Развитие на електроенергетиката и съвременни начини за прена

[Kotkata68]

ВЪПРОС №1
Развитие на електроенергетиката и съвременни начини за пренасяне на електрическа енергия на големи разстояния


I.Състояние и перспективи на съвременната енергетика
През 1970 година световното потребление на енергийни ресурси се определя на 7,55 милиарда тона условно гориво, от които 38,3% се падат на каменните въглища, 40,2% - на нефта, 19,2% - на природния газ и само 2,3% - на електрическата енергия, произведена във водните и атомните електрически централи. С всяка от следващите години нарастваше потреблението на най-удобните в технологично отношение видове енергоресурси – газта и течното гориво. Заедно с това, започна да спада ролята на каменните въглища, докато частта на ВЕЦ в световната енергетика остана сравнително стабилна. През 2000 година потреблението на енергийни ресурси вече се определяше на около 25 милиарда тона условно гориво. Обаче абсолютното потребление на добитите енергийни ресурси все още не е изчерпваща характеристика на достиженията на съвременната енергетика. Значително по-важен показател е ежедневното потребление на всички видове енергоресурси от един жител на Земята – прието е този показател да се нарича енергоосигуреност. Оценявайки достигнатата в днешните условия енергоосигуреност, може да се види доколко се е придвижило напред съвременното човечество в непрекъснатата надпревара за горива, електричество и други източници на енергия. Първобитният човек, разполагайки само с енергията на собствените си мускули Wo, ежедневно е изразходвал 107 джаула. През 1920 година средната световна енергоосигуреност се е равнявала на 3Wo, през 1967 година тя нараства на 12Wo. Съпоставен с нивото от зараждането на човечеството, този резултат далеч не е задоволителен. Заедно с това трябва да се отбележи, че в развитите в икономическо отношение страни, където човекът широко използува енергията на реките, каменните въглища, нефта, природния газ, атомната енергия, енергоосигуреността надвишава 40Wo. За 1967 година най-висока е енергоосигуреността в САЩ, тогава тя достига 75Wo. Няма нищо удивително в това, че икономистите отбелязват пряка връзка между енергоосигуреността и националният доход, отнесен към един човек от населението на страната. С нейното нарастване расте производителността на труда, обема на производството и националния доход. Достигнатата днес енергоосигуреност се явява фундамент за създаване на високоразвито промишлено производство и съвременна цивилизация, която е трудно да бъде представена без електричество, газ, топлофикация, съвременни видове транспорт и технологични процеси и т.н. В качеството си на драматични свидетелства на зависимостта на човека от енергията служат последствията от няколкото много големи аварии в енергосистемите на САЩ, парализирали за значително време живота на основната част от населението на страната, жестоките енергийни кризи, които разтърсват през няколко десетилетия света. Днес енергоосигуреността на икономически най-развитите страни превишава 200Wo, което показва, че човекът с помощта на съответната техника средно е станал вече 200 пъти по-силен от самия себе си.
Общоизвестно е, че от всички видове консумирана енергия електрическата се явява най-съвършен междинен вид енергия, който лесно се преобразува в механична, топлинна, светлинна, химична и др. енергия. Затова потреблението и производството на електрическа енергия, а също частта на електроенергията в световния енергобаланс растат и ще растат и за в бъдеще. В електрическа енергия сега се преобразуват около 30% от добиваните енергоресурси.
Бъдещото развитие на електроенергетиката включва в себе си като направления развитието на електрическите централи, мрежи и системи. Инсталираната мощност на електрическите централи на Земята сега е около 2000000 MW, които произвеждат около 21000 милиарда kWh. Огромни възможности за решаване на енергетичните проблеми открива ядрената физика, с всяка следваща година нараства сумарната мощност на атомните електрически централи. Използуването на ядрени реактори с конструкция за топлинни неутрони не решава енергетичните проблеми за голям период от време, понеже не са открити големи запаси от рентабилни уранови руди. Много по-перспективно е приложението на реактори-размножители, върху прототипите на които усилено се работи. Те позволяват десетки пъти да се увеличи използуването на първичното гориво и ефективно да се използуват природните уранови и ториеви руди. Това ще доведе до съществено намаление на себестойността на електрическата енергия, тя ще стане по-малка, отколкото и в най-икономичните топлинни централи и сега работещи АЕЦ. Очаква се, че реакторите-размножители ще решат енергетичните проблеми за около век, по-нататък се предполага, че ще бъдат построени електрически централи, работещи на термоядрен синтез.
