Введение
От первых опытов по электричеству до начала его широкого практического применения в 70— 80-х годах XIX в. прошло более 300 лет.
Первые электрические установки были постоянного тока и применялись в телеграфии, освещении, гальванотехнике и минном деле. Они использовали электрохимические источники (например, медно-цинковые батареи) и имели значительные ограничения по мощности.
С разработкой электромашинных источников (генераторов) появились первые электростанции
(блок-станции) для питания, в основном, электрического освещения, а также дополнительно вентиляторов, насосов и подъемников.
Генераторы этих электростанций приводились во вращение поршневыми паровыми машинами, радиус электроснабжения — до 1—1,5 км на постоянном токе. Выдержав конкуренцию с газовыми компаниями, эти станции быстро развивались (в первую очередь, в крупных городах — Париже, Нью-Йорке, Петербурге и др.).
В 90-х годах XIX в. с разработкой трехфазного синхронного генератора, трансформаторов и асинхронного двигателя начался переход на трехфазный переменный ток.
Первый опыт (1891г.): электропередача Лауфен—Франкфурт (протяженность 170км, напряжение 15 кВ, передаваемая мощность 220 кВт).
В конце XIX в. напряжение электропередач достигло 150 кВ. Электроэнергия быстрыми темпами стала завоевывать ведущие позиции в промышленности, транспорте, быту.
В настоящее время практически повсеместно используются трехфазные системы переменного тока частотой 50 и 60 Гц. Преимущества электроэнергии:
• производство (в основном, преобразование механической энергии в электрическую) —
разнообразие используемых ресурсов [гидроэлектростанций (ГЭС), теплоэлектростанций (ТЭС), атомных электростанций (АЭС)], возможности концентрации мощностей и управления их размещением;
• передача — возможность надежной и экономичной передачи электроэнергии на большие
расстояния;. распределение — простота канализации электроэнергии потребителям независимо от их мощности;
• потребление — простота и экономичность преобразования электроэнергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую), а также существование ряда высокоэффективных электротехнических технологий — электролиз, гальванотехника.
2. Развитие электроэнергетики России
Революционным развитием производительных сил и экономики (СССР) России стало реализация плана ГОЭРЛО, первого в мире научно обоснованного плана хозяйственного развития страны и ее регионов на основе электрификации.
Крупнейший ученый энергетик Г.М. Кржижановкий, сподвижник В.И. Ленина определил принципы развития энергетического комплекса и электрификации страны на основе сбалансированных ресурсных возможностях и потребностях экономики.
Кратко, идеи и принципы заключенные в плане ГОЭРЛО заключаются в следующем:
- Электрификация, это материально-технологическая база роста производительности труда и подъема общественного производства;
- Планомерная, сбалансированная электрификация всех отраслей экономики в сочетании с развитием производительных сил территорий;
- Развитие энергетического комплекса темпами, опережающими темпы развития народного хозяйства на основе концентрации генерации и развития единой систем транспортировки и распределения электрической энергии;
- Сбалансированность развития всех звеньев топливно-энергетического комплекса.
В основном базируясь на идеях балансового развития экономики и энергетики создана функционирующая Единая Энергосистема России.
В первые годы развития электроэнергетики России все электростанции работали раздельно. Даже электростанции, расположенные в крупных городах (Петербурге, Москве), работали на собственные, не связанные между собой, электрические сети, нередко выполненные на различные системы тока
— постоянный, однофазный переменный, трехфазный переменный, при различных частотах (20; 40; 42,5; 50 Гц) и различных напряжениях.
В 1913 г. в России было всего 109 км воздушных электрических сетей напряжением выше 10 кВ.
В 1912 г. в 70 км от Москвы на торфяных болотах было начато строительство первой районной электростанции «электропередача»; была также построена линия электропередачи напряжением 70 кВ длиной около 70 км до Измайловской подстанции.
