Чем отличается энергетика xix xx и xxi века с технической точки зрения

Энергетическая революция. XXI век. Перезагрузка

Авторизуйтесь, если вы уже зарегистрированы

К.т.н., Заместитель директора Центра устойчивого развития ИЭиРИО НИУ ВШЭ, в.н.с. ИНЭИ РАН, эксперт РСМД

Энергетика в ХХ веке стала одним из основных объектов прогнозирования. Проблемы долгосрочного развития энергетики предельно актуальны для развития человечества. Уже сейчас важно определить грядущие изменения в структуре мировой энергетики и начать готовиться к тому, что традиционные источники энергии утратят свою ведущую роль. Что придет им на смену? Какими же будут основные параметры развития энергетики мира через 100 лет?

Энергетика в ХХ веке стала одним из основных объектов прогнозирования. Проблемы долгосрочного развития энергетики предельно актуальны для развития человечества. Уже сейчас важно определить грядущие изменения в структуре мировой энергетики и начать готовиться к тому, что традиционные источники энергии утратят свою ведущую роль. Что придет им на смену? Какими же будут основные параметры развития энергетики мира через 100 лет?

От гаданий к научным обоснованиям

Предсказатели, гадатели, астрологи и результаты их «творчества» всегда привлекали к себе особое внимание общества. С древних времен люди считали необходимым проконсультироваться о своем будущем со «специалистами». В наше время прогнозирование стало наукой, ей занимаются серьезные научные центры и делают это на основе развитой методологии [1, 2, 3].

С научной точки зрения исследования отдаленного будущего (до 100 лет) имеют преимущественно познавательный характер, однако чем ближе срок прогноза, тем более прагматические задачи он решает. Необходимая глубина прогноза зависит от конкретных исследуемых проблем.

Глобальный энергетический кризис будет нарастать и углубляться, а ископаемое топливо непрерывно дорожать, что расширит экономические возможности использования альтернативных, возобновляемых источников энергии и увеличит их долю в структуре энергопотребления.

Энергетика в ХХ веке стала одним из основных объектов планирования и прогнозирования, и к настоящему времени в мире накоплен значительный опыт исследований ее будущего развития. Проблема исследования будущего мировой энергетики состоит в том, что необходимо учесть сложный комплекс факторов: тенденции развития мировой экономики и мировой энергетики, технологические, ресурсные и экологические факторы, политические и социокультурные проблемы, а также их взаимное влияние. Необходимо также сочетать количественный и качественный анализ наметившихся и перспективных тенденций. Особенно важно учесть взаимное влияние энергетики, экономики и экологии.

Мировая энергетика и энергетические революции

Энергетика, как и другие сектора экономики, развивается на основе цикличных закономерностей, и в ее динамике отражаются все фазы долгосрочных и сверхдолгосрочных циклов (зарождение, освоение, расцвет, стагнация, кризис), смена технологических укладов (примерно раз в полвека) и технологических способов производства (раз в несколько столетий).

Энергетические революции происходят регулярно. Так, в XVIII веке произошел переход от использования ручного труда, тягловой энергии домашних животных и дров к углю и паровым двигателям, сопровождающих начало и расцвет промышленной революции в Европе и переход от феодализма к капитализму. Динамика мировой системы в 1870-1970 гг. определялась очередной фазой долгосрочного роста – индустриальной. В рамках индустриальной фазы наблюдались несколько волн роста, разделенных острыми кризисами, которые сопровождались сменой парадигмы развития. Параллельно шли процессы последовательного освоения использования нефти в качестве моторных топлив, развития электроэнергетических систем, освоения ядерной энергии. Сегодня в мире продолжается рост использования газового топлива (рис. 1).

В настоящее время на долю нефти в мировом потреблении первичных энергетических ресурсов (ПЭР) приходится 34%, угля – 30%, газа – 24%, гидроэнергии – 6%, атомной энергии – 5%, возобновляемых источников энергии (ВИЭ) – 1% (рис. 2). Как видим, основой мировой энергетики до сих пор остаются ископаемые виды топлива, нефть, уголь и газ.

Рисунок 1. Динамика структуры энергопотребления в мире в ХХ веке, млн.т.

Рисунок 2. Структура потребления ПЭР в мире, 2011 г.

