Энергетические системы - Эволюция сетей

Краткий исторический экскурс. 1. Создание сетей связано с развитием оборудования, производящего или использующего электрическую энергию. Первые сети питали коммунальные установки освещения, в то время как использование двигателей осуществлялось медленными темпами. Другие области применения электричества начали появляться с 1920 г.
Указанные ниже даты представляют собой заметные этапы (в развитии и применении электроэнергии):
1795 г. — батарея (Вольт);

1832 г. — генератор (Пиксии) на переменном токе (первая вращающаяся машина), однофазный генератор переменного тока был усовершенствован примерно в 1850 г. Кларком, Вайлдом и т. д. и особенно в 1884 г. Бен Эшенбургом;

1841 г.— дуговая лампа (Фуко);

1859 г. — аккумулятор (Планте);

1886 г. — генератор постоянного тока —динамо (Сименс);

1870 г. — генератор постоянного тока с коллекторными кольцами (Грамма); его обратимость была доказана спустя три года (Г. Фонтэн);

1879 г. — лампа накаливания с угольной нитью (Эдисон);

1881 г.— передача на постоянном токе при напряжении 2000 В на расстояние 1800 м (М. Депрез); в следующем году — передача на расстояние 57 км (экспериментальный этап);

1882 г.— первые электрические сети (освещение) в Лондоне (Лэн Фокс), затем в Нью-Йорке (Эдисон);

1882 г. — распределительная сеть на постоянном токе в Белле-гарде (департамент Эн), первые коммунальные распределительные сети во Франции: 140 В—для освещения, 280 В —для силовой нагрузки;

1883 г. — трансформатор (Голар и Гиббс);

1883 г. — многофазные токи (Н. Тесла);

1884 г.— ЛЭП однофазного переменного тока (Голар) в Турине на расстояние 40 км и в Варлеа (Дром) на расстояние 14 км распределительной сетью однофазного переменного тока НН;

1886 г. — однофазная сеть 500/100 В в Грит Баррингтоне (штат Массачусетс);

1887 г.— передача и распределение на переменном токе в Люцерне (осветительная и силовая нагрузки);

1887 г.— первая распределительная сеть в Париже (освещение на постоянном токе);

1887 г. — передача трехфазным током (Н. Тесла) в США;

1888 г. — сеть на переменном токе в Лондоне (Феранти);

1888 г. — асинхронный трехфазный двигатель (Тесла и Феррари);

1888 г. — асинхронный двигатель с беличьей клеткой (Доливо-Добровольский);

1891 г. — экспериментальная передача трехфазным током на расстояние 175 хм мощностью 180 кВт при напряжении 14 кВ (кпд равен 75%);

1891 г. — промышленная передача переменного тока Ниагаро-Буффало (Форб, 43 км, И кВ, 7,5 MB • А, 25 Гц);

1898 г.— первая передача переменного тока во Франции (Анжен-Вуарон) напряжением 14 кВ;

1901 г. — одноякорный преобразователь (Шуккерт);

1902 г.— передача постоянного тока при неизменной величине тока (Тюри) в Лозанну, 1906 г.—между Мужье и Лионом (максимальное напряжение 56 кВ).

