Юный техник, 2000 № 05

Журнал Юный техник

Поэтому электроэнергия на ТЭС, ГЭС, АЭС вырабатывается с помощью бесколлекторных, в сотни мегаватт, машин переменного тока, который потом уже у потребителя при необходимости выпрямляют.

Другим недостатком постоянного тока является невозможность простого и экономного изменения его напряжения с помощью трансформаторов, как это делается в сетях переменного тока. Общая мощность этих многочисленных простых аппаратов в десятки раз больше, чем у генераторов всех электростанций. К примеру, в вашей квартире вы пользуетесь напряжением 220 В, а к Москве от волжских ГЭС приходит 500 000 В. И много трансформаторных ступенек надо преодолеть току, чтобы попасть в вашу лампочку.

Тем не менее до открытий Доливо-Добровольского

и Теслы для транспорта, воленс-ноленс, использовался постоянный ток. Первая такая ЛЭП была построена в 1874 году русским инженером Ф. Пироцким и имела длину всего один километр. В 1882 году француз М. Депре осуществил передачу от динамо-машины примерно двух киловатт при напряжении 1500–2000 В на расстояние 57 км. Однако после появления переменного тока и трансформаторов для передачи энергии стал, понятно, использоваться исключительно переменный ток.

На рисунке 1 изображена обычная блок-схема такой передачи.

Здесь генераторы 1 на электростанции, вращаемые паровыми или гидравлическими турбинами Т, выдают электроэнергию напряжением порядка 15–20 кВ, которое повышается трансформатором 2 до 100–500 кВ с соответствующим уменьшением тока, затем по линии 3 оно попадает на понижающий трансформатор 4 и распределяется потребителям 5. Но по мере роста протяженности воздушных и кабельных сетей, увеличения передаваемой мощности проявились и негативные стороны таких простых передач. Индуктивность проводов существенно увеличивала падение напряжения в воздушных линиях, их максимальная мощность стала определяться пределами устойчивости синхронной работы генератора и двигателей потребителя; огромные зарядные (паразитные) токи снижали эффективность кабельных линий, в их изоляции росли диэлектрические потери.

Всех этих негативных явлений принципиально не может быть при передаче энергии постоянным током. Поэтому с середины века вернулись к разработкам и сооружению передач постоянного тока (ППТ). Их принципиальная блок-схема представлена на рисунке 2.

Как видим, она отличается от рассмотренной выше тем, что повышенное трансформатором 2 напряжение выпрямляется преобразователем 3 и полученный постоянный ток, пройдя по линии 4, преобразуется в переменный в преобразователе (инверторе) 5 и после понижающего трансформатора 6 поступает в приемную энергосистему 7. При таком способе можно не считаться с индуктивностью проводов линии 4, а характерные для переменного тока пределы устойчивой работы передачи отсутствуют.

При использовании кабеля исчезают диэлектрические потери в его изоляции и паразитные зарядные токи — ведь полярность напряжения постоянна, а не меняется сто раз в секунду, как в ЛЭП переменного тока.

Однако эти великолепные достоинства, как и любые иные, даром не даются. Необходимы довольно дорогие и сложные преобразователи. Первая промышленная кабельная ППТ была сооружена между Швецией и о. Готланд (100 км, 100 кВ, 20 МВт) в 1954 году (рис. 3).

Кабель,

проложенный по дну моря, соединял выпрямительную и инверторную подстанции, а обратным проводом служило море. Заземлитель на материке постоянно работал в режиме анода, т. е. ток стекал с него в море. Он был выполнен из магнетитовых стержней, заложенных в пористые глиняные трубы для защиты от механических повреждений и опущенных в специальный бассейн, отгороженный от открытого моря особой дамбой, обеспечивающей свободный водообмен. (Так, между прочим, защищается и рыба, которая обычно «притягивается» положительным электродом и глушится при номинальном токе в 200 А уже на расстоянии двух метров от электрода.)

Расход магнетита на 1000 ампер-часов составляет 40 г. Электроды на другом полюсе все время работают в режиме катода, и их материал не расходуется. Они выполнены из двух параллельных медных шин сечением по 120 мм² каждая. Поле же катода на рыб не влияет.

В настоящее время в мире работает свыше 30 кабельных и воздушных ППТ общей мощностью более 20 000 МВт и длиной свыше 12 000 км. Многие из них реверсивные, т. е. могут менять направление транспортируемой энергии. Для России, где 85 % энергоресурсов расположено за Уралом, а 80 % населения проживает в европейской части, проблема транспорта электроэнергии очень актуальна. Одна из реверсивных ППТ построена между Волжской ГЭС и украинским поселком Михайловка, недалеко от города Кадиевка (720 МВт, 800 кВ, около 500 км). На рисунке 4 показана двухпроводная опора этой линии.

Рис. 4

В качестве преобразователей (рис. 2 и 3) в ней применены комплексы мощных тиристоров. Эти полупроводниковые управляемые выпрямители имеют вид «таблеток», торцы которых являются анодом и катодом, между которыми расположен управляющий электрод. Из таких «таблеток», соединенных последовательно между собой, собираются преобразовательные мосты, обеспечивающие выпрямление и инвертирование большого тока высокого напряжения.

Объяснять, как работает выпрямитель, не надо — это знают все. Другое дело — инвертор, реализующий обратную операцию. Вот грубая аналогия этого процесса.

Вообразим, что через длинный туннель (аналог линии) в загон (аналог трехфазного трансформатора) через три выхода (аналоги трех тиристорных блоков) непрерывно вливается стадо баранов (аналог постоянного тока), задние напирают и остановить этот поток невозможно. Сначала открывают первый вход — тиристорный блок фазы «А», и животные (ток) идут в него. Но вот рядом открывают второй вход — тиристорный блок фазы «В», а в первом входе появляется пес, лающий на баранов (аналог полуволны синусоиды, направленной против тока), и, естественно, весь поток переходит во вторую дверь — в тиристорный блок, соединенный с фазой «В», а первая дверь — тиристорный блок фазы «А» — закрывается.

Вскоре таким же образом ток переходит на фазу «С», и далее процесс повторяется. Таким образом, ток в линии не меняется, остается постоянным, а в фазах трансформатора возникает переменный, инвертированный. Весь этот сложный процесс (имеются в виду не бараны, а электроны) управляется и регулируется сложной электронной аппаратурой, выполняющей и функции защиты.

В электропередачах невозможно «складировать» электроэнергию, она должна потребляться в момент ее производства. При нарушении этого баланса возникают опасные для оборудования режимы, поэтому регулирование и защита ППТ должны действовать с большой быстротой.