• регулятор угла закрытия вентилей инвертора, предназначенный для обеспечения устойчивой работы последнего при некоторых аварийных ситуациях, главным образом при коротких замыканиях в приемной системе;

• Регулятор угла α на выпрямителе, исключающий длительную работу последнего при повышенных значениях этого угла, что ведет к увеличению потребления реактивной мощности из сети;

• Регулятор баланса токов полуцепей, предназначенный для снижения до минимума тока в земле.

Кроме перечисленных могут использоваться и другие регулирующие устройства, однако эти регуляторы не оказывают такого воздействия на режим ППТ или ВПТ, как регуляторы тока и мощности.

В целом регулирующие устройства выпрямителя и инвертора имеют различные алгоритмы работы и различное программное и аппаратное исполнение. В случае, если данная электропередача является реверсивной, т.е. если по ней мощность может передаваться как в одном, так и в другом направлении, и преобразователи могут работать в режиме как выпрямителя, так и инвертора, то на них должен быть установлен двойной комплект регуляторов.

11.4. Энергетические характеристики преобразователей

Благодаря тому что преобразователь является быстродействующим переключателем, каждая фаза вентильной обмотки трансформатора поочередно включается в цепь постоянного тока. При этом направление тока в обмотке меняется дважды за период частоты сети (рис. 11.8). В результате в каждой фазе протекает переменный ток, форма которого близка к трапеции, но в первом приближении может быть принята прямоугольной. Этот ток может быть представлен как сумма токов синусоидальной формы различных частот. Среди них есть ток 1-й гармоники, частота которого равна частоте сети, и токи высших гармоник. В токе преобразователя содержатся токи 5, 7, 11, 13-й и более высоких гармоник, частоты которых в соответствующее количество раз превышают частоту сети.

Энергия из сети переменного тока в сеть постоянного тока передается только током 1-й гармоники. Токи высших гармоник создают так называемую мощность искажения, которая приводит к дополнительному нагреву трансформатора преобразователя и другим нежелательным последствиям.

Если выделить из тока фазы трансформатора ток 1-й гармоники, то он будет сдвинут в сторону отставания на некоторый угол, близкий к углу управления вентилями, по отношению к напряжению сети (рис. 11.8). Это говорит о том, что выпрямитель потребляет из сети не только активную мощность, которая вся, за исключением незначительных потерь в трансформаторе и преобразователе, передается в сеть постоянного тока, но и реактивную мощность. Инвертор же генерирует в сеть активную и потребляет из сети реактивную мощность. Потребляемая преобразователями реактивная мощность достаточно велика и обычно составляет 50—60 % активной.

Это, в свою очередь, означает, что преобразовательные подстанции, мощность которых может измеряться многими сотнями и тысячами мегаватт, нуждаются в компенсирующих устройствах, способных генерировать эту реактивную мощность. Ни передающая, ни приемная системы ППТ или ВПТ не в состоянии обеспечить покрытие такой мощности, так как это может привести к нарушению баланса реактивной мощности систем с соответствующими тяжелыми последствиями. Поэтому компенсирующие устройства должны устанавливаться непосредственно на самих преобразовательных подстанциях, что приводит к увеличению их стоимости. В качестве компенсирующих устройств используются фильтры токов высших гармоник (40—60 % потребной реактивной мощности), синхронные компенсаторы, батареи статических конденсаторов и другие источники реактивной мощности.

Сказанное выше относится ко всем существующим и многим строящимся ППТ и ВПТ, где используются преобразователи рода тока, основанные на использовании тиристоров, у которых контролируется только момент их открытия, но не закрытия.

Если в качестве преобразователей применять преобразователи напря­жения, то проблема компенсации реактивной мощности снимается. Такой преобразователь, работая выпрямителем или инвертором, может одновре­менно обеспечивать баланс реактивной мощности в узле сети, где он включен, стабилизируя напряжение этого узла. Что же касается токов высших гармоник, то применение широтно-импульсной модуляции позво­ляет получить форму тока сети, близкую к синусоиде. Имеющиеся незна­чительные токи высших гармоник могут быть компенсированы филь­трами, мощность которых много меньше, чем при использовании преобразователей с обычными тиристорами.

Некомпенсированные токи высших гармоник, проникая от преобразова­тельной подстанции в прилегающую сеть переменного тока, могут вызвать ряд весьма нежелательных последствий. К их числу относятся:

увеличение потерь мощности и энергии в элементах сети переменного тока, главным образом в электрических машинах;

значительные помехи линиям связи, сигнализации и автоблокировки;

перегрев конденсаторных батарей, что может привести к выходу их из работы;

резонансные явления в электрической сети с возможностью пробоя изоляции;

отрицательные воздействия на вычислительные комплексы.

