Исторический обзор развития электропередач СВН

Первые опыты по передаче электрической энергии на расстояние, пусть для начала очень небольшое, измеряемое километрами, относятся к 70—80-м годам XIX в. В то время уже было известно два рода электрического тока — постоянный и однофазный переменный. При этом в качестве основного энергоносителя рассматривался только постоянный ток, поскольку известные тогда однофазные двигатели переменного тока имели очень низкий, практически нулевой, пусковой момент и для их пуска приходилось использовать дополнительные механизмы. В то же время генераторы и двигатели постоянного тока обладали вполне приемлемыми характеристиками и могли быть использованы для промышленных целей. Поэтому и первые линии электропередачи строились на постоянном токе.
В 1873 г. французский инженер И. Фонтен на международной выставке в Вене продемонстрировал возможность передачи электроэнергии на расстояние несколько больше 1 км, включив между генератором и двигателем, приводившим в движение насос искусственною декоративного водопада, барабан с кабелем указанной длины. Правда, цель у него была другая — не транспорт энергии на дальние расстояния, а необходимость снизить напряжение на двигателе, который служил приводом для насоса, питавшего искусственный водопад. Передаваемая мощность составляла около 1 кВт, КПД этой передачи был очень низок из-за больших потерь мощности в кабеле. Тем самым была показана принципиальная возможность передачи электроэнергии на какое-то расстояние.
Уже тогда было ясно, что повысить КПД линии электропередачи можно было или увеличением сечения проводника, или повышением се напряжения. Повысить напряжение источника постоянного тока техника того времени еще не могла. Поэтому усилия инженеров этого периода были направлены на поиск путей увеличения сечения проводов линий электропередачи.
Так, примерно в то же время (1874 г.) русский военный инженер Ф.А. Пироцкий предложил увеличить сечение проводников, используя рельсы железной дороги как средство для транспорта электроэнергии. Площадь сечения рельсов примерно в 600 раз больше сечения стального телеграфного провода. Опыты производились на Сестрорецкой железной дороге, а рельсы изолировались от земли и один от другого с помощью шпал, промасленного брезента и смазки подошвы рельсов битумом. Дальность передачи составляла около 1 км.
Необходимо отметить, что Ф.А. Пироцкий был не единственным инженером, вставшим на путь увеличения сечения проводников. Так, известный немецкий электротехник Э. Сименс, оценив в 1875 г. энергетические возможности Ниагарского водопада, определил, что для передачи его энергии на расстояние 50 км потребуется проводник сечением 17 663 мм².
Несмотря на неприемлемость предложения Ф.А. Пироцкого для электроэнергетики, впоследствии оно нашло применение при электрификации железных дорог.

Другой путь повышения КПД электропередачи — повышение ее напряжения. Этот путь потребовал длительного осмысления. То, что совершенно очевидно сейчас, было далеко не ясно в то время. Здесь следует отметить работы французского инженера (впоследствии академика) М. Депре и проф. Петербургского лесного института Д.А. Лачинова.
В 1882 г. М. Депре и немецкий инженер Миллер построили первую линию электропередачи постоянного тока Мисбах—Мюнхен длиной 57 км. Напряжение этой электропередачи составляло 1,5— 2,0 кВ, энергия передавалась по стальным проводам диаметром 4,5 мм, поэтому КПД передачи не превышал 25 %. Несмотря на столь низкий КПД, эта передача имела очень большое значение, поскольку она показала принципиальную возможность передачи электроэнергии на достаточно большое — в десятки километров — расстояние.
В 1885 г. М. Депре построил новую электропередачу Крей— Париж протяженностью 56 км, где в качестве источника электроэнергии использовались специальные генераторы постоянного тока напряжением 6 кВ и массой около 70 т. КПД передачи здесь составлял уже 45 %.
Однако дальнейшее повышение напряжения машин постоянного тока, главным образом коллекторов и щеточных аппаратов, встретило серьезные трудности, связанные с их изоляцией.
