1. Немного из истории передачи силовой энергии на расстояния

Изобретатель системы трехфазного тока М.О. Доливо-Добровольский в статье [8], являющейся перепечаткой из журнала ETZ за 1919 год, рассуждает о перспективах передачи электрической энергии на большие расстояния и о «борьбе между переменным и постоянным током». По ходу рассуждения ученый приходит к следующему выводу: “Будущее решительно указывает на направление: постоянный ток и кабельная линия”.

Доливо-Добровольский считал, что в будущем система трехфазного тока высокого напряжения не останется единственно правильной, указывая на главный ее недостаток – емкостный ток. Остановимся более подробно на этом недостатке трехфазных ЛЭП переменного тока. Итак, емкостный ток – вот один из минусов электропередачи энергии на трехфазном переменном токе. Емкостный ток приводят к неприятным последствиям не только в нормальном эксплуатационном режиме, о котором, в сущности, упоминает Доливо-Добровольский. Емкостный ток является причиной появления опасных перенапряжений в любых аномальных режимах, имеющих место при эксплуатации воздушных линий, например, в неполнофазных режимах при ликвидации каких-либо технологических нарушений. Осуществление такой штатной коммутации, как однофазное автоматическое повторное включение (ОАПВ) ВЛ ВН, также приводит к неполнофазному режиму во время «бестоковой» паузы ОАПВ, при которое две фазы ВЛ включены, а одна фаза либо односторонне включена (в процессе её отключения), либо отключена с двух сторон. При этом зачастую возникают серьезные технологические нарушения, связанные, в том числе, и с повреждением силового электрооборудования [9].

Электропередачи высокого класса напряжения, особенно протяженные, не могут эксплуатироваться без компенсации емкостного тока, так как в противном случае даже в нормальном эксплуатационном режиме передачи малых мощностей напряжение в средней части линии поднимается до недопустимых значений. В случае же синхронизации ВЛ, т.е. на первой стадии синхронизации при её одностороннем включении напряжение на ВЛ, особенно на разомкнутом её конце поднимается до значений, которые недопустимы для изоляции оборудования (например, выключателя) на время нескольких секунд (время синхронизации, т.е до двухстороннего включения ВЛ в эксплуатацию). Для компенсации емкостного тока на ВЛ ВН устанавливаются шунтирующие реакторы (ШР). В настоящее время единичные мощности ШР составляют: 180 МВАр для ВЛ 500 кВ, 300 МВАр для ВЛ 750 кВ и 900 МВАр – для ВЛ 1150 кВ (мощность приведена на три фазы, ШР выполняются в однофазном исполнении). В случае передачи мощности, близкой к натуральной, не требуется компенсировать емкостный ток ВЛ, так как напряжение на ВЛ в режиме передачи натуральной мощности практически равно номинальному по всей её длине. При передаче мощности, больше натуральной, в средней части ВЛ, наблюдается «просадка» напряжения, что зачастую приводит к нарушению устойчивости систем, связанных ВЛ, из-за уменьшения потребляемой ВЛ мощности и, соответственно, нарушению баланса между вырабатываемой механической энергией на валу генераторов станций и потребляемой тормозной электромагнитной мощности. В случае же передачи мощности, меньше натуральной, наоборот, напряжение на ВЛ повышается, что может привести к нарушению электрической прочности линейной изоляции и изоляции электрооборудования, подключенного к ВЛ. Вместе с тем установка ШР указанных мощностей никак не может осуществлять регулирование индуктивного тока, потребляемого реакторами и компенсирующего емкостные токи, поскольку единичные мощности нерегулируемых ШР слишком велики и отключение, например одного ШР или, наоборот его подключение приводит к существенному изменению потребляемого индуктивного тока. Поэтому необходимо гибкое управление мощностью ШР, т.е. применение управляемых ШР (УШР). В настоящее время предложены следующие конструкции УШР:

• реакторы, управляемые с помощью подмагничивания их магнитопроводов типа РТУ (реактор с тиристорным управлением) [10];

• реактор (компенсатор) трансформаторного типа УШРТ (УШКТ), управляемый с помощью изменения площади магнитного потока в конструкции реактора [11].

Реактор типа РТУ является инерционным аппаратом, но с маломощной системой тиристорного управления, реактор типа УШКТ практически безынерционен с достаточно мощной системой тиристорного управления.

Ниже проиллюстрирована степень увеличения напряжения на протяженной ВЛ ВН, оснащенной по её концам ШР (рис.1).

Рис.1. Распределение напряжения вдоль односторонне включенной ВЛ

Максимум напряжения на ВЛ определится как:

, (1)

где , , .

Из выражения (1) следует, что максимум перенапряжений в стационарном режиме зависит от реактивного сопротивления питающей системы, длины ВЛ и мощности реактора в её конце. Если ввести понятие коэффициента компенсации емкостного тока в ВЛ с помощью индуктивного тока в ШР (k_L ), то .

Следовательно, максимум напряжения на ВЛ зависит от трех факторов: волновой длины линии на частоте 50 Гц (λ), степени компенсации емкостного тока (k_L ) и внутреннего индуктивного сопротивления системы (x_э/Z_В). Функциональная связь между максимум напряжения на ВЛ и тремя факторами при условии, что три фактора распределены по законам равномерной плотности в диапазонах: Z₁= l_Л=200…600 км, Z₂=k_L=0.6…1.0, Z₃=x_э/Z_В=0.2…1.0, получена при применении трехфакторного компьютерного эксперимента в 15 точках ортогонального плана в виде полного квадратичного полинома:

= 1.1238 + 0.1355*Z₁ - 0.0644*Z₂ + 0.1242*Z₃ + 0.0212*Z₁² + 0.0080*Z₂² + 0.0079*Z₃²0.0504*Z₁Z₂ + 0.0435*Z₂Z₃ + 0.0766*Z₁Z₃. (2)

Анализ полинома (2) показал, что при принятых законах распределения факторов максимальное значение составляет величину 1.6 . Таким образом емкостный эффект в ВЛ трехфазного исполнения переменного тока может привести к существенному повышению напряжения на изоляции ВЛ и электрооборудования, установленного на ВЛ.

