Электрическая часть электростанций

Каждый город, каждый завод имеют свои особенности – свой «набор» потребителей. Вот тут дом в сто квартир, но на первом этаже – парикмахерская и магазин, а в соседнем дом 150 квартир, зато ничего дополнительного. И каждый такой вариант – это задача, которую приходится решать нашим энергетикам.

Мало того – решение географически начинается не в распределительном щитке подъезда, а куда как раньше. Тут даже не очень понятно, в каком порядке описывать алгоритм решения – то ли идти от генератора электростанции к розетке, то ли от розетки «забираться внутрь» электростанции. Но, раз уж предыдущий рассказ был об электростанциях, то начнем с них.

http://geoenergetics.ru/2017/11/17/elektrostanciya-kak-kolybel-elektricheskix-tokov/

Для того, чтобы не загромождать рассказ ворохом технических описаний, пропускаем все, что связано с проблемой нагревания используемого железа. Крутится ротор – греется, статор – греется, принимая потоки магнитного поля, греется каждая металлическая деталь, каждая деталь требует тщательно выстроенной системы охлаждения.

Изменилась форма сердечника – изменился характер генерации, а сеть требует, чтобы частота оставалась неизменной, ей 50 герц отдай и не греши.

Вот за этими тремя предложениями мы и спрячем содержание нескольких учебников, в которых рассказано и показано, какие методы решения проблем существуют на станциях разного типа (тепловые, атомные, гидроэнергетические и гидроакккумулирующие – у каждой из них свои требования к надежности турбин и генераторов), какие технические нормативы необходимо соблюдать, какие системы безопасности использовать.

Пропустим, все это, просто пометив – проблема есть, проблема большая, способы решения имеются, для нормального функционирования электростанции энергетикам надо знать об этом всё.

Генератор как таковой «не интересует», как будет жить распределительная сеть – будучи составной частью турбины, он обеспечивает решение ею главной задачи электростанции. Напомним, что главное – забрать и преобразовать максимум возможного количества энергии, которая вырабатывается за счет того или иного энергетического ресурса.

Еще часть этой задачи – обеспечить генерируемому току частоту в 50 герц, а все прочее уже вторично. То, как ведут себя турбина и генератор в момент их запуска, как они реагируют на отключение нагрузки (крупный город «ушел спать») или резкое ее увеличение («доброе утро, страна!») – это еще один учебник электротехники, который мы в этот раз пропустим, оставим «на следующий семестр».

Но то, что вторично для генератора – смысл существования трансформаторов электростанции.

Да, чтобы не бояться такого страшного слова тем, кто его слышит в своей жизни раз в сто лет – нет в нем ничего страшного: трансформатор всего-навсего трансформирует ток, который он получает. Получил ток с определенными характеристиками, трансформировал в ток с другими характеристиками. Зачем такая трансформация нужна?

В предыдущих статьях мы уже не раз и не два касались основного постулата электропередачи – если не хотим понапрасну греть провода, теряя активную мощность, то нужно обеспечивать высокое напряжение.

Генератор за этим «не следит», он вырабатывает тот ток, который обеспечивает ему турбина, которая борется за свой максимальный КПД. Электростанции никогда не строят «просто так», каждую из них рассчитывают под определенных потребителей.

В 100 км от нее будет город, в котором 100 тысяч население, в 150 км уже строят огромный завод, в котором будут жужжать сто тысяч станков, а еще бы не забыть про городок самих энергетиков, что уже заканчивают в двух км от места будущей работы. Этим, в 100 км, надо 100 миллионов ватт, вот тем – 500 миллионов.

Пример, конечно, совершенно с потолка, но принцип отражен более-менее точно – рассчитывая характеристики электростанции, ее проектировщики заранее учитывают нужды потенциальных потребителей, среди которых загодя определяют основных.

Население в городе в 75 км от турбины будет расти, но медленно, а вот тут уже идет строительство предприятия, владельцы которого подписываются забрать 39% мощности и до которого от турбины 233 км.

