Направления развития электроэнергетики Казахстана: путь устранения дефицита мощности Южного региона

Пришел, увидел, победил

Естественно, кажется, что с целью устранения дефицита мощности на юге республи­ки, целесообразно там создавать соб­ственные мощности за счёт газовых станций, или строительства атомной станции как предлагают некоторые или за счёт развития ВИЭ.

Однако устранить дефицит мощ­ности на юге Казахстана вполне возможно за счёт передачи мощности с севера республики. Сегодня север и юг Казахстана соединяется тремя параллельными длинными линиями электропередачи ЛЭП 500 кВ, кото­рые уже полностью загружены и они не в состоянии передать большую мощность, чтобы покрыть потребно­сти южного региона. Что же делать? Строить ещё одну ЛЭП 500 кВ — очень дорого.

Но есть третий вариант

Сегодня одна из наиболее важных проблем энергетики состоит в том, чтобы увеличить предел передавае­мой мощности по ЛЭП переменного тока при обеспечении статической устойчивости энергосистемы. Эта проблема может быть решена путём повышения пропускной способности линии электропередачи.

Под пропускной способностью линии электропередачи обычно понимают технологически максимально допустимое значение активной или полной мощности, которая может быть передана с учётом условий экс­плуатации и параметров надёжности функционирования электроэнергети­ческих систем.

Решая вопрос повышения про­пускной способности линии электропередачи необходимо учитывать, что на него накладываются ограничения. Они состоят в том, что передаваемая по линии мощность не должна превы­шать:

• предел передаваемой мощности с позиций устойчивости;
• допустимую по нагреву силу тока;
• допустимый предел потери на­пряжения в сети.

Первые два ограничения обыч­но относятся к сетям 110-220 кВ и выше, а третье необходимо учиты­вать только в распределительных се­тях 35-0,38 кВ.

Рис. 19. Схема системы электропередачи

Для линии 500 кВ (Рис. 19) пере­даваемая мощность с позиций статической устойчивости для простейшей системы определяется как

где Е — ЭДС генераторов;

U_C— напряжение на шинах системы;

U₁, U₂— напряжение по концам линии;

5 — угол сдвига между векторами Е и U_Cв начале и конце линии;

Х_Г, Х_Т, Х_Л — соответственно сопро­тивления генератора, трансформа­торов и линии.

Из выражения (1) видно, что увели­чение пропускной способности электропередачи может быть достигнуто за счёт уменьшения индуктивного со­противления линии.

Уменьшение сопротивления ли­нии электропередачи возможно за счёт устройств продольной компен­сации. Этот способ реализуется при установке конденсаторной батареи (БК) в рассечку ЛЭП, как показано на Рис. 20 ▼.

Рис. 20. Схема установки продольной компенсации в линии

Конденсаторные батареи X_C, вклю­ченные последовательно в рассечку линий (см. Рис. 20) осуществляют ём­костную компенсацию индуктивного сопротивления Х_Л ЛЭП.

После включения ёмкостного устройства продольной компенсации сопротивление линии уменьшится на величину сопротивления конденсатор­ных батарей 1/юС_БК. Тогда передаваемая по линии мощность будет равна

Из выражения (2) понятно, что ре­активное сопротивление самой линии за счёт компенсации снижается, а сле­довательно, пропускная способность ЛЭП увеличивается.

Увеличение пропускной спо­собности линии зависит от степени компенсации с, равной отношению ёмкостного сопротивления батарей конденсаторов Х_Б к индуктивному со­противлению линии ХЛ

Если для простоты принять, что U_(1 )= U_(2 ) = U_ , и учесть степень компенсации с, то предел передавае­мой мощности по линии можно запи­сать как

Из выражения видно, что увеличе­ние степени компенсации с приводит к возрастанию предела передаваемой мощности по линии Pпр, что изображе­но на Рис. 21 ▼, где приведены угловые характеристики Pпр = f(5) электропере­дачи для трёх степеней компенсации: 75 %, 50 %, и 25 %.

Они наглядно демонстрируют, что устройство продольной компенсации (УПК) является очень эффективным средством повышения предела пере­даваемой мощности в высоковольтных дальних линиях электропередачи.

Через конденсаторные батареи проходит полный ток линии. УПК за счёт компенсации части индуктивно­го сопротивления ЛЭП как бы делает линию «короче», т.е. её суммарное ре­активное сопротивление становится меньше, что увеличивает пропускную способность ЛЭП.

