«Токовая война» - и все таки: постоянный или переменный?

Виды и формы использования постоянного тока

1.    ЛЭП низкого напряжения
На сегодня финским Технологическим университетом города Лаппеенранты, который разрабатывает программу «Интеллектуальные сети и рынок энергии» создан проэкт, в котором используется линия электропередач низкого напряжения (англ. Low voltage direct current). Такакя линия может быть использована для объектов с малым потреблением, удаленных на большие расстояния, поселков, деревень, фермерских хозяйств.
В рамках проекта трехфазные сети переменного напряжения 20/0,4 кВ заменяются на подземные кабельные сети LVDC. Согласно проекту укладка кабеля выполняется на глубине более полутора метров, что не создает в последствии проблем для сельскохозяйственной обработки почвы и резко уменьшает зону отчуждения. Кроме того, сеть, уложенная под землей значительно менее чувствительна к погодным измениям , а также стоит намного меньше. При подключении конечных объектов к такой сети устанавливается преобразователь, синхронизирующий напряжение с тем, что необходимо потребителю.

2.    Микросети и минисети в энергообеспечении отдельных объектов
В современной экономике и строительстве стали популярны микросети постоянного напряжения используемые для обеспечения электричеством локальных объектов. Это резко повышает эффективность обеспечения и снижает затраты на обслуживание стей. Сегодня для использования подобных новинок применяются преобразователи, превращающие стандартный переменный ток распределительных сетей в постоянный.

Необходимо отметить, что локальные системы энергообеспечения на основе постоянного напряжения обладают серьезными преимуществами:

  • Снижение потерь от преобразования переменного тока в постоянный на 10-20%;
  • Беспроблемное подключение к сетям новых альтернативных источников электроэнергии, таких как ветряные генераторы, светочувствительные элементы, тепловые системы, генерирующие также постоянный ток
  • Отсутствие необходимости синхронизации источников постоянного тока
  • Простое и эффективное управление системами электроснабжения, с учетом накопления и дальнейшего использования электроэнергии.
  • Высокая, по сравнению с сетями переменного тока, безопасность сетей постоянного напряжения, а также низкая стоимость обслуживания.

3.    Транспортные энергосистемы
Все больше транспортных направлений обращают свой взор на системы электротяги. Так, например совсем недавно норвежскими конструкторами была создана энергосеть для крупного танкера, обслуживающего нефтяные платформы. Отличие этой системы от предыдущих в том, что она полностью построена на постоянном напряжении. Обычно в водных транспортных системах такого класса используется сеть переменного напряжения и неоднократное преобразование тока для питания винтов, рулевых систем и других узлов. Естественно при преобразовании теряется КПД, возникает потеря энергии. На основании анализа распределения постоянного и переменного тока на судне компанией АББ, ведущим разработчиком силовых электросистем и автоматики была создана сеть постоянного тока для транспорта. Руководитель отдела автоматизации этой компании Вели-Матти Рейникала считает, что несомненным достоинством такой сети станет возможность подключения солнечных батарей, аккумуляторов и иных источников электроэнергии, позволяющих в дальнейшем эффективно перераспределять электронагрузку и повысить
эффективность системы.

Сравнительная характеристика таких систем с системами переменного тока дает следующие результаты:

  • Снижение расхода топлива для двигателей на 20 процентов;
  • Снижение веса и объема электроблоков и узлов на треть в связи с отсутствием в системе силовых трансформаторов низкой частоты
  • За счет уменьшения электрохозяйства увеличивается полезная площадь и объем транспортного средства

4.    Управление электродвигателями
Постоянная борьба за эффективность работы электрооборудования требует поиска новых и новых скрытых ресурсов в оборудовании.
Так в тех системах, где годами использовались неуправляемые электроприводы к электродвигателям сегодня все более эффективным считается использование управляемых приводов. Системы, в которых обычный тип привода заменен на инвертор с вентильным асинхронным двигателем все больше и больше используются в промышленности. Именно для таких систем управления сети постоянного тока являются основным и стандартным источником питания. Эффективность подобной замены признана специалистами.

5.    Бытовая электроника
Бытовая техника сегодня полностью адаптирована под сети переменного тока, используемые в коммунальном хозяйстве в качестве стандарта. Однако, необходимо заметить, что почти во всех видах электроники переменный ток входной сети преобразовывается в постоянный ток. Таким образом смена стандартов может в дальнейшем привести к снижению стоимости бытовых приборов, поскольку снимается необходимость преобразования тока. Правда, нужно отметить, что использование постоянного тока сопряжено с некоторыми особенностями, требующими пристального внимания при создании сетей и выборе оборудования.

