Энергетика: настоящее и будущее - Электросети

Глава 3

ЭЛЕКТРОСЕТИ —  КРОВЕНОСНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

Электричество отличается от многих других источников энергии тем, что его потребление происходит одновременно с производством. Электрическая энергия не имеет промежуточных складов и должна доставляться потребителю прямо от генерирующих источников. Линии передачи являются теми транспортными артериями, которые связывают электрические станции, где производится электроэнергия, с потребителем. С развитием народного хозяйства, сооружением новых предприятий, механизацией труда происходит увеличение потребления электроэнергии, строятся новые линии электростанции, с их помощью происходит объединение электростанций, постепенно вся обширная территория страны покрывается сетью электропередач, как системой кровеносных сосудов в живом организме. Поэтому не случайно во всех планах развития энергетики предусматривается ввод в действие новых линий электропередач.
В решениях XXV съезда КПСС, утвердивших Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976— 1980 годы, перед энергетиками поставлена задача: «Сооружение магистральных линий электропередач напряжением 500, 750 и 1150 тыс. вольт».
Принцип одновременного развития мощностей электростанций и электрических сетей был заложен еще в плане ГОЭЛРО.
На практике же этот принцип был осуществлен еще при жизни В. И. Ленина, когда одновременно с вводом в действие первого агрегата Каширской электростанции была построена от нее линия электропередачи напряжением 110 кВ. С помощью этой линии электроэнергия Каширской ГРЭС передавалась в Москву.
В дореволюционной России было крайне мало линий электропередач высокого напряжения; самой мощной считалась линия напряжением 70 кВ, по которой электроэнергия с подмосковной электростанции поступала московским потребителям.
В тот период линии электропередач строились бессистемно, как правило, на различные напряжения. Но уже в 1920 г. была разработана и введена в действие единая, унифицированная шкала напряжений в 3; 6; 10; 35 и 110 кВ.
В последующие годы с увеличением мощности электростанций и расширением охвата территории страны электрификацией шкала напряжений была увеличена до 220; 350; 500 и 750 кВ. В соответствии с директивами XXV съезда КПСС в десятой пятилетке будет построена линия передачи переменного тока напряжением 1150 кВ. Линий подобного напряжения в мире пока не существует. До сих пор речь шла о напряжениях для линий электропередач переменного тока.
Советский Союз является родоначальником и другого типа линий — постоянного тока.
По ряду экономических показателей линии постоянного тока выгоднее передач переменного тока, если длина электропередачи превышает 1,5—2,0 тыс. км. В нашей стране действуют две экспериментальные электропередачи постоянного тока: первая от Каширской электростанции до Москвы напряжением ±100 кВ и вторая от Волгоградской ГЭС до Донбасса напряжением ±400 кВ. Принято решение построить уникальную электропередачу напряжением ±750 кВ, длиной 2,4 тыс. км от куста Экибастузских тепловых электростанций (Сев. Казахстан) до Тамбова.

Унификация напряжения линий электропередач имеет важное значение, так как позволяет производить взаимозаменяемое оборудование электрических сетей (трансформаторы, выключатели, разъединители и т. п.).
Организация производства унифицированного по напряжению и шкале мощностей электротехнического оборудования обеспечивает большой экономический эффект. Эксплуатация электросетей и энергосистем, улучшилась за счет получения взаимозаменяемого оборудования, что значительно сократило расходы на ремонтные работы, смену устаревшего или вышедшего из строя оборудования.
Научные основы развития электрических сетей состоят:
в объединении электростанций на определенной стадии в общие энергетические системы, являющиеся основой электрификации;
в возрастании параметров линий передач (напряжение, мощность, длина) в соответствии с развитием электроэнергетики и ростом генерирующих мощностей;
в работе электрических сетей в строгом соответствии с развитием генерирующей мощности и с учетом охвата электрификацией всей обжитой территории;
в пропорции между развитием линий транзитного типа и распределительными сетями;
в строгом соблюдении пропорций в развитии трансформаторных мощностей, генерирующих источников и распределительных подстанций;
в переходе энергетического хозяйства на мощные и сверхдальние передачи электроэнергии с высокой экономической эффективностью.
Сплошная электрификация экономических районов возможна при решении двух основных задач: охвате всей обжитой территории страны энергетическими системами и электрическими сетями и достижении максимального уровня электроснабжения производственных процессов и бытовых нужд.
Динамика роста протяженности линий электропередач видна из следующих данных (табл. 11).
Данные таблицы относятся только к линиям электропередач районного назначения. 

