Глава 2
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ — ОСНОВА ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ
Почему энергетическим системам во всем мире и в нашей стране придается такое большое внимание?
Чтобы дать ответ на этот вопрос, необходимо рассмотреть особенности электрической энергии и главную сущность электрификации всей страны.
В предыдущей главе были показаны экономические преимущества использования электрической энергии во всех сферах деятельности человека, в быту и жизни людей. Было наглядно на многих примерах показано проникновение электричества в промышленность, сельское хозяйство, транспорт, в быт. Поскольку электричество может доставляться потребителю только одним видом транспорта — по линиям электропередач, становится очевидной необходимость объединения электростанций и потребителей в единой энергетической системе.
Другими словами, решение проблемы всеобщей электрификации заключается в объединении электростанций линиями электропередач в единую энергетическую систему страны.
Следовательно, объединяют электрические станции (генерирующие источники) с помощью линий электропередач, по которым обеспечивается транспорт электрической энергии от центров ее производства до потребителей. Поэтому не случайно энергетические системы стали создаваться с момента зарождения электрических станций.
В основу создания энергетических систем в СССР заложен предусмотренный ленинским планом ГОЭЛРО принцип, во-первых, концентрации производства электроэнергии на мощных районных электростанциях и, во- вторых, централизованное электроснабжение всех потребителей от общей электросети.
Такой метод создания энергетических систем обеспечивает высокую экономическую эффективность электроэнергетики путем:
концентрации мощности генерирующих источников, увеличения единичных мощностей энергетических агрегатов и электростанций;
сокращения затрат на создание резервных мощностей по сравнению с раздельно работающими агрегатами или электростанциями;
повышение надежности электроснабжения при наличии общих электрических сетей.
Для обеспечения нормальной работы энергетической системы и всех входящих в нее элементов требуется строгое соблюдение определенных технических правил.
В чем состоят эти основные условия? Они заключаются прежде всего в объединении всех генерирующих источников (электростанций) единой электрической связью, которая обеспечивает синхронную работу между собой отдельных агрегатов и всех входящих в энергосистему электрических станций. Параллельная работа электростанций на общие электрические сети может быть обеспечена линиями электропередач, рассчитанными на пропуск необходимых мощностей. Нарушение этого основного технического правила может привести к расстройству параллельной работы электростанций и как следствие — дезорганизации энергоснабжения потребителей.
Устойчивая работа энергосистем обеспечивается наличием в ней резервов электрических мощностей. Резерв мощности необходим для того, чтобы покрывать возникающую дополнительную потребность в электроэнергии и не допускать перегрузки энергетических агрегатов.
Обычно в энергосистемах создают два вида резервов: мобильный для покрытия текущих колебаний нагрузок, которые происходят в течение суток, и общий — для покрытия изменения сезонной части нагрузок или замещения оборудования, выводимого в ремонт.
Развитие энергетических систем происходило поэтапно: вначале была организована параллельная работа отдельных энергетических агрегатов. Затем началось объединение электрических станций между собой в энергетические системы с помощью линий электропередач. На заключительном этапе началось объединение энергетических систем созданием единой энергетической системы СССР.
Поскольку энергетические системы представляют собой объединение генерирующих источников, расположенных в разных районах, в этих условиях особое значение приобретает организация оперативного управления этим сложным хозяйством. Механизм управления энергетическим хозяйством был научно обоснован и проверен многолетней практикой. Основа этого механизма состоит из диспетчерского, оперативного управления.
Диспетчерскому управлению в оперативном отношении подчинен весь дежурный персонал электростанций, подстанций и линейных служб.
Чтобы понять весь механизм оперативного управления энергетическими системами, необходимо более детально ознакомиться с организацией единого диспетчерского управления всеми элементами, входящими в энергосистему.
