Введение
Система передачи электроэнергии Nelson River DC Transmission System, также известная как Manitoba Bipole, представляет собой систему передачи электроэнергии, состоящую из трех линий постоянного тока высокого напряжения в провинции Манитоба, Канада, эксплуатируемую компанией Manitoba Hydro в рамках проекта гидроэлектростанции Nelson River. В настоящее время она включена в список IEEE Milestones в области электротехники. В ходе последовательных этапов реализации проекта было установлено несколько рекордов, включая самые крупные (и последние) ртутные дуговые клапаны, самое высокое напряжение передачи постоянного тока и первое применение тиристорных клапанов с водяным охлаждением в системах HVDC. Система передает электроэнергию, генерируемую несколькими гидроэлектростанциями, расположенными вдоль реки Нельсон в Северной Манитобе, через малонаселенные районы к населенным пунктам на юге. Она включает в себя две выпрямительные станции: Radisson Converter Station, расположенную вблизи Гиллама, и Henday Converter Station, расположенную вблизи Санденса, одну инверторную станцию Dorsey Converter Station, расположенную в Россере к северо-западу от Виннипега, и два комплекта линий передачи постоянного тока высокого напряжения. Каждая линия передачи HVDC имеет два параллельных воздушных провода для передачи положительного и отрицательного полюсов. Третья линия, Bipole 3, была завершена в 2018 году и проходит от новой станции Keewatinoow Converter Station вдоль западного берега озера Манитоба до новой станции Riel Converter Station, расположенной на восточной стороне Виннипега. Промежуточные коммутационные подстанции или отводы отсутствуют. Все три биполярные системы оснащены разветвленной системой заземляющих электродов, позволяющей использовать их в монополярном режиме.
The Nelson River DC Transmission System, also known as the Manitoba Bipole, is an electric power transmission system of three high voltage, direct current lines in Manitoba, Canada, operated by Manitoba Hydro as part of the Nelson River Hydroelectric Project. It is now recorded on the list of IEEE Milestones in electrical engineering. Several records have been broken by successive phases of the project, including the largest (and last) mercury arc valves, the highest DC transmission voltage and the first use of water cooled thyristor valves in HVDC. The system transfers electric power generated by several hydroelectric power stations along the Nelson River in Northern Manitoba across the wilderness to the populated areas in the south. It includes two rectifier stations, Radisson Converter Station near Gillam at and Henday Converter Station near Sundance at , one inverter station, Dorsey Converter Station at Rosser located north west of Winnipeg at ), and two sets of high voltage direct current transmission lines. Each HVDC transmission line has two parallel overhead conductors to carry the positive and negative feeds. A third line, Bipole 3, was completed in 2018, running from the new Keewatinoow Converter Station along the west side of Lake Manitoba to the new Riel Converter station on the east side of Winnipeg. There are no intermediate switching stations or taps. All three bipolar systems have extensive ground return electrodes to allow use in monopolar mode.
История
Строительство в 1966 году электростанции Kettle Rapids мощностью 1272 МВт потребовало прокладки длинной линии передачи для соединения с центрами потребления в южной части Манитобы. Правительство Канады согласилось профинансировать установку линии постоянного тока высокого напряжения (HVDC), которую Manitoba Hydro должна была погасить по мере роста нагрузки и появления возможности взять на себя долг по линии. Поставка электроэнергии постоянного тока началась 17 июня 1972 года. Один блок электростанции Kettle был завершен до ввода в эксплуатацию преобразователей постоянного тока. Зимой 1970 года двуполюсные линии были запитаны переменным током, внеся существенный вклад в энергосистему Манитобы; для предотвращения чрезмерного повышения напряжения из-за эффекта Ферранти был установлен шунтирующий реактор. В то время Bipole I использовала самое высокое в мире рабочее напряжение для передачи максимальной мощности от удаленного источника в город и была оснащена самыми крупными ртутными дуговыми клапанами, когда-либо разработанными для подобных целей. Для строительства линии потребовалось возведение более 3900 промежуточных опор и 96 самостоятельных башен на разнообразном рельефе. Наличие вечной мерзлоты в некоторых районах привело к осадке фундаментов до 3 футов (1 метра). Долговое обязательство перед правительством Канады было погашено, когда Manitoba Hydro выкупила линию и остаток долга в 1992 году. В 1997 году торнадо повредило 19 опор линий постоянного тока. Во время ремонта крупным потребителям было рекомендовано снизить нагрузку, однако импорт электроэнергии по линиям 500 кВ от соседних энергокомпаний в США предотвратил серьезные перебои в электроснабжении. Был предложен проект строительства третьей линии, получившей название Bipole 3, проходящей вдоль западной стороны Манитобы. 26 октября 2009 года Канадская федерация налогоплательщиков совместно с инженерами и экологами опубликовала анализ, в котором, по их утверждению, были опровергнуты все аргументы правительства в пользу строительства линии вдоль западной части провинции. Линия была построена по западному маршруту и завершена в 2018 году.