Таблица 11
Протяженность воздушных линий электропередач Минэнерго СССР (км)

Сюда не входят сельские электросети и линии промышленных предприятий.
Особенно велика протяженность сельских электросетей, общая длина этих линий составляла к началу 1977 г. свыше 3 млн. км.
Постепенное увеличение напряжений линий электропередач совпадает, как правило, со строительством крупных тепловых или гидроэлектростанций.
Хронологически увеличение напряжений линий передач можно проследить по следующим этапам:

До 1950 г. отечественные линии электропередач по напряжению не превышали достигнутого за рубежом уровня. С 1956 г., после ввода в действие линии электропередачи напряжением 400 кВ от Волжской ГЭС им. Ленина до Москвы, Советский Союз вышел на одно из первых мест в мире.
Динамику развития линий электропередач по напряжению можно проиллюстрировать следующими примерами.
В 1925 г. вместе с вводом Шатурской ГРЭС мощностью 32 МВт была сооружена двухцепная электропередача напряжением 110 кВ до Москвы. В следующем, 1926 г. вошла в строй Волховская ГЭС, и электроэнергия от этой гидроэлектростанции передавалась в Ленинград по двухцепной линии длиной 130 км, напряжением 110 кВ. В 1926 г. также линией напряжением 110 кВ передавалась в Горький электроэнергия от Горьковской ГРЭС. С окончанием строительства Штеровской ГРЭС для электроснабжения центрального угольного района (Донбасс — Кадиевка) были сооружены две цепи линий электропередачи напряжением 110 кВ.
Сооружение крупных гидроэлектростанций, месторасположение которых определялось не размещением центров потребления, а природными условиями, определило переход на более высокие параметры линий электропередач по напряжению 154 и 220 кВ. Для передачи энергии введенной в строй Днепровской ГЭС было выбрано напряжение 154 кВ.
Последующими экономическими расчетами была доказана большая экономическая эффективность перехода к линиям напряжением 220 кВ.
Первая линия электропередачи напряжением 220 кВ была введена в эксплуатацию в 1933 г. для передачи электроэнергии в Ленинград от Свирьской ГЭС мощностью 100 МВт.
В 1936 г. на Урале была построена первая линия напряжением 220 кВ от электростанции Магнитогорского металлургического комбината с целью передачи избыточной мощности в район Златоуста.
В середине 1940 г. была введена в эксплуатацию линия напряжением 220 кВ Днепр—Донбасс. Эта линия позволяла использовать мощность Днепрогэса для покрытия пиковых нагрузок (утром и вечером) в Донбасской энергосистеме, в которой работали только тепловые электростанции. При этом тепловые электростанции могли работать в наиболее экономичном режиме — по ровному графику нагрузки. В дневные и особенно ночные часы, когда нагрузка снижается, Днепрогэс разгружается, и происходит накопление воды в водохранилище. В результате объединения указанных энергосистем удалось сократить резерв мощностей.
Связующим звеном между системами служила мощная Кураховская ГРЭС, расположенная на полпути от Днепра до Донбасса.
За более чем 40-летний период (1933—1975 гг.) общая протяженность линий электропередач напряжением 220 кВ превысила 70 тыс. км, т. е. возросла почти в 300 раз.
Новый этап в развитии линий электропередач наметился с увеличением мощности отдельных гидроэлектростанций и удлинением расстояний между ними и потребителями до 300 км и более. Появилась потребность перехода на более высокие параметры линий передач.
Такой переход в энергетике нашей страны был впервые осуществлен при решении вопроса о передаче энергии от крупных Волжских ГЭС в Москву и на Урал и Братской ГЭС мощностью более 4 млн. кВт до Иркутска. По проекту, разработанному Теплоэлектропроектом, в 1956 г , была сооружена двухцепная линия передачи напряжением 400 кВ от Куйбышева до Москвы длиной (одной цепи) 905 км, с возможностью передачи мощности по двум цепям более 1 млн. кВт.
Для передачи энергии от Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС в Московскую энергосистему была запроектирована двухцепная линия электропередачи напряжением 500 кВ, длиной более 1000 км. По этим двум цепям можно передавать мощность до 1,2 млн. кВт.
Опыт эксплуатации двухцепной линии Куйбышев— Москва показал, с одной стороны, надежность работы электротехнического оборудования и самой линии, а с другой — подтвердил экономические преимущества перевода этих линий на напряжение в 500 кВ, что и было сделано.
Основная цель сооружения линий от двух Волжских ГЭС, суммарная мощность которых равнялась 4,83 млн. кВт, заключалась в передаче дешевой гидроэнергии московским потребителям.
Линии этого напряжения выполняли роль связи при объединении энергосистем между собой. Экономически выгодные расстояния для передачи электроэнергии при напряжении 500 кВ, составляют до 1200 км. При этих условиях от мощного генерирующего источника можно передавать энергию в противоположные стороны на общее расстояние между потребителями более чем на 2,0 тыс. км. Это позволяет использовать эффект поясного времени при покрытии пиковой части графика нагрузки в районах, отстоящих друг от друга на указанное расстояние. В результате можно уменьшить величину резервной мощности, что приносит большой экономический эффект народному хозяйству.
Это положение можно проиллюстрировать на примере Куйбышевской ГЭС. Объединение двух крупнейших систем Центра и Урала линиями передачи 500 кВ позволило использовать мощность Волжской ГЭС им. В. И. Ленина сначала на покрытие пиковой части графика нагрузки на Урале, а затем примерно через два часа после спада нагрузки в этом районе — для покрытия нагрузки в Центре. В итоге удалось сократить капитальные затраты на создание резервных мощностей в обеих энергосистемах в размере 350 МВт.
В 1960 г. общая протяженность электропередач в 500 кВ превысила 4,0 тыс. км, через пять лет длина этих передач удвоилась, а к 1977 г. общая протяженность линий напряжением 500 кВ превысила 20 тыс. км.
С появлением линий электропередач переменного тока напряжением 500 кВ стала изменяться и структура электрических систем.
Изменения функций линий электропередач разных напряжений происходили и раньше, в результате увеличения расстояний от электростанций до потребителя, расширения охвата территорий электрификацией и роста мощностей электростанций.
Например, в начале 50-х годов во многих электрических системах при ограниченном охвате территории электрическими сетями до 40% мощностей электростанций использовалось на генераторном напряжении, а распределительные сети имели напряжение 35 кВ.

