В мире, казалось бы, победившего переменного тока назревает — нет, не революция, но органичная эволюция: постоянный ток не просто возвращается, а претендует на лавры победителя. Инвестиции в возобновляемые источники энергии и трансграничная передача электричества сделали высоковольтные сети постоянного тока как никогда актуальными. В этом посте мы рассказываем, почему постоянный ток уступил току переменному и как спустя век после «Войны токов» постоянный ток взял реванш.
Постоянный ток — это основа современного технологического общества: вся полупроводниковая электроника, работающая от сети или аккумуляторов, использует постоянный ток, с его помощью добывают чистый алюминий, магний, медь и другие вещества. В бортовой сети автомобиля тоже постоянный ток, как и в электрической передаче дизельных судов. Ну и конечно электропоезда: трамваи, метро и некоторые электровозы питаются постоянным током. И космос: все рукотворные космические объекты функционируют исключительно благодаря постоянному току от батарей или РИТЭГов.
Помимо всего этого, есть еще одна область, где постоянный ток если не незаменим, то по крайней мере значительно эффективнее переменнее тока, — высоковольтные линии для передачи высокой мощности. Линии постоянного тока (HVDC, High-voltage direct current) еще век назад стали спасением высоковольтных линий переменного тока (HVAC, High-voltage alternating current). Если бы не постоянный ток, электричество в наших розетках было бы куда дороже и исчезало чаще, чем это происходит сейчас. Давайте разберемся в этой интересной истории «взаимовыручки».
Ирония судьбы постоянного тока
Чтобы оценить всю иронию ситуации с возвращением постоянного тока в высоковольтные линии электропередач, нужно вспомнить о событиях «Войны токов» — сражения апологетов постоянного тока в лице изобретателя и бизнесмена Томаса Эдисона и тока переменного, преимущества которого осознавал предприниматель Джордж Вестингауз. Вкратце напомним о том, как постоянный ток проиграл битву за то, чтобы стать основой мирового энергоснабжения.
После того, как человечество подчинило себе электричество и научилось извлекать из него пользу в промышленности, дальновидные бизнесмены смекнули, что на электрификации городов в перспективе можно сколотить не просто капитал, а фантастическое состояние. Изобретатель Томас Эдисон отлично умел монетизировать свой талант инноватора и зарабатывал не столько на собственных изобретениях, сколько на усовершенствовании чужих идей. Одним из примеров такой успешной «доводки» стало создание лампы накаливания, которая появилась благодаря попавшем в руки Эдисона дуговым лампам с угольными электродами. Такие лампы хоть и давали свет, но в качестве постоянных источников освещения не годились — в те времена угольные дуговые лампы работали от силы несколько часов, а включить их можно было только один раз.
Усовершенствовав конструкцию и создав свою знаменитую лампу накаливания, которая могла работать 40 часов, а после доработки 1200 часов, Эдисон осознал, что его лампочка может стать основой систем освещения городов и помещений — давая более яркий свет по сравнению со свечами и газовыми фонарями, лампы накаливания имели меньшую стоимость, не чадили, не жгли кислород в помещениях, а замены требовали реже, чем те же свечи. Производством ламп занялось предприятие Edison Electric Light, а генераторов постоянного тока — Edison General Electric. Продавая лампы ниже себестоимости, Эдисон завоевал рынок освещения, а для первых потребителей начал строить энергосети в Лондоне и Нью-Йорке.
Лампа накаливания может работать и с переменным, и с постоянным током, но Эдисон сделал выбор в пользу постоянного тока. Причина этого решения очень тривиальна и далека от физики. Как мы говорили, Эдисон был не только изобретателем, но и очень предприимчивым бизнесменом. В электричестве он видел не только способ дешевого освещения городов, но и возможность для модернизации промышленности за счет внедрения электрической тяги. Существовавшие в то время электромоторы работали только на постоянном токе.
К тому же для заработка на поставках электричества надо было как-то измерять потребление каждого абонента. Эдисон создал индивидуальный счетчик, представлявший собой резервуар с электролитом и пластиной, на которой под действием проходящего тока оседала медь — каждый месяц пластину взвешивали и по разнице массы вычисляли потребление электроэнергии. Такой счетчик работал только с постоянным током.
Но были у постоянного тока и нерешенные проблемы, главная из которых — невозможность передачи высокой мощности на большие (более 2 км) расстояния. Чтобы передать высокую мощность, которая необходима для электроснабжения предприятия или системы освещения города, в электросети нужно повысить либо ток, либо напряжение (мощность, напомним, равна произведению напряжения и силы тока). Но в конце XIX века не было способов менять напряжение постоянного тока. Выпускаемые в США электроприборы работали от напряжения 110 В, поэтому электростанции Эдисона, работавшие на паровых генераторах, должны были посылать в сеть именно 110 В.
Оставалось управлять силой тока. При повышении тока часть энергии уходит на нагрев проводов (с высоким напряжением такой проблемы нет). Для снижения потерь и нагрева нужно уменьшать сопротивление, увеличивая диаметр проводника или применяя материалы с хорошей электропроводностью, например, медь. И всё равно потери будут расти в зависимости от длины кабеля.
Чтобы сократить длину проводника до допустимой, потребители должны были располагаться не далее, чем в 1,5-2 км от электростанции, иначе мощность в сети падала до неприемлемых значений. Например, на 56-километровой линии между французскими городами Крей и Париж потери достигали 45%. Как Эдисон ни бился с проблемой потерь в сетях постоянного тока, решить ему ее так и не удалось. Единственным выходом было только строительство маломощных электростанций рядом с потребителями. Тогда это не казалось надругательством над экологией и жителями — именно такие станции и строила компания Эдисона. Первая из них была построена на Пёрл-стрит на Манхэттене в Нью-Йорке в 1882 году, в том же году началась прокладка подземных кабелей сети постоянного тока с напряжением 110 В.
