В первые годы развития электроэнергетики России все электростанции работали раздельно. Даже электростанции, расположенные в крупных городах (Петербурге, Москве), работали на собственные, не связанные между собой электрические сети, нередко выполненные на различные системы тока (постоянного, однофазного переменного, трехфазного переменного) при различных частотах (20; 40; 42,5; 50 Гц) и различных напряжениях.
В 1913г. в России было всего 109км воздушных электрических сетей напряжением выше 10кВ. В 1912г. в 70км от Москвы на торфяных болотах было начато строительство первой районной электростанции. Одновременно была также построена линия электропередачи напряжением 70кВ длиной около 70км до Измайловской подстанции.
Развитие электрических сетей, разрушенных в годы гражданской войны, началось примерно с 1920г. в соответствии с планом ГОЭЛРО. Этим планом была предусмотрена централизация электроснабжения всего народного хозяйства путем строительства крупных электростанций и электрических сетей и последовательного объединения электростанций в районные и межрайонные энергетические системы. Уже в те годы для специалистов было ясно, что объединение электростанций в энергетические системы сулит несомненные преимущества перед автономными системами электроснабжения. К основным преимуществам такого объединения следует отнести:
· наилучшее использование установленной мощности агрегатов электростанций, повышение их экономической эффективности в целом;
· снижение суммарного максимума нагрузки объединяемых систем;
· уменьшение суммарного необходимого резерва мощности;
· облегчение работы системы при авариях и ремонтах;
· увеличение единичной мощности агрегатов, устанавливаемых на электростанциях и подстанциях.
В 1922г. была введена первая очередь Каширской государственной районной электростанции (ГРЭС) мощностью 12МВт с первой линией электропередачи 110кВ до Кожуховской подстанции в Москве, а в 1925г. были введены в действие первая очередь Шатурской ГРЭС мощностью 32МВт и двухцепная линия 110кВ Шатурская ГРЭС—Москва, доведенная до центра города, а затем до Карачаровской и Кожуховской подстанций. Это было, по существу, начало создания Московского кольца напряжением 110кВ. К этому кольцу по радиальным линиям присоединялись другие районные электростанции.
В 1926г. была пущена Волховская гидроэлектростанция (ГЭС) мощностью 56МВт, которая двумя линиями 110кВ протяженностью 130км была соединена с Северной подстанцией Ленинграда. В том же году была пущена линия 110кВ от Горьковской ГРЭС до г.Горького. Так, уже к 1929г. протяженность электрических сетей напряжением выше 10кВ увеличилась до 2032км, соответственно увеличилась и мощность понизительных подстанций.
Развитие электрических сетей, появление сравнительно протяженных линий электропередачи, объединение на параллельную работу ряда электростанций потребовали развития научных исследований в области передачи и распределения электрической энергии. В Москве был создан Государственный экспериментальный электротехнический институт (ГЭЭИ), который впоследствии был переименован во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ).
Здесь изучались процессы, происходящие в электропередачах высокого и сверхвысокого напряжений, проводились исследования по вопросам создания соответствующей высоковольтной аппаратуры.
Теоретические и экспериментальные исследования проблем, связанных с передачей и распределением электроэнергии, проводились также в Ленинградском политехническом институте, Московском высшем техническом училище и ряде других высших учебных заведений.
Уже в конце 1920-х годов научно-исследовательские и проектные организации, заводы начинают создавать отечественное электротехническое оборудование. В это же время была принята единая шкала номинальных напряжений (3, 6, 10, 35, 110кВ), предполагалось в дальнейшем применение напряжений 220 и 380кВ.
В 1926г. была создана диспетчерская служба в Московской энергосистеме, а впоследствии аналогичные службы были созданы в Ленэнерго, Уралэнерго и других энергосистемах.
Для 30-х годов XXв. характерно стремительное увеличение темпов электрификации, развития электроэнергетического хозяйства. Значительно уплотнился график электрической нагрузки. Годовое число часов использования мощности всех электростанций возросло с 2720 в 1928 г. до 4650 в 1940г., а для районных электростанций этот же показатель возрос с 3260 до 5481 часа в год. За этот период изменился характер электростанций — заметно увеличилась единичная мощность агрегатов, увеличился удельный вес электростанций, построенных у источников топлива, увеличилась доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии. Это, в свою очередь, привело к необходимости передачи электроэнергии на дальние расстояния, что, естественно, требовало повышения напряжения. Последнее обусловило значительное развитие электрических сетей для передачи и распределения электроэнергии.
Так, например, мощность Московской энергосистемы к 1935г. достигла 900МВт с длиной электрических сетей 110кВ 1900км; мощность Уральской энергосистемы, протянувшейся на 1000км от Соликамска до Магнитогорска, достигла 650МВт.
