Объединение энергосистем Дальнего Востока при помощи линии электропередачи постоянного тока
Международная
публикация
И.
П. ДудченкоБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Дудченко
И.
П. Объединение энергосистем Дальнего Востока при помощи линии электропередачи постоянного тока // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
1066–1070. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54477.htm.
Аннотация. Рассмотрена возможность объединения энергосистем материковой части Дальнего Востока России с энергосистемами Сахалина и Японии. Указана техническая возможность данного решения. Произведен сравнительный анализ перспектив строительства линий электропередачи переменного и постоянного тока. Доказано преимущество применения линии электропередачи постоянного тока для объединения энергосистем Дальнего Востока.
Ключевые слова:
линии электропередачи постоянного тока, энергетика дальнего востока, энергосистема, регулирование стока притоков амура, экспорт электроэнергии
Текст статьи
Дудченко Илья Павлович,кандидат технических наук, заведующий кафедрой электротехники, автоматизации и электроэнергетики Негосударственного (частного) образовательного учреждения высшего профессионального образования «ЮжноСахалинский институт экономики, права и информатики» (НЧОУ ВПО ЮСИЭПиИ), доцент кафедры «Физика» Сахалинского института железнодорожного транспорта –филиала Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» в г. ЮжноСахалинске (СахИЖТ –филиал ФГБОУ ВПО ДВГУПС в г. ЮжноСахалинске), г. ЮжноСахалинскilpadu@mail.ru, elave.usiepi@rambler.ru
Объединение энергосистем дальнего востока при помощи линии электропередачи постоянного тока
Аннотация.Рассмотренавозможность объединения энергосистем материковой части Дальнего Востока России с энергосистемами Сахалина и Японии. Указана техническая возможность данного решения. Произведен сравнительный анализ перспектив строительства линий электропередачипеременного и постоянного тока. Доказано преимущество применения линии электропередачипостоянного тока для объединения энергосистем Дальнего Востока.Ключевые слова: линии электропередачи постоянного тока, энергетика Дальнего Востока, энергосистема, регулирование стока притоков Амура, экспорт электроэнергии
Целесообразность объединения энергосистем Дальнего ВостокаПаводок на Амуре в 2013 году наглядно показал неукротимую мощь дальневосточной реки и ее притоков. Еще в советское время было запланировано построить каскадгидроэлектростанций (ГЭС)на Зее и Буреес целью регулирования их стока [1], [2].Попутно планировалась выработка значительного объема электроэнергии –Дальний Восток превращался в мощный промышленный узел и потребление электроэнергии постоянно возрастало. Были построены Зейская и Бурейская ГЭС, а такжесеть линий электропередачи (ЛЭП), в том числе –ЛЭП напряжением 500 киловольт, протянувшаяся до КомсомольсканаАмуре (ЛЭП500). После развала СССР объем промышленного производства на Дальнем Востоке резко снизился, что вызвало уменьшение спроса на электроэнергию. В настоящее время для загрузки мощностей дальневосточных ГЭС избыточная электроэнергия продается в КНР по низким ценам, фактически диктуемым китайской стороной, так как если эту электроэнергию не купят они –купить ее больше некому[3]. Дальневосточные потребители России покупают электроэнергию значительно дороже. Такое состояние дел делает производство на Дальнем Востоке заведомо неконкурентоспособным. При наличии рынка сбыта электроэнергии по более высоким ценам позволит снизить цену для потребителей, хотя следует отметить, что ценообразование естественных монополий регулируется в том числе –на государственном уровне и данная работа не ставит целью исследоватьвопросыценообразования на продукцию естественных монополий.С точки зрения стратегического планирования долгосрочного развития региона необходимо искать новые рынки сбыта, достаточно объемные, чтобы потребить любой объем электроэнергии,который может быть выработан на Дальнем Востоке. Таким потребителем является Япония. Более того –после аварии на АЭС «Фукусима» в этой стране наблюдается дефицит электроэнергии, при практически полном отсутствии углеводородных ресурсов[4]. Следовательно,Япония является потенциально крупным покупателем электроэнергии, если бы имелась возможность ее транспортировки из регионов, где она производится. И наличие крупного импортера больших объемов электроэнергии позволит решить проблему ее сбыта. Кроме того, необходимо продолжить строительство каскада ГЭС на притоках Амура с целью предотвращения повторения паводков,аналогичных паводку 2013 года[5].Сахалинская область является уникальным регионом в составе России.Удаленный от центральных регионов, он являетсяестественным«мостом» на японский остров Хоккайдо, от которого отделен проливом Лаперуза шириной всего 43км.Остров Сахалин имеет собственную систему электроснабжения, изолированную от материковой части Дальнего Востока России. Известно, что надежность работы энергосистемы повышается при увеличении количества электростанций, входящих в ее состав. Малые энергосистемы характеризуются пониженной надежностью, так как выход из нее любой электростанции, например, вследствие аварии, вызывает дефицит электроэнергии и отключение части потребителей во избежание нарушения устойчивости функционирования всей системы (так называемая автоматическая частотная разгрузка). Для исключения подобных ситуаций требуется установка дополнительных, резервных мощностей. Держать резервные мощности вхолодном резерве, как показывает практика, нецелесообразно: этим нельзя гарантировать стопроцентной надежности вводимого оборудования, так как во время простоя оборудование может оказаться в нерабочем состоянии. Держать дополнительные мощности в горячем резерве невыгодно с точки зрения оптимальной загрузки оборудования, так как при этом неизбежновозникаетнедоиспользование оборудования. Указанные проблемы являются характерными для малых, изолированных энергосистем. Укрупнение энергосистемы позволит устранить эту проблему. Присоединение Сахалина к энергосистеме Дальнего Востока позволит повысить надежность электроснабжения острова без ввода дополнительных мощностей. Кроме того, это позволит в большей степени использовать электроэнергию, вырабатываемую Зейской и Бурейской ГЭС. Соединение энергосистемы Сахалина и материковой части Дальнего Востока также станет ключевым событием в создании системыэкспорта электроэнергии в Японию, а это в свою очередь –сделает целесообразным ввод новых ГЭСна Дальнем Востокеипозволит в будущем избежать катастрофических паводков.Целью данной работы является формирование нового взгляда власти и общества на функционирование энергетики ДВрегиона. Любая работа начинается с идеи и в данном случае реализация идеи отразится на функционировании нескольких регионов Дальнего Востока и сотрудничестве крайней мере трех сопредельных государств –России, КНР и Японии.
Возможность расширения существующих ЛЭП переменного тока
Рассмотрим возможность построения ЛЭП трехфазного переменного токаот уже существующей ЛЭП500 до Сахалина и далее –до северной оконечности острова Хоккайдо (мыс Соя). ЛЭП500 построена в районе федеральной трассы ХабаровскКомсомольскнаАмуре. Так как ЛЭП переменного тока длиной более десятков километроввозможно строить только как воздушные, то следует проложить ее трассу в самых узких местах проливов, разделяющих Сахалин от материка и острова Хоккайдо. Следует провести ЛЭП на северовосток от поселка Селихино Комсомольского района, до мыса Лазарев. Затем онапересечет пролив Невельского (около 8 км), после чегопройдет по острову Сахалин с севера на юг, до мыса Крильон, пересечет пролив Лаперуза (около 43 км) и закончится на северной оконечности острова Хоккайдо –мысе Соя.РазобьемЛЭП на участки, оценим их длинуиособенности местности.Используем материалы карт в сети Интернет, доступных для свободного некоммерческого использования [6].
