Электрическая энергия универсальна: она удобна для дальних передач, легко

распределяется

по

отдельным

потребителям

и

с

помощью

сравнительно

несложных устройств, преобразуется в другие виды энергии.

Эти

задачи

решает

энергетическая

система,

в

которой

осуществляются

преобразование энергии топлива или падающей воды в электрическую энергию,

трансформация токов и напряжений, распределение и передача электрической

энергии потребителям.

Источниками электрической энергии служат тепловые (ТЭС), гидравлические

(ГЭС) и атомные (АЭС) электростанции, имеющие общий режим производства

энергии.

Линии

электропередачи,

трансформаторные

и

распределительные

устройства обеспечивают совместную работу электростанций и распределение

энергии между потребителями.

В

настоящее

время

элект ро энергия

вырабатывает ся

мощными

электростанциями,

расположенными

далеко

от

потребителей.

В

результате

этого возникает необходимость ее передачи на большие расстояния. В принципе

электромагнитную энергию можно передавать от источника к потребителю в

диапазоне

сверхвысоких

частот

(СВЧ)

и

в

оптическом

диапазоне

частот.

Именно в таком виде поступает на Землю электромагнитная энергия от Солнца.

Спектр

излучения

Солнца

постирается

от

крайне

низких

частот,

порядка

нескольких Герц, до ультрафиолетовых и даже рентгеновских частот. Однако

при

настоящем

уровне

развития

техники

передача

больших

количеств

электроэнергии

через

свободное

пространство

практически

затруднительна.

Поэтому в настоящее время электроэнергия передается по открытым линиям

передачи

с

помощью

проводов

из

алюминия

и

меди

или

с

помощью

экранированных кабелей. При этом в тех случаях, когда электрическая энергия

вырабатывается на относительно низких частотах (50 или 60 Гц), экономически

более

выгодно

передавать

ее

с

помощью

высоковольтных

линий

электропередачи. Как уже отмечалось, в этом случае электромагнитное поле

распространяется в диэлектрике, окружающем металлический провод и только

1

незначительная часть энергии проникает в провод и тратится на его нагревание.

Для передачи электроэнергии на большие расстояния в настоящее время в

основном используются проводящие каналы из металлических алюминиевых

или медных проводов. При этом используются как открытые воздушные линии,

так и экранированные подземные кабели. В обоих случаях электромагнитная

энергия распространяется в диэлектрике, окружающий проводник и только

незначительная часть ее (доли процента) теряется на нагрев проводника. При

использовании открытых проводников некоторая часть передаваемой энергии

излучается в свободное пространство. Излучаемая в свободное пространство

энергия

незначительна

(доли

процента),

если

длина

линии

передачи

значительно меньше половины длины волны равной 6000 км при частоте 50 гц

и практически линейно возрастает по мере увеличения длины линии передачи.

Как

уже

отмечалось

выше,

передача

электроэнергии

в

настоящее

время

производится

с

использованием

переменного

напряжения.

Это

объясняется

возможностью

использования

для

изменения

величины

переменного

напряжения трансформаторов. Практически электромагнитное поле проникает

в металл проводов на глубину несколько сот нанометров. В общем случае

величина

потерь

в

проводах

зависит

от

мощности

передаваемой

электроэнергии, концентрации примесей в металле проводов и температуры.

Естественно,

чем

сильнее

нагревается

провод,

тем

больше

в

нем

потери.

Поэтому провода приходится выбирать тем толще, чем больше предаваемая по

ним

мощность

и

чем

больше

в

металле

проводов

примесей.

Окисление

проводов в влажной среде, приводит к образованию на их поверхности пленки

диэлектрика и также естественно увеличивает потери.

Серьезной проблемой при использовании открытых линий передачи на большие

расстояние является возрастание потерь, вызванных увеличением излучения

электроэнергии в свободное пространство.

В

системах

переменного

тока

с

большим

количеством

электростанций

существует

проблема

поддержания

синхронной

работы

всех

генераторов.