Отсюда следует, что токи высших гармоник, которые генерируются преобразователями, выпускать в сеть нельзя, их нужно компенсировать на самой преобразовательной подстанции. В настоящее время разработаны достаточно эффективные пути решения этой проблемы.

Сейчас широко используются два метода. Первый из них состоит в том, что два каскадно включенных преобразователя подключаются к трансформаторам с различными группами соединения обмоток, например Y/Y-12 и Y/Δ-11, что обеспечивает сдвиг по фазе между напряжениями вентильных обмоток на 30 эл. град. В результате компенсируются токи 5-й и 7-й гармоник, имеющие наибольшие величины, и некоторые другие. Временные диаграммы токов сетевых обмоток трансформаторов с различными группами соединений, а также их суммарный сетевой ток приведены на рис. 11.9. Как можно видеть, этот ток несколько ближе к синусоиде, чем его составляющие, однако в нем также содержатся высшие гармоники. Отсюда необходимость в использовании другого пути их компенсации.

Второй путь заключается в применении фильтров высших гармоник. Простейший фильтр представляет собой последовательное соединение индуктивности и емкости, настроенных в резонанс на частоту заданной гармоники. В этом случае сопротивление фильтра для этой гармоники близко к нулю, ее ток отфильтровывается на землю и не выходит в сеть. При этом для 1-й гармоники этот фильтр является генератором реактивной мощности и участвует в обеспечении ее баланса на подстанции.

Обычно на преобразовательных подстанциях оба эти пути используются одновременно. Существующие методы расчета фильтров и учета частотных характеристик сети позволяют практически полностью компенсировать токи высших гармоник. Естественно, необходимость применения фильтров высших гармоник также приводит к увеличению стоимости преобразовательной подстанции.

Электропередача постоянного тока так же, как передача переменного тока, имеет коэффициент полезного действия, который определяется потерями мощности и энергии в элементах этой передачи. В данном случае эти потери складываются из потерь мощности и энергии в оборудовании преобразовательных подстанций и в линии постоянного тока. Относительные потери мощности в основном оборудовании подстанций и расход мощности на собственные нужды в процентах от номинальной мощности подстанции приводятся ниже:

Преобразовательные трансформаторы.........................................................................................	1,3—1,5 %
Преобразователи........................................................................................	0,5—0,7 %
Фильтры высших гармоник......................................................................................................	0,018—0,020 %
Линейные реакторы......................................................................................................	0,17—0,20 %
Собственные нужды..........................................................................................................	0,1 %
Всего............................................................................................................	2,1—2,5 %

 

Как можно видеть, преобразовательная подстанция с точки зрения потерь мощности является достаточно экономичным элементом.

Основные потери в этих электропередачах — это потери в линии:

 

(11.6)

где I_d — ток в полюсе линии; l — длина линии; r₀ — удельное сопротивление полюса на 1 км длины.

Удельное сопротивление полюса линии определяется его конструкцией, которая выбирается на основании детальных технико-экономических сопоставлений. Важную роль играет длина линии. При относительно короткой линии (800—900 км) потери в ней могут составлять 4—5 %; при достаточно длинной (2—2,5 тыс. км) — 8—10 % передаваемой мощности.

На основании изложенного можно сделать следующий вывод. электропередача и вставка постоянного тока обладают свойствами, отсутствующими у обычных линий переменного тока, а именно:

• у этих электропередач отсутствует предел по передаваемой мощности, определяемый устойчивостью совместной работы связываемых электроэнергетических систем;

• электропередачи и вставки постоянного тока являются гибкими, управляемыми элементами электроэнергетической системы, что позволяет повысить надежность и устойчивость совместной работы систем переменного тока;

• преобразовательные подстанции потребляют значительную реактивную мощность и могут генерировать в сеть переменного тока токи высших гармоник; компенсация этих отрицательных качеств требует дополнительных капиталовложений и повышает стоимость преобразовательных подстанций.

11.5. Воздушные и кабельные линии постоянного тока. Основное оборудование преобразовательных подстанций

Воздушная линия постоянного тока отличается от линии переменного тока главным образом конструкцией опор. Возможные конструкции опор для различных типов линий постоянного тока приведены на рис. 11.10. Для этих опор требуется меньший расход стали, и они проще по конструкции по сравнению с опорами линии переменного тока сопоставимого класса напряжения и пропускной способности. На рис. 11.11 показана металлическая свободностоящая опора воздушной линии ±400 кВ.