Источник: BP Statistical Review of World Energy, 2011

По мнению большинства специалистов, в начале XXI в. началась постепенная, глубокая трансформация мировой энергетики, закладываются основы энергетической революции постиндустриально-ноосферного типа. Необходимость перемен в энергетике объясняется тем, что на сегодняшний день уже исчерпаны или серьезно истощены лучшие месторождения ископаемого топлива — фундамента современной энергетики. В результате значительно возросла стоимость ископаемого топлива.

Глобальный энергетический кризис будет нарастать и углубляться, а ископаемое топливо непрерывно дорожать, что расширит экономические возможности использования альтернативных, возобновляемых источников энергии и увеличит их долю в структуре энергопотребления. На рисунке 3 приведен прогноз структуры потребления ПЭР в мире, подготовленный компанией Exxon Mobil Corporation в 2008 г. Как видно из рисунка, к 2050 г. произойдет сокращение использования нефти до 20% от суммарного потребления ПЭР в мире. Также сократится потребление угля и газа. Наиболее динамично будут развиваться такие ВИЭ, как солнечная, ветровая энергия и энергия биомассы.

Рисунок 3. Структура потребления ПЭР в мире, 2050 г.

Подлинная энергетическая революция развернется в середине XXI в. На рисунке 4 представлены результаты прогноза, проведенного для Межгосударственной панели по изменению климата ООН. В этом сценарии развития мировой энергетики предполагается, что радикально изменится структура первичных источников энергии: за счет ядерной энергии и возобновляемых источников энергии еще больше сократится доля нефти и других ископаемых видов топлива. Более того, к концу XXI века они могут обеспечивать более половины потребления ПЭР в мире.

Переворот охватит и сферу энергопотребления, в результате ее темпы роста будут продолжать снижаться, а к концу века абсолютные объемы мирового энергопотребления начнут сокращаться. Можно дискутировать с авторами этого прогноза о периодах достижения пиков и скорости спада в использовании нефти, газа и угля, однако это не может изменить главного вывода о переходе на принципиально новую структуру энергетического баланса мировой энергетики.

В результате обозначенных перемен появится возможность преодолеть нарастающий глобальный экологический кризис, причиной которого является загрязнение атмосферы стационарными (предприятия) и индивидуальными (транспорт) энергоустановками.

Рисунок 4. Прогноз структуры энергопотребления в мире

Источник: Энергетика России. Проблемы и перспективы. Наука. – М., 2006

Новые энергетические технологии

Для того, чтобы обеспечить рассмотренные выше изменения в структуре источников мировой энергетики, необходим переход на новые энергетические технологии.

Эксперты определяют два «закона успеха» для энергетических технологий:

В таблице 1 представлены основные направления развития энергетических технологий, наиболее актуальных к середине XXI века.

Таблица 1.Основные направления энергетических технологий

Во второй половине XXI века наряду с обозначенными выше технологиями, которые, как предполагается, будут играть преобладающую роль в мировой энергетике, появится необходимость в новых «инновационных» технологиях, которые в настоящее время только обсуждаются в научных кругах.

Широкое внимание как одно из перспективных направлений развития мировой энергетики привлекает водород. Использование водорода в качестве средства аккумулирования, транспортировки и потребления энергии лежит в основе водородной энергетики. Развитие данной отрасли позволяет применять водород в производстве и для нужд транспортной инфраструктуры.

Кроме того, следует упомянуть управляемый термоядерный синтез (УТС). В основе УТС лежит процесс слияния легких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Ожидаемое экономическое использование термоядерных реакторов для выработки электроэнергии будет обеспечено безграничным запасом общедоступного топлива (водорода). Добыча его легко может быть обеспечена из морской воды. Отсутствие продуктов сгорания и невозможность неуправляемой реакции синтеза — другие положительные стороны УТС.

Развитие энергетических технологий во второй половине текущего столетия может быть связано и с дальнейшим освоением космического пространства. В этот период при определённых условиях может быть реализован ряд проектов по созданию космических энергетических систем, утилизирующих солнечную энергию и передающих ее на Землю с использованием сверхвысокочастотного (СВЧ) или микроволнового излучения. Предполагается, что основой этой системы буду солнечные энергетические спутники на геостационарной орбите мощностью порядка 5 ГВт и лунная энергетическая система мощностью 20 000 ГВт. Еще один крупномасштабный проект предполагает добычу на Луне гелия–3 с перевозкой его на Землю и использованием затем в термоядерных реакторах. При всей кажущейся фантастичности энергетических проектов, связанных с космосом, следует напомнить об инициативе руководства российской космической корпорации «Энергия». В 2006 – 2007 гг. оно активно продвигало идею создания лунной станции и начала работ по добыче гелия–3 уже в 2015 – 2020 гг. Реализация проекта не получила поддержки из–за отсутствия технологий использования гелия–3 в малых ядерных реакторах.