В електроенергетиката на електрическите мрежи е отделена спомагателна роля. Тяхното предназначение е да доставят произведената в електрическите централи енергия до консуматорите. От многогодишния натрупан опит е установено, че на 1 MW нововъведена генераторна мощност е необходимо допълнително да се изградят 2 – 4 km разпределителни мрежи от всички нива на напрежение. Ще продължи изграждането на мрежи с номинално напрежение до 500 kV, макар че с изграждането на АЕЦ силно се скъсява разстоянието между централите и главните центрове на консумация. Постепенно от отделни електроенергийни системи ще се преминава към обединени енергосистеми, което налага изграждането на междусистемни връзки с голяма пропущаща способност. Създаването на обединени енергосистеми е скъпо мероприятие, но то позволява да се постигнат два важни ефекта: 1.Несъвпадение на максимумите на натоварване на две съседни енергосистеми, което води до заравняване на товаровия график на обединената енергосистема; 2.Намаляване на сумарния резерв от генераторна мощност. Към тях могат да се добавят и редица други, които тук няма да се коментират.

II.Въздушни електропроводни линии за свръхвисоко напрежение и променлив ток
В съвременните електроенергийни системи въздушните електропроводни линии (ВЕЛ) за променлив ток заемат централно място, защото на тях се падат 98% от всички електропроводни променливотокови линии. Тяхното широко приложение се оправдава с простото им устройство, удобната им експлоатация и сравнително изгодна стойност. Докато се изграждаха линии с номинално напрежение 500 kV, ВЕЛ се налагаха като най-подходящи и едва в последните десетилетия, когато се пристъпи към напрежения 750, 1150 kV и повече сред специалистите се появиха и известни съмнения за тяхното бъдеще. Особеността е в това, че при преминаването към такива свръхвисоки напрежения се налага разглеждането на редица тясно свързани и до сега непълно изучени проблеми, сред които се открояват следните:
1.Възможности на въздуха като изолация при много високи напрежения и пренапрежения.
Във ВЕЛ изолирането на фазовите проводници от земята, от стълбовете и заземените елементи се осигурява изключително за сметка на електрическата якост на въздуха. Проведените изследвания показват, че до напрежение 500 kV изолационните възможности на въздуха растат линейно с увеличаването на въздушното разстояние между острие и плоскост. При по-високи напрежения тази закономерност се нарушава – за да не настъпи при тях пробив на въздуха се налага разстоянието да бъде значително по-голямо. Тази особеност изисква да се строят по-високи стълбове, по-дълги изолаторни гирлянди и да се отнемат по-големи площи за трасето на линията. При напрежение 750 kV височината на стълбовете е около 30 – 35 m, а разстоянието между крайните проводници е 35 – 40 m. Очевидно е, че при номинално напрежение 1150 kV тези размери ще са още по-внушителни.
2.Технически перспективи за дълбоко ограничаване на пренапреженията.
Пренапреженията в електрическите системи се разделят на атмосферни и комутационни. Във ВЕЛ с номинално напрежение до 220 kV по-опасни са атмосферните пренапрежения, при СВН по-опасни стават комутационните (вътрешните) пренапрежения. Вътрешни пренапрежения възникват както в преходни режими (при комутации), така и в установени режими вследствие на развитие на резонансни явления. От комутационните пренапрежения най-голяма опасност за въздушната, линейна и апаратна изолации представляват: - АПВ след аварийно изключване; - включване на ненатоварена линия. За тези комутации е характерно едностранно захранване на ВЕЛ, а също по-големи по величина пренапрежения на отворения край на линията, отколкото на захранващия. Колкото и сложно да е математическото описание на процеса на пренапреженията в дългата ВЕЛ, в крайна сметка тяхната природа е една – това е резултат от колебателен преход от един установен режим към друг, съпровождащ се със зареждане и презареждане на капацитетите на системата. Ако в линиите 400 kV комутационните пренапрежения можеха да достигнат кратност 3, то в линиите 500 kV най-голямата кратност на комутационните напрежения съответства на средното пробивно напрежение на специални разрядници, равно на 2,35. При линиите 750 kV, при които са използувани практически същите средства за защита, е възприета най-голяма кратност на комутационните пренапрежения 1,95. Техническите средства, с които се постига ограничаване на комутационните пренапрежения, са напречно включените шунтиращи реактори, разрядниците, прекъсвачите със шунтиращи съпротивления и др.
