История развития и современный облик российской электроэнергетики

ИЗ ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Знание истории развития электроэнергетики помогает понять логику выбора направления её развития, природу возникающих перед ней проблем и возможные способы их решения.

Становление электроэнергетики как самостоятельной отрасли промышленности и экономики

История науки и техники ведет отсчет развития электроэнергетики с 1891 г., когда состоялось испытание трехфазной системы электропередачи на международной электротехнической выставке в г. Франкфурте-на-Майне [1].

На гидроэлектростанции в Лауфене электрическая энергия вырабатывалась гидроагрегатом, состоящем из турбины, конической зубчатой передачи и трехфазного синхронного генератора (мощность 230 кВ А, частота вращения 150 об/мин, напряжение 95 В, соединение обмоток звездой). В Лауфене и Франкфурте находилось по три трансформатора, погруженных в баки, наполненные маслом.

Трехпроводная линия была выполнена на деревянных опорах со средним пролетом около 60 м. Медный провод диаметром 4 мм крепился на штыревых фарфоро-масляных изоляторах. Интересной деталью линии являлась установка плавких предохранителей со стороны высокого напряжения: в начале линии в разрыв каждого провода был включен участок длиной 2,5 м, состоявший из двух медных проволок диаметром 0,15 мм каждая. Для отключения линии во Франкфурте посредством простого приспособления устраивалось трехфазнос короткое замыкание, плавкие вставки перегорали, турбина начинала развивать большую скорость, и машинист, заметив это, останавливал ее.

На выставочной площадке во Франкфурте был установлен понижающий трансформатор, от которого при напряжении 65 В питались 1000 ламп накаливания, расположенных на огромном щите. Здесь же был установлен трехфазный асинхронный двигатель ДоливоДобровольского, приводивший в действие гидравлический насос мощностью около 100 л. с., питавший небольшой искусственный водопад. Одновременно с этим мощным двигателем М.О. Доливо-Добровольский экспонировал асинхронный трехфазный двигатель мощностью около 100 Вт с вентилятором на его валу и двигатель мощностью 1,5 кВт с сидящим на его валу генератором постоянного тока.

Испытания электропередачи, которые проводились Международной комиссией, дали следующие результаты: минимальный КПД электропередачи (отношение мощности на вторичных зажимах трансформатора во Франкфурте к мощности на валу турбины в Лауфене) — 68,5%, максимальный — 75,2% при линейном напряжении около 15 кВ, а при напряжении 25,1 кВ максимальный КПД составил 78,9%.

Результаты испытаний электропередачи Лауфен-Франкфурт не только продемонстрировали возможности передачи энергии на большие расстояния в виде электрической энергии, но и поставили точку в давнем споре сторонников постоянного либо переменного тока в пользу переменного тока.

Создание трехфазной системы — важнейший этап в развитии электроэнергетики и электрификации. После закрытия Франкфуртской выставки электростанция в Лауфене перешла в собственность г. Хейльборна, расположенного в 12 км от Лауфена, и была пущена в эксплуатацию в начале 1892 г. Электроэнергия использовалась для питания всей городской осветительной сети, а также ряда небольших заводов и мастерских. Понижающие трансформаторы устанавливались непосредственно у потребителей.

В том же 1892 г. была сдана в эксплуатацию линия БюлахЭрликон (Швейцария). Электроэнергия, вырабатываемая гидроэлектростанцией с гремя трехфазными генераторами мощностью 150 кВт каждый, построенная у водопада в г. Бюлахе, передавалась на расстояние 23 км для электроснабжения завода.

Вслед за этими первыми установками в короткое время были построены ряд электростанций; наибольшее их число находилось в Германии.

В США (в Калифорнии) первая трехфазная установка была сооружена в конце 1893 г. Темпы внедрения трехфазной системы в Америке вначале были заметно ниже, чем в Европе, из-за настойчивых попыток одной из крупнейших американских фирм — компании «Всстингауз» — развернуть работы по сооружению электростанций и электрических сетей, но системе Теслы, т. е. двухфазных.

