Глава вторая. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 110—330 кВ в СССР
3. СИСТЕМЫ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
В соответствии с ГОСТ 721-77* в диапазоне 110 кВ и выше в СССР установлены номинальные напряжения 110(150), 220, 330, 500 и 750 кВ.
Для сетей свыше 110 кВ следует говорить не о выборе напряжений для отдельных линий, участков сети или сетевых районов, а о выборе системы номинальных напряжений для энергообъединений и Единой энергосистемы страны. Эта задача является достаточно сложной, так как требует учета большого количества факторов в динамике развития на длительную перспективу, примерно равную сроку физического и морального износа элементов электрической сети. Такие исследования стали возможны только после внедрения новых методов расчетов с применением ЭВМ. При этом приходится считаться с уже сложившейся сетью в энергетически развитых районах и с инерционностью развития электрической сети, требующего длительных сроков и значительных капитальных вложений.
Первая в СССР электропередача 110 кВ была введена в эксплуатацию в 1922 г. (в московской энергосистеме), 150 кВ — в 1932 г. (для выдачи мощности Днепровской ГЭС). Как указывалось выше, сети 150 кВ имеют ограниченное распространение (Днепровская и Кольская энергосистемы), и применение этого напряжения в новых энергосистемах ГОСТ не рекомендуется. Базовым напряжением распределительной сети по всей территории страны является ПО кВ.
В 1933 г. была введена первая электропередача 220 кВ (в Ленинградской энергосистеме). Этим было положено начало созданию системы напряжений сетей ВН. Шаг шкалы был выбран равным двум исходя из плотности нагрузок, мощности и размещения генерирующих мощностей в обозримой для того периода перспективе, а также исходя из мирового опыта электросетевого строительства
В 1950 г. было принято решение о строительстве двух цепей электропередачи 400 кВ для передачи мощности Куйбышевской ГЭС в Москву; в 1956—1958 гг. электропередача Волжская ГЭС имени В. И. Ленина — Москва протяженностью около 900 км была введена в эксплуатацию. Одновременно была построена электропередача 400 кВ от этой же ГЭС до Свердловска, начато строительство двух цепей электропередачи (Волгоградская (Волжская имени XXII съезда КПСС) ГЭС —
Москва протяженностью около 1000 км. Этим было положено нимало созданию ЕЭС европейской части СССР (ЕЕЭС).
В результате исследований, проведенных в процессе строительства и эксплуатации этих электропередач, выявилась техническая возможность и экономическая целесообразность перевода их на номинальное напряжение 500 кВ. Уже в 1957 г. было решено отказаться от напряжения 400 кВ и принять в СССР напряжение 500 кВ. Электропередача Волжская ГЭС имени XXII съезда КПСС — Москва была введена в эксплуатацию на напряжение 500 кВ (1959 г.), а в 1963—1964 гг. на это номинальное напряжение были переведены электропередачи от Волжской ГЭС имени В. И. Ленина до Москвы и Свердловска [2].
Таким образом, в центральной части ЕЕЭС СССР образовалась система напряжений электрических сетей 110—220—500 кВ, которая начала развиваться также в азиатской части (Сибирь, Северный Казахстан). Сети 400 кВ — нестандартного для СССР напряжения — сохранились только в западной части ЕЭС СССР для связи с энергосистемами стран — членов СЭВ (четыре линии обшей протяженностью 550 км и две подстанции 400 кВ).
В конце 50-х годов в качестве промежуточного между 220 и 500 кВ в ГОСТ было введено напряжение 330 кВ (первая электропередача построена в 1960 г. в ОЭС Юга). При этом исходили из предпосылки о большом разрыве между электропередачами 220 и 500 кВ как по передаваемой мощности (натуральная мощность соответственно 135 и 900 МВт), так и по предельным расстояниям передачи (400 и 1200 км). Напряжение 330 кВ предназначалось для передачи мощности 300—1000 МВт на расстояние 200—600 км. Его применение предполагалось в первую очередь в ОЭС Юга, характеризующейся значительной удельной плотностью нагрузки при сравнительно небольших расстояниях передачи, и ОЭС Северо-Запада, в которой передача энергии предполагалась от небольшого количества электростанций к крупным нагрузочным узлам на значительное расстояние. В ОЭС Юга намечалось сооружение сравнительно коротких (150—300 км) двухцепных линий, в ОЭС Северо-Запада — более протяженных одноцепных ВЛ. Сети 330 кВ должны были выполнять функции как основной, так и распределительной сети. При этом исходили из предпосылки, что в энергосистемах, где вводилось напряжение 330 кВ, более высокое напряжение не потребуется в течение ближайших десятилетий [3]. Фактическое развитие электрических сетей не подтвердило ряда указанных предпосылок.