Ошибочность своего выбора Томас Эдисон осознал, хотя и не признал публично, когда его конкурент по электрическому бизнесу — Джордж Вестингауз, — начал вкладываться в строительство электростанций и сетей переменного тока, имевших серьезные преимущества перед сетями тока постоянного. Благодаря уже изобретенным к тому моменту трансформаторам напряжение переменного тока можно было без труда повышать и понижать. Трансформаторы решали проблему передачи высокой мощности, ведь вместо силы тока можно было просто увеличить напряжение, для передачи которого не требовались толстые провода из дорогой меди.
Таким образом сети Вестингауза могли передавать очень высокую мощность по дешевым кабелям меньшего диаметра и при этом практически без потерь. Это доказывает пример 175-километровой сети переменного тока между немецким городом Лауффен-ам-Неккар и Франкфуртом — ее КПД составил 80,9% после запуска в 1891 году и 96% после модернизации — несравнимо выше 45% на втрое меньшей дистанции у сети постоянного тока.
У сетей переменного тока не было жесткого ограничения на длину. Благодаря этому стало возможным строительство гидроэлектростанций, электричество с которых могло передаваться в крупные города, расположенные за десятки и даже сотни километров от места выработки. А гидроэлектростанция — это куда более значимый и прибыльный проект, чем маломощная угольная станция внутри города.
«Война токов» продолжилась некрасивой пиар-кампанией Эдисона против переменного тока (показана, в частности в художественном фильме 2017 года «Война токов», или The Current War, режиссёра А. Гомес-Рехона), судебной и законотворческой волокитой против Вестингауза и постепенной потерей позиций бизнеса Эдисона под давлением всё более популярных сетей переменного тока. Последняя эдисоновская электростанция постоянного тока прекратила свою работу в 1981 году, что же до потребителей, в Сан-Франциско до сих пор сотни объектов (в основном старинные лифты) используют постоянный ток через выпрямители переменного тока. Но для нас это уже не так важно.
Постоянный ток спасает переменный
Всего через несколько лет после начала масштабного строительства электростанций и сетей переменного тока выяснилось, что переменный ток имеет проблемы при передаче энергии… на большие расстояния! Коронный разряд в высоковольтных воздушных линиях, на который может приходиться до половины потерь, поверхностный эффект, при котором переменный ток протекает по проводнику неравномерно и из-за этого требует проводники бо́льшего диаметра, реактивная мощность из-за высокого емкостного сопротивление подводных кабелей, «съедавшая» почти 100% переменного тока уже через 50 км — всё это вызывало потери процентов и десятков процентов мощности в первых магистральных сетях переменного тока.
Утечки на больших расстояниях — это во-первых. А во-вторых, объединение энергосетей переменного тока требовало идеальной синхронизации генераторов, расположенных в разных частях страны. При отсутствии синхронизации генератор в лучшем случае не будет подавать ток в сеть, в худшем — произойдет короткое замыкание.
Спасением высоковольтных сетей переменного тока стали высоковольтные сети постоянного тока, избавленные от некоторых недостатков конкурента. Постоянный ток не создает поверхностный эффект в проводнике и потому использует всю площадь сечения проводника с максимальной эффективностью (это уменьшает диаметр и стоимость проводов). В цепях постоянного тока нет реактивной мощности, поэтому в подводных кабелях с высокой емкостью потерь не происходит.
Вырисовывалась замечательная синергия: электростанции и потребители используют переменный ток, но для его транспортировки на сотни километров применяются сети постоянного тока. Оставалась лишь одна «пустяковая» проблема — как превратить переменный ток в постоянный и обратно?
В конце XIX века швейцарский инженер Рене Тюри предложил использовать для соединения сетей с разным типом тока систему «мотор-генератор», в которой на одном конце сети переменный ток вращал мотор, приводящий в действие генератор постоянного тока, а на другом конце постоянный ток в свою очередь вращал мотор с генератором переменного тока. Идея, гениальная в своей простоте, но с невысоким КПД — двойное преобразование за счет моторов и генераторов «съедало» часть мощности. Тем не менее, других решений, кроме системы Тюри, не было, поэтому с 1883 года началось строительство магистральных сетей постоянного тока с машинами Тюри, связывающих крупные электростанции и города в Европе.
В 1902 году американец Питер Купер-Хьюитт изобрел ртутно-дуговой выпрямитель — несложное устройство для превращения переменного тока в постоянный. Оригинальный выпрямитель Купера-Хьюитта представлял собой замысловатую стеклянную колбу с выходящими из нее электродами, дно которой было заполнено ртутью. В работе выпрямитель выглядит очень эффектно. Впрочем, из-за хрупкости колбы стекло в выпрямителе вскоре заменили на металл.
Работа ртутно-дуговых выпрямителей завораживает. Увы, но сейчас полюбоваться такой красотой можно разве что в музеях — ртутные выпрямители давно не используются, да и те, что остались, сделаны из металла.
Ртутные выпрямители дали толчок к развитию высоковольтных сетей постоянного тока — вместо громоздких и ненадежных машин системы Тюри достаточно было установить выпрямители, в числе недостатков которых была только потенциальная токсичность при разгерметизации и необходимость в хорошем охлаждении из-за тепловых потерь. КПД устройства достигал 98-99%.
На смену ртутным выпрямителям были созданы газотроны и тиратроны (1940-е), полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET и полярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (1959 год), запираемые тиристоры GTO (1962 год) — более совершенные, компактные и надежные преобразователи.
Когда каждый процент на счету
Несмотря на заметный прогресс в области выпрямления тока, оборудование для преобразования переменного тока в постоянный и обратно до сих пор стоит очень больших денег. Настолько больших, что строительство сетей переменного тока, даже с учетом повышенного расхода материала для проводов, выходит сильно дешевле. Вне зависимости от длины линии, стартовая цена высоковольтной магистрали постоянного тока обязательно включает стоимость двух преобразователей в начале и конце линии — габаритных и очень дорогих устройств, производимых всего несколькими компаниями в мире, в числе которых и Toshiba. На это оборудование приходится до половины стоимости сети.