На рис. 11.12 приведены конструкции промежуточных опор линии 1150 кВ переменного тока и линии ±750 кВ постоянного тока, начерченные в одном масштабе. Эти линии имеют примерно одинаковую пропускную способность (5000 и 6000 МВт соответственно). Масса опоры переменного тока 19,8 т, опоры постоянного тока — 9,4 т. Примерно такие же соотношения существуют и для других сопоставимых линий переменного и постоянного тока. При этом для линии постоянного тока ширина полосы отчуждения на 25—30 % меньше, чем для линии переменного тока. Отсюда меньшая стоимость линии постоянного тока при прочих равных исходных данных.

Условия работы линейной изоляции на постоянном напряжении существенно отличаются от условий ее работы на переменном напряжении. В линиях переменного тока распределение напряжения по гирлянде изоляторов определяется главным образом собственными емкостями каждого изолятора и его емкостями между изолятором и проводом, и изолятором и землей. В результате этого загрязнение поверхности изоляторов относительно мало сказывается на распределении напряжения по ним. В линиях постоянного тока емкости изоляторов не участвуют в распределении напряжения по гирлянде. Это распределение определяется сопротивлениями поверхностных утечек изоляторов, которые связаны с загрязнением их поверхностей. При чистых сухих изоляторах распределение напряжения по ним равномерное, но при загрязнении или увлажнении отдельных изоляторов эта равномерность нарушается, что может привести к выходу изоляторов из работы. Решение этой проблемы состоит в применении изоляторов с увеличенной длиной пути утечки или увеличении их количества в поддерживающих гирляндах. К сожалению, при этом увеличивается стоимость линий.

Конструкция полюса линии постоянного тока идентична конструкции фазы линии переменного тока. Здесь также применяются расщепленные провода по двум причинам. Первая заключается в больших токах полюса, что предопределяет и большое суммарное сечение проводов полюса (несколько тысяч квадратных миллиметров). Проводов таких сечений заводы не выпускают, потому что доставка их на трассу и последующий монтаж крайне затруднены. Поэтому используется пучок проводов меньших сечений, с которыми легче работать.

Вторая причина заключается в необходимости исключить общее коронирование проводов, для чего необходимо снизить напряженность электрического поля на поверхности провода. С этой целью провода, входящие в пучок, располагают на определенном расстоянии друг от друга по вершинам правильного многоугольника. В результате исключается возможность возникновения общей короны и снижаются потери мощности на местную корону, которые для линий постоянного тока существенно меньше, чем для линий переменного тока.

Для кабельных линий постоянного тока могут быть использованы различные типы кабелей: кабели с бумажно-масляной изоляцией, кабели с маслом под давлением, кабели с газом под давлением. Как показывает опыт, для этой цели наиболее целесообразно применять кабели с бумажной изоляцией и вязкой пропиткой. Электрическая прочность такого кабеля много выше, чем кабеля переменного тока при той же толщине изоляции. Поэтому эти кабели и получили наибольшее применение при сооружении кабельных линий постоянного тока. В настоящее время создан кабель на напряжение 400 кВ и ток 1,25 кА. Наружный диаметр его равен 128 мм.

Кабели с полиэтиленовой изоляцией для линий постоянного тока стали применяться лишь последние несколько лет. Этому предшествовали дли­тельные исследования. Сейчас созданы такие кабели на напряжение до 300 кВ. Эти кабели имеют меньшие размеры и массу, они могут быть уло­жены на поверхности с уклоном, поскольку нет опасности стекания вяз­кой пропитки, они удобнее в монтаже. Поэтому эти кабели получают все большее применение.

Поскольку кабельные линии применяются только для пересечения водных преград, то одной из важных задач снижения стоимости и повышения надежности линии является возможно большее увеличение строительной длины кабеля с целью сокращения числа соединительных муфт, которые всегда являются источником повышенной опасности для кабеля. Для этой цели используются специальные судна-кабелеукладчики с горизонтальной катушкой большого диаметра, величина которого определяется шириной судна. На эту катушку непрерывно подается кабель с завода, расположенного в том же городе, где швартуется судно. Наибольшая длина кабельной линии, сооруженной с помощью такого судна, составляет 200 км с одной соединительной муфтой посредине.

