Высоковольтные кабельные линии передачи электроэнергии на постоянном токе получают все большее распространение по всему миру. И хотя в России они пока не вышли за пределы экспериментальных проектов, тем не менее именно сейчас такие системы актуальны для нашей страны, как никогда. Причины — необходимость развития производства, продолжающийся процесс урбанизации, а также развитие экспорта электричества в Китай, где постоянный ток уже давно используется в энергетике. Но ситуация складывается так, что кабели для энергетики нового поколения нам придется производить самим. Готова ли к этому отечественная промышленность?
Первые электрические сети, появившиеся еще в XIX веке, работали на постоянном токе. Переход на переменный ток был связан с необходимостью передачи энергии на большие расстояния, т. к. для снижения потерь в линии из-за наличия у реальных проводов сопротивления нужно было на стороне генератора повышать напряжение, а у потребителя — понижать его. Вплоть до середины XX века единственным надежно работающим устройством для такого преобразования был трансформатор, что и обусловило переход на переменный ток. Но у переменного тока есть и свои недостатки. В воздушных линиях происходят значительные потери при передаче энергии за счет электромагнитного излучения проводов. Если говорить о кабельных линиях, то там потери на переменном токе в основном происходят за счет наличия емкости между проводами, а также диэлектрической проницаемости изоляции. В среднем переход от переменного тока к постоянному позволяет сократить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния в 2 раза.
Появление силовой электроники, а именно тиристоров, а затем и мощных транзисторов (IGBT на основе кремния и МОП на основе карбида кремния), позволило на новом техническом уровне вернуться к идее передачи энергии на постоянном токе. У энергетиков появились средства для эффективного преобразования переменного тока в постоянный и обратно, а также для повышения/ понижения напряжения для постоянного тока. В результате появились системы, получившие общее название HVDC. Данная аббревиатура расшифровывается как Hight Voltage Direct Current, что переводится с английского как «высоковольтная на постоянном токе». Также можно встретить термин UHVDC, т. е. Ultra HVDC. Перевод на русский — «ультравысоковольтная на постоянном токе». Граница между просто высоковольтной и ультравысоковольтной линиями пока никак не закреплена стандартами, но наиболее распространена практика отнесения к ультравысоковольтным линий с напряжением 500 кВ и выше.
Российские предприятия электронной промышленности выпускают широкий ассортимент тиристоров и IGBTтранзисторов, есть проекты по освоению выпуска МОП транзисторов на карбиде кремния. Таким образом, есть возможность организовать выпуск оконечного оборудования HVDC на отечественной элементной базе.
Варианты систем HVDC
В HVDC-линиях провода подключаются к клеммам подстанции иначе, чем при передаче энергии трехфазным переменным током. На момент написания статьи использовались три основные системы передачи:
Монополярная. Передача энергии идет по одному проводу положительной полярности. Обратный провод отрицательной полярности организуется за счет высокой проводимости земли или морской воды. Получила наибольшее распространение для кабелей, прокладываемых по дну моря из-за того, что морская вода обладает очень высокой проводимостью.
Монополярная с металлическим обратным проводом. Отличается от просто монополярной тем, что обратный провод выполнен в виде изолированного кабеля, заземленного на одной из сторон линии. Используется только на подводных линиях. Впервые такая система была применена компанией ABB в 2000 году на линии SwePol Link, соединившей Швецию и Польшу. Использование металлического обратного провода позволяет снизить потери, а также снизить требования к параметрам заземления. При напряжении в прямом проводе 400 кВ, напряжение в обратном проводе не превышает 5 кВ. Это позволяет использовать в качестве обратного провода недорогие типы кабелей.
Биполярная. Для передачи используются два провода, напряжение на которых относительно земли равно по абсолютной величине, но имеет разную полярность. Такая система обеспечивает наилучшую энергоэффективность и поэтому получила широкое распространение. Подстанции на обоих концах линии заземлены. В случае обрыва одного из проводов возможна передача энергии по другому проводу и земле. При этом максимальная мощность, передаваемая по линии, падает примерно в два раза, но этого обычно достаточно для питания в аварийном режиме наиболее важного оборудования у потребителя. Высокая надежность — еще одно преимущество данной системы. Рабочее напряжение для биполярной системы, как правило, указывается следующим образом: символ «±», далее идет абсолютное значение напряжения относительно земли. Гораздо реже употребляется указание напряжения между проводами в качестве рабочего. Напряжение между полюсами в биполярной системе в 2 раза больше, чем абсолютное значение напряжения между проводом и землей.
Изоляция из сшитого полиэтилена
Один и тот же кабель, как правило, на постоянном токе имеет более высокое напряжение пробоя, чем на переменном. Например, если мы возьмем кабель с ПВХ на 230 В переменного тока, то он выдержит 400 В постоянного тока (данное значение приведено в качестве примера, уточняйте параметры на постоянном токе у поставщика кабеля!). Казалось бы, вот еще одно преимущество постоянного тока — более дешевый кабель. Но на самом деле не все так просто.
Из-за высокой стоимости оконечного оборудования технология HVDC сейчас применяется в основном на напряжениях от ±300 кВ при биполярной системе и от 400 кВ при монополярной. Речь идет о мощных линиях, выравнивающих энергобаланс в масштабе целых регионов. Для построения линий более низкого класса HVDC использовать пока экономически не выгодно.
