Дальние электропередачи - Введение

ВВЕДЕНИЕ

В-1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ И ЗАДАЧ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ НА РАССТОЯНИЕ

Необходимость развития электрических систем и дальних передач, передающих энергию от удаленных станций или связывающих системы, вытекает из намеченного семилетним планом развития промышленности, сельского хозяйства и максимального удовлетворения возрастающих бытовых потребностей граждан Советского Союза.
Быстрые темпы развития промышленности обеспечивают к 1965 г. следующие показатели основных видов промышленного производства:

Обеспечение такого высокого уровня производства в стране требует соответствующего подъема энергетики, несколько опережающей в своем развитии другие отрасли промышленности. Отсюда становится очевидной необходимость резкого увеличения выработки электроэнергии и соответственно добычи топлива. Так, к 1965 г. электроэнергия должна вырабатываться в количестве 520 млрд. кВт-ч в год, при этом установленная мощность на электростанциях должна быть порядка 111— 113 млн. кВт. Электроэнергия не может и не должна вырабатываться только на электростанциях, построенных  непосредственно у места ее потребления. Следовательно, с ростом выработки энергии и большим развитием промышленного производства необходимо развивать и улучшать линии передач и сети, передающие электроэнергию на расстояние и распределяющие ее. Однако, говоря о создании выгодных для народного хозяйства экономичных местных сетей, -высоковольтных электрических сетей и дальних передач, нельзя упускать из вида и возможностей сооружения части электростанции непосредственно (или вблизи) у мест потребления энергии.
В этом случае транспорт энергии (топлива) осуществляется с помощью железнодорожных перевозок угля от места его добычи к котельным заводов или местных электростанций, вырабатывающих тепловую и электрическую энергию. В настоящее время технически вполне возможно осуществлять передачу газа на такие же большие расстояния, на какие передается сейчас электроэнергия.
Вопрос о размещении электростанций и виде транспорта энергии должен решаться на основании техникоэкономических сопоставлений вариантов обеспечения энергией данного района с учетом состояния энергетики в других районах страны и общего современного и перспективного баланса топлива.
Электрический транспорт энергии является наиболее удобном и совершенным как для экономики страны, так и для развития ее культуры. Однако в ряде случаев расширение железных дорог и прокладка газопроводов для транспорта топлива могут конкурировать по капитальным вложениям и ежегодным издержкам с передачей энергии электрическим путем.
Поэтому, несмотря на все преимущества дальних линий электропередач, следует подчеркнуть, что при решении вопроса о строительстве той или иной передачи необходимо предварительное рассмотрение и сопоставление между собой различных способов передачи энергии на расстояние.
Характеристики, представленные на рис. В-1, показывают примерные соотношения в расходах, получающихся при перевозке топлива по железной дороге, передаче газа и передаче электроэнергии по проводам переменным или постоянным током.
Из приведенных на рис. В-1 характеристик следует, что передача электроэнергии безусловно оказывается более экономичной, чем непосредственная перевозка угля в тех случаях, когда для осуществления последней требуется сооружение новых железнодорожных путей и когда намеченный к перевозке уголь не обладает высокой калорийностью.
Передача газа, видимо, часто может быть более дешевой, чем строительство линии электропередачи. Поэтому в тех случаях, когда газа достаточно как для использования в специальном производстве (химическом, металлургическом и т. п.), так и в быту, дальняя его передача может оказаться целесообразной.

Рис. В-1. Удельная себестоимость С транспорта энергии на различные расстояния l (ориентировочно).