Развитие электрических сетей, разрушенных в годы Гражданской войны, началось примерно с 1920г. в соответствии с планом ГОЭЛРО. Этим планом была предусмотрена централизация электроснабжения всего народного хозяйства путем строительства крупных электростанций и электрических сетей и последовательного объединения электростанций в районные и межрайонные энергетические системы. Уже в те годы для специалистов было ясно, что объединение электростанций в энергетические системы сулит несомненные преимущества. К основным преимуществам такого объединения следует отнести:
• наилучшее использование установленной мощности агрегатов электростанций, повышение их экономической эффективности в целом;
• снижение суммарного максимума нагрузки объединяемых систем;
• уменьшение суммарного необходимого резерва мощности;
• облегчение работы системы при авариях и ремонтах;
• увеличение единичной мощности агрегатов, устанавливаемых на электростанциях и подстанциях.
В 1922 г. была введена первая очередь Каширской ГРЭС мощностью 12 МВт с первой линией электропередачи 110 кВ до Кожуховской подстанции в Москве, а в 1925 г. были введены в действие первая очередь Шатурской ГРЭС мощностью 32 МВт и двухцепная линия 110 кВ Шатурская ГРЭС
— Москва, доведенная до центра города, а затем до Карачаровской и Кожуховской подстанций. Это было, по существу, начало создания Московского кольца напряжением 110 кВ. К этому кольцу по радиальным линиям присоединялись другие районные электростанции.
В 1926 г. была пущена Волховская ГЭС мощностью 56 МВт, которая двумя линиями 110 кВ протяженностью 130км была соединена с Северной подстанцией Ленинграда. В том же году была пущена линия 110 кВ от Горьковской ГРЭС до г. Горького. Так, уже к 1929г. протяженность электрических сетей напряжением выше 10 кВ увеличилась до 2032 км, соответственно увеличилась и мощность понизительных подстанций.
Развитие электрических сетей, появление сравнительно протяженных линий электропередачи, объединение на параллельную работу ряда электростанций потребовали развития научных исследований в области передачи и распределения электрической энергии. В Москве создается Государственный экспериментальный электротехнический институт (ГЭЭИ), который впоследствии был переименован во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ). Здесь изучались процессы, происходящие в электропередачах высокого и сверхвысокого напряжений, проводились исследования по вопросам создания соответствующей высоковольтной аппаратуры.
Проводились теоретические и экспериментальные исследования проблем, связанных с передачей и распределением электроэнергии, в Ленинградском политехническом институте, Московском высшем техническом училище и ряде других высших учебных заведений.
Уже в конце 20-х годов научно-исследовательские и проектные организации, заводы начинают создавать отечественное электротехническое оборудование. В это же время была принята единая шкала номинальных напряжений: 3, 6, 10, 35, 110 кВ; предполагалось в дальнейшем применение напряжений 220 и 380 кВ.
В 1926 г. была создана диспетчерская служба в Московской энергосистеме, а в последствии аналогичные службы были созданы в Ленэнерго, Уралэнерго и других энергосистемах.
Для 30-х годов XX в. характерно стремительное увеличение темпов электрификации, развития электроэнергетического хозяйства. Значительно уплотнился график электрической нагрузки; годовое число часов использования мощности всех электростанций в 1940 г. возросло до 4650 против 2720 в 1928 г., а для районных электростанций этот же показатель возрос с 3260 до 5481 часа в год. За этот период изменился характер электростанций — заметно увеличилась единичная мощность агрегатов, увеличился удельный вес электростанций, построенных у источников топлива, увеличилась доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии. Это в свою очередь привело к необходимости передачи электроэнергии на дальние расстояния, что, естественно, требовало повышения напряжения. Последнее обусловило значительное развитие электрических сетей для передачи и распределения электроэнергии.
Так, например, мощность Московской энергосистемы к 1935г. достигла 900 МВт с длиной электрических сетей 110 кВ 1900 км; мощность Уральской энергосистемы, протянувшейся на 1000 км от Соликамска до Магнитогорска, достигла 650 МВт.
Впервые было применено напряжение 220 кВ в Ленинградской энергосистеме, где в 1933 г. была построена электропередача протяженностью 240 км Нижне-Свирская ГЭС — Ленинград. Впоследствии это напряжение было применено и в других энергосистемах, а также при сооружении линии межсистемных связей.