Путь дальнейшего повышения напряжения электропередачи был намечен в работах Д.А. Лачинова. Он предложил для повышения напряжения соединить последовательно несколько машин на каждом конце линии. В этом случае каждая машина имеет меньшее напряжение и, следовательно, большую надежность. Однако и здесь возникают сложности, связанные с повышением потенциала каждой последующей машины по отношению к земле. Отсюда необходимость изоляции корпуса машины от земли, применения изолирующих муфт для связи с валом турбины или приводимого в движение агрегата.
Наиболее мощная передача такого типа была построена швейцарским инженером Р. Тюри от ГЭС Мутье в предгорьях Французских Альп до г. Лион. Эта линия была введена в работу в 1906 г. и имела длину 180 км. При напряжении 57 кВ по ней передавалась мощность 5 МВт. С одной стороны этой передачи — на ГЭС Мутье — стояли генераторы постоянного тока, соединенные последовательно, изолированные от земли и вращаемые турбинами через изолирующие муфты, с другой — в Лионе — были установлены двигатели постоянного тока, также соединенные последовательно и приводившие во вращение трехфазные генераторы, отдававшие энергию в сеть переменного тока. В 1927 г. линия была реконструирована. Последовательно с первой гидростанцией были включены еще две гидростанции. Длина линии при этом возросла на 80 км, а напряжение увеличилось до 125 кВ. Эта линия просуществовала почти до начала Второй мировой войны. В 1938 г. она была заменена трехфазной линией. По этой схеме было построено около 15 линий электропередачи, в том числе одна в России.
Попытки решить проблему передачи электроэнергии с использованием только постоянного тока в то время не принесли успеха. Передачи постоянного тока этого периода имели крупные недостатки, важнейшими из которых являлись: невозможность дальнейшего повышения напряжения для передачи электроэнергии на более дальние расстояния при достаточно высоких КПД и сложность отбора мощности от таких передач.
Одновременно со строительством электропередач постоянного тока уже в 80—90-е годы XIX в. велись интенсивные работы по использованию переменного тока для промышленных целей. Так, в 80-х годах XIX в. Н. Тесла предложил двухфазную систему, где можно было получить вращающееся поле и тем самым создать двигатель с начальным вращающим моментом. Однако эта система имела ряд недостатков и потому не получила распространения.
Широкое применение получила трехфазная система, начало которой положил М.О Доливо-Добровольский. Следует отметить, что в этом направлении работали в то время многие ученые, однако именно он получил наиболее удачные решения, к числу которых относится трехфазный асинхронный двигатель без выступающих полюсов как с короткозамкнутым, так и с фазным ротором, трехфазный трансформатор и четырехпроводная схема трехфазной сети с нулевым проводом. Буквально в течение 2—3 лет были разработаны все основные элементы такой трехфазной системы. Этот успех был обусловлен тем, что все это отвечало насущным потребностям практики.
Продуманность технических решений была такова, что позволила в течение 1 года спроектировать и изготовить оборудование для первой линии электропередачи с трехфазной системой тока. Эта линия должна была быть сооружена к открытию  Международной электротехнической выставки в 1891 г. Она имела длину 170 км от ГЭС на р. Неккар близ местечка Лауффен (Германия) до г. Франкфурт-на- Майне, где открывалась выставка. Генератор мощностью 230 кВ·А и напряжением 95 В работал через трехфазные трансформаторы, погруженные в баки с маслом. Трехпроводная линия на деревянных опорах с пролетом около 60 м имела медные провода диаметром 4 мм, закрепленные на штыревых фарфорово-масляных изоляторах. Напряжение линии составляло 15 кВ (при испытаниях оно поднималось до 25 кВ). На приемном конце был установлен понижающий трансформатор, от которого при напряжении 65 В питалась нагрузка. В ее состав входили трехфазный двигатель, приводивший во вращение гидравлический насос мощностью около 100 л.с., и большое количество осветительных ламп.
