CC BY
37
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.315.1
ОБЗОР НАПРАВЛЕНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ГАЗОИЗОЛИРОВАННЫХ ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
А. В. Байшев, А. С. Торопов
Хакасский технический институт — филиал Сибирского федерального университета
В статье дан обзор применения линий электропередачи в мире и возможность их применения на территории Сибири с учётом особенностей региона. Рассмотрены такие особенности региона, как сейсмичность и температурный режим. Произведена оценка опыта применения этого типа линий в различных странах. Рассмотрена конструкция газоизолированных линий и её преимущества по сравнению с другими типами линий электропередач.
Ключевые слова: газоизолированные линии электропередачи, электроснабжение, высоковольтные линии электропередачи.
Надёжность электроснабжения потребителей крайне важна для развития отдельных регионов и страны в целом. Одним из наиболее значимых, после генерации, факторов является передача мощностей на большие расстояния от источников энергии к распределительным сетям. Передача электроэнергии на дальние расстояния сопровождается большими потерями мощности в линии, что является значимой для электроэнергетики проблемой. Альтернативой традиционным воздушным и кабельным линиям электропередачи могут стать ГИЛ -газоизолированные линии электропередачи. Этот тип линий имеет ряд преимуществ и является более надёжным в эксплуатации.
ГИЛ состоят из двух концентрических алюминиевых труб (рис. 1). Внутренний проводник опирается на изоляторы, которые центрируют проводник во внешней оболочке. Внешняя оболочка представляет собой трубу из устойчивого к коррозии алюминиевого сплава, которая обеспечивает надёжную механическую и электротехническую изоляцию системы. В качестве изолирующей среды в ГИЛ выступает смесь газов, состоящая в основном из азота и небольшой доли элегаза SF6. Для увеличения срока эксплуатации ГИЛ имеют продольную ловушку для частиц, установленную вдоль всего горизонтального отсека линии (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция ГИЛ Различают четыре способа прокладки ГИЛ [1] (рис. 2):
1 - надземный; 2
Рис. 2. Способы прокладки ГИЛ: - подземный (в туннеле); 3 - подземный (в грунте); 4 - вертикальная установка.
ГИЛ имеет модульную конструкцию. Между собой модули свариваются сварочным аппаратом в автоматизированном режиме. Все сварные швы проходят тщательную ультразвуковую диагностику, что обеспечивает герметичность линии [1].
Преимуществами рассматриваемой конструкции являются малые потери в диэлектрике, низкий уровень ко-ронирования, отсутствие системы отведения тепла, так как линия имеет большой наружный диаметр. ГИЛ позволяет передавать электроэнергию без компенсации реактивной мощности на расстояния более 70 км. Этот тип электропередачи обладает очень малым уровнем электромагнитных полей [1] (рис. 3), благодаря чему может использоваться вблизи чувствительного оборудования, проходить в жилых районах, не нанося при этом вреда чувствительному оборудованию, окружающей среде и человеку.
ГИЛ абсолютно безопасны для человека. При прикосновении к корпусу действующей линии поражения электрическим током не произойдёт, так как он надёжно заземляется. Не произойдёт поражения током и при пробое изоляции внутри ГИЛ, так как дуга остаётся внутри оболочки. Газ, используемый в качестве диэлектрика внутри ГИЛ, обладает хорошими дугогасящими свойствами. Благодаря этому ГИЛ абсолютно взрыво- и пожаробезопасны в отличие от кабельных линий, в которых при коротком замыкании зачастую загорается диэлектрик.
Стоит отметить, что ГИЛ, благодаря своей конструкции, исключает такие характерные для высоковольтных линий (ВЛ) проблемы, как перехлёст проводов при обрыве одного из них или при значительных ветровых нагрузках, также ГИЛ решают проблему гололёдообразования, так как он не оказывает влияния на работу линии. Последствия от грозовых разрядов также не оказывают на ГИЛ влияния.
Особенностью системы является то, что линия по всей длине снабжается множеством датчиков, образуя систему мониторинга, которая позволяет контролировать большинство параметров эксплуатации ГИЛ: от температуры эксплуатации и регистрации частичных разрядов в изоляции до плотности газа в каждом отсеке линии и определения локализации дугового разряда с точностью до секции. Это позволяет своевременно выявлять места возможных будущих повреждений. В случае обнаружения неисправности в линии дефектная секция вырезается и на её место вваривается новая.
