Жаңа Зеландияның аралдар аралық электр желісі

Кіріспе

Жаңа Зеландиядағы электр беру жүйесі

HVDC аралық аралдар арасындағы байланыс – бұл Жаңа Зеландияның Солтүстік және Оңтүстік аралдарындағы электр желілерін біріктіретін 1200 МВт жоғары кернеулі тұрақты ток (HVDC) беру жүйесі. Бұл байланыс ақпарат құралдарында және баспасөз хабарламаларында көбінесе Кук бұғазының кабелі деп аталады, бірақ байланыстың ұзындығы Кук бұғазының бөлігінен әлдеқайда артық. Байланысқа Transpower New Zealand мемлекеттік компаниясы иелік етеді және оны басқарады. HVDC байланысы Оңтүстік аралда, Кентерберидегі Уайтаки өзенінде орналасқан Бенмор су электр стансасынан басталады, содан кейін ішкі Кентербери және Марлборо аймақтары арқылы Марлборо бұғазындағы Файтинг Бэйге дейін әуе желісімен өтеді. Файтинг Бэйден байланыс Кук бұғазының астындағы 40 шақырымдық су асты электр кабельдері арқылы Веллингтон қаласына жақын орналасқан Отеранга шығанағына дейін, ал соңғы 37 шақырымды төменгі Хатт қаласындағы Хейвордс тарату подстанциясына дейін әуе желісімен жүреді. HVDC байланысы алғаш рет 1965 жылдың сәуір айында іске қосылды, негізінен Оңтүстік аралдан, халық саны көп Солтүстік аралға электр энергиясын тасымалдау мақсатында. Алғашқыда бұл байланыс 600 МВт қуаттылығы бар екіполюстік жүйе болды, 1992 жылы бастапқы жабдықтар бір полюске (1-полюс) параллель қосылды, содан кейін тиристорлық негіздегі жаңа полюс (2-полюс) салынды, бұл байланыстың қуатын 1040 МВт-қа дейін арттырды. Ескірген 1-полюс 2012 жылдың 1 тамызынан бастап толықтай тоқтатылды, ал тиристорлық негіздегі жаңа 3-полюс 2013 жылдың 29 мамырында іске қосылды, бұл тұрақты ток байланысын 1200 МВт екіполюстік конфигурацияға қайта келтірді.

Байланысты негіздеу

HVDC желісі Жаңа Зеландияның беру жүйесінің маңызды бөлігі болып табылады. Ол екі аралдың беру желілерін байланыстырады және энергияны теңгермелеу жүйесі ретінде екі аралдағы энергияның қолжетімділігі мен сұранысын теңестіруге көмектеседі. Екі арал географиялық тұрғыдан әртүрлі – Оңтүстік арал Солтүстік аралдан жер аумағы бойынша 33 пайызға үлкен (151 000 км²-қа қарсы 114 000 км²), бірақ Солтүстік аралда Оңтүстік аралдан үш есе көп халық тұрады (миллионға қарсы миллион). Осының салдарынан Солтүстік аралда энергияға деген сұраныс айтарлықтай жоғары. Дегенмен, Оңтүстік аралда ауа райының салқынырақ болуы және 640 МВт ең жоғары сұранысымен Жаңа Зеландияның ең ірі электр энергиясын тұтынушысы болып табылатын Тивай Пойнт алюминий балқыту зауытының болуына байланысты жан басына шаққанда электр энергиясын көбірек пайдаланады. 2011 жылы өндірілген электр энергиясының 37,1%-ы Оңтүстік аралда, ал 62,9%-ы Солтүстік аралда тұтынылды. Оңтүстік аралдың электр энергиясын өндіруі 2011 жылы елдің электр энергиясының 40,9%-ын құрады, оның барлығы (97%) гидроэлектр энергиясынан, ал Солтүстік арал қалған 59,1%-ын негізінен гидроэлектр, табиғи газ және геотермальдық энергиядан, сондай-ақ көмір мен жел энергиясының шағын үлесінен өндірді. Егер қазіргі уақытта іске қосылған барлық электр станциялары қолжетімді болса, екі аралдың арасындағы байланыссыз, ең жоғары жүктеме кезінде де жеткілікті қуат бар. Алайда, HVDC желісі Оңтүстік және Солтүстік аралдағы тұтынушыларға пайда әкеледі: желі Оңтүстік аралдағы тұтынушыларға Оңтүстік аралдағы гидроэлектр көлдеріндегі су қоймасының төмен деңгейі мен ағынның азаюы кезінде Оңтүстік аралдың сұранысын қамтамасыз ете алатын Солтүстік аралдың жылу энергиясын өндіру ресурстарына қол жеткізуді қамтамасыз етеді. Желі Солтүстік аралдағы тұтынушыларға Оңтүстік аралдың үлкен гидроэнергетикалық ресурстарына қол жеткізуді қамтамасыз етеді, бұл ең жоғары жүктеме кезінде Солтүстік аралдың сұранысын қанағаттандыруға мүмкіндік береді. Бұл желі Жаңа Зеландияның электр энергиясы нарығында маңызды рөл атқарады және Солтүстік және Оңтүстік аралдың электр энергиясын өндірушілеріне бір-бірімен бәсекелесуге мүмкіндік береді, соның салдарынан электр энергиясының көтерме бағасын төмендетуге ықпал етеді. Аралық беру жүйесі, АЖ-дан АЖ-ға (АЖ) және керісінше түрлендірудің жоғары құнына қарамастан, ұзақ беру желісінің және теңіз арқылы өтудің талаптарына сай келу үшін жоғары кернеулі тұрақты ток (АЖ) жүйесі ретінде жобаланған. Желі екі аралдың арасындағы Кук бұғазы арқылы өтеді, мұхит түбінде орналасқан су асты электр кабельдерін пайдаланады. HVDC ұзақ қашықтықтарға беру үшін, әсіресе су асты кабельдік беру қажет болған жағдайда, АЖ-дан артық қолайлы, өйткені ол әдетте экономикалық тиімді және АЖ/АЖ түрлендіру процесінің жоғары құнына қарамастан, энергия шығындары аз.