Первые кабельные линии укладывались непосредственно на дно моря, однако они часто повреждались рыболовными тралами или якорями судов. Сейчас кабель укладывается в траншею глубиной до 1,5 м, которая прокладывается с помощью подводных роботов.

К основному оборудованию преобразовательных подстанций относятся преобразовательные трансформаторы, преобразовательные мосты, фильтры токов высших гармоник, линейные (сглаживающие) реакторы, синхронные компенсаторы, конденсаторные батареи. Если говорить о синхронных компенсаторах и конденсаторных батареях, то конструктивно они не отличаются от аналогичных устройств в сети переменного тока. О фильтре токов высших гармоник было сказано выше. Поэтому все эти устройства здесь не рассматриваются.

Преобразовательные трансформаторы работают в более тяжелых условиях, чем обычные трансформаторы в сети переменного тока. Причин здесь несколько. Как отмечалось выше, токи, протекающие по обмоткам трансформатора, содержат высшие гармоники, которые вызывают дополнительный нагрев обмоток и сердечника трансформатора. Кроме того, при каскадном соединении преобразовательных мостов на вентильные обмотки трансформаторов воздействует не только переменное напряжение, трансформируемое из сети, но и постоянное напряжение мостов, включенных ближе к точке заземления. Это влечет за собой необходимость усиления изоляции обмоток трансформатора. Динамическая устойчивость обмоток трансформатора должна быть рассчитана на более сильные воздействия, чем у обычных трансформаторов. Эти воздействия могут возникнуть при некоторых аварийных процессах в преобразователе. Преобразовательные трансформаторы также должны быть рассчитаны и на возможность протекания постоянного тока в некоторых анормальных режимах.

При включении трансформаторов на холостой ход, а также при включении фильтров высших гармоник или конденсаторных батарей возможны резонансные явления, которые приводят к возникновению значительных перенапряжений, длящихся несколько секунд. На эти перенапряжения должна быть рассчитана изоляция трансформаторов.

Все это в конечном итоге приводит к значительному усилению внутренней изоляции трансформатора, увеличению механической прочности обмоток, а также увеличению сечений проводов обмоток и сечения сердечника трансформатора. В результате расход активных материалов (стали и меди) для преобразовательных трансформаторов примерно в 1,5 раза выше, чем для обычных трансформаторов того же класса напряжения и мощности.

Отличительной особенностью преобразовательных трансформаторов является их более высокое реактивное сопротивление, чем у обычных трансформаторов той же мощности. Это объясняется условиями их работы в преобразовательных схемах. Увеличение сопротивления трансформатора, с одной стороны, диктуется особенностями его конструкции, с другой — оно необходимо для ограничения скорости изменения тока в вентилях в процессе их работы как в нормальных, так и в аварийных режимах. Полная мощность трансформатора обычно превышает мощность питаемого им моста на 20—25 % в связи с большим потреблением реактивной мощности и увеличенными потерями активной мощности от токов высших гармоник. Вентильные обмотки трансформаторов имеют усиленную изоляцию по отношению к земле в связи с необходимостью разделения цепей постоянного и переменного токов. Преобразовательные трансформаторы снабжены устройствами регулирования напряжения под нагрузкой, что необходимо для снижения потребления мостом реактивной мощности. Все вместе взятое приводит к увеличению массы и габаритов трансформаторов, что вызывает большие сложности в их транспортировке от завода-изготовителя к месту установки.

Максимальная мощность преобразовательных трансформаторов, достигнутая в настоящее время, равна 500 MB · А на фазу. По-видимому, эта мощность близка к предельной, и ее значительное увеличение вряд ли возможно.

Одним из основных устройств преобразовательной подстанции, как отмечалось выше, является преобразовательный мост и его главный элемент — высоковольтный управляемый вентиль. Первые электропередачи постоянного тока, построенные в 50—60-х годах XX в., выполнялись с использованием высоковольтных ртутных вентилей. На некоторых электропередачах эти вентили используются и по настоящее время. Однако эти вентили обладают рядом крупных недостатков, определяемых физикой происходящих в них процессов и токсичностью ртути. Поэтому после создания достаточно мощных кремниевых управляемых вентилей-тиристоров в 70-х годах XX в. все новые электропередачи и вставки постоянного тока сооружаются только на их основе.

В настоящее время в результате интенсивного развития силовой полу­проводниковой техники значительно возросли параметры (ток и напряже­ние) обычных тиристоров и появились новые типы полупроводниковых приборов, которые могут быть использованы для создания мощных высо­ковольтных преобразователей. К числу новых типов приборов относятся фототиристоры, запираемые тиристоры, биполярные силовые транзис­торы. Напряжение, которое способен выдержать единичный тиристор в закрытом состоянии, достигает 7—10 кВ, его средний ток равен 2,5—-3 кА. Напряжения других типов полупроводниковых приборов несколько ниже (4-—6 кВ), средние токи примерно такие же.