Диспетчерские управления располагаются в специально оборудованных помещениях и оснащены четкими схемами всей электрической сети и электростанциями, приборами измерения и контроля за работой как системы в целом, так и отдельных ее частей. Современные диспетчерские пункты обеспечиваются также новейшими средствами сигнализации, показывающими состояние оборудования и электролиний. Замер мощностей (нагрузок) энергосистем осуществляется телемеханическими системами.
Все эти многочисленные измеряющие, показывающие и сигнализирующие приборы размещаются на больших щитах в строгом порядке. Диспетчерские щиты с нанесенными на них схемами электросетей располагаются так, чтобы дежурный диспетчер и его помощники всегда имели их перед собой.
Дежурный диспетчер и его помощник сидят за столом — пультом, на котором смонтированы наиболее важные приборы, по которым легко контролировать работу энергосистемы.
Когда-то схемы электрических сетей на диспетчерских щитах были «немые». Теперь, как правило, схемы (линии) светящиеся, если происходит авария, например, отключаются многие передачи, то этот участок схемы начинает мигать.
Вся эта техника помогает дежурному диспетчеру мгновенно оценивать обстановку и принимать соответствующие решения. Для этой цели диспетчер имеет несколько дублирующих систем связи; с помощью этой связи диспетчер может быстро и оперативно связаться с дежурным персоналом электростанции, подстанции или сетевого района, уточнить обстановку, выяснить причины нарушения работы оборудования и дать необходимые распоряжения.
Поскольку все процессы в энергетических агрегатах и электросетях происходят весьма быстро, здесь счет ведется секундами, решения диспетчера в советской системе являются непререкаемыми и должны безоговорочно выполняться.
Поскольку изменение потребности в электрической энергии в суточном графике нагрузок трудно определить заранее, то энергетическая система должна иметь автоматические устройства, которые могут увеличивать мощность агрегатов для покрытия нагрузок. С этой целью современные энергосистемы имеют устройства для ввода в действие резервов по мере возникающей потребности в электроэнергии.
Организация диспетчерской службы в нашей стране за прошедшие 60 лет значительно расширилась и улучшилась. Большие изменения в этой области произошли после образования объединенных энергетических систем в главных экономических районах страны: ОЭС Центра, Юга, Урала, Северо-Запада, Закавказья, Средней Азии. При объединении указанных энергетических систем между собой и создании на этой основе Единой энергетической системы европейской части функции диспетчерской службы значительно расширились, а работа диспетчерского персонала усложнилась. Старые средства управления не обеспечивают оптимального управления и режима эксплуатации. Выходом является использование для руководства в диспетчерской службе электронной техники.
Такой вывод объясняется тем, что электронные машины обладают высоким быстродействием при производстве расчетных операций, с одной стороны, и возможностью хранить в запоминающих устройствах большой объем исходной информации — с другой. Вся эта исходная информация должна быть всегда под рукой, т. е. храниться во внешних запоминающих устройствах ЭВМ.
Эти особенности ЭВМ прямо соответствуют потребностям диспетчерской службы энергосистем, где служба режимов производит многочисленные прогнозы нагрузок на сутки, месяцы, кварталы и годовые. Для этих расчетов необходимо иметь под рукой тысячи сведений: о мощностях и экономичности каждого агрегата, пропускной способности трансформаторов и линий передач.
Что означает надежность энергоснабжения?
Выше было сказано, что электроэнергия не складируется, и потребитель не может ее запасти на случай перерыва электроснабжения.
Значит, в энергетическом хозяйстве должны быть осуществлены такие мероприятия, которые исключали бы совсем или сводили к самому минимуму случаи нарушения электроснабжения потребителем.
Какие здесь можно предусмотреть меры?
Главная мера состоит в том, чтобы обеспечить устойчивую работу не только каждого энергетического агрегата или отдельной электростанции, но и всей энергетической системы.
В энергетике есть понятие — статистическая динамическая устойчивость. Что это значит?