Устойчивое

состояние

такой

системы

в

нормальных

режимах

работы

2

определяется

техническими

параметрами

системы,

обеспечивающими

способность системы противостоять возмущениям режима. Особенное значение

приобретает

проблема

устойчивости

синхронной

(параллельной)

работы

нескольких

энергосистем,

объединенных

межсистемными

связями.

Недостаточная

пропускная

способность

межсистемных

связей

(с

малым

запасом

устойчивости)

в

ситуациях

резкого

роста

нагрузок,

короткого

замыкания, внезапного отключения генерирующих и передающих элементов

системы может приводить к нарушению статической устойчивости (при малых

возмущениях)

и

динамической

устойчивости

(при

резких

и

глубоких

нарушениях

нормального

режима).

Вследствие

нарушения

устойчивости

происходит выпадение генераторов из синхронизма, что может привести к

распаду энергосистем, входящих в энергообразование, на несинхронные части с

тяжелыми экономическими последствиями для потребителей электроэнергии.

Устойчивость

систем

является

основным

фактором,

ограничивающим

пропускную

способность

электропередач

переменного

тока

большой

протяженности,

близкой

к

длине

четверти

волны

распространения

электромагнитного поля вдоль линии (1500 км при промышленной частоте 50

Гц или 1250 км при частоте 60 Гц).

По приведенным причинам во второй половине ХХ века вновь возник интерес к

электропередачам

постоянного

тока

(ЭППТ).

Однако

в

отличие

от

раннего

периода развития этих передач в ХІХ веке их теперь характеризуют высокая

пропускная способность, большая протяженность и сверхвысокие напряжения.

Принципиальная

схема

передачи

включает

выпрямитель

трехфазного

переменного

тока

в

постоянный

ток

высокого

напряжения

и

инвертор

(преобразователь

постоянного

тока

в

переменный).

Выпрямитель

может

создавать высокое постоянное напряжение одного знака (+) на одном полюсе

линии относительно второго заземленного полюса (униполярная передача) либо

напряжение

разных

знаков

(плюс

или

минус)

на

каждом

из

полюсов

относительно средней заземленной точки выпрямителя.

3

Принципиальная

схема

биполярной

ЭППТ

между

двумя

энергосистемами

переменного напряжения и тока

В униполярной передаче, часто используемой для подводной прокладки кабеля,

выпрямитель

с

инвертором

соединяется

одним

проводником

(кабелем

постоянного

тока).

В

биполярной

передаче

выпрямитель

с

инвертором

соединяются

двухполюсной

линией

постоянного

тока.

В

конструктивном

отношении эта линия может быть выполнена как протяженная воздушная линия

с двумя полюсными проводниками на опорах или как кабельная линия с двумя

полюсными кабелями постоянного тока.

В

процессе

преобразования

токов

потребляется

значительная

реактивная

мощность

(0,5–0,6

кВА

на

1

кВт

активной

мощности).

Конденсаторные

установки, необходимые для генерации реактивной мощности, усложняют и

4

удорожают

конструкции

преобразовательных

подстанций

электропередач

постоянного тока.

Технология силового преобразования трехфазных переменных токов в середине

ХХ

века

основывалась

на

применении

ртутных

ламповых

выпрямителей

большой

мощности.

На

территории

бывшего

СССР

первая

межсистемная

ЭППТ

с

ртутными

выпрямителями

была

построена

в

1962

году

между

Волжской

ГЭС

и

подстанцией

Михайловка

в

Луганской

области

Украины.

Напряжение передачи ± 400 кВ, длина 473 км, проектная мощность 750 МВт.

Техника преобразования тока прошла путь непрерывного совершенствования от

первых выпрямителей с «ртутниками» и 6-фазным режимом выпрямления до

систем на базе силовой полупроводниковой техники и 12-фазным режимом

выпрямления с электронным управлением. В 60-х годах ХХ века началось

широкое применение силовых тиристоров сначала с масляным охлаждением, а

затем с охлаждением деионизированной водой.

Электропередачи постоянного тока применялись повсеместно для транспорта

электроэнергии от мощных ГЭС или ТЭС, удаленных на большие расстояния от

центров электропотребления.