Для переходного периода в любой области техники характерны попытки комбинирования устаревающих и новых технических решений. Так, в течение почти двух десятилетий делались попытки «примирить» трехфазные системы с другими системами. В эти годы существовали электростанции, на которых одновременно работали генераторы постоянного, переменного однофазного, двухфазного и трехфазного тока или любая их комбинация. Напряжения и частоты были различными, потребители питались по раздельным линиям. Попытки спасти устаревающие системы, а вместе с ними и освоенное заводами электрооборудование, приводили к созданию комбинированных систем.

Но уже начиная с 1901;1905 гг. в основном сооружаются трехфазные электростанции, которые вначале преимущественно были станциями фабрично-заводского типа. Трехфазная техника позволяла строить крупные электростанции иа месте добычи топлива или па подходящей реке, а вырабатываемую энергию транспортировать по линиям электропередачи в промышленные районы и города. Такие электростанции стали называть районными.

Первые районные электростанции были построены во второй половине 90-х гг. XIX в., а в следующем столетии они составили основу развития электроэнергетики. Первой районной электростанцией считают Ниагарскую ГЭС. Строительство таких электростанций приобрело широкий размах с начала XX в. Этому способствовал рост потребления электроэнергии, связанный с внедрением в промышленность электропривода, развитием электрического транспорта и электрического освещения городов. Электрические станции становились крупными промышленными предприятиями, сети разных станций объединялись, создавались первые энергетические системы. Под энергетической системой стали понимать совокупность электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии.

Потребность объединять работу нескольких электростанций в общую сеть стала проявляться уже в 90-х гг. XIX в. Она обусловлена тем, что при совместной работе уменьшается необходимый резерв на каждой станции в отдельности, появляется возможность ремонта оборудования без отключения основных потребителей, создаются условия для выравнивания графика нагрузки базисных станций в целях более эффективного использования энергетических ресурсов. Первое известное объединение двух трехфазных электростанций было осуществлено в 1892 г. в Швейцарии.

Русские электротехники сумели быстро оценить достоинства трехфазной системы. Уже в январе 1892 г. на 4-й Петербургской электротехнической выставке демонстрировались две трехфазные машины системы Доливо-Добровольского мощностью по 15 кВт. В России первым предприятием с трехфазным электроснабжением был Новороссийский элеватор. Он представлял собой огромное сооружение, и задача распределения энергии по его этажам и различным зданиям могла быть решена наилучшим образом только с помощью электричества. Элеватор был электрифицирован в 1893 г. Все машины по разработанным за границей проектам изготовлялись в собственных мастерских элеватора. На электростанции, построенной рядом с элеватором, были установлены четыре синхронных генератора мощностью 300 кВт каждый. В то время это была самая мощная в мире трехфазная электростанция. В помещениях элеватора работали трехфазные двигатели мощностью 3,5−15,0 кВт, которые приводили в действие различные машины и механизмы. Часть энергии использовалась для освещения.

Первая в России электропередача значительной протяженности была сооружена на Павловском прииске Ленского золотопромышленного района в Сибири. На электростанции, построенной в 1896 г. на р. Ныгра, были установлены трехфазный генератор (98 кВт, 600 об/мин, 140 В) и трансформатор соответствующей мощности, повышающий напряжение до 10 кВ. Электроэнергия передавалась на прииск, удаленный от станции на расстояние 21 км. На прииске для привода водоотливных устройств использовались трехфазные асинхронные двигатели мощностью 6,5−25,0 л. с. (напряжение 260 В). С 1897 г. началась электрификация крупных городов: Москвы, Петербурга, Самары, Киева, Риги, Харькова и др.

Интересно отметить, что во время бурного развития трехфазных электропередач высокого напряжения (до 150 кВ) М.О. ДоливоДобровольский на основе технико-экономических расчетов пришел к выводу о том, что при передаче энергии на несколько сотен километров при напряжении свыше 200 кВ целесообразно генерирование и распределение энергии осуществлять переменным током, а передачу — постоянным током высокого напряжения. Линия постоянного тока в начале и в конце должна подсоединяться к преобразовательным подстанциям, на которых устанавливаются ртутные выпрямители. К такому выводу он пришел, даже не зная о такой проблеме для мощных линий передач переменного тока, как устойчивость.