Компоненты системы
В настоящее время система передачи состоит из трех биполярных линий передачи с их преобразовательными подстанциями и заземляющими электродами для обеспечения возможности монополярной работы.
Бипольный 1
Биполя 1 проходит от Радиссона до Дорси. Первоначально она была рассчитана на работу при максимальной разности потенциалов ±450 киловольт и максимальной мощности 1620 мегаватт. Это соответствует электрическому току 1800 ампер. Биполя 1 состоит из шести 6-импульсных преобразовательских групп на каждом конце (три последовательно на полюс), каждая из которых первоначально рассчитана на 150 кВ постоянного тока, 1800 А. Каждая преобразовательская группа может быть оборудована вакуумным выключателем на стороне постоянного тока. Последующие модернизации увеличили номинальный ток до 2000 А и номинальное напряжение большинства оборудования до 166 кВ на мост (то есть, 500 кВ суммарно), хотя по состоянию на январь 2013 года Manitoba Hydro сообщала, что линия эксплуатируется при напряжении +463 кВ / -450 кВ. При строительстве в период с марта 1971 года по октябрь 1977 года для выпрямления переменного тока использовались ртутные дуговые клапаны. Эти клапаны, поставляемые компанией English Electric, имели по шесть параллельных анодных колонн и были самыми мощными ртутными дуговыми клапанами, когда-либо созданными. Каждый из них имел вес , длину , ширину и высоту . В 1992–1993 годах ртутные дуговые клапаны полюса 1 были заменены твердотельными тиристорами от GEC Alsthom, что увеличило максимальную мощность и напряжение линии до текущих значений. Ртутные дуговые клапаны полюса 2 были заменены позже компанией Siemens. К концу 2004 года последние ртутные дуговые клапаны на полюсе 2 были заменены тиристорами. На обеих станциях Радиссон и Дорси тиристоры расположены в том же зале, где первоначально находились ртутные дуговые клапаны. В обоих местах зал имеет высоту , ширину и длину .
Бипольный 2
Линия передачи Биполя 2 проходит от Хендей до Дорси. Биполь 2 может передавать максимальную мощность 1800 МВт при напряжении ±500 кВ. Биполь 2 состоит из четырех групп 12-импульсных преобразователей на каждом конце (по два последовательно на полюс) и был введен в эксплуатацию в два этапа. После первого этапа в 1978 году максимальная мощность составляла 900 МВт при 250 кВ, которая увеличилась до текущего значения после завершения строительства в 1985 году. Биполь 2 пересекает реку Нельсон на 56.459811° с.ш. 94.143273° з.д. Существует резервный переход через реку Нельсон на 56.441383° с.ш. 94.176114° з.д. Невозможно напрямую переключить линию на резервный переход. В отличие от Биполя 1, Биполь 2 изначально был оснащен тиристорами. Тиристоры, поставленные немецким консорциумом HVDC (Siemens, AEG и Brown Boveri), впервые использовали водяное охлаждение в проекте HVDC. До этого момента в немногочисленных схемах HVDC с использованием тиристоров применялось либо воздушное охлаждение, либо, как в проекте Cahora Bassa, реализованном тем же консорциумом, масляное охлаждение. Тиристоры были расположены в вертикальных стеках по четыре штуки (четырехвальвные сборки). Каждая сборка содержала 96 тиристоров, соединенных последовательно, с двумя параллельными ветвями. Они были организованы в 16 тиристорных модулей, соединенных последовательно с 8 реакторными модулями.
Электроды обратного приземления
Хотя обычно каждая из линий работает как биполярная система, если полюс отключен для технического обслуживания или из-за неисправности, электрод возврата на землю используется для поддержания работы с частичной мощностью. Биполи 1 и 2 используют общий заземляющий электрод кольцевого типа диаметром от завода преобразователей Дорси. Электрод Дорси соединен с заводом преобразователей двумя воздушными линиями на деревянных столбах: одна для Биполя 1 и одна для Биполя 2. В Radisson Биполь 1 использует заземляющий электрод того же размера и типа, что и в Дорси, но расположенный на расстоянии от станции. Биполь 2 использует заземляющий электрод диаметром, расположенный на расстоянии от конвертерной станции Henday. Биполь 3 имеет заземляющий электрод рядом с конвертерной станцией Keewatinoow, соединенный линией электродов длиной 30 км. На южной конвертерной станции Риэль линия электродов проходит около 26 км до места заземления электрода вблизи Хейзелриджа, Манитоба.
Bipole 2 uses a ground electrode in diameter, and from the Henday Converter Station
Bipole 3 has a ground electrode site near the Keewatinoow Converter Station at connected by a 30 km electrode line. At the southern Riel Converter Station, the electrode line runs about 26 km to a grounding electrode site at near Hazelridge, Manitoba.