The HVDC link is an important component of the transmission system in New Zealand. It connects the transmission grids of the two islands, and is used as an energy balancing system, helping to match energy availability and demand in the two islands. The two islands are geographically different – the South Island is 33 percent larger than the North Island in land area (151,000 km2 vs 114,000 km2), but the North Island has over three times the population of the South Island ( million vs million). As a consequence, the North Island has a substantially larger energy demand. However, the South Island uses more electricity per capita due to its cooler climate and the presence of the Tiwai Point Aluminium Smelter, which at a peak demand of 640 MW is New Zealand's largest single electricity user. In 2011, around 37.1% of the total electricity generated was consumed in the South Island, while 62.9% was consumed in the North Island. South Island generation accounted for 40.9% of the nation's electricity in 2011, nearly all (97%) from hydroelectricity, while the North Island generated the remaining 59.1% from a mixture of mainly hydroelectric, natural gas, and geothermal generation, plus smaller amount of coal and wind generation. If all currently commissioned generation is available, both islands have enough generating capacity at peak times, without the connection between the two islands. However, the HVDC link provides benefits for customers in both the South Island and North Island:
The link provides the South Island consumers with access to the North Island's thermal generation resources that can support the South Island demand during times of low water storage levels and low inflows to South Island hydroelectric lakes. The link provides North Island consumers with access to the South Island's large hydro generation resources that can support the North Island demand at times of peak load. The link plays an important role in the New Zealand electricity market, and allows North and South Island generators to compete with each other, therefore driving wholesale electricity prices down. The inter island transmission system was designed as a high voltage direct current (HVDC) system, despite the cost of the conversion from alternating current (AC) to direct current (DC) and back again, to suit the requirements of a long transmission line and a sea crossing. The link crosses Cook Strait, between the two islands, using submarine power cables laid along the sea floor. HVDC is more suitable than AC for transmission over long distances, and particularly where submarine cable transmission is required, because it is typically more economic, and has lower energy losses, despite the high costs of the AC/DC conversion process.

Бағыт

HVDC аралдар арасындағы байланыс Waitaki аңғарындағы Benmore гидроэлектр станциясының жанында орналасқан екі конвертерлік станциядан басталады. Электр энергиясы Benmore электр стансасының негізгі бөлімінен алынады, ол Benmore генераторларын және Оңтүстік аралдың қалған таралым желісін Benmore су тас жолы арқылы 220 кВ желілер арқылы байланыстырады. Кернеуді ауыстыру станцияларында ±350 кВ тұрақты токқа түрлендіріледі.

