Применение электропередач СВН в электроэнергетических системах

Под электропередачей СВН понимается комплекс устройств и сооружений, предназначенных для транспорта больших количеств электроэнергии на любое расстояние. В этот комплекс входят все цепи линии, концевые и промежуточные подстанции с трансформаторами, автотрансформаторами, коммутационной аппаратурой, компенсирующие устройства, средства повышения пропускной способности и другие устройства, обеспечивающие передачу электроэнергии.
Для того чтобы определить роль и место электропередач сверхвысокого напряжения в электроэнергетических системах, рассмотрим тенденции развития современной электроэнергетики.
Современная электроэнергетика характеризуется двумя основными тенденциями:

1. увеличением мощности электростанций и единичной мощности генераторных блоков;
2. созданием объединенных энергетических систем и крупных энергообъединений.

Мощность современных тепловых электростанций достигает 2,4—4,8. атомных — 4—6, гидростанций — 6—12 ГВт. Мощность генераторов на АЭС и ТЭС достигает 1 ГВт и более, на ГЭС — 700 МВт. Это объясняется рядом причин, в том числе и экономических. Стоимость и металлоемкость, приходящиеся на 1 МВт установленной мощности крупных агрегатов и крупных электростанций, существенно ниже, чем более мелких, но той же суммарной мощности. Кроме тою, площадь земли, отводимая для сооружения одной крупной электростанции, в конечном итоге оказывается меньше, чем для сооружения нескольких менее мощных. В современных условиях, когда вопросы эколо1ии выходят на одно из первых мест в решении инженерных задач, последнее обстоятельство имеет большое значение.
При этом возникает задача выдачи мощности таких крупных электростанций и передачи этой мощности в узлы нагрузки. Очевидно, что сделать это можно лишь с помощью линий большой пропускной способности. Такими возможностями обладают линии сверхвысокого напряжения с пропускной способностью от 1 до 5 ГВт на цепь.
Под пропускной способностью понимается максимальная мощность, которая может быть передана по линии с учетом всех технических ограничений. К таким ограничениям относятся: ограничения по статической и динамической устойчивости связываемых смаем, допустимому нагреву проводов, максимальным уровням напряжения по концам линии, токам коммутационной аппаратуры. Для протяженных линий СВН пропускная способность ограничивается, как правило, условиями устойчивости параллельной работы связываемых систем или удаленных электростанций с системой. Для относительно коротких линий определяющими условиями могут быть как устойчивость, так и нагрев проводов.
Связь пропускной способности и возможной длины линий для различных классов напряжения приведена в табл. 1, где в качестве меры пропускной способности принята натуральная мощность, хотя в реальных условиях пропускная способность определяется многими факторами: длиной линии, учетом внешних сопротивлений и др. — и может отличаться от натуральной.
В ряде случаев крупные электростанции могу г быть расположены на значительном расстоянии от приемной системы. Это относится к любым видам электростанций: ГЭС, построенным в удаленном створе реки, ТЭС, расположенным вблизи месторождения топлива, АЭС, которые после Чернобыльской аварии должны сооружаться на значительном удалении от населенных мест. В этом случае возникает проблема передачи энергии на большие расстояния, измеряемые многими сотнями, а в ряде случаев и тысячами километров. Эта задача может быть решена только с помощью линий СВН большой протяженности, обладающих большой пропускной способностью.
Таблица 1
Пропускная способность линий СВН 330—1150 кВ

*С управляемой поперечной компенсацией

В качестве примеров таких линий электропередачи можно привести линии Куйбышев — Москва, Волгоград — Москва в первый период их работы, когда мощность свыше 2 ГВт передавалась только в направлении Москвы на расстояние около 1000 км. Аналогичные тенденции характерны и для зарубежной электроэнергетики: линия ГЭС Итайпу (Бразилия) — Сан-Пауло, мощность 12 600 МВт, протяженность около 900 км.
Электропередачи СВН применяются также при необходимости обеспечения электроэнергией крупного промышленною района, удаленного от энергосистемы и не имеющего собственных достаточно мощных источников энергии. Такое решение целесообразно в случаях, когда суммарная мощность нагрузки данного района соизмерима с расчетной пропускной способностью электропередачи.
Другой тенденцией развития современной электроэнергетики является объединение энергосистем и создание крупных энергообъединений. Их создание сопровождается усложнением структуры генерирующих мощностей и схемы системообразующих связей, но в то же время дает значительный экономический эффект.
Под объединенной электроэнергетической системой понимают несколько параллельно работающих энергосистем, связанных общностью режима и имеющих централизованное диспетчерское управление. В нашей стране имеется семь объединенных электроэнергетических систем: ОЭС Центра, ОЭС Северо-Запада, ОЭС Средней Волги, ОЭС Урала и ряд др. Все они, за исключением ОЭС Востока, входят в Единую энергетическую систему России. В странах ближнего зарубежья имеются свои энергосистемы. Некоторые из них — энергосистемы Белоруссии, Закавказья, стран Балтии, некоторых районов Украины — работают параллельно с ЕЭС России. Структурная схема ЕЭС России и соседних стран приведена на рис. 1.
За рубежом объединенные системы получили название энергообъединений (ЭО). Подобные энергообъединения с общим диспетчерским управлением имеются в ряде районов США, где так называемые пулы руководят работой входящих в их состав электроэнергетических систем (ЭЭС) в вопросах как режимного, так и коммерческого управления. В то же время во многих странах имеются ЭО, где единое диспетчерское управление отсутствует (Восток и Запад США, Западная Европа).

