В течение ряда последних десятилетий внимание энергетических компаний и производителей электротехнического и энергетического оборудования за рубежом было сфокусировано прежде всего на развитии генерирующего комплекса. Строительству магистральных и распределительных сетей уделялось меньшее внимание. Для примера могут быть приведены данные по структуре капиталовложений в развитие электроэнергетики США. Так, если по принятой в США структуре инвестиций в отрасли на долю «передача и распределение электроэнергии» в середине 1970-х гг. приходилось 30–32 % общих затрат, то в конце 1990-х гг. ситуация стала меняться, и эта составляющая возросла до 45–47 %. Несмотря на отмеченный рост, в правительственном докладе «Национальная энергетическая политика США» (май 2001 г.) отмечено, что «…ограниченная пропускная способность связей не позволяет в общем случае заменить производство электроэнергии передачей мощности и электроэнергии из «избыточных регионов» и препятствует повышению надежности электроснабжения потребителей и дальнейшему развитию бизнеса». Выводом доклада явилось подтверждение необходимости строительства новых магистральных линий электропередачи. Такая же тенденция имеет место и в европейских странах.

Основным техническим параметром, определяющим достигнутый уровень развития электросетевого хозяйства страны, является шкала используемых номинальных напряжений. Сроки освоения отдельных номинальных напряжений в отечественной и зарубежной практике развития энергосистем приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Развитию электрических сетей стран Западной Европы способствуют высокие темпы роста потребления электроэнергии и весьма активный обмен электроэнергией между странами сообщества. Для этих стран весьма различна структура производства электроэнергии (табл. 1.5), что также способствует развитию электрических сетей объединения. Так, в Норвегии 99,3 % электроэнергии вырабатывается на ГЭС и только 0,6 — на ТЭС; во Франции 78 % — на АЭС. Самая большая доля (13 %) возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в Дании (ветроэнергетика) и Финляндии (сжигание биомассы и отходов).

Таблица 1.5

В Европе происходит активный обмен электроэнергией между странами, иногда составляющий значительную часть производимой в отдельной стране электроэнергии. Через границы государств перетекают примерно 20 % вырабатываемой электроэнергии. В 2002 г. перетоки составляли 551 млрд кВтч электроэнергии, в 2001 г. — 543 млрд кВтч. Самый крупный экспортер — Франция (77 млрд кВтч, или 14 % всего производства в стране), на втором месте — Норвегия (10 млрд кВтч, или 7 %). Больше всего электроэнергии импортирует Италия, купившая за рубежом 50 млрд кВтч (19 % собственного производства), на втором месте — Нидерланды (16 млрд кВтч, или также 19 %). Германия имеет почти нулевое сальдо: экспорт 44 млрд кВт-ч, импорт — 43,9.

Высшим напряжением основной электрической сети переменного тока стран Европы является напряжение 750 кВ, которое получило большое развитие в энергосистемах Украины и частично Белоруссии, Польши, Венгрии и Болгарии, а также стран Восточной Европы, где имеются концевые участки межгосударственных электропередач от энергосистем России и Украины.

Высшим напряжением основной электрической сети энергосистем большинства стран Центральной и Западной Европы на уровне 2006 г. являлось 380–420 кВ, законодательно принятое как наивысшее. Сети этого напряжения в последние годы развивались наиболее высокими темпами. При этом сети 220–275 кВ, ранее являвшиеся основными, продолжают эксплуатироваться в условиях ограниченного развития: к этим сетям не присоединяются новые генерирующие мощности, а в отдельных случаях ВЛ этого класса напряжения используются в сети 110–150 кВ до полного физического износа.

Для распределительной сети высокого напряжения в энергосистемах европейских стран используются напряжения 110 (115) — 132–150 кВ. Вытеснение промежуточных напряжений характерно и для распределительных сетей на низшей ступени распределения электроэнергии (33–35, 66 кВ). Основной шкалой трансформации мощности в странах Европы становится 380–420/110-150/10-20 кВ, при которой шаг шкалы напряжения становится выше двух, что характерно для энергосистем, где идет процесс электрификации «вглубь».

