Vorteile von Hochspannungs-Gleichstromübertragungsleitungen gegenüber Wechselstromleitungen
Früher wurden sie zu traditionellen Hochspannungsleitungen, heute werden sie ausschließlich mit Wechselstrom betrieben. Aber haben Sie schon einmal über die Vorteile nachgedacht, die eine Hochspannungs-Gleichstromübertragungsleitung im Vergleich zu einer Wechselstromleitung bieten kann? Ja, wir sprechen von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen (HGÜ).
Für den Bau einer Hochspannungs-Gleichstromleitung ist natürlich zunächst einmal Konverter, die aus Wechselstrom Gleichstrom und aus Gleichstrom Wechselstrom erzeugen würde. Solche Wechselrichter und Konverter sind teuer, ebenso wie Ersatzteile dafür, haben Überlastungsbeschränkungen, außerdem muss das Gerät für jede Leitung ohne Übertreibung einzigartig sein. Auf kurzen Distanzen machen die Leistungsverluste in den Umrichtern eine solche Übertragungsleitung in der Regel unwirtschaftlich.
Aber in welchen Anwendungen wird es vorzuziehen sein, es zu verwenden? D.C.? Warum ist hohe Wechselspannung manchmal nicht effizient genug? Und schließlich: Werden Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen bereits genutzt? Wir werden versuchen, Antworten auf diese Fragen zu bekommen.
Für Beispiele muss man nicht weit gehen. Ein auf dem Grund der Ostsee zwischen zwei Nachbarländern, Deutschland und Schweden, verlegtes Elektrokabel ist 250 Meter lang, und bei Wechselstrom würde der kapazitive Widerstand erhebliche Verluste verursachen. Oder bei der Stromversorgung abgelegener Gebiete, wenn die Installation von Zwischengeräten nicht möglich ist. Auch hier verursacht Hochspannungsgleichstrom weniger Verluste.
Was ist, wenn Sie die Kapazität einer bestehenden Linie erhöhen müssen, ohne eine zusätzliche einzubauen? Und im Fall der Stromversorgung von AC-Verteilungssystemen, die nicht miteinander synchronisiert sind?
Für die spezifische Leistung, die bei Gleichstrom bei Hochspannung übertragen wird, ist hingegen ein kleinerer Leitungsquerschnitt erforderlich, und die Masten können niedriger sein. Beispielsweise verbindet die kanadische Bipole Nelson River Transmission Line das Verteilungsnetz und das entfernte Kraftwerk.
Wechselstromnetze können stabilisiert werden, ohne dass sich die Gefahr von Kurzschlüssen erhöht. Koronaentladungen, die in Wechselstromleitungen durch Höchstspannungsspitzen zu Verlusten führen, sind bei Gleichstrom deutlich geringer, entsprechend wird weniger schädliches Ozon freigesetzt. Auch hier werden die Kosten für den Bau von Stromleitungen gesenkt, da beispielsweise drei Drähte für drei Phasen und nur zwei für die HGÜ benötigt werden. Auch hier liegen die größten Vorteile von Seekabeln nicht nur in weniger Material, sondern auch in geringeren kapazitiven Verlusten.
Seit 1997AAB installiert HVDC Light-Leitungen mit einer Leistung von bis zu 1,2 GW bei Spannungen bis zu 500 kV. So wurde eine 500-MW-Nennstromverbindung zwischen den Netzen Großbritanniens und Irlands errichtet.
Diese Verbindung verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Stromversorgung zwischen Netzen. Eines der Kabel des Netzwerks verläuft von West nach Ost und ist 262 Kilometer lang, wobei 71 % des Kabels auf dem Meeresboden verlaufen.
Denken Sie noch einmal daran, dass es zu unnötigen Leistungsverlusten kommen würde, wenn der Wechselstrom zum Aufladen der Kabelkapazität verwendet würde, und da der Strom ständig angelegt wird, sind die Verluste vernachlässigbar. Darüber hinaus sollten auch die dielektrischen AC-Verluste nicht vernachlässigt werden.
Im Allgemeinen kann bei Gleichstrom mehr Leistung über die gleiche Leitung übertragen werden, da die Spannungsspitzen bei gleicher Leistung, aber bei Wechselstrom, höher sind, außerdem muss die Isolierung dicker sein, der Querschnitt ist größer, die Der Abstand zwischen den Leitern ist größer usw. Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren sorgt der Korridor der Gleichstromübertragungsleitung für eine dichtere Übertragung elektrischer Energie.