Рост мощностей и дальности передачи электроэнергии, необходимость повышения надежности электроснабжения потребовали решения ряда новых технических проблем. Особо важное значение при возрастающей дальности передачи электроэнергии получили вопросы расчетов устойчивости параллельной работы электростанций и способов обеспечения этой устойчивости. На основе глубокого изучения переходных процессов в электрических системах была разработана методика расчетов, проведены исследования в электрических системах. Были изучены вопросы аварийного регулирования турбин, исследованы возможности повышения мощности и дальности передачи при помощи автоматического регулирования возбуждения синхронных машин; был создан электронный регулятор напряжения. В эти годы были найдены реальные средства повышения пределов динамической устойчивости: форсировка возбуждения синхронных генераторов, применение аварийной разгрузки по частоте (АЧР).
Во второй половине 30-х годов XX в. уже велась разработка вопросов, связанных с возможностью передачи электроэнергии от будущей Куйбышевской ГЭС в район Москвы на напряжении 380—400 кВ; в Ленинграде в Ленинградском энергофизическом институте была построена опытная трехфазная линия 500 кВ, на которой проводились исследования на дальнюю перспективу — использование более высоких напряжений для передачи электроэнергии.
В годы Великой Отечественной войны энергосистемам и электрическим сетям, оказавшимся в зоне военных действий, был нанесен огромный ущерб — было разрушено более 10 тыс. км линий электропередачи напряжением более 110 кВ. Но уже в конце 1941г. начались восстановительные работы, и в 1945г. общая протяженность электрических сетей превысила довоенный уровень. В 1946—1950гг. происходит объединение энергетических систем Центра. Для координации и управления объединенными энергосистемами и регулирования перетоков мощности было создано объединенное диспетчерское управление (ОДУ) Центра, которое в 1959г. было реорганизовано в объединенное диспетчерское управление Единой энергетической системы (ОДУ ЕЭС). Мощность объединенной энергетической системы (ОЭС) Центра, в состав которой входили Московская, Ярославская, Ивановская и Горьковская энергосистемы, достигла в 1959 г. 2183 МВт.
Наибольшее развитие энергосистем и их объединение происходят в 50-х годах XX в. в результате сооружения мощных электростанций на р. Волге, Каме и строительства первых линий электропередачи 400 кВ, переведенных впоследствии на напряжение 500 кВ. В связи с большим ростом уровня энергетики оказалось целесообразным строительство крупных тепловых электростанций с агрегатами большой единичной мощности, что создало необходимые условия для построения крупных объединенных энергосистем.
Необходимость создания дальних линий электропередачи напряжением 500 кВ и протяженностью более 1000 км потребовала решения новых сложных технических проблем и проведения большого объема научно-исследовательских работ. Особенно большое значение для линий электропередачи этого класса напряжений имели вопросы обеспечения устойчивости параллельной работы, защиты от перенапряжений, короны, надежной работы автоматики и релейной защиты. И эти проблемы решались усилиями ученых и инженеров многих научно-исследовательских институтов, проектных организаций, высших учебных заведений. Были разработаны системы автоматического регулирования с регуляторами «сильного действия» в цепях возбуждения синхронных генераторов. В целях снижения индуктивного сопротивления линии для повышения натуральной мощности и устойчивости передачи разрабатывались вопросы оптимального расщепления проводов каждой фазы, что одновременно позволило снизить потери на корону. Для повышения пропускной способности электропередачи были разработаны вопросы применения продольной емкостной компенсации, осуществляемой включением в линию батарей конденсаторов. Общая протяженность линий электропередачи 500 кВ к концу 1970 г. составила около 14 тыс. км.
Сооружение крупных электростанций, объединение энергосистем требовали еще большей пропускной способности, чем пропускная способность линий 500 кВ. В связи с этим в ряде ведущих промышленно развитых стран (СССР, США, Канаде) велись интенсивные работы по дальнейшему, повышению пропускной способности электропередач и связанному с этим повышению их напряжения.
В 1967г. была введена в эксплуатацию первая опытно-промышленная электропередача 750 кВ Конаковская ГРЭС — Москва протяженностью 90км, а уже к 1985г. протяженность линий I электропередачи этого напряжения составила более 6 тыс. км.
