Какие преимущества имеет ВНП над ПНП в передаче электроэнергии

Какие преимущества имеет ВПП над ПП?

Электроэнергия преодолевает большие расстояния, прежде чем достигнет потребителей. Электростанции, часто расположенные в отдаленных местах, подают электроэнергию через сотни миль и множество подстанций. Передача высокого напряжения снижает потери в линиях, при этом используются как переменный, так и постоянный ток. Хотя переменный ток знаком по опорам линий электропередачи и домашним розеткам, ВПП предлагает уникальные преимущества в передаче электроэнергии.

Цель передачи электроэнергии — минимизировать потери и затраты. Хотя оба метода сталкиваются с влияющими факторами, у ВПП больше преимуществ. В этой статье рассматриваются преимущества ВПП над ПП:

Меньшие затраты на передачу
Затраты на передачу зависят от оборудования для преобразования напряжения на конечных станциях, количества и размера проводников, размеров опор и потерь. ПП использует трансформаторы для преобразования — это проще и дешевле, чем преобразователи на основе тиристоров, используемые в ВПП, что является единственным преимуществом ПП в плане затрат.

Для трехфазной передачи ПП требуется как минимум три проводника. ВПП, используя землю в качестве обратного пути, может использовать один (монополярный) или два (биполярный) проводника, что снижает затраты. Даже три фазных проводника могут передавать двойную мощность через двойные биполярные связи ВПП.

ПП требует большего расстояния между фазой и землей, а также между фазами, что требует более высоких и широких опор. Опоры ВПП снижают затраты на установку. ВПП также имеет значительно меньшие потери при передаче, что делает его более эффективным.

Общие затраты на передачу можно разделить на две основные категории: затраты на конечные станции и затраты на линии передачи. Первые являются фиксированными расходами, независящими от расстояния передачи, в то время как вторые зависят от длины линии. Затраты на конечные станции ПП относительно невысоки, тогда как затраты на конечные станции ВПП значительно выше. Однако стоимость на 100 км линий передачи ПП намного выше, чем у ВПП. Таким образом, общие кривые затрат ПП и ВПП пересекаются в точке, известной как точка окупаемости.

Точка окупаемости — это длина передачи, за которой общая инвестиционная стоимость ПП превышает стоимость ВПП. Это расстояние варьируется в зависимости от типа передачи: примерно 400-500 миль (600-800 км) для воздушных линий, 20-50 км для подводных линий и 50-100 км для подземных линий. За этим порогом ВПП становится более эффективным и экономически выгодным выбором для передачи электроэнергии.

Передача ВПП имеет значительно меньшие потери по сравнению с ПП, с ключевыми улучшениями в следующих областях:

Отсутствие потерь реактивной мощности

Передача ПП страдает от потерь реактивной мощности, которые прямо пропорциональны длине линии, частоте и индуктивным нагрузкам на приемной стороне. Эти потери снижают эффективную передачу мощности и тратят энергию, ограничивая максимальную длину эффективных линий ПП. Для снижения этих потерь системы ПП полагаются на последовательную и параллельную компенсацию, чтобы уменьшить ВАР (реактивные вольт-амперы) и поддерживать стабильность.

В отличие от этого, ВПП работает без частоты и зарядного тока, полностью исключая потери реактивной мощности. Это устраняет необходимость в таких компенсационных мерах.

Снижение потерь короны

Когда напряжение передачи превышает критический порог (напряжение начала короны), молекулы воздуха вокруг проводников ионизируются, создавая искры (короны), которые тратят энергию. Потери короны зависят от уровня напряжения и частоты. Поскольку постоянный ток имеет нулевую частоту, потери короны в системах ВПП составляют примерно одну треть от потерь в системах ПП.

Отсутствие эффекта кожного слоя

Ток переменного тока демонстрирует эффект кожного слоя, при котором ток сконцентрирован близко к поверхности проводника, оставляя ядро недостаточно использованным. Этот неравномерный распределение тока снижает эффективную площадь поперечного сечения проводника, увеличивая сопротивление (поскольку сопротивление обратно пропорционально площади) и приводя к большим потерям I²R в линиях ПП. ВПП, с его стабильным постоянным током, избегает этого эффекта, обеспечивая равномерное распределение тока по проводнику и минимизируя потери сопротивления.

Отсутствие потерь излучения и индукции

Линии передачи ПП страдают от потерь излучения и индукции из-за их постоянно меняющихся магнитных полей. Потери излучения происходят, потому что длинные линии ПП действуют как антенны, излучая энергию, которую невозможно восстановить. Потери индукции возникают из-за токов, индуцированных в соседних проводниках изменяющимся магнитным полем.В системах ВПП магнитное поле постоянно, что полностью исключает потери излучения и индукции.

Снижение потерь зарядного тока

Подземные и подводные кабели имеют врожденную паразитную емкость, которая требует заряда перед тем, как они смогут передавать энергию. Емкость увеличивается с длиной кабеля, и, следовательно, зарядный ток пропорционально возрастает.

В системах ПП кабели заряжаются и разряжаются несколько раз в секунду, отнимая дополнительный ток от источника для поддержания этого цикла. Этот дополнительный ток увеличивает потери I²R в кабеле.Кабели ВПП, однако, требуют заряда только один раз во время первоначального включения или переключения. Это исключает потери, связанные с непрерывными зарядными токами.

