История электротехники

Коллектив авторов

На первых порах разработки по УТС в разных странах велись независимо, но уже к концу 70-х годов термоядерщики стали объединяться, так как была в полном масштабе осознана фундаментальность и сложность проблемы, невозможность ее решения в рамках отдельно взятой страны. Основой такого сотрудничества кроме широкой взаимной информации стала идея разработки интернационального концептуального проекта термоядерного реактора и всех сопряженных с ним научно-технических проблем.

Совокупность таких проблем получила название инженерных проблем термоядерного синтеза. Один из последних концептуальных проектов реактора УТС разработан странами Евроатома, США, России и Японии в 1989 г.

Наиболее сложная и дорогая часть сооружения —

электромагнитная система. Доказано, что приемлемая система может быть создана только с применением сверхпроводников. Общая масса сверхпроводника в реакторе превышает 720 т. Однако, по мнению академика В.А. Глухих, проведенные в России исследования свидетельствуют о возможности создания электромагнитной системы реактора такого масштаба.

Рассмотренные выше новые виды электростанций (МГД-преобразование, УТС) имеют характерные особенности: широкое применение в них электромагнитных устройств, являющихся ключевыми для их функционирования. Это вполне соответствует современным представлениям об электромагнитной структуре материи и способах управления большими потоками энергий. По-видимому, в электростанциях будущего роль электрической части будет все больше и больше возрастать.

В заключение необходимо отметить, что в последней четверти XX столетия наряду с развитием электростанций мощностью в несколько гигаватт стала развиваться малая энергетика: ветровые, солнечные, геотермальные, приливные, волновые электростанции и др. Однако решающей роли они не играют и, по-видимому, никогда не будут играть, что не умаляет их практического значения как для улучшения экологии, так и для обеспечения электроэнергией удаленных мелких потребителей.

Главные схемы электростанций. Первые электростанции сооружались с малым числом генераторов и работали по схеме генератор — трансформатор — линия (Лауфенская электростанция) или по схеме с одной системой шин, секционированной выключателем. Известно, что такая схема не обладает достаточной надежностью. Поэтому с укрупнением электроагрегатов с целью повышения надежности выдачи мощности, а также облегчения коммутаций рабочих и аварийных токов развитие главной схемы шло в двух направлениях: секционирование системы рабочих шин и применение токоограничивающих устройств.

Секционирование одной системы шин вплоть до варианта подключения к одной секции одного присоединения естественным образом привело к созданию кольцевых схем, а недостатки схем с двумя рабочими системами шин — к наиболее эффективным схемам 3/2 и 4/3: с тремя выключателями на два присоединения и четырьмя выключателями на три присоединения. Логика такого развития рассматривается ниже.

Но прежде надо отметить следующее. При малых мощностях генераторов (до 100 МВт) электростанции сооружались, как правило, с наличием электрических связей между генераторами на генераторном напряжении. С ростом мощностей в силу роста рабочих токов, и особенно токов коротких замыканий, распределительное устройство генераторного напряжения становится чрезмерно громоздким. Технически обеспечить канализацию рабочих токов и надежное отключение токов короткого замыкания (КЗ) чрезвычайно трудно. Поэтому с ростом мощностей генераторов от распределительного устройства и соответственно от непосредственных электрических связей между генераторами пришлось отказаться. На рис. 5.1 приведена главная схема электрических соединений одной из ГРЭС, сооружавшихся в СССР в 30-х годах.

^{Рис. 5.1. Главная схема электрических соединений Зуевской ГРЭС Донбассэнерго} 

Это в полной мере относится к современным мощным КЭС, ГЭС и АЭС. Но на ТЭЦ с агрегатами менее 100 МВт распредустройство

генераторного напряжения сохранилось прежде всего потому, что от него питаются местная нагрузка и трансформаторы собственных нужд станции. При этом для ограничения токов КЗ широко применяются токоограничивающие реакторы, а шины генераторного напряжения многократно секционируются (в отдельных случаях замыкаются в кольцо). Надо отметить, что широко распространенные токоограничивающие реакторы были созданы еще в 30-е годы XX в. и до последнего времени служат основным средством, обеспечивающим устойчивую работу оборудования электростанций при КЗ.

Неоднократно предпринимались попытки внедрить токоограничивающие устройства иного вида (нелинейные, резонансные схемы и т.п.) или создать выключатели, способные отключать КЗ до достижения токами КЗ опасных значений

— в самом начале аварийного переходного процесса. Однако до сих пор такие устройства не нашли широкого применения либо по причине их недостаточной технической эффективности, либо из-за большой стоимости. В свою очередь токоограничивающие реакторы в последнее время вызвали в России интерес в связи с применением магнитного бетона — магнитного диэлектрика

— для повышения индуктивности реактора. Но внедрение таких реакторов пока находится в самом начале, и лишь практика покажет, насколько они эффективны.

На мощных электростанциях перспективной оказалась схема блока генератор — трансформатор с подключением на генераторном напряжении трансформатора собственных нужд блока.

Уже несколько десятилетий широко применяется подключение двух генераторов к одному трансформатору с расщепленными обмотками низшего напряжения, если это допускает мощность повышающего трансформатора (схема весьма распространенная на ГЭС).

Развитие схем распределительных устройств на повышенном напряжении определялось следующими факторами:

сохранение блока генератор — трансформатор при повреждении выключателя или системы шин;

возможность вывода в ремонт выключателя без потери блока;

надежность работы в ремонтных режимах;

возможность маневрировать выдачей мощности.

Наконец, далеко не последняя по значимости совместная структура электрической сети системы, в которую выдает мощность электростанция: число линий, их связь с разными потребителями и узловыми подстанциями и другие факторы, определяющие режимы системы, наличие в ней резервов мощности и способность обеспечить аварийное покрытие потребности как по мощности, так и по пропускной способности сети.

Для сохранения блока при повреждении выключателя в США на ранних этапах развивалась схема подключения трансформатора блока к двойной системе шин через развилку из двух выключателей (эту схему так и называют американской). Другое, хотя и не эквивалентное этому решение дает схема с двумя рабочими и третьей обходной системами шин и с одним обходным выключателем (рис. 5.2). Это решение оказалось весьма жизнеспособным. При повреждении выключателя блок отключается на короткий промежуток времени, необходимый для включения обходной электрической цепи через обходную систему шин.

Проблема кратковременной потери блоков при аварии на одной системе шин решается за счет резервирования по электрической сети: крупные потребители электроэнергии (в том числе и крупные распределительные подстанции) питаются по двум линиям электропередачи, подключенным к разным системам шин либо к разным секциям секционированной системы шин. Схема выдачи мощности через распредустройство с двумя рабочими и одной обходной системами шин нашла весьма широкое распространение в СССР.

^{Рис. 5.2. Схема с двумя рабочими и обходной системами шин}