Но по мере увеличения длины магистрали стоимость линии на переменном токе растет быстрее, чем на токе постоянном. Виной тому сложность магистрали HVAC — для передачи аналогичной мощности HVDC нужно вдвое меньше проводников меньшего диаметра, а значит, вдвое меньше опор, которые и сами стоят немало, и требуют крайне дорогостоящего монтажа. При длине линии около 600 км стоимость HVDC и HVAC равна, но на больших расстояниях, порядка 2000 км, HVDC выходит сильно дешевле, чем HVAC, примерно на 30-40%, а это сотни миллионов долларов экономии.
На каждые 1000 км линии потери в HVDC составляют 2-3%, а самое современное оборудование позволяет снизить этот параметр до 1%. Потери в HVAC могут достигать 6%. Даже в самых эффективных сетях переменного тока с самым лучшим оборудованием потери будут на 30-40% больше, чем в HVDC Несколько процентов от полной мощности — вроде бы терпимая ерунда? Когда речь идет о сетях, передающих несколько гигаватт, каждый процент превращается в десятки потраченных впустую мегаватт, которые можно было бы использовать для электроснабжения маленького города. Не говоря уже о потерянной прибыли.
Прошлое, настоящее и будущее HVDC
HVDC является оптимальным решением для связи сетей стран, разделенных морем. Так ветка между итальянским городом Чепагатти и муниципалитетом Котор в Черногории, которая экспортирует электроэнергию в Италию, пролегает по дну Адриатического моря — используй эта 400-километровая ветка переменный ток, емкостные потери в кабеле были бы слишком большими, и это бы удорожало стоимость электроэнергии для Италии. Кстати, в строительстве этой линии участвовала Toshiba: мы поставили преобразователи напряжения.
Но всё же больше всего Toshiba поучаствовала в строительстве HVDC-сетей в Японии, где исторически сложилась очень необычная ситуация: западная часть страны эксплуатирует ток с частотой 60 Гц, а восточная — 50 Гц. Эта коллизия, которую уже невозможно устранить, возникла еще в конце XIX века, когда Япония одновременно закупила генераторы в Европе и США с выходной частотой тока 50 Гц и 60 Гц соответственно. Результатом поспешного решения далекого прошлого стала вынужденная необходимость строить HVDC-ветки для соединения энергосистем разных частей страны.
HVDC-сети и вставки постоянного тока в Японии помогала строить Toshiba. Первой стала вставка для соединения внутри страны сетей на 50 Гц и 60 Гц, построенная в 1977 году при участии Toshiba. Ее мощность на момент постройки составила 600 МВт. К 2021 году Toshiba провела глубокую модернизацию вставки, увеличив ее мощность на 900 МВт и уменьшив число используемых тиристоров, что позволило немного сэкономить на оборудовании.
Первая высоковольтная линия постоянного тока, длиною 193 км, связала острова Хоккайдо и Хонсю в 1979 году. Сеть передает 300 МВт с напряжением 250 кВ. В 2000 году мы поставили тиристорные конверторы для мощнейшей подводной HVDC-линии между островами Сикоку и Хонсю — ветка передает 1400 МВт. На момент строительства линии в ней использовались самые крупные в мире тиристоры, которые в следующий раз применялись только 10 лет спустя при постройке китайской HVDC Lingbao 2.
Третья японская HVDC, построенная между островами Хоккайдо и Хонсю, была запущена совсем недавно — в 2019 году. Toshiba выступила главным поставщиком преобразователей на полярных транзисторах с изолированными затворами (IGBT).
На сегодняшний день в мире построено более 150 сетей HVDC и 50 вставок постоянного тока. Среди них есть как объекты, построенные в 1970-х годах прошлого века, так и совсем новые. Около 10 HVDC в Европе находятся в стадии строительства прямо сейчас с планируемым сроком запуска 2021-2025 годы. Строящиеся линии соединяют некоторые европейские страны с Великобританией (для выравнивания нагрузки на европейскую энергосеть), тянуть до которой подводный HVAC бессмысленно.
Однако интерес к HVDC-сетям в последние годы растет, и причина тому — «зеленая» энергетика. В отличие от угольных, газовых и атомных электростанций, возобновляемые источники энергии имеют очень четкую географию: в одних областях больше солнечных дней, в других чаще и стабильней дует ветер.
В Германии около 63 ГВт установленной мощности приходится на ветряные электростанции, 7,8 ГВт из которых — оффшорные станции, расположенные в Северном море в десятках километров от берега. Если нужно передать гигаватты мощности от «ветряков» по кабелям, лежащим под водой, лучшим выбором будет, как вы помните, сеть постоянного тока.
В Австралии компания Sun Cable готовится приступить к постройке гигантской фотовольтаической (солнечной) электростанции, мощностью 14 ГВт. Причем электроэнергию с нее будут потреблять не в Австралии, а в Сингапуре, куда она будет поступать по подводной HVDC-сети.
Чем больше в мире будет появляться масштабных проектов, связанных с возобновляемыми источниками энергии, тем сильнее будут востребованы высоковольтные линии постоянного тока. Не стоит фантазировать о том, что однажды мечты Эдисона осуществятся и в наших розетках переменное напряжение сменится постоянным, — этого не будет, пожалуй, никогда. Тем лучше, что переменный и постоянный токи пришли к органичному сосуществованию и взаимовыручке в деле электроснабжения планеты.
Комментарии (114)
Gengenid
23.12.2021 14:57+1реактивная мощность из-за высокого емкостного сопротивление подводных кабелей, «съедавшая» почти 100% переменного тока уже через 50 км — всё это вызывало потери процентов и десятков процентов мощности в первых магистральных сетях переменного тока.
Тошиба, вы что пытались этой фразой написать?
Gordon01
23.12.2021 16:49+2Да вроде все понятно.
У подводных кабелей гораздо большая емкость, чем у ЛЭП. 50 км для переменки в кабеле — уже финиш. У ЛЭП потери меньше, но достигают "процентов и десятков процентов мощности в первых магистральных сетях переменного тока. "
Gengenid
23.12.2021 17:04А как связаны емкость и потери?
