Электропередачи и вставки постоянного тока обладают рядом экономически выгодных преимуществ по сравнению с передачами переменного тока.
Так как на нормальный режим работы линии постоянного тока не оказывают влияния ее реактивные параметры, то при реальных соотношениях между активными и реактивными сопротивлениями линии электропередачи падение напряжения на ней во много раз меньше, чем на линии переменного тока. А это, в свою очередь, создает предпосылки для радикального увеличения радиуса действия линий постоянного тока по сравнению с линиями электропередачи переменного тока; при этом при любой длине не возникает ограничений передаваемой мощности по условиям устойчивости параллельной работы. Воздушные линии постоянного тока, как правило, существенно дешевле линий переменного тока. Существенны выгоды постоянного тока для кабельных линий, поскольку условия работы изоляции кабелей при постоянном напряжении несравненно легче, чем при переменном. Благодаря этому при одной и той же толщине изоляции пропускная способность кабеля, работающего при постоянном напряжении, в 2-4 раза выше чем у того же кабеля, но работающего при переменном напряжении, за счет более высокого номинального напряжения. При сооружении линии электропередачи постоянного тока между двумя несвязанными энергосистемами последние могут работать несинхронно как с разными частотами (50 и 60 Гц), так и с одинаковой частотой, но с различными требованиями к точности ее поддержания. Целый ряд преимуществ может быть получен за счет способности вентильных преобразователей выполнять функции быстродействующего выключателя и очень совершенного регулятора передаваемой мощности. Здесь следует отметить, что при связи двух энергосистем на постоянном токе аварийные режимы в одной из энергосистем не отражаются на работе другой энергосистемы столь непосредственно, как это происходит при связи на переменном токе; кроме того, исключается подпитка места КЗ в одной энергосистеме со стороны другой. Поэтому объединение энергосистем или ввод дополнительной мощности в энергосистему через электропередачу постоянного тока не приводит к увеличению токов КЗ и не требует соответствующей замены всего оборудования и, прежде всего, выключателей. Благодаря практически безынерционному регулированию преобразователей межсистемная связь по линиям электропередачи постоянного тока может осуществляться по строго заданной программе, например с целью поддержания частоты, баланса активной мощности, демпфирования низкочастотных колебаний и т.д. Исследования преобразователей для электропередач постоянного тока начались в нашей стране в 1947 г. в организованной тогда в ЭНИН лаборатории передач постоянного тока, возглавлявшейся проф. К.А. Кругом, и в образованном в том же году НИИ постоянного тока (НИИПТ). Одновременно аналогичные работы начали проводиться в ВЭИ. В дальнейшем к работам по постоянному току подключился «Энергосетьпроект». Большая работа по изучению режимов работы и проектированию первых передач постоянного тока проведена в НИИПТ его сотрудниками: А.В. Поссе, В.И. Емельяновым, М.Г. Шехтманом, А.В. Пинцовым, К.А. Герциком, Л.Л. Балыбердиным, Ю.С. Крайчиком и др. В НИИПТ также проведена разработка алгоритмов систем управления передачами постоянного тока, исследованы перенапряжения в передачах постоянного тока, выполнено физическое моделирование передач постоянного тока. Усилиями сотрудников НИИПТ, Московского отделения НИИПТ и ВЭИ была введена в эксплуатацию в 1950 г. первая в мире кабельная электропередача постоянного тока напряжением 200 кВ и мощностью 30 МВт Кашира — Москва длиной 120 км, которая явилась школой для разработки других электропередач постоянного тока. ВЭИ являлся разработчиком всего высоковольтного преобразовательного оборудования для передачи постоянного тока Волгоград-Донбасс. Большая работа была проведена сотрудниками ВЭИ по разработке, серийному изготовлению, испытаниям и эксплуатации главного аппарата этой электропередачи — откачного экситрона — высоковольтного ртутного вентиля типа ВР-9. Его разработке предшествовали обширные исследования физических процессов газового разряда при низком давлении, проводившиеся под руководством Б.Н. Клярфельда, В.Л. Грановского, И.Н. Кесаева и др. Разработкой вентиля ВР-9 руководил главный конструктор Ф.И. Бутаев, разработку испытательных установок осуществлял Н.