конференция_Белоногова_Валентинаx

Изменение технологий передачи электрической энергии
Белоногова Валентина Андреевна
Томский Политехнический Университет, г. Томск
Научный руководитель – Уфа Руслан Александрович
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: P  I  R2 ,где I- сила тока, R- сопротивление провода.
R  r0  l ,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 П.Н.
Яблочков, 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 М. О. Доливо-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
функционирования энергосистем;
передаваемой
мощности
и
надежности
- уменьшение влияния электрического поля;
- снижение электрических потерь и использование меньшего количества
проводников (только два провода);
- комбинированное использование генерации
натрадиционных и возобновляемых источников энергии.
электрической
мощности
- 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 поновому 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.