Имеются и другие наработки в области перспективных источников энергии. Экспертная группа ИГСО, например, видит перспективными следующий набор энергетических технологий:

Риски и возможности для России

Для преодоления вызовов будущего и реализации возможностей, заложенных в нем, необходима корректировка государственной энергетической политики с ориентацией на перспективу создания энергетики постиндустриального типа.

Рассмотренные выше перспективы развития мировой энергетики создают для России как значительные риски, так и новые возможности.

Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. предусматривает различные сценарии развития мировой энергетики и возможности для адаптации к ним [4]. Однако более отдаленное будущее предполагает принципиально новые вызовы, которые практически не учитываются в современной государственной энергетической политике. Например, это неотвратимость климатических изменений и потребность в соответствующей климатической политике. Россия пока не принимает достаточных мер для перехода к неуглеродной энергетике, что делает ее позиции в системе мирового климатического регулирования весьма уязвимыми (системы квот на выбросы, штрафы за их превышение, снижение экспорта ископаемого топлива, возможные тарифные и нетарифные ограничения на поставки углеродоемкой продукции и пр.). В России весьма слабо развивается индустрия возобновляемых источников энергии, энергосервисных и энергосберегающих услуг, несмотря на их значительный рыночный потенциал.

Имеется крайне серьезный риск глубокого технологического отставания. Развитие энергетики в России и государственная политика в этой области выдержаны в духе индустриальной энергетики и ориентированы на наращивание добычи ископаемого топлива и энергетических мощностей. Недостаточное внимание уделяется ключевым направлениям в создании энергетики нового типа – «умным сетям», управлению энергопотреблением и энергоинформационным системам, технологическому энергосбережению, децентрализации энергоснабжения.

Переход мира на неуглеродные виды энергии ставит под вопрос источники доходов в бюджеты страны, которые в значительной мере зависят от экспорта углеводородов.

Для преодоления вызовов будущего и реализации возможностей, заложенных в нем, необходима корректировка государственной энергетической политики с ориентацией на перспективу создания энергетики постиндустриального типа.

Заключение

Развитие человечества в XXI веке столкнется с необходимостью проведения радикальных преобразований в сфере энергетики. В период до 2100 г. произойдет радикальная перестройка структуры мирового энергетического баланса. Традиционные источники энергии (нефть, газ, уголь) перестанут играть доминирующую роль и уступят место неуглеродным видам энергии. Многократно возрастет значение новых технологий, основы развития которых надо закладывать уже сейчас. Для России это означает необходимость смены приоритетов в развитии энергетики уже в ближайшем будущем.

1. Energy in a finite world: a global system analysis/ W. Hafele. – Cambridge Massachusetts: Ballinger Publ. Comp., 1981.

2. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию/ Л.С. Беляев и др. Наука – Новосибирск, 2000.

3. World Energy Assessment: Energy and the Challenge of Sustainability. IIASA, 2002.

4. Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. МЭ РФ, 2009.

Источник

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА В КОНЦЕ XIX И В XX ВЕКЕ

5.1.1. ПЕРВАЯ ТРЕХФАЗНАЯ ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Электрификация ведет свой отсчет времени с 1891 г., когда состоялось испытание трехфазной системы на Международной электротехнической выставке в г. Франкфурте‑на‑Майне (Германия) [5.1].

После многочисленных дискуссий о выборе рода тока для электропередачи было решено предложить фирме АЭГ, в которой в то время работал М.О. Доливо‑Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на р. Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт на расстояние 170 км. В Лауфене для этой цели выделялась турбина, дававшая полезную мощность 300 л.с. До этого времени дальность электропередачи не превышала 15 км, и некоторые компетентные специалисты полагали, что КПД установки может оказаться ниже 50%.