В первое десятилетие своего развития (1960—1970 гг.) сети 330 кВ достигли протяженности более 12 тыс. км, получив распространение в ОЭС Юга и Северо-Запада и частично на Северном Кавказе, в Закавказье. В 1962 г. было принято решение об ограничении распространения сетей 330 кВ только энергообъединениями Юга и Северо-Запада.
Создание разветвленной сети 330 кВ в этих системах потребовало меньших капиталовложений и расхода провода (расщепление фазы на на два вместо трех проводов) по сравнению с созданием сети 500 кВ. Однако вследствие достаточно равномерного размещения электростанций и распространения по всей территории энергосистем нагрузочных узлов дальность передачи и передаваемые мощности оказались значительно ниже намечавшихся (данные на 1970 г.):
средняя длина ВЛ составляла 130 км, а расстояние между опорными пунктами сети — порядка 300 км;
средневзвешенное значение передаваемой мощности по ВЛ составляло примерно 250 МВт.
Из-за большего шага между напряжениями 110—330 кВ (три вместо двух при 110—220 кВ) в ряде случаев линии 330 кВ использовались с относительно малыми потоками мощности, а некоторые ВЛ 110 кВ оказывались перегруженными.
В этот же период стало ясно, что напряжение 330 кВ недостаточно для выполнения функций основной сети мощных энергообъединений в условиях дальнейшей концентрации генерирующих мощностей — строительства в европейской части страны крупных АЭС. Сеть 330 кВ не могла также продолжать выполнять межсистемные функции — в первую очередь в ОЭС Юга.
Таким образом, введение напряжения 330 кВ вызвало появление следующей ступени — 750 кВ. Первая опытно-промышленная электропередача Конаковская ГРЭС — Москва (90 км) была введена в эксплуатацию в 1967 г., первая промышленная электропередача Донбасс — Днепр — Винница — Западно-Украинская (около 1100 км)—в начале 70-х годов.
Так в СССР сложились две системы номинальных напряжений электрических сетей 110 кВ и выше: 110—220— 500 кВ и 110(150)—330—750 кВ.
В системе 110—220—500 кВ высшее напряжение оказалось достаточным для основных сетей вплоть до середины 80-х годов. Однако рост передаваемой мощности и дальности передачи на межсистемных связях Урал—Казахстан— Сибирь создал предпосылки для введения следующей ступени напряжения и строительства на этом направлении электропередачи 1150 кВ. Первые звенья этой электропередачи Экибастуз — Кокчетав — Кустанай общей протяженностью 900 км уже построены.
Появление двух систем напряжений вызвало значительные трудности в планировании и развитии электрических сетей, хотя оценка этого факта в литературе противоречива [4, 5]. Все специалисты, однако, сходятся в том, что в одном энергообъединении следует избегать развития сетей смежных напряжений — 220 и 330 кВ, 330 и 500 кВ.
Однако неизбежное в рамках ЕЭС смыкание сетей 220— 500 кВ и 330—750 кВ привело к появлению в сетях автотрансформаторов связи 220/330, 330/500, 500/750 кВ, что вызвало:
повышение числа трансформаций в электрических сетях 110—750 кВ [6], что приводит к увеличению потерь электроэнергии при ее передаче и распределении;
ограничение пропускной способности межсистемных связей;
создание в сети сложных коммутационных узлов;
дополнительную загрузку заводов электропромышленности.
Наибольшая мощность «стыков» приходится на связи 220/330 кВ: 20 % по количеству и 25 % по мощности автотрансформаторов (АТ) с ВН 330 кВ приходится на АТ 330/220 кВ. Это объясняется тем, что к моменту введения в некоторых энергосистемах напряжения 330 кВ значительное распространение здесь получили сети 220 кВ. Хотя в дальнейшем их развитие было ограничено, удельный вес сетей 220 кВ в ОЭС Юга и Северо-Запада остается значительным и после введения напряжения 330 кВ. Так, удельный вес протяженности линий 220 кВ в общей протяженности ВЛ 220—330 кВ в ОЭС Юга близок к 30 %, а в ОЭС Северо-Запада — к 40 %. Удельный вес подстанций 220 кВ к общему числу подстанций 220—330 кВ по обоим энергообъединениям составляет примерно 40 % по количеству и 30 % по мощности. Наибольшее распространение сети 220 кВ имеют в Донбасской, Львовской и Крымской энергосистемах ОЭС Юга, Ленинградской и Белорусской энергосистемах ОЭС Северо-Запада.