Какие-то потребители имеют схожие параметры – два города рядом, пять заводов на северо-северо-восток, на северо-восток будут забирать по 1 ГВт – соответственно, на такие группы трансформатор или трансформаторы должны выдавать вот такие токи.

Соответствующим образом, опять же заранее, рассчитываются параметры трансформаторов – заранее известно, какой ток им «вручат» генераторы, дальше надо подумать, как трансформаторы изменят параметры тока. И, разумеется, снова надо решить задачи отвода тепла, устойчивости при внезапных изменениях нагрузок, обезопасить аппаратуру от коротких замыканий.

От этих задач сначала постанывают проектировщики, потом чешут затылки заводы, конструкторы которых получают технические задачи от этих проектировщиков. И все то время, пока жужжат турбины, искрят генераторы, гудят трансформаторы – дежурные смены электростанций изо дня в день готовы вот тут подкрутить, вот здесь перекоммутировать, вот там во время заменить, готовы сделать это быстро, слаженно, не перепутав ни одной инструкции.

Это действительно по-настоящему боевые дежурства, по другому не назовешь.

https://imgprx.livejournal.net/76fc8395c321554111d3a596a8c615b93970e8d2/gWx_LcOQovvUEw7KRzyUrCR6JKCv9oOhyu_w0QP7_LH9V5HNEZgCzmngfgWbIoHlbb4CYIsaYF-GPO6qEsXAmP-YMWdhmZB5D9WwSWRXDkdDD1FeOrf6Tit6_W4NuPsR

Электрики за работой, Фото: elektrika-24.narod.ru

Продолжаем следить за путешествием тока внутри электростанции. Вот он покинул генератор, вот трансформаторы его видоизменили, разделили и… ? А что «и» – надо его передавать дальше.

Несколько видов тока, предназначенные для разных групп потребителей, расположенных на разных расстояниях и по разным направлениям. Бардак, который приводят в стройную систему приборы-аппараты, названия которых точно отражают суть того, для чего они придуманы – распределительные устройства.

Да, достаточно часто, когда нам приходится читать про электрические токи и станции, мы видим слово «шина» применительно ко всем этапам передачи тока. Сбивает с толку, потому как профессионалы привычно пропускают прилагательные – «электрическая», «энергетическая».

Эта шина совсем не похожа на шины автомобильные, она не из резины сделана, а вовсе наоборот, поскольку задача ее – передать ток с минимальными потерями. Шина в электроэнергетике – это проводник электричества с минимальным сопротивлением.

Понятие «сопротивление», если отбросить детали – это нежелание материала, из которого сделан тот или иной проводник пропускать через себя ток. Часть мощности тока уходит на разогрев материала проводника, снижая КПД электростанции, что, разумеется, никого из энергетиков не радует.

Для борьбы с такими потерями и разрабатываются шины, при помощи которых соединены между собой все устройства электростанции, обеспечивающие выдачу электроэнергии в сеть и все устройства, обеспечивающие внутреннее электроснабжение.

Гибкие и жесткие, в виде кабелей и пластин соответственно, изолированные и неизолированные, собранные в шинопроводы, выполненные из стали, алюминия, меди – шины являются неотъемлемой частью любой электростанции.

Их тоже приходится рассчитывать заранее, а потом монтировать и содержать в безукоризненном порядке, они тоже входят в «комплект головной боли дежурной смены электростанции».

Продолжаем отслеживать путешествие электроэнергии внутри электростанции. Турбина-генератор – шина – трансформатор – шина. Куда теперь? На распределительное устройство. Давайте рассмотрим все это не теоретически, а на простом, незамысловатом примере – на энергетическом блоке Нововоронежской АЭС с реактором ВВЭР-1200. Вот трансформатор, на который приходит ток от турбины:

https://imgprx.livejournal.net/e0b666c86b63e920ae80060643a9245ae830c573/gWx_LcOQovvUEw7KRzyUrCR6JKCv9oOhyu_w0QP7_LH9V5HNEZgCzmngfgWbIoHlbb4CYIsaYF-GPO6qEsXAmI41xId_4mfJ9XHM7SXNGfBKvPK5iftBXG0DP6nynrxE

Трансформатор на Нововоронежской АЭС, Фото: muph.livejournal.com

Вес этого изящного изделия 340 тонн, турбину и генератор АЭС он «обслуживает» не в одиночку, таких трансформаторов там три, поскольку принять им надо 1’200 МВт мощности. Принимают, увеличивают напряжение с 24кВ до 500 кВ и передают на КРУЭ-500.

