§ 8.3. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

При современном уровне развития электротехники невозможно ограничиться применением только одного рода тока — постоянного или переменного, так как тот и другой имеют свойственные только ему достоинства и недостатки как в производстве, так и в передаче и использовании. В частности, главные достоинства переменного тока трехфазной системы состоят в том, что трехфазные генераторы просты по конструкции и дешевы в производстве, их можно строить на мощности до 300 MBA, работают они с КПД до 99%. Напряжение переменного тока легко преобразуется с помощью весьма простого и совершенного аппарата — трансформатора. Исключительно прост, дешев и надежен в работе асинхронный трехфазный двигатель.

К недостаткам переменного тока относится низкая пропускная способность электролиний и особенно кабельных линий из-за наличия емкости между проводами и проводами и землей. В последнее время в связи с необходимостью объединения мощных станций и систем, расположенных на значительных расстояниях друг от друга, выяснилось, что синхронная работа станций и систем становится при этом неустойчивой и даже невозможной. Дело в том, что синхронная работа соединенных между собой систем возможна лишь при условии, что мощность в линии передачи не превышает значения определенного предела, называемого пределом устойчивости. Последний повышается при повышении напряжения, но сильно понижается при увеличении длины линии. Однако при повышении напряжения (свыше 200 кВ) быстро растет стоимость оборудования концевых подстанций (особенно выключающей аппаратуры и трансформаторов) и стоимость самой линии, в которой для ослабления коронного разряда (т. е. стекания электричества с проводов высокого напряжения через воздух) необходимо значительное увеличение диаметра проводов. Устойчивая электропередача переменным током практически возможна на расстояниях до 450—500 км при напряжении 400-500 кВ.

Постоянный ток неэкономичен в производстве и использовании. Генераторы постоянного тока из-за наличия скользящих контактов в цепи нагрузки сложны по конструкции и эксплуатации. Они могут быть построены на мощности лишь до 20 МВт при КПД до 94%. Кроме того, не существует простых способов преобразования постоянного напряжения и нет дешевых и простых по конструкции и эксплуатации двигателей постоянного тока. Однако постоянный ток имеет такие качества, которые делают его в некоторых случаях незаменимым. Сюда относится отсутствие реактивной мощности в цепях постоянного тока, отсутствие необходимости синхронизации параллельно работающих генераторов и, следовательно, отсутствие предела устойчивости и дальности передачи, возможность значительного повышения напряжения (свыше миллиона вольт).

Из всего сказанного следует, что нужды сплошной электрификации народного хозяйства страны могут быть удовлетворены одновременным применением переменного (производство и потребление) и постоянного (передача) тока.

Сущность современной дальней передачи электрической энергии постоянным током, впервые предложенной в 1919 г. М. О. Доливо-Добровольским, состоит в следующем. Электростанция вырабатывает переменный ток по трехфазной системе, напряжение которого повышается до нужного значения, затем с помощью мощных управляемых вентилей выпрямляется в постоянный и передается по линии высокого напряжения. На приемном конце линии передачи постоянный ток снова преобразуется в переменный трехфазный с помощью инверторных установок и затем уже энергия распределяется между потребителями переменным током по трехфазной системе.

Применение постоянного тока для передачи электрической энергии на большие расстояния открывает новые возможности для электроэнергетики, главными из которых являются следующие:

1) электропередача может иметь любую длину и мощность, так как отпадает проблема электрической устойчивости;

2) пропускная способность воздушных и кабельных линий значительно повышается, а их протяженность ничем не ограничивается;

3) повышается надежность электропередачи и появляется возможность объединения станций и систем даже разной частоты, так как отпадает необходимость их синхронизации;

4) благодаря отсутствию поверхностного эффекта и способности постоянного тока при прохождении через землю охватывать ее огромные толщи, возможно уменьшение сечения проводов и использование земли в качестве обратного провода линии передачи;

5) легко регулируется значение передаваемой мощности и ее направление с помощью управляемых выпрямителей;

6) развитие системы передачи постоянным током не требует перестройки оборудования действующих электрических станций и систем.

Для передачи электроэнергии постоянным током характерны следующие недостатки:

1) сложные выполнения концевых подстанций; это повышает их стоимость, увеличивает потери энергии и усложняет их эксплуатацию;

2) невозможность простого ответвления от линии передачи в промежуточных пунктах.

Передача электроэнергии постоянным током экономически оправдывает себя только при передаче больших мощностей на большие расстояния. Так, мощность в 750 МВт выгоднее передавать постоянным током, начиная с расстояний в 650 км, а мощность в 1500 МВт - начиная с 500 км.

Вопросу передачи электрической энергии постоянным током в настоящее время придается исключительно большое значение как в

СССР, так и за границей. Однако за рубежом действует пока еще единственная крупная промышленная линия передачи — в Швеции, вступившая в действие в 1954 г. Эта линия мощностью 200 МВт при напряжении 100 кВ связывает материк с о. Гогланд. Она выполнена одножильным подводным кабелем, а обратным ее проводом служит море.

В Советском Союзе в связи с чрезвычайно высокими темпами развития электроэнергетики и большой протяженностью территории объединению энергосистем постоянным током придается исключительное значение. С целью широких научных исследований в 1950 г. вступила в строй опытно-промышленная линия передачи постоянного тока Кашира—Москва протяженностью 112 км и мощностью 30 МВт при напряжении 200 кВ. В результате проведенных исследований и эксплуатации передачи постоянного тока Кашира — Москва были получены необходимые результаты для проектирования и строительства новых более мощных передач постоянного тока, а также подготовлены технические кадры. Это позволило в дальнейшем построить первую в мире мощную промышленную электропередачу постоянного тока — Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС — Донбасс протяженностью 473 км, мощностью 750 МВт при напряжении 800 кВ. Эта линия связала южную энергосистему с Волжскими гидроэлектростанциями и завершила объединение электростанций в Единую энергетическую систему Европейской части СССР.

В настоящее время начато строительство линии передачи постоянного тока Экибастуз — Центр протяженностью 2500 км при напряжении 1,5 MB. В дальнейшем строительство новых линий передач постоянного тока будет вестись на еще большие мощности (до 5 ГВт) и напряжения (2 MB). Возможными из таких линий будут: Донбасс — Центр, Поволжье — Центр, Воркута — Центр, Енисейско-Ангарский каскад — Урал, Красноярск — Урал и мн. др.