Линия электропередачи постоянного тока Path 27 в Юго-Западных Штатах США.

Введение

Электрическая линия передачи в юго-западной части США, также известная как Intermountain или Southern Transmission System (STS), представляет собой линию передачи высоковольтного постоянного тока (HVDC), проходящую от угольной электростанции Intermountain Power Plant, расположенной недалеко от города Дельта, штат Юта, до конвертерной станции Adelanto в городе Adelanto, штат Калифорния. Линия построена компанией Asea, базирующейся в Швеции, и введена в эксплуатацию в июле 1986 года. Система предназначена для передачи электроэнергии, вырабатываемой электростанцией в Юте, в различные районы Южной Калифорнии. Владельцем и оператором линии является Intermountain Power Agency – кооператив, состоящий из шести городов в районе Лос-Анджелеса, крупнейшим участником которого является Департамент воды и электроэнергии Лос-Анджелеса (LADWP), а также 29 небольших муниципалитетов штата Юта. Path 27 представляет собой воздушную линию электропередач длиной 785 км (488 миль) и способна передавать до 2400 мегаватт (МВт) мощности при напряжении ±500 киловольт (кВ), что превышает номинальную мощность электростанции в 1900 МВт. Максимальный ток составляет 4800 ампер. Учитывая большую протяженность линии, постоянный ток (DC) предпочтительнее более распространенного переменного тока (AC), поскольку он позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями из-за сопротивления и не требует промежуточных подстанций. Линия является биполярной, то есть имеет два проводника с противоположной полярностью (в отличие от трех проводников в линиях переменного тока). Оба проводника на протяжении всей линии состоят из трех скрученных кабелей, что позволяет снизить влияние электромагнитных помех и повысить эффективность линии. На каждом конце линии расположена конвертерная станция, преобразующая переменный ток в постоянный и обратно. Каждая конечная точка также оборудована выделенной системой заземления, соединенной электродной линией с заземляющим устройством, расположенным вдали от конвертеров, для обеспечения достаточного возврата тока через землю. Это помогает защитить основную линию и оборудование от повреждений и позволяет системе работать с частичной нагрузкой. Вдоль трассы Path 27 проложены многочисленные другие линии передачи переменного тока, в том числе линии напряжением 500 кВ. Линию можно увидеть с межштатной автомагистрали I-15, которую она несколько раз пересекает. В рамках проекта по переоборудованию электростанции Intermountain для работы на водороде планируется замена конвертерных станций линии HVDC. Ввод станций в эксплуатацию ожидается к июню 2026 года.

Electrical transmission line in Southwestern United States

Path 27, also called the Intermountain or the Southern Transmission System (STS), is a high voltage direct current (HVDC) electrical transmission line running from the coal fired Intermountain Power Plant near Delta, Utah, to the Adelanto Converter Station at Adelanto, California, in the Southwestern United States. It was installed by Asea, a company based in Sweden, and commercialized in July 1986. The system is designed to carry power generated at the power plant in Utah to areas throughout Southern California. It is owned and operated by the Intermountain Power Agency, a cooperative consisting of six Los Angeles area cities, the largest member being the Los Angeles Department of Water and Power (LADWP), and 29 smaller Utah municipalities. Path 27 consists of an overhead power line 488 mile (785 km) long, and is capable of transferring up to 2,400 megawatts (MW) of power at ±500 kilovolts (kV), higher than the power plant's operational output of 1,900 MW. The resulting maximum current is 4,800 amperes. Given its length, a direct current (DC) is preferred to the more common alternating current (AC) as it allows the electrical energy to travel farther with minimal loss to resistance and requires no intermediate stations. It is bipolar, meaning that it has two conductors of opposite polarity (in place of three conductors for AC lines). Both conductors for the entire length are three cables bundled together; this is done to reduce the effects of EM interference and enhance the power line's performance. At each end of the line is a converter station that changes AC to DC on one side and back again on the other. Each terminus also features a dedicated ground which is connected by an electrode line to a grounding site away from the converters to provide ample earth return; this helps protect the main line and equipment from faults, and allows the system to operate at partial capacity. Sections of Path 27 are paralleled by many other AC transmission lines, including some of 500 kV. The line is also viewable from Interstate 15 which it crosses several times on its trek. The HVDC line's converter stations will be replaced as part of a project to repurpose the Intermountain Power Plant as a hydrogen burning facility. The stations are expected to go online by June 2026.

