Способы передачи электрической энергии на дальние расстояния

СЕКЦИЯ 1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
Рис.1. Схема СТК, установленного на ПС Ново-Анжерская-500 кВ
СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ДАЛЬНИЕ РАССТОЯНИЯ
Фролов Е.Н., Чертоляс И.И.
Научный руководитель: Шестакова В.В., к.т.н., доцент
Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30
Е-mail: Shestakova@elti.ru
Электрическая энергия в настоящее время может считаться основой современной цивилизации.
Электричество является наиболее совершенным
промежуточным видом энергии, легко превращающимся во все другие виды энергии (в тепло, свет,
звук, механическую энергию). Другое отличительное
свойство электрической энергии состоит в том, что
она может передаваться на большие расстояния по
проводам с относительно малыми потерями.
В промышленных масштабах электрическую
энергию получают на электрических станциях путем
преобразования в электрическую энергию таких видов энергии, как химическая энергия органического
топлива, механическая энергия воды в реках, в морях и океанах, механическая энергия ветра, атомная
энергия, солнечная энергия.
В ряде случаев крупные электростанции экономически целесообразно строить недалеко от
сырьевых ресурсов на большом расстоянии от
потребителей. Это одна из причин, которая приво-
115
дит к необходимости передачи электроэнергии на
большие расстояния. Другая причина – объединение электростанций, находящихся в различных
городах в единую энергосистему. Передача электроэнергии на расстояние осуществляется с помощью линий электропередач (ЛЭП).
В данной работе рассмотрены различные способы передачи электроэнергии на дальние расстояния, произведена их оценка с точки зрения
предела передаваемой мощности и перспективы
долговременного использования.
Наиболее распространенный способ передачи
электроэнергии на расстояние – воздушные линии. Они могут быть выполнены как на переменном, так и на постоянном токе.
Преимущество ЛЭП постоянного тока над переменной заключается в том, что ее реактивные
параметры не оказывают влияния на нормальный
режим такой линии. Это значит, что при реальных
соотношениях между активными и реактивными
XV Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
сопротивлениями ЛЭП падение напряжения по
ЛЭП постоянного тока во много раз меньше, чем у
соответствующей линии переменного тока. Это
позволяет увеличить дальность передачи энергии.
Другое важное преимущество ЛЭП постоянного тока заключается в том, что отпадает необходимость в сложном процессе синхронизации при
включении линий, соединяющих мощные электростанции или энергетические системы.
Таким образом, очевидно, что линии постоянного тока обладают внушительными преимуществами, но, с другой стороны, технические проблемы, связанные с их созданием, также весьма обширны.
Главная из них – создание надежных преобразовательных устройств, осуществляющих преобразование переменного тока в постоянный и обратно. В ряде стран ведутся работы по их усовершенствованию, но перед инженерами постоянно
встают все новые технические задачи.
Другая техническая проблема заключается в
создании особого выключателя, способного включать и отключать отдельные ответвления на стороне постоянного тока без перерыва в работе остальных частей линии.
В отличие от выключателей переменного тока, у
которых ток прекращается в момент его естественного перехода через нуль, выключатели постоянного
тока при оперативных отключениях должны разрывать полный рабочий ток, а при авариях – ток, во
много раз превышающий нормальное значение. Отсутствие такого выключателя делает невозможным
создание разветвленных электрических цепей постоянного тока.
Кабельные линии электропередачи как альтернатива воздушным линиям появились в связи с
тем, что сооружение воздушных линий не всегда
возможно, например, из-за стесненных городских
условий. У кабелей может быть самая разнообразная конструкция. Применяется в них и разная
изоляция: масляная, бумажная, пластиковая, комбинированная.
КЛ более компактны чем ВЛ, защищены от
внешних воздействий. Однако кабельные линии значительно дороже воздушных, что связано с необходимостью сооружения траншей, туннелей, каналов.
Повышение пропускной способности кабелей,
также как и у воздушных линий, возможно за счет
увеличения их номинальных напряжений. Однако
если сопоставить технические возможности кабелей и воздушных линий, то это сопоставление будет не в пользу кабелей. Кабельные линии имеют
сравнительно малую пропускную способность и
малый радиус действия. Критическая длина кабелей 220–500 кВ составляет всего 30–40 км. Передача электроэнергии по кабельным линиям на
большее расстояние требует применения дополнительных технических средств. Ограничивает
применение кабелей их высокая стоимость по
116
сравнению с воздушными линиями равной пропускной способности.
С кабельными передачами тсвязан ряд проблем, решение которых сейчас отыскивается. Известно, что кабели, имеющие большую нагрузку,
не только прогреваются сами, но и сушат почву, в
которой они проложены. От теплового воздействия начинают погибать растения. Поэтому очень
острой стала проблема охлаждения кабелей.
Таким образом, потребность в кабелях в настоящее время велика и в дальнейшем будет расти. Но передача энергии по кабелям на дальние
расстояния в больших количествах пока представляется неперспективной.
Один из недостатков воздушных ЛЭП, делающий проблематичным повышение напряжения
линии выше 1,5 МВ, – ограниченная электрическая
прочность воздуха. Очевидный способ преодоления этой трудности – использование вместо воздуха другой изолирующей газообразной среды.
Это возможно, если убрать ЛЭП в герметические
трубы, наполненные электроизолирующим газом,
находящимся под давлением. Электрическая
прочность ряда газов превосходит прочность воздуха более чем в 4 раза. Такие линии называются
газоизолированными (ГИЛ).
