ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Концентрация производства электроэнергии. Первые электростанции (блок‑станции) появились как установки для питания электроосветительной сети в конце 70‑х годов XIX столетия.

Блок‑станции вырабатывали исключительно постоянный ток и могли обеспечить электроэнергией районы, расположенные на расстоянии до 1 км. Поэтому постоянный ток в то время быстро исчерпал свои возможности.

Применение постоянного тока в большой энергетике в определенной мере нашло место в передаче электроэнергии на большие расстояния, но и в этой области вопрос не решен однозначно: на практике основные потоки электроэнергии передаются во всем мире именно переменным током. Весьма энергичные попытки выработки электроэнергии постоянного тока в больших количествах предпринимались на основе МГД‑преобразования в 60–70‑х годах XX в., но они не привели к успеху.

Трехфазная система как основа производства, передачи и распределения электроэнергии оказалась жизнеспособной не только потому, что синхронные генераторы допускают невиданный в технике рост мощностей от 10 кВт в начале развития до 1 ГВт к 80‑м годам XX столетия. Целый ряд технических особенностей трехфазного переменного тока определил его широкое применение.

Это прежде всего преобразование с помощью трансформаторов электроэнергии, вырабатываемой генераторами, в электроэнергию более высокого напряжения для передачи ее на большие расстояния и электроэнергию более низкого напряжения для обеспечения местных потребителей и собственных нужд станции; создание простых, дешевых электродвигателей от самых малых до очень мощных 10 МВт и более; достаточно простое решение задачи коммутации больших токов; применение переменного тока в сочетании с управляемыми тиристорными установками для систем возбуждения синхронных машин (возбудители переменного тока и т.п.). Можно сказать, что трехфазный ток обладает исключительно высокими свойствами преобразуемости и управляемости.

Технические особенности переменного тока определили на все последнее столетие структуру электростанции:

выработка электроэнергии синхронными генераторами на напряжение 6–20 кВ (меньшее значение соответствует ранним маломощным

синхронным генераторам, большее – современным, сверхмощным);

распределение электроэнергии на генераторном напряжении для питания близко расположенных электроприемников;

трансформация электроэнергии на более низкое напряжение для питания электроприемников собственных нужд станции;

трансформация электроэнергии на более высокое напряжение для питания электроприемников, удаленных от станции.

Соответственно на электростанции сооружаются несколько распределительных устройств на разных ступенях напряжения. Тем самым станция на современном этапе развития в силу гигантской концентрации производства электроэнергии является мощным узлом распределения электроэнергии, основным звеном современных электроэнергетических систем. Открытие и внедрение трехфазной системы переменного тока было фундаментальным достижением европейской цивилизации.

Если первые электростанции сооружались на основе агрегатов мощностью порядка 100 кВт, то в 80‑е годы XX столетия были освоены агрегаты мощностью 1,2 МВт – рост за столетие в 10 000 раз. Сам по себе рост мощностей вытекает из закона роста производительных сил общества. Поражает то, что такой рост был достигнут на основе применения синхронных генераторов и практически при неизменной структуры станции.

В силу изложенного основным законом развития электростанций, определяющим технические решения по оборудованию, системам контроля и управления, является рост мощностей агрегатов станции, повышение мощностей самих станций, концентрация производства электроэнергии.

В последнее время станция, по существу, срастается с энергосистемой. Это находит свое выражение, в частности, и в том, что главная схема станции на современном этапе уже не может проектироваться без учета структуры электрической сети энергосистемы, в которой она работает. Этот процесс, не осмысленный пока в полной мере, будет развиваться и дальше.

Перспективы дальнейшего роста мощностей синхронных генераторов, по крайней мере, в два‑три раза, вполне реальны, но первичные источники энергии электростанций будущего – сложнейшая проблема современности, обсуждение которой выходит за рамки данной книги.