М.О. Доливо‑Добровольскому предстояло в течение года спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и трехфазные трансформаторы мощностью 100–150 кВ∙А. Изготовление генератора было поручено главному инженеру швейцарского завода «Эрликон» Ч. Броуну, который сотрудничал с М.О. Доливо‑Добровольским в области конструирования многофазных машин. Срок был чрезвычайно коротким, а задачи – весьма ответственными: во‑первых, новая система тока должна была подвергнуться испытанию перед лицом представителей всего мира; во‑вторых, масштабы испытания были невиданными. Двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились.

В августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемых током от Лауфенской гидроэлектростанции (ГЭС); 12 сентября того же года двигатель М.О. Доливо‑Добровольского привел в действие декоративный водопад. Налицо была своеобразная энергетическая цепь: небольшой искусственный водопад приводился в действие энергией естественного водопада, удаленного от первого на 170 км.

Что же представляла собой эта первая трехфазная линия?

На гидроэлектростанции в Лауфене энергия, развиваемая турбиной, передавалась через коническую зубчатую передачу на вал 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 трехфазных трансформатора с магнитопроводом призматической формы. Трансформаторы были погружены 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 фарфорово‑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 трехфазное 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 Доливо‑Доброволь‑ского, приводивший в действие гидравлический насос мощностью около 100 л.с. 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.

Перед пуском электропередачи возникли неожиданные затруднения. Дело в том, что линия пересекала территории четырех германских земель, и местные власти очень опасались высокого напряжения. Люди испытывали страх перед деревянными столбами с табличками, на которых был изображен череп. Людей смущало и то, что оборудование на электростанции было заземлено, как заземлена была и нейтраль трансформатора. В связи с этим очень опасались обрыва провода и падения его на землю, хотя было разъяснено, что все опасности предусмотрены и линия надежно защищена. М.О. Доливо‑Добровольскому пришлось провести опасный, но убедительный эксперимент. На границе двух земель собрались представители местных властей. Включили линию под напряжение и на глазах у присутствующих искусственным путем оборвали провод, который с яркой вспышкой упал на рельсы железной дороги. М.О. Доливо‑Добровольский сейчас же подошел и поднял провод голыми руками – настолько он был уверен, что спроектированная им защита сработает надежно.

25 августа 1891 г. официальный пуск линии состоялся. 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%; линейное напряжение при испытаниях около 15 кВ, а при более высоком напряжении – 25,1 кВ максимальный КПД составил 78,9%.

Результаты испытаний электропередачи Лауфен – Франкфурт не только продемонстрировали возможности электрической передачи энергии, но и поставили точку в давнем споре. В борьбе «постоянный – переменный ток» победил переменный.

5.1.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ РАЙОННЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Создание трехфазной системы – важнейший этап в развитии электротехники и электрификации. После закрытия Франкфуртской выставки электростанция в Лауфене перешла в собственность г. Хейльбронна, расположенного в 12 км от Лауфена и была пущена в эксплуатацию в начале 1892 г. На ней работали два одинаковых трехфазных синхронных генератора. Напряжение (фазное) при помощи трансформаторов повышалось с 50 до 5000 В. 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 Бюлах – Эрликон (Швейцария). У водопада в г. Бюлахе построили гидроэлектростанцию с тремя трехфазными генераторами мощностью 150 кВт каждый. Электроэнергия передавалась на расстояние 23 км для электроснабжения завода. Вслед за этими первыми установками началось довольно быстрое строительство ряда электростанций, причем наибольшее их число находилось в Германии.

Известные трудности в развитии электрификации на базе трехфазных систем возникали в связи с тем, что уже раньше в городах были построены станции постоянного или однофазного тока, а иногда и двухфазного. Владельцы и акционеры этих станций и электрических сетей всячески препятствовали внедрению трехфазной системы. Некоторым выходом явилось сочетание трехфазной электропередачи с распределением энергии на постоянном токе.

В Америке первая трехфазная установка была сооружена в конце 1893 г. в Калифорнии. Гидроэлектростанция располагала двумя генераторами мощностью по 250 кВт. От электростанции провели две линии генераторного напряжения (2500 В). Первая из них длиной 12 км поставляла энергию для осветительных целей, а вторая длиной 7,5 км предназначалась для питания трехфазного асинхронного двигателя мощностью 150 кВт.