КРУЭ – «комплектное распределительное устройство элегазовое», еще одна абракадабра от энергетиков.

Но прием все тот же – надо разобрать термин на отдельные слова, ларчик и откроется. «Комплектное» – потому, что его скомплектовали не на стройплощадке мужики с паяльниками, а тщательнейшим образом рассчитали и со всеми техническими предосторожностями самым аккуратным и тщательным образом сделали это на заводе, доставив на станцию в укомплектованном виде.

«Элегаз» – электрический газ, типичный слэнг, поскольку выговаривать научное название удовольствие то еще. Этот газ химиками именуется «шестифтористой серой», SF6, главное его свойство как химического соединения – то, что он не реагирует с кислородом. В «переводе на человеческий» – не горит, не воспламеняется этот газ ни при каких условиях, даже если очень сильно нагрет.

Почему приходится бояться возгораний?

Каждый из нас не единожды видел, как искрит проводка, каждый год происходят сотни пожаров из-за того, что она где-то в доме загорелась. В доме – это 220 вольт и 50 ампер, так и то горим. В КРУЭ приходит ток в 500’000 вольт и 800 ампер, вот и попробуйте себе представить, на сколько выше и страшнее риск пожара в таком устройстве.

Согласитесь – воздуху тут не место, устройство заполнено элегазом и тщательно загерметизировано. «Распределительное» – это потому, что устройство не преобразует ток, а только распределяет. «Кашку варила, деток кормила. Этому дала, этому дала…» – помните детскую сказку?

Вот очень похоже, только «кашку сварили» трансформаторы, а вместо деток – линии электропередач или какие-то другие потребители. «Устройство» – так это потому, что оно устройство, полюбуйтесь:

https://imgprx.livejournal.net/69764532437c6ed780709d4904b13ae779313e3c/gWx_LcOQovvUEw7KRzyUrCR6JKCv9oOhyu_w0QP7_LH9V5HNEZgCzmngfgWbIoHlbb4CYIsaYF-GPO6qEsXAmNSidF9ux6KMrtIUMXaqWpxqweCqYAM7LRMmxjqunHgb

КРУЭ-220, Фото: muph.livejournal.com

КРЭУ-500, которое используется на НВАЭС, не поместилось в кадр, но фигура человека позволяет представить, какого масштаба эта «железяка».

Думаете – все? Это КРЭУ раздает токи напряжением 500 кВ и только, но мы уже в начале статьи размышляли о том, что потребители могут быть поближе и подальше от турбины и генератора, а на ближние расстояния тянуть ЛЭП в 500 кВ дороговато.

Есть такие потребители и у этой конкретной АЭС – к ним по плану побегут провода с током в 220 кВ. Для того, чтобы обеспечить потребителям такое напряжение, КРЭУ-500 передает часть мощности на другой трансформатор – ведь трансформировать ток умеет только он.

Энергетики не любят вычурных названий, они любят логику. Трансформатор на верхней картинке повышает напряжение – значит, это повышающий трансформатор. КРЭУ передает ток в 500 кВ на трансформатор, задача которого понизить напряжение до 220 кВ – он и будет понижающим. Изящный, японский, никакой нашенской брутальности, но весит он 350 тонн:

https://imgprx.livejournal.net/1c81377294c1cf21d905af975b66afe29b802248/gWx_LcOQovvUEw7KRzyUrCR6JKCv9oOhyu_w0QP7_LH9V5HNEZgCzmngfgWbIoHlbb4CYIsaYF-GPO6qEsXAmHc1hM-T-VVTxCg3-gMDg_cKLO-XiZtf5iKP8ZOaBcqr

Трансформатор Hyundai на Нововоронежской АЭС, Фото: muph.livejournal.com

Конечно, пример был подобран с умыслом – чтобы показать самые мощные трансформаторы и самые сложные КРЭУ. И, разумеется, они еще и самые дорогие, поскольку требуют той самой хай-технологии, которую мы привычно ассоциируем с айфонами и прочими ноутбуками с нано-чем-то-там.