Gordon01
23.12.2021 17:12+3А для этого надо физику знать.
Гуглите "как работает конденсатор в цепи переменного тока" и "емкостное сопротивление".
Gengenid
23.12.2021 17:29+7Мне не надо гуглить, электроэнергетика это моя специальность и работа.
Погонная емкость кабеля тех времен будет, скорее всего примерно 0.1 мкФ/км. 100 км кабеля будут, на частоте 50 Гц иметь сопротивление 320 Ом. Емкостной ток примерно 30 А на напряжении 10 кВ.
При этом кабель генерирует зарядную мощность, компенсирующую реактивную мощность потребителей.
Gordon01
23.12.2021 18:17-1Мне не надо гуглить, электроэнергетика это моя специальность и работа.
Грустно за электроэнергетику.
При этом кабель генерирует зарядную мощность, компенсирующую реактивную мощность потребителей.
Ага, из воздуха генерирует бесплатно, а линия в этот момент превращается в сверхпроводник и не имеет потерь.
компенсирующую реактивную мощность потребителей.
А кто компенсирует реактивную мощность, создаваемую линией, электростанции?))))
Но еще глупее вы выглядите от того, что спорите с многолетним опытом сотен людей, которые в реальности прокладывают подводные кабели. Сами-то много подводных высоковольтных кабелей проложили?
Gengenid
23.12.2021 20:37+7Отвечаю не вам, есть же люди, которым будет интересно узнать, почему на самом деле кабели не применяют на длинных расстояниях на переменном токе:
У кабелей выше удельные потери чем у ВЛ из-за нагрева диэлектрика переменным током.
Из-за большой зарядной мощности, на кабелях могут возникать перенапряжения на холостом ходу, когда на приемном конце, напряжение становится выше, чем в начале. А кабели очень не любят перенапряжения.
А еще кабельные линии высокого напряжения очень-очень дорогие.
Radisto
24.12.2021 09:27Тут надо бы еще определить, насколько поляризуется вода, примыкающая к кабелю. Угол диэлектрических потерь в ней всё же значительно выше, чем в изоляции кабеля или воздухе или грунте, окружающем линию на поверхности.
Уточняющий ваш комментарий позже прочитал. Исчерпывающе. Спасибо
Gengenid
24.12.2021 09:39Кстати, на постоянном токе тоже есть свои нюансы. К примеру, на обычный кабель 110 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена нельзя подавать постоянное напряжение
Bedal
24.12.2021 10:18у подводных кабелей вокруг вода, проводник. Продолжать?
Gengenid
24.12.2021 10:22Ну попробуйте.
Bedal
24.12.2021 10:49+1Вы точно в электроэнергетике работаете?
Во-первых, наличие воды требует бронирования — и появления потерь от токов в нём.
Во-вторых, морская вода — неплохой проводник, не чета земле. В ней тоже переменным магнитным полем генерируются токи и, значит, потери.Gengenid
24.12.2021 11:03+1Точно, точно!
Поэтому я знаю, что у высоковольтных кабелей и так всегда есть проводящие оболочки поверх изоляции. И, кстати, в нормальном режиме по ним ток не идет, т.к. в трехжильных кабелях из-за симметричности токов суммарное магнитное поле равно нулю, а в одножильных экран заземляется только с одной стороны и проводящий контур не создается.
Офигеть, уже второй айтишник в теме, который упрекает меня в незнании моей профессии.
Bedal
24.12.2021 12:05+2и так всегда есть проводящие оболочки поверх изоляции
И в наличии «потери в броне», вполне заметные, считаемые и учитываемые.
Кроме того, это в подземных обходятся немагнитной бронёй, в морских так легко не отделаешься, всякие там моллюски прогрызают свинец или даже латунь довольно быстро.экран заземляется только с одной стороны
воде на это плевать.Офигеть, уже второй айтишник в теме, который упрекает меня в незнании моей профессии.
А я уже перестал удивляться тому, что человек в теме, но не очень, считает, что только он может знать. И, когда попадается «айтишник», уже больше 20 лет занимающийся динамическими моделями энергосистем, использующимися по всей России и в части США — попадает впросак.Gengenid
24.12.2021 12:31Я тоже уже перестал удивляться, что люди, поверхносто знакомые с вопросом, без всякого стеснения спорят со специалистами.
Вы же только что таким же безапелляционным тоном рассуждали про необходимость переменного напряжения для современной электронной техники. Как же вас 20 лет динамических расчетов энергосистем не заставили поинтересоваться, что внутри вашего компьютера?
Bedal
24.12.2021 13:26Да, «только я могу знать» даёт ожидаемое продолжение в виде передёргивания. Я нигде не говорил о необходимости переменного тока для современной электронной техники. Я говорил, что на бытовом уровне присутствуют потребители на разные напряжения. Что лишает смысла использование именно постоянного тока в бытовой разводке.
Следующим этапом, очевидно, будут тридцать пять тысяч одних курьеров — но это уже без меня. Скучно, и потому будет проигнорировано.
Gengenid
24.12.2021 13:32Я нигде не говорил о необходимости переменного тока для современной электронной техники.
Да вы хоть комп или телевизор откройте — там и 220, и 12, и 5 есть. При переменном токе это очевидно просто решается, при постоянном…
Bedal
24.12.2021 13:40Да-да, как и ожидалось, стоит только пропустить следующий же коммент
Да пофиг, зачем чёрный ящик разбирать? Есть потребители на разные напряжения, и из принципа переводить на DC ничего не даст — преобразовывать нужно будет всё равно. Если бы все потребители были на одном напряжении — тогда да, тогда от DC прямая выгода, а так… зачем?
И можно будет проигнорировать, что в цитируемом подразумевается слово «уже». Уже решается, и менять имеет смысл только при явном существенном выигрыше. Которого нет.
Хватит, Вы мне надоели.
Gordon01
24.12.2021 13:51А я уже перестал удивляться тому, что человек в теме, но не очень, считает, что только он может знать.