Статическая устойчивость системы означает ее нормальную работу без нарушения электроснабжения потребителей, когда внутри системы нет аварийных ситуаций, а мощности системы не только покрывают спрос энергии, но имеют еще и резерв.
Энергосистема должна быть динамически устойчива при возникновении внутренних неполадок, выходе из строя части оборудования, нарушении режимов перетока мощностей между отдельными энергосистемами, т. е. при аномалии.
Обе устойчивости в энергосистемах поддерживаются целым комплексом мероприятий.
Прежде всего, мощности системы не только должны покрывать нагрузку потребителей, но и иметь необходимый резерв.
Устойчивость повышается путем создания различного рода защит. При этом, поскольку электрические процессы, особенно при возникновении аварий, протекают весьма быстро, то защита оборудования и линий передач должна действовать не только быстро, но и безотказно
Поддержание устойчивости энергетических систем, естественно, является обязанностью дежурного персонала электростанций, электросетей и диспетчерских служб.
Энергетические системы Советского Союза проделали сложный путь, энергетиками страны накоплен большой опыт в их создании и управлении.
В поисках путей обеспечения надежности электроснабжения энергетики Советского Союза провели большой объем научных, конструкторских и экспериментальных работ.
В первую очередь были исследованы различные схемы энергетических систем, т. е создание такой конфигурации электрических сетей, при которой обеспечивалась бы достаточная устойчивость и надежность.
Так были найдены две основные схемы электрических сетей — кольцевая и пространственная. На их основе можно было создавать различные смешанные системы в зависимости от конкретных условий.
Кольцевые схемы оказались наиболее надежными с точки зрения энергоснабжения народного хозяйства. Классическим примером этой схемы является Московская энергосистема. В этой энергосистеме с начала ее образования было осуществлено строительство кольца линий электропередач напряжением 110 кВ. В последующем в Московской системе были сооружены два кольца линий электропередач и подстанций напряжением 220 кВ. С вводом в действие Волжской гидроэлектростанции и крупных тепловых электростанций появилась необходимость сооружения мощного кольца из линий электропередач и подстанций напряжением 500 кВ.
Принцип кольцевого энергоснабжения осуществлен частично в ленинградской энергосистеме вокруг Ленинграда, где вначале было сооружено кабельное кольцо напряжением 35 кВ с понизительными подстанциями, а затем и воздушными линиями 110—220 кВ.
В пространственной схеме энергосистем линии электропередач высокого напряжения располагаются цепочкой по длине территории. Образцом пространственной системы является Уральская энергосистема. Пространственный тип энергосистем имеется в других местах Советского Союза: в Приднепровье, в Горьком.
Остальные энергосистемы Советского Союза являются смешанными, составленными из двух указанных схем.
Интересно проследить, как развивались энергетические системы нашей страны за 60 лет Их история — яркая иллюстрация этапности электрификации и претворения в жизнь великого ленинского плана ГОЭЛРО.
Особенно важно знать развитие энергосистем в союзных республиках, бывших «окраинах» России. Здесь наглядно видна мудрая ленинская национальная политика Коммунистической партии. Электрификация союзных республик, создание в них энергетических систем обеспечили подъем народного хозяйства и культуры этих районов.
К 1941 г. в СССР действовали энергетические системы в различных экономических районах и центрах страны — Москве, Ленинграде, в Донбассе и на Урале, в Приднепровье и Поволжье. Значительно укрепилась в соответствии с планом ГОЭЛРО энергетическая база союзных республик — Азербайджана, Грузии и Армении. Были сооружены гидравлические и тепловые электростанции в республиках Средней Азии.
Сооружение новых электростанций происходило и в других районах, где развивалась промышленность — в Магнитогорске, Кузнецке, в ряде экономических районов Сибири.
Главная особенность развития энергетики этого периода состояла в том, что кроме строительства электростанций осуществлялось планомерное сооружение линий электропередач. При сооружении новых электростанций предусматривалось присоединение к ним действующих энергоустановок. Таким образом, принцип объединения электростанций в энергетическую систему является незыблемым государственым законом. Объединение электростанций в энергетическую систему сопровождалось твердо установленной структурой организационного (хозяйственного) и диспетчерского (оперативного) управления. Такая система управления была впервые осуществлена в СССР.