Участок Селихино –мыс Лазарев имеет протяженность 418 км. Проходит в гористой и заболоченной местностях, большая часть –вблизиуже существующей грунтовой трассы.Далее воздушная ЛЭП пересекает пролив Невельского шириной 8,6км.Затем ЛЭП протянется по безлюдным районампобережья Татарского проливадо города АлександровскСахалинский, гдеонастанет частью энергосистемы Сахалина. Для этого необходима синхронизация энергосистем Сахалина иматерика.Протяженность участка мыс Лазарев –АлександровскСахалинский составляет153 км.В районе Поронайска находится Сахалинская главная районная электростанция (ГРЭС), работающая на угле. Следовательно, онаможет быть подключена к ЛЭП. Протяженность участка составляет246 км. После Поронайска ЛЭПпротянется до ЮжноСахалинска, гдесоединится с ЮжноСахалинскойТЭЦ1.Протяженность участка Поронайск –ЮжноСахалинск составляет272 км. Последнийсухопутный участок ЛЭПпротянется от ЮжноСахалинска до мыса Крильон, после чего необходим переход воздушной ЛЭП500 через пролив Лаперуза от мыса Крильон до мыса Соя на острове Хоккайдо. Протяженность сухопутного участка –136 км, водного –43 км.Оценимперспективы рассмотренного варианта. Суммарная протяженность трассы отпоселкаСелихино до мыса Соя –1268 км, включая два водных участка шириной 8,6 и 43 километра.Данный проект имеет следующие недостатки:
протяженность ЛЭП превышает 1000 километров. Учитывая, что до Селихино от Зейской и Бурейской ГЭС также расстояние порядка 1000 км, суммарная протяженность линии от электростанций до конечного потребителя превышает 2000 км. Но практика показывает, чтодля передачи большой мощности на большие расстоянияЛЭП необходимо проектироватьна ультравысокие напряжения –750 или 1150 кВ[7].Это ограничивает использование уже существующих ЛЭП в данном проекте;
строительство переходов воздушных ЛЭП через морские проливы –технически сложная задача, которая кроме больших затрат создает дополнительные трудности для судоходства;
синхронизация энергосистем материковой части Дальнего Востока, Сахалина и Хоккайдо представляет собой достаточно сложную и затратную задачу. Еще в 70х годахпрошлого столетияпри оценке возможности транспортировки электроэнергию из СССР в Финляндию экономисты пришли к выводу,что расходы, связанные с синхронизацией двух энергосистем превысят доходы от продажи электроэнергии[8].Приведенные фактыговорято том, что реализация проекта связи энергосистем материковой части Дальнего Востока с Сахалином и Японией путем строительства ЛЭП переменного тока сопряжена со значительными трудностями технического и экономического характера.
История созданияЛЭП постоянного тока
Изобретатель первой в мире действующей трехфазной ЛЭП высокого напряжения Михаил Осипович ДоливоДобровольскийдемонстрировал ее на Международной электротехнической выставке в 1891 году [7]. Онпредсказывал трехфазной системене просто большое, а великое будущее. Но при этом онтакжеговорил, что настанет время, когда ЛЭП переменного тока исчерпают свои возможности, и тогда вновь придется вернуться к ЛЭПпостоянного тока[9]. Впервые это было сделано в 30х годах прошлого века[10], когда шведской фирмой ASEA (аббр. от швед. Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget, Всеобщая шведская электрическая акционерная компания) былапостроена кабельная ЛЭП постоянного тока(ЛЭППТ)высокого напряжения между Тасманией и Австралией. Тогда же был сделан вывод о неприменимости переменного токадля передачи электроэнергии при помощи длинных кабельных линийи целесообразности использования для этого постоянного тока высокого напряжения.До изобретения полупроводниковых элементов–основысовременной силовой электроники –оставалось еще как минимум десятилетие, а до применения этих элементов в высоковольтной технике –почти полвека. Несмотря на то, что технологии 30х годов позволяли построить ЛЭП постоянного тока только ценой значительных затрат, первая в мире высоковольтная ЛЭП постоянного тока была построена, соединив Тасманию и Австралию, и функционирует до сих пор. Для создания подстанции постоянного тока требуются высоковольтные быстродействующие переключатели тока –и в качестве них были использованы элементы, называемые «ртутные вентили». В современной технике вместо ртутных вентилей используются силовые полупроводниковые ключи.В России первая ЛЭППТ мощностью 30 мегаватт при напряжении 200 киловольт была вывезена из Германии после Великой Отечественной войны в качестве трофея и функционировала до недавнего времени (ЛЭППТ МоскваКашира), но в настоящее время она выведена из эксплуатации изза старения оборудования. Также была построена высоковольтная линия постоянного тока ВолгоградДонбасс, спроектированная на мощность 750 МВт при напряжении 400 кВ. К сожалению, в настоящее время эта ЛЭППТ работает на напряжении 100 кВ, что значительно ниже ее возможностей. В Выборге ЛЭППТ имеет малую протяженность и называется «вставка постоянного тока». Она предназначена для экспорта электроэнергии в Финляндию, так как еще в 70е годы было подсчитано, что расходы на синхронизацию энергосистем СССР и Финляндии превысят доходы от экспорта. Вставка постоянного тока Выборг эксплуатируется с 1981 года, работает на постоянном напряжении ±85 кВ и позволяет передавать 1,4 ГВт мощности, являясь в настоящее время самой мощной вставкой постоянного тока в мире. Вставка может передавать мощность также из Финляндии в Россию[8].
Сравнительный анализ ЛЭП постоянного и трехфазного переменного тока
1. Мощность ЛЭП определяется действующим значением напряжения, которое в ЛЭП переменного тока в (1,41) раз меньше амплитудного значения. Для примера, в наших домах амплитуда напряжения равна 311 вольт, но для нас важно его способность совершать полезную работу или тепло, а за это отвечает его действующее значение –220 вольт. Электрическая прочность ЛЭП переменного тока определяется амплитудным напряжением, что снижает ее пропускную способность по мощности в 2 раза по сравнению с ЛЭП постоянного тока, так как действующее значение постоянного напряжения равно амплитудному значению. Этот факт позволяет передавать по ЛЭП постоянного тока в 2 раза большую мощность по сравнению с ЛЭП переменного тока при прочих равных условиях.2. При определенных условиях нарушение изоляции кабеля относительно земли сопровождается резонансным явлением, называемым «перемежающаяся дуга». Это явление сопровождается повышением напряжения в кабелев 46раз оп сравнению с номинальным[11]. Любой кабель, предназначенный для передачи переменного тока, имеет завышенную электрическую прочность, чтобы избежать пробоя изоляции в случае аварии.Поэтому кабель переменного тока, рассчитанный, например, на 35 киловольт, можно использовать в режиме постоянного тока напряжением 220 киловольт за счет равенства амплитуды действующему значению и отсутствия резонансных явлений. Передаваемая мощность в этом случае при сохранении заданного уровня потерь может быть увеличена на порядок по сравнению с ЛЭП переменного тока.3. В ЛЭП переменного тока всегда присутствуют потери в индуктивной и ёмкостной составляющих сопротивления линии. Емкостная составляющая вообще не позволяет эксплуатировать кабельные ЛЭП переменного тока протяженностью более десятков километров. В ЛЭП постоянного тока эти потери отсутствуют вовсе, так как в установившемся режиме работы индуктивность и емкость линии постоянного тока не проявляют себя вообще. Также можно использовать ферромагнитные материалы в качестве проводников, так как их повышенная индуктивность не оказывает вредного влияния на работу ЛЭП постоянного тока. Таким материалом может быть обычная и дешеваясталь Проблемы коррозии стали можно решить применением катодной защиты..4. Четверть длины электромагнитной волны частотой 50 Гц составляет 1500 км. При увеличении длины ЛЭП переменного тока до значений, сравнимых с четвертью длины волны, проявляются волновые процессы, вызывающие ряд отрицательных явлений (стоячие волны, нарушение устойчивости работы и т.п.). Существуют также потери на радиоизлучение. Длина волны ЛЭП постоянного тока равна бесконечности, а следовательно, в установившемся режиме работы волновые процессы не оказывают влияния на ее работу.5. Энергосистема переменного тока является связанной не только энергетически: ее устойчивость связана с синхронной работой всех генераторов, входящих в нее, и рассинхронизация системы приводит к тяжелым последствиям, фактически –к ее развалу (т.н. «веерное отключение» кошмар энергетиков). ЛЭП постоянного тока позволяет связать воедино не только несинхронизированные системы, но и даже энергосистемы различных частот. Также при этом не возникает проблема присоединения источников, работающих с нефиксированной частотой, например, ветрогенераторов. В системе постоянного тока каждый источник лишь отдает мощность в сеть и ему безразлично состояние остальных источников.6. Необходимость передавать в ЛЭП переменного тока кроме полезной, так называемой активной, мощности, еще и реактивную мощность, создает дополнительную токовую нагрузку, снижая активную мощность, которую можно передавать при помощи ЛЭП, и увеличивая потери. В режиме постоянного тока отсутствует само понятие «реактивная мощность». Ток в ЛЭП постоянного тока всегда строго пропорционален подключенной мощности.7. ЛЭП переменного тока в большинстве случаев –воздушные, и онитребуют отчуждения больших территорий для их строительства. ЛЭП постоянного тока может быть легко выполнена в кабельном варианте, что снимает не только проблему отчуждения территорий, но и ветрового или гололедного воздействия на нее.Это обусловило одну из областей применения ЛЭППТ –кабельные линии глубокого ввода в крупных мегаполисах с высокой плотностью мощности потребителей [7].Возможно также использование уже построенных ЛЭП переменного тока на постоянном токе, при этом подстанциипреобразователи позволяют плавить гололед в непрерывном режиме, без перебоев энергоснабжения. А учитывая вышесказанное, можно передавать по такой ЛЭП мощность значительно выше, чем передавалась по ней же в режиме переменного тока.