Пуск линии электропередачи состоялся 25 августа 1891 г., КПД электропередачи при междуфазном напряжении 15 кВ составлял 75,2 %, а при повышении напряжения до 25 кВ увеличивался до 78,9 %, что значительно превосходило предполагаемое значение 50 %. С этого момента трехфазные линии электропередачи переменного тока начали широко внедряться в практику.
В 1901 г. в США была построена линия электропередачи на 50 кВ; в 1903 г. напряжение в линиях возросло до 60 кВ. Передаваемые мощности в начале века возросли до 17 МВт, а дальность в одном случае достигла 350 км.
В течение первого десятилетия XX в. на первый план выдвинулась проблема линейной изоляции. До этого времени применялись штыревые изоляторы, которые не позволяли поднять напряжение выше 70 кВ. В 1906 г. в США были изобретены подвесные тарельчатые изоляторы, позволившие решить проблему увеличения напряжения линий электропередач. Эти изоляторы были прообразом изоляторов, применяющихся в настоящее время. С их применением были сооружены в 1908—1912 гг. первые линии 110 кВ в США и Германии. В следующем десятилетии напряжение увеличилось еще в 2 раза — в 1920 г. до 165 кВ, в 1922 г. до 220 кВ. Соответственно увеличились и передаваемые мощности.
Одновременно с ростом напряжения возникла проблема коронирования проводов и связанные с ней потери энергии. Многочисленные исследования, проводившиеся в США, Англии и России, показали, что эту проблему можно решить двумя путями. Первый из них — при одном проводе в фазе — заключается в увеличении диаметра этого провода для снижения напряженности электрического поля на его поверхности. Второй (предложение В.Ф. Миткевича, 1910 г.) предполагает применение расщепленных проводов каждой фазы линии.
Оба эти направления нашли свое применение в практике и используются до настоящего времени.
Рост напряжений и передаваемых по линиям электропередачи мощностей позволил перейти от мелких локальных электростанций, питающих отдельные предприятия и даже отдельные дома, к сооружению крупных электростанций, которые могли обеспечивать электроэнергией целые промышленные районы.
В дореволюционной России было построено около 200 км линий электропередачи напряжением 10, 35 и 70 кВ. После Октябрьской революции по плану ГОЭЛРО в 1922 г. была построена первая линия 110 кВ Кашира—Москва. При сооружении гидростанции Днепрогэс для передачи ее мощности было решено использовать напряжение 150 кВ. Первая линия такого напряжения была введена в работу в 1932 г. В связи с сооружением Нижне-Свирской ГЭС на р. Свирь, соединяющей Ладожское и Онежское озера, в 1933 г. было начато строительство первой в СССР линии 220 кВ Нижнесвирская ГЭС — г. Ленинград.
План ГОЭРЛО заложил основу для создания энергетических систем. Первые энергосистемы — Московская и Петроградская — были созданы в 1921 г. Во второй половине 20-х годов были образованы Ивановская, Ростовская, Донбасская, Уральская энергосистемы и др.
Параллельная работа электростанций в энергосистеме дает важные преимущества по сравнению с их изолированной работой. При совместной работе электростанций уменьшается необходимый оперативный и ремонтный резерв, появляется возможность ремонта основного оборудования без отключения потребителей, создаются условия для выравнивания графика тепловых станций и более эффективного использования мощности гидравлических станций.
Широкое строительство электрических сетей 110 кВ в начале 30-х годов привело к тому, что эти сети охватили большую часть районов Центра, Урала и Донбасса. С этого времени началось соединение электрических сетей примыкающих одна к другой энергосистем. В 1933 г. соединились сети Ивановской и Горьковской энергосистем, сети Донбасса и Ростовской энергосистемы. В 1935 г. было осуществлено соединение сетей Московской и Горьковской систем. Таким образом было положено начало созданию энергообъединений, или объединенных энергосистем (ОЭС).