3.Създаване на апарати и трансформатори за СВН.
В електрическите системи се използува голям комплекс от високоволтова апаратура, включваща силови и измервателни трансформатори, прекъсвачи, разединители, реактори, изолатори и др. Новото при тях е не само по-високото напрежение, но и по-големите максимални работни токове, огромни токове на късо съединение, големи геометрични размери. Към такива апарати нарастват изискванията по отношение на срока на служба, бързодействието, надеждността, изключващата способност и др. Решаването на тези задачи представлява важен проблем пред електротехническата промишленост.
4.Рационален избор на проводници на ВЕЛ.
При ВЕЛ с номинално напрежение до 220 kV включително във всяка фаза се поставя само по един фазов проводник. При следващите по-високи напрежения се е наложило да се премине към разцепени (снопови) проводници. За линии 330 – 400 kV във всяка фаза се поставят по два и по-рядко три проводника, за линии 500 kV – три (по-рядко четири) проводника, за линии 750 kV – четири (по-рядко пет) проводника. При още по-високи напрежения броят на проводниците се колебае от 6 до 12. От остойностяването на ВЕЛ е установено, че при напрежения 400 – 750 kV от общата стойност на ВЕЛ 40 до 60% е само за закупуване на проводниците. За това от рационалния избор на проводниците в много голяма степен зависи икономичността на ВЕЛ за СВН. Впрочем именно при СВН се отбелязва несъответствие между сумарното сечение на проводниците, определено по икономическа плътност на тока, и сечението на проводниците, определено от ограничаването на загубите на активна мощност от явлението “корона”. Идеята за разцепени проводници принадлежи на академик Миткевич от университета в Санкт Петербург. През 1910 година в един от своите трудове той казва: “Рано или късно ще се наложи да се изработи такъв тип проводници, които при относително малко сечение биха били еквивалентни на проводници с много голям диаметър. Едно от многото възможни решения на тази задача се състои в следното. Проводникът се сглобява от няколко отделни жила, отстоящи едно от друго и разположени по някаква цилиндрична повърхност. Трябва да се очаква, че критичното напрежение за групата от няколко жила ще бъде по-голямо, отколкото за всяко жило поотделно”. Проведените опити изцяло потвърдили предимствата на разцепените проводници. Този подход и до сега се явява най-радикалното средство за намаляване на загубите на мощност от явлението “корона”. Заедно с това, разцепването води и до увеличаване на пропущащата способност на линията, подобряване на статичната устойчивост на системата, намаляване на радиосмущенията. Като недостатък се разглежда по-голямото механично натоварване на стълбовете, особено при наличие на лед около проводниците и вятър с голяма скорост.
5.Възможни екологични усложнения в близост до ВЕЛ за СВН.
ВЕЛ за СВН имат и екологично действие, изразяващо се неблагоприятно върху здравето на хората, животните и растенията. Смущаващите фактори са два – акустичен и полеви. Акустичният шум се причинява от корониращите проводници в честотен диапазон 20 Hz дo 20 kHz. Шумът е характерен за стримерната форма на короната. Този шум нараства при дъжд, мокър сняг, мъгла, лед, когато началното напрежение на обща корона намалява 1,5-2 пъти спрямо критичното напрежение в сухо време.
На здравето на човека влияние оказват силните променливи електрически полета. Те предизвикват отпадналост на организма, нарушаване на функционалното състояние на централната нервна система и сърдечносъдовата система, променят се показателите на кръвта. Счита се, че интензитета на електрическото поле на повърхността на земята под линията за СВН може да достига до около 15 kV/m. За да не се надвиши това ограничение трябва при по-високите напрежения да се спазват по-високи габарити спрямо земя, което е възможно с въвеждането на по-високи стълбове.
