60 кВ, начали изготовляться  в 1918 - 1919 гг.

Другим вариантом 3-х жильного кабеля высокого напряжения является изобретенный в 1924 г. (СССР) кабель с отдельно освинцованными жилами. Он был более гибок и  надежен в эксплуатации. Такой  кабель на напряжение 33 кВ был проложен в 1924 г. в Ленинграде (Ленинградское  кабельное кольцо) .

Борьба за повышение напряжения на кабельных линиях привела к  созданию маслонаполненных кабелей, изобретенных в 1919 г. и выпускавшихся с 1923 г. В  СССР маслонаполненный кабель на напряжение в ПО кВ был проложен в 1931 г. вблизи г.Ленинграда.

В 1926 - 28 гг. стали появляться газонаполненные  кабели, а затем с 1930 г. - маслостатические: три экранированные жилы находятся  в стальной трубе, которая заполняется  маслом под давлением 15 атмосфер.

Прогрессивным направлением в развитии кабельной техники явилось постепенное  расширение перехода от свинцовых оболочек к более дешевым алюминиевым. В настоящее время уже более 80% силовых кабелей выпускается  с алюминиевыми оболочками. Резко  расширен выпуск кабелей с пластмассовой  оболочкой.

В настоящее время кабельные  линии прокладываются главным образом  в городах и поселках городского типа и на территории промышленных предприятий, т.е. там, где это необходимо по технико-экономическим соображениям (высокая концентрация мощных нагрузок), а также по соображениям безопасности и эстетики.

Маслонаполненные кабели среднего давления (на напряжение 110-220 кВ) используются для глубоких вводов энергии в  центры городов и крупных промышленных предприятий.

Кабель высокого давления (на напряжение ПО - 500 кВ) широко применяется для  устройства переходов через водные пространства, а также на мощных ГЭС для передачи энергии от повышающих трансформаторов к открытым распределительным  устройствам, размещенным на берегах  рек.

Одной из важнейших задач, решаемых в настоящее время, являются разработка конструкций и освоение производства кабелей на напряжение 750 кВ (переменного  тока) и 1500 кВ (постоянного тока).

Для электропередачи большой протяженности  преимущественное применение получили воздушные линии.

Исторически сложилась основная схема  передачи и распределения электрической  энергии : от районной электростанции идут одна или несколько цепей  линии электропередачи, затем от приемной подстанции - питающие провода, наконец, от трансформаторных пунктов  снабжается энергией разветвленная  местная сеть. Со временем появились  различные модификации основной схемы электроснабжения : замыкании  линий в кольцо; перенесение подстанций внутрь цехов промышленных предприятий  и т.п.

Особенно удачным оказалось  сооружение колец линий высокого напряжения вокруг крупных промышленных городов. Эти кольца играют роль сборных  шин, на которые по рабочим линиям вливается энергия от районных электростанций.

Такое кольцо воздушных линий, в  частности, создано вокруг Москвы. По его примеру строились кольца для некоторых зарубежных городов.

Широкое применение получил ввод линий  высокого напряжения в центры промышленных городов - "глубокий ввод", что  значительно снизило потери в  электросети крупного города. Одним  из первых в мировой практике был  глубокий ввод линии Шатура - Москва (1925 г.), которая вошла в самый  центр города, к Кремлю .

Известно, что основными элементами воздушных линий являются провода, изоляторы и опоры. Это так  называемая механическая часть линий  передачи вначале целиком была заимствована у телеграфных линий. Опоры выполнялись  в виде деревянных столбов, провода  были сначала стальными, а изоляторы - штыревыми (стеклянными, а затем  фарфоровыми).

Постепенно в 80 - 90-х гг. прошлого столетия стальные провода стали  вытесняться медными. Начавшееся в  конце прошлого века производство электролитической  меди позволило в несколько раз  снизить ее стоимость, хотя и до сегодняшнего дня медь считается дефицитным и  дорогостоящим материалом. В течение первых десятилетий XX века медь заняла место основного проводникового материала в электротехнике.