Передача электроэнергии постоянным током как средство перераспределения перетоков активной мощности

Развитие электроэнергетики, как Волгоградской энергосистемы, так и энергетики России в целом, предполагает не только строительство новых ЛЭП, но и повышения управляемости электрических сетей. Для этих целей применяются различные технические средства в зависимости от схем электрических сетей, возможностей, и, особенно, от пропускных способностей электрических сетей. Какие это технические средства? Вот далеко не полный перечень их:

- вставки и передачи постоянного тока;

- управляемые реакторы;

- статистические тиристорные компенсаторы;

- фазоповоротные трансформаторы.

Применение этих технических средств позволяет повысить пропускную способность электрических сетей, экономичность, а, главное, надежность их работы. Речь идет только о электрических сетях и перетоках мощности. Безусловно речь в данной работе не может идти о строительстве и перспективном развитии новых мощностей, таких, как гидроэнергетика дальнего востока, которая предусматривала строительство 30 новых ГЭС (пока же построены только четыре:  Колымская, Среднеканская, Зейская и Бурейская), строительстве ЛЭП Дальний Восток – Аляска, разработке, и строительстве перспективных солнечных станций, пока что самых дорогих, но за которыми, безусловно, будущее.

Вставки и линии постоянного тока.

В современной энергетике роль подстанций постоянного тока чрезвычайно велика. В мире сложилось так, что наряду с энергетическими системами с частотой 50 герц, существуют и системы с частотой 60герц. Взять, например, Японию. Вся северо-восточная часть представляет систему 50 герц. А юго-западная часть представляет систему 60 герц. Две вставки постоянного тока объединяют системы.

Рисунок 1. Схема энергосистемы Японии

В современном мире энергетики часто используются вставки и передачи постоянного тока. Причины разные, но в основном это экономические соображения, технологические и множество других. Нельзя не упомянуть подстанцию постоянного тока  Волгоград –Донбасс, мощностью 720мВт и напряжением 800 киловольт (±400 киловольт), которая долгое связывала энергосистемы России и Украины, а в настоящий момент выведена из эксплуатации. Следует отметить Финскую вставку   в Выборге, благодаря которой Россия продает электрическую мощность Финляндии и далее в Европу.

Рисунок 2. Схема вставки постоянного тока в Выборге

На рисунке КВПУ – комплексное выпрямительное подстанционное устройство, или, говоря более простым языком, вставка постоянного тока.

Нельзя не упомянуть ещё один важный фактор применения ЛЭП и вставок постоянного тока это уменьшение токов КЗ в системах, поскольку токи КЗ оказывают влияние и на выбор оборудования в системе и на надежность самих систем. При параллельном же соединении   двух систем на переменном токе, токи короткого замыкания соответственно увеличиваются. 

В настоящее время самой длинной ЛЭП переменного тока считают Бразильскую ЛЭП от ГЭС Санту Антонио и Жирау до города Сан-Паулу длиной 2400км и мощностью 3.15 ГВт.

ЛЭП постоянного тока  существует и в Китае напряжением 1100кВ мощностью Р=1,2ГВт Чанцзи-Гуцюань длиной более3200км.

К сожалению, в связи с перестройкой и исчезновением СССР, не удалось осуществить проект ЛЭП переменного тока напряжением 1150кВ от Тамбова до Байкала, через Казахстан. Часть этой ЛЭП работает, но ЛЭП работает на напряжении 500кВ. Вдогонку к этому проекту и был установлен в Казахстане первый в СНГ фазоповоротный трансформатор.

Также не осуществлен проект передачи постоянного тока Экибастуз –Тамбов напряжением ±600кв мощностью 6,0ГВт. Не осуществлен проект строительства мощных ГРЭС в Казахстане, работающих на дешевом угле.

Несколько слов о ЛЭП 1150кВ.

Линия электропередачи Экибастуз — Кокшетау — участок уникальной высоковольтной линии электропередачи переменного тока «Сибирь — Центр» проектного напряжения 1150 кВ. Ни одна другая линия в мире не способна работать под столь высоким напряжением. В настоящий момент работает под напряжением 500 кВ. Протяжённость участка — 432 километра, установлена на электрических опорах со средней высотой 45 метров (высота 17 этажного дома). Применяется расщепление фаз: каждая фаза состоит из 8 проводов, образующих в сечении правильный восьмиугольник. Вес проводников приблизительно 50 тыс. тонн.