Темпы внедрения трехфазной системы в Америке вначале были заметно ниже, чем в Европе. Это объясняется тем, что одна из крупнейших американских фирм – компания «Вестингауз» настойчиво пыталась развернуть работы по сооружению электростанций и электрических сетей по системе Теслы. Высшим достижением двухфазной системы считалась грандиозная по тому времени электростанция на Ниагарском водопаде, пущенная в эксплуатацию в 1896 г. На ней были установлены три двухфазных генератора по 5000 л.с. каждый с напряжением 2400 В. Вскоре началось расширение станции, и к началу XX столетия число агрегатов было увеличено до восьми, а общая мощность возросла до 40 000 л.с.

Американская фирма «Дженерал электрик», основной оппонент фирмы «Вестингауз», быстро переориентировалась и в противовес конкурирующей фирме развила бурную деятельность по сооружению трехфазных установок. Фирма «Вестингауз» проиграла: Ниагарская гидроэлектростанция со временем была переоборудована в трехфазную.

Для переходного периода в любой области техники характерны попытки комбинирования устаревающих и новых технических решений. Так, в течение почти двух десятилетий начиная с 1891 г. делались попытки «примирить» трехфазные системы с другими системами. В эти годы существовали электростанции, на которых одновременно работали генераторы постоянного, переменного однофазного тока, двухфазные и трехфазные 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.

Наиболее известной из комбинированных систем является схема, предложенная в 1894 г. Скоттом. В основе этой схемы лежит так называемый «трансформатор Скотта», предназначенный для взаимного преобразования токов двухфазной и трехфазной систем.

Однако судьба комбинированных систем, равно и систем электроснабжения постоянным и однофазным переменным токами, была предрешена, и уже с 1901–1905 гг. сооружаются трехфазные электростанции, которые вначале в основном были станциями фабрично‑заводского типа.

Трехфазная техника позволяла строить крупные электростанции на месте добычи топлива, на водопаде или на 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 годов XIX в., а в следующем столетии они составили основу развития электроэнергетики. Первой районной электростанцией считают Ниагарскую ГЭС.

Широкий размах строительство районных электростанций приобрело 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 по выработке электроэнергии; 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.

До появления районных электростанций электрических систем практически не было. Электростанции работали изолированно, каждая имела свою нагрузку. При изолированной работе станций не было большой необходимости устанавливать стандартные частоты и напряжения, и последние принимались в зависимости от конкретных условий данной станции. Последствия этого еще долго сказывались в некоторых странах, например, в США и Японии приходилось подключать на параллельную работу электростанции, работавшие при различных частотах (50 и 60 Гц). Потребность объединить работу нескольких электростанций в общую сеть стала проявляться уже в 90‑х годах XIX в. Было выяснено, 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, для более эффективного использования энергетических ресурсов.

Первое известное объединение двух трехфазных электростанций было осуществлено в 1892 г. в Швейцарии. Две небольшие электростанции – в г. Глэдфельдене (120 кВ∙А) и г. Гохфельдене (360 кВ∙А) – соединялись двухкилометровой линией напряжением 5 кВ и питали распределительную сеть завода фирмы «Эрликон» по линии передачи протяженностью 24 км при напряжении 13 кВ. Возбуждение генераторов первой станции регулировалось со щита управления второй.

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 грандиозное сооружение, и задача распределения энергии по его этажам и различным зданиям могла быть решена наилучшим образом только с помощью электричества. Строитель элеватора инженер А.Н. Щенснович решил применить только что ставшую известной трехфазную систему. Летом 1892 г. швейцарскому заводу фирмы «Броун‑Бовери» были заказаны чертежи трехфазных машин. В следующем 1893 г. элеватор был электрифицирован. Интересно, что 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 кВ∙А каждый. Таким образом, общая мощность электростанции составляла 1200 кВ∙А, т.е. это была в то время самая мощная в мире трехфазная электростанция. В помещениях элеватора работали трехфазные двигатели мощностью 3,5–15 кВт, которые приводили в действие различные машины и механизмы. Часть энергии использовалась для освещения.

Представляет интерес электрификация Охтинского порохового завода в Петербурге (середина 90‑х годов). Ее организаторы – В.Н. Чиколев и Р.Э. Классон (1868–1926 гг.) осуществили передачу и распределение энергии с помощью трехфазных цепей. На гидростанции работали два генератора мощностью 120 и 175 кВт. Оба генератора могли работать независимо друг от друга, но могли включаться также и на параллельную работу. Наибольшая длина передачи составляла 2,66 км. Нагрузку составляли девять электродвигателей, из которых один имел мощность 65 л.с., три – по 20 л.с. и пять – по 10 л.с. Кроме того, два двигателя по 1,5 л.с. были установлены на гидростанции для привода щитовых затворов. Часть энергии для питания дуговых ламп преобразовывались в энергию постоянного тока. Охтинская установка представляла собой в то время наиболее прогрессивное инженерное решение задачи централизованного электроснабжения промышленного предприятия.

