Линии постоянного тока в россии

В мировой практике наиболее распространена передача электроэнергии переменным током. Но мощность, которую можно передать по таким линиям, особенно на большие расстояния, ограничивается многими факторами: предельной мощностью по условиям устойчивости, по нагреву проводников, потерями на корону и т.д.
Передача электроэнергии постоянным током более перспективна, считают специалисты петербургского НИИ постоянного тока Наталья Георгиевна Лозинова и Михаил Иванович Мазуров.
Система электропередачи постоянного тока работает более устойчиво, уменьшаются потери в ЛЭП, отпадает необходимость в синхронизации работы электростанций. При этом не требуется замена основного оборудования действующих электростанций и трансформаторных подстанций.

В электропередачах постоянного тока (ППТ) отсутствуют многие факторы, свойственные электропередачам переменного тока и ограничивающие пропускную способность. Предельная мощность, передаваемая по ЛЭП постоянного тока, больше, чем у аналогичных ЛЭП переменного тока. Ограниченность применения ППТ связана главным образом с техническими трудностями создания эффективных недорогих устройств для преобразования переменного тока в постоянный (в начале линии) и постоянного тока в переменный (в конце линии).
Применение ППТ и вставок постоянного тока (ВПТ – подстанция, предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный и последующего преобразования постоянного тока в переменный исходной или иной частоты) определяется их специфическими техническими характеристиками:

• с помощью ППТ (ВПТ) осуществляется несинхронная связь между энергосистемами, обеспечивающая возможность независимого регулирования частоты в каждой из них. Нарушения режима (КЗ, сбросы мощности, набросы нагрузки) в одной из объединенных энергосистем практически не сказываются на работе другой.
  Через ППТ (ВПТ) могут объединяться энергосистемы, работающие с различной номинальной частотой (50 и 60 Гц) или разной идеологией поддержания частоты;
• быстродействующее регулирование преобразователей ППТ и ВПТ позволяет практически безынерционно изменять величину и направление потока мощности, благодаря чему такая связь свободна от нерегулируемых перетоков мощности и способна осуществлять передачу электроэнергии по заданной программе. Законы регулирования могут быть выбраны с большой степенью независимости от изменений режима (уровней напряжения, частоты) в связываемых энергосистемах. При необходимости специальные регуляторы могут использоваться, например, для поддержания частоты, демпфирования субгармонических колебаний, повышения устойчивости параллельных ВЛ переменного тока и т.д.;
• объединение энергосистем переменного тока или ввод дополнительной мощности в энергосистему через ППТ (ВПТ) не приводит к увеличению токов КЗ;
• для длинных ВЛ (наиболее протяженная из построенных ВЛ ППТ имеет длину 1730 км) нет ограничений передаваемой мощности по условиям нарушения устойчивости. Технические пределы нагрузки для воздушных и кабельных линий определяются только условиями теплового режима;
• по сравнению с ЛЭП переменного тока линии постоянного тока имеют в 1,5 раза меньшую зону отчуждения земли для трассы линии;
• ППТ обладают существенным по сравнению с ЛЭП переменного тока преимуществом в части надежности, так как вероятность одновременного отключения обоих полюсов ППТ более чем на порядок ниже вероятности отключения трехфазной линии;
• при передаче электроэнергии через широкие водные преграды (более 40–50 км) применение ППТ с подводным кабелем не имеет альтернативы.