Последним достижением дореволюционной России было сооружение под руководством Р.Э. Классона в 1914 г. крупнейшей в то время электростанции на торфе вблизи г. Богородска и электропередачи напряжением 70 кВ до Москвы. На станции были установлены два турбогенератора мощностью 7500 л.с. частотой вращения 1500 об/мин напряжением 6600 кВ. В Москве линия приходила на Измайловскую подстанцию, где электроэнергия распределялась по городской кабельной сети. Эта электростанция сыграла большую роль в обеспечении электроэнергией Москвы во время первой мировой войны, революции и гражданской войны. После гражданской войны электроэнергетика стала основным стержнем восстановления и развития промышленности страны. Первые электростанции в России сооружались исключительно на зарубежном оборудовании. Но уже начиная с 1931 г. практически все станции оснащались отечественным оборудованием серийного производства, а в 1937 г. на заводе «Электросила» был построен турбогенератор мощностью 100 МВт Т2–100–2 – крупнейшая в то время электрическая машина с частотой вращения 3000 об/мин. Появление этой машины явилось для большинства зарубежных электротехников полной неожиданностью.

Головные блоки мощностью 800 МВт на электростанциях были освоены в СССР к началу 1968 г., а еще через 10 лет – блоки 1000 МВт.

Для того чтобы представить изменение уровня технологии на станциях с блоками 800 МВт, напомним, что номинальный ток статора турбогенератора ТГВ‑800 составляет 22,65 кА, а номинальный ток возбуждения – 6720 А. При таких токах канализация, коммутация электроэнергии, управление режимами, контроль за состоянием и автоматика требуют решения совокупности сложнейших технических задач не только при создании соответствующего оборудования, но и при разработке схем выдачи энергии в систему.

Многообразие электрических станций. Закон концентрации производства электроэнергии был бы неполон без отражения всего многообразия видов электростанций. Рост этого многообразия в связи с развитием электроэнергетики имеет не только иллюстративное значение, но может служить и эвристическим принципом в дальнейших разработках проблемы.

Тепловые и гидравлические электростанции возникли одновременно. Но если ГЭС развивались в основном в направлении роста мощностей, то ТЭС почти сразу разделились на два подвида, заметно отличающиеся как по схемам электрических соединений, так и по тепловой части: конденсационные (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Первые предназначены исключительно для выработки электроэнергии, вторые – для комбинированной выработки электроэнергии и теплоты. Экономическая целесообразность последних определяется тем, что при расположении ТЭС в непосредственной близости от потребителей теплоты весьма выгодно одновременно с отпуском потребителям электроэнергии поставлять им и пар для технологических нужд (а таких технологий много) и отопления зданий – теплофикации. В СССР началом теплофикации принято считать 25 декабря 1924 г. – пуск теплопровода от 3‑й Ленинградской государственной районной электростанции. Этим было положено начало развитию ТЭЦ.

Следующий шаг в развитии электрификации был сделан через 30 лет. 27 июня 1954 г. в г. Обнинске (Российская Федерация) была пущена в опытную эксплуатацию первая в мире атомная станция (АЭС). Это рассматривалось в те времена как начало новой эры энергетики. И действительно, энергетика вступила на новый, неизведанный путь, и только 30 лет спустя по‑настоящему было осознано, насколько сложным и труднопредсказуемым оказался этот путь.

А первые годы были полны исключительно оптимистических публикаций, докладов, монографий. Большое число ученых вплоть до 1986 г. связывали будущее энергетики с АЭС. До конца 60‑х годов шли интенсивные поиски приемлемых форм использования энергии ядерного распада, и в этом большую роль сыграла Обнинская АЭС. К концу 60‑х годов первый этап поиска рациональных решений по ядерному реактору был закончен и наступил период широкого строительства АЭС на тепловых нейтронах как в СССР, так и за рубежом. Так, к 1986 г. в 38 странах мира было построено 360 АЭС общей мощностью 260 тыс. МВт (для сравнения 267 тыс. МВт – установленная мощность всех электростанций Минэнерго СССР в 1980 г.). Погоня за удешевлением АЭС и недооценка неизученности процессов в ядерных реакторах в СССР привели к крупнейшей катастрофе XX в. – чернобыльской аварии 26 апреля 1986 г.

