Устройство энергосистемы

Как передается энергия и, в частности, об электрических сетях. На тепловых сетях я подробно останавливаться не буду, они существуют, у них есть свои особенности, но тем не менее они всегда ограничены населенным пунктом, у них есть достаточно серьезная географическая привязка. Они не могут быть сильно распределенными. И с точки зрения структуры, сложности самым серьезным объектом здесь являются электрические сети, поэтому сегодня я хочу поговорить именно с точки зрения значения экономики. В основном функцией электрических сетей является распределение энергии, то есть необходимо доставить электроэнергию от генераторов к потребителям с минимальными потерями, с обеспечением надежности и доступности энергии и мощности.

(автор butterflystroke, лицензия Pixabay)

Вроде самая простая функция, но она одновременно и простая, и сложная, потому что по большому счету непосредственно полезные функции сети не выполняют, они выполняют транспортную функцию. В этом отношении у них обратная экономическая история. Чем их больше, тем хуже для экономики. Идеальное состояние, когда сетей нет вообще, энергия передается. И это особенность экономики этих сооружений, на которые стоит обращать внимание. И то, как строятся сети, все это основывается именно на том, насколько и как целесообразно это сделать. В частности, одним из первых исторических выборов по поводу целесообразности экономичности сетей был выбор переменного напряжения, потому что его можно трансформировать. Существуют трансформаторы, существует процесс трансформации напряжения. Повышения, понижения переменного тока является хорошо решаемой задачей, в том числе исторически хорошо решаемой задачей. 

На данный момент уже появились такие сооружения как подстанции постоянного тока высокой мощности, но это пока еще экзотика и долгое время работа с постоянным током была сопряжена с большими трудностями и поэтому была экономически оправдана только в редких случаях, по большей части там, где делалась в экспериментальных вариантах просто для того, чтобы исследовать альтернативные возможности. Большая часть нашей огромной сети, которая объединяет всю нашу страну, за исключением части удаленных энергорайонов, объединена в Центральную энергосистему. И вся эта система работает синхронно и устроена по большей части как дерево. Мы можем увидеть, что основная топология, топология звезд и деревьев. Есть определенная смежность, но в любом случае это граф. В любом случае есть приличные проблемы с кольцами. Если нужно организовать закольцованные сети, нам необходимо учитывать, что у нас переменное напряжение. Это означает, что на разной длине, в точке возникает разная фаза. И эта разница в фазе переменного тока является проблемой построения более сложных структур. Эти задачи сейчас решаются тем или иным образом, но это задачи. 

Второй выбор, который был сделан - это выбор трехфазного напряжения. Соответственно мы имеем три провода, и в каждый момент времени генерации симметричны и мы вырабатываем трехфазный ток. Однако, в силу того, что у нас потребление может быть разным, здесь может возникать тема неравномерности по фазе. И балансировка по фазам является одним из теневых моментов в выборе трехфазного напряжения. Тем не менее эта задача решается, просто стоит помнить, что она есть. А собственно говоря, трансформация напряжения - это выбор между тем, что чем выше напряжение, тем меньше ток, а соответственно меньше потери на сопротивление, и выбора потерь на трансформацию.  Балансировка этих потерь - это тема выборов классов напряжения. 

Также существуют некоторые особенности, связанные с тем, что у нас по определенным классам напряжения потери начинают превышать экономически эффективные или даже физические пределы. И в какой-то момент существует длина линии, на которой уже не передается никакой ток, потому что все ушло в потери. 