ИСТОРИЯ И ТЕНДЕНЦИИ

К настоящему времени в мире действует около 100 объектов постоянного тока общей мощностью около 75 ГВт. Достижения классической технологии ППТ и ВПТ связаны с работами, проведенными в бывшем СССР (НИИПТ, ВЭИ), Швеции (АВВ), Германии (Siemens), Японии (Toshiba).
Одной из крупнейших в мире должна была стать строившаяся в 80-х годах ППТ «Экибастуз – Центр». Ее мощность 6 ГВт, напряжение ±750 кВ и длина линии 2400 км значительно превосходили все известные на тот период ППТ. Распад СССР помешал доведению строительства до конца, но основное оборудование ППТ было создано и испытано на стендах. Это силовое оборудование (трансформаторы, вентили) на напряжение ±750 кВ, 12-фазный преобразовательный блок мощностью 1,5 ГВт, линейный реактор 4 Гн, 1000 А, фильтры высших гармоник на напряжение 500 кВ и синхронные компенсаторы мощностью 320 МВА.
В немалой степени конкуренция в производстве оборудования ППТ между СССР и странами Запада способствовала строительству и вводу в эксплуатацию в 1984-87 гг. самой большой в настоящее время в мире ППТ Itaipu в Бразилии. Эта ППТ мощностью 6,3 ГВт состоит из двух биполярных линий по 3,15 ГВт длиной примерно по 800 км каждая, с напряжением между полюсами ±600 кВ. Электропередача сооружена для связи самой мощной в мире ГЭС Itaipu (12,6 ГВт), совместно построенной Бразилией и Парагваем на реке Парана, с промышленным центром Бразилии Сан-Паулу. Поскольку электрические сети Бразилии имеют частоту 60 Гц, а сети Парагвая – 50 Гц, на ГЭС Itaipu было установлено по 9 генераторов с каждой из частот. Однако потребление Парагваем электроэнергии от ГЭС незначительно (

250 МВт), поэтому практически вся мощность 9 генераторов с частотой 50 Гц преобразуется на ППТ и передается в сети Бразилии [1]. Из числа построенных ВПТ по суммарной установленной мощности преобразователей в настоящее время самой большой в мире является Выборгская выпрямительно-инверторная подстанция (ВИП) электропередачи 330/400 кВ «Россия – Финляндия». Мощность всей линии после ввода в 2000 г. 4-го преобразовательного блока достигла 1400 МВт [2].
В то же время мощность единичного блока Выборгской ВИП составляет 350 МВт и по единичной мощности преобразовательных блоков она уступает некоторым зарубежным. В частности, на ВПТ Durnror («Австрия – Чехия») еще в 1983 г. был установлен преобразовательный блок мощностью 550 МВт, а выведенный в настоящее время из работы в резерв преобразователь на ВПТ Etzenricht (Германия) имеет наибольшую в мире мощность 600 МВт. Широкое применение (известно более 20 объектов) получили кабельные ППТ. В России первый практический опыт работы кабеля при постоянном напряжении был получен с пуском в 1950 году ППТ «Кашира – Москва». На этой линии применялся кабель общей длиной 30 км, с помощью которого, в частности, преодолевались и реки.
Наибольшую протяженность кабельного участка сейчас имеют ППТ между Швецией и Германией – 250 км и ППТ Basslink (Австралия) – 290 км. Ведутся проектные работы по более протяженным кабельным ППТ. Так, в Малайзии (проект Bakun) намечено [3] построить ППТ напряжением ±500 кВ, общей длиной 1330 км, с самым длинным кабельным участком 670 км. Ведется строительство ППТ между Нидерландами и Норвегией кабелем длиной 580 км. Наиболее мощная подводная КЛ постоянного тока с пропускной способностью 2,0 ГВт связывает энергосистемы Великобритании и Франции. Ее длина 70 км, номинальное напряжение ± 270 кВ. Более чем тридцатилетние наблюдения за показателями надежности существующих ППТ, проведенные рабочей группой 14-04 СИГРЭ, указывают, что энергетическая готовность ППТ всё время нарастала. Особенно заметный ее рост был связан с переходом от ртутных вентилей к тиристорным.
Опыт эксплуатации Выборгской ВИП электропередачи «Россия – Финляндия» указывает на стабильно высокую энергетическую готовность как каждого блока (92%), так и всей вставки (99%) [1, 4].

