Потери мощности электрического тока в кабеле зависят, как это указано в школьном учебнике по физике, от силы тока и сопротивления кабеля согласно закону Ома. С учетом этого шло развитие линий электропередач высоких и сверхвысоких напряжений для передачи больших мощностей с небольшими силами тока, а значит и с небольшими потерями.
Школьная физика права, так как при коротких длинах проводника индуктивные и емкостные свойства тока, а также его поверхностный эффект (переменный ток проходит только по поверхности проводника), не играют никакой роли при передаче переменного тока по проводнику. Но когда длина проводника составляет 100 или 1000 километров результат передачи тока будет совершенно другим.
Еще в 1919 году Михаил Доливо-Добровольский рассчитал, что передача переменного тока на расстояние 1000 км и более является неэкономичной. Еще короче экономичная длина подводного кабеля. При передаче переменного тока по подводному кабелю на расстояние 60 км в конце проводника ток имеет малопригодную мощность.
Причиной этих потерь являются индуктивные и емкостные свойства кабеля, ведущие к сдвигу фазы между током и напряжением. Чем длиннее проводник и чем ближе друг к другу находятся три провода, тем больше сдвиг фазы. Теоретически может произойти так, что при самой высокой амплитуде силы тока переменное напряжение сведется к нулю и наоборот. При этом мощность как продукта напряжения, так и тока соответственно будет равна нулю.
При передаче переменного тока по воздушным линиям большой длины эта проблема решается промежуточным подключением корректирующих звеньев. Но установка таких звеньев под водой, связана с большими проблемами, такими как плотность воды, плавучесть, течение и технической уход за оборудованием, поэтому в настоящее время она не практикуется. Особая проблема подводных кабелей по сравнению с воздушными заключается в более высоких взаимных индуктивных воздействиях плотно расположенных жил подводного кабеля. Поэтому для подводных кабелей понадобилось бы значительно большее количество корректирующих звеньев, чем для аналогичных воздушных.
Поиски для решения данной проблемы ведут назад в 1882 год. В то время в Мюнхене проходила первая немецкая выставка электричества, где некоторые электроприборы снабжались постоянным током по линии длиной 57 км с напряжением 1343 В. Позже эта техника была почти забыта, когда генераторы стали выдавать трехфазный ток.
Он был настолько практичен в применении из-за его возможности преобразовываться, что передачей постоянного тока занимались единицы. Но в 1960 году все снова изменилось, когда выработка электроэнергии началась далеко от мест ее потребления и вне электросетей. На вопрос, каким же образом ток должен поступать через тысячи километров к потребителям, ответ был дан электропередачей постоянного тока.
Неудивительно, что этот способ передачи энергии был использован на крупных электростанциях «Кагора Баса» в Мозамбике, «Итаиру» в Бразилии и плотины трех каньонов в Китае. Так как закон Ома определяет потери мощности при передаче постоянного тока, то в сеть вводится ток высокого напряжения, отсюда и название высоковольтная передача постоянного тока. Она имеет свои преимущества. Затраты на сооружение воздушных линий более низки, так как вместо трех всегда используются только два кабеля, а поэтому применяются более тонкие и легкие опорные фермы. Индуктивные и емкостные потери, имеющие место у переменного тока, здесь исключены, как и применение корректирующих звеньев, что очень важно особенно для подводного кабеля.
В высоковольтных передачах постоянного тока можно объединить сети с различными частотами. Тот факт, что данная техника конкурентоспособна только при передаче энергии на большие расстояния, связан со значительными затратами, которые необходимы для преобразования тока сначала в постоянный, а затем в переменный.
Когда в 1979 году закончилось строительство линии высоковольтной передачи постоянного тока протяжностью 1420 км между плотиной «Кагора Басса» и Преторитей в Южной Африке мощностью 1920 МВт, на обоих концах линии стояло 48 384 тиристора для преобразования тока сначала в постоянный, а затем в переменный. Несмотря на значительное повышение мощности полупроводников для проекта 3000 МВ, в китайском Гуи-Ганг все еще используется 3744 тиристора, чтобы преобразовывать ток, вырабатываемый турбинами ГЭС сначала в требуемый для передачи постоянный ток, а затем в трехфазный в месте потребления. Применяемые для этой цели тиристоры имеют мощность в 5000 раз выше, чем имеющиеся в продаже обычные светорегуляторы. Соответственно выше и затраты на изготовление таких высокопроизводительных деталей.
Высоковольтная передача постоянного тока применяется для связи между прибрежными ветроэлектрическими установками и материком, так как ее техника позволяет лучше регулировать пики мощности, которых нельзя избежать в ветросиловых установках. Но и в вопросах подводных кабелей переменного тока присутствует прогресс.
Есть планы относительно длин до 75 километров.
Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber
