5.3.1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
5.3.1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Хронология развития линий электропередачи (ЛЭП) трехфазного переменного тока в Европе и США хорошо известна. На рис. 5.7 видно, как быстро был преодолен стартовый 10–15-ки-ловольтный рубеж: в 1898–1902 гг. были освоены ЛЭП 35–40 кВ, в 1903–1910 гг. — 50–70 кВ, в 1907–1921 гг. — 90–100 кВ, в 1912–1923 гг. — 150 кВ, в 1918–1927 гг. — 225 кВ, в 1934 г. — 287 кВ (США) и в 1954 г. — 345 кВ (США). Быстрому росту напряжения воздушных линий способствовал прогресс в разрешении проблем высоковольтной изоляции, в частности изобретение тарельчатых изоляторов (США, 1906 г.), заменивших штыревые.
В дореволюционной России было построено всего около 200 км ЛЭП 10, 35 и 70 кВ. Первая ЛЭП 110 кВ (Кашира — Москва) длиной 120 км была построена уже после Октябрьской революции по плану ГОЭЛРО в 1922 г., в 1932 г. была введена в работу ЛЭП 150 кВ от ГЭС на Днепре, с 1933 г. начала строиться ЛЭП 220 кВ (от Свир-ской ГЭС до Ленинграда и др.).
Рис. 5.7. Рост номинального напряжения (его максимального значения) воздушных линий электропередачи в США, Канаде и в европейских странах
1 — Франция; 2 — Швеция; 3 — США; 4 — Канада
Выполнение плана ГОЭЛРО привело к модернизации многих заводов отечественной электротехнической промышленности: МЭЗ, «Электросила», «Электроаппарат», «Пролетарий», «Изолятор» и др., без развития которых этот план не мог быть осуществлен.
Еще до второй мировой войны в специальном бюро при Политехническом институте в Ленинграде под руководством проф. А.А. Горева были начаты исследования по ЛЭП 400–500 кВ длиной порядка 1000 км, которые предполагалось использовать для передачи электрической энергии от крупных ГЭС, планируемых на Волге, к району Москвы. После войны эти исследования были продолжены во многих институтах страны (ВЭИ, ЛПИ, НИИПТ и др.). Одновременно в институте «Теплоэлектропроект» были развернуты проектные работы по ЛЭП 400 кВ. В научно-исследовательских институтах и на предприятиях электротехнической промышленности разрабатывались силовые трансформаторы, шунтирующие реакторы, выключатели и другое оборудование напряжением 400 кВ. Усилия ученых, проектировщиков, строителей, монтажников и конструкторов оборудования завершились вводом в эксплуатацию в мае 1956 г. цепи ЛЭП 400 кВ протяженностью 815 км. В конце 50-х годов на этой же построенной цепи и на всех последующих ЛЭП аналогичной длины и пропускной способности после усовершенствования оборудования и средств для эффективного ограничения перенапряжений было решено впервые использовать напряжение 500 кВ. Первая такая линия от Волжских ГЭС к Москве начала эксплуатироваться в 1961 г. В тот же период в СССР были освоены ЛЭП 330 кВ [5.11].
Разработка ЛЭП 750 кВ в СССР была вызвана сооружением крупных тепловых станций и АЭС мощностью 2,4–4 ГВт в европейской части страны. Они были и остаются главными системообразующими связями в европейской части ЕЭС России и стран СНГ. Все без исключения оборудование для подстанций и распределительных устройств 750 кВ, как и для сетей 500 кВ, было разработано и изготовлено отечественной электропромышленностью. Важнейшими при создании и освоении ЛЭП 750 кВ были, во-первых, проблема глубокого ограничения перенапряжений (Ю.И. Лысков, С.С. Шур, С.В. Коваленко и др.) и, во-вторых, проблема надежной работы внутренней изоляции оборудования всех видов, в особенности трансформаторов и шунтирующих реакторов (А.К. Лоханин, С.Д. Лизунов, Г.С. Кучинский и др.). Оптимизация проектных решений по воздушным линиям (К.П. Крюков, А.И. Курносов, Б.И. Смирнов, И.А. Шляпин, Л.С. Перельман, Н.Н. Тиходеев и др.) способствовала расширению области эффективного применения этих ЛЭП [5.12; 5.13].
Первая ЛЭП 750 кВ под Москвой длиной около 100 км была введена в работу в ноябре 1967 г.
21 страна в Европе вслед за Швецией построила электрические сети 380–440 кВ. Не менее широкое применение в неевропейских странах получили сети 500–550 кВ; вслед за СССР, где была в 1961 г. введена в работу первая в мире линия 500 кВ, их строили и строят в США, Канаде, Японии, Бразилии, Австралии, Новой Зеландии, АРЕ, КНР и ряде других стран.
В шести странах: Канаде (с 1966 г.), СССР (с 1967 г.), США, Бразилии, Венесуэле и ЮАР были построены ЛЭП переменного тока 735–800 кВ. С помощью СССР эти линии были построены в Венгрии, Польше, Болгарии и Румынии. Общая протяженность таких линий превысила 16 тыс. км. В конце 90-х годов ЛЭП 800 кВ начали строить в Южной Корее.