Также основными недостатками передачи электрической энергии известными способами (т.е. трехфазным переменным и постоянным токами) являются:

1. Высокие потери в линиях, составляющие от 5 до 20% в зависимости от длины ЛЭП, связанные с нагревом проводников (джоулево тепло) и на коронирование проводов ВЛ.

2. Высокая стоимость электрооборудования. При распределении и при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо сооружение большого количества повышающих и понижающих подстанций, на которых устанавливается огромное количество дорогостоящего силового (трансформаторы, выключатели, разъединители и др.), защитного (ОПН), а также устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики.

3. Высокая материалоемкость. Так, на киловатт мощности, передаваемой по высоковольтным линиям, от генератора до потребителя 0,4 кВ требуется 54 кг меди. Высокая материалоемкость отражается и в использовании огромного количества стали, идущей на строительство опор ЛЭП. Чем большую пропускную способность мы хотим обеспечить, тем большее сечение проводов должно применяться и, следовательно, тем более массивные опоры необходимо устанавливать. Также наименее надежными элементами ВЛ являются провода и изоляторы – более 50% отказов составляют воздействия сверхрасчетных гололедно-ветровых нагрузок на эти элементы ВЛ.

4. Высокая трудоемкость и длительное время строительства.

Перечисленные пункты тесно взаимосвязаны. Так, например, для уменьшения потерь необходимо при строительстве ВЛ использовать провода большего сечения, что в свою очередь приводит к увеличению затрат, повышает материалоемкость ВЛ и трудоемкость её сооружения.

2. ПРИНЦИП ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ОДНОПРОВОДНЫХ ЛЭП

Принципиальная схема однопроводной передачи силовой электроэнергии приведена на рис.2 [5-7].

Рис. 2. Принципиальная схема однопроводной системы передачи электрической энергии

Электрическая энергия от источника энергии 1 через высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла 2 подается на проводящий канал 3. Высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла 2 генерирует в проводящем канале электромагнитные колебания реактивного емкостного зарядного тока и электрического поля. Реактивный ток является током зарядки собственной емкости проводящего канала 3 по отношению к Земле, то есть током смещения, который, в отличие от тока проводимости не создает резистивных активных потерь мощности на сопротивлении линии. Джоулевы потери от тока проводимости равны нулю, так как линия разомкнута.

В однопроводной системе передачи электрической энергии используется емкостный эффект в разомкнутой линии, то есть в качестве рабочего режима передачи электрической энергии используется аварийный режим обычных трехфазных линий передачи переменным током. При этом задачи проектирования и выбор параметров линий для рассматриваемого способа передачи электроэнергии противоположны применяемым для существующих линий электропередачи трехфазным переменным током.

Если в этом общепринятом в настоящее время способе передачи электроэнергии стремятся (как показано выше) снизить емкостный ток и перенапряжения на линии, то в рассматриваемом способе обеспечивают максимальную величину емкостного эффекта и перенапряжения. Существенное отличие рассматриваемого способа передачи энергии состоит также и в том, что зарядный (емкостный) ток, который является реактивным током, преобразуется в конце канала 3 в обычные активный ток проводимости замкнутой цепи. То есть реактивный ток используется для передачи активной мощности.

Емкостный зарядный ток в однопроводном канале 3 связан с перетоком зарядов вдоль эквипотенциальных линий электростатического поля и обусловлен кулоновскими силами, а не действием сторонних ЭДС. Заряды будут стекать вдоль незамкнутого провода от источника 1 с большим потенциалом к приемнику 4 на конце линии с меньшим потенциалом. При этом заряды движутся по поверхности канала 3.

Этот ток зарядов не связан с джоулевыми потерями и не приводит к выравниванию потенциалов, так как трансформатор Тесла (2 на рис.2), работающий в течение полупериода, непрерывно генерирует заряды в начале линии и увеличивает потенциал источника, а в емкостном приемнике происходит отбор зарядов и стекание их в нагрузку. В следующий полупериод происходит изменение знаков зарядов и перезарядка линии, но разность потенциалов между источником и приемником сохраняется и вдоль линии к нагрузке под действием кулоновских сил движутся заряды другого знака.

Такая передача энергии обусловлена введенной Фарадеем теории ближнего действия. Так, В.Ф.Миткевич еще в 1912 году писал [12]:

« Необходимо признать правильной точку зрения Фарадея, который ввел в науку представление об участии промежуточной среды в электрических явлениях». Это же утверждение содержится и в более позднем учебнике В.Ф.Миткевича [13]. По Фарадею эти явления представляют собой результат особого состояния среды между заряженными телами, а не результат непосредственного действия на расстоянии одного наэлектризованного тела на другое. Следует также отметить, что устройство передачи электроэнергии по одному проводу за счет поля, создаваемого токами смещения, не является волноводом в принятом понятии этого термина. При передаче по волноводам Е-волн периметр сечения трубы должен быть по порядку величины не меньше, чем длина волны источника. Этим и ограничивается применение волноводов. Следовательно, на характерных частотах для электроэнергетики волноводы применять нельзя. Действительно, например при 3 кГц периметр трубы должен быть не менее порядка 5 км. Поэтому волноводы используются при малых длинах волн, т.е. в диапазонах высоких частот (радиочастотах- сотен мегагерц, гигагерцах).