Тұрақты ток желісі Benmore электр стансасының су тас жолын кесіп өтеді және бөгеттің шығыс жағымен жүреді. Желі Benmore көлінің шығыс жағалауымен солтүстікке қарай жалғасады, содан кейін солтүстік-шығысқа, одан кейін шығысқа бұрылып Christchurch-Twizel HVAC желісімен қосылады. 8-ші мемлекеттік тас жолын Fairlie-ден оңтүстікке кесіп өтіп, солтүстік-шығысқа бұрылып Fairlie мен Geraldine қалаларының арасымен өтеді. Geraldine-ден Oxford-қа дейін HVDC желісі ішкі Canterbury жазығы арқылы ішкі көрікті маршрут туристік тас жолын ұстанады, Methven, Sheffield және Oxford қалаларына жақын өтіп, содан кейін солтүстік-шығысқа Waipara қарай жалғасады. HVDC желісі Weka Pass арқылы Amuri ауданына өтеді, Culverden қаласының батысынан солтүстікке қарай Hanmer Springs-ке дейін жүреді. Осы жерден желі солтүстік-шығысқа бұрылып Molesworth Station арқылы Marlborough аймағына және Awatere өзенінің аңғарына жетеді, содан кейін Dashwood және Weld асулары арқылы 1-ші мемлекеттік тас жолымен солтүстікке бұрылады. Желі Blenheim қаласының шығысына қарай, аралдың шығыс жағалауына Cloudy Bay шығанағына дейін өтеді және жағалау бойымен Marlborough Sounds аймағына қарай жүреді. Желі шығысқа, содан кейін оңтүстік-шығысқа бұрылып Port Underwood айналып өтеді, теңіз жағалауындағы Fighting Bay-ге дейін жетеді, онда Оңтүстік аралдың кабельдік терминалы орналасқан. Осы жерде желілер Cook Strait-тің астымен электр қуатын жеткізетін үш су асты кабельдеріне қосылады. 2012 жылдың тамызынан бастап Pole 2 осы кабельдердің екеуін пайдаланады, ал үшінші кабель Pole 3 іске қосылғанға дейін күтіп тұр. Кабельдер бастапқыда Fighting Bay-ден оңтүстікке қарай, содан кейін Оңтүстік аралға қарай шығысқа бұрылады, одан кейін солтүстік-шығысқа бұрылып Oteranga Bay-дегі Солтүстік аралдың кабельдік терминалына жетеді. Oteranga Bay-ден Солтүстік аралдың жер үсті желісі солтүстік-шығысқа қарай Johnsonville қаласының батысындағы Makara арқылы өтеді. Ngaio қаласының батысында, Makara жағалауының солтүстігіндегі Te Hikowhenua электродтық желісі Солтүстік аралдың конвертерлік станциясына соңғы қосылу үшін негізгі таралым желісінің тіректерімен бірігеді. Желі Churton Park айналып шығысқа бұрылады, Horokiwi-ге өтеді, содан кейін солтүстік-шығысқа бұрылып Belmont аймақтық паркі арқылы Lower Hutt қаласының солтүстігіндегі Haywards-қа дейін жетеді, мұнда Солтүстік аралдың статикалық инверторлық станциясы орналасқан. Haywards-та екі конвертерлік станция ±350 кВ тұрақты токты қабылдап, оны 220 кВ ауыспалы токқа түрлендіреді. Осы жерден Inter-Island байланысынан электр қуаты негізгі Haywards HVAC қосалқы станциясына ағады, онда ол Wellington қалалық аймағына таратылады немесе Солтүстік арал желісінің қалған бөлігіне жіберіледі.

The HVDC transmission line crosses the Benmore power station tailrace and takes a route along the eastern side of the dam. The line continues north along the eastern shore of Lake Benmore, before turning north east and then east to meet the Christchurch to Twizel HVAC line. Crossing State Highway 8 south of Fairlie, the line then turns northeast, passing between Fairlie and Geraldine. North of Geraldine to Oxford, the HVDC line broadly follows the Inland Scenic Route tourist highway through the inland Canterbury Plains, passing close to the towns of Methven, Sheffield and Oxford, before continuing northeast towards Waipara. The HVDC line passes through Weka Pass into the Amuri district, travelling north through the region, west of Culverden, to Hanmer Springs. From here, the line turns north east and travels through Molesworth Station into Marlborough and down the Awatere River valley, before turning north to meet State Highway 1 through the Dashwood and Weld Passes. The line travels east of Blenheim, meeting the eastern coast of the island at Cloudy Bay, and travelling up the coast into the Marlborough Sounds. The line turns east and then south east around Port Underwood, before crossing to Fighting Bay on the coast, where the South Island cable terminal is located. At this physical location, the lines connects to three undersea cables taking electricity underneath Cook Strait. as of August 2012, Pole 2 uses two of these cables, with the third cable unused waiting the commissioning of Pole 3. The cables initially head south out of Fighting Bay, before turning east towards the North Island, and then turning northeast towards the North Island cable terminal at Oteranga Bay. From Oteranga Bay, the land based North Island transmission line travels northeast through Mākara just west of Johnsonville. West of Ngaio, the electrode line from the North Island shore electrode at Te Hikowhenua, north of Mākara Beach, merges with the main transmission line towers for the final connection to the North Island converter station. The line turns eastwards around Churton Park, crossing to Horokiwi before turning north east and passing through Belmont Regional Park to Haywards in northern Lower Hutt, the site of the North Island static inverter plant. At Haywards, two converter stations receive HVDC power at ±350 kV, and convert it to alternating current at 220 kV AC. From here, the power from the Inter Island link flows to the main Haywards HVAC substation, where it is distributed to the Wellington urban area, or is transmitted north to the rest of the North Island grid.