+++
Я, к примеру, занимаюсь проектированием автоматики, которая все эти энергосистемы защищает. Вообще, конечно, ситуции довольно страшные бывают. Сертификаторы систем, напрямую влияющих на безопасность, которые не понимают как работает гальваническая развязка и другие приколы. Уже ничему не удивляюсь.
А тут "электроэнергетик с опытом", который не понимает как емкость линии создает потери. Ну бывает, чо.
Большинство комментаторов в теме вообще дальше школьной программы про переменный ток и низкочастотые трансформаторы ничего не знают. Это знания 19 века, времен Теслы и Эдисона. Сегодня за пределами распределительных энергосистем эти знания бесполезны.
Для людей импульсные преобразователи постоянного тока все еще являются волшебным черным ящиком, хотя устроены они очень просто и объясняются за пару часов.
Вот такой уровень знаний. Грустно. Хотя, наверное, тут школа и институт виноваты, где так и не смогли объяснить принцип работы катушки индуктивности и конденсатора.
Gengenid
24.12.2021 14:23Вы, как человек видимо получивший хорошее образование, понятие емкости и понятие потерь в диэлектрике вообще никак не различаете?
И, еще, покажите мне, раз уж вы такой умный, где в цитированном мной фрагменте Тошиба писала, что у кабелей емкость большая.
volchenkodmitriy
23.12.2021 15:27+2В СПб есть Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения и основан он был в 1945 г. А то Германия, Япония...
LeToan
23.12.2021 15:35Нечто схожее на фото с тиристорным конвертером видел на Волжской ГЭС в Волгограде, на втором (вниз) этаже, до бассейнов с осетрами. Не работало, похоже, на стадии разборки. По рассказам, наследие линии на Донбасс прикрытой вследствие известных событий.
dendron
23.12.2021 22:41А этот институт ещё жив? А то он уже давно выглядит снаружи довольно грустно, да и наружные установки разобрали на металлолом лет 20 назад...
nerudo
23.12.2021 22:42+2Не «есть», а «был». Юрлицо, наверное, осталось, а вот здание на Курчатова (весьма интересное, в конструктивистском стиле) как раз с пару месяцев назад снесли.
Jury_78
24.12.2021 17:35Сайт существует - http://www.niipt.ru/about/rekviz.php, а здание на Курчатова действительно снесли.
Kostiantyn
23.12.2021 15:27+2Хорошо, на одном конце линии супер крутые транзисторы для преобразования AC->DC.
А обратно? DC->AC? По старинке крутятся мотор+генератор?
lorc
23.12.2021 15:55+3Импульсный инвертор, скорее всего.
Типа того что стоит в дорогих UPS, обеспечивающих "честную" синусоиду. Только, конечно же сильно больше и сложнее.
vesper-bot
23.12.2021 15:57В поисковике находятся устройства для инвертирования до 1кВ, там вполне себе транзисторы (MOSFET?) и генератор частоты, об одном на Хабре написано https://habr.com/ru/post/358172/. А что выше — возможно, секрет фирмы :( может то же самое, только вместо силовых ключей неепические разрядники, а управляющие напряжения сопоставимы с несколькими кВ, и отдельная заморочка заставить ардуину управлять скважностью сигналов подобной амплитуды.
azatfr
23.12.2021 17:58+2Да так же используют тиристоры и IGBT транзисторы
Подробнее: meandr.org/archives/25356
AKudinov
23.12.2021 19:00+5Поскольку речь идёт о чудовисчных напряжениях, тиристоры управляются не током управляющего электрода, а светом, который приходит по оптическому волокну от "управляющей ардуины".
Примерно вот так: http://www.efo-power.ru/pub/power/IGBT/articles/28.pdf
Или вот так: https://303421.selcdn.ru/soel-upload/clouds/1/iblock/764/7646886d6ec77ef0950780c0f0bc3a43/200809030.pdf
newpavlov
23.12.2021 15:48+2Не упомянули интересную особенность HVDC, а именно возможность работы в монополярной схеме, т.е. когда проложен только один провод, а в качестве второго используется земля.
>постоянный ток не просто возвращается, а претендует на лавры победителя
До "победы" линиям постоянного тока далеко, мягко говоря, как пешком до луны. На данный момент, HVDC широко используется на практике только в двух относительно узких нишах: при соединении двух несинхронизованных сетей и при передачи электроэнергии по подводным кабелям. Про использование HVDC для передачи электроэнергии на сверхдлинные расстояния есть только бумажные проекты.
abutorin
23.12.2021 16:18Не упомянули интересную особенность HVDC, а именно возможность работы в
монополярной схеме, т.е. когда проложен только один провод, а в качестве
второго используется земля.Так для переменного тока тоже "один" провод нужен. Все "силовые" линии состоят только из 3-х фаз. А "ноль" берётся из земли.
Gordon01
23.12.2021 16:51Вы перепутали ноль с заземлением.
abutorin
23.12.2021 19:01Нет. Я про ноль который на трансформаторе берётся.
Но никто не мешает вместо ноля использовать хорошее заземление. Это даже позволит обойти счетчик.
Gordon01
23.12.2021 19:04google://схемы звезда и треугольник в трехфазной сети/
abutorin
23.12.2021 19:11Это для трехфазного подключения. А если нужна одна...
Gordon01
23.12.2021 19:44Gordon01 23.12.2021 в 16:51
Генерировать (а тем более — передавать) одну фазу нет никакого смысла.
abutorin
23.12.2021 19:49Перввоначальная ветка началась с довода что для HVDC не нужен ноль, и что можно его брать из земли. Я заметил что для переменного тока тоже никто ноль не прокладывает (в высоковольтной части), а для низковольтовой его тоже берут из земли. Зачем дальше вы пытаетесь мне доказать что ноль не нужен, я не понимаю.
Gordon01
23.12.2021 20:02В первоначальном сообщении предполагается, что все знают, что для передачи переменного тока нужно три провода.
А один провод — лучше, чем три.
Зачем дальше вы пытаетесь мне что-то доказать, я не понимаю.
abutorin
23.12.2021 21:27что для передачи переменного тока нужно три провода
Для передачи переменного тока 3 провода не обязательно. Кто вас заставляет использовать 3 фазы?