Рост нагрузок в сети 220 кВ, демонтаж малоэкономичного генерирующего оборудования на присоединенных к этой сети электростанциях и присоединение новых электростанций к сети 330—750 кВ увеличивают дефицит мощности в сети 220 кВ. Эти факторы способствуют тенденции увеличения мощности «стыковых» АТ 330/220 кВ. Альтернативой является перевод сети 220 кВ на напряжение 330 кВ. Однако, несмотря на то что накоплен определенный опыт реконструкции линий электропередачи 220 кВ на 330 кВ, этот процесс идет чрезвычайно медленно: реконструкция требует значительных капиталовложений, возникают трудности при отключении на длительный период реконструируемых элементов сети и др.
В то же время систематическое наращивание мощности AT 330/220 кВ из-за отмеченных выше факторов не может служить решению проблемы. Вопрос должен решаться за счет выполнения «глубоких вводов» 330 кВ в сеть 220 кВ с установкой в крупных узлах нагрузки АТ 330/110 кВ (относительно небольшие перетоки между сетью 330 и 220 кВ могут обеспечиваться в этих узлах через шины 110 кВ), постепенного переноса стыковых АТ 330/220 кВ в глубь сети 220 кВ с одновременным переводом соответствующих ВЛ 220 кВ на 330 кВ, демонтажа сети 220 кВ по мере ее физического и морального износа и замены ее сетью 330 кВ. Анализ перспектив развития ОЭС Юга и Северо-Запада дает основание для прогноза о реализации этих мероприятий не ранее чем в 20-летней перспективе.
Появление сети 330 кВ создало достаточно сложную проблему ограничения токов короткого замыкания, которую можно удовлетворительно разрешить только после сооружения разветвленной сети 750 кВ, что обеспечит возможность работы сети 330 кВ в разомкнутом режиме [7].
Рис. 1. Области применения электрических сетей разных номинальных напряжений (указаны границы равноэкономичности):
1 — 1150 и 500 кВ; 2 — 500 и 220 кВ; 3 — 220 и 110 кВ; 4 — 110 и 35 кВ; 5 — 750 и 330 кВ;
6 — 330 и 150 кВ; 7 — 150 и 35 кВ
Для оценки области экономического применения электрических сетей разных напряжений институтом Энергосетьпроект выполнены расчеты и построены кривые в зависимости от длины и мощности электропередачи (рис. 1). Следует отметить, что эти кривые должны рассматриваться только как иллюстрация технико-экономических соотношений, с учетом того, что расчеты выполнены применительно к электропередачам, а не по сети в целом. В условиях, сложившихся во всех ОЭС страны систем напряжений, при выборе напряжения конкретной электропередачи следует рассматривать смежные напряжения из принятой в данной ОЭС системы напряжений.
Таблица 3 характеризует пропускную способность и дальность передачи ВЛ 110—750 кВ с учетом наиболее часто применяемых сечений проводов, действующих методов их выбора и фактической средней длины линий.
Таблица 3
Напряжение линии, кВ | Сечение проводов, мм2 | Передаваемая мощность, МВт | Длина линии электропередачи, км | ||
натуральная | при нормированной плотности тока | предельная | средняя (за последние 1 0 лет) | ||
по | 70—240 | 30 | 13—45 | До 80 | 25 |
150 | 150—300 | 60 | 38—77 | 150—250 | 20 |
220 | 240—400 | 135 | 90—150 | 200—400 | 100 |
330 | 2x240—2x400 | 360 | 270—450 | 600—700 | 130 |
400 | 3x300—3x400 | 500 | 620—820 | 800—1000 | 180 |
500 | 3 x 330—3 x 500 | 900 | 850—1300 | 1000—1200 | 280 |
750 | 5x240—5x400 | 2100 | 1200—2000 | 2000—2200 | 300 |
1150 | 8x300—8x500 | 5200 | 4000—6000 | 2500—3000 | — |
В таблице приведены данные по электропередачам всех имеющихся в СССР напряжений, включая нестандартное 400 кВ и мало распространенное 150 кВ. Нормированная плотность тока принята для ВЛ 110—500 кВ 1,1 А/мм2 (для районов с дорогим топливом при числе часов использования максимума нагрузки 3000—5000).