В период энергетического кризиса 70-х годов предполагалось, что для транспортирования электроэнергии на дальние расстояния от ТЭС на угле и ГЭС уже в текущем столетии потребуются ЛЭП ультравысокого напряжения (УВН). В этом направлении наиболее интенсивно работали четыре страны: СССР, США, Италия и Япония. Последовавшее затем резкое падение цен на нефть и газ (значительно более дешевая, чем передача электроэнергии по ЛЭП УВН, транспортировке нефти и газа по трубам и танкерами) обусловило снижение экономического интереса к ЛЭП УВН за рубежом. Только Япония спроектировала и построила двухцепную ЛЭП 1100 кВ длиной 250 км с двухцепными опорами башенного типа высотой 106–120 м для передачи электроэнергии от крупной АЭС в район Токио. Основные цели этого проекта: использование для ВЛ предельно узкого коридора и отработка элегазового оборудования УВН. ЛЭП будет работать на пониженном напряжении (550 кВ) вплоть до 2000 г.
В СССР научно-исследовательские работы по ЛЭП 1150 кВ были начаты в 70-х годах. Тогда же начались проектирование и сооружение опытно-промышленной ЛЭП 1150 кВ Экибастуз — Кокчетав длиной около 500 км и первых очередей подстанций «Экибастузская» и «Кокчетавская» (теперь Казахстан). Их строительство было завершено в июне 1985 г. На этой линии были проведены испытания и исследования (В.В. Ильиничнин, Н.Н. Беляков, А.С. Сохранский и др.), накапливался опыт эксплуатации ВЛ (В.В. Бургсдорф, А.Н. Новикова и др.) и оборудования 1150 кВ. В 1988 г. завершены строительство и монтаж подстанции 1150 кВ в Кустанае, после чего вошла в строй и ЛЭП Кокчетав — Кустанай длиной 390 км (теперь Казахстан). Построены также линии Кустанай — Челябинск и Экибастуз — Барнаул, которые пока работают на напряжении 500 кВ. Ведется сооружение линии Барнаул — Итат.
На рис. 5.8 отмечены этапы освоения ЛЭП все более высокого напряжения в СССР и США (с учетом линий, соединяющих США с Канадой).
Рис. 5.8. Рост номинального напряжения воздушных линий электропередачи 110–1150 кВ в СССР (1) и в США совместно с Канадой (2) до 1990 г.
На конец 1990 г. в СССР находились в эксплуатации примерно 431 тыс. км ЛЭП 110 кВ, 12,6 тыс. км — 150 кВ, 136,52 тыс. км — 220 кВ, 31,93 тыс. км — 330 кВ, 43,93 тыс. км — 500 кВ, 7,1 тыс. км — 750 кВ и 1,91 тыс. км — 1150 кВ. После распада СССР на территории России осталось свыше 440 тыс. км электрических сетей 110–1150 кВ, в том числе: ВЛ 110 кВ — 279 тыс. км, ВЛ 150 кВ — 2,6 тыс. км, ВЛ 220 кВ — 100 тыс. км, ВЛ 330 кВ — 9,4 тыс. км, ВЛ 500 кВ — 36,2 тыс. км, ВЛ 750 кВ — 2,7 тыс. км, ВЛ 1150 кВ — 0,5 тыс. км.
К 1990 г. СССР имел высокий международный рейтинг в области ЛЭП сверхвысокого (СВН) и ультравысокого (УВН) напряжения переменного тока.
В результате освоения в СССР ЛЭП 500 и 750 кВ в ОЭС сложились две шкалы номинальных напряжений электрических сетей: ПО — 150–330–750 кВ и 110–220–500–1150 кВ. Каждая последующая ступень в этих шкалах превышает предыдущую примерно в два раза, что позволяет повысить пропускную способность линий в два-четыре раза. Первая шкала напряжений получила распространение в северо-западных областях России, на Украине и на Северном Кавказе, вторая — в центральных областях и на всей территории России к востоку от Москвы. В настоящее время линии 110, 150 и 220 кВ используются главным образом в районных распределительных сетях для передачи электроэнергии к крупным узлам нагрузки. Электропередачи 330, 500, 750 и 1150 кВ, по которым может быть передана мощность от 350 до 4000–4500 МВт, решают задачи системного характера. Они используются для создания мощных межсистемных и внутрисистемных связей в ОЭС, передачи электроэнергии от удаленных электростанций, например атомных или ГЭС, в приемные системы.
В соответствии с установившейся терминологией Международной конференции по большим электрическим системам высокого напряжения (СИГРЭ) к линиям высокого напряжения относятся линии с наибольшим номинальным напряжением ниже 400 кВ, к линиям СВН — линии с наибольшим номинальным напряжением (линейным для линий переменного и межполюсным для линий постоянного тока) от 400 до 800–900 кВ, т.е. ниже 1000 кВ (400–550, 735–800 кВ переменного тока, 400–900 кВ постоянного тока), а к линиям УВН — линии с наибольшим номинальным напряжением 1000 кВ и выше.