Рис. 1. Структурная схема ЕЭС России и связей с соседними странами

Однако при этом существуют органы, в которые входят представители всех параллельно работающих ЭЭС и в которых анализируются результаты работы ЭО, согласовываются планы работы и вопросы перспективного планирования.
Современные ОЭС или ЭО охватывают громадные территории, на которых весьма неравномерно распределены энергоресурсы и производительные силы.
Объединение электроэнергетических систем позволяет:
снизить суммарную установленную мощность электростанций, необходимую для покрытия максимума нагрузки объединенной системы;
снизить оперативный и ремонтный резерв мощности объединенной системы за счет взаимопомощи всех параллельно работающих систем;
укрупнять электростанции и увеличивать единичную мощность агрегатов, что позволяет повысить их экономичность, снизить удельные расходы топлива и себестоимость энергии;
повысить надежность электроснабжения потребителей при выходе из строя крупного генерирующего узла за счет использования общего резерва и повысить качество электроэнергии благодаря поддержанию стабильных значений частоты и напряжения;
более рационально использовать ГЭС и ГАЭС с целью поддержания баланса активной мощности в объединенной энергосистеме и стабилизации частоты в ней;
повысить экономичность работы всей объединенной системы за счет рационального распределения нагрузки между электростанциями различных типов.
Как показывает опыт проектирования и эксплуатации Единой энергетической системы в нашей стране, межсистемные перетоки могут достигать нескольких тысяч мегаватт в отдельные промежутки времени. Это обстоятельство требует сооружения межсистемных связей большой пропускной способности, для чего также необходимо использовать линии СВН. Особое значение это имеет для нашей страны, географически вытянутой в широтном направлении и с расстояниями в сотни километров между отдельными энергосистемами.
Межсистемные связи можно разделить на несколько видов, причем это разделение носит условный характер. Если мощность передается в одном направлении от избыточной системы к дефицитной, то такая связь называется питательной или магистральной. Если в разное время суток и года условия баланса мощностей в связываемых системах меняются и система из дефицитной превращается в избыточную и наоборот, то направление перетока мощности по межсистемной связи меняется. Такие связи носят название реверсивных, или маневренных. Эти связи могут использоваться, например, в случае, когда одна из систем имеет достаточно значительную суммарную мощность ГЭС. Тогда в период паводка или в часы пик суточного графика дешевая энергия ГЭС передается в другую систему. В остальное время мощность передается в обратном направлении.
Межсистемные связи разделяют на сильные и слабые. Под сильными связями понимают связи электропередач, пропускная способность которых соизмерима с мощностью объединенных систем. Слабые связи — это электропередачи, которые имеют пропускную способность не выше 15 % мощности наименьшей из объединяемых систем.
При наличии слабых межсистемных связей возникают проблемы, определяемые регулированием обменной мощности между этими системами. Дело в том, что перетоки мощности, нормальные в рабочих режимах, в некоторых послеаварийных могут превысить пропускную способность связи, что приведет к нарушению совместной работы и разделению систем.
Линии СВН используются также для внутрисистемных связей, которые становятся как бы костяком энергосистемы. Обладая большой пропускной способностью, они могут обеспечить распределение больших потоков мощности между генерирующими и крупными узлами нагрузки данной системы как в нормальных, так и в послеаварийных режимах, способствуя тем самым повышению надежности обеспечения электроэнергией потребителей и устойчивости работы этой системы. Такие линии называются системообразующими.
Таким образом, подводя итоги сказанному, можно отметить возможные области применения линий СВН в современной энергетике:
передача мощности крупных электростанций, в том числе и при относительно небольших расстояниях между электростанцией и узлами нагрузки;
электропередачи от удаленных электростанций в приемную систему;
питание удаленных промышленных районов, не имеющих собственных источников энергии достаточной мощности;
межсистемные связи;
внутрисистемные электропередачи (системообразующие сети).
При развитии энергосистемы, при сооружении новых линий электропередачи и создании достаточно разветвленной сети линий СВН назначение и функции отдельных линий могут изменяться и усложняться. Например, линия электропередачи Волжская ГЭС—Москва начала свою работу как дальняя электропередача от ГЭС в приемную систему Москвы. Затем три переключательных пункта, предусмотренные проектом этой электропередачи, были превращены в промежуточные подстанции, которые связали ее с энергосистемами, расположенными вдоль трассы. По мере развития объединенной системы Центра, сооружения связи 750 кВ ОЭС Северо-Запада—ОЭС Центра и строительства Ленинградской и Калининской АЭС она полностью утратила функции дальней электропередачи и превратилась, по существу, во внутрисистемную связь с изменением направления перетоков мощности.
Аналогичные примеры можно привести и по другим линиям электропередачи. Отсюда следует, что при проектировании дальних линий электропередачи нужно учитывать многолетнюю перспективу их развития. Пропускные способности линий электропередачи СВН должны рассчитываться с учетом их назначения и перспектив дальнейшего развития. Это достаточно сложная задача, поскольку во всех перечисленных случаях необходимо рассматривать несколько вариантов ее решения и для каждого из них определять получаемый экономический эффект для системы в целом.