Техникалық сипаттама

Жаңа Зеландия аралық HVDC байланысы – Оңтүстік және Солтүстік аралдарды қосу үшін әуе желілері мен су асты кабельдерін пайдаланатын ұзақ қашықтықтағы екіполюсті HVDC "классикалық" беру жүйесі. Ол AC және DC арасындағы түзету және инверсиялау процесі үшін байланыстың екі басында тиристорлық желілік коммутациялық түрлендіргіштерді қолданады. Бұл байланысқа жерге қайтару тогын пайдалануға мүмкіндік беретін жер электродтық станцияларын қамтиды. Бұл екі полюс арасындағы теңгерімсіз токпен жұмыс істеуге, сондай-ақ бір полюс істен шыққанда монополярлық режимде жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Су асты кабельдері

1991 жылы орнатылған үш су асты электр кабельдерінің әрқайсысы 350 кВ жұмыс кернеуінде үздіксіз 1430 А ток өткізуге есептелген. Олар тығыздалған көп талшықты мыс өткізгіштен жасалған орталық ядродан, массамен сіңдірілген қағаз оқшаулағышынан және қорғасын қабықтан тұрады. Екі қабат гальвандалған болат сым қауіпсіздік пен механикалық қорғаныс қамтамасыз етеді. Кабельдің сыртқы қабаты полипропилен арқаннан жасалған және сыртқы диаметрі шамамен 130 мм. Кабельдер 30 минут бойы 1600 А жүктемеге төте шеге алады.

HVDC беру желісі

Ағызу желісі Жаңа Зеландия Электр энергетикасы департаментімен жобаланып, салынды және 1965 жылдың қаңтарында аяқталды. Желінің бастапқы құрылысы 1623 темір торлы тіреуіш мұнараларды орнатуды қамтыды. Оңтүстік аралдың кейбір бөліктерінде желі 1280 метр биіктікке жетеді. Ең ұзын аралығы 1119 м, Порт Андервуд маңында, Файтинг Бей кабельдік терминалына жақын жерде орналасқан. Желі бастапқыда ±250 кВ кернеуде жұмыс істеуге есептелген. 1989-1992 жылдардағы DC Гибридтік байланыс жобасы барысында, желі 350 кВ кернеуде жұмыс істеуге мүмкіндік беру үшін DC тұманды типтегі фарфор изоляторлармен қайта оқшауланды. Жолдың ішкі бөліктеріндегі изолятор тізбегінде 15 бірлік, ал тұз конденсатына ұшырайтын жағалау бөліктерінде 33 бірлік бар. Жағалау аймақтарындағы изолятор тізбектерінің ұзындығы шамамен 5 метрді құрайды. 2010 жылы желідегі мұнаралардың 92,5 пайызынан астамы (1503) бастапқысы екені анықталды, ал қалған мұнаралар желінің бағытын өзгерту, құлау немесе коррозия салдарынан ауыстырылды. DC Hybrid Link жобасынан кейін, желі әр полюсте 350 кВ HVDC жұмыс кернеуінде үздіксіз 2000 ампер ток күшін тасымалдауға қабілетті болды.