Несмотря на все ужасные последствия чернобыльской аварии, и в настоящее время полагают, что альтернативы атомной энергетике не существует. Наступает следующий период развития АЭС – разработка АЭС с реакторами нового типа, безопасных и конкурентоспособных с КЭС, а также с реакторами на быстрых нейтронах.

Концентрация производства электроэнергии на мощных агрегатах имеет и свои отрицательные стороны – прежде всего это малая маневренность мощных блоков, особенно на АЭС. К этому фактору добавилось и другое явление – рост неравномерности потребления электроэнергии в течение суток, недели, года. В связи с этим возникла в отдельных случаях острая необходимость создания агрегатов, обладающих высокой скоростью набора нагрузки – высокими маневренными свойствами. Такими в энергосистемах являются агрегаты ГЭС, если в водохранилищах имеется запас воды для снятия больших колебаний нагрузки. Но как раз в большинстве энергосистем таких запасов либо вообще нет, либо их явно недостаточно. Для решения задачи регулирования графика нагрузки в его переменной части появились газотурбинные агрегаты и гидроаккумулирующие электростанции, что расширило спектр энергоагрегатов в современной энергетике.

Рассматривая этапы развития электростанций, нельзя обойти стороной большой объем работ, выполненных как в России, так и за рубежом по внедрению в практическую энергетику МГД (магнитогидродинамического)‑преобразования тепловой энергии в электрическую и соответственно созданию МГД‑электростанций.

Привлекательность этого направления состоит прежде всего в том, что МГД‑преобразование дает возможность, минуя стадию преобразования теплоты в механическую энергию, сразу получать электроэнергию – прямое преобразование теплоты в электричество. К тому же начальные температуры рабочего тела при МГД‑преобразовании весьма высоки, откуда возникает надежда на достижение высокого КПД.

Основные схемы энергетических МГД‑установок были запатентованы еще в начале века. Углубленное изучение их с проработкой проектов и создание опытных установок начинается в начале 60‑х годов в ряде стран: США, СССР, Японии, Китае и др.

Разработано довольно большое количество разных типов МГД‑генераторов. Всего в мире было построено около 20 опытных МГД‑установок. Наиболее широкие исследования были проведены в СССР.

В 1964 г. в Институте высоких температур АН СССР (МВТ АН СССР) была построена первая в мире комплексная МГД‑установка У‑02 мощностью 200 кВт. На основе опыта ее работы, а также исследований, проведенных ИВТ, Энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского, Институтом электродинамики АН УССР и др., в 1971 г. была сооружена промышленная электростанция с опытным МГД‑генератором мощностью 25 МВт. На основе опыта работы этой станции было принято решение о проектировании МГД‑электростанции мощностью 500 МВт.

Однако дальнейшие работы были свернуты как по социально‑экономическим условиям в стране, так и по ряду причин технического и технологического характера. Прежде всего ожидания высокого КПД не оправдались: снижение потерь теплоты в громадном канале оказалось технически сложным. Заметными были и потери теплового потенциала вследствие инжекции ионизирующих присадок. Главное, не удалось создать канал – основной элемент МГД‑генератора с приемлемым сроком службы: несмотря на все усилия, срок службы канала до выхода из строя оказался не более 1100–1200 ч. Это примерно в 5 раз меньше, чем требуется для промышленной установки.

Поэтому некоторые специалисты считали возможным работу МГД‑электростанций в пиковом режиме (для снятия пиковых нагрузок в энергосистеме), т.е. с числом часов работы в году примерно 1000. После года работы канал необходимо было бы демонтировать и ставить новый. Это, конечно, дорого и неудобно в эксплуатации.

Газотурбинные агрегаты, решают проблему снятия пиков нагрузки без указанных затруднений. А получившие в 80–90‑х годах на Западе широкое развитие парогазовые установки показали возможность достижения КПД 60% и без МГД‑электростанций. Проекту МГД‑электростанций 500 МВт не дано было свершиться, хотя дальнейшие работы в этом направлении продолжаются, но не в прежних масштабах.