Предыстория

Высокие напряжения обычно необходимы для передачи больших объемов электрической энергии на значительные расстояния, а также для минимизации потерь энергии из-за сопротивления в проводящих кабелях, возникающих при высоком токе; то есть, повышение напряжения снижает силу тока в цепи, согласно закону Ома. В то время как высоковольтные линии электропередачи обычно используют трехфазный переменный ток (AC) для перемещения электроэнергии в обоих направлениях, высоковольтные линии постоянного тока (HVDC), такие как Path 27, передают энергию только в одном направлении. Постоянный ток (DC) также характеризуется меньшими потерями энергии, чем переменный ток на том же расстоянии; другими словами, DC способен передавать энергию на гораздо большие расстояния, чем AC, которому могут потребоваться промежуточные подстанции или "отводы" вдоль маршрута. Еще одним недостатком AC является тенденция потока мощности концентрироваться в поверхностном слое проводника, явление, известное как "эффект скин-слоя". DC избегает этой проблемы, позволяя мощности проникать на всю толщину проводника для достижения оптимальной пропускной способности. Наконец, для Path 27 была выбрана схема постоянного тока, поскольку стоимость передачи энергии на данном расстоянии ниже, чем при использовании AC. HVDC также дешевле, так как требует менее трех проводников, что снижает расход материалов и, соответственно, стоимость инфраструктуры и оборудования. Компания Asea, многонациональный поставщик электрооборудования со штаб-квартирой в Швеции, осуществляла управление и поставки для Path 27 и являлась ключевым участником в монтаже линии электропередачи. Номер "Path 27" присвоен Western Electricity Coordinating Council (WECC), который контролирует электрическую сеть передачи на территории американского Запада, для идентификации этой линии среди других критически важных маршрутов передачи. Несмотря на способность системы выдерживать высокие нагрузки, основными потребителями энергии являются Глендейл (как показано в таблице ниже). В целом, эти участники получают наибольшую долю энергии в рамках IPA. +Конечные потребители Path 27 (на основе номинальной мощности 1800 МВт) LADWP 48.617% Анахайм 13.225% Риверсайд 7.617% Пасадена 4.409% Бербанк 3.371% Глендейл 1.704% Итого 78.943% Источник: Участники и услуги.

High voltages are typically needed to convey large quantities of electrical power over a vast distance, while also minimizing the amount of energy lost to resistance in the conductive cables as a byproduct from a high current; that is, raising the voltage lowers the amperage for the circuit, according to Ohm's law. Whereas high voltage transmission routes commonly employ a three phase alternating current (AC) to move electricity in a to and fro fashion, high voltage direct current (HVDC) lines, such as Path 27, carry power in only one direction. A direct current (DC) also incurs less loss of energy than AC over the same distance; in other words, DC can sustain power much further than AC, which may require intermediate stations, or "taps," along the route. Another disadvantage for AC is that power tends to flow on the outer layer of the conductor, a phenomenon called the "skin effect." DC eschews this problem; it allows power to penetrate the entire thickness of the conductor for optimal capacity. Finally, DC circuitry has been chosen for Path 27 because the cost of transmitting power over its distance is lower than with AC, HVDC is also cheaper because it utilizes fewer than three conductors, translating to less materials and subsequently allaying the cost of infrastructure and equipment used. Asea, a multinational electrical supplier based in Sweden, managed the framework and supplies for Path 27, and was a chief contributor for the power line's installment. The number in "Path 27" is assigned by the Western Electricity Coordinating Council (WECC), which oversees the electrical transmission grid across the American West, to distinguish this line from the other critical transmission routes. though the system is able to handle such heavy usage. and Glendale (as shown in the table below). Altogether, these members acquire the biggest proportion of energy under the IPA. +End Users of Path 27 (based on net rating of 1,800 MW)LADWP48.617%Anaheim13.225%Riverside7.617%Pasadena4.409%Burbank3.371%Glendale1.704%Total78.943%Source: Participants & Services