В наши дни его предсказание оправдалось, и во многих странах успешно действуют линии электропередачи постоянного тока сверхвысокого напряжения (подробнее см. в 11.6). На рис. 1.1 и 1.2 показана динамика роста рабочего напряжения воздушных линий передач переменного и постоянного тока.

Рис. 1.1. Хронология ввода в эксплуатацию ЛЭП переменного тока новых

(рекордных) классов напряжения

Рис. 1.2. Хронология ввода в эксплуатацию ЛЭП постоянного тока новых

(рекордных) кчассов напряжения

Дальнейшее развитие электроэнергетики в нашей стране проходило в несколько этапов:

• • соединение электростанций на параллельную работу и образование первых энергосистем;
• • образование территориальных объединений энергосистем (ОЭС);
• • создание Единой энергетической системы (ЕЭС);
• • функционирование ЕЭС России после образования независимых государств на территории бывшего СССР.

Основа создания энергетических систем в нашей стране была заложена Государственным планом электрификации России (ГОЭЛРО), утвержденным в 1920 г. Этот план предусматривал централизацию электроснабжения путем строительства крупных электростанций и электрических сетей с последовательным объединением их в энергетические системы. Планом ГОЭЛРО предусматривалось также всемерное развитие отечественной электротехнической промышленности, освобождение ее от засилья иностранного капитала, удельный вес которого составлял в ней в начале 20-х гг. 70%. Для решения всех вопросов электротехники и подготовки высококвалифицированных специалистов в октябре 1921 г. был создан Государственный экспериментальный электротехнический институт, переименованный впоследствии во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ).

Под руководством ведущих членов комиссии ГОЭЛРО (руководитель Г. М. Кржижановский) были спроектированы и построены ряд электростанций и линий электропередач: Шатурская ГРЭС (мощность 48 МВт, ввод в эксплуатацию в 1925 г.), Волховская ГЭС (66 МВт, 1926 г.), Нижнесвирская ГЭС (90 МВт, 1933 г.), Днепровская ГЭС (580 МВт, 1932 г.). Днепровская ГЭС была в то время самой крупной в Европе.

Первые энергосистемы — Московская и Петроградская — были созданы в 1921 г. В 1922 г. в Московской энергосистеме вошла в строй первая линия электропередачи напряжением 110 кВ Каширская ГРЭС — Москва длиной 120 км, а в 1933 г. была пущена ЛЭП напряжением 220 кВ Нижнесвирская ГЭС — Ленинград. (Первая линия 220 кВ во Франции была построена всего на полгода раньше). Были образованы новые энергосистемы: Донбасская (1926 г.), Ивановская (1928 г.), Ростовская (1929 г.) и др.

За 15-летний срок план ГОЭЛРО был значительно перевыполнен. Установленная мощность электростанций страны в 1935 г. составила 6,9 млн кВт, годовая выработка электроэнергии достигла 26,8 млрд кВт-ч. По производству электроэнергии Советский Союз занял второе место в Европе и третье в мире.

Процесс объединения энергосистем начался еще в первой половине 30-х гг. с создания сетей 110 кВ энергосистем в районах Центра и Донбасса. В 1940 г. для руководства параллельной работой Верхневолжских энергосистем (Горьковской, Ивановской и Ярославской) была создана объединенная диспетчерская служба. В связи с намечавшимся объединением энергосистем Юга в 1938 г. было создано Бюро Южной энергосистемы, которое затем было преобразовано в Оперативнодиспетчерское управление Юга; в 1940 г. была введена в эксплуатацию первая межсистемная связь напряжением 220 кВ Днепр-Донбасс.

Мощность всех электростанций страны в 1940 г. достигла 11,2 млн кВт, выработка электроэнергии составила 48,3 млрд кВт-ч.

Интенсивное плановое развитие электроэнергетики было прервано Великой Отечественной войной. Перебазирование промышленности западных районов на Урал и в восточные районы страны потребовало форсированного развития энергетики Урала, Казахстана, Центральной Сибири, Средней Азии, Поволжья, Закавказья и Дальнего Востока. Особенно большое развитие получила электроэнергетика Урала, где выработка электроэнергии с 1940 по 1945 гг. увеличилась в 2,5 раза.