Вот уже более 40 лет будущее энергетики связывается с управляемым термоядерным синтезом (УТС) и электростанциями, главной частью которых по предполагаемым проектам будут реакторы, в которых протекает управляемая реакция синтеза ядер легких изотопов.

Начало исследований по управляемому термоядерному синтезу имело место в СССР еще до реализации неуправляемого синтеза – испытания водородной бомбы (начало 50‑х годов XX столетия). Возглавлял исследования академик Л.А. Арцимович. Исследования по УТС интенсивно вели в то же время и американские ядерщики. Позже к таким исследованиям подключились и физики Западной Европы. Проблема чрезвычайно сложная и, как и в МГД‑преобразовании, упирается в необходимость создания высоких плотностей энергии с применением сильных магнитных полей. Удержать же горячую плазму до возникновения реакции чрезвычайно трудно, хотя и можно. Какие воздействия требуются – грубо, но достаточно образно можно представить по взрыву водородной бомбы. Вся история работ по УТС состоит в погоне за повышением параметров плазмы и времени ее удержания.

Предложен довольно широкий набор различных реакторов (в которых возможна реакция синтеза), отличающихся способами создания плазмы, ее нагрева и удержания. Одним из наиболее перспективных реакторов представляется, по современным воззрениям, реактор с тороидальной магнитной камерой – ТОКАМАК, предложенный впервые в СССР в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова и детально разрабатывавшийся под руководством академика Л.А. Арцимовича. Этот тип реактора принят международным сообществом для совместной разработки.

На первых порах разработки по УТС в разных странах велись независимо, но уже к концу 70‑х годов термоядерщики стали объединяться, так как была в полном масштабе осознана фундаментальность и сложность проблемы, невозможность ее решения в рамках отдельно взятой страны. Основой такого сотрудничества кроме широкой взаимной информации стала идея разработки интернационального концептуального проекта термоядерного реактора и всех сопряженных с ним научно‑технических проблем.

Совокупность таких проблем получила название инженерных проблем термоядерного синтеза. Один из последних концептуальных проектов реактора УТС разработан странами Евроатома, США, России и Японии в 1989 г.

Наиболее сложная и дорогая часть сооружения – электромагнитная система. Доказано, что приемлемая система может быть создана только с применением сверхпроводников. Общая масса сверхпроводника в реакторе превышает 720 т. Однако, по мнению академика В.А. Глухих, проведенные в России исследования свидетельствуют о возможности создания электромагнитной системы реактора такого масштаба.

Рассмотренные выше новые виды электростанций (МГД‑преобразование, УТС) имеют характерные особенности: широкое применение в них электромагнитных устройств, являющихся ключевыми для их функционирования. Это вполне соответствует современным представлениям об электромагнитной структуре материи и способах управления большими потоками энергий. По‑видимому, в электростанциях будущего роль электрической части будет все больше и больше возрастать.

В заключение необходимо отметить, что в последней четверти XX столетия наряду с развитием электростанций мощностью в несколько гигаватт стала развиваться малая энергетика: ветровые, солнечные, геотермальные, приливные, волновые электростанции и др. Однако решающей роли они не играют и, по‑видимому, никогда не будут играть, что не умаляет их практического значения как для улучшения экологии, так и для обеспечения электроэнергией удаленных мелких потребителей.

Главные схемы электростанций. Первые электростанции сооружались с малым числом генераторов и работали по схеме генератор – трансформатор – линия (Лауфенская электростанция) или по схеме с одной системой шин, секционированной выключателем. Известно, что такая схема не обладает достаточной надежностью. Поэтому с укрупнением электроагрегатов с целью повышения надежности выдачи мощности, а также облегчения коммутаций рабочих и аварийных токов развитие главной схемы шло в двух направлениях: секционирование системы рабочих шин и применение токоограничивающих устройств.