Рост мощностей электростанций: тепловых и атомных — до 4 млн. кВт, гидроэлектростанций —до 6 млн кВт, увеличение дальности передачи электроэнергии потребовали внедрения линий электропередачи нового класса напряжений переменного тока — 1150кВ, а также строительства: линий электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ.
Первые линии электропередачи новой ступени напряжения переменного тока 1150 кВ были введены в 1985 г. на участках Экибастузская ГРЭС — Кокчетав — Кустанай.
В результате у нас сложились две шкалы номинальных напряжений воздушных линий электропередачи —110 —150—330—750 кВ и 110 — 220—500—П50кВ. Каждая последующая ступень в этих шкалах превышает предыдущую примерно в 2 раза, что позволяет повысить пропускную способность линий примерно в 4 раза.
Следует отметить, что повышение номинального напряжения линий электропередачи имеет и экономические преимущества, так как при этом резко снижается удельная (на 1 км) себестоимость передачи электроэнергии и сужается коридор, отводимый под прокладку трасс электропередач. Первая шкала напряжений получила распространение в северо-западных областях России, на Украине и на Северном Кавказе, вторая — в центральных областях и на всей территории России к востоку от Москвы.
В настоящее время линии 110—150—220 кВ используются, главным образом, в районных распределительных сетях для передачи электроэнергии к крупным узлам нагрузки, электропередачи 330—500—750—1150кВ, по которым может быть передана мощность от 350 до 5000МВт, решают задачи системного характера. Они используются для создания мощных межсистемных и внутрисистемных связей, передачи электроэнергии от удаленных электростанций, например атомных, в приемные системы.
Рост пропускной способности и номинального напряжения электропередач давался нелегко. Каждый последующий шаг требовал решения сложных научно-технических задач, и их сложность возрастала по мере роста напряжения линий. К числу основных проблем, требовавших решения, можно отнести следующие:
· потери мощности и энергии на корону, а также радиопомехи, излучаемые линией;
· изоляция и ограничения перенапряжений;
· большие сечения проводов при больших передаваемых мощностях;
· компенсация зарядной мощности линий;
· увеличение токов коротких замыканий в связываемых системах;
- повышение пропускной способности электропередач и устойчивости параллельной работы
- электростанций;
- экология, что связано с возрастанием напряженности электрического поля под линией и его отрицательным воздействием на живые организмы;
- разработка коммутационной аппаратуры и многие другие.
В 1994 г. в основном завершился процесс разгосударствления предприятий топливно-энергетического комплекса. При этом государственные предприятия и организации изменили форму собственности и были преобразованы в акционерные общества.
В электроэнергетике было создано Российское акционерное общество энергетики и электрификации (РАО «ЕЭС России»), в уставной капитал которого переданы в качестве государственного вклада:
• основные системообразующие линии электропередачи, образующие единую энергетическую систему России;
• средства управления режимами электроэнергетических систему
• 51 % акций крупнейших электростанций;
• 49 % акций каждого регионального акционерного общества энергетики;. научно-исследовательские и проектные организации отрасли.
В перспективе до 2010. наряду с разработкой высокоэффективного производства электроэнергии программой «Энергетическая стратегия России» предусмотрена разработка столь же эффективных систем ее передачи, распределения и использования. В решении этих задач исключительно велика роль разработок в области электрофизики, обеспечивающих в первую очередь:
• создание линий электропередачи сверх- и ультравысокого напряжения и принципиально нового оборудования для них;
• разработку теории предельного состояния электрических генераторов;
• создание новых силовых преобразовательных устройств, полупроводниковых приборов для коммутации токов мегаамперного диапазона.
Решение этих задач должно сочетаться с углубленным анализом вопросов развития, функционирования, устойчивости и надежности Единой энергетической системы России, ее связей с электроэнергетическими системами других стран, в первую очередь стран СНГ.
