Korkeajännitteisten tasavirtajohtojen edut vaihtovirtajohtoihin verrattuna

Perinteisistä suurjännitesiirtolinjoista ne toimivat nykyään poikkeuksetta vaihtovirralla. Mutta oletko koskaan ajatellut etuja, joita korkeajännite DC-siirtojohto voi tarjota verrattuna AC-johtoon? Kyllä, puhumme korkeajännitteisistä tasavirta- (HVDC Power Transmission) -siirtolinjoista.

Tietenkin korkeajännitteisen tasavirtajohdon muodostamiseksi ensinnäkin muuntimet, joka tekisi tasavirran vaihtovirrasta ja vaihtovirtaa tasavirrasta. Tällaiset invertterit ja muuntimet ovat kalliita, samoin kuin niiden varaosilla on ylikuormitusrajoituksia, lisäksi jokaisen linjan laitteen on oltava ainutlaatuinen liioittelematta. Lyhyillä matkoilla muuntimien tehohäviöt tekevät tällaisesta siirtojohdosta yleisesti ottaen epätaloudellisen.

Mutta missä sovelluksissa sitä on parempi käyttää DC.? Miksi korkea AC-jännite ei joskus ole tarpeeksi tehokas? Lopuksi, onko korkeajännitteisiä tasavirtasiirtolinjoja jo käytössä? Yritämme saada vastauksia näihin kysymyksiin.

Esimerkkejä ei tarvitse mennä kauas. Itämeren pohjalle kahden naapurimaan, Saksan ja Ruotsin, välille vedetty sähkökaapeli on 250 metriä pitkä, ja jos virta olisi vaihtuva, kapasitiivinen vastus aiheuttaisi merkittäviä häviöitä. Tai toimitettaessa sähköä syrjäisille alueille, kun ei ole mahdollista asentaa välilaitteita. Myös tässä suurjännitetasavirta aiheuttaa vähemmän hävikkiä.

Entä jos sinun on lisättävä olemassa olevan linjan kapasiteettia asentamatta uutta? Entä jos käytetään AC-jakelujärjestelmiä, joita ei ole synkronoitu keskenään?

Sillä välin tasavirralle siirrettävälle ominaisteholle korkealla jännitteellä vaaditaan pienempi johtimen poikkileikkaus, ja tornit voivat olla alempia. Esimerkiksi kanadalainen Bipole Nelson River Transmission Line yhdistää jakeluverkon ja etävoimalaitoksen.

Vaihtovirtaverkot voidaan stabiloida lisäämättä oikosulkuriskiä. Koronapurkaukset, jotka aiheuttavat häviöitä AC-linjoissa ultrakorkeiden jännitehuippujen vuoksi, ovat tasavirralla paljon vähemmän, vastaavasti haitallista otsonia vapautuu vähemmän. Jälleen sähkölinjojen rakentamisen kustannusten alentaminen, esimerkiksi kolme johtoa tarvitaan kolmeen vaiheeseen ja vain kaksi HVDC:hen. Jälleen kerran, merenalaisten kaapelien suurimmat hyödyt eivät ole vain materiaalin vähenemistä, vaan myös pienempiä kapasitiivisia häviöitä.

Vuodesta 1997AAB asentaa HVDC Light -linjoja, joiden teho on enintään 1,2 GW jännitteellä 500 kV. Näin Ison-Britannian ja Irlannin verkkojen välille rakennettiin 500 MW:n nimellistehoyhteys.

Tämä yhteys parantaa verkkojen välisen sähkön toimitusvarmuutta ja luotettavuutta. Lännestä itään kulkeva yksi verkon kaapeleista on 262 kilometriä pitkä, ja 71 % kaapelista on merenpohjassa.

Muista vielä kerran, että jos vaihtovirtaa käytettäisiin kaapelin kapasitanssin lataamiseen, syntyisi tarpeettomia tehohäviöitä, ja koska virtaa syötetään jatkuvasti, häviöt ovat mitättömiä. Lisäksi AC-dielektrisiä häviöitä ei myöskään pidä jättää huomiotta.

Yleensä tasavirralla voidaan siirtää enemmän tehoa saman johdon kautta, koska samalla teholla, mutta vaihtovirralla, jännitehuiput ovat korkeammat, lisäksi eristyksen tulee olla paksumpi, poikkileikkaus suurempi. Johtimien välinen etäisyys on suurempi jne. Kaikki nämä tekijät huomioon ottaen tasavirtasiirtolinjan käytävä tarjoaa tiheämmän sähköenergian siirron.