Я сейчас коротко рассказал о структуре сети, и мне хочется перейти к ее составным частям. Первое, на чем я хотел бы остановиться, это воздушные линии. Это самые распространенные линии, большие, заметные, на них можно посмотреть. Как правило, если вы куда-то едите, куда-то идете, то в непосредственной близости от вас скорее всего найдется какой-нибудь из этих объектов. Даже путешествуя по Москве, я видел, что там линий достаточно много. Их можно увидеть почти в каждом районе, кроме центра. И также Москва является одним из самых интересных мест в нашей стране, где можно наблюдать огромные структуры, где распределительные линии, большое количество опор, линии в разные места, цепь коридоров, которых идет 5 и больше линий одновременно, потому что на большинстве классов напряжения мы используем одновременный подвес двух линий на одной опоре, во всяком случае в нашей стране так принято и так бывает. 

В Германии я видел опоры, на которых размещено по 6 линий, но уже в разных классах напряжения 100, 200, 400 киловольт. Это фантастические конструкции, но у нас эти способы не используются в силу того, что у нас более разветвленные сети, их плотность меньше, и поэтому мы используем одиночные объекты разделения линий, разделения по классам напряжения, если только очень сильно не подпирает. Но с другой стороны, наши линии и наши стандарты обеспечивают достаточно серьезную надежность этих линий. В свое время в Советском Союзе очень много внимания уделялось повышенной надежности этих объектов, поэтому у нас существуют более простые схемы расположения линий. 

По классам напряжения линии есть: 0,4  - это стандартное бытовое напряжение трехфазное 380 Вольт; 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 500 кВ. 

Теперь я хотел бы поговорить о более свободных вещах, об экзотике. Прежде всего из интересных энергетических объектов, которые являются сложными, сверхсложными, стоит выделить высоковольтные переходы. Это прежде всего переходы через широкие реки, ущелья. Там опоры могут быть уникальными сооружениями. Они индивидуально рассчитываются. Мы проектировали такие опоры и скажу, что это очень интересная инженерная работа и выполнить ее не так просто. В нашей стране с этим по-хорошему может работать только один институт. Восстановление квалификации специалистов, которые этим занимаются, является тоже интересной задачей. Фактически некоторая смена инженерной парадигмы, которая требуется для того, чтобы рассчитывать эти объекты индивидуально, обеспечивать работу с этими объектами, которые являются уникальными, без проверки на полигоне. Такую опору нельзя проверить на полигоне. И часто работа с этими опорами проходит вблизи рек, соответственно со сложными грунтовыми условиями. То есть фундамент для этих опор тоже очень сложный, это экзотическое, требующее творческого подхода инженерное сооружение.  

Из современной экзотики мне хотелось бы упомянуть постоянный ток. Для передачи энергии на большие расстояния сейчас начали использовать возможности высокотоковой полупроводниковой техники. И сейчас существуют линии +- 750 кВ, +-800 кВ, соответственно это 1400 - 1600 разница между двумя фазами использования того, что там провод работает во всем сечении, и соответственно у нас меньше потерь, но при этом эти сооружения являются достаточно интересными с технической точки зрения. Немногие страны могут себе позволить разработку этих устройств. Особенно полупроводников, которые работают с очень большими токами. И соответственно, при работе и объединении разных кусков энергосистемы преобразование постоянного тока используется еще в одном месте - между энергосистемами. Например, энергосистемами трансграничными, работающими в разных стандартах. Или, например, у нас в стране там, где длина линий становится очень большой и при этом ток, который через них идет относительно небольшой. Тут используются вставки постоянного тока, которые фактически является подстанцией постоянного тока., таким сооружением, которое позволяет асинхронную работу частей энергосистемы. Сейчас начинают исследовать возможность использования сверхпроводимости для работы с передачей электроэнергии. И существует уже несколько объектов в мире, которые предназначены для сложных подводных переходов, которые выполнены с использованием сверхпроводимости, соответственно, это уже передняя часть, это уже квантовая физика. Это уже интересные эффекты, связанные с тем, что, например, превышение тока, превышение магнитного поля разрушает сверхпроводимость, а сверхпроводящие материалы в отличие от меди и алюминия являются более хрупкими. Но тем не менее в передаче электроэнергии существует передний край, существуют разработки переднего края и там тоже можно найти себе интересное применение.