С. Климов, разработку технологии производства и кондиционирования вентилей проводили А.А. Перцев, Н.П. Степанов, А.Е. Шварц и др. На каждой преобразовательной подстанции включены последовательно восемь шестифазных преобразовательных мостов, каждый из которых состоит из 14 высоковольтных ртутных вентилей типа ВР-9. Вентили включены последовательно по два в каждое плечо моста. Кроме того, имеются два шунтирующих вентиля. Для получения 12-фазного режима преобразования каждые два моста питаются от группы из трех однофазных трансформаторов мощностью 3x90 MB∙А, имеющих каждый шесть обмоток: две сетевые (220 кВ), две третичные (13,8 кВ) и две вентильные (89 кВ)[5]. Сетевые и третичные обмотки включены параллельно, вентильные включены: одна в треугольник, другая в звезду и работают каждая на свой мост. В нейтраль сетевой обмотки трансформатора включен регулировочный трансформатор, позволяющий изменять коэффициент трансформации в пределах 15%. Волжская преобразовательная подстанция совмещена с Волжской ГЭС, и зал вентилей находится в теле плотины ГЭС, рядом с машинным залом. Преобразовательный блок Волжской подстанции состоит из двух генераторов, группы однофазных трансформаторов и двух шестифазных вентильных мостов. Фильтры высших гармоник на подстанции не предусмотрены. Предполагалось, что крупнейшая в мире электропередача мощностью 6000 МВт, напряжением ±750 кВ по схеме два полюса — земля и протяженностью более 2400 км свяжет восточные районы страны с европейской частью России. Ввод в эксплуатацию ее планировалось осуществить в 1992–1995 гг. В состав электропередачи Экибастуз-Центр входили биполярная воздушная линия с проводами 5хАСО-1200 в полюсе и две концевые преобразовательные подстанции: одна в районе Экибастузских ГРЭС, другая в узле нагрузок Объединенной энергосистемы Центра в районе г. Тамбова. Главное назначение электропередачи — транспорт энергии Экибастузских ГРЭС в энергосистему Центра. Предусмотрен реверс потока мощности. На зажимах отправной подстанции в Экибастузе в полюсе ВЛ обеспечивался рабочий ток 4000 А и напряжение 750 кВ по отношению к земле. Средняя точка преобразователей обеих подстанций глухо заземлялась на выносное рабочее заземление. Важнейшая особенность главной схемы электропередачи — параллельное соединение ветвей преобразователей: каждая ветвь, состоящая из двух каскадно включенных шестифазных мостов (по 750 МВт, 375 кВ и 2000 А), соединенных каждый со своим трансформатором, представляет собой единичный агрегат, все оборудование которого включается или отключается одновременно. Основной агрегат подстанции — двухмостовой преобразователь, оснащенный высоковольтными тиристорными вентилями (ВТВ) (Р.А. Лытаев и др., ВЭИ), устройствами демпфирования, высокочастотными реакторами, разрядниками. Вентиль ВТВ имеет модульную конструкцию, световую систему управления, водяное охлаждение. Он содержит 128 модулей, в каждом модуле включено последовательно четыре тиристора таблеточного типа, имеющих двустороннее охлаждение деионизованной водой. Световые импульсы управления поступают к тиристорам по световодам. После распада Советского Союза сооружение электропередачи Экибастуз-Центр было прекращено. В 1984 г. вице-президент американского НИИэлектроэнергетики (ЭПРИ) г-н Хингорани высказал мысль, являющуюся развитием предложения проф. В.А. Веникова: использовать современную высоковольтную преобразовательную технику для электропередач переменного тока с целью коренного улучшения их характеристик так, чтобы вместо воздействия на электромеханические процессы в синхронных машинах воздействовать на электронные устройства, включенные непосредственно в линию передачи. Это предложение послужило основой развития техники гибких электропередач. Исследования показали, что с помощью электронных устройств гибких электропередач можно решить следующие задачи: 1) увеличить пропускную способность линий; 2) обеспечить принудительное распределение мощности по замкнутой сети в соответствии с требованиями диспетчера; 3) повысить устойчивость электропередач за счет плавного продольного и поперечного регулирования реактивной мощности и реактивного сопротивления линии. Профессором О.А. Маевским показано, что, используя запираемые тиристоры вместо СТК, можно получить новое качество преобразовательных схем: способность не только потреблять, но и выдавать реактивную мощность в сеть.