Через шесть лет после начала эксплуатации энергетическая готовность ППТ Itaipu достигла 99% и устойчиво сохраняется. Все вновь введенные ППТ и ВПТ после окончания периода приработки имеют энергетическую готовность 98–99% и по статистике являются весьма надежными элементами энергосистем.
Таким образом, электропередача постоянного тока может рассматриваться как хорошо отработанный элемент энергосистемы, обладающий, несмотря на значительную технологическую сложность основных составляющих, вполне приемлемыми техническими характеристиками.
Поскольку длительный прогноз сетевого строительства, несомненно, связан с прогнозами роста нагрузок и строительством новых электростанций, наибольший интерес представляют планы покрытия дефицита мощности в регионах, где он уже обнаружился (центр и северо-запад европейской части, Урал, часть Сибири и Дальнего Востока). Однако задачи покрытия дефицита мощности в указанных регионах за счет строительства дальних ППТ или применения ВПТ следует увязывать с возможностью транспорта электроэнергии в зарубежные энергосистемы. Такой комплексный подход может улучшить экономическое обоснование объектов постоянного тока, привлечь внимание зарубежных инвесторов и способствовать развитию взаимовыгодных обменов мощностями с зарубежными странами.

РОССИЙСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Для применения ППТ в Единой национальной электрической сети России (ЕНЭС) существуют объективные предпосылки, исходящие из указанных выше преимуществ ППТ:

• большая протяженность территории страны;
• неравномерное распределение энергоресурсов и промышленности (наибольшие запасы минерального топлива и гидроресурсов – в Сибири, наибольшее сосредоточение населения и промышленности – в европейской части);
• большое число удаленных от центров потребления перспективных створов для сооружения ГЭС;
• формирование ЕНЭС в виде крупных региональных объединений, связанных между собой сравнительно слабыми связями.

В перспективных планах роль ППТ в ЕНЭС связана с необходимостью транспорта электроэнергии из энергоизбыточных регионов Сибири в центр, на юг и Дальний Восток (см. табл. 1). Это объясняется:

• снижением выработки электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС) центра из-за ожидаемого снижения объемов поставки газа (например, дефицит газа в 2015 году ожидается на уровне 33 млрд м3);
• увеличением использования угольных ТЭС Канско–Ачинского бассейна и возможным строительством ТЭС на тугнуйских и ургальских углях;
• намеченными работами по достройке Бурейской ГЭС, строительству Южно-Якутского гидроэнергетического комплекса, Богучанской ГЭС и Тугурской приливной электростанции;
• разностью в ценах электроэнергии, произведенной в центре и в Сибири;
• необходимостью резерва мощности для обеспечения надежного энергоснабжения центра, целенаправленного управления режимами ЕНЭС.

В отличие от межсистемных связей переменного тока ППТ обеспечивают:

• возможность наиболее эффективного централизованного управления режимами большого по мощности и протяженного энергообъединения;
• локализацию аварий в энергообъединении и возможность реализации максимальной аварийной взаимопомощи энергосистем, не ограниченной условиями устойчивости;
• снижение объема использования средств противоаварийной автоматики и соответственно отключений потребителей;
• возможность параллельной работы энергосистем без необходимости предварительного приведения их к единому стандарту качества частоты и единым условиям аварийного регулирования, что особенно существенно при организации связей с энергосистемами других государств;
• отсутствие стохастических колебаний мощности и возможность объединения сколь угодно мощных энергосистем связями относительно малой пропускной способности с возможностью наращивания ее по мере необходимости;
• наиболее благоприятные условия функционирования межрегиональных и межгосударственных оптовых рынков электроэнергии и мощности.

СВЯЗЬ С ЗАРУБЕЖНЫМИ ЭНЕРГОСИСТЕМАМИ

Интерес к передаче постоянного тока подтверждается примерами использования ППТ и ВПТ в быстроразвивающихся Китае и Индии. В табл. 2 приведен перечень завершенных в последнее время проектов линий постоянного тока в Китае.
В Европе в последние годы наблюдается тенденция к интегрированию международных энергосистем для получения дополнительных эффектов от их совместной работы и для равноправного участия производителей и потребителей на международном рынке электроэнергии.
При этом передачам постоянного тока [5] отведена существенная роль как в силу географических причин (водные преграды между, например, Скандинавскими странами и материком), так и в силу характеристик ППТ, позволяющих контролировать перетоки мощности.
Из-за особого расположения России на Евро-Азиатском континенте отечественная энергосистема может стать не только крупнейшим экспортером электроэнергии, но и посредником в обмене энергопотоками для энергосистем сопредельных государств, что потребует значительного улучшения управляемости ЕНЭС.
Принципы объединения энергосистем для транспорта электроэнергии в сопредельные с Россией государства с использованием ВПТ могут быть предметом дискуссии [6], однако существующий опыт, в том числе зарубежный, свидетельствует, что связь между энергосистемами на постоянном токе позволяет более полно и эффективно контролировать переток мощности и выполнение контрактных обязательств.
Важными причинами использования ППТ для связи России с энергосистемами других государств являются:

