International scientific e-journal

ΛΌГOΣ. ONLINE

16 (December, 2020)

e-ISSN: 2663-4139
КВ №20521-13361Р

ENGINEERING AND IT

UDC 621.311

EOI 10.11232/2663-4139.16.33

АНАЛІЗ ПЕРЕДАЧІ ПОТУЖНОСТІ НА ВЕЛИКІ ВІДСТАНІ  ПОСТІЙНИМ ТА ЗМІННИМ СТРУМОМ

ВЕГЕРА Віталій Васильович

здобувач ступеня магістра факультету електроенерготехніки та автоматики

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

 

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК:

 

ХАЛІКОВ Володимир Акнафович

доктор технічних наук, старший науковий співробітник,  старший викладач кафедри електричних мереж та систем

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

 

УКРАЇНА


Анотація. У статті виконано аналіз використання систем постійного та змінного струму для передачі потужності на великі відстані. Порівняно пропускну здатність, відведену земельну площу для ліній електропередачі. Висвітлено економічні залежності від протяжності електропередачі для постійного та змінного струму.

Ключові слова: передача енергії; ЛЕП; постійний струм; змінний струм; гранична довжина; конверторна підстанція.

Вступ. Для передачі великих потужностей на далекі відстані традиційно використовують трифазні мережі надвисокої напруги з частотою 50 або 60 Гц. Це пояснюється широким використанням змінного струму, особливо після винайдення явища електромагнітної індукції і відповідно трансформатора, що дало змогу ефективно передавати потужності до споживача регулюючи напругу і відповідно зменшуючи втрати в мережах. Проте з подальшим збільшенням напруги передачі провідні країни зіткнулись з проблемами у використанні змінного струму.

Так наприклад, побудована в 1980-1988 роках лінія напругою 1150 кВ на ділянці Екібастуз-Кокшетау для поєднання енергосистем колишнього СРСР «Сибір-Центр» показала недоліки використання змінного струму на даному класі напруги. Виявилось що втрати на корону вище ніж передбачалось проектом, особливо за поганих погодних умов – іній, сніг. Імпеданс лінії виявивсь високим, і при навантаженні потужність переходила на паралельну лінію 500 кВ з більш меншим імпедансом. Виходом з даної ситуації є розвиток та впровадження лінії постійного струму надвисокої напруги.

Очевидно що лінії змінного струму досягли границі у подальшому збільшенні напруги. Для вирішення проблеми передачі великої потужності на далекі відстані, що є актуальною для таких країн як Китай та Росія, більш правильно розвивати і застосовувати системи постійного струму. Проте потрібно проаналізувати доцільність такого застосування і відповідно переваги та недоліки обох варіантів.

Мета роботи. Метою роботи є аналіз використання постійного та змінного струму у системах передачі потужності на далекі відстані. Буде розглянуто основні переваги та недоліки використання постійного струму  як альтернативи  змінному для передачі енергії надвисокою напругою.

Об’єкт дослідження. Передача потужності на далекі відстані.

Предмет дослідження. Аналіз варіантів використання систем на постійному та змінному струмі.

Перспективність дальньої передачі поділяється на два напрямки.

Перший – поєднання двох віддалених енергосистем на паралельну роботу. В даний час розглядаються міжнародні проекти об'єднання енергосистем зацікавлених країн, що дозволить найбільш економічно реалізовувати надлишки електроенергії кожного учасника об'єднання, а також здійснювати взаємну допомогу при позаштатних ситуаціях, наприклад, в післяаварійних режимах роботи окремих енергосистем.

Другий напрямок виходить з того факту, що часто потужні електростанції  знаходяться на віддалених від основних місць споживання електроенергії територіях з причини доступності використовуваного ними ресурсу.

Одною з властивостей електропередачі є її пропускна здатність, тобто найбільша потужність яку здатна передати ЛЕП.

У електропередачі постійним струмом відсутні багато чинників, пов’язаних з реактивними складовими опору та ємності лінії (відповідно зарядною потужністю). Гранична потужність, що передається по ЛЕП постійного струму, має більші значення, ніж у аналогічних ЛЕП на змінному струмі [1].

Варто додати, що ЛЕП постійного струму можуть передавати більше електроенергії, ніж ЛЕП змінного струму, так як при однаковій потужності, напруга на лінії постійного струму нижче, ніж амплітудна напруга на лінії змінного струму. Потужність змінного струму буде визначатися за діючим значенням напруги, що становить лише 70,7% від максимального амплітудного значення, за яким вибирається фактична товщина ізоляції провідників і відстань між ними. У ЛЕП постійного струму діюче значення дорівнює амплітудному, що дозволяє передавати на 41% більше потужності, ніж по ЛЕП змінного струму, виконаним з провідників однакового перетину і з однаковою «товщиною» ізоляції, що знижує витрати.

Зрозуміло що для використання постійного струму необхідно встановлення обладнання для конвертації змінного струму (рис. 1) в постійний і навпаки.

Рис. 1. Схема лінії постійного струму між двома електросистемами

 

Це є одним з найбільших недоліків у використанні постійного струму, так як таке обладнання збільшує вартість будівництва підстанції у порівнянні з використанням змінного струму і відповідно втрат потужності.