В настоящее время в мире реализовано более
500 проектов ГИЛ (Япония, Австралия, США). Такие
линии целесообразны в больших городах или на
подходах к ним. Ввод в города энергии высокого
напряжения с помощью воздушных линий на опорах не эстетичен, и небезопасен. Электропередачи
занимают большую дефицитную городскую площадь, стоящую очень дорого. Поэтому предпочтительнее вести электроснабжающие линии под землей с помощью кабеля повышенной пропускной
способности, или, как это, видимо, будет в ближайшее время, с помощью газоизолированных линий.
Специалисты считают, что создание ГИЛ с номинальными напряжениями 3 МВ позволит реализовать пропускную способность, на порядок превышающую пропускную способность воздушных
ЛЭП. Очень важно, что увеличение напряжения
ГИЛ не приводит к увеличению размеров инженерных сооружений, что неизбежно в воздушных
передачах. Еще одно важное преимущество газоизолированных линий заключается в том, что они
не подвержены воздействию атмосферных явлений. И, наконец, ГИЛ имеют гораздо меньшие потери, чем у обычных кабелей. Это объясняется
тем, что относительная диэлектрическая проницаемость применяемых газов близка к единице, в
результате погонная емкость ГИЛ примерно в 3–4
раза меньше, чем у кабелей.
Однако строительство ГИЛ далеко не просто и
не дешево, поэтому на большие расстояния строить их пока невыгодно.
Альтернативой повышению номинального напряжения ЛЭП, с целью уменьшения потерь в линии, является снижение удельного сопротивления
СЕКЦИЯ 1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
проводника. В 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес установил, что при охлаждении
ртути до температуры 4К ее электрическое сопротивление исчезает вовсе. Оно скачком возникает
вновь при повышении температуры сверх критического значения. Это явление назвали сверхпроводимостью.
Сверхпроводящие ЛЭП называют криогенными, то есть охлажденными ниже 80 К. Принципиальная конструкция криогенных ЛЭП была разработана уже к середине ХХ века. Каждая фаза ЛЭП
заключается в специальную герметичную оболочку, внутри которой обеспечивается охлаждение
токопроводов (чистая медь или алюминий) и поддержание низкой температуры (температуры,
близкой к температуре кипения криогенных жидкостей, например, гелия) по всей длине линии. Охлаждение линии осуществляется специальными
криогенными установками, дискретно расположенными по трассе линии.
Главное достоинство криогенных ЛЭП – большая пропускная способность, реализуемая за счет
увеличения рабочего тока (до 10–1000 кА) при сохранении или даже уменьшении рабочего напряжения по сравнению с освоенными классами.
Наиболее серьезная проблема – проблема обеспечения высокой эксплуатационной надежности.
При повреждении изоляции криогенной ЛЭП последствия могут быть серьезными.
Очень перспективной представляется идея
обеспечения электроэнергией удаленных потребителей без использования проводов посредством акустического резонанса, осуществляемого с
помощью специальных резонансных трансформаторов. Специалисты полагают, что беспроводная
электропередача может осуществляться по электроизолированным от земли пластиковым водоводам, ирригационным каналам, изолированным
трубопроводам для транспортировки газа, нефти,
горячей и холодной воды, оптоволоконному кабелю с проводящей пленкой на поверхности, ионизированным воздушным каналам в атмосфере,
созданным лазерными лучами.
Список литературы
1.
2.
Герасименко А.А. Передача и распределение
электрической энергии. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. – 350с.
Тиходеев Н.Н. Передача электроэнергии сегодня
и завтра. – Л.: Энергия, 1975.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАСЩЕПЛЕНИЯ ФАЗНОГО ПРОВОДА
НА НАЧАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ КОРОНЫ И ПОТЕРИ НА КОРОНУ
Хоанг Туан Ань, Важов В.Ф.
Научный руководитель: Важов В. Ф., к.т.н., доцент.
Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30
E-mail: tuan_tomsk@mail2000.ru
Коронный разряд или корона это один из видов
самостоятельного разряда в воздухе. Этот разряд
возникает в условиях резко неоднородного электрического поля в ограниченном объеме воздуха,
прилегающем к проводу (высоковольтному электроду), где напряженность электрического поля
достаточна для уларной ионизации [1]. С точки
зрения энергетики, потери электроэнергии на корону представляют собой особый интерес т.к. ежегодно величина потерь энергии на корону во всех
электрических сетях России превышает 4 млрд.
кВт*ч [2]. Поэтому способы ограничения потерь
электроэнергии на корону являются актуальными.
Разность потециалов, при которой начинается
явление короны, носит название начального напряжения короны. При напряжении, большем начального напряжения короны, происходит ионизация воздуха и у поверхности провода образуется
объемный заряд того же знака, что и полярность
напряжения на проводе. Под дейст-вием сил электрического поля ионы, составлящие объемный
заряд, движутся от провода. Для их передвижения
необходимы затраты энергии, которые и определяют в основном потери энергии на корону, по-
117
скольку затраты энергии на ионизацию воздуха
незначительно [3].
На линиях электропередачи сверхвысокого напряжения (ЛЭП СВН) используют расщеплен-ные
провода в фазах для обеспечения условия возникUф
новения коронного разряда
 0,9 , где Uф –
Uн
фазное напряжение, Uн – начальное напряжение
короны. При расщеплении провода, начальное
напряжение короны больше чем у одиночного провода суммарного сечения. Поэтому расщепление
провода позволяет существенно уменьшить потери энергии на корону [4]. Целью данной работы
является исследование зависимостей начального
напряже-ния короны и потерь энергии на корону от
радиуса расщепления провода.
Данная работа была выполнена на стенде,
специально разработанном для этих целей. Используются составляющие провода радиусом r =
0,45 мм; 1,35 мм; 3,00 мм. Их количество n = 1 ÷ 3.
Радиус расщепления провода R изменялся от 0 до
6 см. Провод располагался над приемным устройством, которое представляет собой медную пластину размером 940×740мм, окруженную зазем-