Московский институт энергобезопасности и энергосбережения

Учебно-методические материалы

по дисциплине

Передача и распределение электроэнергии

Составитель Шведов Г.В.

Москва – 2008

Введение

Российская электроэнергетика – самая мощная на территории бывшего СССР. Единая электроэнергетическая система (ЕЭС) России охватывает всю общую территорию страны от западных границ до района Дальнего Востока и является одним из крупнейших в мире централизованно управляемым энергообъединением, граничащим с энергообъединениями стран Европы и Азии. Огромные потоки энер­гии доставляются от электрических станций к потребителям (фабрикам, заводам, фермам, транспорту, домам и т д.) по электрическим сетям.

Чтобы энергетические системы и сети надежно и экономично работали, надо понимать процессы, происходящие в линиях любых классов напряжений. Надо знать методы расчетов нормальных и аварийных режимов работы сети (мощности на отдельных участках сети или токи, напряжения в узловых точках, потери мощности и др.), методы регулирования напряжения, уметь решать важные вопросы выбора рационального варианта конфигурации сети, обеспечивающего надежность работы и качество энергии.

В связи с этим дисциплина «Передача и распределение электроэнергии» яв­ляется одной из основных, в результате изучения которой закладывается фунда­мент специальной подготовки инженера-электрика.

Данная дисциплина дает основу для изучения таких дисциплин, как «Электрические сети электропитающих систем», «Элек­трооборудование станций и подстанций», «Релейная защита и автоматика», «Системы электроснабжения».

Изучение дисциплины «Передача и распределение электроэнергии» реко­мендуется начать с краткого исторического обзора развития электрических сетей.

Первая в России энергетическая система в современном понимании была создана в 1915 г. путем соединения несколькими кабельными линиями Измайловской понижающей подстанции (получающей питание по 70 км 70 кВ воздушной линии от электростанции, работающей на торфе) и распределительной сети Московской центральной электростанции (на Раушской набережной). Таким образом, 1915 г. можно считать датой фактического рождения системы Мосэнерго. В соответствии с планом ГОЭЛРО в 1922 г. введена в эксплуатацию первая в России воздушная линия нового класса напряжения 110 кВ длиной 120 км на деревянных опорах (Кашира – Москва). Выбор дерева в качестве материала для опор был продиктован дефицитом металла. В 1925 г. была сооружена воздушная линия на двухцепных металлических опорах, имела медные провода и грозозащиту с помощью двух стальных тросов. Дальнейшее формирование высоковольтной сети Московской энергосистемы шло по пути создания к 1929 г. вокруг Москвы двухцепного кольца 110 кВ.

Широким фронтом шло восстановление электрических сетей Московского региона после войны. Так в 1942 г. сооружена первая кабельная линия 110 кВ, связывающая между собой две подстанции.

Рассмотрим техническое и экономическое обоснование объединения работы электростанций в единой энергосистеме.

1. Увеличение надежности электроснабжения потребителей.

2. Улучшение качества электроэнергии, т.е. обеспечивает поддержание на­пряжения и частоты в пределах, нормированных ГОСТ, так как колебания нагрузок воспринимаются большим числом агрегатов.

3. Снижение суммарного резерва мощности по энергосистеме, кото­рый должен составлять 12-20 % общей мощности агрегатов энергосистемы. А следовательно, уменьшается суммарная установленная мощность генераторов (при одном генераторе мощность резерва равна мощности генератора; с увеличением числа параллельно работающих генераторов суммарный резерв уменьшается).

4. Повышение экономичности производства и распределения электрической энергии в целом по энергосистеме за счет наиболее рационального распределения нагрузки между электростанциями при наилучшем использовании энергоресурсов (топлива, воды и т.д.):

4а. За счет "меридианного" эффекта – несовпадения максимумов нагрузки в различных регионах страны. Максимум нагрузки на Урале находится в районе 16-18 часов Московского времени, в Москве – 19-21 час, в Санкт-Петербурге – 20-22 часа. Электроэнергия в каждый конкретный час будет передаваться в регион с максимумом нагрузки из других регионов.