Из зависимостей рис. В-2 видно, что сооружение линий электропередачи требует значительных единовременных вложений, следовательно, при проектировании энергоснабжения района необходимо весьма тщательно сравнивать экономический эффект, получаемый от сооружения линии железной дороги или транспортировки газа, поскольку возможности вложений средств в энергетику ограничены.
На долю этих вложений в 1930—1940 гг. приходилось примерно 9—10% от общих вложений в промышленность, причем увеличение этой доли в связи с необходимостью развивать достаточно быстрыми темпами и другие отрасли народного хозяйства разумеется не могло быть резким (1955 г. — 11,4%).
Последнее обстоятельство заставляет обращать внимание на такие пути развития энергетики, которые требуют меньших капиталовложений, дают больший экономический эффект и позволяют Советскому Союзу достигнуть наибольших успехов в соревновании с наиболее развитыми капиталистическими странами.
Именно в связи с этим приходится несколько ограничивать использование водной энергии и не форсировать строительства тех гидростанций, которые могут дать в 3—5 раз более дешевую энергию, чем тепловые станции, но требуют примерно во столько же раз больше удельных капиталовложений. В первую очередь будут строиться те гидростанции, капитальные вложения в которые могут быть снижены до уровня, приближающегося к тепловым станциям.
При сооружении электрических сетей и дальних передач необходимо обращать серьезное внимание на оценку величины эффективности капиталовложений и реализацию больших преимуществ, которые могут давать электропередачи, объединяющие электрические системы Союза в Единую высоковольтную сеть.
Прежде чем говорить об этих преимуществах, напомним, что развитие энергетики Советского Союза, начиная с плана ГОЭЛРО и во все последующие годы, шло так, что развитие строительства районных станций увязывалось со строительством линий электропередач, соединяющих тепловые и гидравлические станции между собой и с потребителями электроэнергии. Таким образом, создавались системы, в которых станции работали параллельно, системы же в свою очередь объединялись друг с другом линиями межсистемных передач.
К 1957 г. в Советском Союзе было 60 мощных энергосистем, объединяющих станции общей мощностью порядка 37 млн. кВт; они вырабатывали более 160 млрд. кВт-ч электроэнергии. Крупнейшие энергосистемы Центра, Урала имели установленную мощность, доходящую до 7—8 млн. кВт. С тех пор централизация производства электроэнергии, которую уже тогда можно было считать достаточно высокой, продолжала увеличиваться. Такой путь развития советской энергетики, предусматривающий создание мощных энергосистем, и последующее объединение этих систем в единую энергетическую систему сначала Европейской части, а затем и всего Союза в целом являлся и является безусловно правильным.
Необходимость экономного расходования средств на капитальные вложения вообще и на энергетику, в частности, не позволяет сразу решить грандиозную задачу создания ЕЭС, и при постепенном ее решении приходится наряду с электрическим транспортом энергии, а иногда и вместо него, применять и перевозку топлива, и транспорт таза, не используя в ряде случаев тех технических и экономических преимуществ, которые могут быть получены при более быстром сооружении линий электропередачи.
Преимущества, получаемые при объединении энергетических систем с помощью электропередач, в основном сводятся к следующему:

1. Использование топлива при объединении для совместной (параллельной) работы различных тепловых станций и гидростанций оказывается наиболее экономичным. Нагрузка между станциями распределяется наиболее выгодным образом. Более полным оказывается использование гидроэлектростанций и наилучшим образом возможно использование станций, имеющих теплофикационные турбины.
2. При параллельной работе станций различных типов удается обеспечить для них практически во всех условиях работы наивыгоднейшие режимы.
3. При строительстве, входящих в систему тепловых станций, удается иметь значительную экономию за счет снижения необходимого резерва, неизбежно очень большого при их изолированной работе, когда каждая станция должна иметь суммарный резерв не меньше, чем ее наиболее мощный агрегат.

