В статье рассматривается вопрос применения технологий повышения энергоэффективности электрических сетей, применяя постоянный ток.
Ключевые слова: электрическая сеть, постоянный ток, энергосбережение, энергоэффективность, фаза и нагрузка сетей.
На сегодняшний день в электроснабжении существует проблема борьбы с электрическими потерями. За счет значительного роста в электроэнергетике нелинейных потребителей переменного тока (в основном на полупроводниковой элементной базе) сильно ощущаются потери при передаче электроэнергии от источника к потребителю. Они вызваны несинусоидальностью, то есть наличием высших гармонических составляющих, искажением формы тока и напряжения относительно синусоидальной [1].
Кроме того, такие потребители в большинстве своем однофазные, и равномерно распределить нагрузку по фазам не удается, вследствие чего возникают дополнительные потери из-за поперечной несимметрии. Передача реактивной мощности вносит свой вклад в увеличение потерь и уменьшение пропускной способности линий и трансформаторов. Следует также иметь в виду, что в сетях переменного тока наблюдается эффект близости и скинэффект, которые приводят к продольной несимметрии, что снижает пропускную способность кабельных линий. Для повышения эффективности использования энергоресурсов в настоящее время чаще всего используется энергосберегающая техника и технологии. Такие технологии направлены на снижение показателей потребления и электроэнергии за счет повышения эффективности работы электрооборудования. Причина возрастания потерь остается неизменной. Более того, использование энергоэффективной техники не решает проблему сокращения потерь, а наоборот приводит к их росту, за счет внутренних преобразований, искажению показаний приборов учета электроэнергии и измерительных трансформаторов.
В сложившейся ситуации эффективность дальнейшего глобального применения трехфазного переменного тока подвергается сомнению, и все чаще встает вопрос о поиске альтернативных методов построения систем электроснабжения. Одним из таких методов может быть построение системы электроснабжения на постоянном токе. Несомненным преимуществом системы электроснабжения на постоянном токе является ее хорошая интегрируемость с солнечными батареями, накопителями энергии, входящими в состав энергоустановок, использующих возобновляемые источники энергии, современными системами освещения (включая светодиодные) и обогрева, компьютерной техникой, средствами управления «умного дома», которые либо уже получают питание на постоянном токе через встроенный выпрямитель, либо могут быть переведены на питание на постоянном токе без существенной модернизации схем электроснабжения. При модернизации схем питания бытовых электроприемников посредством перевода на постоянной ток появляется возможность уменьшить количество элементов в блоках питания, и таким образом повысить надежность электроприемников, их долговечность, КПД и, как следствие, уменьшить конечную стоимость оборудования. Разработка системы электроснабжения на постоянном токе для социально-бытового сектора экономики позволит снизить потери электроэнергии и, следовательно, повысить эффективность использования энергоресурсов и получить экономический эффект.
Можно обозначить основные преимущества сетей электроснабжения постоянного тока по сравнению со стандартными сетями:
Отсутствие реактивной мощности как явления.
Эффективное использование сечения проводника из-за отсутствия эффекта близости и скинэффекта
Отсутствие гармонических составляющих Отсутствие необходимости синхронизации элементов сети
Эффективное интегрирование с альтернативными источниками энергии
Более эффективное использование накопителей энергии (без преобразователей)
Эффективное управление графиками нагрузки и энергоресурсами (в часы максимума нагрузки можно использовать энергию предварительно заряженных накопителей)
Уменьшенные показатели электромагнитных излучений
Повышенная надежность
Повышенная электробезопасность постоянных токов (до 500 В)
Уменьшенные значения зон отчуждения линий постоянного тока В частности применение постоянного тока является перспективным направлением в проектировании сетей освещения [1].
Одним из важных факторов питания от сети постоянного тока является регулирования уровня напряжения. Этого можно достигнуть, включив, в цепь постоянного тока преобразователь уровня напряжения. Эффективность зависит от числа ступеней преобразования напряжения между источником и нагрузкой, а также от поддержания определенного уровня напряжения на протяжении всей линии. Сточки зрения электробезопасности применение постоянного тока предпочтительнее, потому что увеличивается сопротивление тела человека из-за отсутствия емкостной составляющей при протекании постоянного тока, причем уменьшение уровня напряжения делает сеть более безопасной для обслуживания и случайных прикосновений к токоведущим частям [2]. Существующая система переменного напряжения 380 В (линейное) и 220 В (фазное) может так же применяться при питании от возобновляемых источников электроэнергии, с дальнейшим понижением уровня напряжения на выходе преобразователя. Следующие уровни напряжения представляют интерес при организации сетей постоянного тока:
380В: относительно высокое напряжение для сети постоянного тока, что подразумевает наличие эффективной системы защиты и заземления. 325В: напряжение, эквивалентное пиковому значению фазного напряжения в сети переменного тока, одновременно равное значению постоянного напряжения на выходе диодного моста. 220В: напряжение, эквивалентное действующему значению фазного напряжения в сетях переменного тока. Практически вся резистивная нагрузка (отопление, электроприборы приготовления пищи) питается от данного напряжения. Поэтому, при изменении уровня напряжения на 220В постоянного тока, для данного типа электроприборов не будет требоваться каких-либо модификаций и изменений. 120В: промежуточный уровень напряжения. 48В: напряжение, используемое для слаботочных систем, сетей оперативного тока. Пониженным до данного уровня напряжением можно питать разного вида электронные бытовые приемники типа компьютеров, телефонов.
Для дальнейшего развития систем постоянного тока требуется приложить немало усилий для создания нормативно-технической базы, включая разработку нормативных документов и стандартов интеллектуальных сетей на постоянном токе; разработку стандартов возобновляемой электроэнергетики, а также основных элементов электрооборудования сетей постоянного тока. Пройдет время, и DC-системы найдут и уверенно займут свое место в системах электроснабжения.
Литература:
- Анчарова Т. В., Бодрухина С. С., Цырук С. А., Янченко С. А. Оценка влияния эмиссии высших гармонических составляющих напряжения и тока от бытовых электроприемников на питающую сеть // Промышленная энергетика, № 9, 2012. — с. 36–43.
- Кривошта Д. Повышение энергоэффективности за счет применения сетей постоянного тока. Сборник научных статей 2-й Международной молодежной научно-технической конференции 2015 г.