Кабели с бумажной изоляцией, которые на переменном токе применяют до 35 кВ включительно, мы пока отставим в сторонку. Остаются кабели с масляным наполнением и кабели из сшитого полиэтилена. Первые морально устарели, в России уже давно не производятся и возрождать технологию их выпуска не имеет смысла. А вот вторые, на первый взгляд, являются более перспективными. Кабели с изоляцией из СПЭ в России уже выпускают, правда, сам материал по большей части импортный. Мало того, значительная часть ассортимента изделий, имеющих изоляцию из сшитого полиэтилена (СПЭ), представляет собой одножильные кабели. А в биполярных кабельных HDVC обычно применяются раздельные одножильные кабели для положительной и отрицательной полярности.
Остается только протестировать имеющиеся кабели на предельное напряжение при постоянном токе… Но как тестировать? Кабели с такой изоляцией на постоянном токе запрещено тестировать из-за эффекта накопления зарядов в СПЭ, которые потом приводят к его постепенному разрушению. В то же время в мире уже накоплен успешный опыт использования кабелей с изоляцией из СПЭ для HVDC-систем. Нет ли здесь противоречия?
Дело в том, что для HVDC-кабелей применяют особые сорта СПЭ, характеризующиеся низким уровнем накопления зарядов. Эти сорта стоят дороже обычных, поэтому их применяют только для кабелей, по которым передается постоянный ток. Можно отметить, в частности, технологию производства СПЭ Borlink компании Borouge (Германия), а также фирменный сорт СПЭ, используемый в продукции Prysmian Group (Италия). Выпускаются сорта данного пластика, устойчивые к накоплению зарядов, и в Китае.
Для изоляции кабелей на постоянном токе пригодны только специально предназначенные для такого применения сорта сшитого полиэтилена. Если вы будете использовать для HVDC кабель с такого рода изоляцией, изначально разработанной для переменного тока, то он может быстро выйти из строя.
В качестве альтернативы СПЭ компания Prysmian Group предлагает свой фирменный материал для изоляции HPTE (торговая марка P-Laser), сделанный на основе полипропилена. Он предназначен для линий с рабочим напряжением до ±600 кВ.
Проверенная временем технология
Вернемся к кабелям с изоляцией из бумаги. На переменном токе слои бумаги и пропитки образуют конденсаторы. При этом возникновение многочисленных электрических разрядов в слое пропитки ограничивает рабочее напряжение кабеля величиной 35 кВ. Но, если через кабель проходит постоянный ток, данный эффект не наблюдается. Поэтому та же Prysmian Group производит кабели с бумажной изоляцией для HVDC, которые рассчитаны на рабочее напряжение до ±525 кВ. А если бумага ламинирована полипропиленом, то верхний предел составляет ±800 кВ. Для сравнения, выпускаемые Prysmian Group кабели с изоляцией из фирменного сорта СПЭ рассчитаны на рабочее напряжение только до ±600 кВ. Таким образом, переход на постоянный ток дает новый шанс бумажной изоляции, которую еще недавно считали безнадежно устаревшей. Причем в России кабели с такой изоляцией (правда, их параметры нормируются только для переменного тока) до сих пор производятся в больших количествах, на основе полностью отечественной технологии.
Подводные кабели
Еще одно преимущество HVDC, помимо низких потерь, — удобство использования для создания подводных линий электропередачи. В морских глубинах применяется монополярная система передачи, благодаря чему кабель имеет только одну токопроводящую жилу против трех при переменном токе. При той же пропускной способности кабель получается более легким, что упрощает процесс его укладки.
Создание подводных линий электропередачи длиной порядка десятков — сотен километров является сложной задачей. Недостаточно только лишь произвести кабель, пригодный для работы под водой, нужно обеспечить его укладку. Проблемой является даже обеспечение транспортировки бухты кабеля гигантских размеров и ее погрузка на судно. Поэтому ведущие мировые производители подводных кабелей, такие как Prysmian Group и Nexans, имеют собственный флот кабелеукладчиков. Если вы обращаетесь к китайскому производителю подводного силового кабеля, то вам также от него приходит на объект судно-кабелеукладчик с уже уложенной на нем бухтой кабеля.
В России, на момент написания статьи, подводные силовые кабели выпускались в основном для подачи питания к объектам газо- и нефтедобычи, т. е. на относительно небольшие расстояния. Собственного флота для укладки на дно моря силовых кабелей у наших производителей также пока нет. Все это неизбежно придется создавать. И здесь, по мнению автора статьи, можно было бы облегчить решение задачи, изначально ориентируясь только на технологию HVDC как более прогрессивную. Меньшая удельная масса кабеля позволит использовать более простые и дешевые суда-кабелеукладчики.
Выводы
Для освоения российскими предприятиями производства кабелей для HVDC имеется технологический задел, но потребуется внесение изменений в технологические процессы. Здесь можно будет идти двумя путями. Первый — кооперироваться с китайскими партнерами. Поначалу можно производить кабели из импортного СПЭ с пониженным уровнем накопления зарядов, а потом уже приобрести (или разработать самим) технологию производства такого пластика. Второй — использование собственного богатого опыта по выпуску бумажной изоляции для создания полностью отечественных HVDC-кабелей, не зависящих от зарубежных материалов и технологий. Возможно, обе технологии даже будут сосуществовать, каждая занимая свою нишу. Главное — понимать, что переход на постоянный ток — важный этап в развитии энергетики, и нам нельзя отставать от этой тенденции.
Текст: Алексей ВАСИЛЬЕВ,
Источник: Электротехнический рынок, № 1(109), 2023