Для ВЛ 750 и 1150 кВ, для которых плотность тока не нормирована, она принята равной 0,85 А/мм2 (на основании анализа выполненных проектов). Мощность при нормированной плотности тока подсчитана с учетом коэффициента мощности равного 0,9. Предельная длина электропередачи определена технико-экономическими расчетами при КПД 90 % [2].
Из приведенных данных видно, что передаваемая мощность, определенная по нормированной плотности тока, для средних сечений проводов близка к натуральной мощности электропередачи или совпадает с ней. Что касается фактической дальности передач, то она существенно отличается от предельно допустимой длины электропередачи, рассматриваемой при решении вопроса о целесообразности применения того или иного напряжения. Для оценки фактической дальности передачи целесообразно воспользоваться данными о средней длине ВЛ следующего в данной системе класса напряжения, которую можно рассматривать как расстояние между центрами питания (ЦП) сети. Например, для сети 220 кВ расстояние между ЦП можно принять равным средней длине ВЛ 500 кВ (280 км). Дальность передачи по сети 220 кВ в нормальном режиме можно принять примерно равной половине этого расстояния.
Резкое уменьшение дальности электропередачи для электрических сетей всех напряжений объясняется ростом удельной плотности электрических нагрузок, распространением по всей территории современных объединенных энергосистем центров потребления, ростом единичной мощности электростанций примерно пропорционально плотности нагрузки и постепенным превращением сетей ВН в распределительные [4].
Таблица 4
В табл. 4 приведены шаг шкалы и соотношения передаваемых мощностей линий электропередачи смежных напряжений по натуральной мощности и при нормированной плотности тока для обеих применяемых в СССР систем напряжений. Для сопоставления приведены те же данные для системы 110—220—400—750 кВ, принятой в Западной Европе (напряжение 750 кВ пока не введено).
При шаге шкалы, равном 1,8—2,3, соотношения натуральных мощностей для смежных напряжений колеблются в пределах 4—6,5, а соотношения передаваемых мощностей по нормированной плотности тока — в пределах 2,2—9; при шаге шкалы, равном 3 (110/330 кВ), эти величины возрастают до 12. Шаг шкалы напряжений зависит от плотности электрических нагрузок и равномерности размещения электростанций по рассматриваемой территории.
Значительный разрыв между пропускными способностями электрических сетей смежных напряжений может привести к недогрузке на определенном этапе ВЛ высшего из напряжений, а также к сооружению между опорными пунктами большого количества цепей линий низшего напряжения.
Сближение смежных напряжений неизбежно приводит к росту обобщенного коэффициента трансформации (ОКТ) и как следствие — к увеличению потерь электроэнергии, усложнению режимов работы сети и др. Следует отметить, что уже в настоящее время значение ОКТ в сетях 110 кВ и выше достигло 2,23 кВ-А на 1 кВт установленной мощности электростанций; за последние 15 лет кратность роста ОКТ составила 1,5.
Анализ тенденций развития электрических сетей 110 кВ и выше в СССР и за рубежом (см. гл. 3) позволяет сделать следующие выводы:
на первом этапе развития электрических сетей при небольших плотностях нагрузок и значительных расстояниях между центрами потребления приемлемым являлся шаг шкалы напряжений, равный примерно 2;
по мере роста плотности электрических нагрузок и плотности электрической сети шаг шкалы напряжений целесообразно увеличивать путем ограничения развития сетей одной из ступеней напряжения с последующей, по мере амортизации, их ликвидацией (этот процесс уже наблюдается в сетях напряжением ниже 110 кВ: увеличение удельного веса трансформации 110/10 кВ);
при принятии шага шкалы напряжений менее двух необходимость ликвидации сетей промежуточных напряжений возникает быстрее; этим, в частности, объясняется тот факт, что во многих европейских странах (система 110—220—400 кВ) прекращено развитие сетей 220 кВ (шаг 220— 400— 1,8), а введение напряжения 750 кВ (шаг 400—750— 1,9) откладывается.
В этой связи следует отметить, что в ряде ОЭС страны с высокой плотностью сетей 500 кВ целесообразно рассмотреть вопрос об ограничении развития сети 220 кВ и более широком использовании трансформации 500/110 кВ.