Наряду с использованием электропередач постоянного тока для транспорта

электроэнергии их стали применять для выполнения функций межсистемных

связей

значительной

протяженности.

Эффективность

применения

дальних

передач постоянного тока обусловлена не только повышением устойчивости

межсистемных

связей,

но

также

низкими

потерями

активной

мощности,

уменьшением

размеров

конструкций

биполярной

линии

по

сравнению

с

трехфазной

воздушной

линией

при

одинаковой

мощности

отсутствием

ограничений

по

длине

передачи

и

возможностью

быстрого

регулирования

величины

мощности

и

направления

ее

передачи

за

счет

обратимости

выпрямителей в инверторы и наоборот.

5

С и с т е м ы

эл е кт р о п е р е д ач

п о с т оя н н о го

т о ка

о ка з а л и с ь

о с о б о

предпочтительными для подводных кабельных линий при расстояниях до 300

км и напряжении 400 кВ. Морские подводные кабели постоянного тока нашли

широкое

применение,

особенно

в

Японии

и

Европе.

Одна

из

наиболее

протяженных европейских кабельных линий длиной 292 км проложена еще в

1967 году между Италией и островом Сардиния через Тирренское море. В 2005

году

построена

электропередача

постоянного

тока

между

Австралией

и

островом

Тасмания.

Протяженность

подводной

части

электропередачи

составляет 295 км.

Мощные электропередачи постоянного тока в будущем могут стать средством

объединения

энергосистем

в

трансконтинентальные

энергообразования.

Рассматривается

вариант

строительства

мощной

многоподстанционной

электропередачи

постоянного

тока,

связывающей

энергосистемы

России,

Беларуси, Польши и Германии. Возможно создание связи постоянного тока

Россия – США через Берингов пролив.

Системы

электропередач

постоянного

тока

используются

также

как

соединительные

вставки

между

двумя

энергосистемами,

работающими

на

переменном токе несинхронно или с разной номинальной частотой. Помимо

этого,

использование

вставки

постоянного

тока

(ВПТ)

эффективно

при

различных способах регулирования частоты тока и напряжения в соединяемых

энергосистемах или при несоразмерности мощности этих систем. У вставок

постоянного

тока

выпрямительный

и

инверторный

преобразователи

располагаются на одной и той же подстанции, а длина соединяющей их линии

постоянного тока составляет всего несколько метров. Вставки постоянного тока

обеспечивают развязку примыкающих энергосистем по частоте, напряжению и

мощности короткого замыкания при высокой управляемости передачи энергии

по величине и направлению в одну или другую энергосистему. В Японии

вставки постоянного тока использованы для связи энергосистем, работающих

на частоте переменного тока 50 и 60 Гц. Одна из мощных вставок постоянного

6

тока

сооружена

в

России

(г.

Выборг)

для

связи

двух

крупнейших

энергообразований – ЕЭС России и NORDEL (объединение энергосистем стран

Северной Европы).В настоящие время используется лишь ничтожная часть

солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют

сравнительно

низкий

коэффициент

полезного

действия

и

очень

дороги

в

производстве.

Однако

не

следует

сразу

отказываться

от

практически

неистощимого

источника

чистой

энергии:

по

утверждениям

специалистов,

гелиоэнергетика

могла

бы

одна

покрыть

все

мыслимые

потребности

человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД

гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с

ними,

мы

обеспечим

обогрев

жилья,

подогрев

воды

и

работу

бытовых

электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для

нужд

промышленности,

требующих

больших

затрат

энергии,

можно

использовать

километровые

пустыри

и

пустыни,

сплошь

уставленные

мощными

гелиоустановками.

Но

перед

гелиоэнергетикой

встает

множество

т р уд н о с т е й

с

с о о р у ж е н и е м ,

р а з м е щ е н и е м

и

э к с п л у а т а ц и е й

гелиоэнергоустановок на тысячахквадратных километрах земной поверхности.

Поэтому

общий

удельный

вес

гелиоэнергетики

был

и

останется

довольно

скромным, по крайней мере, в обозримом будущем.

