Изменение технологий передачи электрической энергии
Томский Политехнический Университет, г. Томск
Научный руководитель –
Открытое в стенах лабораторий явление электричества, и как следствие электрической энергии, быстро получило применение в качестве товара потребления.
Так, изобретение электрической лампы дало импульс для создания централизованной системы освещения, и как следствие создание системы питания не постоянным, а переменным током. Таким образом, произошла быстрая интеграция электричества в жизнь человека.
Электропередачи сверхвысоких напряжений играют важную роль в современной энергетике, обеспечивая выдачу мощности от крупных электростанций и являясь связующими звеньями в единой энергосистеме страны.
В настоящее время в современной энергетике выделяют два типа линий электропередачи – передача электроэнергии на постоянном токе и передача на переменном токе.
Каждый тип линий передачи претерпели значительные изменения в конструкции и в электрических характеристиках с момента создания первой линии электропередачи, запущенной в 1882 году немецким инженером Миллером и французским инженером Депре на линии Мисбах-Мюнхен на расстояние 52 км. Она передавала энергию постоянного тока в печь стекольного завода от вращаемого паровой машины генератора постоянного тока.
Согласно теории электротехники, а за тем и опытным путём было установлено, что при достижении соединительных проводов от генераторов до потребителей более ста метров, мощность у потребителей снижалась из-за наличия потерь в проводе. Потери в проводах обуславливаются тепловым действием протекающего тока и определяются по формуле:
,где I - сила тока, R - сопротивление провода.
,где r0 - погонное сопротивление провода, l - длина провода. Таким образом, потери прямо пропорциональны величине тока и длине провода. Если длину провода уменьшить не представляется возможным, то уменьшить величину тока можно за счет увеличения величины напряжения.
Данные выводы были подтверждены экспериментально. В ходе данных экспериментов был выявлен еще один недостаток использования системы постоянного тока. При увеличении напряжения питания и возможного снижения потерь в передаваемой линии на стороне потребителей необходимо наличие передаточного устройства – преобразовательного блока.
Первый преобразовательный блок был разработан швейцарским инженером Рене Тюри, который использовал несложную схему работы: двигатель переменного тока вращает генератор постоянного тока и передает энергию через линию в двигатель постоянного тока, который в свою очередь вращает генератор переменного тока. Однако и эта предложенная схема имела значительные недостатки.
Таким образом, система передачи электрической энергии на постоянном токе определяет определённые трудности при генерации электрической энергии и значительные экономические затраты.
Одним из первых, кто предложил решение вышеописанной проблемы был , он предложил «дробление электрической энергии» посредством индуктивных катушек, представляющих собой трансформатор с разомкнутым магнитопроводом.
Рис.1 Система распределения переменных токов с помощью трансформатора с разомкнутыммагнитопроводом. А – источник переменного тока, В – индуктивная катушка, С – лампочка.
Поставил точку в данном вопросе -Добровольский. Он изучал явления вращающегося магнитного поля, и является создателем трехфазных электрических машин - синхронного генератора, асинхронного двигателя и трансформатора. Данные изобретения позволяют генерировать, трансформировать трехфазный переменный ток и передавать его на большие расстояния.
Однако приверженцев системы передачи электрической энергии на постоянном токе не покидала мысль по использованию линий электропередач постоянного тока. Это стало возможным с появлением мощных дуговых электроприборов - высоковольтных ртутных вентилей. Первая линия передачи на постоянном токе с использованием ртутных вентилей была запущена в 1971г. для передачи энергии от гидрогенераторов Маниообы.
Рассмотрим основные элементы и используемые схемы передачи электрической энергии на постоянном и переменном токе.
Типовая структурная схема систем передачи постоянного тока представлена на рис. 2:
Рис. 2 Структурная схема передачи постоянного тока.
На рис. 2 представлены:
- система 1 и 2. Электроэнергетические системы. Включающие в себя узлы генерации, преобразования и передачи электрической энергии.
- Тр1 и 2. Повышающие трансформаторы, необходимые для увеличения уровня напряжения передаваемой мощности.
Типовая структурная схема систем передачи постоянного тока представлена на рис. 3:
Рис. 13. Структурная схема передачи постоянного тока.
На рис. 13 представлены:
1 – преобразовательные блоки, выполненный на базе силовых полупроводников устройств. Один блок представляет собой выпрямитель, для преобразования энергии переменного тока в постоянный, другой – инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в переменный той же или отличной частоты.
2 – сглаживающий реактор предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного тока за счет наличия несинусоидального сигнала, также необходим в схемах на базе преобразователей тока для ограничения выпрямленного тока.
3 – фильтр на стороне постоянного тока представляет собой конденсаторную батарею, предназначенную для буфера мощности в момент нарушения баланса передаваемой мощности.
4 – фильтр на стороне переменного тока предназначен для гашения высокочастотных гармоник, генерируемых преобразовательными блоками в момент коммутации.
Согласно рассмотренным структурным схемам можно сделать выводы, что система переменного тока не требует большого количества силового оборудования в отличие от систем постоянного тока. Однако, наличие развязки на постоянном токе положительно сказывается на режимных вопросах управления объединенными энергосистемами. Кроме того, передаваемая мощность в системах переменного тока – полная мощность, состоит из активной (полезная) и реактивной (паразитной) составляющей, тогда как в системах постоянного тока передается только активная мощность.
Преимущества систем передачи электрической энергии на постоянном токе в сравнении с системой переменного тока позволит решить ряд технический проблем, касающихся режимных вопросов:
- передача электрической энергии на дальние расстояния;
- объединение больших энергосистем;
- увеличение управляемости передаваемой мощности и надежности функционирования энергосистем;
- уменьшение влияния электрического поля;
- снижение электрических потерь и использование меньшего количества проводников (только два провода);
- комбинированное использование генерации электрической мощности натрадиционных и возобновляемых источников энергии.
- влияние на экономические и социальные сферы.
Также, возможность передачи на дальние расстояния позволит государству наладить или создать новые торгово-экономические отношения с соседними государствами.
На сегодняшний день в мире широко используется системы передачи на переменном токе. Однако развитие силовой полупроводниковой техники позволило по-новому взглянуть на вопросы касающиеся управления, преобразования и передачи электрической энергии. Преимущества передач постоянного тока над системами переменного тока отражены в работе и аргументированы.
Значимым преимуществом системы постоянного тока можно выделить обеспечение объединенной работы традиционной и альтернативной энергетики, что дает возможность в недалеко будущем оградить человечество от энергетического кризиса.