Основная системообразующая сеть энергосистем стран Европы, как правило, строится с использованием двухцепных, а в отдельных случаях и четырехцепных ВЛ с обеспечением двухстороннего питания. В этих условиях даже при достаточно тяжелом виде аварийного повреждения — одновременном отключении двух цепей — питание узловых подстанций сохраняется. Узловые ПС с высшим напряжением 380–420 кВ оснащаются двумя — четырьмя трансформаторами. В распределительных сетях, как правило, применяются резервированные схемы с широким использованием двухцепных ВЛ, кабельных сетей (в городах), двухтрансформаторных подстанций. Мощность ПС 110–150/НН кВ 2×20 — 2×80 МВ А.

В электрических сетях энергосистем Европы широко используется элегазовое оборудование, комплектные распределительные устройства (КРУ) с элегазовым оборудованием (КРУЭ), маслонаполненные кабели и кабели с синтетическим покрытием, а в последние годы — кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, комплектные батареи статических конденсаторов и др. Некоторые характерные примеры прокладок кабельных линий (КЛ) СВН на территории крупнейших городов Европы, осуществленных в последние годы, приведены ниже. Так, в Лондоне электросетевая компания National Grid в 2004 г. ведет сооружение КЛ 420 кВ, связывающей электростанцию St. John Wood с подстанцией Elstree. Сечение кабеля — 2500 мм², расчетный ток — 3700 А.

В Берлине энергокомпанией Bewag осуществлено строительство воздушно-кабельной передачи 380 кВ, основным назначением которой является создание надежной системы внешнего электроснабжения центральной части города на дальнюю перспективу. Другим назначением кабельной электропередачи является усиление связи 380 кВ района Берлина с основной сетью энергосистем стран Центральной Европы, поскольку сооруженная линия является элементом основной сети энергообъединения стран Западной Европы (UCPTE).

В настоящее время европейскими производителями кабельной продукции разработаны, испытаны и созданы промышленные образцы кабеля СВН рекордной пропускной способности напряжением:

до 1000 кВ (маслонаполненный, с поперечным сечением токоведущей части 2500 мм², имеющей пропускную способность до 3 млн кВт);

до 500 кВ (с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) с поперечным сечением токоведущей части 2500 мм², пропускная способность 1,9 млн кВт). Кабели этого типа находят все более широкое применение.

Среди энергосистем Азии передовые позиции в мире занимают энергосистемы Токио и Южной Кореи.

На долю столичной энергокомпании Японии (ТЕРСО) приходится треть всех абонентов страны, потребляющих треть всей реализуемой в стране электроэнергии. По объему производства электроэнергии и установленной мощности электростанций ТЕРСО превышает масштабы развития электроэнергетики таких стран, как Италия, Южная Корея, Канада и др., а также крупнейших энергосистем мира (энергокомпании штатов Нью-Йорк и Техас США и др.).

В электрической сети переменного тока (50 Гц) используется шкала напряжений 500-275-154-66 кВ. Протяженность воздушных и кабельных линий электропередачи ТЕРСО, а также установленные мощности подстанций отдельных напряжений приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Отчетные данные по развитию электрических сетей позволяют отметить ряд характерных особенностей технической политики ТЕРСО.

В распределительных и магистральных ВЛ высокого напряжения преимущественно используются двухцепные, а в ряде случаев и многоцепные линии. Так, практически все ВЛ 500 кВ имеют двухцепное исполнение. Нередки случаи, когда на одной опоре подвешено 4–5 цепей разного напряжения. При сооружении КЛ нередко в одной траншее прокладывают 2–3 КЛ. Указанное объясняется стремлением максимально использовать выделенную трассу.

Широко используются КЛ. Так, если для энергокомпаний всей страны доля протяженности КЛ от общей на уровне 2000 г. составила 10,9 %, то для ТЕРСО — 24,7 %, а для Токио — 89,3 %.

Высокий уровень токов коротких замыканий (КЗ) является следствием сосредоточения на территории, обслуживаемой ТЕРСО, большой установленной мощности электростанций, а также значительной «плотности» электрической сети, при которой линии электропередачи не создают значительных реактансов, ограничивающих уровень токов КЗ. Указанная особенность определила широкое применение «тяжелых» выключателей, рассчитанных на 63 кА.