В то же время быстро развивалось строительство линий 220 кВ, которые стали приобретать характер системообразующих связей в мощных ОЭС. В 1940 г. была сооружена линия 220 кВ Днепр— Донбасс, соединившая Донбасскую и Киевскую энергосистемы, была создана ОЭС Юга со своим диспетчерским управлением. Осенью 1941 г. была введена в работу линия электропередачи 220 кВ Рыбинская ГЭС—Угличская ГЭС — Москва. После войны процесс создания объединенных энергосистем продолжился.
Выполнение плана ГОЭЛРО привело к необходимости модернизации старых и сооружения новых заводов электротехнической промышленности, без чего ни план ГОЭЛРО, ни дальнейшая электрификация страны не могли быть осуществлены.
Еще до Великой Отечественной войны в нашей стране были начаты исследования, связанные с созданием оборудования для линий еще более высоких напряжений: 400—500 кВ. После войны эти исследования были продолжены и завершились в 1956 г. вводом в работу линии электропередачи 400 кВ Куйбышевская ГЭС — Москва. Как показал опыт наладки и первых лет эксплуатации, разработанное оборудование имело определенные запасы прочности изоляции, что дало возможность после незначительных изменений сооружать такие электропередачи на напряжение 500 кВ. В 1959 г. была принята в эксплуатацию первая цепь 500 кВ линии электропередачи Волгоград — Москва, а через год вторая. В начале 60-х годов линия электропередачи Куйбышевская ГЭС — Москва также была переведена на напряжение 500 кВ. С этого времени линии 500 кВ начали широко применяться в нашей стране.
В конце 50-х годов были построены первые линии 330 кВ, которые получили распространение на Северо-Западе страны, Украине и Северном Кавказе.
Развитие промышленности в послевоенные годы потребовало увеличения выработки электроэнергии и, как следствие, увеличения мощности электростанций. В эти годы были разработаны генерирующие блоки мощностью 300—500—800 МВт для тепловых электростанций и до 640 МВт для гидростанций. На атомных электростанциях были введены блоки по 1000 МВт. В результате мощность отдельных тепловых электростанций достигла 2400 МВт, атомных 4000 МВт, гидростанций 6000 МВт. В перспективе в нашей стране возможно сооружение ГЭС мощностью 15—20 ГВт.
Сооружение ТЭС и АЭС мощностью 2,4—4,0 ГВт потребовало дальнейшего увеличения напряжения линий, предназначенных для передачи мощности таких станций. Поэтому еще в 50-е годы были начаты исследования по созданию оборудования для линий 600— 750 кВ. Первая линия напряжением 750 кВ Конаково — Москва протяженностью около 100 км была введена в работу в 1967 г. Впоследствии в стране был построен еще целый ряд таких линий. Можно назвать две из них: Донбасс — Винница — Альбертирша (Венгрия) и Ленинград — Калининская АЭС — Конаково — Москва.
В 70-х годах были начаты работы по созданию оборудования для линий ультравысокого напряжения 1150 кВ. Первая в мире линия этого класса напряжения Экибастуз — Кокчетав — Кустанай — Челябинск вводилась в строй очередями во второй половине 80-х годов. Были также сооружены линии 1150 кВ Экибастуз — Барнаул и Барнаул — Итат. Общая длина этих линий составляет 2350 км.
Освоение каждого следующего класса напряжения требовало больших усилий по выполнению серьезных научно-исследовательских работ, разработке и освоению выпуска нового оборудования. Важно отметить, что все эти работы были выполнены отечественными научно-исследовательскими и конструкторскими коллективами и все оборудование для линий электропередачи было изготовлено на отечественных заводах.

Как во время выполнения плана ГОЭРЛО, так и после его реализации в нашей стране осуществлялось интенсивное сетевое строительство. Особенно интенсивно оно велось в послевоенные годы, при этом наибольшее внимание уделялось распределительным сетям. В то же время быстро росла и протяженность системообразующих линий электропередачи 500—750 кВ. Представление об этом дает табл. 1.
Общая протяженность электрических сетей напряжением 110 кВ и выше к 1991 г. составляла свыше 650 тыс. км. Появление линий 330—500—750—1150 кВ с высокой пропускной способностью позволило приступить к решению задач системного характера: повысить надежность работы существующих энергосистем и создать объединенные энергосистемы, охватывающие крупные регионы страны, такие как ОЭС Центра, ОЭС Северо-Запада, ОЭС Средней Волги и ряд др.
