Портрет

Меркульев Михаил Юрьевич
эксперт в области энергетики, инженер ЦМИТ «STEM-Байкал» ООО «Полюс-НТ»

Большая часть огромной сети, которая объединяет всю нашу страну, за исключением части удаленных энергорайонов, объединена в Единую энергосистему. Каковы ее особенности, из чего она состоит и какие факторы влияют на энергосистему. Об этом поговорим в данной теме.

#энергосистема #энергетика #КлассНапряжения #ЛинииЭлектропередач #ИЭС


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. 


10 кВ (автор Alexei Chizhov, лицензия Pixabay)


35 кВ (автор Rodrigo Muñoz, лицензия Pixabay)


35 кВ (автор Ersin D, лицензия Pixabay)


110 кВ (автор Alexei Chizhov, лицензия Pixabay)


110 кВ (автор Alexei Chizhov, лицензия Pixabay)


220 кВ (автор Kurt Bouda, лицензия Pixabay)


220 кВ (автор Alina Kuptsova, лицензия Pixabay)


500 кВ (автор Thomas B, лицензия Pixabay)

И существует также альтернативные напряжения: 6 кВ, 20 кВ на средних напряжениях,  330 кВ, 750 кВ на высоких напряжениях. Например, для центрального района характерный выбор напряжения 220 кВ и 500 кВ, а для северо-запада и юга характерны линии 330 кВ и 750 кВ. Построена, но до конца не введена в эксплуатацию экспериментальная линия 1150 кВ - это самое высокое напряжение, ее можно увидеть на картинках либо проезжая вдоль границы Казахстана.

Опора ЛЭП 1150кВ в Челябинской области

Опора ЛЭП 1150кВ в Челябинской области
(автор Кирилл Аристов, общественное достояние)

Что эти линии представляют из себя с экономической точки зрения? Как я говорил основная тема - это потери. Воздушные линии - это потери на нагрев, это скин-эффект (от англ. skin — кожа, оболочка). Это то, что у нас все-таки переменное напряжение идет не по всей массе провода, а только по поверхности его части. И для высоких напряжений это потери на корону, которая особенно при высокой влажности является достаточно интересным и важным эффектом. Во влажном воздухе эти линии могут начать светиться в темноте и бывает интересно посмотреть как линии 500 кВ, 750 кВ начинают светиться при точках близких к точке росы. И эти потери - это одна сторона того, что мы имеем ввиду, когда работаем и управляем воздушными линиями. Они являются достаточно простыми объектами, это всего лишь провода, изоляторы и опоры.

Конструкция достаточно простая, но тем не менее в силу протяженности и труднодоступности с ними есть проблемы. Основные проблемы - ветер и гололед, грозы. 


(автор Trevor M, лицензия Pixabay)

Частный случай при ветре - это пляска проводов, когда колебания входят в резонанс. И также существует проблема с тем, что коридоры воздушных линий зарастают растительностью, и это тоже может приводить к потерям, пробоям. Это основные природные факторы. В морских районах еще может добавляться коррозия, но это менее распространенный фактор. Грозы - важный фактор, который определяет структуру линий: около высокого напряжения помимо трех фаз вы можете увидеть еще четвертый провод на вершине опор - это грозотрос, через который осуществляется защита. Есть человеческий фактор: с линиями случается вандализм, бывают набросы на провода, бывает закорачивание проводов и попытки украсть провода. И просто хулиганский вандализм, когда охотники расстреливают изоляторы.


У одной из гирлянд сломан изолятор
(автор Alexei Chizhov, лицензия Pixabay)

Соответственно на линиях бывают аварии. Это обрыв фазы, повреждение изолятора или падение опор. Падение опор может быть вследствие ураганного ветра либо вследствие каких-то природных явлений, связанных с тем, что не учтены особенности грунтов, паводка или чего-то еще. В основном, это либо подмывание грунта, либо сильный ураганный ветер. В Иркутской области, например, была авария связанная с потерей транзита между севером и югом. Это приличный объем энергопередачи при порядка 3 гигаватт мощности. Авария была связана с тем, что прошел язык ветра со скоростью больше 40 км/с и было повреждено несколько опор одновременно на всех линиях транзита как 500 кВ, так и 220 кВ. И в этот момент как раз вступило в тему то, о чем я говорил на предыдущей лекции - это маневренность тепловой энергетики. Это было летом и поэтому большинство ТЭС на юге области стояли на ремонте или в резерве, и удалось достаточно быстро поднять эти станции, поднять выработку на Иркутской ГЭС, и тем самым спасти Иркутский Алюминиевый завод. Потому что это ограничение, а для алюминиевого завода ограничение - это фактически потеря всего основного оборудования. 

Также помимо воздушных линий существуют кабельные линии. Это подземная прокладка линий. Для них характерной особенностью являются пробои в изоляции и проблем с ними несколько меньше. Но есть нагрев, потому что теплоотвод с помощью обдуваемого воздуха не происходит, фактически они находятся в “теплице”, в изолированном пространстве. Поэтому основными моментами здесь являются работа с теплоотводом и трудность поиска места повреждения. Сейчас эти проблемы решаются, трудная задача. И для того, чтобы ремонтировать эти линии, нужно доставать их, раскапывать. Поэтому эти линии стараются делать максимально надежными и стараются исключать их повреждений. 

Помимо линий вторым объектом являются подстанции. Их функция - это преобразование или распределение электрической энергии. Самым простым по задаче является распределение. Это когда линию в одном классе напряжения нужно разбить на несколько ответвлений, и основной задачей подстанции, как правило, является трансформация между классами напряжения. Соответственно, основными объектами в структуре подстанции являются трансформаторы и автотрансформаторы. 



(автор обоих изображений CreepCreep, лицензия Pixabay)

И в структуре подстанции принято говорить о ячейке. Это комплекс трансформатора с выключателем на линии, либо выключатель с соответствующей обвеской измерительных приборов. И важной частью также являются измерительные приборы  - это измерение тока и напряжения. 


(автор Jarkko Mänty, лицензия Pixabay)


(автор Andreas Haunold, лицензия Pixabay)

И для высоких классов напряжения - это достаточно серьезные технические устройства. С ними тоже интересно работать. Сами трансформаторы бывают разных типов. В основном они определяются тем, каким образом обеспечивается изоляция. Поэтому они бывают масляные, сухие, и если мы говорим о подстанциях, то стоит упомянуть, что существуют подстанции открытые и закрытые. Закрытые характеризуются тем, что они находятся в здании целиком, как трансформаторная, так и распределительная часть. И это требует дополнительных мер по защите от пробоя, от высокого напряжения, в том числе, по защите персонала. И соответственно, современные подстанции могут быть целиком сделаны в элегазе. Это специальная смесь газов, которая препятствует пробою. 

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.

Для размышления

Подумайте самостоятельно, как можно просто определить класс напряжения воздушной линии. Определите класс напряжения ВЛ, которые встретятся вам в ближайшее время. Продвинутая часть состоит в рефлексии желания погуглить и своей способности воздержаться от этого, но тем не менее ответить себе на этот простой вопрос. Подумайте, как появился ответ в интернете.

Материалы


Last modified: Friday, 11 December 2020, 11:08 AM