Энергетическая сбытовая компания Башкортостана
Электропередачи и вставки постоянного тока обладают рядом экономически выгодных преимуществ по сравнению с передачами переменного тока.
Так как на нормальный режим работы линии постоянного тока не оказывают влияния ее реактивные параметры, то при реальных соотношениях между активными и реактивными сопротивлениями линии электропередачи падение напряжения на ней во много раз меньше, чем на линии переменного тока. А это, в свою очередь, создает предпосылки для радикального увеличения радиуса действия линий постоянного тока по сравнению с линиями электропередачи переменного тока; при этом при любой длине не возникает ограничений передаваемой мощности по условиям устойчивости параллельной работы. Воздушные линии постоянного тока, как правило, существенно дешевле линий переменного тока.
Существенны выгоды постоянного тока для кабельных линий, поскольку условия работы изоляции кабелей при постоянном напряжении несравненно легче, чем при переменном. Благодаря этому при одной и той же толщине изоляции пропускная способность кабеля, работающего при постоянном напряжении, в 2-4 раза выше чем у того же кабеля, но работающего при переменном напряжении, за счет более высокого номинального напряжения. При сооружении линии электропередачи постоянного тока между двумя несвязанными энергосистемами последние могут работать несинхронно как с разными частотами (50 и 60 Гц), так и с одинаковой частотой, но с различными требованиями к точности ее поддержания. Целый ряд преимуществ может быть получен за счет способности вентильных преобразователей выполнять функции быстродействующего выключателя и очень совершенного регулятора передаваемой мощности. Здесь следует отметить, что при связи двух энергосистем на постоянном токе аварийные режимы в одной из энергосистем не отражаются на работе другой энергосистемы столь непосредственно, как это происходит при связи на переменном токе; кроме того, исключается подпитка места КЗ в одной энергосистеме со стороны другой. Поэтому объединение энергосистем или ввод дополнительной мощности в энергосистему через электропередачу постоянного тока не приводит к увеличению токов КЗ и не требует соответствующей замены всего оборудования и, прежде всего, выключателей. Благодаря практически безынерционному регулированию преобразователей межсистемная связь по линиям электропередачи постоянного тока может осуществляться по строго заданной программе, например с целью поддержания частоты, баланса активной мощности, демпфирования низкочастотных колебаний и т.д.
Исследования преобразователей для электропередач постоянного тока начались в нашей стране в 1947 г. в организованной тогда в ЭНИН лаборатории передач постоянного тока, возглавлявшейся проф. К.А. Кругом, и в образованном в том же году НИИ постоянного тока (НИИПТ). Одновременно аналогичные работы начали проводиться в ВЭИ. В дальнейшем к работам по постоянному току подключился «Энергосетьпроект». Большая работа по изучению режимов работы и проектированию первых передач постоянного тока проведена в НИИПТ его сотрудниками: А.В. Поссе, В.И. Емельяновым, М.Г. Шехтманом, А.В. Пинцовым, К.А. Герциком, Л.Л. Балыбердиным, Ю.С. Крайчиком и др. В НИИПТ также проведена разработка алгоритмов систем управления передачами постоянного тока, исследованы перенапряжения в передачах постоянного тока, выполнено физическое моделирование передач постоянного тока. Усилиями сотрудников НИИПТ, Московского отделения НИИПТ и ВЭИ была введена в эксплуатацию в 1950 г. первая в мире кабельная электропередача постоянного тока напряжением 200 кВ и мощностью 30 МВт Кашира — Москва длиной 120 км, которая явилась школой для разработки других электропередач постоянного тока.
ВЭИ являлся разработчиком всего высоковольтного преобразовательного оборудования для передачи постоянного тока Волгоград-Донбасс. Большая работа была проведена сотрудниками ВЭИ по разработке, серийному изготовлению, испытаниям и эксплуатации главного аппарата этой электропередачи — откачного экситрона — высоковольтного ртутного вентиля типа ВР-9. Его разработке предшествовали обширные исследования физических процессов газового разряда при низком давлении, проводившиеся под руководством Б.Н. Клярфельда, В.Л. Грановского, И.Н. Кесаева и др. Разработкой вентиля ВР-9 руководил главный конструктор Ф.И. Бутаев, разработку испытательных установок осуществлял Н.С. Климов, разработку технологии производства и кондиционирования вентилей проводили А.А. Перцев, Н.П. Степанов, А.Е. Шварц и др.