Gordon01
23.12.2021 22:05+1Кто вас заставляет использовать 3 фазы?
Физика и вытекающая из нее экономика. Наверное, не просто так в мире все системы электропередачи трехфазные?
abutorin
23.12.2021 22:31Наверное, не просто так в мире все системы электропередачи трехфазные?
Да, трехфазный асинхронный двигатель удобно на таком "электричестве" делать. Он получается компактным, не требует щёток или "сложного" электронного управления. И частоста в ращения у него приемлимая получается.
Gordon01
23.12.2021 22:32-1Gordon01 23.12.2021 в 20:02
Зачем дальше вы пытаетесь мне что-то доказать, я не понимаю.
lorc
24.12.2021 08:21В трехфазной линии, если она сбалансированна, ток через ноль не течет. Поэтому его и не прокладывают. А в однофазной — таки придется делать обязательно.
Что же до одного провода — в статье это упоминается. И там же сказано что это негативно влияет на металлоконструкции в земле.
AKudinov
23.12.2021 19:04+1На самом деле, на высоковольтной стороне явный ноль не нужен, потому его по проводам и не передают. Если обмотки трансформатора соединены треугольником, он не нужен совсем, а если соединены звездой, то ноль образуется, как сумма трёх фаз. На низковольтной стороне он нужен однофазным потребителям, да, потому его отдельным проводом несут. Но низкое напряжение далеко от трансформатора не носят, потому особых проблем в прокладке четвёртого провода нет.
Gordon01
23.12.2021 17:17На данный момент, HVDC широко используется на практике только в двух относительно узких нишах: при соединении двух несинхронизованных сетей и при передачи электроэнергии по подводным кабелям.
Это из России плохо видно, где отрасль HVDC не существует.
Современные мощные электростанции в мире все строят с HVDC выходом, плюс вся зеленая энергетика, особенно, ветряки, очевидно.
Да просто хотя бы на вики загляните https://en.wikipedia.org/wiki/High-voltage_direct_current
Bedal
24.12.2021 10:24это не так. Ветряки, в частности, имеют преобразователи, потому что иначе синхронность с энергосистемой не сделать. Но это не HVDC на самом деле.
FuzzyWorm
23.12.2021 15:56+3Германия, Япония... Про Выборгскую подстанцию, которая с 1981 года гонит в Финляндию мощность через вставку постоянного тока упоминать не надо, конечно.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Выборг_(вставка_постоянного_тока)
Gordon01
23.12.2021 17:01Она появилась уже после европейских и японских и существует в единственном экземпляре в РФ (вроде, была еще экспортная вставка в Донбасс).
На сегодняшний день все что осталось — лишь мечты о восстановлении технологий строительства HVDC:
Papayaved
23.12.2021 16:01О выпрямители AC-DC было сказано, но о схема преобразования DC-AC ни чего сказано не было. Как постоянные 1.1 мегавольта преобразуют в низковольтовую переменку?
FuzzyWorm
23.12.2021 16:15+1В высоковольтную. Тиристорными преобразователями. Как в ИБП, только на несколько порядков мощнее.
nixtonixto
23.12.2021 19:22И несколько мудрёней: ставят последовательно десятки… сотни менее высоковольтных модулей, работающих строго синхронно. Управляющие сигналы подают по оптическим кабелям. На картинке в статье это видно.
Gordon01
23.12.2021 17:09Ну и конечно электропоезда: трамваи, метро и некоторые электровозы питаются постоянным током.
Кстати, никогда не понимал, почему мощные электровозы питаются переменным током, который сразу же выпрямляется. Тем более, еще и однофазным. Не проще ли сразу подавать 35 кВ постоянного тока? Или это просто легаси?
Gengenid
23.12.2021 17:39Потому что в электровозе стоит тяговый трансформатор.
DGG
23.12.2021 18:31+1Более того, в переменнотоковых электровозах и регулирование мощности на двигателях - трансформаторное - подключением к разным выводам трансформатора.
Поэтому у классических переменнотоковых электровозов КПД значительно выше, чем у классических постояннотоковых, которые в переходных режимах отапливают атмосферу реостатами.
Это в "до igbt период" с постояннотоковыми коллекторными электродвигателями на электровозах. Но таковые до сих пор ездят по дорогам. И в виду совместимости и большого срока службы техники на ж.д. бывает и не такое легаси тащат, например часть ж.д. Германии и Швейцарии до сих пор электрифицировано переменным током частоты 16.7Hz с отдельными электростанциями и прочим геморроем. Потому-что когда-то давно там были электровозы переменного тока без выпрямителей, а на низкой частоте это проще.
jh7
24.12.2021 08:40В России существуют дороги и на постоянном, и на переменном токе. Есть двухсистемные электровозы, которые могут работь в сетях обих типов.
Переменным питаются потому что, как сказано в статье, ток надо передавать на дальние расстояния. Например между, Красноярском и Иркутском, насколько знаю, нет мощных электростанций. Вряд ли получится запитать такой маршрут постоянным током.
Jury_78
23.12.2021 20:03+4Не затронут вопрос отключения потребителей постоянного тока при перегрузке. Токи КЗ могут в несколько раз превышать рабочие. Даже простая коммутация 110В (выключатель освещения, например) постоянного тока с помощь разрыва контактов - проблема. Переменное напряжение как бы само в нуле гасит дугу при размыкании.
Gengenid
23.12.2021 20:25Сняли управление с преобразователей - вот и нет тока.
Jury_78
23.12.2021 23:11+1Использовать преобразователи на ток в 10 раз больше рабочего, при этом 99% времени он будент работать на горазно меньшем токе. Как то расточительно...
none7
24.12.2021 03:17Пропускная способность транзистора по току это не фиксированная характеристика. Единственное, что их ограничивает это нагрев. Очень кратковременно транзистор может передать и более высокие токи. Так же есть вакуумные реле существующие именно потому, что разрыв дуги при прохождении через ноль не происходит. Так как воздушный "провод" остаётся, то его тут же заново пробивает даже не пиковым напряжением.