Чем меньше мощность электростанции – тем более дешевые варианты комплектов электрооборудования, которые энергетикам надо каким-то образом окупать, не сдирая при этом три шкуры с конечных потребителей.

Распределительные устройства далеко не всегда требуют использования элегаза, есть места, где их можно даже не прятать в закрытые помещения, они и на свежем воздухе исправно выполняют свои функции. ОРУ – открытое распределительное устройство, их на наших и не наших электростанциях полным полно, выглядят они, к примеру, вот так:

https://imgprx.livejournal.net/524f9b7cf7f9bc89713ff92efb2578daa56083f1/gWx_LcOQovvUEw7KRzyUrCR6JKCv9oOhyu_w0QP7_LH9V5HNEZgCzmngfgWbIoHlbb4CYIsaYF-GPO6qEsXAmBRocVRjBxL2vQ3zXufHdWHkt6j3OpC-vuU9RHMNuyXkk7PvPfaW7X-qSfFOt5i8mg

Открытое распределительное устройство, Фото: tulaavtomatika.ru

Конечно, расположение распределительных устройств на открытом воздухе накладывает дополнительные требования на изоляцию всех контактов, зато позволяет изрядно экономить на капитальном строительстве – выбирают обычно то, что экономически целесообразнее.

Но технически, с точки зрения безопасности ОРУ можно использовать только в случае, если выдаче подлежит не очень большая электрическая мощность. КРУЭ дороги сами по себе, импортозамещение на них все еще не действует, хотя ирония судьбы заключается в том, что элегаз был впервые использован как раз нашими инженерами-энергетиками.

Потребитель бывает разный

Случай с НВАЭС-2 – это не самое сложное, что бывает на электростанциях. Иногда набор потребителей настолько разнообразен, что приходится использовать еще большее количество распределительных устройств и трансформаторов.

Исходят при этом из простого принципа – потребитель всегда прав, то есть работа любой электростанции должна быть продумана так, чтобы нам, потребителям, было максимально удобно и комфортно.

Сгорел трансформатор, оборвались провода, полярная лисица покусала какую-нибудь шину между трансформатором и распределительным устройством – а холодильник слесаря Иванова и кофеварка менеджера Сидорова должны продолжать работать.

Но энергетики, которым приходится управлять всем своим огромным парком аппаратов самого разного предназначения из-за постоянного риска, постоянной напряженности (не путать с напряжением!), будучи первоклассными специалистами – не всемогущи, гарантировать на 100%, что ничего не случится с бесперебойностью подачи электроэнергии они не могут.

Пожары, наводнения, обледеневшие провода, взбесившийся из-за заводского брака трансформатор – всякое в их жизни случается. Мы, потребители, подразделяемся для них на три категории: очень важные электропотребители, вторая – просто важные электропотребители, третья – все остальные.

И мы ни за что не скажем, как именно энергетики ради краткости называют третью категорию в разговорах между собой…

Первая категория

Ну, а если без смеха, то логика подсказывает, какие потребители относятся к первой категории. Противопожарные насосы, шахты, сигнализации, химические производства и, как ни удивительно на первый взгляд, городские системы водоснабжения и канализации – потребители, от бесперебойного питания которых зависят жизнь и здоровье людей.

Ну и, само собой «мелким почерком» – еще и те, от которых зависит безопасность государства, потому, между прочим, мы с вами можем быть спокойны за наличие связи, телевидения и прочих интернетов.

Энергопотребители категории «номер раз» должны иметь два, а то и три независимых резервируемых источника питания, при этом перерыв для возобновления электроснабжения при отключении одного из них, должен быть лишь на время автоматического переключения на второй. Объект питается от трансформаторной подстанции?