Niiden ympärille ei luoda pysyviä suurjännitelinjoja matalataajuinen vaihtuva magneettikenttäkuten AC-siirtolinjoille on tyypillistä. Jotkut tutkijat puhuvat tämän muuttuvan magneettikentän haitoista ihmisten terveydelle, kasveille ja eläimille. Tasavirta puolestaan ​​luo vain jatkuvan (ei muuttuvan) sähkökenttägradientin johtimen ja maan väliseen tilaan, mikä on turvallista ihmisten, eläinten ja kasvien terveydelle.

Vaihtovirtajärjestelmien vakautta helpottaa tasavirta.Korkean jännitteen ja tasavirran ansiosta on mahdollista siirtää tehoa AC-järjestelmien välillä, jotka eivät ole synkronoituja keskenään. Tämä estää kaskadivaurioiden leviämisen. Ei-kriittisten vikojen sattuessa energiaa yksinkertaisesti siirretään järjestelmään tai siitä ulos.

Tämä lisää entisestään korkeajännitteisten tasavirtaverkkojen käyttöönottoa, mikä luo uutta perustaa.

Siemens-muunninasema Ranskan ja Espanjan väliseen suurjännitetasavirtasiirtolinjaan (HVDC).

Kaavio nykyaikaisesta HVDC-linjasta

Energiavirtausta säätelee ohjausjärjestelmä tai muunnosasema. Virtaus ei liity linjaan kytkettyjen järjestelmien toimintatapaan.

Tasavirtalinjojen yhteenliitäntöjen siirtokapasiteetti on mielivaltaisen pieni verrattuna AC-linjoihin, ja heikkojen linkkien ongelma on eliminoitu. Itse linjat voidaan suunnitella ottaen huomioon energiavirtojen optimointi.

Lisäksi vaikeudet useiden erilaisten ohjausjärjestelmien synkronoinnissa yksittäisten energiajärjestelmien toimintaan häviävät. Mukana nopeat hätäohjaimet Tasavirtasähköjohdot lisätä koko verkon luotettavuutta ja vakautta. Tehovirran säätö voi vähentää värähtelyjä rinnakkaisissa linjoissa.

Nämä edut helpottavat suurjännitteisen tasavirtavuorovaikutuksen nopeampaa käyttöönottoa suurten sähköjärjestelmien hajottamiseksi useisiin osiin, jotka ovat synkronoitu keskenään.

Esimerkiksi Intiassa on rakennettu useita alueellisia järjestelmiä, jotka on yhdistetty suurjännitetasavirtajohdoilla.Siellä on myös muuntajaketju, jota ohjaa erityinen keskus.

Sama on Kiinassa. ABB rakensi Kiinaan maailman ensimmäisen 800 kV ultrakorkeajännitteisen tasavirran Kiinaan vuonna 2010. Vuonna 2018 valmistui 1100 kV Zhongdong – Wannan UHV DC linja, jonka pituus on 3400 km ja kapasiteetti 12 GW.

Vuoteen 2020 mennessä on valmistunut vähintään 13 rakennustyömaa EHV DC -linjat Kiinassa. HVDC-linjat siirtävät suuria määriä tehoa merkittävien etäisyyksien päähän, ja jokaiseen linjaan on kytketty useita tehontoimittajia.

Suurjännitetasavirtajohtojen kehittäjät eivät pääsääntöisesti kerro suurelle yleisölle hankkeidensa kustannuksista, koska tämä on liikesalaisuus. Projektien erityispiirteet tekevät kuitenkin omat säätönsä, ja hinta vaihtelee riippuen: tehosta, kaapelin pituudesta, asennustavasta, maan hinnasta jne.

Kaikkia näkökohtia taloudellisesti vertailemalla päätetään HVDC-linjan rakentamisen kannattavuudesta. Esimerkiksi Ranskan ja Englannin välisen nelilinjaisen voimajohdon rakentaminen, jonka teho on 8 GW, sekä maatyöt vaativat noin miljardi puntaa.

Luettelo merkittävistä High Voltage Direct Current (HVDC) -projekteista menneisyydestä

1880-luvulla käytiin niin sanottu virtausten sota DC:n kannattajien, kuten Thomas Edison, ja AC:n kannattajien, kuten Nikola Teslan ja George Westinghousen, välillä. DC kesti 10 vuotta, mutta jännitteen nostamiseen ja siten häviöiden rajoittamiseen tarvittavien tehomuuntajien nopea kehitys johti vaihtovirtaverkkojen yleistymiseen. Vasta tehoelektroniikan kehityksen myötä suurjännitetasavirran käyttö tuli mahdolliseksi.

HVDC-tekniikkaa ilmestyi 1930-luvulla. Sen on kehittänyt ASEA Ruotsissa ja Saksassa. Ensimmäinen HVDC-linja rakennettiin Neuvostoliitossa vuonna 1951 Moskovan ja Kashiran välille. Sitten vuonna 1954 rakennettiin toinen linja Gotlannin saaren ja Manner-Ruotsin välille.