Для понимания на фото ниже изображено расщепление одной фазы на 4 проводника.

Рисунок 3. Расщепление одной фазы на 4 проводника

Линия «Итат — Барнаул — Экибастуз — Кокшетау — Костанай — Челябинск» построена в основном в 1980—1988 годах. Трасса линии проходит большей частью по территории Казахстана, протяжённость — около 2350 км (длина казахстанского участка составляет 1421 км). По мере развития энергетических источников (мощных ГЭС и ТЭС), увеличения расстояний между энергоисточниками и потребителями, дальности передач электроэнергии и масштабов перетоков мощности возникла задача усиления протяженных связей между районами восточной зоны Единой энергетической системы России (ЕЭС). Она решена путём наложения на сети 500 кВ электропередачи 1150 кВ от ТЭС КаТЭКа (Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс) до Урала, то есть создания широтной передачи. Создание электропередачи сверхвысокого напряжения СВН 1150 кВ Сибирь — Казахстан — Урал позволяет наряду с транспортными функциями использовать часовые, месячные и годовые отклонения в балансах мощности по зонам, то есть обеспечивать реализацию системного эффекта.

Рисунок 4. Линия сверхвысокого напряжения СВН 1150 кВ Сибирь — Казахстан — Урал

В рамках решения этой задачи в 1988 году была введена высоковольтная линия 1150 кВ «Барнаул — Экибастуз — Кокшетау — Костанай — Челябинск» с подстанциями на 1150 кВ в Экибастузе, АТ 2х(3х667) МВА в Кокшетау, АТ (3х667) МВА в Костанае. Данная ЛЭП является единственной в мире линией электропередачи такого класса напряжения, пропускная способность которой достигает 5500 МВт. Она была построена в качестве сверхмощного энергомоста для передачи электроэнергии от Экибастузского энергоузла и электростанций Сибири на промышленно развитый Урал России.

Рисунок 5. Трансформатор1150 кВ

В 1998 году в качестве заключительного этапа создания межсистемного транзита 1150 кВ Сибирь — Казахстан — Урал введена в строй высоковольтная линия 1150 кВ Итат — Барнаул(Алтай) длиной 444,5 км. Сооружение высоковольтной линии 1150 кВ Итат — Барнаул (Алтай) увеличивает возможность передачи избыточной электроэнергии и мощности из Восточной Сибири в дефицитную Западную. При этом пропускная способность увеличивается на 800—1000 МВт.

Трансформаторы на 1150 кВ на российских ПС Челябинская и ПС Алтай (в сторону Экибастуза) не были установлены, участки Экибастуз — Барнаул (Алтай) и Костанай — Челябинск с самого начала работали на напряжении 500 кВ. Казахский участок Экибастуз — Кокшетау — Костанай более двух лет работал на номинальном напряжении, однако потом было принято решение и его переключить на напряжение 500 кВ.

На казахском участке пять из восьми проводов сняты; на российских участках провод сохранен. В негодность пришло уникальное подстанционное оборудование 1150 кВ, изготовленное в 1981—1986 годах. Линия работает на напряжении 500 кВ. Она была задействована после аварии на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году для компенсации выпадения сибирских мощностей.

ЛЭП  постоянного тока в Китае

Рисунок 6. Линия электропередачи с напряжением 1100 киловольт в Китае

Китай построил самую длинную в мире сверхвысоковольтную ЛЭП: ее протяженность составляет 3324 километра.

Линия электропередачи с напряжением 1100 киловольт протянулась от Синьцзян-Уйгурского автономного района на западе КНР до восточно-китайской провинции Аньхой. Ее сдадут в эксплуатацию уже в нынешнем году. В год по этой ЛЭП будет передаваться до 66 млрд киловатт-часов электроэнергии.

Рисунок 7. Фрагмент линии электропередачи с напряжением 1100 киловольт в Китае

В заключение следует  отметить неоспоримые преимущества вставок постоянного тока. Поскольку передача постоянным током не зависит от частоты, вставки постоянного тока можно применять для связи нескольких энергосистем с разными частотами. Кроме того, такие вставки не увеличивают токи короткого замыкания. И наконец, существенная экономия в материалах, так как для передачи постоянного тока необходимо не три провода, а два или даже один.