Прекрасно, только для резерва надо подвести электропитание и от второго. На город работает только одна электростанция и потому могут отключиться обе подстанции? Тогда должны иметься про запас и дизельные установки, последняя капля солярки в которых должна быть израсходована на зарядку аккумуляторной батареи.

Вторая категория

Энергопотребители, отключение которых могут привести к массовому возникновению брака или к недоотпуску продукции, но допускается некоторое время на переключение. Другими словами, допустимо время простоя до восстановления электроснабжение – дежурная смена электриков имеет хоть какое-то время на переключение, которое в этом случае доверено людям, а не автоматам. Но при этом наличие резервной линии питания также строго обязательно.

Третья категория

Все, кто не входит в первые две. Для нее допустимо электроснабжение от одного источника, но при условии, что на восстановление питания будет потрачено не более суток. Очевидно, что подразделение потребителей на эти категории проектируется изначально, но это уже не уровень электростанций. Резервные линии, обеспеченные автоматами переключения – это забота городской сети, до которой ток прибежит по ЛЭП.

Городами командуют вовсе не мэры

Разумеется, высоковольтные линии не несут поезда до подъездов домов – как-то нам без особой надобности сотни киловольт в розетках. Если посмотреть на наши города с высоты птичьего полета, то обнаружится, что по периметру их окружают замысловатые сооружения, имя которым – электрические подстанции.

https://imgprx.livejournal.net/ae239b78691854d91f1c3602db463ee61aef5654/gWx_LcOQovvUEw7KRzyUrCR6JKCv9oOhyu_w0QP7_LH9V5HNEZgCzmngfgWbIoHlbb4CYIsaYF-GPO6qEsXAmLdy2h-UNki5iyn-3uQ0OR_vf5Um3siF059-d_u8N3jlbO7IkHZ7cWsOEPYN0UOJIw

Электрическая подстанция, Фото: wikimapia.org

Для населенных пунктов подстанции – пожалуй, самые важные электроустановки. Это, если коротко, некая комбинация трансформаторов и распределительных устройств, собранная на одной площадке.

Подстанция способна сразу на все – понизить или повысить напряжение, увеличить или уменьшить силу тока, распределить напряжение одного класса на несколько потребителей или, допустим, на несколько городских кварталов.

Городские подстанции – то, что обеспечивает все городские потребности, это и есть настоящий центр города, а не всяческие мэрии прочие гнезда чиновников, которые пытаются доказать, что без них никак. Завотделом может не выйти на работу по случаю отпуска или больничного, больших неудобств это не вызовет.

Выходной или перерыв на обед для подстанции будет катастрофой для города, дежурные энергетики на них, как и на электростанциях, на наш взгляд, должны приравниваться к сотрудникам МЧС или военным, находящимся на боевом дежурстве. С учетом уровня ответственности, лежащего на них – каждый должен быть многократно проверенным профессионалом, получающим достойное вознаграждение за свой труд.

Если кто-то считает, что Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru ушел в агитацию и пропаганду, то переубедить заблуждающихся нам будет несложно. Вот совершенно реальный список основных элементов электрических подстанций:

• силовые трансформаторы, автотрансформаторы, шунтирующие реакторы;


• вводные конструкции для воздушных и кабельных линий электропередач;


• открытые и закрытые распределительные устройства, включающие системы и секции шин, силовые выключатели, разъединители, измерительное оборудование, оборудование ВЧ-связи между подстанциями, конденсаторы, фазовращатели, реакторы, преобразователи, выпрямители;


• система питания собственных нужд подстанции, состоящая из трансформаторов собственных нужд, щитов переменного тока, аккумуляторных батарей, щитов постоянного тока, дизельные генераторы и других аварийных источников питания;


• системы защиты и автоматики, в состав которых входят устройства релейной защиты, противоаварийная автоматика для силовых линий, трансформаторов и шин, автоматическая система управления, система телемеханического управления, система технологической связи энергосистемы и внутренней связи подстанции;


• система заземления , включая заземлители и контур заземления;


• молниезащитные сооружения.

