12.5. Основные технические проблемы соединения сетей

Оптимальное распределение нагрузки. При объединении сетей на параллельную работу одним из основных вопросов являлось достижение оптимального распределения общей нагрузки между электростанциями. Такое распределение называется покрытием графика нагрузки. Так, при параллельной работе сетей, питаемых двумя гидроэнергетическими установками (одна из которых – низконапорная, с большим расходом и очень малым регулировочным бассейном, а другая – с большим напором, меньшим расходом и сравнительно большим регулировочным бассейном), желательно, чтобы низконапорная установка все время работала при полной нагрузке, между тем как вода в высоконапорной установке будет накапливаться для работы в период максимумов нагрузки. При параллельной работе тепловых станций целесообразно, чтобы нижняя (базисная) часть графика нагрузки покрывалась более современными и экономичными генераторами, а максимумы (пики) нагрузки – более старыми или менее экономичными. Для совместной работы тепловых и гидроэнергетических установок при распределении нагрузок руководствовались тем, какими резервами располагает та или иная гидроэнергетическая станция. Тепловые установки в этом случае работали с постоянной нагрузкой.

Регулирование обмена энергией. Явления, сопровождающие регулирование распределения токов между генераторами двух электростанций, связанных линией значительной длины, протекают достаточно сложно, так как на них будут оказывать влияние свойства линии – ее активное и реактивное сопротивление. При параллельной работе двух центральных станций имеется бесконечное множество возможных режимов в пределах, зависящих от параметров линии, соединяющей обе станции. Можно при этом задаваться некоторыми граничными условиями, например, ограничивать падение напряжения в линии некоторой величиной, задаваться определенным значением коэффициента мощности на одном из концов линии или, наконец, определенной величиной передаваемой активной мощности. Самым выгодным из всех возможных для тех или иных условий режимов будет тот, при котором протекающий по соединительной линии между двумя станциями уравнительный ток будет иметь наименьшую величину.

Если две системы соединялись между собою двумя и более линиями, обладающими разными активными и реактивными сопротивлениями, и от этих линий могли идти еще и ответвления с нагрузками, то процесс регулирования уже значительно усложнялся. При этом количество энергии, передаваемой по той или иной линии, зависело главным образом от соотношения между активными и реактивными сопротивлениями линий связи между системами.

Регулирование коэффициента мощности. В системе соединенных для параллельной работы сетей чрезвычайно желательным было поддержание во всей системе возможно более постоянного значения напряжения для того, чтобы обеспечить для каждой линии системы возможность обмена энергией в любом направлении. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы каждая из линий, образующих сеть, работала при cosϕ, весьма близком к 1 или даже с некоторым сдвигом фаз в сторону опережения при нормальной нагрузке. Передача реактивной мощности по сети является крайне нежелательной. Решение вопроса о передаче реактивной мощности заключалось, с одной стороны, в возможном улучшении cosϕу потребителей, что могло бы быть достигнуто тарифными и другими экономическими мероприятиями. С другой стороны, необходимую для функционирования установленных у потребителей приборов реактивную мощность предлагалось генерировать по возможности не на центральных станциях, производящих активную мощность, а на месте, т. е. если не непосредственно у самих потребителей, то по крайней мере в центрах потребления.

Влияние частоты. Соединение сетей для совместной работы было бы легче осуществимо при том условии, что частота во всех соединяемых сетях одна и та же. Однако в некоторых странах (например в Италии и Америке) осуществление унификации частоты было сопряжено со значительными затратами ввиду наличия большого числа установок, работающих при неодинаковых частотах. В таких случаях переход на единую частоту для всех объединяемых сетей приходится откладывать, ограничиваясь унификацией частоты по районам. При этом сети, питаемые при различных частотах, соединялись посредством особых обратимых преобразователей частоты, что, конечно, значительно повышало стоимость необходимого для соединения сетей оборудования. Нередко, впрочем, эти преобразователи частоты использовались также для регулирования напряжения. В объединенных сетях с унифицированной частотой встречался и менее совершенный, но проще осуществимый и не требующий сложной связи между станциями способ распределения нагрузок между отдельными установками, а именно при помощи изменения частоты. Каждой станции назначалось некоторое определенное значение частоты, причем частоты отдельных станций весьма мало отличались друг от друга. Когда нагрузка находящихся в работе станций возрастала настолько, что частота несколько понижалась, то это служило сигналом для вступления в работу станции с повышенной частотой. Таким образом, отдельные станции начинали принимать участие в питании сети в известной последовательности по заранее выработанной программе. Подобный способ распределения нагрузок применялся, например, в Швеции. Недостатком этого способа является возникновение колебаний частоты, не всегда приемлемых для потребителей.

Устойчивость параллельной работы. Параллельная работа станций, соединенных длинными линиями электропередачи, представляла значительные затруднения с точки зрения устойчивости. Каждое изменение скорости первичных двигателей, вызываемое изменением нагрузки, изменяло относительное положение векторов напряжений. Такой переход от прежнего режима к новому имеет характер колебательного процесса. Эти колебания могут при некоторых условиях попасть в резонанс с электромеханической системой генераторов и, перейдя допустимые границы, вывести генератор из синхронизма. Математическое исследование проблемы, выполненное ведущими электротехниками в начале ХХ века, позволило сделать вывод, что для уменьшения колебаний не следует поддерживать слишком строгое постоянство напряжения на шинах при помощи быстродействующих регуляторов, а постоянные реакции регуляторов должны быть равны между собой. Кроме того, параллельная работа будет тем устойчивее, чем меньше самоиндукция соединительной линии.