Для сполучення систем постійного і змінного струму використовуються перетворюючі підстанції. До основного обладнання перетворювальних підстанцій ПТ відносяться трансформатор, перетворюючі міст (його головний елемент – високовольтний керований вентиль), фільтри струмів вищих гармонік, лінійні (згладжуючі) реактори, вимикачі постійного струму (в системах з проміжними відборами), а також синхронні компенсатори, конденсаторні батареї, конструкція яких майже не відрізняється від аналогічних пристроїв мереж змінного струму.

При передачі використовуються дві технології - LCC та VSC. Перша використовує  послідовно включені тиристори. Друга на послідовно включених IGBT (Біполярні транзистори з ізольованим затвором).  На сьогодні більшість діючих систем передачі постійного струму в світі є системами LCC-HVDC. Проте існує кілька недоліків в системі LCC-HVDC, таких як значні гармонічні спотворення напруги, споживання великої кількості реактивної потужності, велика загальна площа перетворювальної станції (через наявність фільтрів). VSC-HVDC будучи новим поколінням технології HVDC дає декілька переваг таких як: зміна напрямку струму з метою зміни напрямку потужності, відсутність необхідності в компенсації реактивної потужності, компактна конструкція, невелика площа підстанції, використання напівпровідників що здатні вимикатись або вмикатись під впливом керуючої дії, тим не менш на даний момент також існують недоліки, такі як більша вартість та втрати потужності.

Ефективність застосування далеких передач постійного струму обумовлена ​​не тільки підвищенням стійкості міжсистемних зв’язків, але також низькими втратами активної потужності, зменшенням розмірів конструкцій біполярної лінії в порівнянні з трифазної повітряною лінією при однаковій потужності, відсутністю обмежень по довжині передачі і можливістю швидкого регулювання величини потужності та напрямку її передачі за рахунок оборотності випрямлячів в інвертори і навпаки. Норми відведення земель для ПЛ постійного струму в кілька разів менше, ніж для ліній змінного струму (рис. 2) [2].

Рис. 2. Порівняння габаритів опор:

а) – 800 кВ на змінному струмі, б)   –  ±500кВ постійному струмі.

 

Область раціонального застосування системи постійного с струму можна визначити шляхом зіставлення витрат на її створення з аналогічним показником для ліній електропередачі змінного струму тієї ж протяжності та пропускної здатності. При цьому фіксується так звана «гранична відстань» або «критична довжина» (рис. 3) лінії (КД), при якій витрати на спорудження електропередачі постійного і змінного струму виявляються рівними.

В ході порівняння економічних параметрів систем передачі постійним і змінним струмом довжиною кілька сотень кілометрів вартість передачі з повітряними ЛЕП, як правило, виявляється вище через застосування дорогого устаткування - кінцевих підстанцій (випрямляча і інвертора) і вимикачів постійного струму (в лініях з проміжними відборами ). Зі збільшенням довжини передачі цінові показники передачі змінним і постійним струмом зближуються, але слід враховувати, що на КД впливають і інші технічні характеристики: потужність, кількість ланцюгів, схема передачі, вартість конкретного обладнання [3].

Рис. 3. Економічне порівняння варіантів використання змінного та постійного струму

 

Висновок. Для всіх класів напруг лінії постійного струму мають такі переваги:

1. Вони не вимагають розрахунку стійкості.

2. Напруга в таких лініях більш рівномірна, так як в сталому режимі вони не генерують реактивну потужність.

3. Конструкції ліній постійного струму простіші, ніж змінного: менше число гірлянд ізоляторів, менша витрата металу.

4. Напрямок потоку потужності можна змінювати (реверсивні лінії).

5. Вони мають більшу напругу між пунктами передачі за рахунок використання біполярної схеми.

Недоліки:

1. Необхідність спорудження складних кінцевих підстанцій з великим числом перетворювачів напруги і допоміжної апаратури. Відомо що випрямлячі і інвертори сильно спотворюють форму кривої напруги на стороні змінного струму. Тому доводиться ставити потужні згладжуючі пристрої, що значно знижує надійність.

2. Відбір потужності від лінії постійного струму є технологічно важким процесом.

3. У лініях постійного струму потрібно, щоб перед включенням були приблизно однаковими полярність і напруги по обох кінцях [4].


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:

 

  • Веніков, В. А. & Путянін, Е. В. Передача електроенергії. Вилучено з: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/088/022.htm

  • Передача енергії постійним струмом високої напруги. Вилучено з: http://energetika.in.ua/ru/books/book-4/section-2/section-2/2-4.

  • Матвєєв, І. Є. & Гладкая, А. В. Системи передачі постійного струму: сучасний стан та перспективи розвитку. Вилучено з: http://matveev-igor.ru/articles/354343.

  • Лінії електропередачі постійного струму. Вилучено з: http://electricalschool.info/main/elsnabg/619-linii-jelektroperedachi-postojannogo.html.


ANALYSIS OF LARGE DISTANCE POWER TRANSMISSION BY DC AND AC

VEHERA V.,
Student of the Faculty of Electrical Engineering and Automatics
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
UKRAINE

SCIENTIFIC АDVISER:

KHALIKOV V.,
Doctor of Technical Sciences, Senior Research Officer, Senior Lecturer of Department of Electrical Networks and Systems
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
UKRAINE

Abstract.
The article analyzes the use of DC and AC systems for power transmission over long distances. Compared capacity, allotted land area for power lines. The economic dependences on the length of power transmission for direct and alternating current are highlighted.


Keywords: energy transfer; Power lines; direct current; alternating current; limit length; converter substation.

© Вегера В.В., 2020

© Vehera V., 2020

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

PUBLISHED : 09.12.2020