Таблица 12
 Ввод воздушных линий электропередачи Минэнерго СССР напряжением 35 кВ и выше, км

*          К магистральным линиям относятся те электролинии, по которым электроэнергия подается от электростанции до кустовых подстанций. От этих подстанций электроэнергия подается потребителям на пониженном напряжении, по распределительным сетям.
**        Без ЛЭП для электрификации сельского хозяйства.
Функции магистральных передач * в этот период выполняли линии электропередачи 110 кВ.
Но к 1950 г. возросла и протяженность линий электропередач напряжением 220 кВ. За 10 лет, с 1950 по 1960 г., протяженность линий 220 кВ увеличилась более чем в 8 раза и превысила 15 тыс. км. В связи с этим линии электропередачи напряжением 110 кВ постепенно стали превращаться из магистральных в распределительные. Поскольку потребность в энергии возрастала и развивались энергосистемы, естественно, увеличивалась и протяженность линий 110 кВ. Таким образом, к 1960 г. верхний уровень электросетей был образован линиями передач напряжением 110—220— 500 кВ. Экономические расчеты, проведенные проектными институтами, показали, что в условиях нашей страны необходимо иметь линии с напряжением 330 кВ, которые должны заполнить промежуток между линиями напряжением 220 и 500 кВ. Первые опытные электропередачи напряжением 330 кВ были начаты сооружением в конце 50-х годов. Развитие линий электропередач различного напряжения, в том числе линий напряжением 330 кВ, можно проследить по данным табл. 12.
Возрастала мощность электростанций, объединялись энергосистемы, увеличивалась и длина линий передач. Все это, вместе взятое, обусловило необходимость сооружения магистральных линий еще более высокого напряжения — в 750 и 1150 кВ переменного тока и 1500 кВ постоянного тока. Такой класс напряжений необходим при создании Единой энергетической системы СССР, а также транспорта больших масс электроэнергии из районов Сибири и Средней Азии, где имеются богатейшие месторождения минерального топлива и гидроэнергии, на Урал и в центральные районы страны.