Секционирование одной системы шин вплоть до варианта подключения к одной секции одного присоединения естественным образом привело к созданию кольцевых схем, а недостатки схем с двумя рабочими системами шин – к наиболее эффективным схемам 3/2 и 4/3: с тремя выключателями на два присоединения и четырьмя выключателями на три присоединения. Логика такого развития рассматривается ниже.

Но прежде надо отметить следующее. При малых мощностях генераторов (до 100 МВт) электростанции сооружались, как правило, с наличием электрических связей между генераторами на генераторном напряжении. С ростом мощностей в силу роста рабочих токов, и особенно токов коротких замыканий, распределительное устройство генераторного напряжения становится чрезмерно громоздким. Технически обеспечить канализацию рабочих токов и надежное отключение токов короткого замыкания (КЗ) чрезвычайно трудно. Поэтому с ростом мощностей генераторов от распределительного устройства и соответственно от непосредственных электрических связей между генераторами пришлось отказаться. На рис. 5.1 приведена главная схема электрических соединений одной из ГРЭС, сооружавшихся в СССР в 30‑х годах.

^{Рис. 5.1. Главная схема электрических соединений Зуевской ГРЭС Донбассэнерго}

Это в полной мере относится к современным мощным КЭС, ГЭС и АЭС. Но на ТЭЦ с агрегатами менее 100 МВт распредустройство генераторного напряжения сохранилось прежде всего потому, что от него питаются местная нагрузка и трансформаторы собственных нужд станции. При этом для ограничения токов КЗ широко применяются токоограничивающие реакторы, а шины генераторного напряжения многократно секционируются (в отдельных случаях замыкаются в кольцо). Надо отметить, что широко распространенные токоограничивающие реакторы были созданы еще в 30‑е годы XX в. и до последнего времени служат основным средством, обеспечивающим устойчивую работу оборудования электростанций при КЗ.

Неоднократно предпринимались попытки внедрить токоограничивающие устройства иного вида (нелинейные, резонансные схемы и т.п.) или создать выключатели, способные отключать КЗ до достижения токами КЗ опасных значений

– в самом начале аварийного переходного процесса. Однако до сих пор такие устройства не нашли широкого применения либо по причине их недостаточной технической эффективности, либо из‑за большой стоимости. В свою очередь токоограничивающие реакторы в последнее время вызвали в России интерес в связи с применением магнитного бетона – магнитного диэлектрика

– для повышения индуктивности реактора. Но внедрение таких реакторов пока находится в самом начале, и лишь практика покажет, насколько они эффективны.

На мощных электростанциях перспективной оказалась схема блока генератор – трансформатор с подключением на генераторном напряжении трансформатора собственных нужд блока.

Уже несколько десятилетий широко применяется подключение двух генераторов к одному трансформатору с расщепленными обмотками низшего напряжения, если это допускает мощность повышающего трансформатора (схема весьма распространенная на ГЭС).

Развитие схем распределительных устройств на повышенном напряжении определялось следующими факторами:

сохранение блока генератор – трансформатор при повреждении выключателя или системы шин;

возможность вывода в ремонт выключателя без потери блока;

надежность работы в ремонтных режимах;

возможность маневрировать выдачей мощности.

Наконец, далеко не последняя по значимости совместная структура электрической сети системы, в которую выдает мощность электростанция: число линий, их связь с разными потребителями и узловыми подстанциями и другие факторы, определяющие режимы системы, наличие в ней резервов мощности и способность обеспечить аварийное покрытие потребности как по мощности, так и по пропускной способности сети.

Для сохранения блока при повреждении выключателя в США на ранних этапах развивалась схема подключения трансформатора блока к двойной системе шин через развилку из двух выключателей (эту схему так и называют американской). Другое, хотя и не эквивалентное этому решение дает схема с двумя рабочими и третьей обходной системами шин и с одним обходным выключателем (рис. 5.2). Это решение оказалось весьма жизнеспособным. При повреждении выключателя блок отключается на короткий промежуток времени, необходимый для включения обходной электрической цепи через обходную систему шин.