8. Обрыв провода ЛЭП переменного тока неизбежно влечет за собой отключение потребителей, так как несинхронный режим трехфазной системы является аварийным. ЛЭП постоянного тока способна работать в однопроводном варианте используя в качестве второго провода землю, что позволяет избежать перебоя в электроснабжении[7].9. При протекании переменного тока по проводу ненулевой толщины возникает эффект уменьшения плотности тока внутри провода –удельное сопротивление провода как бы увеличивается к его центру. Это явление называется скинэффект или поверхностный эффект –«переменный ток протекает преимущественно по поверхности провода». Поэтому есть ограничение на диаметр провода в ЛЭП переменного тока. Если требуется передавать значительный ток –приходится превращать каждый провод в конструкцию из нескольких проводов. Поверхностный эффект в линиях постоянного тока полностью отсутствует. Это позволяет увеличить допустимую плотность тока провода и использовать провода любого сечения и геометрической формы. 10. ЛЭП переменного тока генерирует сильные электромагнитные поля промышленной частоты, влияющие на животных и человека, создающие наведенные ЭДС в окружающих металлоконструкциях и являющиеся одним из сильнейших источников помех. ЛЭППТ в установившемся режиме создает вокруг себя толькопостоянные электрическое и магнитное поля, которые не создают помех и не наводят ЭДС в окружающих проводящих телах. Следует отметить, что вопрос воздействия на человека как постоянных, так и переменных электрических и магнитных полей в настоящее время является недостаточно исследованным.Кроме преимуществ, ЛЭП постоянного тока обладает и недостатками. 1. Большое потребление реактивной мощности преобразовательными устройствами –0,50,6 квар/кВт на каждой преобразовательной подстанции. Для мощных ППТ и ВПТэто требует установки дополнительных компенсирующих устройств [7].2. Потребление из сети и генерация в сеть тока несинусоидальной формы, содержащих высшие гармоники [7]. При большой мощности преобразователя токи высших гармоник оказывают влияние на сеть переменного тока. Это требует установки фильтров.Перечисленные недостатки могут быть устранены путем использования современных подходов к проектированию преобразователей[7].
Строительство ЛЭП постоянного тока как способ объединения энергосистем ДальнегоВостока
Сравнение ЛЭП постоянного и переменного тока убедительно свидетельствуют о том, что формирование единой энергетической сети ДальнегоВостокавозможно лишь с использованием ЛЭППТ, так как ее свойства позволяют строить длинные линии с малыми потерями, преодолевать водные преграды, обеспечить высокую степень надежности электроснабжения, и связать между собой несинхронизированные энергосистемы.Строительство ЛЭППТ потребует совершенно иного подхода к проектированию всех ее узлов. Некоторые из элементов ЛЭППТ могут быть выполнены на основе уже построенных элементов ЛЭП переменного тока, например –воздушные линии. Некоторые элементы ЛЭППТ даже отдаленно не похожи на элементы ЛЭП переменного тока, например –оборудование подстанций. Вопрос планирования строительства ЛЭППТ в России вопрос не столько технический или инвестиционный, сколько психологический. ЛЭППТ, ее обслуживание и функционирование настолько не похожина обслуживание и функционирование ЛЭП переменного тока, что первым фактором, который следует преодолеть –это сила привычки. Поэтому во главе проекта должны стоять специалисты из разных областей, при этом способные работать вкомандеи обладающие смелостью в реализации передовых идей. Вместе с тем эти люди должны быть технически грамотными специалистами с научным видением окружающего мира. Потребуются исследования экономического, экологического и технического характера с обязательным привлечением зарубежного опыта строительства ЛЭППТ.ЛЭП«АмурСахалинХоккайдо» сочетает в себе одновременно все три качества: она проходит через морские проливы,а значит, ее целесообразновыполнить в кабельном исполнениина данных участках. Она имеет длину порядка 1000 км, а значит –относится к сверхдальним. Мощности, которые она будет передавать –значительны, потенциально –порядка гигаватта и выше. Следовательно, для объединения ДВрегиона в единую энергосистему целесообразно строительство ЛЭП именно постоянного тока.Только ЛЭППТ может иметь значительные участки в кабельном исполнении для преодоления морских проливов. Она также имеет низкие потери при передаче мощности на большие расстояния, способна обеспечить автоматическую плавку гололеда без отключения потребителей.Оценимее протяженность с учетом ее особенностей. За начальную точку можно взять поселок Лидога Хабаровского края, находящийся на середине федеральной трассыХабаровск –КомсомольскнаАмуре. От этого поселка начинается трасса ЛидогаВанино, протяженностью 323 км, окончательный ввод которой в эксплуатацию планируется в 2016 году. Еще 10 кмсоставляетрасстояние от Ванино до мыса Красных партизан, расстояние от которого через Татарский пролив до мыса Ламанон составляет112 км. На этом отрезке ЛЭППТ однозначно будет иметь кабельное исполнение.От мыса Ламанон до мыса Крильон по прямой –около 320 кмвдоль западного побережья юга Сахалина, причем почти на всем протяжениилинииимеются автодороги.Далее 43км подводного кабеля пройдутчерез пролив Лаперузадо мыса Соя. Предварительнопротяженность сухопутной части ЛЭП составляет 653 км и вдоль большей ее части находятся автодороги, чтозначительнооблегчает ее строительствои эксплуатацию. Протяженность подводного участка составляет155км. Общая протяженность ЛЭП –808км, что на 460км меньше рассчитанной для ЛЭП переменного тока от Селихино до мыса Соя (1268 км).Рассмотримподробно участки ЛЭППТ,уточним их длиныи характер местности, по которой они пройдут.ЛЭППТ от подстанции Лидога пройдет вдоль трассы Лидога –Ванино. Это воздушная ЛЭП на опорах, несущих два провода. ЛЭП пройдет по гористой местности, но при ее строительстве большую роль будет играть наличие автотрассы ЛидогаВанино. Для сравнения, следует отметить, что во время строительства ЛЭП500в Хабаровском краена многихееучастках фактически отсутствовала какаялибо инфраструктура и значительные отрезки были сильно заболочены, но тем не менее –эта ЛЭП была построена и в настоящее время функционирует. Длина участка составляет 300км.Участок ЛЭППТ ВаниноИльинский проходит от мыса Красных Партизан через Татарский пролив домысаЛаманон, а затем по побережью –до поселка Ильинский, в котором находится подстанция Ильинская и в перспективе будет осуществлено подключение к энергосистеме Сахалина и питания потребителей северной части острова.Учитывая сложность присоединения отдельных подстанций
к ЛЭППТ, в данной работе эти подстанции будут предусмотрены и будет сделана попытка решения существующих технических проблем. При реализации проекта количество подстанций будет скорректировано: первоначально следует предусмотреть единственную подстанцию на Сахалине в поселке Ильинский, а затем по мере апробации технических решений –присоединить города, через которые пройдет ЛЭППТ.Подводный участок от мыса Красных Партизан до мыса Ламанон имеет кабельное исполнение и должен быть проложен по геодезической прямой, соединяющей оба мыса.При проектировании ЛЭППТ в условиях побережья следует учитывать влияние близко расположенного моря, а следовательно –высокую вероятность образования гололеда. Для обеспечения надежности работы линии следует выбрать для нее кабельное исполнение, либо применить систему плавки гололедадля воздушной ЛЭППТ.Общая протяженность участка Ванино–Ильинское –205 км, из них 110 км составляет подводный участок.УчастокИльинский–Холмскдлиной 107 кмпроходит по побережью Татарского пролива и подобен наземному участкуот мыса Ламанон до поселка Ильинский. Город Холмск находится на минимальном удалении от ЮжноСахалинска, поэтому в нем целесообразно размещение подстанции, присоединяющей потребителей югаСахалина к ЛЭППТ.Участок Холмск –мыс Сояпроходит по суше –до мыса Крильон, а затем по подводному кабелюотмысаКрильон домысаСоя.Протяженность участка Холмск –мыс Соя составляет 181 км, из них подводный участок –43 км.Участок Холмск –мыс Соя приведен на рисунке 9.Для сравнения ЛЭП постоянного и переменного тока следует совместить начальный и конечный участки. Конечный участок –мыс Соя –является общим в обоих случаях. Приведем обе ЛЭП к общей начальной точке –поселок Лидога. Длина участка Лидога –Селихино –124 км.Нарисунке 1приведена ЛЭП переменного тока от поселка Лидога до мыса Соя. С учетом всех участков, ее суммарная длина составляет 1392 км.Натом же рисунке приведена ЛЭП постоянного тока от поселка Лидога до мыса Соя. Ее длина составляет 793 км.На данном рисунке многиеучастки спрямлены, поэтому длина, отображающаяся на рисунках, не является истинной. При детальном рассмотрении каждого из участков длина немного увеличивается. Более точные длины участков приведены выше.