Рост максимальных напряжений передающих сетей в мире показан далее (см. рис. 1.4) .
Экономическое развитие страны тесно связано с ростом потребления электрической энергии. Уровнем этого потребления некоторые
авторы считали возможным измерять уровень цивилизации. Бесспорно здесь то, что бытовое потребление является хорошим сигнализатором уровня жизни в различных странах.
Если потребление электроэнергии в национальном масштабе не может быть точным отражением уровня экономической деятельности, ю значения этих величин, безусловно, связаны. Так, электропотребление с во Франции и экономическая жизнь страны, оцениваемая индексом внутреннего валового продукта (в.в.п.), связаны соотношением
где а = 2%, b=1--1,2.
Поскольку соотношения приближенны, нельзя делать прогнозов на будущее, не принимая во внимание для А с неточность, характеризуемую величиной отклонения в 3% для одногодичных прогнозов и в 4% —для прогнозов на три года. Разделяя потребление на высоком и низком напряжениях, пытаются получить более точные соотношения.
4. Передающие сети не всегда развиваются пропорционально потреблению электроэнергии, поскольку некоторая часть произведенной энергии может быть потреблена в непосредственной близости от электрических станций. Однако необходимость в значительных количествах воды для охлаждения, как правило, приводит к удалению ТЭС от центров потребления. Во Франции, например, станции приходится располагать на р. Рона или берегу моря. Поэтому структура передающей сети несет на себе печать этой необходимости.
Характеристики сетей. К характеристикам сетей можно отнести следующие параметры.
Мощности. Мощности единичных агрегатов электрооборудования сетей увеличиваются одновременно с развитием экономики страны. Мощности турбогенераторов в начале XX в. достигли 2—3 МВт; в 1966 г. —1000 МВт в США и 600 МВт во Франции.
Максимальная мощность, установленная на станциях, достигла как во Франции, так и в США 7,5 МВт в 1900 г. и 350 МВт в 1930 г., она превысила к 1970 г. 2000 МВт в США, 4000 МВт в СССР и 1000 МВт во Франции *.
Эти мощности передавались ЛЭП, передающая мощность которых росла от нескольких мегаватт в 1900 г. примерно до 600 МВт для одноцепных линий напряжением 400 кВ и 2000 МВт для линий напряжением 700 кВ.
Одновременно наблюдался рост потребляемых мощностей. Один только электрохимический завод потребляет более 100 МВт. Бытовая и промышленная нагрузка на территории Парижа (внутри города) в часы пик достигала 60 МВт в 1912 г. и 1100 МВт в 1965 г., причем парижский район превысил мощность 300 МВт.

*В настоящее время мощности турбоагрегатов достигают 2000 МВт. —Прим.

В 1912 г. сети, питающие Париж, не имели межсистемных связей. Повышение общей мощности заводов, питающихся параллельно от одной и той же сети, происходит еще большими темпами. Во Франции наиболее мощная объединенная энергосистема имела пиковую нагрузку 100 МВт в 1920 г., 3000 МВт в 1930 г. К 1970 г. объединенная энергосистема Западной Европы имела пиковую нагрузку примерно 70 000 МВт.
Все эти сети достаточно разветвленные, поэтому следует обратить внимание на величину мощности короткого замыкания, полученную на подстанциях в зонах с наиболее плотной нагрузкой. Во Франции она достигла 2000 MB • А к 1930 г. и 12 000 MB • А в 1965 г.
Энергии. Эволюция мощностей вызывает эволюцию в способах потребления энергии, причем следует принимать во внимание изменение графиков нагрузки (форму кривых, представляющих изменение мощности в функции времени) для дня, недели и года.
Рис. 1.1 дает представление об эволюции нагрузки в Париже в течение наиболее загруженного дня в декабре. Энергия, потребляемая в течение сезона, изменяется в течение ряда лет в зависимости от уровня экономической жизни страны с учетом ее климата.
Ритм роста оказывается достаточно регулярным, хотя и сильно изменяющимся при колебаниях экономики. В наиболее развитых странах этот ритм близок к тому, что потребность в электроэнергии удваивается за десятилетие, а в развивающихся странах это удвоение происходит за меньшие сроки. Во введении дается представление о росте производства электроэнергии в различных странах мира и в том числе во Франции в течение прошедших десятилетий.
График, приведенный на рис. 1.2, показывает эволюцию общего производства (электроэнергии) во Франции начиная с 1910 г. и прогнозы до конца века.
На графике, приведенном на рис. 1.3, потребление электроэнергии разделено на потребление энергии на высоком (ВН) и низком (НН) напряжениях; последнее прогрессирует более быстро.

Рис, 1.1. График нагрузки для наиболее загруженного декабрьского дня в Париже
Длины линий. Начиная с 1882 г. и в последующие годы передачи на расстояние 50 км осуществлялись на постоянном токе с низким кпд (около 60%).
Первая трехфазная линия, построенная в 1891 г., достигла длины 175 км, и вплоть до 1901 г. это расстояние не увеличивалось. Передачи, построенные во Франции, достигли 100 км к 1901 г. (Сен-Жорж- Нарбонн при напряжении 20 кВ); 200 км к 1923 г. (Ле Урат — Пессак при напряжении 150 кВ); 400 км в 1933 г. (Кембс — Париж и Рюйер —Париж при напряжении 220 кВ).

1.2. Развитие общего производства (электроэнергии) во Франции начиная с 1900 г.: долгосрочное планирование


Рис. 1.3. Развитие потребления (электроэнергии) во Франции:
1 — общее потребление во Франции; 2— энергия, поставляемая Э де Ф на ВН; 5— удвоение потребления в течение 10 лет; 4 — потребление на низком напряжении во Франции, 5 — потребление электроэнергии на НН в Э де Ф.