Тонкости использования постоянного тока


1.    Направление
Одной из самых важных особенностей постоянного тока является его постоянное значение и неизменное во времени направление тока. Это значит, что поток электронов движется через сечение проводника постоянно в одном направлении и с неизменной скоростью. Заряд, проходящий через сечение проводника остается константным.
Это накладывает на системы, питаемые постоянным током определенные жесткие ограничения и условия. Подключение приборов и устройств, питающихся постоянным током, требует строго соблюдения полярности нагрузки. В случае неправильного подключения возможно не только поврежение устройства и сети, но и катастрофические последствия. Так, например аккумулятор, подключенный обратно схеме перегреется. Электролит закипит и возможно даже батарея взорвется. В данном случае последствия могут быть непредсказуемы. В менее опасных случаях, тем не менее возможен вывод из строя подключенных устройств.
Необходимо сказать, что наряду с электротехническими узлами и приборами полярность играет важную роль и в устройствах коммутации и защиты, которые в свою очередь являются неотъемлемой частью распределительных щитов. В связи с этим при производстве распределительного оборудования указывается прямо на щите порядок и направление подключения. Однако, как отмечает начальник лаборатории измерений «Центроэлектромонтажа» Илья Лешин, проблема внимания монтажников при сборке однотипных схем в течение рабочего дня стоит все еще очень остро. В результате снижения концентрации подключение может быть выполнено неправильно, что приведет к возгоранию распределительного щита. Эта проблема сохранялась до последнего времени.
Много десятилетий, при использовании постоянного тока правильность подключения являлась краеугольным камнем. Однако сегодня в отрасли электротехники в направлении постоянного тока  появились решения, которые, возможно, в корне перевернут представление о системах постоянного тока. В этих устройствах не принципиален порядок подключения. Менеджер компании АББ, которая является лидером в области силовой электротехники и автоматических решений, Алексей Кокорин, комментируя создание электроузлов и систем, нечувствительных к направлению постоянного тока, сказал что ввод в эксплуатацию подобных устройств снимает массу проблем. К примеру, выключатели серии OTDC, которые производит АББ имеют симметричную полюсную конструкцию и никак не реагируют на неправильное подключение. Такие выключатели можно монтировать как угодно.

2.    Электродуга при размыкании
Электрическая дуга как физическое явление известна довольно давно. Ее возникновение обусловлено ионизацией среды при размыкании электрической цепи. В электротехнических системах электическая дуга представляет собой дополнительную проблему, которую приходится решать.
В системах переменного тока задачи гашения электрической дуги решаются достаточно просто. Гашение происходит в момент перехода значения тока через нулевую отметку. Для того, чтобы избежать повторного появления дуги в системах переменного тока нужно восстановление электропрочности воздушного зазора. Это делается в одном случае рекомбинированием электронов и ионов а в другом – принудительным выводом заряженных частиц из контактного поля.
В системах же постоянного тока весь процесс строится несколько по-другому. При отсутствии смены полярности электрическая дуга может иметь более стабильный характер. В данном случае все зависит от электрических характеристик, силы тока и характеристик окружающей среды. Так давление, содержание газов в атмосфере, температурный режим может повлиять на то, что дуга будет гореть стабильно и долго. Каким же образом исключить это явление из электросети?
При использовании систем низкого напряжения данная проблема решается как правило двумя способами. Одним из них является открытый разрыв сети, при котором электрическая дуга растягивается различными способами, при этом происходит охлаждение воздушным потоком. Данный способ применим для токов до 5 килоампер и при напряжениях до 500 Вольт. Второй способ применяется при больших значениях токов – до 90 кА. Во втором случае при растягивании дуга попадает в дугогасительную камеру, где и происходит охлаждение.
Алексей Кокорин,  менеджер компании АББ отмечает что часто эффективность процесса дугогашения напрямую зависит от силы тока. Однако, иногда электродинамических сил недостаточно для решения этого вопроса и в этих случаях в конструкцию электротехнических систем добавляются постоянные магниты, значительно расширяющие возможности устройств. Так, например, данные решения применяются в серии OTDC. В этих устройствах для дугогашения используется решетка с удлиненными пластинами. При гашении дуга начинает изгибаться и растягиваться. При этом используется механизм деионной решетки. Но для высокой эффективности работы этой системы в нее встроены постоянные магниты. Силы магнитов вполне хватает для смещения дуги к решетке в том случае, если силы тока не достаточно.

3.    Компактность защитных систем
Итак, необходимо отметить, что одним из главных достоинств цепей постоянного тока является значительная экономия КПД, снижение размеров электротехнических узлов, компактность оборудования. Как отметил Алексей Кокорин, менеджер АББ, сегодня практически во всех отраслях хозяйствования требуются максимально эффективные решения. Так при разработке систем для транспорта необходимо учесть, что снижение веса и объема оборудования сильно экономит место и позволяет увеличить экономическую эффективность транспортного средства. Компания АББ уделяет этому вопросу очень серьезное внимание. Так обычные, применяемые к цепям от 100 до 250 А и при напряжении до тысячи вольт, четырехполюсные автовыключатели имеют в три раза большие размеры, по сравнению с новыми двухполюсными серии OTDC.  К тому же эти новые автоматические выключатели можно подключать без учета полярности. Это позволяет намного удобнее расположить узлы, экономя при этом место.

Итак, в заключении нужно сказать, что постоянный ток опять набирает силу в отрасли современной электротехники. Совсем недавно считалось, что постоянный ток уже не сможет конкурировать с переменным, но на первое место вышли вопросы эффективности. Именно поэтому сегодня все больше проектов рассматривают сети постоянного тока как систему будущего. Конечно полная смена систем с переменным током на постоянный это дело будущего. Однако процесс этот набирает силу и одним из главных вопросов в этом процессе является выбор защитной и коммуникационной аппаратуры. Этот выбор может обуславливать в дальнейшем путь развития и расширения электротехнических и электрических систем и сетей.

Вам нужна помощь или консультация специалиста?

Заполните поля ниже, и мы свяжемся с вами для подробной консультации