Рисунок 1 –Сравнение трасс ЛЭП переменногои постоянного токаот поселка Лидога до мыса Соя
Сравнение длин ЛЭП постоянного и переменного тока убедительно свидетельствуетв пользу ЛЭП постоянного тока, длина которой почти на 600километров меньше. Кроме того, значительная часть ЛЭППТ проходит вблизи автодорогили побережья, что облегчает доступ к ней монтажников и обслуживающего персонала. Более 150 километровЛЭППТ имеет кабельное исполнение пролегает по дну морских проливов, а следовательно –она не будет подвержена влиянию ветра и гололеда на этих отрезках.
Соединение ЛЭП постоянного тока с системами электроснабжения переменного тока
Для соединенияЛЭП постоянного тока с системами электроснабжения переменного токаслужат подстанции. Подстанция в поселке Лидога служит для обеспечения передачи мощности трехфазной ЛЭП переменного тока в ЛЭППТ. Такие подстанции называются выпрямительными. Основу подстанции составляет выпрямительный блок, который представляет собой трехфазный мостовой выпрямитель, выполненный на запираемых или незапираемых тиристорах. В рабочем состоянии на тиристоры постоянно поступают отпирающие импульсы таким образом, чтобы тиристоры работали в режиме диодов, либо используется принцип широтноимпульсной модуляции. При необходимости отключения ЛЭППТ от напряжения подача импульсов прекращается, в результате этого линия оказывается отключенной. Такой режим необходим для возможности аварийного отключения ЛЭППТ, в результате для аварийного отключения линии не требуются сложные и дорогостоящие автоматические выключатели –вместоних можно использовать значительно более дешевые отделители, отключающие цепь, в которой уже не протекает ток. Кроме того, используемые в настоящее время автоматические выключатели не предназначены для отключения постоянного тока: дуга постоянного тока значительно более устойчива, чем дуга переменного тока и в результате отключение постоянного тока высокого напряжения электромеханическими устройствами представляет серьезную проблему. Указанное техническое решение позволяет надежно отключать ЛЭППТ в случае аварии.Инверторные подстанции (ИП) служат для присоединения трехфазных потребителей переменного тока к ЛЭППТ. ИП необходимо устанавливать в городах по пути прокладки ЛЭППТ. ИП следует разделить на ИП первой очереди и ИП второй очереди. ИП первой очереди, находящиеся в г. Холмск и на мысе Вакканай–это подстанции, которые реализуют суть проекта объединения энергосистем материковой части Дальнего Востока России, Сахалина и острова Хоккайдо. ИП второй очереди служат для более оптимального и надежного функционирования объединенной энергосистемы и снижения потерь при передаче электроэнергии на стороне потребителей переменного тока.Такие ИП могут быть расположены в городах Ванино и Невельск, а также поселке Ильинский.
Перспективы систем электроснабжения постоянного тока
В представленнойработе рассмотренаконкретной ЛЭППТ, встраиваемой в уже существующую энергосистему переменного тока. ЛЭППТпокаявляются дополнением к доминирующимв настоящее времяэнергосистемам переменного тока, но в будущем постоянный ток займет место переменного в системах передачи и распределения электроэнергии. Это связано с тем, что единственной причиной, обусловившей доминирующее положение переменного тока в системах электропередачи является простота повышения его напряжения для снижения потерь при передаче. То есть –переменный ток имеет преимущество только при преобразовании величины напряжения. В остальных аспектах переменный ток имеет ряд недостатков по сравнению с постоянным током. Автор данной работы считает, что в настоящее времяесть все предпосылки для постепенного уменьшения доминирующей роли переменного тока. Если экстраполировать на несколько десятилетий вперед, то подстанции с трансформаторами привычной формы уступят место подстанциям постоянного тока, преобразующим постоянное напряжение одной величины в постоянное напряжение другой величины. Эти подстанции будут иметь в своей структуре высокочастотный трансформатор с размерами на порядок меньше чем у современных силовых трансформаторов. Подобный переход мы могли уже наблюдать в маломощной технике, где трансформаторные блоки питания уступили место компактным импульсным блокам питания, более сложным по структуре, но при этом более компактным и обладающим более высоким КПД. Есть все основания полагать,что подобный переход произойдет в большой энергетике в ближайшие десятилетия.
Заключение
Реализация данного проекта позволит достичь следующих результатов:1. Присоединение Сахалина к материковой части энергосети Дальнего Востока России;2. Использование на Сахалине возобновляемого энергоресурса –электроэнергии дальневосточных ГЭС;3. Возможность экспорта электроэнергии в промышленно развитую и энергодефицитную страну –Японию;4. Вести более выгодную ценовую политику при продаже электроэнергии в Китай;5. Рост объемов экспорта электроэнергии по повышенной цене позволит поставлять дальневосточным энергопотребителям электроэнергию по более низким ценам;6. Наличие крупного импортера электроэнергии –Японии –сделает обоснованным строительство новых ГЭС на притоках Амура;7. Наличиекаскада ГЭС сгладит колебания уровня Амура и позволит избежать паводков, аналогичных летнему паводку 2013 года;8. Проект позволит оживить экономику ДВРегиона и заложит основу будущей единой энергосистемы России, а в дальнейшем –Евразии;9. ЛЭППТ является амбициозным инновационным проектом, позволяющим России оставаться в ряду ведущих стран в различных отраслях техники и науки.
Ссылки на источники1 Зейская ГЭС.Общие сведения.Филиал «РусГидро» –«Зейская ГЭС». http://www.zges.rushydro.ru/hpp/general/ [13.03.2014];2Проекты противопаводковых ГЭС в бассейне Амура. http://blog.rushydro.ru/?p=9230 [13.03.2014];3Китаю наше электричество обходится дешевле, чем нам самим. //KMnewshttp://www.km.ru/biznesifinansy/ekonomikarossii/energetika/13494[11.03.2014];4Японский министр заявил о начавшемся дефиците электроэнергии //vz.ruhttp://newsland.com/news/detail/id/1233157/[11.03.2014];5Укрощение Амура Экспертonline.http://expert.ru/expert/2013/45/ukroschenieamura/[11.03.2014];6http://www.votpusk.ru/country/yamap.asp?CN=RU11[11.03.2014];7Рыжов Ю.П.Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения.М.: Издательский дом МЭИ,2007. 488 c.;8Лазарев Η. С., Лытаев Р.А., Мазуренко Α.Κ., Мустафа Γ.Μ., Шулъга Р.Η. Направления модернизации и реконструкции преобразовательных блоков Выборгской вставки постоянного тока. Тригенерация.ру Портал по тригенерации, когенерации и миниТЭЦ http://www.combienergy.ru/stat1182.html [13.03.2014];9Зотин О, В преддверии возрождения постоянного тока //Силовая электроника. –
2013 –№4,;10Магистрали сверхдальних передач. // Техника –молодёжи. Издательство ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия».–1945. –0102, С. 1620;11 Конюхова Е.А, Киреева Э.А, Надежность электроснабжения промышленных предприятий.–М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001.
Dudchenko Ilya PavlovichCandidate of technical Sciences, head of the Department of electrical engineering, automation and electric power. YuzhnoSakhalinsk Institute of Economics, Law and Computer Science Higher Educational Institutiong, associate Professor of the chair of Physics of the Sakhalin Institute of railway branch of Federal state educational institution of higher professional education «Far Eastern state transport University», in YuzhnoSakhalinsk, YuzhnoSakhalinskilpadu@mail.ru, elave.usiepi@rambler.ruINTERCONNECTION OF THE POWER SYSTEMS OF THE FAR EAST BY USING LINE HVDC TRANSMISSIONThe possibility of the interconnection continental part of the Russian Far East with the energy systems of Sakhalin and Japan. Indicate the technical possibility of this decision. The comparative analysis of the prospects for the construction of transmission lines of AC and DC. Proved the advantage of applying the lines of direct current for the interconnection of the Far East.HVDC, Far East power system, regulation of the flow tributaries of the Amur river, the export of electric power
Объединение энергосистем дальнего востока при помощи линии электропередачи постоянного тока
Аннотация.Рассмотренавозможность объединения энергосистем материковой части Дальнего Востока России с энергосистемами Сахалина и Японии. Указана техническая возможность данного решения. Произведен сравнительный анализ перспектив строительства линий электропередачипеременного и постоянного тока. Доказано преимущество применения линии электропередачипостоянного тока для объединения энергосистем Дальнего Востока.Ключевые слова: линии электропередачи постоянного тока, энергетика Дальнего Востока, энергосистема, регулирование стока притоков Амура, экспорт электроэнергии
Целесообразность объединения энергосистем Дальнего ВостокаПаводок на Амуре в 2013 году наглядно показал неукротимую мощь дальневосточной реки и ее притоков. Еще в советское время было запланировано построить каскадгидроэлектростанций (ГЭС)на Зее и Буреес целью регулирования их стока [1], [2].Попутно планировалась выработка значительного объема электроэнергии –Дальний Восток превращался в мощный промышленный узел и потребление электроэнергии постоянно возрастало. Были построены Зейская и Бурейская ГЭС, а такжесеть линий электропередачи (ЛЭП), в том числе –ЛЭП напряжением 500 киловольт, протянувшаяся до КомсомольсканаАмуре (ЛЭП500). После развала СССР объем промышленного производства на Дальнем Востоке резко снизился, что вызвало уменьшение спроса на электроэнергию. В настоящее время для загрузки мощностей дальневосточных ГЭС избыточная электроэнергия продается в КНР по низким ценам, фактически диктуемым китайской стороной, так как если эту электроэнергию не купят они –купить ее больше некому[3]. Дальневосточные потребители России покупают электроэнергию значительно дороже. Такое состояние дел делает производство на Дальнем Востоке заведомо неконкурентоспособным. При наличии рынка сбыта электроэнергии по более высоким ценам позволит снизить цену для потребителей, хотя следует отметить, что ценообразование естественных монополий регулируется в том числе –на государственном уровне и данная работа не ставит целью исследоватьвопросыценообразования на продукцию естественных монополий.С точки зрения стратегического планирования долгосрочного развития региона необходимо искать новые рынки сбыта, достаточно объемные, чтобы потребить любой объем электроэнергии,который может быть выработан на Дальнем Востоке. Таким потребителем является Япония. Более того –после аварии на АЭС «Фукусима» в этой стране наблюдается дефицит электроэнергии, при практически полном отсутствии углеводородных ресурсов[4]. Следовательно,Япония является потенциально крупным покупателем электроэнергии, если бы имелась возможность ее транспортировки из регионов, где она производится. И наличие крупного импортера больших объемов электроэнергии позволит решить проблему ее сбыта. Кроме того, необходимо продолжить строительство каскада ГЭС на притоках Амура с целью предотвращения повторения паводков,аналогичных паводку 2013 года[5].Сахалинская область является уникальным регионом в составе России.Удаленный от центральных регионов, он являетсяестественным«мостом» на японский остров Хоккайдо, от которого отделен проливом Лаперуза шириной всего 43км.Остров Сахалин имеет собственную систему электроснабжения, изолированную от материковой части Дальнего Востока России. Известно, что надежность работы энергосистемы повышается при увеличении количества электростанций, входящих в ее состав. Малые энергосистемы характеризуются пониженной надежностью, так как выход из нее любой электростанции, например, вследствие аварии, вызывает дефицит электроэнергии и отключение части потребителей во избежание нарушения устойчивости функционирования всей системы (так называемая автоматическая частотная разгрузка). Для исключения подобных ситуаций требуется установка дополнительных, резервных мощностей. Держать резервные мощности вхолодном резерве, как показывает практика, нецелесообразно: этим нельзя гарантировать стопроцентной надежности вводимого оборудования, так как во время простоя оборудование может оказаться в нерабочем состоянии. Держать дополнительные мощности в горячем резерве невыгодно с точки зрения оптимальной загрузки оборудования, так как при этом неизбежновозникаетнедоиспользование оборудования. Указанные проблемы являются характерными для малых, изолированных энергосистем. Укрупнение энергосистемы позволит устранить эту проблему. Присоединение Сахалина к энергосистеме Дальнего Востока позволит повысить надежность электроснабжения острова без ввода дополнительных мощностей. Кроме того, это позволит в большей степени использовать электроэнергию, вырабатываемую Зейской и Бурейской ГЭС. Соединение энергосистемы Сахалина и материковой части Дальнего Востока также станет ключевым событием в создании системыэкспорта электроэнергии в Японию, а это в свою очередь –сделает целесообразным ввод новых ГЭСна Дальнем Востокеипозволит в будущем избежать катастрофических паводков.Целью данной работы является формирование нового взгляда власти и общества на функционирование энергетики ДВрегиона. Любая работа начинается с идеи и в данном случае реализация идеи отразится на функционировании нескольких регионов Дальнего Востока и сотрудничестве крайней мере трех сопредельных государств –России, КНР и Японии.
Возможность расширения существующих ЛЭП переменного тока
Рассмотрим возможность построения ЛЭП трехфазного переменного токаот уже существующей ЛЭП500 до Сахалина и далее –до северной оконечности острова Хоккайдо (мыс Соя). ЛЭП500 построена в районе федеральной трассы ХабаровскКомсомольскнаАмуре. Так как ЛЭП переменного тока длиной более десятков километроввозможно строить только как воздушные, то следует проложить ее трассу в самых узких местах проливов, разделяющих Сахалин от материка и острова Хоккайдо. Следует провести ЛЭП на северовосток от поселка Селихино Комсомольского района, до мыса Лазарев. Затем онапересечет пролив Невельского (около 8 км), после чегопройдет по острову Сахалин с севера на юг, до мыса Крильон, пересечет пролив Лаперуза (около 43 км) и закончится на северной оконечности острова Хоккайдо –мысе Соя.РазобьемЛЭП на участки, оценим их длинуиособенности местности.Используем материалы карт в сети Интернет, доступных для свободного некоммерческого использования [6].
Участок Селихино –мыс Лазарев имеет протяженность 418 км. Проходит в гористой и заболоченной местностях, большая часть –вблизиуже существующей грунтовой трассы.Далее воздушная ЛЭП пересекает пролив Невельского шириной 8,6км.Затем ЛЭП протянется по безлюдным районампобережья Татарского проливадо города АлександровскСахалинский, гдеонастанет частью энергосистемы Сахалина. Для этого необходима синхронизация энергосистем Сахалина иматерика.Протяженность участка мыс Лазарев –АлександровскСахалинский составляет153 км.В районе Поронайска находится Сахалинская главная районная электростанция (ГРЭС), работающая на угле. Следовательно, онаможет быть подключена к ЛЭП. Протяженность участка составляет246 км. После Поронайска ЛЭПпротянется до ЮжноСахалинска, гдесоединится с ЮжноСахалинскойТЭЦ1.Протяженность участка Поронайск –ЮжноСахалинск составляет272 км. Последнийсухопутный участок ЛЭПпротянется от ЮжноСахалинска до мыса Крильон, после чего необходим переход воздушной ЛЭП500 через пролив Лаперуза от мыса Крильон до мыса Соя на острове Хоккайдо. Протяженность сухопутного участка –136 км, водного –43 км.Оценимперспективы рассмотренного варианта. Суммарная протяженность трассы отпоселкаСелихино до мыса Соя –1268 км, включая два водных участка шириной 8,6 и 43 километра.Данный проект имеет следующие недостатки:
протяженность ЛЭП превышает 1000 километров. Учитывая, что до Селихино от Зейской и Бурейской ГЭС также расстояние порядка 1000 км, суммарная протяженность линии от электростанций до конечного потребителя превышает 2000 км. Но практика показывает, чтодля передачи большой мощности на большие расстоянияЛЭП необходимо проектироватьна ультравысокие напряжения –750 или 1150 кВ[7].Это ограничивает использование уже существующих ЛЭП в данном проекте;
строительство переходов воздушных ЛЭП через морские проливы –технически сложная задача, которая кроме больших затрат создает дополнительные трудности для судоходства;
синхронизация энергосистем материковой части Дальнего Востока, Сахалина и Хоккайдо представляет собой достаточно сложную и затратную задачу. Еще в 70х годахпрошлого столетияпри оценке возможности транспортировки электроэнергию из СССР в Финляндию экономисты пришли к выводу,что расходы, связанные с синхронизацией двух энергосистем превысят доходы от продажи электроэнергии[8].Приведенные фактыговорято том, что реализация проекта связи энергосистем материковой части Дальнего Востока с Сахалином и Японией путем строительства ЛЭП переменного тока сопряжена со значительными трудностями технического и экономического характера.