В ходе войны электроэнергетике был нанесен громадный ущерб: взорваны, сожжены или частично разрушены 61 крупная электростанция и большое число мелких общей мощностью 5 млн кВт, т. е. почти половина установленных к тому времени мощностей. Разрушено 10 тыс. км магистральных линий электропередачи высокого напряжения, большое количество подстанций.

Восстановление энергетического хозяйства началось уже с конца 1941 г. В 1942 г. восстановительные работы велись в центральных районах европейской части СССР, а к 1945 г. эти работы распространились на всю освобожденную территорию страны.

В 1946 г. суммарная мощность электростанций СССР достигла довоенного уровня: в 1947 г. страна по производству электроэнергии вышла на первое место в Европе и на второе в мире.

В 1954 г. в г. Обнинске была введена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт.

В 1955 г. суммарная мощность электростанций достигла 37,2 млн кВт, выработка электроэнергии составила 170,2 млрд кВт-ч.

Переход к следующему, качественно новому этапу развития электроэнергетики был связан с вводом в эксплуатацию мощных Волжских ГЭС и дальних линий электропередачи 400−500 кВ. В 1956 г. была введена в работу первая электропередача 400 кВ Куйбышев (ныне Самара) — Москва.

ЛЭП 400 кВ Куйбышев-Москва объединила энергосистемы Средней Волги, линия Куйбышев-Урал — с энергосистемами Прсдуралья и Урала. Этим было положено начало объединению энергосистем различных регионов и созданию ЕЭС европейской части СССР.

В течение 60-х гг. завершилось формирование ЕЭС европейской части СССР, и в 1970 г. начался следующий этап развития электроэнергетики страны — формирование ЕЭС СССР в составе: ОЭС Центра, Урала, Средней Волги, Северо-Запада, Юга, Северного Кавказа и Закавказья, включавших 63 энергосистемы; три территориальные ОЭС — Казахстана, Сибири и Средней Азии работали раздельно; ОЭС Дальнего Востока находилась в стадии формирования.

В 1972 г. в состав ЕЭС СССР вошла ОЭС Казахстана. В 1973 г. энергосистема Болгарии присоединена на параллельную работу с ЕЭС СССР по межгосударственной связи 400 кВ Молдавская ГРЭСВулканешты-Добруджа.

В 1978 г. с завершением строительства транзитной связи 500 кВ Сибирь-Казахстан-Урал присоединилась на параллельную работу ОЭС Сибири. В том же году было закончено строительство межгосударственной связи 750 кВ Западная Украина — Альбертирша (Венгрия), и с 1979 г. началась параллельная работа ЕЭС СССР и ОЭС стран-членов Совета экономической взаимопомощи (СЭВ).

От сетей ЕЭС СССР осуществлялся экспорт электроэнергии в МНР, Финляндию, Турцию и Афганистан; через преобразовательную подстанцию постоянного тока в районе Выборга ЕЭС СССР соединилась с энергообъединением Скандинавских стран NORDEL.

Динамика структуры генерирующих мощностей в 70-х и 80-х гг. характеризуется: нарастающим вводом мощностей на АЭС в западной части страны и дальнейшим вводом мощностей на высокоэффективных ГЭС преимущественно в восточной части страны; началом работ по первому этапу создания Экибасгузского энергетического комплекса; общим ростом концентрации генерирующих мощностей и увеличением единичной мощности агрегатов. Мощность наиболее крупных электростанций России в настоящее время составляет: ТЭС — 4800 МВт (Сургутская ГРЭС-2), АЭС — 4000 МВт (Балаковская, Ленинградская, Курская), ГЭС — 6400 МВт (Саяно-Шушенская).