Трансмиссия

Основной компонент линии 27 – сама линия электропередачи, проходящая на протяжении 488 миль (785 км) полностью над землей через юго-запад штата Юта, южную Неваду и южную Калифорнию. Она работает при напряжении ±500 кВ и рассчитана на передачу 2400 МВт, что обеспечивает максимальный ток в 4800 ампер; для сравнения, Межгорная электростанция (IPP) генерирует до 1900 МВт, что повышает устойчивость линии к авариям. В отличие от трехфазных систем, линия 27 имеет два полюса: один положительный (катод) и один отрицательный (анод). В большинстве систем HVDC электроэнергия может передаваться в обоих направлениях, однако в нормальных условиях линия 27 транспортирует электроэнергию из Юты в Калифорнию. Поэтому проводники линии 27 состоят из трех кабелей, соединенных вместе, или выполнены в виде тройной связки. Это не только снижает негативное влияние эффекта коронного разряда, но и увеличивает площадь поверхности для прохождения тока, тем самым повышая эффективность передачи. Каждый кабель состоит из алюминиевых жил, окружающих стальной сердечник для обеспечения прочности и долговечности, а поперечное сечение композита составляет… (указать единицы измерения).

Конверторы

С обеих сторон 27-го пути расположена преобразовательная станция, которая обеспечивает связь между электрической мощностью в цепях переменного и постоянного тока и широко используется во всех проектах HVDC по всему миру. Преобразователи находятся на станции IPP к северу от города Дельта, штат Юта, и на преобразовательной станции Аделанто в городе Аделанто, к северу от Сан-Бернардино, штат Калифорния. Основной элемент процесса преобразования – это группы электронных клапанов, которые последовательно изменяют поток электричества аналогично выключателям. Тип клапанов на 27-м пути – тиристоры, технология, популярная в HVDC с конца 1960-х годов. Конфигурация клапанов идентична для обоих преобразователей: 24 стека высотой около 15 метров, каждый из которых состоит из 24 клапанов (или трех "четырехклапанных блоков"). Клапаны закреплены на высоких изоляторах, которые отделяют их от внутренних стен, пола и потолка, что необходимо для предотвращения индукции и преждевременного заземления, а также для улучшения охлаждения. Вентильные залы 27-го пути также укреплены для защиты от землетрясений. Поскольку преобразователь IPP расположен рядом с электростанцией, электроэнергия обычно поступает в линию HVDC с этой конечной точки. Перед поступлением в систему электроэнергия проходит через ряд трансформаторов, которые защищают объект от помех, вызванных скачками напряжения. Затем электричество направляется по 27-му пути. Преобразовательная станция Аделанто является приемным концом линии HVDC и имеет примерно такую же планировку, но механизм преобразования обратный. После еще одного набора реакторов и фильтров поступающая мощность попадает в вентильный зал, чтобы снова перейти в цепь переменного тока – это инверсия, которая блокирует любой обратный поток мощности в контуре переменного тока, не позволяя ему достичь клапанов и обеспечивая однонаправленное движение. Сообщается, что они являются самыми крупными, когда-либо произведенными ABB Group в США, хотя на практике это случается редко. Как и любая схема HVDC, 27-й путь должен быть заземлен на обоих концах для работы относительно земли. Заземление обеспечивает электрическому току общий путь возврата в землю, который служит нейтральной точкой для цепи. Даже при наличии мер предосторожности и значительной устойчивости к сбоям, на линии могут и происходят отказы, поэтому заземление становится способом поддержания надежности системы. Если в одном из полюсов возникает неисправность, его ток отводится через заземление для завершения цепи. Это обесточивает проблемный проводник, в то время как второй полюс остается активным. Эти места были выбраны, в частности, из-за высокой электропроводности в земных минералах. Длина заземляющей линии для преобразователя IPP составляет , а для Аделанто – .