В Московскую энергосистему входили тепловые конденсационные электростанции, расположенные по периферии, от которых двойными линиями электропередач 110—220 кВ электроэнергия подавалась на крупные опорные подстанции.
Наиболее крупной энергосистемой страны перед войной была Уральская энергосистема. Она объединяла электростанции на расстоянии в 1000 км от Соликамска на севере до Магнитогорска на юге. Уральская система фактически состояла из трех энергетических кустов: на Севере, в Пермском экономическом районе, где действовали Кизеловская ГРЭС, Закамская и Березниковская ТЭЦ; на Среднем Урале в Свердловском районе работали Егоршинская и Среднеуральская ГРЭС, ТЭЦ Нижне-Тагильского завода. На Южном Урале, в Челябинском районе, наиболее крупной была электростанция Магнитогорского металлургического завода и Челябинские ТЭЦ и ГРЭС. Все три энергорайона Урала связывались линиями электропередач напряжением 110 кВ. Поскольку линии 110 кВ при общей протяженности более тысячи километров не могли служить прочным скелетом энергетической системы, было запроектировано сооружение линий электропередач напряжением 220 кВ, что и было осуществлено в военный период.
Ленинградская энергетическая система, как и Московская, начала создаваться в первые годы осуществления плана ГОЭЛРО. Первой была введена Волховская ГЭС, построенная по личному указанию В. И. Ленина. Энергия Волховской ГЭС передавалась в Ленинград по линии электропередачи 110 кВ. На торфяном месторождении также по плану ГОЭЛРО сооружена тепловая электростанция Уткина Заводь, переименованная в ГРЭС «Красный Октябрь», также связанная с Ленинградом линией 110 кВ. В 1933 г. введена в строй Свирьская ГЭС, от которой электроэнергия поступала в энергосистему по линиям передачи напряжением 220 кВ. На торфе была построена и мощная Дубровская ГРЭС.
На юге страны быстро развивалась Донбасская энергетическая система, охватывающая энергоснабжением богатейший угольно-металлургический комплекс. В плане ГОЭЛРО предусматривалось внеочередное сооружение Штеровской тепловой электростанции, введенной в эксплуатацию в 1926 г. Штеровская ГРЭС работала на местном топливе — антрацитовом штыбе. Самой крупной электростанцией Донбасской электросистемы была Зуевская ГРЭС, расположенная в центре системы, оборудованная крупными турбоагрегатами мощностью по 60 МВт и одним агрегатом 100 МВт.
Днепровская энергосистема получила большое развитие после ввода в эксплуатацию в 1932 г. Днепровской гидроэлектростанции мощностью 560 МВт. Кроме Днепрогэса в энергосистеме работали Днепродзержинская и Криворожская тепловые электростанции на донецком угле.
Энергетические системы в предвоенные годы создавались также в трех закавказских союзных республиках. Особенно быстрое развитие получила Азербайджанская энергосистема в связи с созданием нефтяных промыслов, предприятий по переработке нефти, химических заводов. Две энергетические системы Закавказья — Грузинская и Армянская базировались целиком на гидроэлектростанциях. Основу Грузинской системы составляла Земоивчальская ГЭС на р. Куре. В Армянской системе действовали гидроэлектростанции небольшой мощности, построенные на р. Занге.
В Средней Азии оформившейся энергосистемой являлась ташкентская, в которую входили гидроэлектростанции на р. Чирчик и небольшая Ферганская тепловая электростанция.
В Поволжье развитой энергосистемой была Сталинградская, созданная на базе одноименной тепловой электростанции. В Сталинграде действовали крупные машиностроительные и металлургические заводы. Электроснабжение этих предприятий осуществлялось в основном линиями электропередач напряжением 35 кВ.