Um sie herum werden keine dauerhaften Hochspannungsleitungen angelegt niederfrequentes magnetisches Wechselfeldwie es für Wechselstromübertragungsleitungen typisch ist. Einige Wissenschaftler sprechen davon, dass dieses variable Magnetfeld der menschlichen Gesundheit, Pflanzen und Tieren schadet. Gleichstrom wiederum erzeugt im Raum zwischen Leiter und Erde nur einen konstanten (nicht variablen) elektrischen Feldgradienten, der für die Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen unbedenklich ist.
Die Stabilität von Wechselstromsystemen wird durch Gleichstrom erleichtert.Aufgrund der hohen Spannung und des Gleichstroms ist es möglich, Strom zwischen Wechselstromsystemen zu übertragen, die nicht miteinander synchronisiert sind. Dies verhindert, dass sich kaskadierende Schäden ausbreiten. Bei unkritischen Ausfällen wird Energie einfach in das System hinein oder aus ihm heraus bewegt.
Dadurch wird die Einführung von Hochspannungs-Gleichstromnetzen weiter vorangetrieben und neue Grundlagen geschaffen.
Siemens-Konverterstation für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung (HGÜ) zwischen Frankreich und Spanien
Schema einer modernen HGÜ-Leitung
Der Energiefluss wird durch ein Leitsystem oder eine Konvertierungsstation geregelt. Der Durchfluss hängt nicht mit der Funktionsweise der an die Leitung angeschlossenen Systeme zusammen.
Verbindungen auf Gleichstromleitungen haben im Vergleich zu Wechselstromleitungen eine willkürlich geringe Übertragungskapazität und das Problem schwacher Verbindungen entfällt. Die Leitungen selbst können unter Berücksichtigung der Optimierung der Energieflüsse ausgelegt werden.
Darüber hinaus entfallen die Schwierigkeiten bei der Synchronisierung mehrerer unterschiedlicher Steuerungssysteme für den Betrieb einzelner Energiesysteme. Schnelle Notfall-Controller im Lieferumfang enthalten Gleichstromleitungen Erhöhung der Zuverlässigkeit und Stabilität des gesamten Netzwerks. Durch die Steuerung des Leistungsflusses können Schwingungen in parallelen Leitungen reduziert werden.
Diese Vorteile werden die schnellere Einführung der Hochspannungs-Gleichstrom-Wechselwirkung erleichtern, um große Energiesysteme in mehrere Teile aufzuteilen, die miteinander synchronisiert sind.
Beispielsweise wurden in Indien mehrere regionale Systeme gebaut, die durch Hochspannungs-Gleichstromleitungen miteinander verbunden sind.Es gibt auch eine Konverterkette, die von einem speziellen Zentrum gesteuert wird.
In China ist es genauso. Im Jahr 2010 baute ABB in China die weltweit erste 800-kV-Ultrahochspannungs-Gleichstromleitung in China. Die 1100-kV-UHV-Gleichstromleitung Zhongdong – Wannan mit einer Länge von 3400 km und einer Kapazität von 12 GW wurde 2018 fertiggestellt.
Bis 2020 wurden mindestens dreizehn Baustellen fertiggestellt. EHV-Gleichstromleitungen in China. HGÜ-Leitungen übertragen große Strommengen über große Entfernungen, wobei an jede Leitung mehrere Energieversorger angeschlossen sind.
Entwickler von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen geben die Öffentlichkeit in der Regel nicht über die Kosten ihrer Projekte bekannt, da es sich dabei um ein Geschäftsgeheimnis handelt. Die Besonderheiten der Projekte nehmen jedoch ihre eigenen Anpassungen vor und der Preis variiert je nach: Leistung, Kabellänge, Installationsmethode, Grundstückskosten usw.
Durch den wirtschaftlichen Vergleich aller Aspekte wird eine Entscheidung über die Machbarkeit des Baus einer HGÜ-Leitung getroffen. Beispielsweise erforderte der Bau einer viergleisigen Übertragungsleitung zwischen Frankreich und England mit einer Kapazität von 8 GW zusammen mit Arbeiten an Land etwa eine Milliarde Pfund.
Liste bedeutender Hochspannungs-Gleichstrom-(HGÜ)-Projekte aus der Vergangenheit
In den 1880er Jahren es gab einen sogenannten Strömungskrieg zwischen DC-Befürwortern wie Thomas Edison und AC-Befürwortern wie Nikola Tesla und George Westinghouse. Gleichstrom existierte zehn Jahre lang, aber die schnelle Entwicklung von Leistungstransformatoren, die zur Erhöhung der Spannung und damit zur Begrenzung von Verlusten erforderlich waren, führte zur Verbreitung von Wechselstromnetzen. Erst mit der Entwicklung der Leistungselektronik wurde die Nutzung von Hochspannungsgleichstrom möglich.
