Коллектив авторов - История электротехники

Гибкие электропередачи переменного тока. Гибкими называют электропередачи, содержащие управляемые устройства силовой электроники. В энергосистемах уже давно применяются электронные устройства автоматического управления, защиты и противоаварийной автоматики энергосистем. Однако современные электронные устройства управления энергосистемой вступают в противоречие с механическими и инерционными объектами управления. Поэтому давно родилась мысль ввести силовые электронные устройства в энергосистему. В этом случае электронные устройства будут управлять быстродействующими электронными силовыми объектами, и противоречие, упомянутое выше, исчезнет.

Идея использования преобразовательной техники для регулирования реактивной мощности принадлежит проф. МЭИ В.А. Веникову, который высказал ее 40 лет назад. В результате развития этой идеи были разработаны схемы статических компенсаторов прямой и косвенной компенсации (СТК), в которых реактивная мощность изменялась за счет изменения тока, проходящего через реактивный элемент, регулируемый с помощью тиристоров.

К первому поколению гибких электропередач можно отнести электропередачи и вставки постоянного тока, которые являются регулируемыми элементами энергосистемы, позволяют демпфировать качания мощности и повышают устойчивость параллельных электропередач переменного тока.

В 1984 г. вице-президент американского НИИэлектроэнергетики (ЭПРИ) г-н Хингорани высказал мысль, являющуюся развитием предложения проф. В.А. Веникова: использовать современную высоковольтную преобразовательную технику для электропередач переменного тока с целью коренного улучшения их характеристик так, чтобы вместо воздействия на электромеханические процессы в синхронных машинах воздействовать на электронные устройства, включенные непосредственно в линию передачи. Это предложение послужило основой развития техники гибких электропередач.

Исследования показали, что с помощью электронных устройств гибких электропередач можно решить следующие задачи:

1) увеличить пропускную способность линий;

2) обеспечить принудительное распределение мощности по замкнутой сети в соответствии с требованиями диспетчера;

3) повысить устойчивость электропередач за счет плавного продольного и поперечного регулирования реактивной мощности и реактивного сопротивления линии.

Проф. О.А. Маевским (1978 г.) показано, что, используя запираемые тиристоры вместо СТК, можно получить новое качество преобразовательных схем: способность не только потреблять, но и выдавать реактивную мощность в сеть.

Назначение этих сетей — распределение электрической энергии, получаемой от источников питания (электрических станций и понижающих напряжение подстанций), по территории электроснабжаемого района и непосредственная ее подача к приемникам и потребителям. В современной электроэнергетике такую роль выполняют разветвленные электрические сети большого диапазона номинальных напряжений: сети до 1000 В — в пределах кварталов городов или некрупных поселков, цехов промышленных предприятий, производственных объектов сельского хозяйства, жилых и общественных зданий и т.п.; сети 6 и 10 кВ — в пределах микрорайонов городов, крупных поселков, промышленных предприятий, сельскохозяйственных районов, узлов железнодорожного транспорта; сети 35 и 110 кВ — на расстояния от единиц до нескольких десятков километров.

Характерными качествами распределительных электрических сетей (РЭС) является их массовость (в СССР — более 4 млн. км). На РЭС расходуется более 50% проводниковых материалов, используемых для передачи и распределения электроэнергии в энергосистемах; в них происходит более 50% суммарных потерь электроэнергии.

Развитие РЭС характеризуется ускоряющимся повышением их количественных показателей: протяженностью линий, численностью подстанций, схемными и структурными решениями, ростом требований к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии у ее потребителей. Динамика характеристик РЭС определяется быстрым ростом численности городского населения, количества городов, поселков, промышленных предприятий, электрификацией транспорта и сельскохозяйственного производства — в конечном счете ростом электрических нагрузок всех элементов электросетей и потребления электроэнергии. Яркой иллюстрацией является развитие РЭС Москвы, где их протяженность в конце XIX в. была около 60 км, в 1913 г. — 1400, в 70-х годах — более 20 тыс. и в настоящее время — более 42 тыс. км; в этой сети в 90-х годах работает более 12 тыс. двухтрансформаторных подстанций напряжением 6 и 10 кВ (ТП) и 2 тыс. распределительных пунктов этих же напряжений.

Протяженность единичных линий на начальной стадии образования РЭС городов (сети постоянного тока 110 — 127 В) составляла десятки и сотни метров. Линии 6 кВ в начале XX в. и до 20-х годов имели длину по 3–4 км, но в последующий период удлинились в городах до 6–8, а в сельских местностях до 10–20 км. С развитием электрических нагрузок прослеживается тенденция снижения протяженности единичных линий 380 В до 100–200 м в крупных городах и на промышленных предприятиях, линий 6 и 10 кВ до 1,5–3 км.

До 30-х годов РЭС низшего напряжения выполнялись при номинальных напряжениях 127 и 220/127 В. Следующей ступенью стало напряжение 6 кВ, при котором хорошие экономические показатели реализовались для электростанций мощностью до 50 МВт, при электроснабжении промышленности с наиболее крупными двигателями мощностью до 1 МВт, а также при передаче и распределении электроэнергии в городах и сельских районах. Последующее углубление электрификации промышленности, коммунально-бытового и сельского хозяйства обусловило необходимость замены напряжений 220/127 В на 380/220 В, напряжения 6 кВ на 10 кВ, а также применения в некоторых отраслях промышленности (при двигателях 150–800 кВт) напряжений 660/380 Вив отдельных случаях — 1150/660 В. В ряде РЭС (в первую очередь, городских и промышленных) пришлось осуществить перевод действующих электросетей напряжением 220/127 В на работу при напряжении 380/220 В и 6 кВ на работу при 10 кВ (В.А. Козлов, В.Д. Лордкипанидзе и др.) без замены основной части кабельных и воздушных линий при минимальной реконструкции распределительных устройств, но с соответствующей заменой трансформаторов.

Развитие РЭС связано с выполнением сетей по различным схемным принципам. Здесь различается применение трех основных типов схем:

1. Разомкнутые разветвленные сети без взаимного резервирования линий и подстанций. Такие схемы пригодны для электроснабжения потребителей, допускающих аварийные перерывы питания длительностью до 1 сут. Данный тип схем был характерен для начальных стадий развития РЭС, но применяется и в настоящее время для питания некрупных помещений и хозяйств в сельской местности и при малоэтажной застройке периферийных районов малых городов, допускающих указанные перерывы электроснабжения (И.А. Будзко, М.С. Левин, В.А. Козлов, В.В. Зорин и др.).