Помимо обычных требований к электротехническому оборудованию (надежность, удобство эксплуатации, достаточный ресурс и др.) очень важным является требование минимизации размеров, относящееся как к коммутационной аппаратуре, так и к силовым трансформаторам напряжением до 500 кВ включительно. Это требование продиктовано условиями сооружения закрытых и подземных подстанций в Токийском мегаполисе. Такой крупнейшей полу-подземной подстанцией будет ПС 500 кВ Shin-Toyosu. Подстанция имеет пять этажей, из которых один этаж располагается над землей. На площади 16 тыс. м² устанавливаются две группы АТ 500/275 кВ мощностью 1500 МВ А, два шунтирующих реактора (ШР) по 300 Мвар, 10 ячеек КРУЭ 500 и 275 кВ. Выключатели 500 кВ приняты с одним разрывом; питающие КЛ 500 кВ приняты с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Важное значение в электрических сетях ТЕРСО придается мониторингу состояния оборудования, что позволяет выявлять дефекты на ранних стадиях возникновения и контролировать динамику их развития.

Электроснабжение такого крупного мегаполиса, как Токио, — сложная техническая задача. Опорная сеть города формируется и развивается с использованием самых высших напряжений электрической сети: 275–500—1000 кВ. Надстройкой к сети 275 кВ явились первые объекты 500 кВ, ввод которых в работу был осуществлен в 1960-е годы. В 2003 г. потребители Токио получали электроэнергию от 11 ПС 500 кВ, в стадии строительства находится еще одна ПС этого напряжения. Трудности с новыми трассами ВЛ 500 кВ постоянно возрастают, и уже в 1970-х гг. была выявлена целесообразность создания передающих систем на напряжении 1000 кВ.

В конце 1980-х гг. было начато строительство ВЛ кольцевой сети напряжением 1000 кВ. В отчетном году в работе находился двухцепный транзит 1000 кВ АЭС Касивадзаки Карива — ПС Ниши Гунма — ПС Син Имахи — ПС Минами Иваки (северная часть кольцевой сети). На ВЛ 1000 кВ использована конструкция фазы из восьми сталеалюминиевых проводов сечением 810 мм². С целью снижения шума от работающих ВЛ (корона) на отдельных участках использовано сечение 960 мм² × 8. На части ВЛ, временно работающих на напряжении 500 кВ, подвешена половина токоведущей части (810 мм² × 4). На отдельных ВЛ 1000 кВ средняя высота двухцепных опор составила 97-120 м, а длина пролетов — 550–650 м.

Энергокомпания Южной Кореи (КЕРСО) занимает передовые позиции в развитии электроэнергетики Азии. Основное направление развития сетевого хозяйства страны и формирование основной сети энергосистемы в последние десятилетия осуществлялось с использованием номинального напряжения 345 кВ, получившего значительное развитие во всех частях страны. В меридиональном направлении общая протяженность действующих ВЛ 345 кВ составляет 313 км, т. е. ВЛ пересекают всю территорию страны. То же относится к ВЛ 345 кВ, проходящим в широтном направлении.

Получение коридоров для сооружения новых ВЛ высокого напряжения весьма затруднено. Это, а также высокие темпы роста спроса на электроэнергию явились основными факторами, определившими введение новой, более высокой ступени напряжения в сети переменного тока: 765 кВ. В отдельных случаях ВЛ 765 кВ сооружаются по трассам демонтируемых ВЛ 66 кВ. Впервые в мире строятся двухцепные ВЛ 765 кВ.

В 2004 г. переведен на номинальное напряжение ряд ранее построенных участков ВЛ 765 кВ, эксплуатация которых в течение нескольких лет осуществлялась на напряжении 345 кВ.

В последние годы наблюдается быстрый рост потребления электроэнергии в Китае — втором в мире производителе электроэнергии. Полное потребление электроэнергии в 2004 г. составило 2090 ТВтч, что на 11 % выше, чем в предшествующем году. Общая протяженность ВЛ 110 кВ и выше составила в 2004 г. 598,9 тыс. км в одноцепном исчислении, в т. ч. 220 кВ — 115,2 тыс. км. Основная сеть переменного тока энергосистемы КНР строится с использованием ВЛ номинальных напряжений 330 и 500 кВ, общая протяженность которых составляет 30,9 тыс. км. В настоящее время заканчивается строительство первой электропередачи напряжением 750 кВ Manpig — Lanzhou.