Электроэнергетические системы
Современное электроснабжение промышленных, коммунальных и любых иных потребителей электроэнергии производится от тепловых и гидравлических электростанций, вырабатывающих электроэнергию. Электростанции могут находиться вблизи потребителей и, наоборот, могут быть удалены от них на значительные расстояния. И в том, и в другом случае передача электроэнергии от электростанции к потребителю осуществляется по электрическим линиям. Однако, когда потребители удалены от электростанции, передачу электроэнергии приходится осуществлять при повышенном напряжении. Тогда между электростанцией и потребителями необходимо сооружать повышающие и понижающие подстанции.
Часто источники энергии (бассейны топлива, водные бассейны) расположены на значительном расстоянии от крупных заводов, населенных пунктов и других центров потребления. Передача топлива может быть произведена по газопроводам и нефтепроводам, перевозка высококачественных углей — по железным дорогам. Передача тепловой энергии возможна по специальным трубопроводам. Но во многих случаях перевозка топлива, например угля, может быть нерентабельной; более выгодными оказываются сооружение электростанций вблизи бассейна топлива и передача электроэнергии по линиям сети. Это особенно существенно в условиях России, где большая часть наиболее экономичных топливно-энергетических ресурсов находится в азиатской части страны, а основная часть потребителей электроэнергии в настоящее время сосредоточена в центральной части, на юге, западе и Урале. В связи с этим возникает необходимость переброски на большие расстояния значительных потоков электроэнергии. Это требует строительства мощных линий электропередачи высокого напряжения.
В этом отношении исключение могут представлять лишь отдельные промышленные электростанции небольшой мощности либо теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Последние располагаются вблизи потребителей, так как передача пара и горячей воды может быть осуществлена на расстояние не более нескольких километров.
Электростанции при помощи электрических линий (через подстанции) связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку. Такая совокупность электростанций, подстанций и приемников электроэнергии, связанных между собой линиями электропередачи, называется энергетической системой.
При этом получаются существенные технико-экономические преимущества:
1. Возможность увеличения единичной мощности генераторов и электростанции. Это снижает стоимость 1 кВт установленной мощности, позволяет резко повысить производительность электромашиностроительных заводов при тех же производственных площадях и трудозатратах.
2. Значительное повышение надежности электроснабжения потребителей.
3. Повышение экономичности работы различных типов электростанций, при этом
обеспечиваются наиболее эффективное использование мощности ГЭС и более экономичные режимы работы ТЭС;
4. Снижение необходимой резервной мощности на электростанциях.
В соответствии с действующими «Правилами устройства электроустановок»:
• энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций,
электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом;
• электроэнергетической системой (ЭЭС) называется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электроэнергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии.
Преимущества электроэнергетических систем столь велики, что в 1974 г. лишь менее 3 % всего количества электроэнергии было выработано отдельно работавшими электростанциями. Мощность электроэнергетических систем непрерывно возрастает. Из районных электроэнергетических систем создаются мощные объединенные энергосистемы.
Энергетическое производство (производство электроэнергии), обладает рядом особенностей, резко отличающих его от других отраслей промышленности.
Первая и важнейшая особенность электроэнергетической системы заключается в том, что производство электроэнергии, ее распределение и преобразование в другие виды энергии осуществляются практически в один и тот же момент времени. Другими словами, электроэнергия нигде не аккумулируется. Именно эта особенность превращает всю сложную электроэнергетическую систему, отдельные звенья которой могут быть географически удалены на многие сотни километров, в единый механизм, и приводит к тому, что все элементы системы взаимно связаны и взаимодействуют. Энергия, произведенная в системе, равна энергии, потребленной в ней. Это равенство справедливо для любого короткого промежутка времени, т.е. между мощностями энергосистемы имеется точный баланс.
Таким образом, одновременность процессов производства, распределения и преобразования электроэнергии превращает электроэнергетическую систему в единое целое.
Вторая особенность электроэнергетической системы — это относительная быстрота протекания переходных процессов в ней. Волновые процессы совершаются в тысячные или даже миллионные доли секунды; процессы, связанные с короткими замыканиями, включениями и отключениями, качаниями, нарушениями устойчивости, совершаются в течение долей секунды или нескольких секунд.