Технический прогресс в развитии системообразующих сетей характеризовался последовательным переходом к более высоким ступеням напряжения. Освоение напряжения 750 кВ началось с ввода в эксплуатацию в 1967 г. опытно-промышленной электропередачи Конаковская ГРЭС — Москва. В течение 1971;1975 гг. в ОЭС Юга была сооружена широтная магистраль 750 кВ Донбасс — Днепр — Винница — Западная Украина. В 1975 г. была сооружена межсистсмная связь 750 кВ Ленинград-Конаково, позволившая передать в ОЭС Центра избыточную мощность ОЭС Северо-Запада. Для создания мощных связей с восточной частью ЕЭС сооружалась магистральная линия электропередачи 1150 кВ Сибирь-Казахсган-Урал. Было начато также строительство электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ Экибастуз-Цснтр.

В табл. 1.1 приведены данные по установленной мощности электростанций и протяженности электрических сетей 220−1150 кВ ЕЭС СССР за период 1960;1991 гг.

В послевоенные годы электрификация стала основой научнотехнического прогресса страны. На ее базе происходило непрерывное совершенствование технологий в промышленности, транспорте, связи, сельском хозяйстве и строительстве, осуществлялась механизация и автоматизация производственных процессов. Рост производства электроэнергии в эти годы опережал рост произведенного национального дохода в 1,6 раза.

Таблица 1.1.

Рост установленной мощности электростанций и протяженности электрических сетей 220−1150 кВ ЕЭС СССР

Управление электроэнергетикой страны до 1991 г. происходило в условиях монополии государственной собственности на все предприятия отрасли. Все электростанции и ЛЭП принадлежали государству и строились за счет средств государственного бюджета. Строительство объектов электроэнергетики осуществлялось по критерию минимальных народно-хозяйственных затрат. Такой подход к развитию отрасли при полном государственном регулировании минимизировал нспроизводительные затраты. Выбор места размещения новых электростанций и их мощность определялись наличием ТЭР в данном районе и экономической целесообразностью их использования.

Каждая крупная электростанция строилась так, чтобы обеспечивать электроэнергией территорию, охватывающую несколько смежных областей или республик. Для таких электростанций использовался термин «государственная районная электрическая станция» — ГРЭС, т. е. электростанция, построенная на государственные средства, принадлежащая государству и обеспечивающая электроэнергией большой район радиусом до 500−600 км и более. Как правило, эти крупные ГРЭС конденсационного типа или АЭС рассчитаны на производство большого количества электроэнергии. Такие электростанции явились основными производителями электроэнергии в составе ЕЭС СССР.

Тепловая энергия производилась на ГРЭС в небольшом количестве для собственных нужд электростанции и для близлежащих населенных пунктов.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), вырабатывающие электрическую и тепловую энергию по комбинированному циклу, размещались в местах сосредоточения больших тепловых нагрузок, например крупных промышленных предприятий или городских районов. В каждом крупном городе была построена одна или несколько ТЭЦ. Они обеспечивали население и промышленность, в первую очередь, тепловой энергией, а попутно и дешевой электроэнергией, вырабатываемой на тепловой нагрузке.

Эффективность работы электроэнергетики обеспечивалась централизованным управлением режимами работы электростанций и электрических сетей, планированием и контролем их техникоэкономических показателей. Директивная система позволяла легко реализовать перераспределение экономического эффекта от деятельности различных предприятий электроэнергетики, исходя из интересов народного хозяйства страны, а экономические противоречия между производителями и потребителями разрешались самим же государством. Непротиворечивость интересов развития и функционирования отдельных предприятий электроэнергетики в этот период обеспечивалась единой нормативно-правовой основой, которая формировалась центральными органами государственного управления (Госпланом СССР и Минэнерго СССР) [2].

Централизованное распределение капитальных вложений в развитие и функционирование объектов электроэнергетики не было непосредственно связано с результатами хозяйственной деятельности отдельных предприятий, а непроизводительные расходы убыточных предприятий покрывались перераспределением доходов внутри самой отрасли за счет прибыльных предприятий. Директивное управление было направлено в основном на выполнение плановых технико-экономических показателей и ограничивало инициативу предприятий по улучшению своей деятельности, поскольку экономический эффект от успешной деятельности мог быть просто перераспределен в пользу другого, убыточного предприятия. Эти издержки централизации отчётливо проявились при переходе страны к рыночной экономике и стали побудительной причиной радикальной реформы электроэнергетической отрасли.