HGÜ-Technologie erschien in den 1930er Jahren. Es wurde von ASEA in Schweden und Deutschland entwickelt. Die erste HGÜ-Leitung wurde 1951 in der Sowjetunion zwischen Moskau und Kaschira gebaut. 1954 wurde dann eine weitere Linie zwischen der Insel Gotland und dem schwedischen Festland gebaut.
Moskau – Kaschira (UdSSR) — Länge 112 km, Spannung — 200 kV, Leistung — 30 MW, Baujahr — 1951. Es gilt als das weltweit erste vollständig statische elektronische Hochspannungs-Gleichstromkraftwerk, das in Betrieb genommen wurde. Die Zeile existiert derzeit nicht.
Gotland 1 (Schweden) — Länge 98 km, Spannung — 200 kV, Leistung — 20 MW, Baujahr — 1954. Die weltweit erste kommerzielle HGÜ-Verbindung. 1970 von ABB erweitert, 1986 stillgelegt.
Wolgograd – Donbass (UdSSR) — Länge 400 km, Spannung — 800 kV, Leistung — 750 MW, Baujahr — 1965. Die erste Stufe der 800-kV-Gleichstromleitung Wolgograd–Donbass wurde 1961 in Betrieb genommen, was in der damaligen Presse als „…“ bezeichnet wurde sehr wichtige Etappe in der technischen Entwicklung der sowjetischen Elektrotechnik. Die Strecke ist derzeit abgebaut.
Prüfung von Hochspannungsgleichrichtern für eine Gleichstromleitung im VEI-Labor, 1961.
Liniendiagramm des Hochspannungsgleichstroms Wolgograd – Donbass
Sehen: Fotografien von Elektroanlagen und Elektrogeräten in der UdSSR 1959-1962
HGÜ zwischen den Inseln Neuseelands — Länge 611 km, Spannung — 270 kV, Leistung — 600 MW, Baujahr — 1965. Seit 1992 rekonstruiert АBB… Spannung 350 kV.
Seit 1977Bisher wurden alle HGÜ-Systeme mit Festkörperkomponenten, in den meisten Fällen Thyristoren, aufgebaut, seit Ende der 1990er Jahre werden IGBT-Umrichter eingesetzt.
IGBT-Wechselrichter in der Siemens-Umrichterstation für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung (HGÜ) zwischen Frankreich und Spanien
Cahora Bassa (Mosambik – Südafrika) — Länge 1420 km, Spannung 533 kV, Leistung — 1920 MW, Baujahr 1979. Erste HGÜ mit Spannung über 500 kV. ABB-Reparatur 2013-2014
Ekibastus – Tambow (UdSSR) — Länge 2414 km, Spannung — 750 kV, Leistung — 6000 MW. Das Projekt begann im Jahr 1981. Wenn es in Betrieb genommen wird, wird es die längste Übertragungsleitung der Welt sein. Die Baustellen wurden um 1990 aufgrund des Zusammenbruchs der Sowjetunion aufgegeben und die Strecke wurde nie fertiggestellt.
Interconnexion France Angleterre (Frankreich – Großbritannien) — Länge 72 km, Spannung 270 kV, Leistung — 2000 MW, Baujahr 1986.
Gezhouba – Shanghai (China) — 1046 km, 500 kV, Leistung 1200 MW, 1989.
Rihand Delhi (Indien) — Länge 814 km, Spannung — 500 kV, Leistung — 1500 MW, Baujahr — 1990.
Ostseekabel (Deutschland – Schweden) — Länge 252 km, Spannung — 450 kV, Leistung — 600 MW, Baujahr — 1994.
Tien Guan (China) — Länge 960 km, Spannung — 500 kV, Leistung — 1800 MW, Baujahr — 2001.
Talcher Kolar (Indien) — Länge 1450 km, Spannung — 500 kV, Leistung — 2500 MW, Baujahr — 2003.
Drei Schluchten – Changzhou (China) — Länge 890 km, Spannung — 500 kV, Leistung — 3000 MW, Baujahr — 2003. 2004 und 2006.Es wurden zwei weitere Leitungen vom HGÜ-Wasserkraftwerk „Three Gorges“ nach Huizhou und Shanghai über 940 und 1060 km gebaut.
Das größte Wasserkraftwerk der Welt, die Drei Schluchten, ist durch Hochspannungs-Gleichstromleitungen mit Changzhou, Guangdong und Shanghai verbunden
Xiangjiaba-Shanghai (China) — die Linie von Fulong nach Fengxia. Die Länge beträgt 1480 km, die Spannung beträgt 800 kV, die Leistung beträgt 6400 MW, das Baujahr ist 2010.
Yunnan – Guangdong (China) — Länge 1418 km, Spannung — 800 kV, Leistung — 5000 MW, Baujahr — 2010.