История созданияЛЭП постоянного тока
Изобретатель первой в мире действующей трехфазной ЛЭП высокого напряжения Михаил Осипович ДоливоДобровольскийдемонстрировал ее на Международной электротехнической выставке в 1891 году [7]. Онпредсказывал трехфазной системене просто большое, а великое будущее. Но при этом онтакжеговорил, что настанет время, когда ЛЭП переменного тока исчерпают свои возможности, и тогда вновь придется вернуться к ЛЭПпостоянного тока[9]. Впервые это было сделано в 30х годах прошлого века[10], когда шведской фирмой ASEA (аббр. от швед. Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget, Всеобщая шведская электрическая акционерная компания) былапостроена кабельная ЛЭП постоянного тока(ЛЭППТ)высокого напряжения между Тасманией и Австралией. Тогда же был сделан вывод о неприменимости переменного токадля передачи электроэнергии при помощи длинных кабельных линийи целесообразности использования для этого постоянного тока высокого напряжения.До изобретения полупроводниковых элементов–основысовременной силовой электроники –оставалось еще как минимум десятилетие, а до применения этих элементов в высоковольтной технике –почти полвека. Несмотря на то, что технологии 30х годов позволяли построить ЛЭП постоянного тока только ценой значительных затрат, первая в мире высоковольтная ЛЭП постоянного тока была построена, соединив Тасманию и Австралию, и функционирует до сих пор. Для создания подстанции постоянного тока требуются высоковольтные быстродействующие переключатели тока –и в качестве них были использованы элементы, называемые «ртутные вентили». В современной технике вместо ртутных вентилей используются силовые полупроводниковые ключи.В России первая ЛЭППТ мощностью 30 мегаватт при напряжении 200 киловольт была вывезена из Германии после Великой Отечественной войны в качестве трофея и функционировала до недавнего времени (ЛЭППТ МоскваКашира), но в настоящее время она выведена из эксплуатации изза старения оборудования. Также была построена высоковольтная линия постоянного тока ВолгоградДонбасс, спроектированная на мощность 750 МВт при напряжении 400 кВ. К сожалению, в настоящее время эта ЛЭППТ работает на напряжении 100 кВ, что значительно ниже ее возможностей. В Выборге ЛЭППТ имеет малую протяженность и называется «вставка постоянного тока». Она предназначена для экспорта электроэнергии в Финляндию, так как еще в 70е годы было подсчитано, что расходы на синхронизацию энергосистем СССР и Финляндии превысят доходы от экспорта. Вставка постоянного тока Выборг эксплуатируется с 1981 года, работает на постоянном напряжении ±85 кВ и позволяет передавать 1,4 ГВт мощности, являясь в настоящее время самой мощной вставкой постоянного тока в мире. Вставка может передавать мощность также из Финляндии в Россию[8].
Сравнительный анализ ЛЭП постоянного и трехфазного переменного тока
1. Мощность ЛЭП определяется действующим значением напряжения, которое в ЛЭП переменного тока в (1,41) раз меньше амплитудного значения. Для примера, в наших домах амплитуда напряжения равна 311 вольт, но для нас важно его способность совершать полезную работу или тепло, а за это отвечает его действующее значение –220 вольт. Электрическая прочность ЛЭП переменного тока определяется амплитудным напряжением, что снижает ее пропускную способность по мощности в 2 раза по сравнению с ЛЭП постоянного тока, так как действующее значение постоянного напряжения равно амплитудному значению. Этот факт позволяет передавать по ЛЭП постоянного тока в 2 раза большую мощность по сравнению с ЛЭП переменного тока при прочих равных условиях.2. При определенных условиях нарушение изоляции кабеля относительно земли сопровождается резонансным явлением, называемым «перемежающаяся дуга». Это явление сопровождается повышением напряжения в кабелев 46раз оп сравнению с номинальным[11]. Любой кабель, предназначенный для передачи переменного тока, имеет завышенную электрическую прочность, чтобы избежать пробоя изоляции в случае аварии.Поэтому кабель переменного тока, рассчитанный, например, на 35 киловольт, можно использовать в режиме постоянного тока напряжением 220 киловольт за счет равенства амплитуды действующему значению и отсутствия резонансных явлений. Передаваемая мощность в этом случае при сохранении заданного уровня потерь может быть увеличена на порядок по сравнению с ЛЭП переменного тока.3. В ЛЭП переменного тока всегда присутствуют потери в индуктивной и ёмкостной составляющих сопротивления линии. Емкостная составляющая вообще не позволяет эксплуатировать кабельные ЛЭП переменного тока протяженностью более десятков километров. В ЛЭП постоянного тока эти потери отсутствуют вовсе, так как в установившемся режиме работы индуктивность и емкость линии постоянного тока не проявляют себя вообще. Также можно использовать ферромагнитные материалы в качестве проводников, так как их повышенная индуктивность не оказывает вредного влияния на работу ЛЭП постоянного тока. Таким материалом может быть обычная и дешеваясталь Проблемы коррозии стали можно решить применением катодной защиты..4. Четверть длины электромагнитной волны частотой 50 Гц составляет 1500 км. При увеличении длины ЛЭП переменного тока до значений, сравнимых с четвертью длины волны, проявляются волновые процессы, вызывающие ряд отрицательных явлений (стоячие волны, нарушение устойчивости работы и т.п.). Существуют также потери на радиоизлучение. Длина волны ЛЭП постоянного тока равна бесконечности, а следовательно, в установившемся режиме работы волновые процессы не оказывают влияния на ее работу.5. Энергосистема переменного тока является связанной не только энергетически: ее устойчивость связана с синхронной работой всех генераторов, входящих в нее, и рассинхронизация системы приводит к тяжелым последствиям, фактически –к ее развалу (т.н. «веерное отключение» кошмар энергетиков). ЛЭП постоянного тока позволяет связать воедино не только несинхронизированные системы, но и даже энергосистемы различных частот. Также при этом не возникает проблема присоединения источников, работающих с нефиксированной частотой, например, ветрогенераторов. В системе постоянного тока каждый источник лишь отдает мощность в сеть и ему безразлично состояние остальных источников.6. Необходимость передавать в ЛЭП переменного тока кроме полезной, так называемой активной, мощности, еще и реактивную мощность, создает дополнительную токовую нагрузку, снижая активную мощность, которую можно передавать при помощи ЛЭП, и увеличивая потери. В режиме постоянного тока отсутствует само понятие «реактивная мощность». Ток в ЛЭП постоянного тока всегда строго пропорционален подключенной мощности.7. ЛЭП переменного тока в большинстве случаев –воздушные, и онитребуют отчуждения больших территорий для их строительства. ЛЭП постоянного тока может быть легко выполнена в кабельном варианте, что снимает не только проблему отчуждения территорий, но и ветрового или гололедного воздействия на нее.Это обусловило одну из областей применения ЛЭППТ –кабельные линии глубокого ввода в крупных мегаполисах с высокой плотностью мощности потребителей [7].Возможно также использование уже построенных ЛЭП переменного тока на постоянном токе, при этом подстанциипреобразователи позволяют плавить гололед в непрерывном режиме, без перебоев энергоснабжения. А учитывая вышесказанное, можно передавать по такой ЛЭП мощность значительно выше, чем передавалась по ней же в режиме переменного тока.