В мировой практике в настоящее время значительное внимание уделяется электропередачам постоянного тока, где отсутствуют волновые процессы в линии, благодаря чему эти электропередачи приобретают новые свойства. В них снимается проблема устойчивости совместной работы связываемых систем, с их помощью можно соединять несинхронно работающие системы или системы с различной номинальной частотой и т.д.
Для передачи энергии на большие расстояния, как уже отмечалось, необходимо повышение напряжения линии. Поскольку постоянный ток не трансформируется, то повысить напряжение можно путем последовательного соединения нескольких источников. Такую схему предложил Рэне Тюри (Швейцария). По его схеме было сооружено около 15 электропередач. Главная из них — электропередача Мутье — Лион (Франция). Эта электропередача была введена в работу в 1906 г. и имела длину 180 км при напряжении 57 кВ, передаваемая мощность на первом этапе составляла 4,6 МВт.
На ГЭС Мутье несколько генераторов постоянного тока были включены последовательно, причем каждый из них был изолирован от земли, а с валом турбины они соединялись через изолирующие прокладки. На приемном конце, в Лионе, последовательно соединялись двигатели постоянного тока, которые вращали трехфазные генераторы переменного тока, включенные в сеть города.
Впоследствии мощность этой передачи была доведена до 20 МВт, а напряжение до 115 кВ. Только в 1937 г. эта электропередача была заменена трехфазной линией переменного тока.
В 30-х годах были созданы ртутные выпрямители, позволившие создать достаточно мощные преобразовательные подстанции, предназначенные для электрификации транспорта и технологических процессов в промышленности. Тогда же в США была построена первая электропередача постоянного тока на ртутных вентилях (15 кВ), предназначенная для связи энергосистем с разной частотой.
У нас в стране первая опытно-промышленная кабельная электропередача Кашира — Москва была пущена в 1950 г. Для ее создания были использованы ртутные вентили с током 50 А и напряжением 120 кВ. Длина этой электропередачи 120 км, напряжение ±100 кВ, передаваемая мощность 30 МВт. В 1954 г. была построена электропередача постоянного тока Швеция — о. Готланд (длина 100 км, мощность 20 МВт, напряжение 100 кВ).
Ртутными преобразователями в 50–60-х годах было оснащено несколько электропередач (Англия — Франция, Швеция — Дания, Тихоокеанская передача в США и др.).
Одной из важнейших проблем того периода было создание мощного высоковольтного ртутного вентиля, который мог быть использован для дальних мощных электропередач постоянного тока. Разработка такого вентиля велась во многих странах. В нашей стране в ВЭИ был создан вентиль типа ВР-9 (напряжение 130 кВ, ток 300 А). На этих вентилях в 1962–1965 гг. была сооружена электропередача Волгоградская ГЭС — Донбасс (400 км, 720 МВт, ±400 кВ), которая в течение ряда лет была крупнейшей в мире.
Опыт эксплуатации ртутных вентилей в различных странах выявил их недостаточную надежность в работе.
Положение изменилось в конце 60-х годов, когда были разработаны мощные полупроводниковые вентили — тиристоры.
Первые тиристоры имели напряжения 1–1,5 кВ и ток несколько сот ампер, что при разработке высоковольтных вентилей требовало их последовательно-параллельного соединения. В последующем успехи полупроводниковой техники привели к созданию тиристоров с током 2–3 кА и напряжением до 4 кВ. Это позволило отказаться от параллельного соединения тиристоров и уменьшило их число в последовательной цепочке.
В настоящее время сооружен ряд электропередач постоянного тока с использованием тиристорных вентилей. Крупнейшей является электропередача ГЭС Итайпу — Сан Пауло (Бразилия) (±600 кВ; 6300 МВт; 900 км), которая введена в работу в 1988 г.
В нашей стране разработано и испытано оборудование для электропередачи Экибастуз — Центр (2400 км; ±750 кВ; 6300 МВт).
В разработке проблем электропередач постоянного тока в нашей стране ведущая роль принадлежит коллективам Научно-исследовательского института постоянного тока (А.В. Поссе, В.И. Емельянов, Л.Р. Нейман) и ВЭИ (В.П. Фотин, А.В. Стукачев, И.П. Таратута). В решении этой задачи также принимали участие коллективы многих промышленных предприятий.
Помимо электропередач постоянного тока получили распространение так называемые вставки постоянного тока, где выпрямитель и инвертор расположены на одной подстанции, а линия отсутствует. Такие вставки служат для связи примыкающих друг к другу систем переменного тока, как межгосударственные связи.
Вставки постоянного тока сооружены в Канаде, Японии, США, Австрии. В России вставка введена в работу в 1981 г. и служит для связи энергосистем России и Финляндии.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.