2.3.2. По роду тока
В соответствии с родом тока различают сети переменного и постоянного тока.
В настоящее время производство и передача электроэнергии во всех странах мира осуществляется преимущественно на трехфазном переменном токе частотой 50 Гц или 60 Гц. Это объясняется следующими причинами. Основными промышленными потребителями электроэнергии являются электроприводы различных механизмов, для которых применяют трехфазные асинхронные двигатели. Вращающееся электромагнитное поле – естественное свойство трехфазной системы. Производство электроэнергии технически возможно как генераторами переменного тока, так и постоянного тока, рабочее напряжение которых ограничено. Для обеспечения экономичности передачи электроэнергии на дальние расстояния необходимо напряжение, значительно превышающее номинальное напряжение генераторов. Непосредственная трансформация постоянного тока невозможна. Поэтому повышение напряжения при токах в несколько тысяч ампер возможно только с помощью явления электромагнитной индукции и трансформаторов, что создает возможность для последующей эффективной передачи электроэнергии переменным током. Потребление электроэнергии производится на относительно низком напряжения – сотни, тысячи вольт. Поэтому на приемном конце электропередачи необходимо снова использовать трансформаторные устройства. Переменный ток выявил свои преимущества после изобретения трансформатора. По этим двум причинам цепочка: производство, передача и потребление осуществляется, как правило, на переменном токе.
Сети постоянного тока используются для обеспечения некоторых технологических процессов в промышленности, например для электролизных и гальванических установок в цветной металлургии и химической промышленности. На постоянном токе работают электроприводы ряда механизмов, и частично осуществляется электрификация транспорта. Вставки постоянного тока используют для связи ЭЭС с различными номинальными частотами (50 и 60 Гц) и для независимой связи ЭЭС с одинаковыми частотами – в этом случае изменение частоты в одной системе не оказывает влияния на частоту в другой.
Основная сфера использования протяженных электропередач постоянного тока – обеспечение межсистемных связей энергосистем. В качестве таких линий обычно используют линии повышенного напряжения большой протяженности и большой пропускной способности.
Большие длины ЛЭП переменного тока приводят к необходимости учета волнового характера процессов, происходящих при передаче электрической энергии. В линиях, длина которых соизмерима с длиной волны переменного тока, необходимо учитывать распределенность параметров линии. При частоте переменного тока 50 Гц волновые свойства передачи начинают сказываться при длинах линии 250 – 300 км. Это, прежде всего, возможные перенапряжения при холостых режимах, малых нагрузках, при отключении линии с одного конца. Большой емкостной ток линий дальней электропередачи вызывает дополнительные потери активной мощности, поэтому его и соответствующую проводимость линии компенсируют включением в переключательных пунктах реакторов поперечной компенсации. Также требуется снижение индуктивного сопротивления линии за счет последовательного включения конденсаторных установок продольной компенсации. Кроме того, передача электроэнергии по линиям переменного тока большой протяженности связана с решением задач по релейной защите, автоматическому управлению режимами работы и т.д. Все эти мероприятия приводит к техническому усложнению и удорожанию ЛЭП. Схема дальней электропередачи переменного тока показана на Error: Reference source not found–а).
Для передачи электроэнергии постоянным током сооружаются преобразовательные подстанции – выпрямительная, преобразующая после трансформации на высокое напряжение переменный ток в постоянный с последующей передачей электроэнергии на дальнее расстояние, и инверторная с обратным преобразованием постоянного тока в переменный для трансформации на низкое напряжение. Схема передачи мощности из ЭЭС–1 в ЭЭС–2 с использованием ЛЭП постоянного тока показана на Error: Reference source not found–б).
Передача электроэнергии постоянным током имеет следующие преимущества по сравнению с переменным:
отсутствие реактивной мощности (реактивные элементы линии не проявляют себя при постоянном токе; сопротивление линии ограничивается омическим значением);
пропускная способность линии не зависит от длины, а определяется пропускной способностью выпрямительной и инверторной подстанций;
конструкции ЛЭП постоянного тока проще и дешевле линий переменного тока, в частности из-за сокращения числа проводов в линии от трех до двух при возможности работы одним проводом через «землю» и, как следствие, возможность применения более простых конструкций опор воздушных линий;
отсутствие эффекта перенапряжений на конце линии, находящейся на холостом ходу.
ЛЭП постоянного тока
может передавать большую мощность по
проводнику, так как для заданной
номинальной мощности постоянное
напряжение в линии постоянного тока
ниже, чем амплитудное напряжение в линии
переменного тока. Мощность переменного
тока определяет действующее напряжение,
но действующее составляет только
приблизительно 71% амплитудного напряжения
(U = Um /
0,71Um),
которое определяет фактическую толщину
изоляции и расстояние между проводниками.
Поскольку линия постоянного тока
работает на амплитудном напряжении,
это позволяет по существующей линии
электропередачи с проводниками и
изоляцией того же размера передавать
больше мощности, чем на переменном токе,
что снижает затраты.
Вместе с тем, технико-экономические преимущества использования постоянного тока для дальней электропередачи снижаются из-за наличия дорогих и сложных в эксплуатации подстанций (выпрямительной и инверторной), а также из-за ухудшения качества электроэнергии в связи с появлением высших гармоник при преобразовании электроэнергии из постоянного в переменный ток. В связи с этим применение постоянного тока рассматривается как альтернатива переменному току для сверхдальних линий (длиной свыше 1000 км и передаваемой мощностью свыше 2000 МВт), а также в тех случаях, когда сооружение воздушных и кабельных ЛЭП переменного тока экономически нецелесообразно, например, для пересечения морского пространства (длинные подводные кабели имеют высокую емкость, что приводит к дополнительным потерям мощности при передаче электроэнергии переменным током).
В дальнейшем будем рассматривать сети передачи и распределения электроэнергии на переменном трехфазном токе, используемые в том числе и в энергосистеме Республики Беларусь. Преимущества этой системы неоспоримы в электрических сетях по всему диапазону напряжений, от низковольтных линий передачи 0,38 кВ и до сверхвысокого напряжения 1150 кВ, т.е. от обеспечения электроэнергией индивидуальных потребителей до межсистемных связей длиной до 1500 км и более [2, 5, 6, 9, 19].