Отсутствие потерь диэлектрического нагрева

Переменное электрическое поле в системах ПП воздействует на изоляционные материалы в линиях передачи, вызывая их поглощение энергии и ее преобразование в тепло — явление, известное как диэлектрические потери. Это не только тратит энергию, но и сокращает срок службы изоляции.Системы ВПП генерируют постоянное электрическое поле, избегая диэлектрических потерь и связанных с ними проблем нагрева изоляции.

3) Тонкие проводники

Эффект кожного слоя в ПП приводит к тому, что ток сконцентрирован близко к поверхности проводника, требуя более толстых проводников для увеличения площади поверхности и обеспечения большего тока.ВПП, свободный от эффекта кожного слоя, позволяет току распределяться равномерно по всему поперечному сечению проводника. Это позволяет использовать более тонкие проводники, сохраняя ту же способность проводить ток, что снижает затраты на материалы и вес.

4) Ограничения по длине линий

Линии ПП страдают от потерь реактивной мощности, которые увеличиваются прямо пропорционально длине линии. Это накладывает критическое ограничение на расстояние передачи ПП: за пределами примерно 500 км для воздушных линий потери реактивной мощности становятся чрезмерно высокими, дестабилизируя систему.Передача ВПП, в отличие от этого, не имеет таких ограничений по длине, что делает ее подходящей для сверхдлинной передачи электроэнергии.

5) Снижение требований к классификации кабелей

Кабели классифицируются по максимально допустимому напряжению и току. В системах ПП пиковые значения напряжения и тока примерно в 1,4 раза выше их средних значений (которые соответствуют фактической передаваемой мощности). Однако проводники должны быть рассчитаны на эти пиковые значения.В системах постоянного тока пиковые и средние значения одинаковы. Это означает, что ВПП может передавать ту же мощность, используя кабели с более низкими значениями напряжения и тока по сравнению с ПП. На самом деле, системы ПП эффективно теряют около 30% емкости проводника из-за их более высоких пиковых требований.

6) Узкая зона прохода

"Зона прохода" относится к земельному коридору, необходимому для инфраструктуры передачи. Системы ВПП требуют более узкой зоны прохода, поскольку они используют меньшие опоры и меньше проводников.ПП, в отличие от этого, требует более высоких опор для поддержки большего числа проводников и больших изоляторов (рассчитанных на пиковые напряжения ПП), что требует более прочной конструктивной поддержки. Этот более широкий след увеличивает затраты на материалы, строительство и землю, что делает ВПП более эффективным в плане использования зоны прохода.

7) Преимущества кабельной передачи

Подземные и подводные кабели состоят из нескольких проводников, разделенных изоляцией, что создает паразитную емкость между ними. Эти кабели не могут передавать энергию, пока полностью не зарядятся, и емкость (и, следовательно, зарядный ток) увеличивается с длиной.Системы ПП многократно заряжают и разряжают кабели (50-60 раз в секунду), усиливая потери I²R и ограничивая длину кабеля. Кабели ВПП, однако, заряжаются только один раз (во время первоначального включения или переключения), что исключает такие потери и ограничения по длине.Это делает ВПП предпочтительным выбором для офшорной, подводной и подземной кабельной передачи.

8) Биполярная передача

ВПП поддерживает различные режимы передачи, среди которых биполярная передача является широко используемым и экономически эффективным вариантом. Она включает два параллельных проводника с противоположными полярностями, их напряжения сбалансированы относительно земли.Если одна линия выходит из строя или обрывается, система бесшовно переключается в монополярный режим: оставшаяся линия продолжает подавать ток, используя землю в качестве обратного пути.

9) Управляемый поток мощности

Преобразователи ВПП, основанные на твердотельной электронике, обеспечивают точное управление потоком мощности в сетях ПП. Их быстрая коммутация (работающая несколько раз за цикл) улучшает гармонические характеристики, гасит колебания мощности и оптимизирует мощность сети.

10) Быстрое устранение аварий

Автоматические токи — аномальные токи, возникающие при электрических авариях, представляют значительные риски. В системах ПП высокие аварийные токи могут повредить линии передачи, станции, генераторы и нагрузки.ВПП минимизирует такие риски: аварийные токи ниже, ограничивая повреждения конкретных участков, и его быстрая коммутация обеспечивает быстрый ответ на аварию, повышая устойчивость системы.

11) Асинхронное соединение сетей

ВПП позволяет соединять асинхронные сети ПП с различными параметрами (например, частотой, фазой).Регионы часто используют различные частоты (например, 50 Гц в Европе и 60 Гц в США), и сети могут иметь фазовые различия, что делает прямое соединение ПП невозможным. ВПП, работающий без ограничений по частоте или фазе, легко соединяет эти независимые системы.

12) Обеспечение работы умных сетей

Умные сети интегрируют малые генераторы (солнечные, ветровые, атомные) в единую сеть с интеллектуальным управлением потоком мощности.Это возможно с помощью ВПП, который поддерживает асинхронное соединение генерирующих единиц и обеспечивает полный контроль над распределением мощности, соответствующий требованиям умных сетей.

13) Снижение шумовых помех

ВПП вызывает гораздо меньше шумовых помех на соседних линиях связи по сравнению с ПП.ПП генерирует слышимый гул, радио- и телевизионные помехи, интенсивность которых связана с его частотой. ВПП, имеющий нулевую частоту, производит минимальный шум. Кроме того, шум ПП увеличивается в плохую погоду, в то время как шум ВПП уменьшается, обеспечивая более стабильную работу.