Кроме того, УПК используются так­же и для того, чтобы повысить не только статическую, но и динамическую устой­чивость за счёт поддержания напряже­ния вовремя и после больших возму­щений в энергосистеме. А также УПК оказываются способными повышать динамическую и статическую устойчи­вость и послеаварийного режима систе­мы передачи, так как его включение в послеаварийном режиме уменьшает от­носительное эквивалентное реактивное сопротивление системы передачи.

Вместе с тем, наличие конденсатор­ных батарей в составе УПК обеспечи­вает саморегулирование реактивной мощности в сети. Включенная батарея конденсаторов приводит к возрастания генерации реактивной мощности при увеличении передаваемой мощности. И наоборот — уменьшению генерации при снижении нагрузки. Таким образом конденсаторная батарея в составе УПК улучшает регулирование и стабилизиру­ет уровни напряжения в сети, что также приводит к снижению потерь мощности.

Вопросы применения УПК не явля­ются новыми. Идея использования про­дольно-ёмкостной компенсации, теоре­тически была обоснована в СССР ещё в 30-х годах прошлого столетия. А затем крупнейшая в мире установка продоль­ной компенсации была реализована при строительстве линии электропередачи 500 кВ Куйбышев (Самара) — Москва. Мощность батареи конденсаторов со­ставляла 500000 Мвар. В 1975 году было создано первое в мире устройство продольной компенсации (УПК) с нели­нейным сопротивлением в цепях защи­ты УПК. В 1988 году Nokian запустила крупнейшее в мире УПК мощностью 1056 Мвар. На протяжении последних 60-70 лет, в мире накоплен значитель­ный опыт разработки и эксплуатации устройств продольной компенсации.

Принципиально УПК способны очень значительно увеличить пропуск­ную способность линии электропереда­чи за счёт снижения полного продоль­ного индуктивного сопротивления ЛЭП. За счёт этого значительно возрастает устойчивость энергетической системы.

Однако степень ёмкостной компен­сации обычно ограничивают из-за того, что она создает возможности появле­ния резонансных перенапряжений как на элементах линий электропередачи, так и на зажимах самой батареи. Очень долгое время считалось, что степень компенсации не должна превосходить 30-40 % от индуктивного сопротив­ления линии Х_л и не рекомендовалось при передаче больших мощностей увеличивать ее выше 50 % при одиночном (сосредоточенном) размещении УПК на линии.

Однако мировой опыт показал, что за счёт подключения тиристорного ре­гулирования, как показано на Рис. 22 ▼,

Рис. 22. Схема тиристорного устройства продольной компенсации

возможно доведение степени компен­сации даже до 70 % по отношению к индуктивному сопротивлению линии. Причём высокая степень компенсации обычно предполагает использование на ЛЭП нескольких устройств, разме­щённых равномерно по линии. Сум­марная установленная мощность УПК для ЛЭП напряжением 400 кВ и выше находится обычно в диапазоне между 100 и 1000 МВ^А.

Отметим, что потеря активной мощности в последовательно вклю­ченных конденсаторах очень малы (0,0025-0,005 кВт/квар). Стоимость устройств ёмкостной компенсации со­ставляет порядка 10 % от стоимости новой линии электропередачи, имею­щей эквивалентную пропускную спо­собность. Срок окупаемости их состав­ляет всего несколько лет.

Благодаря как значительной техни­ческой эффективности, так и большой экономичности продольная ёмкостная компенсация широко используется за рубежом в линиях электропереда­чи 110-750 кВ. Установки продоль­ной компенсации в настоящее время занимают лидирующее положение в энергосистемах мира при решении во­просов повышения пропускной спо­собности ЛЭП.

На сегодняшний день десятки подобных проектов реализо­вана на Европейском и Американском континенте, но, к сожалению, в Казах­стане до сих пор нет ни одного подоб­ного устройства.

Схема расположения оборудования одной фазы регулируемого модуля УПК на платформе показана на Рис .23 ▼.

Поэтому, установка УПК с тири­сторным регулированием на ЛЭП 500 кВ, поможет не только увеличить её пропускную способность и решить проблему энергодефицита южной зоны республики, но и рационально перераспределить нагрузки между тре­мя параллельными линиями соединя­ющих север с югом.

Герман Геннадьевич ТРОФИМОВ,
д. т. н., профессор, заслуженный энергетик СНГ и Республики Казахстан

• Направления развития электроэнергетики Казахстана: Система накопления электрической энергии

• Направления развития электроэнергетики Казахстана: Атомная энергетика

• Направления развития электроэнергетики Казахстана: ВИЭ