8. Обрыв провода ЛЭП переменного тока неизбежно влечет за собой отключение потребителей, так как несинхронный режим трехфазной системы является аварийным. ЛЭП постоянного тока способна работать в однопроводном варианте используя в качестве второго провода землю, что позволяет избежать перебоя в электроснабжении[7].9. При протекании переменного тока по проводу ненулевой толщины возникает эффект уменьшения плотности тока внутри провода –удельное сопротивление провода как бы увеличивается к его центру. Это явление называется скинэффект или поверхностный эффект –«переменный ток протекает преимущественно по поверхности провода». Поэтому есть ограничение на диаметр провода в ЛЭП переменного тока. Если требуется передавать значительный ток –приходится превращать каждый провод в конструкцию из нескольких проводов. Поверхностный эффект в линиях постоянного тока полностью отсутствует. Это позволяет увеличить допустимую плотность тока провода и использовать провода любого сечения и геометрической формы. 10. ЛЭП переменного тока генерирует сильные электромагнитные поля промышленной частоты, влияющие на животных и человека, создающие наведенные ЭДС в окружающих металлоконструкциях и являющиеся одним из сильнейших источников помех. ЛЭППТ в установившемся режиме создает вокруг себя толькопостоянные электрическое и магнитное поля, которые не создают помех и не наводят ЭДС в окружающих проводящих телах. Следует отметить, что вопрос воздействия на человека как постоянных, так и переменных электрических и магнитных полей в настоящее время является недостаточно исследованным.Кроме преимуществ, ЛЭП постоянного тока обладает и недостатками. 1. Большое потребление реактивной мощности преобразовательными устройствами –0,50,6 квар/кВт на каждой преобразовательной подстанции. Для мощных ППТ и ВПТэто требует установки дополнительных компенсирующих устройств [7].2. Потребление из сети и генерация в сеть тока несинусоидальной формы, содержащих высшие гармоники [7]. При большой мощности преобразователя токи высших гармоник оказывают влияние на сеть переменного тока. Это требует установки фильтров.Перечисленные недостатки могут быть устранены путем использования современных подходов к проектированию преобразователей[7].
Строительство ЛЭП постоянного тока как способ объединения энергосистем ДальнегоВостока
Сравнение ЛЭП постоянного и переменного тока убедительно свидетельствуют о том, что формирование единой энергетической сети ДальнегоВостокавозможно лишь с использованием ЛЭППТ, так как ее свойства позволяют строить длинные линии с малыми потерями, преодолевать водные преграды, обеспечить высокую степень надежности электроснабжения, и связать между собой несинхронизированные энергосистемы.Строительство ЛЭППТ потребует совершенно иного подхода к проектированию всех ее узлов. Некоторые из элементов ЛЭППТ могут быть выполнены на основе уже построенных элементов ЛЭП переменного тока, например –воздушные линии. Некоторые элементы ЛЭППТ даже отдаленно не похожи на элементы ЛЭП переменного тока, например –оборудование подстанций. Вопрос планирования строительства ЛЭППТ в России вопрос не столько технический или инвестиционный, сколько психологический. ЛЭППТ, ее обслуживание и функционирование настолько не похожина обслуживание и функционирование ЛЭП переменного тока, что первым фактором, который следует преодолеть –это сила привычки. Поэтому во главе проекта должны стоять специалисты из разных областей, при этом способные работать вкомандеи обладающие смелостью в реализации передовых идей. Вместе с тем эти люди должны быть технически грамотными специалистами с научным видением окружающего мира. Потребуются исследования экономического, экологического и технического характера с обязательным привлечением зарубежного опыта строительства ЛЭППТ.ЛЭП«АмурСахалинХоккайдо» сочетает в себе одновременно все три качества: она проходит через морские проливы,а значит, ее целесообразновыполнить в кабельном исполнениина данных участках. Она имеет длину порядка 1000 км, а значит –относится к сверхдальним. Мощности, которые она будет передавать –значительны, потенциально –порядка гигаватта и выше. Следовательно, для объединения ДВрегиона в единую энергосистему целесообразно строительство ЛЭП именно постоянного тока.Только ЛЭППТ может иметь значительные участки в кабельном исполнении для преодоления морских проливов. Она также имеет низкие потери при передаче мощности на большие расстояния, способна обеспечить автоматическую плавку гололеда без отключения потребителей.Оценимее протяженность с учетом ее особенностей. За начальную точку можно взять поселок Лидога Хабаровского края, находящийся на середине федеральной трассыХабаровск –КомсомольскнаАмуре. От этого поселка начинается трасса ЛидогаВанино, протяженностью 323 км, окончательный ввод которой в эксплуатацию планируется в 2016 году. Еще 10 кмсоставляетрасстояние от Ванино до мыса Красных партизан, расстояние от которого через Татарский пролив до мыса Ламанон составляет112 км. На этом отрезке ЛЭППТ однозначно будет иметь кабельное исполнение.От мыса Ламанон до мыса Крильон по прямой –около 320 кмвдоль западного побережья юга Сахалина, причем почти на всем протяжениилинииимеются автодороги.Далее 43км подводного кабеля пройдутчерез пролив Лаперузадо мыса Соя. Предварительнопротяженность сухопутной части ЛЭП составляет 653 км и вдоль большей ее части находятся автодороги, чтозначительнооблегчает ее строительствои эксплуатацию. Протяженность подводного участка составляет155км. Общая протяженность ЛЭП –808км, что на 460км меньше рассчитанной для ЛЭП переменного тока от Селихино до мыса Соя (1268 км).Рассмотримподробно участки ЛЭППТ,уточним их длиныи характер местности, по которой они пройдут.ЛЭППТ от подстанции Лидога пройдет вдоль трассы Лидога –Ванино. Это воздушная ЛЭП на опорах, несущих два провода. ЛЭП пройдет по гористой местности, но при ее строительстве большую роль будет играть наличие автотрассы ЛидогаВанино. Для сравнения, следует отметить, что во время строительства ЛЭП500в Хабаровском краена многихееучастках фактически отсутствовала какаялибо инфраструктура и значительные отрезки были сильно заболочены, но тем не менее –эта ЛЭП была построена и в настоящее время функционирует. Длина участка составляет 300км.Участок ЛЭППТ ВаниноИльинский проходит от мыса Красных Партизан через Татарский пролив домысаЛаманон, а затем по побережью –до поселка Ильинский, в котором находится подстанция Ильинская и в перспективе будет осуществлено подключение к энергосистеме Сахалина и питания потребителей северной части острова.Учитывая сложность присоединения отдельных подстанций
к ЛЭППТ, в данной работе эти подстанции будут предусмотрены и будет сделана попытка решения существующих технических проблем. При реализации проекта количество подстанций будет скорректировано: первоначально следует предусмотреть единственную подстанцию на Сахалине в поселке Ильинский, а затем по мере апробации технических решений –присоединить города, через которые пройдет ЛЭППТ.Подводный участок от мыса Красных Партизан до мыса Ламанон имеет кабельное исполнение и должен быть проложен по геодезической прямой, соединяющей оба мыса.При проектировании ЛЭППТ в условиях побережья следует учитывать влияние близко расположенного моря, а следовательно –высокую вероятность образования гололеда. Для обеспечения надежности работы линии следует выбрать для нее кабельное исполнение, либо применить систему плавки гололедадля воздушной ЛЭППТ.Общая протяженность участка Ванино–Ильинское –205 км, из них 110 км составляет подводный участок.УчастокИльинский–Холмскдлиной 107 кмпроходит по побережью Татарского пролива и подобен наземному участкуот мыса Ламанон до поселка Ильинский. Город Холмск находится на минимальном удалении от ЮжноСахалинска, поэтому в нем целесообразно размещение подстанции, присоединяющей потребителей югаСахалина к ЛЭППТ.Участок Холмск –мыс Сояпроходит по суше –до мыса Крильон, а затем по подводному кабелюотмысаКрильон домысаСоя.Протяженность участка Холмск –мыс Соя составляет 181 км, из них подводный участок –43 км.Участок Холмск –мыс Соя приведен на рисунке 9.Для сравнения ЛЭП постоянного и переменного тока следует совместить начальный и конечный участки. Конечный участок –мыс Соя –является общим в обоих случаях. Приведем обе ЛЭП к общей начальной точке –поселок Лидога. Длина участка Лидога –Селихино –124 км.Нарисунке 1приведена ЛЭП переменного тока от поселка Лидога до мыса Соя. С учетом всех участков, ее суммарная длина составляет 1392 км.Натом же рисунке приведена ЛЭП постоянного тока от поселка Лидога до мыса Соя. Ее длина составляет 793 км.На данном рисунке многиеучастки спрямлены, поэтому длина, отображающаяся на рисунках, не является истинной. При детальном рассмотрении каждого из участков длина немного увеличивается. Более точные длины участков приведены выше.