На каждой преобразовательной подстанции включены последовательно восемь шестифазных преобразовательных мостов, каждый из которых состоит из 14 высоковольтных ртутных вентилей типа ВР-9. Вентили включены последовательно по два в каждое плечо моста. Кроме того, имеются два шунтирующих вентиля. Для получения 12-фазного режима преобразования каждые два моста питаются от группы из трех однофазных трансформаторов мощностью 3x90 MB∙А, имеющих каждый шесть обмоток: две сетевые (220 кВ), две третичные (13,8 кВ) и две вентильные (89 кВ)[5]. Сетевые и третичные обмотки включены параллельно, вентильные включены: одна в треугольник, другая в звезду и работают каждая на свой мост. В нейтраль сетевой обмотки трансформатора включен регулировочный трансформатор, позволяющий изменять коэффициент трансформации в пределах 15%. Волжская преобразовательная подстанция совмещена с Волжской ГЭС, и зал вентилей находится в теле плотины ГЭС, рядом с машинным залом. Преобразовательный блок Волжской подстанции состоит из двух генераторов, группы однофазных трансформаторов и двух шестифазных вентильных мостов. Фильтры высших гармоник на подстанции не предусмотрены.
Предполагалось, что крупнейшая в мире электропередача мощностью 6000 МВт, напряжением ±750 кВ по схеме два полюса — земля и протяженностью более 2400 км свяжет восточные районы страны с европейской частью России. Ввод в эксплуатацию ее планировалось осуществить в 1992–1995 гг. В состав электропередачи Экибастуз-Центр входили биполярная воздушная линия с проводами 5хАСО-1200 в полюсе и две концевые преобразовательные подстанции: одна в районе Экибастузских ГРЭС, другая в узле нагрузок Объединенной энергосистемы Центра в районе г. Тамбова. Главное назначение электропередачи — транспорт энергии Экибастузских ГРЭС в энергосистему Центра. Предусмотрен реверс потока мощности. На зажимах отправной подстанции в Экибастузе в полюсе ВЛ обеспечивался рабочий ток 4000 А и напряжение 750 кВ по отношению к земле. Средняя точка преобразователей обеих подстанций глухо заземлялась на выносное рабочее заземление. Важнейшая особенность главной схемы электропередачи — параллельное соединение ветвей преобразователей: каждая ветвь, состоящая из двух каскадно включенных шестифазных мостов (по 750 МВт, 375 кВ и 2000 А), соединенных каждый со своим трансформатором, представляет собой единичный агрегат, все оборудование которого включается или отключается одновременно.
Основной агрегат подстанции — двухмостовой преобразователь, оснащенный высоковольтными тиристорными вентилями (ВТВ) (Р.А. Лытаев и др., ВЭИ), устройствами демпфирования, высокочастотными реакторами, разрядниками. Вентиль ВТВ имеет модульную конструкцию, световую систему управления, водяное охлаждение. Он содержит 128 модулей, в каждом модуле включено последовательно четыре тиристора таблеточного типа, имеющих двустороннее охлаждение деионизованной водой. Световые импульсы управления поступают к тиристорам по световодам. После распада Советского Союза сооружение электропередачи Экибастуз-Центр было прекращено.
В 1984 г. вице-президент американского НИИэлектроэнергетики (ЭПРИ) г-н Хингорани высказал мысль, являющуюся развитием предложения проф. В.А. Веникова: использовать современную высоковольтную преобразовательную технику для электропередач переменного тока с целью коренного улучшения их характеристик так, чтобы вместо воздействия на электромеханические процессы в синхронных машинах воздействовать на электронные устройства, включенные непосредственно в линию передачи. Это предложение послужило основой развития техники гибких электропередач.
Исследования показали, что с помощью электронных устройств гибких электропередач можно решить следующие задачи:
1) увеличить пропускную способность линий;
2) обеспечить принудительное распределение мощности по замкнутой сети в соответствии с требованиями диспетчера;
3) повысить устойчивость электропередач за счет плавного продольного и поперечного регулирования реактивной мощности и реактивного сопротивления линии.
Профессором О.А. Маевским показано, что, используя запираемые тиристоры вместо СТК, можно получить новое качество преобразовательных схем: способность не только потреблять, но и выдавать реактивную мощность в сеть.