Новые технологии для российских энергетических компаний

В. Н. Вариводов, доктор техн. наук, проф., академик Российской Академии электротехнических наук (РАЭН)

Условия работы современных электроэнергетических систем характеризуются увеличением плотности передаваемой энергии, как в нормальных, так и в аварийных режимах, и необходимостью компактного исполнения электроэнергетических объектов.

К основным технологическим направлениям формирования электроэнергетических систем XXI века можно отнести, прежде всего, повышение управляемости и в конечном счете переход к автоуправляемости электроэнергетических систем (рис. 1).

Рисунок 1 (подробнее)   Основные технологические направления формирования электроэнергетических систем ХХI века

Основой повышения управляемости являются:

• применение гибких систем электропередачи на основе устройств FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems);
• использование современных автоматизированных систем на основе цифровых устройств;
• внедрение систем мониторинга состояния и диагностики оборудования, позволяющих оценивать надежность работы оборудования и поддерживать необходимый уровень надежности этого оборудования в режиме on-line.

Гибкие системы электропередачи должны позволить при любых возмущениях в системе, как в нормальных режимах (отключение линии для ревизии), так и в аварийных (короткое замыкание в сети), с помощью устройств FACTS перевести систему в новое стабильное состояние. Такая цель может быть достигнута только при удовлетворении следующих требований к управляющим устройствам:

• глубокое регулирование реактивной мощности (+100 %);
• высокое быстродействие;
• обеспечение требуемых уровней напряжения и запасов в послеаварийных режимах и в ремонтных схемах;
• оптимизация токораспределения в линиях электропередач различных классов напряжения;
• уменьшение токов короткого замыкания.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют такие устройства FACTS, как СТАТКОМ, АСГ (асинхронизированные генераторы), АСК (асинхронизированные компенсаторы), СТК (статические тиристорные компенсаторы), УПК (управляемые продольные компенсаторы), причем применяются данные устройства на всех уровнях электроэнергетической системы: на электростанциях – АСГ, в сети – АСК, СТК, УПК, СТАТКОМ, у потребителя – СТК, СТАТКОМ, АСК. Перечисленные устройства не исчерпывают всего многообразия возможных управляющих устройств – применяются также фазоповоротные трансформаторы, управляемые шунтирующие реакторы и т. д.

Принципиально возможны два основных типа устройств FACTS: машинные (АСГ, АСК) и статические.

Электромашинное устройство FACTS – это синтез электрической машины и преобразователя, обеспечивающее векторное регулирование напряжения с помощью специальной схемы управления.

Так, в 2003 году в Москве был установлен первый асинхронизированный синхронный турбогенератор (рис. 2) мощностью 100 МВт на ТЭЦ-22, а в 2007 году – АСГ мощностью 160 МВт на ТЭЦ-27.

Рисунок 2. АСГ на ТЭЦ-27

Новыми пилотными проектами являются: АСГ 320 МВт на Каширской ГРЭС-4 (2008 год), АСГ 160 МВт на ТЭЦ-21 (2008 год), АСГ 160 МВт на ТЭЦ-27 (2009 год).

АСК с управляющей обмоткой мощностью 2 х 100 МВАр устанавливается на ПС 500 кВ «Бескудниково».

СТК применяется в первую очередь для регулирования напряжения в относительно мощных электрических сетях. В России СТК уже есть на подстанции 500 кВ «Ново-Анжерская», а в 2010 году будет установлен СТК мощностью 2 х 50 МВАр, совмещенный с установкой для плавки гололеда на проводах ЛЭП и грозозащитных тросах, на ПС 330 кВ «Владикавказ-2».

СТАТКОМ сегодня – наиболее совершенное и многофункциональное статическое устройство FACTS, поскольку его схема управления построена на управляемых силовых полупроводниковых приборах (IGBT, IGCT). Однако поэтому пока и более дорогое. Тем не менее, за прошедшее десятилетие за рубежом целый ряд проектов СТАТКОМ уже был реализован. Использование СТАТКОМ позволяет не только регулировать напряжение, но и увеличивать пропускную способность сетей, оптимизировать потоки мощности, улучшить форму кривой напряжения и др.

В России ОАО «НТЦ электроэнергетики» в 2006–2007 годах также был создан СТАТКОМ, предназначенный для установки на подстанцию 330 / 400 кВ в г. Выборге (рис. 3).

Рисунок 3. СТАТКОМ в процессе испытаний

Мощный преобразовательный комплекс на основе устройств СТАТКОМ будет установлен в 2009 году на ПС 220 кВ «Могоча».