В связи с этим облегчается возможность применения весьма мощных агрегатов (300—800 МВт),

1. При развитии систем и дальних передач оказывается  возможным увеличивать долю выработки электроэнергии на дешевых местных энергетических топливах с низкой калорийностью, перевозка которых была бы слишком дорогой.
2. Строительство новых станций возможно проводить далеко от крупных городов, не увеличивая загрязненности воздуха в них и избегая необходимости подвоза топлива, вывоза шлака и т. п.
3. Представляется возможным более полное использование установленной мощности станции за счет расхождения пиков нагрузки различных районов по времени, что в конечном счете ведет к увеличению выработки электроэнергии. Так, снижение суммарного максимума нагрузок за счет создания к 1965 г. объединенной энергосистемы Европейской части Союза составит около 600 МВт (за счет поясного времени) и более 1 600 МВт за счет экономии в резервной мощности.
4. Увеличивается надежность работы систем и более быстро удается устранять последствия аварий.
5. При параллельной работе станций и систем повышается производительность труда во всем энергохозяйстве этих объединенных систем.

Особое внимание при развитии электрических сетей должно быть обращено на межсистемные связи, позволяющие значительно улучшить экономические и технические показатели энергоснабжения районов, связываемых передачами, и районов, расположенных на территории, через которые проходят эти передачи. При этом важно не только связывать друг с другом крупные станции и системы, но и присоединять к общей сети относительно мелкие системы и станции, что дает большой технико-экономический эффект, в относительных показателях иногда даже более значительный, чем эффект от объединения крупных станций и систем.
В соответствии со сказанным выше необходимо рассматривать объединение систем не только путем сооружения так называемых дальних передач «высокого» и «сверхвысокого» напряжения, но и путем сооружения электрических сетей всех видов и всех напряжений.
Объединяющими сетями в этом смысле будут линии и сети 400—600 кВ и может быть более высокого напряжения, решающие задачи передачи энергии и связи систем, а также электропередачи 220—330 кВ, предназначенные для объединения средних станций и систем, и, наконец, сети и линии 110—35 кВ, соединяющие мелкие системы и повышающие централизацию энергоснабжения страны.
Вопрос о том, какую роль должны играть при этих объединениях высоковольтные электропередачи от удаленных тепловых станций или гидростанций, должен решаться, как уже указывалось выше, на основе экономических сопоставлений эффекта, получаемого в данное время и в ближайшем будущем от строительства дальней электропередачи или от конкурирующей с ней перевозки топлива или передачи газа.
Вопрос о возможности конкуренции перевозок топлива и газопроводов с электропередачами наиболее остро встал в последнее время в связи с тем обстоятельством, что новые данные относительно запасов топлива —  угля и особенно нефти и газа указали на большие возможности их использования. Так, в течение ближайших 15 лет добыча угля должна возрасти по сравнению с 1957 г. в 1,4—1,6 раза, нефти — в 3,6—4,1 раза и газа —  в 13—15 раз. Хотя газ в основном должен идти на коммунальные нужды и технологическое использование, но иногда (в особенности в летний период) им могут снабжаться и районные электростанции.
Возможно также использование для нужд энергетики и мазута, особенно на ТЭЦ при нефтеперерабатывающих заводах. Указанная выше конкуренция различных видов транспорта энергии — перевозок топлива и электронного транспорта — заставляет особенно тщательно относиться к проектированию и сооружению линий электропередач в смысле обеспечения высокой надежности их работы, увеличения их пропускной способности и особенно снижения капитальных затрат на сооружение при достаточно умеренных эксплуатационных расходах.
Для удешевления электропередач, кроме ряда конструктивных мероприятий, направленных на увеличение пропускной способности, снижение требований к изоляции линии и удешевление подстанции, необходимо также обращать внимание на выбор схемы электропередачи.
Очень дальние электропередачи (порядка 1 000 км и более), предназначенные только для транспорта электрической энергии от места ее производства до места потребления, не имеющие промежуточных ответвлений, т. е. не связывающие между собой отдельные системы и не являющиеся, таким образом, элементом единой высоковольтной сети, оказываются, как правило, дорогими, и зачастую неконкурентоспособными по сравнению с транспортом топлива.

На рис. В-3 приведены характеристики себестоимости транспорта энергии и необходимых удельных капиталовложений в случаях, когда дальняя передача является элементом единой высоковольтной системы или чисто транзитной.