Первой в России электропередачей значительной протяженности была установка на Павловском прииске Ленского золотопромышленного района в Сибири. Электростанция была построена в 1896 г. на р. Ныгра. Здесь 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 21 км. На прииске для привода водоотливных устройств использовались трехфазные асинхронные двигатели мощностью 6,5–25 л.с. (напряжение 260 В). Так постепенно расширялось в России строительство трехфазных электростанций.

С 1897 г. началась электрификация крупных городов: Москвы, Петербурга, Самары, Киева, Риги, Харькова и др.

Логическим завершением огромного вклада в развитие электротехники, сделанного М.О. Доливо‑Добровольским, явилось его прозорливое утверждение в докладе «О границах применения переменных токов для передачи энергии на большие расстояния». В те годы, когда во всем мире широко применялись мощные трехфазные электропередачи высокого напряжения (до 150 кВ), он 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 высокого напряжения. Линия постоянного тока в начале и в конце должна подсоединяться к преобразовательным подстанциям, на которых устанавливаются ртутные выпрямители. С современной точки зрения параметры, указанные М.О. Доливо‑Добровольским, были естественно, заниженными. Ему в то время, конечно, был неизвестен, например, такой факт, как устойчивость электропередачи переменного тока. В наши дни его предсказание оправдалось, и во многих странах успешно действуют линии электропередачи постоянного тока сверхвысокого напряжения.

5.1.3. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ В НАШЕЙ СТРАНЕ

В развитии электроэнергетики можно выделить следующие основные этапы:

соединение электростанций на параллельную работу и образование первых энергосистем;

образование территориальных объединений энергосистем (ОЭС);

создание Единой энергетической системы (ЕЭС);

функционирование электроэнергетики 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 годов 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).

Ведущие члены комиссии ГОЭЛРО (руководитель Г.М. Кржижановский) возглавили проектирование и строительство электростанций и линий электропередачи. Шатурская Государственная районная электростанция (ГРЭС) мощностью 48 тыс. кВт спроектирована и построена (1925 г.) под руководством А.В. Винтера; Волховская (66 тыс. кВт, 1926 г.) и Нижнесвирская ГЭС (90 тыс. кВт, 1927–1933 гг.) – под руководством Г. О. Графтио; Днепровская ГЭС (580 тыс. кВт, 1927–1932 гг.) – под руководством И.Г. Александрова (проект) и А.В. Винтера (строительство). Днепровская ГЭС была в то время наиболее крупной в Европе [5.2; 5.3].

Первые энергосистемы – Московская и Петроградская – были созданы в 1921 г. В 1922 г. в Московской энергосистеме вошла в строй первая линия электропередачи напряжением ПО кВ Каширская ГРЭС – Москва длиной 120 км (строители линии Н.И. Сушкин и А.А. Глазунов), а в 1933 г. была пущена линия электропередачи 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. [5.4–5.6].

С созданием первых энергосистем возникли серьезные проблемы, и в первую очередь проблема устойчивости. Случаи нарушения устойчивости наблюдались в США еще в 1921 г. В нашей стране они произошли несколько позже – в конце 20‑х годов в «Мосэнерго». В следующем десятилетии случаи нарушения устойчивости учащаются и превращаются в бич энергоснабжения. Часто причинами нарушений устойчивости был дефицит активных и реактивных мощностей и недопустимо низкие уровни частоты и напряжения, приводящие к авариям типа «лавины частоты» и «лавины напряжения».

Работы американских ученых были посвящены в основном исследованию динамической устойчивости. В отечественных энергосистемах наряду с нарушениями динамической устойчивости имели место многочисленные случаи нарушения статической устойчивости. Решению этих проблем посвящены многие оригинальные исследования, среди которых в первую очередь надо отметить работы выдающихся ученых П.С. Жданова, С.А. Лебедева и А.А. Горева [5.7–5.9].