Стоимость ГИЛ на напряжение 220-500 кВ не превышает стоимости кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на такое же напряжение [2]. Срок службы ГИЛ составляет более 50 лет, что обусловлено практически полным отсутствием её старения. Линия имеет низкий уровень потерь [3] (рис. 4), что в совокупности с большей пропускной способностью [4] (табл.) делает эксплуатацию ГИЛ более выгодной, чем эксплуатацию кабельных и воздушных линий той же мощности.
Рис. 3. Сравнение магнитных полей различных систем высоковольтной передачи электроэнергии
Рис. 4. Активные потери в различных типах линий
Таблица
Пропускная способность ЛЭП различных конструкций, ГВт
Тип линии Номинальное напряжение, кВ
110 220 330 500 750 1150
ВЛ 0,1-0,15 0,2-0,3 0,3-0,4 0,8-1,0 2,0-2,5 5,5-6,0
КЛ с естественным охлаждением 0,1 0,2 0,3 0,5 - -
КЛ с принудительным охлаждением 0,2 0,5 0,6-0,7 1,0-1,3 - -
ГИЛ подземного исполнения 0,1 0,3-0,5 0,7-1,0 1,4-2,0 - -
ГИЛ надземного исполнения и в туннеле 0,25 1,2 3,0 6,5 - -
При проектировании ГИЛ следует учитывать сейсмоустойчивость региона, а также его климатические особенности. ГИЛ эксплуатируются в температурном диапазоне от -30°С до +50°С. В наших широтах обеспечить нормальный рабочий температурный диапазон для ГИЛ может прокладка её в туннеле.
Географическое распространение ГИЛ довольно широко [1] (рис. 5). При этом общая длина линий составляет примерно 100 км. Этот тип линий применяется во многих странах мира для решения различных инженерных задач. В основном это линии не более 10 км. Несмотря на то, что с 1975 года в Германии безаварийно эксплуатируется 4 км ГИЛ, интерес к этому типу линий активно начали проявлять только в начале XXI века. Например, в той же Германии в 2010 году введена в эксплуатацию подземная ГИЛ длиной 5 400 метров. Эта линия заменила ВЛ с напряжением 420 кВ и позволила создать пространство для новой взлётно-посадочной полосы в аэропорту Франкфурта, не оказывая воздействия на окружающую среду.
С большим интересом к ГИЛ относятся в Китае. В 2013 году там было введено в эксплуатацию две ГИЛ общей протяжённостью 15 875 метров. Одна из них соединила турбины самой мощной гидроэлектростанции в мире и отходящие линии электропередачи, другая - турбины самой высокой дамбы с распределительной сетью КНР. Кроме того, в Китае к 2019 году планируется ввести в эксплуатацию уникальную ГИЛ, соединяющую Сучжоу и Наньтун. Длина линии составит около 100 км, при этом 5,5 км линии будет проходить по дну реки Янцзы. Это будет первый проект, когда для передачи электроэнергии будет использоваться подземная ГИЛ ультравысокого напряжения. После завершения этого проекта в Китае не исключают возможности продолжения строительства ГИЛ для эффективного и надёжного способа увеличения мощности энергетической инфраструктуры региона. В дальнейшем планируется использовать этот тип линий на всём пути от города Цзинань в провинции Аньхой через Шанхай-Нанкин, подключая многие крупные города Восточного Китая (в этом случае длина ГИЛ составит более 500 км) [5].
Рис. 5. Географическое распространение ГИЛ
Учитывая то, что небольшие ГИЛ без проблем используются в сейсмически активных регионах (например, линия в Тайланде длиной 3 510 м, введённая в эксплуатацию в 2002 году), можно сказать, что сейсмическая активность Сибири приемлема для данного типа линий. Открытое прокладывание ГИЛ над землёй и прокладывание ГИЛ в грунте для Сибири недопустимо по причине того, что в зимний период среднесуточная температура нередко опускается ниже -30°С. Для Сибири подходит только прокладывание ГИЛ в туннеле, так как в этом случае поддерживается необходимый для её работы температурный диапазон.
Таким образом, в России и, в частности, в Сибири ГИЛ могут использоваться для осуществления мощных выводов от электростанций. Они могут применяться в качестве магистральных линий в черте крупных городов, а также проходить в непосредственной близости с чувствительными к электромагнитному полю объектами.
С учётом климатических условий региона ГИЛ желательно устанавливать в туннеле для обеспечения нужной
температурной среды для их нормальной работы.