Jury_78
24.12.2021 09:18+1Вакуумные выключатели потому и работают, что ток переходит через ноль и дуга гаснет. Если этого не происходит - то уже авария и отключать должен следующий.
none7
25.12.2021 05:56В советском образовательном ролике про РКСУ электровоза ВЛ-80, определённо использовался термин «вакуумное реле». То реле, что рассчитано на размыкание цепи под нагрузкой. Принцип действия: струя газа сдувает дугу на некую решётку из за чего дуга рвётся. Речь не про «Вакуумный выключатель».
Jury_78
25.12.2021 15:25струя газа сдувает дугу
Тогда непонятен термин "вакуумный".
И вакуумный выключатель используется для размыкания цепи под нагрузкой, обычно при КЗ. И там внутри действительно вакуум до момента размыкания.
Gengenid
24.12.2021 09:21Зачем? Как только датчик тока фиксирует ток выше номинального с некоторым запасом, он просто останавливает преобразователь.
schetilin
23.12.2021 23:19+1Вот прочитал статью, а потом подумал. А почему у нас все ЛЭП гудят? А оказывается что на перегоне 50-100 км все таки дешевле переменный ток.
engine9
24.12.2021 08:56А вот мне тоже стало интересно почему они гудят, особенно в мороз.
Возможно вибрацию проводников создаёт переменное магнитное поле, притягивающее и отталкивающее их друг с другом?Gengenid
24.12.2021 09:04Звук высоковольтных проводников это, как правило, звук коронных разрядов.
Bedal
24.12.2021 10:32+1коронные разряды стрекочут, а гудение — следствие переменных сил притягивания-отталкивания проводов из-за электромагнитных эффектов.
Gengenid
24.12.2021 10:34У вас на видео трансформаторы гудят. Речь идет про ЛЭП, они не гудят.
Bedal
24.12.2021 10:44Вопрос был про гудение — я ответил, от чего оно. Не от коронных разрядов, звук от них гудением не назовёшь. В первом ролике, кстати, слышно и гудение (проводов ЛЭП и вводов) и стрёкот. Трансформаторов там поблизости нет, это ввод в КРУЭ (элегазовое распредустройтсво).
begin_end
24.12.2021 14:18При больших токах вблизи может чуть-чуть гудеть металл, вероятно самой конструкции опоры. Я заметил такой эффект, если прокладывать обычный кабель в стальной трубе. Уже при токе 10А труба при длине метр и более в тишине заметно гудит.
Другая теория, как в комментарии выше — сами провода могут вибрировать в магнитном поле. Усиление звука именно в мороз может быть связано со снижением пластичности алюминия. А когда тепло — металл мягче, он не звенит, быстро затухают колебания (но даже из свинца можно сделать колокол, правда при -100). Кроме того, понижение температуры вызывает натяжение провода, как струны — может резонанс подтягивается до частоты 50Гц или ее гармоники.
И дополнительно третья теория, из второй: при сильно натянутом проводе, как струне — не дергает ли за нее ветер… частоту гудения врядли кто-то замерял. Если она не кратна 50, то электричество тогда ни при чём.
inetstar
24.12.2021 00:12+1Не стоит фантазировать о том, что однажды мечты Эдисона осуществятся и в наших розетках переменное напряжение сменится постоянным, — этого не будет, пожалуй, никогда.
Почему? Ведь практически нет устройств, которым нужен переменный ток в чистом виде.
Всё в основном через выпрямители идёт.
Ну что там может быть переменном: стиральные машины, всё что с моторами?schetilin
24.12.2021 00:48+1Наверно, потому, что переменку (при условии трансформаторов), передовать конечному потребителю, намного проще переменкой(высоковольтной), и только потом (трансформаторная будка) преобразовывать в 220.
Gengenid
24.12.2021 05:48Я лично уверен на 100%, что на последней миле постоянный ток полностью заменит переменный много раньше, чем в сетях высокого напряжения.
Причем, произойдет это как по объективным преимуществам постоянного тока в низком напряжении, прежде всего, большей безопасности, так и под давлением производителей электротехнического оборудования.
lorc
24.12.2021 08:26Угу, только нужны будут кабеля в палец толщиной, которые стоят дорого и укладываются сложно. Посчитайте какой ток нужен двухкиловаттному нагревателю в чайнике при безопасных 48В.
Gengenid
24.12.2021 08:29Низкое напряжение я имею ввиду 220 В.
Jury_78
24.12.2021 09:24+1Коммутировать постоянный ток пока дорого. Вот будут дешевые полупроводники может тогда...
ymishta
24.12.2021 10:28А что, тиристоры на киловольт-другой разве не были сделаны?
Jury_78
24.12.2021 17:16+1Тиристоры может и есть и на большие токи, но сами он не выключаются это не транзистор. Бывают выключаемые тиристоры, я с ними не знаком, думаю там тоже не просто.
Взять например, автомобиль 12/24В, а все равно используют реле. Вероятно дешевле и надежней.
Bedal
24.12.2021 10:34Нет.
У бытовых потребителей слишком много разных требуемых напряжений. Да вы хоть комп или телевизор откройте — там и 220, и 12, и 5 есть. При переменном токе это очевидно просто решается, при постоянном…Gengenid
24.12.2021 10:39Вы серьезно сейчас?!
И у компьютера и у телевизора уже много лет второй или третий элемент на входе (после фильтра и, опционально, предохранителя) - выпрямительный мост, потому что во всей электронной технике уже много лет не применяются линейные блоки питания, только импульсные, они тупо дешевле сейчас.
Bedal
24.12.2021 11:04Да пофиг, зачем чёрный ящик разбирать? Есть потребители на разные напряжения, и из принципа переводить на DC ничего не даст — преобразовывать нужно будет всё равно. Если бы все потребители были на одном напряжении — тогда да, тогда от DC прямая выгода, а так… зачем?