Moskova – Kashira (Neuvostoliitto) — pituus 112 km, jännite — 200 kV, teho — 30 MW, rakennusvuosi — 1951. Sitä pidetään maailman ensimmäisenä täysin staattisena elektronisena korkeajännitetasavirtana, joka on otettu käyttöön. Linjaa ei ole tällä hetkellä olemassa.

Gotland 1 (Ruotsi) — pituus 98 km, jännite — 200 kV, teho — 20 MW, rakennusvuosi — 1954. Maailman ensimmäinen kaupallinen HVDC-linkki. ABB laajensi sitä vuonna 1970, poistettiin käytöstä vuonna 1986.

Volgograd – Donbass (Neuvostoliitto) — pituus 400 km, jännite — 800 kV, teho — 750 MW, rakennusvuosi — 1965. 800 kV tasavirtalinjan Volgograd–Donbass ensimmäinen vaihe otettiin käyttöön vuonna 1961, joka tuolloin lehdistössä mainittiin erittäin tärkeä vaihe Neuvostoliiton sähkötekniikan teknisessä kehityksessä. Linja on tällä hetkellä purettu.

Tasavirtajohdon suurjännitetasasuuntaajien testaus VEI:n laboratoriossa, 1961.

Korkeajännitteisen tasavirran viivakaavio Volgograd - Donbass

Katso: Valokuvia sähköasennuksista ja sähkölaitteista Neuvostoliitossa 1959-1962

HVDC Uuden-Seelannin saarten välillä — pituus 611 km, jännite — 270 kV, teho — 600 MW, rakennusvuosi — 1965. Vuodesta 1992 kunnostettu АBB… Jännite 350 kV.

Vuodesta 1977 lähtientähän asti kaikki HVDC-järjestelmät on rakennettu käyttämällä puolijohdekomponentteja, useimmiten tyristoreja, 1990-luvun lopulta lähtien on käytetty IGBT-muuntimia.

IGBT-invertterit Siemensin muuntajaasemalla Ranskan ja Espanjan välisen suurjännitteisen tasavirran (HVDC) siirtojohdolle

Cahora Bassa (Mosambik - Etelä-Afrikka) — pituus 1420 km, jännite 533 kV, teho — 1920 MW, rakennusvuosi 1979. Ensimmäinen HVDC yli 500 kV jännitteellä. ABB:n korjaus 2013-2014

Ekibastuz – Tambov (Neuvostoliitto) — pituus 2414 km, jännite — 750 kV, teho — 6000 MW. Projekti alkoi vuonna 1981. Käyttöönottovaiheessa siitä tulee maailman pisin voimajohto. Rakennustyömaat hylättiin noin vuonna 1990 Neuvostoliiton romahtamisen vuoksi, eikä linjaa koskaan saatu valmiiksi.

Interconnexion France Angleterre (Ranska – Iso-Britannia) — pituus 72 km, jännite 270 kV, teho — 2000 MW, rakennusvuosi 1986.

Gezhouba – Shanghai (Kiina) — 1046 km, 500 kV, teho 1200 MW, 1989.

Rihand Delhi (Intia) — pituus 814 km, jännite — 500 kV, teho — 1500 MW, rakennusvuosi — 1990.

Baltian kaapeli (Saksa - Ruotsi) — pituus 252 km, jännite — 450 kV, teho — 600 MW, rakennusvuosi — 1994.

Tien Guan (Kiina) — pituus 960 km, jännite — 500 kV, teho — 1800 MW, rakennusvuosi — 2001.

Talcher Kolar (Intia) — pituus 1450 km, jännite — 500 kV, teho — 2500 MW, rakennusvuosi — 2003.

Kolme rotkoa – Changzhou (Kiina) — pituus 890 km, jännite — 500 kV, teho — 3000 MW, rakennusvuosi — 2003. Vuosina 2004 ja 2006."Three Gorges" HVDC-vesivoimalaitoksesta Huizhouhun ja Shanghaihin rakennettiin vielä 2 linjaa 940 ja 1060 km.

Maailman suurin vesivoimala, Three Gorges, on yhdistetty Changzhouhun, Guangdongiin ja Shanghaihin suurjännitetasavirtalinjoilla

Xiangjiaba-Shanghai (Kiina) — linja Fulongista Fengxiaan. Pituus 1480 km, jännite 800 kV, teho 6400 MW, rakennusvuosi 2010.

Yunnan - Guangdong (Kiina) — pituus 1418 km, jännite — 800 kV, teho — 5000 MW, rakennusvuosi — 2010.