В 30‑е годы были выполнены первые экспериментальные исследования устойчивости и аварийного регулирования мощности паровых турбин, внедрялись новые средства релейной защиты и автоматики, устройства автоматического повторного включения линий. В 1937 г. на Свирской ГЭС был установлен первый регулятор частоты, началось внедрение быстродействующих автоматических регуляторов возбуждения синхронных машин и автоматической разгрузки по частоте.

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 годов с создания сетей 110 кВ энергосистем в районах Центра и Донбасса. В 1940 г. для руководства параллельной работой Верхневолжских (Горьковской, Ивановской и Ярославской) энергосистем 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 Оперативно‑диспетчерское управление Юга; в 1940 г. была введена в эксплуатацию первая межсистемная связь напряжением 220 кВ Днепр – Донбасс [5.10].

Мощность всех электростанций страны в 1940 г. достигла 11,2 млн. кВт, выработка электроэнергии составила 48,3 млрд. кВт∙ч. Суммарная мощность четырех наиболее крупных энергосистем – Московской, Ленинградской, Уральской и Южной составила 43% мощности всех электростанций страны, выработка электроэнергии – 68% производства электроэнергии в стране. Наибольшая мощность тепловой электростанции (ТЭС) в 1940 г. достигла 350 МВт, максимальная единичная мощность агрегата ТЭС – 100 МВт.

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 г. 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 разрушенного 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. Наибольшая мощность ТЭС в 1950 г. составила 400 МВт, турбоагрегат мощностью 100 МВт стал типовым агрегатом, вводимым на ТЭС. В 1953 г. на Черепетской ГРЭС были введены энергоблоки по 150 МВт, восстановлен Днепрогэс. В 1954 г. в г. Обнинске была введена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт.

Суммарная мощность электростанций в 1955 г. достигла 37,2 млн. кВт, выработка электроэнергии составила 170,2 млрд. кВт‑ч. Значительное развитие получили три работающие раздельно ОЭС европейской части страны: Центра, Урала и Юга; суммарная выработка этих ОЭС составила около половины всей производимой в стране электроэнергии.

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. Ее высокие технико‑экономические показатели были достигнуты благодаря разработке и реализации ряда мероприятий по повышению устойчивости и пропускной способности: расщепление фазы на три провода, сооружение переключательных пунктов, ускорение срабатывания выключателей и релейных защит, применение продольной емкостной компенсации индуктивности и поперечной компенсации емкости линии с помощью батарей конденсаторов шунтирующих реакторов, внедрение автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов гидростанции и мощных синхронных компенсаторов приемных подстанций и др.

Электропередача 400 кВ Куйбышев – Москва объединила энергосистемы Центра с энергосистемами Средней Волги, линия Куйбышев – Урал – с энергосистемами Предуралья и Урала. Этим было положено начало объединению энергосистем различных регионов и созданию ЕЭС европейской части СССР.

В последующем электропередачи Куйбышев – Москва и Куйбышев – Урал были переведены на напряжение 500 кВ. В 1959 г. вошла в эксплуатацию первая цепь электропередачи 500 кВ Волгоград – Москва, и в состав ОЭС Центра вошла Волгоградская энергосистема.

Во второй половине 50‑х годов завершилось объединение энергосистем Закавказья; шел процесс объединения энергосистем Северо‑запада, Средней Волги и Северного Кавказа. С 1960 г. началось формирование ОЭС Сибири и Средней Азии. В конце 50‑х – начале 60‑х годов образованы объединенные диспетчерские управления (ОДУ) Северо‑запада, Средней Волги, Северного Кавказа, Сибири и Средней Азии, а в 1962 г. было заключено межгосударственное соглашение об организации в Праге Центрального диспетчерского управления (ЦДУ) для руководства параллельной работой объединенных энергосистем стран – членов СЭВ, в состав которых вошла Львовская энергосистема ОЭС Юга.

Велось широкое строительство электрических сетей. Наряду с развитием сети напряжением 500 кВ с конца 50‑х годов началось внедрение сети напряжением 330 кВ; сети этого напряжения получили большое развитие в южной и северо‑западной зонах европейской части СССР. В начале 60‑х годов была создана единая сеть напряжением 500 кВ, участки которой стали основными системообразующими связями ЕЭС европейской части СССР; в дальнейшем и в ОЭС восточной части страны функции системообразующей сети стали переходить к сети 500 кВ, наложенной на развитую сеть 220 кВ.