Для повышения пропускной способности высоковольтных линий электропередачи эффективны управляемые устройства продольной компенсации (УПК) и фазоповоротные устройства (ФПУ). В 2010 году планируется установка устройства управляемой продольной компенсации на высоковольтной линии ВЛ 500 кВ «Саяно-Шушенск - Новокузнецк».

Предполагается установка ФПУ в 2012 году на ВЛ 220 кВ «СоветскоСоснинская-Володино».

Вторым важнейшим направлением технологического развития электроэнергетических систем является создание высокоамперных линий.

Объективно существует две основных возможности повышения мощности передающих линий – повышение напряжения и повышение номинального рабочего тока.

Традиционный базовый уровень номинального напряжения в России распределительных сетей 10 кВ представляется недостаточным и требует постепенного перехода электрических распределительных сетей городов на напряжение 20–35 кВ, что уже неоднократно отмечалось в литературе и во многих случаях реализовано на практике. Повышение номинального рабочего тока за счет оптимизации выбираемых материалов, контактных соединений, самой конструкции высоковольтных устройств для электрических сетей, в принципе, давно уже реализовано в таком «гигаполисе», как Япония. В этой стране номинальные рабочие токи, как правило, составляют не 2–4, а 6–8 кА. Такая техническая политика, несомненно, представляет интерес и для других стран, где число мегаполисов растет.

Поскольку плотность электропотребления в мегаполисах в последние годы резко возрастает (рис. 4), и российские крупнейшие города, к сожалению, здесь уже в первом ряду, более эффективным и кардинальным решением по увеличению рабочих токов передающих линий является применение сверхпроводящих кабелей, где рабочий ток при тех же радиальных габаритах токоведущей жилы может быть увеличен почти на порядок.

Рисунок 4. Электропотребление и плотность электропотребления в мегаполисах

Появление же в 2002–2003 годах высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) 2-го поколения резко активизировали работы по практическому применению этих технологий.

Проведенный анализ эффективности ВТСП кабелей показывает, что с учетом затрат на прокладку, эти кабели будут дешевле традиционных медных уже к 2010 году при мощности более 70–100 МВт.

С 2004 года осуществляется несколько коммерческих проектов сверхпроводящих кабелей: SUMITOMO ELECTRIC завершила длительные испытания трехжильного сверхпроводящего кабеля на напряжение 66 кВ, номинальный ток 1 кА длиной 100 м, а также заключила контракт с Южной Кореей (КЕРRI) на разработку, изготовление и поставку сверхпроводящего кабеля 22,9 кВ, 1,25 кА длиной 100 м; в США реализуется проект DOE / NYSERDA по установке в промышленную эксплуатацию кабеля 34,5 кВ, ток 800 А длиной 350 м в районе Гудзона и т. д. Эксперты оценивают начало массового применения сверхпроводящих кабелей в 2010–2015 годах.

В России НТЦ электроэнергетики и ВНИИКП разработан и подготовлен к испытаниям образец ВТСП кабеля на напряжение 20 кВ, 1 500 А (рис. 5). В 2009 году планируется установка ВТСП кабеля 20 кВ, 2 000 А длиной 200 м на одном из объектов в Москве.

Рисунок 5. Сверхпроводящий кабель в процессе наладки на полигоне

Другими многообещающими направлениями применения ВТСП-технологий являются сверхпроводящие ограничители тока и трансформаторы. В сверхпроводящих ограничителях тока может быть реализовано свойство сверхпроводников переходить из сверхпроводящего состояния в обычное. Таким образом, при возникновении тока короткого замыкания резкое увеличение сопротивления сверхпроводника приведет к ограничению величины тока короткого замыкания.

Несомненный интерес представляет использование ВТСП-технологий и в генераторах, поскольку значительно снижаются размеры этого оборудования, и уменьшаются потери в них.

Повышение компактности и экологичности электроэнергетических объектов – требования сегодняшнего дня, вызывающие необходимость применения новых технологий.

Полосы отчуждения под линии электропередач, станции и подстанции с учетом их значительной протяженности могут достигать чрезвычайно больших величин – для электрических сетей и систем напряжением 35 кВ и выше площадь отчуждаемых территорий вследствие прохождения ЛЭП в России близка к территории Дании.

Особенно эта проблема становится актуальной для территорий развивающихся мегаполисов, где стоимость земли возрастает многократно. Для уменьшения отчуждения территории под линии электропередачи и снижения воздействия на окружающую среду все большее распространение находят компактные линии электропередач и подстанции различного исполнения.