В настоящее время разрабатываются новые космические проекты, имеющие

целью исследование Солнца, проводятся наблюдения, в которых принимают

участие

десятки

стран.

Данные

о

процессах,

происходящих

на

Солнце,

получают с помощью аппаратуры, установленной на искусственных спутниках

Земли и космических ракетах, на горных вершина и глубинах океанов.

Большое

внимание

нужно

уделить

и

тому,

что

производства

энергии,

являющееся

необходимым

средством

для

существования

и

развития

человечества,

оказывает

воздействие

на

природу

и

окружающую

человека

среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека

настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит

7

своего

существования

без

нее

и

потребляет

само

собой

разумеющиеся

неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое

внимание

заостряет

на

экономическом

аспекте

энергетики

и

требует

экологически

чистых

энергетических

производств.

Это

говорит

о

необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение

средств

на

покрытие

нужд

человечества,

практическое

использование

в

народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных

технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д.

Сейчас учёные исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю,

работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной

энергии.

Устройство электропередачи

постоянного

тока

на

частоте

50

Гц

Преимущества линий электропередач постоянного тока состоят в следующем:

1.

Предел

передаваемой

мощности

по

линии

не

зависит

от

ее

длины

и

значительно больше, чем у линий электропередач переменного тока;

2.

Снимается понятие предела по статической устойчивости, характерные для

воздушных линий электропередачи переменного тока;

3.

Энергосистемы,

связанные

воздушные

линии

электропередачи

постоянного тока могут работать несинхронно или с различными частотами;

4.

Требуется лишь два провода вместо трех или даже один, если использовать

в качестве второго землю.

На рис. 1. приведена схема передачи постоянного тока, осуществленная по

биполярной схеме(«два полюса - земля»).

На

этом

рисунке

UD

и

UZ,

преобразовательные

(выпрямительная

и

инвекторная) подстанции; L - реактор или фильтр для уменьшения влияния

высоких

гармоник,

пульсации

напряжения

и

аварийных

токов;

rл-

сопротивление линии; G, Т - генераторы и трансформаторы.

Выработка и потребление электроэнергии осуществляется на переменном токе.

8

Рис.1. Схема передачи постоянного тока в послеаварийном режиме

Основные элементы линии постоянного тока:

1.

Управляемые высоковольтные выпрямители из которых собирается схема

преобразовательной подстанции.

2.

Управляемые высоковольтные инверторы, из них также собирается схема

преобразовательной подстанции.

Схема

инверторной

подстанции

принципиально

не

отличается

от

схемы

выпрямительной подстанции, так как выпрямители обратимы. Единственное

отличие

состоит

в

том,

что

на

инверторной

подстанции

приходится

устанавливать компенсирующие устройства, конденсаторы, либо синхронные

компенсаторы

для

выдачи

инверторам

реактивной

мощности,

которая

составляет около 50... 60% передаваемой активной мощности.

Средние точки обоих преобразовательных подстанций в биполярной передаче

заземлены, а полюсы изолированы.

Напряжение

полюса

UП

равно

напряжению

между

полюсом

и

землей.

Например,

на

передаче

энергии

Волгоград

-

Донбасс

напряжение

полюса

относительно

земли

+400

кВ,

а

второго

-

400

кВ.

Напряжение

Ud

между

полюсами

800

кВ.

Передача

может

быть

разделена

на

две

независимые

полуцепи. В нормальном режиме при равных точках в полуцепях ток через

землю близок к нулю. Обе полуцепи передачи могут работать автономно, и в

случае

аварии

одного

полюса

половина

мощности

может

передаваться

по

другому полюсу с возвратом через землю.

9

При

аварии

одного

полюса

или

одной

полуцепи

вторая

полуцепь

может

работать по униполярной схеме.

Рис. 2. Схема передачи постоянного тока в послеаварийном режиме

В униполярной передаче заземлен один из полюсов и имеется один провод,

изолированный от земли. Второй провод либо заземлен с двух сторон передачи,

либо отсутствует. Такой заземленный второй провод применяется в тех случаях,

когда недопустимо применение тока в земле (например, при вводах в крупные

города). Как правило, одна цепь униполярной передачи может состоять из

одного

провода

и

земли,

а

биполярная

-

из

двух

проводов.