Библиографический список
1. Линии электропередачи с газовой изоляцией (GIL). - URL: https://www.siemens.com/global/en/home/products/energy/high-voltage/power-trans-mission-lines/gas-insulated-lines.html (дата обращения: 02.03.2017).
2. Вариводов, В. Газоизолированные высоковольтные линии / В. Вариводов // Электроэнергия. Передача и распределение. - 2011. -№ 1(4). - C. 74-77.
3. Рябченко, В. Н. Перспективы применения газоизолированных линий в современных электропередачах высокого и сверхвысокого напряжения для повышения надёжности электроснабжения крупных городов и мегаполисов / В. Н. Рябченко. - URL: http://video.ruscable.ru/view-1155.html (дата обращения: 03.03.2017).
4. Кадомская, К. П. Характеристики газоизолированных линий электропередачи и перспективы их использования в электроэнергетике / К. П. Кадомская, Ю. А. Лавров, А. И. Ширковец // Электро. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность. - 2010. - № 2. - С. 29-34.
5. World's first highest voltage GIL underground power line project begins in Changshu. - URL:http://www.chinadaily.com.cn/regional/2016-08/23/content_26573251.htm (дата обращения: 03.03.2017).
© Байшев А. В., Торопов А. С. 2017
УДК 629.7.064.56
ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА С СЕТЬЮ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
ЧАСТНЫХ ЖИЛЫХ ДОМОВ
А. В. Байшев, А. С. Торопов
Хакасский технический институт - филиал Сибирского федерального университета
В статье рассмотрена работа солнечных электрических панелей небольшой мощности параллельно с электрической сетью для частных домовладений в условиях Республики Хакасия. Преимуществами такой схемы являются отсутствие аккумуляторных батарей и большой срок службы. Показано, что работа таких солнечных электрических панелей должна проводиться без выдачи ими электроэнергии в сеть. Рассмотрены особенности расчёта мощности солнечных панелей. Выполнен расчёт срока окупаемости. Отмечена зависимость срока окупаемости от региона страны и тенденция к снижению его в будущем.
Ключевые слова: солнечная электростанция, сетевой инвертор, электрическая сеть, электроприёмник, счётчик электроэнергии, потребление электроэнергии, график электрической нагрузки.
Во многих европейских странах частными домовладениями практикуется применение солнечных электростанций (СЭС) небольшой мощности без аккумуляторов, работающих параллельно с сетью (On-Grid, Grid-Tie системы). Преимуществами, по сравнению с СЭС, использующими аккумуляторы, являются: отсутствие аккумуляторов и контроллера заряда, повышенный коэффициент полезного действия, сниженная стоимость, надёжность, больший срок службы, экологическая безопасность, ускоренная окупаемость. Существенным недостатком таких СЭС является прямая зависимость выработки электроэнергии от солнечной инсоляции. С помощью параллельной работы с централизованной электрической сетью удаётся избавиться от указанного недостатка.
По рассмотренному принципу строятся также СЭС большой мощности, подключаемые к электроэнергетической системе [1]. Упрощённая схема такой электростанции малой мощности представлена на рис. 1. Сетевой инвертор на выходе имеет синусоидальное напряжение («чистый синус») и автоматически синхронизируется с сетью. Выдача мощности инвертором происходит на шины распределительного щита и далее - к электроприёмникам. Излишки мощности передаются в электрическую сеть.
Шины
Рис. 1. Подключение маломощной СЭС параллельно существующей электрической сети: Wh1 - расчётный счётчик электроэнергии; Wh2 - контрольный («зелёный») счётчик электроэнергии
Во многих европейских странах имеется возможность выдачи электроэнергии в электрическую сеть. При этом используется либо реверсивный расчётный счётчик электроэнергии, либо счётчик, учитывающий отдельно потреблённую и генерированную электроэнергию. В этих странах имеются так называемые «зелёные» повышенные тарифы, по которым электрические сети обязаны покупать электроэнергию от СЭС. В нашей стране таких механизмов в настоящее время нет. Несмотря на отсутствие возможности передачи электроэнергии в сеть малыми СЭС, возможно использование режима параллельной работы СЭС с сетью (см. рис. 1) без выдачи электроэнергии в сеть. При этом мощность СЭС должна быть такой, чтобы вся вырабатываемая электроэнергия потреблялась электроприёмниками без выдачи в сеть (рис. 2).