В заключение може да се каже, че и за в бъдеще ВЕЛ за СВН ще останат основно средство за транспортиране на големи електрически потоци. В сега действащите електроенергийни системи има изградени две ВЕЛ за променлив ток с достигнато най-високо номинално напрежение 1150 kV. Счита се, че могат да се построят и ВЕЛ за номинално напрежение 1500 kV с пропущаща способност 15000 MW. Създаването на ВЕЛ с по-високо номинално напрежение за сега се счита за проблематично.
III.Въздушни електропроводни линии за свръхвисоко напрежение и постоянен ток
Исторически постояннотоковите ВЕЛ започват своето развитие преди около 130 години. Първата постояннотокова електрическа линия за пренасяне на електрическа енергия е демонстрирана на международната изложба във Виена в 1873 година, а втората – в Мюнхен през 1882 година. В продължение на три десетилетия постояннотокови мрежи се построяват и в Англия, Франция, Русия и САЩ. След това те са изместени от трифазния променлив ток, който продължава най-широко да се използува и в наши дни.
За отбелязване е, че от средата на ХХ век много специалисти отново започнаха да проявяват интерес към ВЕЛ за постоянен ток, но сега вече получен не от постояннотокови генератори, а от вентилни преобразуватели. Обяснението за това е в редицата предимства на постояннотоковите линии спрямо променливотоковите, най-съществените от които се отнасят до следното.
1.При постояннотоковите линии, в нормален режим, реактивните елементи индуктивност и капацитет не оказват влияние, остава да действа само активното съпротивление. Понеже то е значително по-малко от индуктивното съпротивление, ще спадне силно пада на напрежение в линията. Малкият пад ще доведе до радикално увеличение на радиуса на действие на постояннотоковата линия спрямо променливотоковата.
2.ВЕЛ за постоянен ток може да се използува за междусистемна връзка на две електроенергийни системи, работещи несинхронно или даже с различна честота. Отпада ограничението за предавана мощност по условие на статична устойчивост.
3.За ВЕЛ за постоянен ток са необходими само два проводника вместо три или даже един, ако за втори проводник служи земята.
4.Условията на работа на изолацията в постояннотоковите кабели са много по-леки, отколкото при променливотоковите.
5.Вентилните преобразуватели могат да се използуват като бързодействащи прекъсвачи и като съвършени регулатори на големината на предаваната мощност през линията.
6.При пренасяне на големи мощности на голямо разстояние постояннотоковите линии се получават по-евтини от променливотоковите.
Постояннотоковите ВЕЛ имат и недостатъци, които задържат широкото им разпространение. Най-съществените от тях се отнасят до следното:
1.Сложни и несъвършени вентилни преобразуватели.
2.Ниска надеждност на преобразователните устройства.
3.Висока цена на инвертиращата и изправителна подстанции.
4.Преобразователните подстанции са източник на висши хармонични.
5.Необходимост от източник на реактивна мощност в инверторната подстанция.
6.Невъзможност за изграждане на разклонени електрически мрежи за постоянен ток, няма даже и една действаща линия с междинно отклонение.
7.Много тежък режим на работа на прекъсвачите при необходимост от изключване под голям товар, защото протичащият ток е с голяма стойност. Още по-трудно става, когато трябва да се разкъса веригата при наличие на к.с. При променливотоковите прекъсвачи прекъсването на тока се подбира в момента на неговото естествено преминаване през нулевата стойност.
IV.Кабелни електропроводни линии за високо и свръхвисоко напрежение
Първите кабелни електропроводни линии с номинално напрежение 10 kV са построени през 1890 година от английския инженер Феранти. От тогава до наши дни много типове кабели са доведени до конструктивно съвършенство и висока експлоатационна надеждност. Кабелите за високо напрежение се наложиха изключително при въвеждането на електрическа енергия във вътрешността на големите градове. В България в градовете София, Пловдив, Варна, Русе и др. има изградени кабелни линии с номинално напрежение 110 kV. Много силно развита подземна кабелна мрежа за променлив ток има в големите градове на Русия, където са се наложили кабели за номинално напрежение 110, 220, 330 и 500 kV. В същия диапазон са и кабелите, които се произвеждат и монтират в западна Европа. Във Франция работи кабел за 750 kV, в Ню Йорк са положени над 150 km кабели за напрежение 345 kV със сечение до 1300 mm2.