В Харькове энергетическая система образовалась на основе городской теплотой электростанции, Харьковской конденсационной (ЭСХАР) и ТЭЦ тракторного завода.
Примерно такую же структуру имела Азово-Черноморская энергосистема (Азчерэнерго) с центром в г. Ростове-на-Дону.
К концу 1940 г. оформилась и Новосибирская энергосистема. К этому времени была введена в действие крупная тепловая электростанция на кузнецких углях с агрегатами мощностью по 25 МВт.
Накануне Великой Отечественной войны в энергетике произошло важное событие. На юге и в центре страны были объединены между собой некоторые энергосистемы. Была введена в строй линия напряжением 220 кВ, объединяющая Днепровскую и Донбасскую энергосистемы.
Кураховская тепловая электростанция, расположенная между этими системами, являлась связующим звеном между ними.
Великая Отечественная война затормозила процесс объединения энергосистем на несколько лет, однако успешный эксперимент по объединению энергосистем послужил прочным фундаментом для расширения работ в этой области.
Война нанесла огромный ущерб энергетике и электрификации страны, отбросила ее на десяток лет назад.
Были полностью или частично потеряны энергетические мощности наиболее крупных, оснащенных первоклассной техникой энергетических систем — Московской, Ленинградской, Донбасской, Сталинградской. За время войны было разрушено более 10 тыс. км линий электропередач напряжением 10 кВ и выше, что составляло 45% от их общей длины.
В военные годы (1941—1944 гг.) мощность Уральской энергосистемы увеличилась в 2 раза, в результате к концу войны эта энергосистема стала самой крупной.
Учитывая протяженный характер Уральской энергосистемы и в связи с этим недостаточную ее устойчивость, были осуществлены меры для повышения устойчивости этой системы. К ним относятся форсировка возбуждения генераторов, установка быстродействующей релейной защиты. Особенно эффективными были устройства разгрузки системы при понижении частоты.
Возросшая мощность Уральской системы и сложность энергоснабжения потребителей обусловили организационную перестройку — она была разделена на три самостоятельные системы в соответствии с административной структурой: на Свердловскую, Челябинскую и Пермскую.
В период 1941—1945 гг. образовались 6 новых энергетических систем в Омске, Томске, Красноярске, Уфе, Барнауле и Оренбурге. Для повышения маневренности и надежности электроснабжения сооружались линии электропередач напряжением 35—110 кВ. Были значительно расширены городские кабельные сети.
Б действующих энергосистемах — Новосибирской, Кузбасской, Карагандинской, Алтайской и Узбекской за военные годы введены новые энергетические мощности и значительно увеличилась протяженность линий электропередач всех напряжений.
В связи с расширением и укреплением энергетической базы Урала, Сибири и Средней Азии удельный вес этих энергетических систем в общей установленной мощности электростанций страны увеличился с 22,2% в 1940 г. до 48,5% в 1945 г.
В этот же период продолжались работы по наращиванию энергетических мощностей в Куйбышевской, Саратовской и Казанской энергосистемах, а также в Закавказских республиках.
В связи с блокадой Ленинграда крайне тяжело складывался энергетический баланс города. Энергетики осуществили трудную работу, проложив по дну Ладожского озера кабель для подачи электроэнергии Волховской ГЭС в осажденный город. Осуществление этого мероприятия было неоценимым вкладом в общее дело обороны Ленинграда.
Восстановление разрушенных в ходе войны энергетических систем началось еще в 1942 г. в Московской энергосистеме. В широких размерах восстановительные работы развернулись с 1943 г., после освобождения Северного Кавказа, Сталинграда, Ростова-на-Дону, Харькова и Донбасса. В течение трех лет, 1942—1945 гг., возобновили деятельность энергетические системы Донбассэнерго, Днепроэнерго, Харьковэнерго, Ростовэнерго и ряд других.