Не устали читать? А электрики знают это не только наизусть, но и, что называется, наощупь – до любого устройства они должны уметь добираться с максимальной скоростью в любое время суток и при любой погоде, назубок знать, какие могут возникнуть неисправности…

ЕЭС России – самое колоссальное инженерное сооружение планеты

Кроме подстанций, обеспечивающих городское хозяйство, есть еще и такие, которые, пожалуй, можно назвать стратегическими – промежуточные подстанции единой энергосистемы России. Это узлы, связывающие воедино огромную страну, значимость которых не меньше, чем у генерирующих мощностей.

Провода ЛЭП, тянутся на многие сотни километров, между ними, а также между ними и землей действуют достаточно высокие напряжения, поэтому на поверхности проводов накапливаются достаточно большие заряды.

В электротехнике это – конденсатор, и при изменении напряжения от одного провода к другому текут так называемые токи смещения, а потому и ток, текущий по проводу, будет неодинаков в разных точках линии.

Чем длиннее линия и чем выше в ней напряжение – тем больше значение этих токов смещения, тем больше разница между током в начале и в конце линии. Протекающий в проводах переменный ток, в свою очередь, создает между проводами переменное магнитное поле, которое наводит в проводах электродвижущую силу.

Как следствие – в проводах кроме активного падения напряжения, появляется еще и индуктивное падение, которое, в силу неодинаковости мгновенных значений тока вдоль провода также не будет одно и то же на единицу длины в разных точках.

https://imgprx.livejournal.net/aa175dcc47a081d920c5e5ca5befabe7d5a0eadf/gWx_LcOQovvUEw7KRzyUrCR6JKCv9oOhyu_w0QP7_LH9V5HNEZgCzmngfgWbIoHlbb4CYIsaYF-GPO6qEsXAmMMFNBEY-0FiaVt_udbb7AzCQjB7VoEujtI8hFf_qAyLB0Dqq18H8E86t9E_Z9Nlhg

Но и это не все – в силу несовершенства изоляции, кроме токов смещения от одного провода к другому может еще проходить ток утечки.

И нет никаких способов избавиться от этих трех проблем, кроме промежуточных подстанций, которые приходится строить через каждые 200-300 км для того, чтобы они компенсировали все сложности из-за всего перечисленного.

«Узловые» подстанции обеспечивают подключение к сети генерирующих мощностей, совмещая и преобразуя их токи, подстанции обеспечивают реверсивные поставки электроэнергии между семью объединенными энергетическими системами, которые составляют ЕЭС России (напомним, что наша ЕЭС – это соединенные межрегиональными высоковольтными линиями энергосистемы Востока, Сибири, Урала, Средней Волги, Центра, Юг и Северо-Запада), подстанции обеспечивают синхронный режим работы ЕЭС.

Впрочем, такие подстанции, как и рассказ о том, как функционирует Единая Энергетическая Система России выходят за рамки сегодняшней статьи.

Мы смогли проследить основную часть маршрута электроэнергии от турбины к нашим розеткам, остается совсем немного – понять, как распределяется электроэнергия внутри наших городов. Нам кажется, что теперь вы представляете, каких трудов и забот стоит энергетикам наш привычный уровень комфорта, чтобы энергия прошла каждый из этапов большого пути.

Турбина, генератор, трансформатор, распределительное устройство, ЛЭП, подстанция – это общая схема, общая, «электрическая», часть электростанций любого типа (кроме солнечных). Это – то, что обязаны знать и уметь все наши энергетики вне зависимости от того, работают ли они на ГЭС, на атомной или любой тепловой электростанции.

Это – то, что работает бесперебойно, без праздников и выходных, из года в год, не обращая внимания на то, какой там -изм на дворе. Электричество поступало к потребителям в годы войны, во время стихийных бедствий, в девяностые годы, когда энергетики годами сидели без зарплаты.

Статья выходит в преддверии Дня энергетика, к поздравлению с которым всех, кто так надежно работает, обеспечивая работу огромного энергетического хозяйства от Калининграда до Камчатки. Спасибо вам, уважаемые энергетики!