Третья особенность электроэнергетической системы заключается в том, что она тесно связана со всеми отраслями промышленности, связью, транспортом и т. п. Эта связь осуществляется гигантской совокупностью разнообразнейших приемников электрической системы, получающей питание электроэнергией от современной энергетической системы. Эта особенность энергетической системы резко повышает актуальность обеспечения надежности работы энергосистемы и требует создания в энергетических системах достаточного резерва мощности во всех ее элементах.
Все указанные выше моменты особенно характерны для электроэнергетической системы, т.е. для системы, производящей, распределяющей и преобразующей электроэнергию.
Если обратиться к процессам производства, распределения и потребления тепловой энергии, то указанные выше особенности в известной мере будут иметь меньшее значение.
В тепловых установках имеется, хотя и очень небольшая, способность аккумуляции (паровые котлы, бойлеры, отопительные приборы и т. п.), имеются даже специальные тепловые аккумуляторы. Следовательно, процессы в отдельных звеньях тепловой энергетической системы (котлы, бойлеры, теплопередачи, приемники тепловой энергии) не так жестко взаимосвязаны, как в электроэнергетической системе. Так, например, прекращение подачи пара в бойлеры теплофикационных станций не вызовет мгновенного изменения режима работы отопительных приборов в тепловой сети. Все же аккумулирующая способность элементов теплоэнергетической системы невелика, и взаимосвязь отдельных элементов играет существенную роль.
Большинство переходных процессов совершается в тепловых системах значительно медленнее, чем в электрических, хотя гидравлические переходные процессы могут все же быть достаточно быстрыми.
Наконец, тепловая энергосистема имеет более ограниченную связь с отраслями народного хозяйства по сравнению с электрической системой.
Так как в современных энергетических системах производство тепловой энергии, как правило, комбинируется с производством электроэнергии, то все сказанное об особенностях электроэнергетической системы применимо вообще к любой энергетической системе.
Остановимся на некоторых важных обстоятельствах, вытекающих из указанных выше особенностей энергетических систем.
Первая особенность. Одновременность процессов производства, распределения и потребления электроэнергии приводит к тому, что нельзя произвести электроэнергию, не имея потребителей для нее, т.е. выработка электроэнергии жестко определяется ее потреблением. Заметим, что преобразование и передача энергии происходят во всех элементах системы с потерями энергии и, следовательно, потребление энергии должно учитывать не только полезное потребление, но и потери энергии в элементах преобразования и передачи. Отсюда вытекает следующее:
а) снижение выработки энергии на электростанциях против требуемого уровня из-за ремонтов
оборудования, аварий и других причин при отсутствии резерва в системе требует снижения
количества энергии, отпускаемой потребителю;
б) временное снижение потребления энергии потребителями из-за ремонта их оборудования, аварий и других причин при отсутствии в системе так называемых потребителей-регуляторов не дает возможности полностью использовать оборудование электростанции в этот период;
в) небаланс между мощностью электростанций и мощностью, потребляемой в системе, не может существовать. При снижении мощности электростанций одновременно автоматически снижается потребляемая мощность, и наоборот.
Ничего похожего нет ни в одной отрасли промышленности, где имеется возможность запасать продукт производства. Так, например, кратковременное снижение производства текстильных товаров совсем не требует немедленного снижения потребления этих товаров населением и, наоборот, снижение потребления текстильных товаров не может понизить производительность текстильных предприятий.
Вторая особенность. Быстрота протекания переходных процессов в электрической системе требует обязательного применения специальных автоматических устройств. Эти устройства, часто весьма быстродействующие, должны обеспечить надлежащую корректировку переходных процессов в системе. Правильный выбор и настройка всех этих автоматических устройств, к которым относятся аппараты защиты от перенапряжений, установки релейной защиты, автоматические регуляторы, автоматические выключатели и т. п., немыслимы без учета работы всей системы как единого целого.
Все это способствует широчайшему внедрению автоматики в энергетических системах и полной автоматизации отдельных электростанций, подстанций и т. п.
Третья особенность. Связь работы энергосистем со всеми отраслями народного хозяйства предопределяет необходимость своевременного их развития. Рост энергетических систем должен обязательно опережать рост потребления энергии, иначе создание резервов в энергосистемах невозможно. С другой стороны, рост энергетических систем должен быть гармоничным: все элементы системы должны развиваться без каких-либо диспропорций в развитии отдельных элементов.