Описан

опыт

длительного пропускания постоянного тока через землю до 1200 А.

Униполярные схемы применяются для передачи небольших мощностей до 100...

200МВт на небольшие расстояния. Большие мощности на большие расстояния

целесообразно передавать по биполярным схемам.

Преобразовательные

подстанции

из-за

сложного

и

дорогостоящего

оборудования очень увеличивают стоимость передач постоянного тока. В тоже

время сама линия постоянного тока стоит дешевле, чем линия переменного

тока, из-за меньшего количества проводов, изоляторов, линейной арматуры и

более легких опор.

Пропускная

способность

мощности

линии

постоянного

тока

определяется

значением

и

разностью

напряжений

по

концам

линии,

ограничивается

активными

сопротивлениями

линиями

и

концевых

устройств,

а

также

мощностью преобразовательных подстанций.

Однако

пропускная

способность

мощности

линии

постоянного

тока

значительно больше, чем у линии переменного тока.

Полная

мощность

биполярной

передачи

линии

Волгоград

-

Донбасс

напряжением

Ud

=

800

кВ

составляет

720

МВт.

Введена

в

эксплуатацию

10

крупнейшая в мире линия Экибастуз - Центр с UП = ±750 кВ, напряжением

между полюсами Ud = 1500 кВ и длиной 2500 км. Пропускная способность

мощности может быть доведена до 6000 МВт.

Основная область применения линий постоянного тока - передача больших

мощностей

на

дальние

расстояния.

Однако

особые

свойства

этих

линий

позволяют с успехом использовать их и в других случаях. Например, линии

постоянного тока оказываются эффективными при необходимости пересечения

морских

проливов,

а

также

связи

несинхронных

систем

или

систем,

работающих с разной частотой (так называемые вставки постоянного тока).

Наряду с линиями постоянного тока высокого и сверхвысокого напряжения в

военном

деле

применяются

и

линии

постоянного

тока

малого

и

среднего

напряжения.

Широкое

распространение

получили

следующие

напряжения:

малые

напряжения - 6, 12, 24, 36,48, 60 вольт, средние напряжения - 110, 220, 400

вольт.

Для всех напряжений линии постоянного тока имеют следующие достоинства:

1.

Они не требуют расчета устойчивости.

2.

Напряжение в таких линиях более равномерно, так как в установившемся

режиме они не генерируют реактивной мощности.

3.

Конструкции линий постоянного тока проще, чем переменного: меньше

число гирлянд изоляторов, меньшая затрата металла.

4.

Направление потока мощности можно изменять (реверсивные линии).

Недостатки:

1.

Необходимость сооружения сложных концевых подстанций с большим

числом

преобразователей

напряжения

и

вспомогательной

аппаратуры.

Известно,

что

выпрямители

и

инверторы

сильно

искажают

форму

кривой

напряжения на стороне переменного тока. Поэтому приходится ставить мощные

сглаживающие устройства, что значительно снижает надежность.

2.

Отбор мощности от линии постоянного тока пока затруднителен.

11

3.

В линиях постоянного тока требуется, чтобы перед включением были

примерно одинаковыми полярность и напряжения по обоим концам.

Индукционная

передача

электроэнергии

Передача энергии индукционным способом относится к варианту беспроводной

передачи

энергии

на

расстояние.

Этот

способ

основан

на

явлении

взаимоиндукции двух катушек индуктивности. Если на одну катушку подавать

переменный ток, то в другой катушке, находящейся в магнитном поле первой

к а т у ш к и ,

б у д е т

н а в о д и т ь с я

Э Д С

в з а и м о и н д у к ц и и .

Кроме

как

в

трансформаторах,

передачу

энергии

индукционным

способом

использовали для передачи энергии электротранспорту от дороги, а также в

поездах

на

магнитной

подушке

и

других

устройствах.

Дальность

и

КПД

индукционного способа передачи энергии зависит констукции катушек, тока в

них, от расстояния между катушками и магнитных свойств среды между ними.