Both sides of Path 27 feature a converter station, which bridges electrical power between AC and DC circuitry and is ubiquitous to HVDC projects worldwide. The converters are located at the IPP station north of Delta, UT, and the Adelanto Converter Station in Adelanto, north of San Bernardino, CA. The heart of the conversion process transpires in clusters of electronic valves that procedurally modify the flow of electricity in a manner similar to switches. The type of valves on Path 27 is thyristor, technology popular in HVDC since the late 1960s. The valve configuration is identical for both converters: 24 stacks about 50 feet (15 m) in height of 24 valves apiece (or three "quadruple valves"), The valves are affixed on tall insulators that separate them from the interior walls, floor, and ceiling; done to hinder induction and premature grounding, as well as aid cooling. Path 27's valve halls are also fortified against earthquakes. As the IPP converter is adjacent to the power plant, electricity is generally fed into the HVDC line from this terminus. Ingress for power to the system is preceded by a row of transformers and serve to cushion the facility from disturbances as a result of power surges. The electricity is then sent on its way down Path 27. The Adelanto Converter Station demarks the receiving end of the HVDC line and has relatively the same layout, but the conversion mechanism is reversed. Beyond another set of reactors and filters, the inpouring power enters the valve hall to be carried over to AC circuitry anew—this is inversion, and it blocks any power backflow on the AC conduit from reaching the valves to enforce unidirectional movement. They are reputedly the largest ever manufactured to the U. S. by ABB Group. although this seldom happens out of practicality.|group=lower alpha
Like any HVDC scheme, Path 27 needs to be grounded at both ends in order to operate with respect to the earth. Grounding provides the electric current a common path back into the earth, which serves as a neutral point for the circuit. Even with safeguards and a substantive fault tolerance, failures on the line can and do occur, thence grounding becomes a workaround for continued reliability of the system. If one pole develops a fault, its current is diverted via the ground return to complete the circuit. This de energizes the problem conductor, while the second pole remains active; These spots were chosen in part for high conductivity within the earthen minerals. The electrode line for the IPP converter has a total length of , and the Adelanto's extends .

Маршрут

Следуя обычному потоку электроэнергии, трасса 27 начинается на Интермаунтайнской электростанции в штате Юта и ненадолго направляется на запад, прежде чем повернуть на юг, проходя над автомагистралями U.S. 50/U.S. 6 к западу от Хинкли. Линия постоянного тока проходит через множество сухих котловин и высоких гор в юго-западной части штата, пересекая дороги Юты 21, 56 и 18, прежде чем достичь Невады примерно в 5,5 милях (9 км) к северу от северо-западного угла Аризоны, одновременно входя в пустыню Мохаве. В Неваде трасса 27 проходит через месу Мормона, обходя Глендейл и пересекая реку Мадди. Она пересекает земли резервации коренных народов Моапа. Вдоль линии постоянного тока проходит линия электропередачи 345 кВ, соединяющая Интермаунтайнскую электростанцию с ветропарком вблизи Милфорда.

Будущее

Угольные электростанции на площадке IPP (Intermountain Power Plant) должны быть выведены из эксплуатации к 2027 году, что соответствует стремлению LADWP снизить зависимость от ископаемого топлива и перейти к более экологически чистой энергии. Они будут объединены как минимум с двумя солнечными электростанциями на соседних участках. Эти источники энергии смогут генерировать 840 МВт и 300 МВт на пике мощности, соответственно, или 1140 МВт при совместной работе, что все еще меньше максимальной пропускной способности Path 27. Этот "проект модернизации" также предусматривает замену и ввод в эксплуатацию обеих преобразовательных подстанций к июню 2026 года, а также модернизацию Path 27 для увеличения срока службы линии электропередач.