1 полюсті пайдаланудан шығару

2007 жылдың 21 қыркүйегінде Pole 1 сынапты доғалық түрлендіргіш станциялары "белгісіз мерзімге" тоқтатылды. Алайда, 2007 жылдың желтоқсанында Transpower қажет болған жағдайда Солтүстік аралдағы қуат сұранысын қанағаттандыру үшін Pole 1 қуатының жартысы 2008 жылдың қысына дейін "жылы күшінде күшінде" режимде қайта қолданылатынын хабарлады. Pole 1-дің қалған жартылай жабдықтары қолданудан шығарылатын болды. Transpower 2007 жылдың қарашасында 2007 жылдың желтоқсанына дейін Pole 2-нің оңтүстік-солтүстік қуат беру қабілетін 500 МВт-тан 700 МВт-қа дейін арттыратынын мәлімдеді. Бұл үш операциялық су асты кабельдерін қайта конфигурациялау арқылы жасалды. Бұрын Pole 1-ге қосылған екі кабельдің бірі Pole 2-ге ауыстырылды. 2008 жылдың 13 наурызында Transpower Солтүстік аралдағы қуат сұранысы ең жоғары болған кезде Pole 1 қуатының 50% қайта қалпына келтіру жұмыстары аяқталғанын хабарлады. Бұл қалпына келтіру үшін Дания мен Швеция арасындағы Konti Skan желісінен бірнеше сынапты доғалық түзеткіштер алынып, пайдаланылды. Pole 1 арқылы энергия беру ескірген түрлендіргіш жүйесіне түсетін стрессті азайту үшін тек солтүстік бағытта ғана шектелді. 2009 жылдың мамырында Transpower Pole 2-де қуаттың уақытша жоғалтылуына байланысты Pole 1-дің қалған қуатын қысқа мерзімге, 200 МВт лимитпен қайта қолданысқа берді. Pole 1-дің жартысының қолданудан шығарылуы және қалған қуатына қойылған шектеулер HVDC желісінің көбінесе монополярлық режимде, тек Pole 2 арқылы жұмыс істеуіне әкелді. 2010 жылы Transpower монополярлық режимде үздіксіз жұмыс істеудің HVDC желісін жермен гальваникалық элемент ретінде әрекет етуіне себеп болғанын, нәтижесінде Бенмордың Bog Roy жерлік электроды анод ретінде әрекет ететін болғандықтан эрозияға ұшырады, ал Хейвардтың Te Hikowhenua жағалау электроды катод ретінде әрекет ететін болғандықтан магний мен кальций гидроксидінің шөгінділері жиналды деп хабарлады. Қосымша ауыстыру және күтім жұмыстары қажет болды.

2-қақпақпен басқару жүйесін ауыстыру

Pole 2 1980 жылдардың соңындағы технологияны қолдана отырып, HVDC басқару жүйелерімен 1992 жылы пайдалануға берілді. 20 жыл қызмет еткеннен кейін басқару жүйелері пайдалану мерзімінің соңына жақындап, технологиялық тұрғыдан ескіріп, жаңа Pole 3 басқару жүйелерімен үйлеспейді, бұл екі полюсті басқаруды мүмкін емес етеді. 2013 жылдың соңында Transpower Pole 2-ні төрт аптаға қызметтен шығарды, бұл басқару жүйелерін Pole 3-те қолданылатын жүйелермен бірдей жаңа жүйелерге алмастыруға және екі полюсті басқару үшін жаңа биполярлық басқару жүйесін орнатуға мүмкіндік берді. Жаңа басқару жүйелерін сынау үш айға созылды. Pole 3 тоқтау кезеңінде және сынақтардың басым бөлігінде жер электродтарымен монополярлық конфигурацияда жұмыс істеді.

Желілерді күтіп ұстау

1-баған қызметтен алынып, 3-бағанмен алмастырылған кезеңде тарату желісінің кейбір бөлімдерінде техникалық қызмет көрсету және түзету жұмыстары жүргізілді. Жұмыстарға мыналар кірді:

Кук бұғазындағы кабельдер

2024 жылы Сауда комиссиясы Transpower компаниясының Жоғары кернеулі тұрақты ток желісінің (HVDC) қуатын арттыру жөніндегі ұсынысын мақұлдады, оған Кук бұғазына төртінші кабельді қосу және Хейвордстағы реактивті қолдауды күшейту кіреді. Бұл жаңа инвестиция HVDC желісінің максималды қуатын 1400 МВт-қа дейін арттыруға мүмкіндік береді. Жаңарту шарасы төтенше жағдай ретінде мақұлданды, оның іске асырылу уақыты алюминий балқыту зауытының Тивай Пойнттан кетуі, жүктеме және генерация бойынша болжамдардың өзгеруі, сондай-ақ Transpower компаниясының инвестициядан нарықта оң нәтиже алуын көрсетуі сияқты факторларға байланысты болады. Transpower компаниясының мәлімдемесіне сәйкес, қолданыстағы су асты кабелдерінің қызмет мерзімі 2030 жылдардың басында аяқталады және оларды ауыстыруға шамамен 400 миллион доллар жұмсалады.