В

последнее

время

чаще

предлагают

использовать

передачу

энергии

индукционным способом для использования в транспортном средстве. Этой идее

уже больше сотни лет. Системы ВЧ транспорта, это, как правило, трансформатор,

первичная обмотка которого проложена вдоль трассы, а вторичная находится в

машине. Энергия передаётся с помощью электромагнитного поля. На одну из

катушек

подаётся

большая

мощность

от

высокочастотного

генератора.

Эта

катушка

обычно

располагается

в

земле

под

дорожным

покрытием.

Вторая

катушка, с помощью конденсатора настраивается на частоту генератора, является

приёмником электрической энергии и располагается на транспортном средстве.

При

близком

расположении

катушек,

наведённая

в

приёмном

контуре

ЭДС

выпрямляется, и постоянный ток подаётся на электродвигатели транспортного

средства.

Чтобы оценить перспективность передачи энергии на расстояние индукционным

способом,

можно

вспомнить

историю

создания

подобных

систем,

в

первую

очередь по тем, по которым имеются сведения об их характеристиках. Такой

электромобиль

(названный

ВЧ-мобилем)

в

1943

г.

построил

советский

12

электротехник Г. Бабат. В следующем году на одном из советских заводов был

введён в эксплуатацию электрокар с двигателем мощностью около 2 кВт. Он

передвигался

по

асфальтовым

дорожкам,

вдоль

которых

под

землёй

были

проложены

медные

трубки

небольшого

диаметра.

Через

них

пропускали

переменный ток частотой 50 Гц. Эффективный радиус действия этих проводов

равнялся 22 м в каждую сторону. Но, потери электрической энергии были очень

велики, на каждом квадратном метре трассы терялся 1 кВт мощности, причём

для привода использовалось лишь 4% энергии, а остальные 96% составляли

потери.

Интерес к передачам постоянного тока в России имеет свою давнюю историю. В

настоящее время построено много линий и вставок постоянного тока для решения

задач электроэнергетики, и их применение расширяется в значительной степени

благодаря успехам силовой полупроводниковой техники.

Объекты

постоянного

тока

делятся

на

две

группы.

К

первой

из

них

относятся электропередачи постоянного тока (ППТ), где электрическая энергия

передается на какое-то расстояние. Неотъемлемой частью этих электропередач

является воздушная или кабельная линия постоянного тока. Ко второй группе

относятся

так

называемые вставки

постоянного

тока (ВПТ),

где

линия

постоянного тока отсутствует. Все звено постоянного тока расположено на одной

подстанции, на которую заходят линии переменного тока от связываемых систем. В

различных

устройствах

постоянный

ток

применяется

довольно

часто.

С

ним

работают, например, многие бытовые приборы, зарядные устройства и генераторы

автомобиля.

Любой

портативный

аппарат

запитывается

от

источника,

вырабатывающего постоянный вид. В промышленных масштабах его применяют

в

двигателях

и

аккумуляторах.

А

в

некоторых

странах

им

оснащают

высоковольтные

линии

электропередач.

В

медицине

с

помощью

постоянного

электрического тока проводят оздоровительные процедуры, также используется на

железной

дороге

(для

транспорта).

То

есть

постоянный

ток

используется

во

многих сферах занятий человека, параллельно с переменным током. Он также

обладает

своими

преимуществами,

и

его

доставка

до

потребителя

является

неотъемлемой частью производств.

13

Список используемой литературы.

Городская библиотека города Набережные Челны

Книга 4. Развитие атомной энергетики и объединенных энергосистем

Книга 5. Электроэнергетика и охрана окружающей среды. Функционирование

энергетики в современном мире

Петряев Е.И., Портной М.Г., Семенов В.А. Западноевропейский Союз по

координации производства и распределения электроэнергии // Электричество. –

1992. – № 6. – С. 7–12.

Современное состояние и перспективы развития электроэнергетики СНГ / В.А.

Джангиров, Ю.Л. Антипенко, В.А. Баринов, А.С. Маневич // Электричество. –

1998. – № 11. – С. 2–13.

14