Распределение и передача электроэнергии на расстояние

Победное шествие переменного тока началось с изобретения в 1890 году русским инженером Михаилом Доливо-Добровольским трехфазного электродвигателя, конструкция ротора которого стремя обмотками, расположенными под углом 120 градусов по отношению друг к другу, в виде «беличьего колеса», в целом сохранилась и до наших дней.

Главное преимущество переменного тока – гибкость в подключении нагрузок и генераторов на всем протяжении маршрута передачи электроэнергии. При этом нет необходимости, как в случае с постоянным током, в возведении дорогих преобразовательных подстанций на ответвлениях от линии передачи. Это особенно ценно, если маршрут ЛЭП пролегает по густонаселенным регионам, а выработка энергии производится во многих местах вдоль этого маршрута. Главный недостаток – сильное удорожание при строительстве линий переменного тока протяженностью свыше 500 км.

Передать значительную мощность на большое расстояние можно, только существенно повысив напряжение источника тока. Но доступных технологий повышения напряжения постоянного тока тогда не существовало – по сети передавали ток с генераторным напряжением, оно составляло несколько сот вольт и с точки зрения транспортировки высоким не было. Но и это напряжение оказывалось слишком высоким для потребителей, и им для его понижения приходилось включать у себя дома еще один генератор с меньшим выходным напряжением, который крутился двигателем, работающим от сети с высоким входным напряжением. Уже в девяностых годах XIX века обе российские столицы, испытавшие стремительный рост потребления, оказались энергодефицитными.

Высокая стоимость прокладки протяженных ЛЭП переменного тока складывается из нескольких взаимосвязанных составляющих. Прежде всего, для них требуется отвод площадей, значительно больших, чем для ППТ. И дело тут даже не в стоимости самой земли (едва ли ее стоимость может быть серьезным фактором удорожания строительства, скажем, где-нибудь в сибирской тайге), а в цене подготовки площадки под возведение опор ЛЭП. Требование к широким площадкам связано с тем, что на линиях переменного тока не удается полностью использовать пропускную способность линий, определяемую из предельно допустимого нагрева проводов. Нагрев этот, сопровождаемый соответственным увеличением сетевых потерь, происходит в результате действия так называемого скин-эффекта (поверхностного эффекта), именно его и учитывал в своих расчетах Михаил Доливо-Добровольский, предсказывая ограничение протяженности линий переменного тока. Суть эффекта в том, что при проникновении электромагнитных волн в глубь проводящей среды происходит их затухание, в результате чего переменный ток «не распределяется» по всему сечению проводника, а концентрируется преимущественно в поверхностном слое, вызывая его повышенный нагрев. «Коэффициент концентрации» тем больше, чем больше частота тока. Необходимость параллельных линий определяет намного большую материалоемкость у ЛЭП переменного тока.

Специалисты ABB посчитали, что для передачи 12 000 МВт – кстати, мощности вполне сопоставимой с той, что в России планируется со временем передавать от Эвенкийской (Туруханской) ГЭС, – потребовалось бы восемь линий переменного тока при напряжении 800 кВ. или – всего две линии постоянного тока при таком же напряжении. Еще одно огромное преимущество ППТ заключается в малой величине потерь – всего около5 % при передаче энергии на расстояние свыше 2000 км. Чтобы достичь столь же малых потерь, в обустройство линий переменного тока той же протяженности пришлось бы инвестировать почти в полтора раза больше, а это миллиарды долларов.

Рис. 2.2. Зависимость пропускной способности линии переменного тока при напряжении 1000 кВ от протяженности

Рис. 2.3. Развитие электрических сетей РФ до 2020 года

Передавать электроэнергию по кабельным линиям при длинах 30–40 км и по воздушным линиям передачи протяженностью свыше 500 км выгоднее с помощью постоянного тока. В 1919 г. 500−километровые ЛЭП казались еще диковинкой.

Уже в 1945 году «для решения проблем, связанных с внедрением в энергетику электропередачи постоянного тока и созданием Единой энергосистемы страны» распоряжением советского правительства в Ленинграде был образован Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (НИИПТ). В 1965 году была введена по всей 500−километровой длине намного более мощная 790−мегаваттная ППТ напряжением 800 кВ Волгоград – Донбасс, сооруженная уже целиком из отечественного оборудования и включенная в объединенную энергетическую систему СЭВ «Мир», куда входила и энергосистема ГДР. По словам Льва Кощеева, «она работает до сих пор, хотя в некотором смысле это уже музейная линия передачи».