В 60‑х годах нарастали темпы ввода генерирующих мощностей и строительства электрических сетей. Ввод мощности в 1965 г. достиг 10,6 млн. кВт, а в 1970 г. превысил 12 млн. кВт. Протяженность электрических сетей Минэнерго СССР напряжением 110 кВ и выше возросла с 1960 по 1970 г. с 87,7 до 269,9 тыс. км.

Характерной особенностью энергетики, начиная с 60‑х годов, стало последовательное увеличение мощности энергоблоков в составе вводимых мощностей ТЭС. В 1963 г. на Черепетской и Приднепровской ГРЭС были введены в эксплуатацию энергоблоки мощностью 300 МВт, в 1968 г. пущены энергоблок 500 МВт на Назаровской ГРЭС и энергоблок 800 МВт на Славянской ГРЭС.

Интенсивно развивалось строительство ГЭС: в 1961 г. на Братской ГЭС был введен гидроагрегат 225 МВт, в 1967 г. на Красноярской ГЭС – гидроагрегаты по 500 МВт. В течение 60‑х годов завершилось сооружение Братской, Боткинской и ряда других ГЭС.

В западной части страны развернулось строительство АЭС. В 1964 г. вошли в эксплуатацию энергоблок 100 МВт на Белоярской АЭС и энергоблок 200 МВт на Нововоронежской АЭС; во второй половине 60‑х годов были введены вторые энергоблоки на этих АЭС: 200 МВт на Белоярской и 365 МВт на Нововоронежской АЭС.

В течение 60‑х годов завершилось формирование ЕЭС европейской части СССР, и в 1970 г. начался следующий этап развития электроэнергетики страны – формирование ЕЭС СССР. В составе ЕЭС в 1970 г. работали параллельно ОЭС Центра, Урала, Средней Волги, Северо‑запада, Юга, Северного Кавказа и Закавказья, включавшие 63 энергосистемы. Три территориальные ОЭС – Казахстана, Сибири и Средней Азии – работали раздельно; ОЭС Дальнего Востока находилась в стадии формирования. Суммарная мощность электростанций ЕЭС в 1970 г. составила 104,9 млн. кВт, всех ОЭС – 142,9 млн. кВт, годовая выработка электроэнергии всеми электростанциями ЕЭС достигла 529,6 млрд. кВт∙ч, всех ОЭС – 692,5 млрд. кВт∙ч.

Переход к формированию ЕЭС в масштабе всей страны обусловил необходимость организации высшей ступени иерархии диспетчерского управления – создания ЦДУ ЕЭС СССР, которое было образовано в 1969 г.

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 ГРЭС – Вулканешты – 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 СЭВ.

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

Динамика структуры генерирующих мощностей в 70‑х и 80‑х годах характеризуется нарастающим вводом мощностей на АЭС в западной части страны и дальнейшим вводом мощностей на высокоэффективных ГЭС в основном в восточной части страны, началом работ по первому этапу создания Экибастузского 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 750 кВ 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 межсистемная 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 – Казахстан – Урал. Было начато также строительство электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ Экибастуз – Центр.

В табл. 5.1 приведены данные по установленной мощности электростанций и протяженности электрических сетей 220–1150 кВ ЕЭС СССР за период 1960–1991 гг.

Формирование ЕЭС осуществлялось в основном с использованием двух систем напряжений: основной системы ПО – 220–500 кВ с последующим внедрением более высокой ступени напряжения 1150 кВ и системы – ПО – 150–330–750 кВ.

Создание мощных территориальных энергообъединений и организация их параллельной работы в составе ЕЭС СССР дали возможность повысить темпы роста энергетических мощностей за счет укрупнения электростанций и увеличения единичной мощности агрегатов, снизить стоимость 1 кВт установленной мощности, повысить производительность труда. Удельная численность промышленно‑производственного персонала, занятого на электростанциях, на 1 МВт установленной мощности в электрических сетях и других подсобных предприятиях отрасли снизилась с 11 в 1950 г. до 2,8 чел. в 1990 г., а удельные расходы топлива на производство электроэнергии – с 590 до 325,8 г/(кВт∙ч). Последовательно происходило уменьшение относительных потерь на транспорт электрической энергии, хотя и не в такой степени, как указанных выше показателей. В 1990 г. потери электроэнергии в электрических сетях на ее транспорт составили 8,65%.

Источник