Из рис. В-3 следует, что в связи с необходимостью использования электропередачи как элемента единой системы постоянный ток в подавляющем большинстве случаев не может считаться лучшим для передачи энергии на расстояние, чем переменный ток, даже и при очень больших расстояниях. Это положение сохранится до тех пор, пока не будет решена проблема выключателя постоянного тока и не появится возможность создания достаточно дешевых ответвлений от линий постоянного тока.
В настоящее время целесообразность выполнения передачи на постоянном токе должна быть особенно тщательно доказана и проверена сопоставлением с передачей на переменном токе. При существующем сейчас положении общее сопоставление обоих видов передач (рис. В-3) показывает, что возможные преимущества постоянного тока в обычных условиях могут выявиться только при расстояниях больших 1 500 км.
Создание же таких длинных линий без промежуточных ответвлений представляется, как правило, нецелесообразным. В специальных условиях, например при передаче энергии через водные пространства, постоянный ток может иметь преимущества и при весьма коротких расстояниях.
Подходя к проектированию электрических систем и дальних передач, необходимо учитывать, что в электроэнергетике Советского Союза наряду с большими и известными достижениями имеются и недостатки, на ликвидацию которых должно быть обращено особое внимание.
Прежде всего надо отметить, что, выйдя на второе место в мире по выработке электроэнергии и уступая в этом отношении только США, мы имеем все же значительно меньшее потребление электроэнергии на душу населения и значительно меньший охват электроснабжением территории страны, чем передовые в техническом отношении капиталистические страны. Затруднения в доведении электроэнергии до потребителя были существенным образом связаны с относительно меньшим развитием электрических сетей, чем развитие их в других странах.
Очевидно, что развитие электрических сетей всех напряжений и охват ими обширной территории Советского 
Союза является весьма серьезной и ответственной зада чей нашей энергетики.
Поскольку строительство станций до 1955 г. поглощало значительно большую часть всех капиталовложений, идущих на энергетику, то рост протяженности сетей отставал от роста выработки электроэнергии (с 1928 г. по 1955 г. выработка выросла в 75 раз, а протяженность сетей только в 26 раз).
В дальнейшем при развитии электросистем необходимо увеличивать долю капиталовложений в строительство новых электропередач и сетей, делая их примерно одинаковыми с вложениями в электростанции.
Недостаток нашей энергетики, определенным образом связанный с некоторым отставанием развития сетей заключается в том, что слишком большое количестве электроэнергии вырабатывалось на мелких и средних электростанциях, строительство и эксплуатация которых значительно дороже, чем строительство и эксплуатация мощных электростанций с крупными агрегатами.
Так, например, если для тепловой электростанции мощностью 24 МВт с агрегатами по 6—12 МВт удельная стоимость составляла 2 500—2 800 руб за 1 кВт, то для электростанции мощностью в 300 МВт с агрегатами в 100 Мет удельная стоимость составляет лишь 1 300—1 400 руб. за 1 кВт. Для электростанции мощностью 1 200 МВт с агрегатами в 200 МВт удельная стоимость уменьшается до 800 руб. за 1 кВт.¹
Решение задачи об увеличении установленной мощности электростанций и, следовательно, их удешевлении тесно связано с вопросами передачи электроэнергии на расстояние и развитием электрических сетей, объединяющих станции и системы на параллельную работу.
Между тем пропускная способность межсистемных связей очень часто была мала, в результате чего передача мощности происходила с большими потерями и имелись случаи, когда оказывалось невозможно передать имеющуюся в наличии мощность из одной системы в другую, нуждающуюся в этой мощности.

¹ В настоящее время стоимость уменьшилась.