Высоковольтные кабели

Замена воздушных линий на кабели вплоть до номинального напряжения 500 кВ в крупных городах, т. е. увеличение доли кабелей по отношению к воздушным ЛЭП, – несомненная тенденция развития электроэнергетики, результатом которой должно стать повышение компактности электроэнергетических объектов.

До последнего времени широко использовались кабели с бумажно-масляной изоляцией, однако сейчас наиболее перспективными являются кабели с теплостойкой экструдированной изоляцией (сшитый полиэтилен (СПЭ) и этиленпропиленовая резина), а также сверхпроводящие кабели.

Переход от кабелей с бумажной пропитанной изоляцией к кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена связан со следующими преимуществами последних:

• высокая пропускная способность;
• низкий вес, меньший диаметр и радиус изгиба;
• более высокая надежность;
• возможность прокладки на сложных трассах;
• относительно низкая себестоимость прокладки.

Применение данных кабелей вместо других кабелей с полимерной изоляцией позволяет увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей при рабочем токе до 90 °С и до 250 °С при токах короткого замыкания.

ВТСП кабели примерно в 3–5 раз сокращают площади земель, отчуждаемых для прокладки даже кабелей из сшитого полиэтилена, поэтому эта технология является одной из ведущих при создании компактных линий электропередач.

Компактные воздушные электропередачи

В случае применения традиционной основной изоляции – воздуха сокращение изоляционных расстояний и повышение компактности линий электропередачи достигается за счет следующих технологий:

• использования экранированных проводов и проводов с увеличенным диаметром;
• применения высокопрочных полимерных линейных изоляторов нового поколения;
• установки столбовых ограничителей перенапряжений;
• применения многогранных и конических металлических опор;
• использования изолированных проводов;
• оптимизации распределения электрического поля.

Использование экранированных проводов и проводов с увеличенным диаметром позволяет снизить рабочие напряженности электрического поля и, соответственно, уменьшить основные изоляционные промежутки.

Высокопрочные полимерные изоляторы дают возможность отказаться от традиционных траверс и значительно сократить габариты опор.

В районах с малой грозовой активностью или на участках с повышенной грозозащищенностью эффективной является установка столбовых ограничителей перенапряжений и отказ от грозозащитных тросов.

Диаметр многогранных и конических опор значительно меньше, чем у традиционных решетчатых – это дает дополнительный выигрыш в компактности опор. В России разработаны и реализуются в различных проектах многогранные опоры на напряжение 110–220 кВ.

Традиционным направлением повышения компактности опор является оптимизация электрического поля. Совокупность применения различных технологий позволяет почти вдвое сократить габариты опоры и, соответственно, полосы отчуждения.

Газоизолированные линии

К другим перспективным решениям можно отнести газоизолированные линии (ГИЛ), где воздух, элегаз или другой газообразный диэлектрик находится при избыточном давлении. Такие линии целесообразны в больших городах или на подходах к ним, а также для подстанционных связей.

Относительная диэлектрическая проницаемость газа близка к единице, в результате погонная емкость примерно в 3–4 раза меньше, чем у обычных кабелей и, соответственно, значительно меньше и потери. Поэтому газоизолированные линии можно применять для передачи энергии на достаточно далекие расстояния.

Газоизолированные линии, как правило, прокладываются в тоннелях. В настоящее время в мире реализовано более 500 проектов ГИЛ.

Компактные подстанции

В области подстанционного оборудования также наблюдается стремление к созданию компактных устройств как за счет применения новых видов изоляции и оптимизации изоляционных промежутков, так и путем комбинации отдельных высоковольтных устройств в одном корпусе.

Наиболее известным техническим решением является применение комплектно-распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ), поскольку электрическая прочность элегаза значительно превосходит электрическую прочность воздуха.

Современный уровень и технология изготовления КРУЭ позволяют с достаточной степенью надежности производить КРУЭ в общем кожухе на три фазы вплоть до напряжения 500 кВ, однако, в настоящее время общепринято производство КРУЭ в общем кожухе до напряжений не более 170–220 кВ, что обеспечивает наиболее оптимальное построение подстанций.

Стремление к использованию КРУЭ объясняется следующими их достоинствами:

• компактностью: площадь, занимаемая КРУЭ, составляет несколько процентов от площади, требуемой для ОРУ, а объем ячейки КРУЭ более чем в 100 раз меньше объема ячейки ОРУ;
• высокой надежностью и безопасностью в обслуживании;
• стойкостью к загрязненной окружающей среде;
• возможностью установки в сейсмически активных и труднодоступных районах;
• простотой монтажа.