По мере развития энергосистем и сближения границ их электрических сетей увеличивается целесообразность их объединения.
Соединение энергосистем между собой осуществляется с помощью межсистемной электрической связи, состоящей из одной или нескольких цепей электропередачи.
Основные доводы в пользу объединения энергосистем таковы:
а) уменьшение суммарного резерва мощности;
б) улучшение использования мощности и энергии гидроэлектростанций одной или обеих систем;
в) уменьшение суммарного максимума нагрузки объединяемых энергосистем;
г) взаимопомощь систем в случае неодинаковых сезонных изменений мощности электростанций
и, в частности, гидроэлектростанций;
д) взаимопомощь систем в случае неодинаковых сезонных изменений нагрузки;
е) взаимопомощь систем в проведении ремонтов. Остановимся на некоторых из этих доводов.
Уменьшение суммарного резерва мощности дает в большинстве случаев наиболее существенные преимущества. Совершенно очевидно, что при соединении равновеликих по мощности систем оно дает пользу обеим системам. При соединении двух резко различных по мощности систем польза для мощной системы и для всего объединения в целом значительно меньше. Мощность межсистемной связи должна быть такой, чтобы в необходимых случаях резерв одной из систем мог быть передан в другую.
Рассмотрим случай объединения двух энергосистем. Уменьшение суммарного совмещенного максимума нагрузки обеих энергосистем обусловлено:
а) различием в моментах появления пика нагрузки обеих энергосистем; это различие может сильно изменяться в различные периоды года;
б) различием в моментах появления недельного, месячного или годового максимума.
Очень важно заметить, что первое различие дает тем более существенный эффект, чем большие пики имеют графики нагрузки вблизи периода максимума. Поэтому в системах с относительно ровным характером графика вблизи максимума этот эффект незначителен. Эффект, достигаемый за счет второго различия, зависит на протяжении недели от распределения выходных дней в промышленности, в каждой из энергосистем, на протяжении месяца — от характера промышленности в обеих энергосистемах, а на протяжении года является в известной мере случайным.
При окончательной оценке технико-экономического эффекта, достигаемого объединением энергосистем, необходимо учесть:
а) стоимость межсистемной связи;
б) наличие потерь энергии в связи;
в) усложнение регулирования частоты в связи с необходимостью во многих случаях автоматического регулирования или ограничения обменного потока мощности.
Объединенная энергосистема так же, как и отдельная энергосистема, является единым производственным комплексом. Однако наличие относительно слабой связи накладывает особый отпечаток на объединение энергосистем. Различие сказывается в том, что:
а) резкие изменения режима и даже аварии в одной системе редко отражаются на второй, если мощность связи невелика по сравнению с мощностью объединяемых систем;
б) при резких изменениях режима слабая связь может легко нарушиться и системы могут разделиться;
в) последнее обстоятельство требует автоматического ограничения перетоков мощности;
г) автоматическое регулирование частоты в объединении во многих случаях требует обязательного автоматического регулирования обменного потока мощности.
Электрические сети
Электрическая сеть как часть электроэнергетической системы обеспечивает возможность выдачи мощности электростанций, ее передачу на расстояние, преобразование параметров электроэнергии (напряжения, тока) на подстанциях и ее распределение по некоторой территории вплоть до непосредственных электроприемников.
Электрические сети современных энергосистем характеризуются многоступенчатостью, т.е. большим числом трансформаций на пути от источников электроэнергии к ее потребителям. Топологическая структура отдельных звеньев этой многоступенчатой сети достаточно сложна, она насчитывает десятки, а подчас и сотни узлов, ветвей и замкнутых контуров. Наряду со сложностью конфигурации характерной особенностью электрических сетей является их многорежимностъ. Под этим понимается не только разнообразие загрузки элементов сети в суточном и годовом разрезе при нормальном функционировании системы, вызываемое естественным изменением во времени нагрузки потребителей, но и обилие режимов, возникающих при выводе различных элементов сети в плановый ремонт и при их аварийных отключениях.
Таблица 1.