Защита от токов повреждения и перенапряжения. Для случая одной сети с единственной центральной станцией проблему защиты от распространения повреждений можно было считать решенной. В подобных сетях энергия обычно циркулирует в одном и том же направлении и имеет одну и ту же величину. В соединенных сетях вопрос осложнялся тем, что количество обмениваемой энергии изменяется и по величине, и по направлению. Кроме того, при неблагоприятных условиях в отдельных точках системы могут концентрироваться весьма большие мощности. Если соединялись сети, построенные первоначально для самостоятельной работы, то в каждой из таких сетей при работе их порознь приходилось иметь дело со сравнительно небольшими мощностями даже при повышении напряжения. При этом можно было обходиться выключателями умеренных размеров, довольно примитивной защитой от перенапряжения и трансформаторами, конструкция которых не предусматривала необходимости защиты от токов повреждений. При параллельной работе сетей приходилось переходить к более высоким напряжениям. При этом разрывные мощности также значительно увеличивались. Тогда пришлось переоборудовать всю сеть, усиливая аппаратуру применительно к новым требованиям. Для быстрого автоматического выключения отдельных машин или линий в целях локализации повреждений стала применяться селективная защита. Однако вопрос о защите от перенапряжения ввиду его многообразия далеко еще не решен. Вообще, по отношению к перенапряжению соединенные сети находятся в сравнительно благоприятных условиях благодаря их значительной емкости относительно земли.

Централизация управления системой объединенных сетей. Практика соединения сетей начала ХХ века с несомненностью доказала необходимость централизации управления работой соединенных между собой установок всей системы. Это управление возлагалось на так называемого «диспетчера» (load-dispatcher), т. е. на инженера, управлявшего распределением нагрузки и вообще технической эксплуатацией объединенной системы. При очень широко развитой системе соединенных сетей приходилось придавать инженеру, заведующему распределением, помощников или создавать несколько постов управления эксплуатацией отдельных частей, подчиненных одному главному диспетчеру. На диспетчера возлагалась задача достижения возможной экономичности эксплуатации всей системы и обеспечения наибольшей надежности работы. Необходимым условием для выполнения им своей ответственной функции являлось наличие строгой служебной дисциплины. Весь технический персонал всех станций находился у него в оперативном подчинении. Ни один главный выключатель, ни один агрегат не могли быть приведены в действие без его распоряжения. Диспетчер находился на главном посту управления, где в его распоряжении имелась карта или схема объединенных установок. На ней были показаны все центральные станции со всеми агрегатами, подстанции, главные выключатели и т. п. На схеме около каждой станции или машины располагались несколько ламп разных цветов. Включая при отдаче каждого распоряжения соответствующую лампу («в работе», «не работает», «повреждение» и т. д.), диспетчер имел, таким образом, перед собой все время наглядное изображение рабочих условий системы в данный момент времени. Все свои распоряжения диспетчер отдавал на основании поступающих к нему регулярно (например через каждую четверть часа) от отдельных центральных станций сведений о нагрузке. Ему же немедленно сообщали о всех более или менее важных происшествиях, повреждениях и т. п. На основании сведений о нагрузке за предыдущие дни (а также принимая во внимание нагрузку для того же дня на предыдущей неделе и в прошедшем году) диспетчер составлял предварительный план работы.

При осуществлении такого централизованного управления работой отдельных станций необходимым условием являлась, конечно, хорошо налаженная система связи (телеграфной, телефонной или, лучше, беспроволочной) между центральным постом, на котором находился управляющий всей работой инженер, и всеми отдельными центрами производства и потребления энергии.

Электрические расчеты сложных сетей. Для выяснения каких-либо явлений, имеющих место в подобных сетях, нередко прибегали к помощи физических электрических моделей сетей, в которых линии, трансформаторные подстанции и группы потребителей были изображены в виде соответствующих активных и реактивных сопротивлений, а взамен центральных станций включены небольшие электрические генераторы. Подобные модели были весьма ценны, так как давали возможность экспериментальной проверки теоретических исследований, но полностью заменить расчет сложной сети они были не в состоянии. Использовали и математические методы расчета. При этом, разделяя сеть на элементы, составляли для последних известные векторные выражения, дающие зависимость между напряжениями и токами у двух концов элемента уравнения (четырехполюсника). Зная мощности, расходуемые в отдельных узлах, или, что проще, сопротивления приемников при нормальном напряжении сети, пользуясь уравнениями Кирхгофа, получали для расчета соответствующее число уравнений. Однако решение таких систем уравнений представляло чрезвычайные затруднения.

Для общего случая сети с произвольным числом узлов получаемые уравнения могут быть решены только методом последовательных приближений (итераций). Такой метод был впервые предложен в докладе, сделанном на Конференции по установкам сверхвысоких напряжений в 1925 г. Для упрощения самого процесса решения систем нелинейных уравнений с несколькими неизвестными предлагалось пользоваться, кроме различных аналитических и графических методов, вспомогательными таблицами.

Основные технические проблемы, связанные с соединением сетей, к концу первой четверти ХХ века были по большей части вполне удовлетворительно решенными. В то же время практика соединения сетей выдвинула ряд весьма важных вопросов организационного, экономического и финансового характера, решение которых было найдено значительно позднее.