• наличие в стране избыточных неиспользованных гидроресурсов, особенно в Сибири;
• сложности объединения на переменном токе с крупными зарубежными энергосистемами и из-за различий в системах регулирования частоты и мощности, других системах автоматики, различий в системах оперативного управления и нормативной базе и др.;
• большие расстояния, затрудняющие создание синхронных связей с энергосистемами стран, расположенных к югу от границ с Россией (энергообъединение среднеазиатских республик бывшего СССР, энергосистемы Китая, Кореи, Ирана, Турции и других стран);
• наличие широких водных преград ( при связи, например, с энергосистемами Японии и Турции).

В настоящее время на связях ЕНЭС с зарубежными энергосистемами эксплуатируются ППТ «Волгоград – Донбасс» (Россия–Украина) и ВПТ «Россия – Финляндия».
Параметры ППТ «Волгоград – Донбасс», построенной в 1962– 65 гг., были наивысшими для того времени: напряжение ±400 кв, мощность 720 МВт, длина линии 470 км. За прошедший период эксплуатации мощность ППТ (определяемая в основном Волжской ПС) снизилась до 360 МВт, а реальная рабочая мощность составляет около 200 МВт. В большой мере это связано с изношенным оборудованием ПС «Михайловская» в Донбассе, на которой до сих пор работают ртутные вентили, выпуск которых прекращен 30 лет назад.
Намечающийся процесс присоединения на переменном токе украинской энергосистемы к энергосистеме Европы может потребовать усиления электросвязей с Украиной на постоянном токе с возможной поставкой электроэнергии в страны Восточной Европы. В связи с этим может оказаться целесообразной реконструкция ППТ «Волгоград – Донбасс» с увеличением ее мощности и продлением линии к западу Украины.
В параллельную работу ППТ «Россия – Финляндия», о которой мы говорили выше, на энергосистему Финляндии в настоящее время подключается первый блок Северо-Западной ТЭЦ (С.-Петербург) мощностью 450 МВт. Объем поставляемой электроэнергии в Финляндию в последние годы значительно увеличился и превышает 10 млрд кВт·ч в год.
В табл. 3 приведен перечень перспективных ППТ традиционного исполнения для электросвязей с зарубежными энергосистемами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ивакин В.Н., Сысоева Н.Г., Худяков В.В. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы. – М.: Энергоатомиздат, 1993.
2. Балыбердин Л.Л. и др. Увеличение мощности электропередачи 330/400 кВ с вставкой постоянного тока между энергосистемами России и Финляндии // Электрические станции. – 2004. – № 10.
3. Power Link, № 2, 1996 г. ABB Power Systems.
4. Передачи и вставки постоянного тока высокого напряжения / Под ред. В.В. Худякова. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
5. HVDC – A major option for the electricity networks or the 21st century. M. Chamia, IEEE WPM + 999 – Panel Session.
6. Зеленохат Н.И., Шаров Ю.В. Комбинированное объединение больших энергосистем // Электричество. – 2006. – № 5.

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Zkvxz

В Атомном эксперте появилась интересная статья по модернизации электросетевого хозяйства. Статья большая, поэтому только отрывок:

Известен, например, так называемый «германский парадокс». Добиваясь рекордных показателей по наращиванию доли ВИЭ в своем энергобалансе, Германия на протяжении многих лет остается лидером среди стран ЕС по выбросам в атмосферу CO2. Последовательно закрывая атомные электростанции, немцы стали наращивать импорт угля из России, чтобы восполнить недостающую электроэнергию. Возникла парадоксальная ситуация: в стремлении максимально «озеленить» свою энергетику, страна, напротив, увеличивала «грязную» угольную генерацию.