4б. За счет "долготного" эффекта. Данный эффект в некотором смысле эквивалентен предыдущему. Во время полярного лета на севере электроэнергия будет передаваться в регион с максимумом нагрузки в данное время.

4в. За счет уменьшения стоимости производства электроэнергии. Чем больше мощность агрегата (генератора), тем он более экономичен. Поэтому в первую очередь загружают самые мощные агрегаты.

5. Увеличение темпов развития энергетики и осуществ­ление этого развития наиболее экономично для современных ус­ловий, т. е. за счет преобладаю­щего ввода крупных ТЭС и АЭС блочными агрегатами большой мощности.

Неоспоримые преимущества параллельной работы электрических станций в составе общей энергетической системы, связанные, прежде всего, с повыше­нием надежности и экономич­ности электроснабжения по­требителей, еще в предвоенный период вызвали к жизни разра­ботку проектов создания еди­ной высоковольтной сети евро­пейской части страны, объеди­няющей энергосистемы таких крупных регионов, как Севе­ро-Западный, Центральный, Южный с центром в Донбассе с регионами Поволжья и Урала. Первый шаг в этом направле­нии был сделан в 1945 г., ко­гда Московская, Горьковская, Ивановская и Ярославская энер­госистемы стали работать со­вместно в составе Объединен­ной энергетической системы (ОЭС) Центра с единым дис­петчерским управлением в Мо­скве.

Однако еще до войны стало ясно, что при ожидаемых тем­пах развития Центрального ре­гиона, и, прежде всего, промыш­ленности, возможностей собст­венных источников питания в перспективе будет недостаточ­но для удовлетворения его по­требностей в электроэнергии. Возникла необходимость сооружения мощных электро­станций за пределами региона с передачей их мощности в Центр по высоковольтным ли­ниям. В качестве таких новых источников питания, в первую очередь, рассматривалось со­оружение гидроэлектростан­ций в среднем и нижнем тече­нии Волги. Но использование для передачи мощности этих ГЭС наивысшего в то время класса напряжения воздушных линий, т.е. 220 кВ, требовало сооружения нескольких параллельных це­пей, что, естественно, не явля­лось экономически целесооб­разным решением, как и любое решение, основанное на экстенсивном принципе развития.

Поэтому возникла задача ос­воения нового, более высокого класса напряжения, в качестве которого первоначально было выбрано напряжение 400 кВ. В резуль­тате в 1949 г. было принято решение о строительстве Куй­бышевской ГЭС и сооружении двухцепной электропередачи 400 кВ Куйбышев-Москва. Впоследствии была выявлена возможность пе­ревода этой линии на напряже­ние 500 кВ, что и было осущест­влено к марту 1964 г.

Первое послевоенное десяти­летие ознаменовалось вводом ряда новых электростанций в Москве и Московской области.

Вслед за этой первой уни­кальной дальней электропере­дачей в 1959 г. была введена в эксплуатацию еще более протя­женная (длиной 1157 км) двух­цепная воздушная линия 500 кВ от Волгоградской ГЭС в Москов­скую энергосистему. Эти две ли­нии вместе с построенной не­много позднее электропереда­чей 500 кВ Куйбышев-Урал сформировали костяк основ­ной сети Единой энергетиче­ской системы европейской части России.

В 1965 г. состоялся пуск крупнейшей в Московском регионе Конаковской ГРЭС. Это создало предпосылки расширения Единой европейской части страны энергетической системы (ЕЕЭС) за счет присоединения к ней ОЭС Северо-Запада, что было осуществлено в 1966 г. по линии электропередачи Ленинград–Калинин. А через год состоялся ввод в эксплуатацию первой опытно-промышленной линии электропередачи нового класса напряжения (750 кВ) Конаковская ГРЭС-Москва протяженностью 90 км. С присоединением к Единой энергетической системе (ЕЭС) страны в 1970 г. ОЭС Закавказья завершилось формирование этого гигантского энергообъединения и первый этап создания ЕЕЭС. К концу 1970 г. в составе ЕЭС страны работали параллельно ОЭС Центра, Урала, Средней Волги, Северо-Запада, Юга, Северного Кавказа и Закавказья, включавшие 63 районных энергосистемы с суммарной установленной мощностью электростанций 104,9 млн. кВт., что составляло 73,4 % общей мощности электростанций страны. В ЕЕЭС вырабатывалось тогда 84,1 % общего объема производства электроэнергии в стране.