Дальнейшее развитие получит использование электропередач постоянного тока ±500 кВ, обеспечивающих выдачу мощности ряда строящихся и перспективных ГЭС в основные промышленные центры страны.

Крупнейшим энергообъединением Северной Америки являются параллельно работающие энергосистемы США, Канады и Мексики. Основу объединения составляет энергетика США. Основные показатели энергообъединения в 2001 г.:

Восток США и Канада: производство электроэнергии — 2950 млрд кВтч, максимум нагрузки — 483 ГВт, установленная мощность электростанций — 722 ГВт;

Запад США, Канада и Мексика: производство электроэнергии — 764 млрд кВтч, максимум нагрузки — 128 ГВт, установленная мощность электростанций — 158 ГВт.

В энергосистемах США используются две системы напряжений переменного тока: 115-230-500 кВ и 156-345-765 кВ. Первая преимущественно используется в восточной части страны, а вторая — в центральной и западной частях. Энергокомпании США не проводят твердой технической политики в области систем напряжений. Весьма распространена трансформация мощности 500/345 кВ. Сеть 765 кВ в последние годы развивается весьма ограниченно.

В середине текущего десятилетия общая протяженность магистральных линий электропередачи (230 кВ и выше) составила около 330 тыс. км, из них по территории США около 245 тыс. км, в т. ч. напряжением 230 кВ — 116,9 тыс. км, 345 кВ — 79,2, 500 кВ — 41,1, 765 кВ — 3,9, постоянного тока 400–500 кВ — 3,5 тыс. км.

Высокий уровень развития электрических сетей не исключил в последние годы ряда крупных погашений в энергосистемах США. Анализ аварийных ситуаций показывает, что конфликты между надежностью и коммерческими целями в практике США решаются, как правило, в пользу высокой надежности.

Крупнейшей в Южной Америке является энергосистема Аргентины. Высшее напряжение электрической сети — 500 кВ. По состоянию на начало 2004 г. общая протяженность ВЛ 500 кВ составила около 10 тыс. км, а количество подстанций — 28. Значительному развитию ВЛ 500 кВ способствовала их относительно невысокая удельная стоимость. Это определяется благоприятными условиями прохождения ВЛ 500 кВ по аргентинской пампе (отсутствие лесов, болот, минимальное количество угловых опор, отсутствие необходимости сооружения дорог для строительства ВЛ и др.).

В 2000 г. в работу введена межгосударственная (между Аргентиной и Бразилией) ВЛ 500 кВ пропускной способностью 1000 МВт. На стороне Аргентины линия присоединена к электрической сети с частотой 50 Гц, на стороне Бразилии — 60 Гц. Преобразовательная ПС 50/60 Гц находится в г. Garabi (Бразилия). Номинальная мощность преобразовательной подстанции 2 × 550 МВт.

В энергосистеме Бразилии для выдачи мощности крупнейшей в мире ГЭС Итайпу (12,6 млн кВт) используется напряжение 750 кВ, а также ППТ высокого напряжения.

В энергосистеме Бразилии намечена реализация трех крупных проектов развития сети 500 кВ (2,9 тыс. км). Общая протяженность ВЛ 500 кВ по стране при этом достигнет 19 тыс. км.

Области применения ППТ носят традиционный характер: транспорт электроэнергии на большие расстояния, связь электрических сетей с разными номинальными частотами, секционирование сетей энергосистем с целью повышения надежности работы объединения, пересечение больших водных пространств.

В последние годы техника постоянного тока в электроэнергетике развивается по двум направлениям:

сооружение ППТ, предназначенных для передачи энергии на достаточно большие расстояния;

создание так называемых вставок постоянного тока (ВПТ) для связи примыкающих друг к другу систем с различными номинальными частотами или с одной номинальной частотой, но работающих несинхронно с целью обеспечения регулируемых перетоков мощности.

В зарубежных странах значительно возросли масштабы применения ППТ, увеличились их номинальные напряжения и пропускные способности.

Широкое распространение постоянного тока стало возможным благодаря созданию в середине 70-х гг. высоковольтных тиристорных вентилей, рассчитанных на большие токи и напряжения.

Характеристики наиболее мощных и протяженных электропередач постоянного тока приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7