Най-често кабелите за СВН се изработват с хартиено-маслена изолация, поставена в тръба, свободното пространство на която се запълва с масло или с газ под налягане. Пропущащата способност на кабелите расте с тяхното номинално напрежение и при 400 – 500 kV достига до 500 MW. През последните десетилетия кабели за СВН широко се използуват за извеждане на електрическата енергия във ВЕЦ, АЕЦ и ТЕЦ от трансформаторните блокове до откритите разпределителни устройства.
Кабелните линии отнемат малка площ, не се отразяват на естетиката на населените места, не разрушават околната среда и не се влияят от атмосферните въздействия. Въпреки това, те се използуват само в краен случай за къси разстояния, защото са неизгодни със своята цена. И в Европа и в САЩ опитът показва, че за изграждането на 1 km кабелна линия за СВН разходите са между 10 и 20 пъти по-големи, отколкото за ВЕЛ със същата пропущаща способност.

V.Електропроводни линии за високо и свръхвисоко напрежение с газова изолация
За преодоляване на трудностите, свързани с въздушната изолация, и увеличаване на номиналното напрежение на електропроводните линии се предлага всеки фазов проводник да се затвори в тръба, след което да се изтегли въздухът и да се запази вакуум или да се запълни с електроотрицателен газ под високо налягане. От двете алтернативи по-добри резултати се постигат при използуването на електроотрицателни газове под високо налягане. Първият опитен образец е изработен в Япония през 1964 година, той е с дължина 29 метра и напрежение 275 kV. През 1971 година започват продължителни експлоатационни изпитания на линия с газова изолация за 500 kV с изкуствено охлаждане и пропущаща способност 4000 до 10000 MW. В Англия се разработват гъвкави кабели с елегаз. В САЩ работи опитна линия 345 kV и дължина 183 метра с пропущаща способност 2000 MW, правят се опити и на 500 и 750 kV. Изследванията продължават и има известни основания за построяването на газови линии с номинално напрежение 3 МV, с което би настъпило ново, много по-високо ниво на пренасяне на огромни количества електрическа енергия, на порядък по-високи от способностите на съвременните ВЕЛ.
VI.Криогенни електропроводни линии като алтернатива на линиите за свръхвисоко напрежение
За намаляване на загубите на активна мощност и енергия в електропроводните линии са използуват две възможности: - преминаване към по-високо номинално напрежение; - увеличаване на напречното сечение на проводниците. Трети фактор, който придобива практическа значимост и може да бъде отнесен към оптимизираните параметри на линията – това е намаляване на специфичното съпротивление на проводника ρ за сметка на неговото дълбоко охлаждане.
Общоизвестно е, че с намаляване на температурата на проводника намалява и специфичното му съпротивление. При температури, близки до 0 градуса по Келвин, съпротивлението също става много близко до нула, а явлението е прието да се нарича свръхпроводимост. Създаването на уредби за поддържане на температури около абсолютната нула се оказва твърде скъпо, затова от практическа гледна точка е важно да се получат така наречените високотемпературни свръхпроводници. От публикуваните материали е известно, че свръхпроводимост е получена при максимални температури около 20 – 23 градуса по Келвин. Но и тези температури за сега се считат за трудно достижими. Значително по-осъществими за практиката се явяват уредби, при които се спазва условието температурата на проводника да не надвишава 80 градуса по Келвин. Такива електропроводни линии се наричат криогенни линии. Конструкцията на една такава линия включва електрически проводник, затворен херметически в тръба. Вътре в тръбата около проводника се движи течен хелий, с което се поддържа ниската температурата на проводника. Около тръбата с хелий има втора тръба, по която се движи течен азот. В лабораторни условия има действащи криогенни електропроводни линии, но за сега икономически те все още не са по-изгодното решение. В Русия, САЩ, Англия, Германия, Япония и другаде се провеждат изследвания за получаване на сплави от няколко метала, за които съпротивлението да е много малко, но при температури, близки до обикновените.