Проблема кратковременной потери блоков при аварии на одной системе шин решается за счет резервирования по электрической сети: крупные потребители электроэнергии (в том числе и крупные распределительные подстанции) питаются по двум линиям электропередачи, подключенным к разным системам шин либо к разным секциям секционированной системы шин. Схема выдачи мощности через распредустройство с двумя рабочими и одной обходной системами шин нашла весьма широкое распространение в СССР.

^{Рис. 5.2. Схема с двумя рабочими и обходной системами шин}

^{Рис. 5.3. Кольцевая схема}

Наличие двух систем рабочих шин придает станции повышенную маневренность: можно группировать присоединения линий и блоков в зависимости от режима работы, внешней схемы энергосистемы (в том числе ремонтных вариантов схем) и необходимого уровня надежности электроснабжения.

Однако эти решения не устранили существенного недостатка рассматриваемой схемы: при отказе одного из выключателей в действие запускается устройство резервирования отказа выключателя, которое отключает все выключатели, присоединенные к данной системе шин. На крупных станциях таких присоединений может быть много, и отказ выключателя приводит к весьма тяжелым последствиям. Ослабить этот фактор позволяет секционирование системы шин, хотя и оно не решает проблемы в полном объеме. Другой недостаток – сложности, возникающие при ремонте одной системы шин.

Избежать этих недостатков позволяют кольцевые схемы, в которых вообще нет сборных шин. При отказе одного выключателя работают только два смежных, возможен вывод выключателя в ремонт без перерыва работы блока. Однако здесь частота работы выключателей в два раза больше, так как каждое присоединение отключается двумя выключателями, а в ремонтных режимах возникают проблемы: при аварийных отключениях присоединений схема распадается на несвязные части, в которых могут возникнуть большие дисбалансы. Недостатком кольцевых схем по сравнению с двумя рабочими и обходной системами шин является отсутствие маневренности.

Кольцевые схемы нашли применение при числе узлов не более шести. Для большего числа узлов иногда применяют связные кольцевые схемы (рис. 5.3).

^{Рис. 5.4. Схема с тремя выключателями на два присоединения}

^{Рис. 5.5. Схема с четырьмя выключателями на три присоединения}

Решением, объединяющим преимущества кольцевых схем и схем с двумя рабочими системами шин, явились схемы с тремя выключателями на два присоединения (схема 3/2) и с четырьмя выключателями на три присоединения (схема 4/3) (рис. 5.4, 5.5). Эти схемы имеют две рабочие системы шин, связанные цепочками из трех или четырех выключателей. Между выключателями подключаются трансформаторы блоков и линии электропередачи (автотрансформаторы связи с другими распредустройствами). Такие схемы могут работать даже при ремонте двух систем шин при соответствующей группировке присоединений. Эти схемы нашли применение на мощных электростанциях.

Однако в связи с внедрением сверхвысоких и ультравысоких напряжений четко выявилась тенденция к применению схем с одним выключателем на присоединение, в том числе и в США, что определяется очень высокой стоимостью выключателей сверхвысокого и ультравысокого напряжения.

Электрические системы западноевропейских стран имеют значительно более высокую плотность размещения электростанций, малую протяженность линий электропередачи, высокую плотность электрической нагрузки. При этом проблемы электромагнитной совместимости, в том числе и ограничения токов КЗ, оказываются особо сложными. Поэтому в Германии и других западноевропейских странах нашли применение схемы с тремя и более системами рабочих шин (рис. 5.6). Это дает простор для маневров с присоединением генерирующих блоков и линий электропередачи, для обеспечения требуемой надежности и снижения уровней токов КЗ. Такие схемы некоторые авторы называют продольным секционированием.

^{Рис. 5.6. Схемы соединений РУ 380 кВ АЭС (ФРГ)}

^{а – Филиппсбург (1‑я очередь); б – Брунсбюттель}