Расстояния 1000—1500 км были преодолены в 50-х годах в СССР и Швеции.
Одновременно с удлинением электрических сетей происходило их развитие. Эта эволюция отражена в табл. 1.1, которая приводит рост длин сетей Франции различных диапазонов напряжений за 40 лет.
Возрастание, длин сетей в ритме, соответствующем удвоению за 20 лет, происходит применительно к распределительным и передающим сетям. Для сетей СН и особенно сетей НН, где усиление зачастую происходит за счет сооружения новой подстанции без значительного удлинения сети, рост более медленный. В частности,
Таблица 1.1. Общая длина французских электрических сетей (Э де Ф и национального общества железных дорог)

* Приведены редактором.
** Включая напряжение 0,525.
в городах начиная с момента, когда было осуществлено размещение по квадратной сетке путем прокладки кабеля на каждом участке улицы, сеть удлиняется, только более медленно (кабели прокладываются параллельно, если мощность превосходит допустимую мощность одного кабеля).
В 1980 г. протяженность сетей НН составила около 600 км*.
Следует заметить, что эволюция сетей во Франции имеет свою специфику, отличаясь от других стран, например Англии, где длины и напряжения росли медленней, поскольку электроэнергия в Англии производилась в основном на ТЭС, расположенных вблизи центров потребления, где плотность населения более высокая.
Напряжения. Рост передаваемых мощностей и увеличение расстояний, на которые передаются эти мощности, приводит к использованию все более высоких напряжений.
Начиная с конца XIX в. первые электропередачи использовали напряжения 11—16 кВ в различных странах Европы (Франции, Италии и Германии) и даже напряжение 40 кВ в США. До 1914 г. рост максимальных напряжений был очень быстрым, но затем он замедлился. Максимальные напряжения, которые последовательно появлялись в различных странах с 1920 г., приблизительно удваивались за каждые 20 лет**.

Рис. 1.4 уточняет эту эволюцию напряжений в передающих сетях.
Разработка нового диапазона напряжений ставит всегда новые технические проблемы, за которые инженеры берутся с осторожностью. Так, увеличение напряжения выше предыдущего диапазона зачастую ограничено. Но если все величины достигнутых последовательно напряжений долго сохранялись на одной и той же территории, необходимо было устанавливать на подстанциях многочисленные трансформаторы для соединения между собой линий.
Деление территории на крупные зоны позволяет ограничить применение нового диапазона напряжений одной из этих зон. Метод деления применяется во многих странах (США, Швейцарии и др.) во Франции он существовал до национализации энергетики.

Рис. 1.4. Рост максимальных эксплуатационных напряжении во Франции и США (здесь упомянуты последовательно мировые рекорды)
Зоны могут изменяться в широких пределах, поэтому часть оборудования производится мелкими сериями.
Чтобы лучше использовать выигрыш от производства оборудования
В 1950-1958 гг. в Швеции и СССР появились напряжения 400 и 500 кВ. В 1965—1975 гг. напряжения 700—750 кВ стали применяться в Канаде, СССР, США. В 1982—1983 гг. ожидается пуск линий напряжениями 1050—1200 кВ в США и СССР. Из других Европейских стран, ведущих работы по созданию линий этого напряжения, видимо, первой будет Италия, которой необходима передача больших мощностей с севера на юг страны (районы Милан — Неаполь). — П р и м. р е д.

Крупными сериями, некоторые страны (Франция, Англия, СССР и т. д.) были вынуждены стандартизовать небольшое число напряжений. Во Франции переход к стандартным напряжениям происходил в течение некоторого периода и был осуществлен с учетом срока службы и естественной амортизации работающего оборудования. Отсюда следует, что в течение этого времени некоторые не вполне желательные величины напряжений продолжали существовать. Так, напряжения 1—10 кВ, которые были очень распространены до 1940 г., с тех пор начали исчезать во всех странах мира. Во Франции же напряжение 20 кВ используется и в настоящее время из всего диапазона средних напряжений.
Число напряжений передающих сетей во Франции уменьшилось из-за исчезновения напряжений 120 и 150 кВ. Напряжение питающих сетей 225 кВ будет существовать и далее во Франции и других странах континентальной Европы.