Прошедшие же годы последнего десятилетия характеризовались нарастающими негативными тенденциями в развитии электроэнергетического комплекса России, отражающими трудности переходного этапа развития экономики страны.

На конец 1998 г. в составе ЕЭС России работали только пять ОЭС - Центра, Средней Волги, Урала, Северо-запада и Северного Кавказа. ОЭС Сибири с августа 1996 г. переведена на раздельную работу с ЕЭС Рос­сии из-за несбалансированности режимов работы ОЭС Казахстана. Энергосистема Янтарьэнерго отделена от России территорией государств Балтии. ОЭС Востока работает изолированно от ЕЭС России. На территории России, кроме того, действуют изолированно энергосистемы Якутии, Магадана, Сахалина, Камчатки, Норильскэнерго и Колымэнерго.

В электроэнергетике функционируют 2,5 млн. км линий электропередачи всех классов напряжения, в том числе 150 тыс. км сети напряжением от 220 до 1150 кВ.

Одну из серьезнейших проблем в энергетике представляет старение основ­ных фондов. В России в настоящее время находится в эксплуатации 30 млн. кВт генерирующего оборудования, достигшего предельных сроков наработки. В 2010 году объемы устаревшего оборудования составят 110 млн. кВт, т. е. около 50% установленной мощности электростанций. Уже сейчас 5 тыс. км воздушных линий 110-220 кВ и подстанции общей мощностью 8 млн. кВ-А подлежат полной замене. К 2030 году потребуется рекон­струкция 20 тыс. км воздушных линий напряжением 110 кВ и выше. Проблема технического перевооружения затрагивает основы надежности и живучести электроэнергетики всех районов страны и ЕЭС России в целом. Появле­ние в последние годы вынужденных неоптимальных режимов работы электростанций привело к увеличению относительных потерь электроэнергии. В 1998 г. потери элек­троэнергии в электрических сетях Российской Федерации составили 90,3 млрд. кВт-ч, или 12,2% отпущенной электроэнергии в сеть против 8,35% в 1991 г., возросла доля коммерческих потерь.

В период 2001-2010 гг. предлагается:

- сооружение первого участка воздушной линии 1150 кВ Сибирь - Урал по трассе Алтай - Карасук - Омск - Курган - Челябинск,

- усиление межсистемного транзита 500 кВ ОЭС Средней Волги - ОЭС Цен­тра - ОЭС Северного Кавказа (строительство воздушной линии Балаковская АЭС - Курдюм - Фролово - Шахты),

- усиление системообразущих связей 500 кВ между ОЭС Урала и Средней Волги (за счет строительства воздушной линии 500 кВ Северная Вятка - Газовая - Преображенская - Красноармейская);

- сооружение воздушной линии 500 кВ Чита - Могоча - Зейская ГЭС для уве­личения обмена мощностями между ОЭС Сибири и ОЭС Востока и т. д.

Объемы ввода электросетевых объектов напряжением 330 кВ и выше в пери­од до 2010 г. должны составить не менее 12-20 тыс. км линий электропередачи и 47,5-80 тыс. МВА мощности подстанций.

Важнейшее значение для развития электроэнергетики России имеет расши­рение интеграции ЕЭС России с энергосистемами зарубежных стран. В период до 2010 г. предполагается значительное увеличение экспорта электроэнергии в страны СНГ и Балтии, в Финляндию, в Швецию, в Норвегию, в страны Центральной и Вос­точной Европы, в страны Ближнего Востока, в Китай и Японию.