Даже в Дании, которая планирует полностью перейти на возобновляемую энергетику к 2050 году, все равно идут споры об экономической эффективности ВИЭ в долгосрочной перспективе. И скептиков можно понять. В последние годы слишком много было громких примеров так и не реализовавшихся проектов, связанных с возобновляемой энергией.

Например, «солнечный гигант» SunEdison (США) был крупнейшей компанией в сфере солнечной энергетики с капитализацией $10 млрд, но не справился с долговыми обязательствами и объявил о банкротстве. Другая американская компания Aquion Energy, которая разрабатывала аккумуляторные батареи для хранения «зеленой» энергии, сейчас распродается по частям и сократила практически весь свой R&D-персонал.

Сегодня во всём мире растёт интерес к линиям электропередачи на постоянном токе (ЛЭП ПТ), которые в ряде случаев обладают заметными техническими и экономическими преимуществами по отношению к линиям электропередачи переменного тока той же мощности.

Переход на постоянный ток выгоден по многим причинам. Затраты на строительство самих линий снижаются — замена трёх фаз на два полюса позволяет резко сократить стоимость проводов или кабелей. В случае воздушных линий опоры конструктивно проще и легче, а трасса линии — уже. Также заметно снижается расход строительных и конструкционных материалов. Однако преобразовательные подстанции ЛЭП ПТ сложнее и дороже подстанций ЛЭП переменного тока, поскольку содержат много дополнительного оборудования. Это мощные преобразовательные установки со своими системами регулирования, защиты, сигнализации, охлаждения и т. д. Также на подстанциях должны быть синхронные компенсаторы или мощные батареи конденсаторов для компенсации реактивной мощности, потребляемой самими преобразователями. Там же монтируются фильтры высших гармоник, сглаживающие реакторы и другое оборудование.

Точка невозврата

Существует понятие критической длины линии. Это длина, при которой суммарная стоимость решений на постоянном и переменном токе (подстанции плюс линия) одинакова. При длине линии больше критической экономически выгоднее строить ЛЭП ПТ. По данным Всероссийского электротехнического института (ВЭИ), критическая длина воздушной линии, в зависимости от передаваемой мощности и конкретных географических условий, составляет 600-800 км, кабельной — 30-50 км.

В некоторых случаях постоянный ток оказывается безальтернативным вариантом. Например, если нужно соединить две системы переменного тока, работающие асинхронно или имеющие разные частоты (50 и 60 Гц). В таких случаях используют вставки постоянного тока.

Также отметим, что мощность и длина линии переменного тока ограничиваются эффектами статической и динамической неустойчивости, а мощность и длина ЛЭП ПТ — только параметрами преобразовательного оборудования. Более того, постоянный ток облегчает работу системного оператора: передаваемую по ЛЭП ПТ мощность можно регулировать очень быстро и практически от нуля до максимума.

ЛЭП ПТ также снижают вероятность серьёзных системных аварий и облегчают послеаварийное восстановление сетей. Если при повреждении провода одной фазы линия переменного тока отключается целиком, то при повреждении провода одного из полюсов ЛЭП ПТ по проводу другого полюса можно передавать половинную мощность. Земля заменяет повреждённый провод. Подобный режим, допустимый лишь ограниченное время, обычно позволяет сохранить энергоснабжение потребителей первой категории.

Поле для внедрения

В современных крупных городах, где возможности строительства новых воздушных линий ограничены, используются «глубокие вводы» на кабелях постоянного тока. Подводные кабельные линии, работающие на постоянном токе, могут иметь длину до 500 км. Подобные решения на переменном токе невозможны в принципе из-за повышенной реактивной составляющей кабельной линии.

Конечно же, перспективы применения ЛЭП ПТ зависят от общей конфигурации энергосистемы. В 1960-х годах в СССР сложилась такая ситуация, что основные энергетические ресурсы страны размещались за Уралом, а центры электрической нагрузки — в Европейской части страны. Нужно было перебрасывать большие мощности на огромные расстояния. На тот момент уже были отработаны методы разработки и технологии строительства классических ЛЭП ПТ с высоковольтными ртутными и тиристорными преобразователями напряжения.