Gengenid
24.12.2021 07:40Кстати, как раз стиральные машины могут легко работать на постоянном токе, там или коллекторный мотор или асинхронный с частотным приводом.
Хуже всего для микроволновок, у них и гистерезисный двигатель, который крутит тарелку, работает только на переменном токе, и магнетрон через трансформатор включен.
Jury_78
24.12.2021 09:50+1Магнетрону переменный ток тоже не нужен. Трансформатор можно заменить преобразователем. На небольших мощностях и напряжениях полупроводники дешевле трансформатора на 50Гц.
vitaly_il1
24.12.2021 07:59+2Спасибо, много интересного!
Вроде прочитал вся статью, но не понял, почему при Эдисоне передача постоянного тока на расстояние имела низкий КПД, а сейчас - лучше, чем у переменного? Дело в используемом сейчас высоком напряжении?
lorc
24.12.2021 08:27+1Ага, напряжение выше. Ну и КПД преобразования тоже сильно выше благодаря полупроводникам.
4p4
24.12.2021 09:19Какой, интересно, верхний теоритический предел напряжения для ЛЭП?
Win08
24.12.2021 09:50+1ru.wikipedia.org/wiki/Высоковольтная_линия_постоянного_тока_Экибастуз_—_Центр
PS. Всех причастных, с прошедшим Днем энергетика!
PPS. И с окончанием самой длинной ночи в году.
drWhy
24.12.2021 11:21Используются на 750 кВ и выше.
Интересный фильм документальный был — «Человек на полмиллиона вольт» — в нём показывалась работа бригады техников, обслуживающих ЛЭП 500 кВ с вертолёта без отключения линии.
ciuafm
24.12.2021 13:42Разъясните пожалуйста, тут автор сетовал на скин эффект, который ограничивает передачу переменного тока глубиной ~10 мм. Т.е. проводники диаметром более 20 мм неэффективны, либо внутрь вплетать стальной трос для прочности. Если посчитать 3 провода вместо одного для постоянки, то получается что такой же максимальный ток на постоянке пропустит проводник с диаметром 20*✓3 ~=35 мм. Неужели используются проводники большего диаметра, если это является преимуществом сетей постоянного тока? Я спрашиваю именно про диаметр проводника а не кабеля ...
Jury_78
24.12.2021 17:13Можно один толстый провод заменить кучей более тонких. Для более высоких частотот есть специальный провод - литцендрат. Не знаю, чем лучше монолитный...
amarao
А почему не сверхпроводники? Вроде бы, есть несколько линий, когда тоненький провод из сверхпроводника перекачивает "всё" и не греется (хотя и нужна энергия на подготовку жидкого азота для охлажения).
Radisto
Кажется в тех, что используются в промышленных масштабах - жидкий гелий. А это совсем другая цена
amarao
Вроде, начинают азот использовать.
https://www.extremetech.com/extreme/182278-the-worlds-first-superconducting-power-line-paves-the-way-for-billions-of-dollars-in-savings
Goupil
Во-первых хотя и жидкий азот дешевле молока за литр, он все-равной гемморойный и по своему опасный - разлитый 50 л. дюар никого не заморозит, но может задушить бригаду неакуратных работников. В нормальных странах к жидкому азоту относятся с почтением и ставят датчики кислорода там, где он хранится, и проводят инструктаж для всех работающих с ним. Конечно работающие с высоковольтным оборудованием должны знать, что делать, но это просто еще одна потенциальная опасность. Если будут подземные электролинии (а иначе как охладить), то это замкнутые углубленные помещения, что вдвойне опасно. Плюс если где жидкий азот запузырится и тоненький провод нагреется, разом потеряв сверхпроводимость, может случиться дымовое представление с хорошим материальным ущербом. Во-вторых вы наверно говорите о высокотемпературных сверхпроводниках. Их по нормальному на провода научились наносить буквально несколько лет назад, они все еще очень дорогие. Например магнит, которым хвастался Commonwealth Fusion, "съел" порядка 10% всего мирового производства таких проводов, а в реакторе таких магнитов как минимум дюжина. С учетом термоядерного бума экспериментальные, и дай бог, промышленные реакторы будут съедать почти все результаты производства высокотемпературных сверхпроводников, на провода оставаться ничего не будет. Вот если будут производить больше - почему бы и нет. Но явно не в этом десятилетии.
corvair
Вот-вот, нам для работы с жидким азотом в больших количествах (биобанк) требуют мониторинг содержания кислорода и особое устройство вентиляции с вытяжкой снизу и форсированием по команде датчика. Плюс ещё ряд устройств типа аварийного открывания дверей в помещениях, оборудованных СКУД. В целом очень много специфических требований по ТБ.
Gordon01
Для передачи электричества на дальние расстояния? Это серьезный вопрос?
Goupil
Уже найдены сверхпроводники комнатной температуры, просто под немыслимым давлением. Кто знает, может лет через 25-30 научатся в достаточном количестве синтезировать метастабильный металический водород, который будет вполне годиться для проводов (если решат вопрос с его взрывучестью) в широком диапозоне температур.
vesper-bot
Многовато сложностей. Во-первых, плотность тока — слишком много отправишь, е*т. Во-вторых, длина сверхпроводящего кабеля и его хрупкость (в основном касается ReBCO и им подобных, которые можно в азоте охлаждать) — запили-ка десяток км такого ЛЭПа, уже разоришься. В-третьих, охлаждение — чем длиннее ЛЭП, тем проблемнее охлаждать, скорость нагрева зависит от площади поверхности, а она уже окололинейно от длины, как следствие, можно построить график потерь на охлаждение vs потерь на нагрев обычного проводника в пересчете на затраты энергии, и вроде как пока что нет областей, где потери на охлаждение будут меньше. Идеи были, эксперименты вроде как тоже, но не более того.
saga111a
А если где случится квенч то взрыв будет шедевральным. А еще проблемы наличия критического тока.
В итоге сверхпроводящие провода для общей целей на текущий момент не возможны, и пока человечество создает новые сверхпроводники в основном методом тыка, прогресс сильно не сдвинится.