Достигнутые значения средних токов этих полупроводниковых прибо­ров достаточны для обеспечения необходимого тока в линии, но их напря­жения слишком малы для создания мощных преобразовательных мостов с напряжением в сотни киловольт. Поэтому для создания высоковольтных тиристорных вентилей (ВТВ) с необходимыми параметрами по напряже­нию прибегают к последовательному соединению единичных тиристоров.

Цепочка последовательно включенных тиристоров должна быть обеспечена устройствами для равномерного распределения напряжения между ними, охлаждения, каналами подачи управляющих импульсов на каждый тиристор. Возможные схемы соединения тиристоров преобразовательного моста приведены на рис. 11.13, где представлены три возможные схемы. В схеме 1 в один ВТВ объединены все вентили одной фазы двух преобразовательных мостов. Схема 2 объединяет вентили одного полюса, схема 3 — вентили одной фазы каждого преобразовательного моста.

Конструктивно при создании ВТВ используется модульный принцип. Каждый тиристор со всеми устройствами, обеспечивающими его функционирование, помещается в тиристорную ячейку. Несколько ячеек объединены в модуль, который является заменяемым элементом ВТВ. Несущей конструкцией ВТВ служит жесткий каркас, собранный из фарфоровых стержневых изоляторов. Этот каркас образует пространственную конструкцию из нескольких этажей. На каждом этаже размещены модули, соединенные между собой. Одна из возможных конструкций ВТВ показана на рис. 11.14. Подобные ВТВ устанавливаются в закрытых помещениях. На рис. 11.15 приведен внешний вид вентильного зала ВПТ Шатегей (Канада). Здесь для изоляции от земли используются опорные изоляторы. В сейсмоопасных районах обычно используется подвесная изоляция.

Сейчас некоторые фирмы, выпускающие оборудование для ППТ и ВПТ, разрабатывают конструкции, где вся преобразовательная подстанция выполняется по модульному принципу, а вентильные залы отсутствуют. Это должно привести к снижению стоимости такой станции.

Существуют и другие конструкции ВТВ, где тиристоры размещены в баке, заполненном трансформаторным маслом. Такие ВТВ могут быть установлены на открытом воздухе, однако в этой конструкции затруднена возможность ремонта. В качестве охлаждающей среды для тиристоров могут использоваться воздух, трансформаторное масло, деионизированная дистиллированная вода. В настоящее время преимущество отдается деионизированной воде вследствие ее большей теплоемкости, пожаробезопасности, отсутствию токсичности.

Большую сложность представляет передача управляющих импульсов, которые должны подаваться с весьма высокой точностью по времени с потенциала земли на потенциал вентиля. Сейчас для этой цели используется световолоконная оптика. Система управления и контроля тиристоров построена таким образом, что с потенциала земли на вентиль идет поток управляющих воздействий, а с потенциала вентиля идет непрерывная информация о состоянии каждого тиристора. При необходимости преобразовательный блок выводится из работы, и модули, где есть поврежденные тиристоры, заменяются на исправные.

Линейные (сглаживающие) реакторы включаются в каждый полюс линии и являются многофункциональными элементами электропередачи. Они не только сглаживают пульсации тока полюса, но и обеспечивают заданную скорость изменения тока линии при коротких замыканиях в линии и нарушениях работы инвертора. Кроме того, эти реакторы предназначены для защиты преобразователей от волн перенапряжений, которые могут прийти с линии.

Обмотка реактора должна быть изолирована от земли на напряжение полюса. Кроме этой постоянной составляющей на изоляцию обмотки в нормальных режимах действует и переменная составляющая выпрямленного напряжения. Последняя зависит от углов управления, с которыми работает преобразователь, и возрастает с их увеличением. Эти две составляющие напряжения создают различные нагрузки на изоляцию обмотки, что существенно усложняет ее конструирование.

Магнитная система реактора выполняется без внутреннего сердечника, но с магнитными шунтами и большим количеством воздушных зазоров, чтобы исключить насыщение реактора постоянным током. Обмотка реактора и его магнитная система располагаются в баке, заполненном трансформаторным маслом. Для прохода концов обмотки сквозь крышку бака используются или маслонаполненные, или элегазовые вводы.