Учитывая эти обстоятельства при дальнейшее развитии народного хозяйства СССР намечено 
увеличение протяженности линий электропередач. Общая протяженность электросетей 35, 110, 150, 220, 400—500 кВ и выше к 1965 г. увеличится в 3 раза по сравнению с той, которая была в 1958 г., и составит 300 тыс. км, в том числе 7 тыс. км линий напряжением 500 кВ.
Электрификация Советского Союза в ближайшие 10—15 лет должна осуществляться в первую очередь за счет строительства мощных, требующих относительно малых капиталовложений тепловых станций и строительства наиболее дешевых гидростанций; одновременно должно идти создание единой высоковольтной сети с линиями передач переменного тока 400—500 кВ и возможно 600—750 кВ, а также возможно и с созданием некоторого количества электропередач постоянного тока 600—800 кВ.
Одной из главных целей при создании единой высоковольтной сети должно быть увеличение охвата территории высоковольтной сетью, присоединение к ней по возможности всех потребителей энергии и максимальное сокращение мелких неэкономичных электростанций.
Надо особенно отметить, что одновременно с развитием дальних передач должно идти и создание распределительных сетей и сетей местного значения, линий межсистемных связей, объединяющих между собой все мощные энергосистемы на параллельную работу.
Для выполнения задачи сплошной электрификации страны потребуется создание принципиально новых агрегатов таких, как турбины, использующие парогазовый цикл, и имеющие в своих первых образцах мощность 200 МВт и температуру теплоносителя 750°. Электростанции с такими агрегатами должны стоить не менее чем в 1,5 раза дешевле, чем с паровыми турбинами. В дальнейшем можно ожидать решения проблемы создания термоэлектрических, полупроводниковых преобразователей, позволяющих непосредственно превращать тепло в электрическую энергию с к. п. д. не менее 50%, а также создания топливных элементов, непосредственно преобразующих химическую энергию топлива в электрическую с к. п. д. до 100% и др. Разумеется, что дополнительное развитие электростанций потребует и еще большего развития электрических сетей.

В-2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ЭНЕРГИИ И ОБЪЕДИНЕНИИ СИСТЕМ

Из проведенного выше краткого рассмотрения проблемы следует, что передача электрической энергии на большие расстояния должна рассматриваться не только как техническая, но и как экономическая проблема. Оба эти вопроса неразрывно связаны между собой. Но эту единую технико-экономическую проблему, возникающую при решении вопроса о создании электропередачи и объединенных систем, можно разделить на две части и рассмотреть отдельно технические и экономические вопросы.
Выделим ограничения возможностей передачи энергии на дальние расстояния, связанные с причинами технического и экономического характера.
Ограничения технического характера в основном вызываются:

1. ростом потерь мощности, идущих на нагрев проводов и аппаратуры, и в связи с этим возможным нарушением нормальной работы изоляции и контактов, а также ростом потерь мощности на корону, в свою очередь связанных с опасностью повреждения изоляции;
2. наличием определенного предела пропускной способности электропередач переменного тока как в связи с существованием «предела передачи» по линии, так и в связи с требованиями обеспечения достаточного запаса устойчивости параллельной работы станций, связанных линиями электропередач;
3. условиями регулирования напряжения, для поддержания которого в заданных пределах может потребоваться настолько большое количество реактивной мощности, что ее выработку будет затруднительно осуществить не только по экономическим, но и по техническим соображениям;
4. условиями работы передачи в холостых и особых режимах; сюда, например, можно отнести необходимость ограничения перенапряжений, возникающих при холостых режимах передачи, сбросах нагрузки из-за отключения ее от системы, а также при синхронизации.