Сооружение первых линий электропередачи 500 кВ положило начало созданию Единой энергетической системы (ЕЭС) страны. В 1956 г. с вводом в работу первой цепи электропередачи 400 кВ Куйбышев — Москва были соединены энергосистемы Центра и средней Волги. В 1959 г. была введена в работу линия электропередачи Куйбышев — Бугульма — Златоуст — Свердловск, соединившая ОЭС Средней Волги с энергосистемой Урала и энергосистемами Предуралья.

Таблица 1
Установленные мощности электростанций и протяженность электрических сетей 220—1150 кВ СССР

В дальнейшем работа по созданию ЕЭС продолжалась. Формировались ОЭС Казахстана, Средней Азии, Сибири, где системообразующими были сети 500 кВ. К 1990 г. практически вся территория страны, за исключением Дальнего Востока и республик Средней Азии, была охвачена электрическими сетями Единой энергосистемы. Это давало целый ряд преимуществ: повышение надежности энергоснабжения, снижение мощности ремонтного резерва, возможность использования межсистемных перетоков мощности за счет сдвига по времени максимумов нагрузки и ряд др.
После распада СССР на территории России осталось 454 тыс. км электрических сетей, из них на каждый класс напряжения приходится (по состоянию на 2004 г.):

Однако параллельная работа энергосистем России, некоторых стран СНГ и Балтии, невзирая на ряд сложностей, сохранилась до настоящего времени.
Аналогичные процессы, связанные с ростом номинального напряжения и созданием энергосистем, в том числе объединенных, происходили и в др. государствах: США, Канаде, странах Европы и многих др. Рост номинального напряжения в США (совместно с Канадой) и СССР показан на рис. 1. Наиболее высокое напряжение, принятое в европейских странах, 380—420 кВ. В неевропейских странах получили широкое применение линии 500—550 кВ. Их строят также в США, Канаде, Японии, Бразилии, Австралии и ряде других стран. В некоторых странах — Канаде, США, Бразилии, Венесуэле и ЮАР —  построены линии 735—800 кВ. Линии 750 кВ с помощью СССР сооружены в странах Восточной Европы: Венгрии, Польше, Болгарии и Румынии.
В 70-е годы XX столетия в ведущих странах мира (США, СССР, Японии и Италии) развернулись исследовательские работы по созданию оборудования для линий ультравысокого напряжения — свыше 1000 кВ. Линии УВН были сооружены в СССР (1984 г.) и Японии (1993 г.).

Рис. 1. Рост номинального напряжения линий электропередачи 110—1150 кВ в СССР (1) и США совместно с Канадой (2)

Интеграционные процессы в области энергетики продолжаются. Существует ряд проектов, которые широко обсуждаются и которые направлены на создание общего рынка электроэнергии на Евроазиатском континенте. Среди них можно упомянуть Балтийское энергетическое кольцо, связывающее 11 стран региона Балтийского моря, и Черноморское энергообъединение. Рассматриваются варианты развития связей между энергосистемами Египта, Ирана, Турции и их соединения с Объединенной энергосистемой Средней Азии, создание связей между энергообъединениями России, Китая, Японии, Кореи и др.
Начиная с 70-х годов XX в. усилия ученых и инженеров различных стран мира направлены на разработку линий электропередачи новых типов, имеющих повышенную пропускную способность и способных принудительно изменять передаваемую по ним мощность в соответствии с режимом системы. К таким линиям можно отнести управляемые самокомпенсирующиеся линии, линии со сближенными междуфазными расстояниями и иной конструкцией фазы по сравнению с традиционными линиями, гибкие линии переменного тока. Опытно-конструкторские проработки в этих направлениях продолжаются до настоящего времени.
Для решения ряда задач электроэнергетики в некоторых странах используются электропередачи и вставки постоянного тока.