В середине 1960 гг. в СССР была разработана государственная программа, конечной целью которой было создание сверхмощной (6 ГВт) линии электропередачи постоянного тока Экибастуз — Центр напряжением 1500 кВ (±750 кВ относительно земли). В проекте линии длиной 2400 км (она должна была стать крупнейшей в мире) предполагалось на начальной стадии для преобразования напряжения использовать высоковольтные ртутные вентили.

В 1966 г. Совет Министров СССР выпустил постановление о проведении НИОКР в области создания сверхдлинных ЛЭП постоянного тока. Головным предприятием по разработке комплексного электротехнического оборудования для ЛЭП ПТ напряжением 1500 кВ был назначен Всесоюзный электротехнический институт. В то время ВЭИ занимал лидирующие позиции в стране и мире в области мощных ртутных вентилей и электронных вакуумных устройств.

Однако уже в 1970 г. в связи с быстрым развитием полупроводниковой преобразовательной техники было принято решение прекратить разработку новых мощных ртутных вентилей и в дальнейшем ориентироваться на тиристорные силовые приборы.

Наращивая напряжение

С 1970 по 1980 гг. в стране разрабатывались комплексы электрооборудования для ультравысоковольтных ЛЭП переменного тока напряжением 1150 кВ и постоянного тока 1500 кВ (±750 кВ). Практическая реализация проектов была запущена 30 апреля 1981 г. совместным Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 412. Это постановление предписывало Министерству энергетики и электрификации СССР построить и ввести в действие в 1981-1990 гг. ЛЭП переменного тока напряжением 1150 кВ Экибастуз — Кокчетав — Кустанай — Челябинск (1272 км), Сургут — Урал (500 км), Итат — Новокузнецк (272 км), Новокузнецк — Западно-Сибирская — Экибастуз (950 км), а также уже упомянутую ЛЭП ПТ Экибастуз — Центр. Её назначение — передача энергии от Экибастузских ГРЭС в энергосистему Центра для покрытия дефицита мощности в этом районе. Кроме того, ставилась задача построить линии электропередачи переменного тока напряжением 500 кВ (с подстанциями) общей протяжённостью около 2 тыс. км, необходимые для распределения электрической энергии от подстанций с напряжениями 1150 и 1500 кВ.

Проект ЛЭП ПТ Экибастуз — Центр разрабатывали три организации: «Энергосетьпроект» (ведущий проектировщик), ВЭИ (разработчик электротехнического оборудования) и Научно-исследовательский институт постоянного тока (разработчик технических требований к оборудованию).

Согласно проекту, выпрямительная подстанция располагалась в Экибастузе, инверторная — в Тамбове. Для ЛЭП Экибастуз — Центр были разработаны, изготовлены, испытаны и частично поставлены на первую очередь преобразовательных подстанций (одна ветвь мощностью 1500 МВт) уникальные высоковольтные тиристорные вентили, однофазные двухобмоточные преобразовательные трансформаторы мощностью 320 МВА на классы напряжения ±400 и ±750 кВ, линейные реакторы на класс напряжения ±750 кВ, серия унифицированных разрядников, аппаратура систем управления, регулирования, защиты и автоматики ЛЭП и другое электрооборудование.

Ввод линии постоянного тока в эксплуатацию, перенесённый на 1992-1995 гг., не состоялся из-за распада СССР. К 1991 г. была построена воздушная ЛЭП длиной почти 1000 км, на преобразовательных подстанциях начался было монтаж электрооборудования, но вскоре все работы были прекращены. Электрооборудование было разобрано, ЛЭП — демонтирована и сдана в металлолом.

О грандиозном советском проекте сегодня напоминают лишь оставшиеся кое-где отдельные конструкции. Например, в районе Вольска (Саратовская область) гигантские 124-метровые опоры, установленные для пересечения Волги, несут провода 500-киловольтной ЛЭП переменного тока Балаковская АЭС — Курдюм — Фролово.

По данным специалистов ВЭИ, электрооборудование для линий постоянного тока напряжением 1500 кВ, созданное в СССР, опередило зарубежные разработки примерно на 20 лет. Первая ЛЭП подобного класса (±800 кВ) была запущена в эксплуатацию в Китае только в 2010 г.