Необходимость обеспечить нормальную безаварийную работу передачи в этих режимах накладывает определенное ограничение на возможности дальней электропередачи. Например, при передаче на расстояние 1 500 км (1/4 волны) повышение напряжения при холостом ходе на конце открытой, т. е. отключенной от приемной системы, линии передачи достигло бы огромных величин: при 400 кВ в начале передачи в конце передачи напряжение составляло бы 1 500—2 000 кВ.
Очевидно, что осуществить изоляцию, выдерживающую такое напряжение, даже кратковременно было бы технически невозможно.
Обеспечение надежной работы электропередачи заставляет осуществлять неполнофазные режимы, режимы автоматического повторного включения, ресинхронизации и самосинхронизации.
Увеличение дальности передачи накладывает определенные ограничения на возможность осуществления этих режимов, с чем приходится определенным образом считаться при выявлении возможности передачи энергии на большие расстояния. Приходится также считаться и с тем обстоятельством, что в некоторых схемах дальней передачи, например в схемах со значительной последовательной компенсацией реактивного сопротивления линии, становится затруднительным создание релейной защиты, которая достаточно надежно защищала бы электропередачу.
Это обстоятельство можно рассматривать так же, как ограничение возможности дальней электропередачи, связанное с причинами технического характера.
Разумеется, что в результате научных исследований удается снимать те или иные ограничения, расширяя возможности дальней электропередачи, что можно видеть на примере проектирования и создания электропередачи Куйбышев—Москва, связывающей Волжскую ГЭС им. Ленина с московской энергосистемой.
Эта крупнейшая современная электропередача, передающая мощность более 1 млн. кВт на расстояние порядка 1 000 км, имеет две параллельные цепи. Между тем в проектах 1938—1940 гг. предполагалось, что передача той же мощности на то же расстояние могла быть осуществлена только при электропередаче, имеющей 6—7 цепей.
Таким образом, исследовательские и проектные работы в течение десятилетия существенно изменили представление о возможности электропередачи переменным током на расстояния порядка 1 000 км. Несомненно, что могут быть выявлены дополнительные возможности передач переменного тока и при еще больших расстояниях. Работа в этом направлении должна усиленно проводиться.
Ограничения, связанные с факторами экономического характера, обусловливаются увеличением капиталовложений, необходимых для сооружения передачи, и возрастанием стоимости потерянной энергии, т. е. ростом стоимости передачи энергии. С увеличением длины электропередачи неизбежно растет стоимость потерянной энергии. Потери энергии на нагрев проводов связаны не только с полезно передаваемой мощностью и соответствующим ей током, но и с протеканием зарядных токов. Эти токи и вызванные ими потери в дальней электропередаче весьма существенны и так же, как и потери на корону, могут составить заметную долю общих потерь мощности и энергии в электропередаче.
В связи с этим интересно отметить, что увеличение числа параллельных цепей в дальней электропередаче такого типа как Волжская ГЭС—Москва может приводить к заметному уменьшению к. п. д. электропередачи. Так, например, если при двух цепях к. п. д. передачи по мощности составляет 91,5%, то при трех цепях он падает до 89,5%, а при четырех цепях — до 88,8%. Удельные же капитальные затраты при одной, двух и трех цепях растут и составляют 100, 112 и 132%. Одновременно уменьшается величина плотности тока, которую можно считать экономической, а сечение проводов увеличивается, составляя соответственно 2 700, 3 100 и 3 800 мм² на фазу.
Очевидно, что последнее обстоятельство усложняет техническое выполнение электропередачи, заставляя монтировать более громоздкие провода.
Стоимость передачи энергии по линии возрастает с увеличением потерь в ней. Стремление уменьшить стоимость передачи энергии неизбежно ведет к увеличению капитальных вложений и росту расхода материалов.
Разумеется, что в условиях социалистической экономики эффективность того или иного выполнения дальней электропередачи должна определяться только исходя из народнохозяйственного эффекта в целом, из возможного  повышения производительности труда и снижения общих затрат труда в социалистическом хозяйстве страны. Однако методика таких расчетов достаточно полно не разработана и приближенно в практических инженерных расчетах и проектах допустимое соотношение между ростом дополнительных капиталовложений и уменьшением ежегодных издержек, в которых основной составляющей является стоимость потерянной энергии, определяется так называемым сроком окупаемости (приложение 1).
Приведенные выше соображения являются общими как для решения вопроса о целесообразности сооружения той или иной передачи, так и для выбора параметров электропередачи, намеченной к сооружению.