С целью дальнейшего увеличения компактности ОРУ наблюдается тенденция к объединению в одном герметизированном отсеке разных аппаратов, например, выключателя с трансформаторами тока, с разъединителями и заземлителями, так называемых комбинированных выключателей типа РАSS (Plug And Switch System – система «присоединяй и включай»).

Дальнейшее повышение компактности по отношению к традиционной подстанции с КРУЭ при одновременном исключении пожароопасности достигается путем применения силовых элегазовых трансформаторов (рис. 6), мощность которых достигает 300–400 МВт, а номинальное напряжение 330 кВ. В результате, в Японии, Австралии и других странах в мегаполисах уже реализован ряд проектов полностью герметизированных и автоматизированных компактных подстанций без обслуживания с элегазовой изоляцией. Поскольку эти подстанции являются пожаробезопасными и располагаются под землей, то обычно экономический эффект связан не только со значительным сокращением используемой земли, но и возможностью возведения над подстанциями многоэтажных зданий.

Повышение надежности электроснабжения

В последние годы число системных аварий значительно возросло. Проведенный анализ всех крупнейших аварий в мире (более 30) в период с 2004 по 2007 годы позволил национальным комиссиям определить круг основных причин этих аварий:

• Экстремальные природные воздействия и в результате – многократные повреждения изоляции.
• Катастрофические разрушения из-за природных катаклизмов.
• Наложение суровых природных условий и недостатка активной или реактивной мощности.
• Неправильное управление электроэнергетической системой в условиях дефицита мощности.
• Механические повреждения крупных магистральных линий при одновременном плановом отключении параллельных линий. Зарубежными фирмами с учетом заключений этих комиссий предлагаются следующие основные технологические решения по снижению вероятности возникновения системных аварий:
• повышение управляемости электроэнергетических систем на основе оптимизации конфигурации сети, установки устройств потребляющих или генерирующих реактивную мощность;
• оптимизация работы автоматизированных систем управления и информации, включая противоаварийную автоматику;
• применение новых материалов и конструкций изоляторов, обеспечивающих повышение напряжения перекрытия;
• использование усиленных конструкций опор ЛЭП;
• исключение перехлестывания проводов на магистральных линиях.

Хотя обеспечение требуемой надежности электроэнергетических систем – сложная комплексная задача, реализуемая в разных странах в рамках специальных программ, охватывающих совершенствование структур управления электроэнергетическими рынками, подготовку законодательных актов, стандартов, директив, регламентов, роль формируемой системы технологического управления надежностью трудно переоценить.

Выводы:

1. Условия работы современных электроэнергетических систем характеризуются несомненными особенностями:

• увеличением плотности передаваемой мощности;
• возможностью снижения управляемости сети;
• необходимостью компактного исполнения электроэнергетических объектов;
• социальными аспектами обеспечения высокой надежности и экологичности электроснабжения.

2. Основой повышения управляемости и надежности электроэнергетических систем является применение устройств FACTS, современных цифровых автоматизированных устройств управления, защиты и передачи информации, системы мониторинга состояния и диагностики оборудования, работающими в режиме on-line.

3. В электрических сетях и системах России возможно применение различных устройств FACTS, но предпочтение при прочих близких технико-экономических характеристиках должно отдаваться тем устройствам, которые обладают способностью глубокого регулирования реактивной мощности, высокого быстродействия, оптимизации потокораспределения мощности, ограничения токов короткого замыкания.

4. В России сегодня освоено производство таких устройств FACTS, как асинхронизированные генераторы и компенсаторы, СТК, СТАТКОМ, управляемые шунтирующие реакторы.

5. Создание высокоамперных линий электропередачи связано с освоением производства кабелей, ограничителей тока, трансформаторов, использующих явление высокотемпературной сверхпроводимости. В настоящее время в мире реализован ряд пилотных проектов ВТСП кабелей, причем начало массового применения ВТСП кабелей ожидается в 2010–2020 годах.

Технологической основой создания компактных электроэнергетических объектов, наряду с применением ВТСП устройств, должны стать кабели на основе сшитого полиэтилена, компактные воздушные электропередачи с использованием многогранных опор, высокопрочных полимерных изоляторов нового поколения, изолированных проводов, столбовых ограничителей напряжения, газоизолированных линий, полностью герметизированных пожаробезопасных автоматизированных подстанции на напряжение от 20 до 330 кВ подземного исполнения.