Рисунок 1 –Сравнение трасс ЛЭП переменногои постоянного токаот поселка Лидога до мыса Соя
Сравнение длин ЛЭП постоянного и переменного тока убедительно свидетельствуетв пользу ЛЭП постоянного тока, длина которой почти на 600километров меньше. Кроме того, значительная часть ЛЭППТ проходит вблизи автодорогили побережья, что облегчает доступ к ней монтажников и обслуживающего персонала. Более 150 километровЛЭППТ имеет кабельное исполнение пролегает по дну морских проливов, а следовательно –она не будет подвержена влиянию ветра и гололеда на этих отрезках.
Соединение ЛЭП постоянного тока с системами электроснабжения переменного тока
Для соединенияЛЭП постоянного тока с системами электроснабжения переменного токаслужат подстанции. Подстанция в поселке Лидога служит для обеспечения передачи мощности трехфазной ЛЭП переменного тока в ЛЭППТ. Такие подстанции называются выпрямительными. Основу подстанции составляет выпрямительный блок, который представляет собой трехфазный мостовой выпрямитель, выполненный на запираемых или незапираемых тиристорах. В рабочем состоянии на тиристоры постоянно поступают отпирающие импульсы таким образом, чтобы тиристоры работали в режиме диодов, либо используется принцип широтноимпульсной модуляции. При необходимости отключения ЛЭППТ от напряжения подача импульсов прекращается, в результате этого линия оказывается отключенной. Такой режим необходим для возможности аварийного отключения ЛЭППТ, в результате для аварийного отключения линии не требуются сложные и дорогостоящие автоматические выключатели –вместоних можно использовать значительно более дешевые отделители, отключающие цепь, в которой уже не протекает ток. Кроме того, используемые в настоящее время автоматические выключатели не предназначены для отключения постоянного тока: дуга постоянного тока значительно более устойчива, чем дуга переменного тока и в результате отключение постоянного тока высокого напряжения электромеханическими устройствами представляет серьезную проблему. Указанное техническое решение позволяет надежно отключать ЛЭППТ в случае аварии.Инверторные подстанции (ИП) служат для присоединения трехфазных потребителей переменного тока к ЛЭППТ. ИП необходимо устанавливать в городах по пути прокладки ЛЭППТ. ИП следует разделить на ИП первой очереди и ИП второй очереди. ИП первой очереди, находящиеся в г. Холмск и на мысе Вакканай–это подстанции, которые реализуют суть проекта объединения энергосистем материковой части Дальнего Востока России, Сахалина и острова Хоккайдо. ИП второй очереди служат для более оптимального и надежного функционирования объединенной энергосистемы и снижения потерь при передаче электроэнергии на стороне потребителей переменного тока.Такие ИП могут быть расположены в городах Ванино и Невельск, а также поселке Ильинский.
Перспективы систем электроснабжения постоянного тока
В представленнойработе рассмотренаконкретной ЛЭППТ, встраиваемой в уже существующую энергосистему переменного тока. ЛЭППТпокаявляются дополнением к доминирующимв настоящее времяэнергосистемам переменного тока, но в будущем постоянный ток займет место переменного в системах передачи и распределения электроэнергии. Это связано с тем, что единственной причиной, обусловившей доминирующее положение переменного тока в системах электропередачи является простота повышения его напряжения для снижения потерь при передаче. То есть –переменный ток имеет преимущество только при преобразовании величины напряжения. В остальных аспектах переменный ток имеет ряд недостатков по сравнению с постоянным током. Автор данной работы считает, что в настоящее времяесть все предпосылки для постепенного уменьшения доминирующей роли переменного тока. Если экстраполировать на несколько десятилетий вперед, то подстанции с трансформаторами привычной формы уступят место подстанциям постоянного тока, преобразующим постоянное напряжение одной величины в постоянное напряжение другой величины. Эти подстанции будут иметь в своей структуре высокочастотный трансформатор с размерами на порядок меньше чем у современных силовых трансформаторов. Подобный переход мы могли уже наблюдать в маломощной технике, где трансформаторные блоки питания уступили место компактным импульсным блокам питания, более сложным по структуре, но при этом более компактным и обладающим более высоким КПД. Есть все основания полагать,что подобный переход произойдет в большой энергетике в ближайшие десятилетия.
Заключение
Реализация данного проекта позволит достичь следующих результатов:1. Присоединение Сахалина к материковой части энергосети Дальнего Востока России;2. Использование на Сахалине возобновляемого энергоресурса –электроэнергии дальневосточных ГЭС;3. Возможность экспорта электроэнергии в промышленно развитую и энергодефицитную страну –Японию;4. Вести более выгодную ценовую политику при продаже электроэнергии в Китай;5. Рост объемов экспорта электроэнергии по повышенной цене позволит поставлять дальневосточным энергопотребителям электроэнергию по более низким ценам;6. Наличие крупного импортера электроэнергии –Японии –сделает обоснованным строительство новых ГЭС на притоках Амура;7. Наличиекаскада ГЭС сгладит колебания уровня Амура и позволит избежать паводков, аналогичных летнему паводку 2013 года;8. Проект позволит оживить экономику ДВРегиона и заложит основу будущей единой энергосистемы России, а в дальнейшем –Евразии;9. ЛЭППТ является амбициозным инновационным проектом, позволяющим России оставаться в ряду ведущих стран в различных отраслях техники и науки.
Ссылки на источники1 Зейская ГЭС.Общие сведения.Филиал «РусГидро» –«Зейская ГЭС». http://www.zges.rushydro.ru/hpp/general/ [13.03.2014];2Проекты противопаводковых ГЭС в бассейне Амура. http://blog.rushydro.ru/?p=9230 [13.03.2014];3Китаю наше электричество обходится дешевле, чем нам самим. //KMnewshttp://www.km.ru/biznesifinansy/ekonomikarossii/energetika/13494[11.03.2014];4Японский министр заявил о начавшемся дефиците электроэнергии //vz.ruhttp://newsland.com/news/detail/id/1233157/[11.03.2014];5Укрощение Амура Экспертonline.http://expert.ru/expert/2013/45/ukroschenieamura/[11.03.2014];6http://www.votpusk.ru/country/yamap.asp?CN=RU11[11.03.2014];7Рыжов Ю.П.Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения.М.: Издательский дом МЭИ,2007. 488 c.;8Лазарев Η. С., Лытаев Р.А., Мазуренко Α.Κ., Мустафа Γ.Μ., Шулъга Р.Η. Направления модернизации и реконструкции преобразовательных блоков Выборгской вставки постоянного тока. Тригенерация.ру Портал по тригенерации, когенерации и миниТЭЦ http://www.combienergy.ru/stat1182.html [13.03.2014];9Зотин О, В преддверии возрождения постоянного тока //Силовая электроника. –
2013 –№4,;10Магистрали сверхдальних передач. // Техника –молодёжи. Издательство ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия».–1945. –0102, С. 1620;11 Конюхова Е.А, Киреева Э.А, Надежность электроснабжения промышленных предприятий.–М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001.
Dudchenko Ilya PavlovichCandidate of technical Sciences, head of the Department of electrical engineering, automation and electric power. YuzhnoSakhalinsk Institute of Economics, Law and Computer Science Higher Educational Institutiong, associate Professor of the chair of Physics of the Sakhalin Institute of railway branch of Federal state educational institution of higher professional education «Far Eastern state transport University», in YuzhnoSakhalinsk, YuzhnoSakhalinskilpadu@mail.ru, elave.usiepi@rambler.ruINTERCONNECTION OF THE POWER SYSTEMS OF THE FAR EAST BY USING LINE HVDC TRANSMISSIONThe possibility of the interconnection continental part of the Russian Far East with the energy systems of Sakhalin and Japan. Indicate the technical possibility of this decision. The comparative analysis of the prospects for the construction of transmission lines of AC and DC. Proved the advantage of applying the lines of direct current for the interconnection of the Far East.HVDC, Far East power system, regulation of the flow tributaries of the Amur river, the export of electric power