Впервые было применено напряжение 220кВ в Ленинградской энергосистеме, где в 1933г. была построена электропередача протяженностью 240км Нижне-Свирская ГЭС—Ленинград. Впоследствии это напряжение было применено и в других энергосистемах, а также при сооружении линий межсистемных связей.
Рост мощностей и дальности передачи электроэнергии, необходимость повышения надежности электроснабжения потребовали решения ряда новых технических проблем. Особое значение при возрастающей дальности передачи электроэнергии получили вопросы расчетов устойчивости параллельной работы электростанций и способов обеспечения этой устойчивости. На основе глубокого изучения переходных процессов в электрических системах была разработана методика расчетов, проведены исследования в электрических системах. Были изучены вопросы аварийного регулирования турбин, исследованы возможности повышения мощности и дальности передачи при помощи автоматического регулирования возбуждения синхронных машин; был создан электронный регулятор напряжения. В эти годы были найдены реальные средства повышения пределов динамической устойчивости: форсировка возбуждения синхронных генераторов, применение аварийной разгрузки по частоте (АЧР).
Во второй половине 30-х годов XXв. уже велась разработка вопросов, связанных с возможностью передачи электроэнергии от будущей Куйбышевской ГЭС в район Москвы на напряжении 380—400кВ; в Ленинграде в Ленинградском энергофизическом институте была построена опытная трехфазная линия 500кВ, на которой проводились исследования на дальнюю перспективу — использование более высоких напряжений для передачи электроэнергии.
В годы Великой Отечественной войны энергосистемам и электрическим сетям, оказавшимся в зоне военных действий, был нанесен огромный ущерб — было разрушено более 10тыс. км линий электропередачи напряжением более 10кВ. Но уже в конце 1941г. начались восстановительные работы, и в 1945г. общая протяженность электрических сетей превысила довоенный уровень. В 1946—1950гг. происходит объединение энергетических систем Центра. Для координации и управления объединенными энергосистемами и регулирования перетоков мощности было создано объединенное диспетчерское управление (ОДУ) Центра, которое в 1959г. было реорганизовано в объединенное диспетчерское управление Единой энергетической системы (ОДУ ЕЭС). Мощность объединенной энергетической системы (ОЭС) Центра, в состав которой входили Московская, Ярославская, Ивановская и Горьковская энергосистемы, достигла в 1959г. 2183МВт.
Наибольшее развитие энергосистем и их объединение происходят в 50-х годах XXв. в результате сооружения мощных электростанций на реках Волге, Каме и строительства первых линий электропередачи 400кВ, переведенных впоследствии на напряжение 500кВ. В связи с большим ростом уровня энергетики оказалось целесообразным строительство крупных тепловых электростанций с агрегатами большой единичной мощности, что создало необходимые условия для построения крупных объединенных энергосистем.
Необходимость создания дальних линий электропередачи напряжением 500 кВ и протяженностью более 1000км потребовала решения новых сложных технических проблем и проведения большого объема научно-исследовательских работ. Большое значение для линий электропередачи этого класса напряжений имели вопросы обеспечения устойчивости параллельной работы, защиты от перенапряжений, коронирования, надежной работы автоматики и релейной защиты. И эти задачи решались усилиями ученых и инженеров многих научно-исследовательских институтов, проектных организаций, высших учебных заведений. Были разработаны системы автоматического регулирования с регуляторами «сильного действия» в цепях возбуждения синхронных генераторов. В целях снижения индуктивного сопротивления линии для повышения натуральной мощности и устойчивости передачи разрабатывались вопросы оптимального расщепления проводов каждой фазы, что одновременно позволило снизить потери на коронирование. Для повышения пропускной способности электропередачи были разработаны вопросы применения продольной емкостной компенсации, осуществляемой включением в линию батарей конденсаторов. Общая протяженность линий электропередачи 500кВ к концу 1970г. составила около 14тыс.км.
Сооружение крупных электростанций, объединение энергосистем требовали еще большей пропускной способности, чем пропускная способность линий 500кВ. В связи с этим в ряде ведущих промышленно развитых стран (СССР, США, Канаде) велись интенсивные работы по дальнейшему повышению пропускной способности электропередач и связанному с этим повышению их напряжения.
В 1967г. была введена в эксплуатацию первая опытно-промышленная электропередача 750кВ Конаковская ГРЭС — Москва протяженностью 90км, а уже к 1985г. протяженность линий электропередачи этого напряжения составила более 6тыс.км.
Рост мощностей электростанций (тепловых и атомных — до 4млн кВт, гидроэлектростанций — до 6млн кВт), увеличение дальности передачи электроэнергии потребовали внедрения линий электропередачи нового класса напряжений переменного тока 1150кВ, а также строительства линий электропередачи постоянного тока напряжением 1500кВ. Первые линии электропередачи новой ступени напряжения переменного тока 1150кВ были введены в 1985г. на участках Экибастузская ГРЭС—Кокчетав —Кустанай.
В результате в России сложились две шкалы номинальных напряжений воздушных линий электропередачи:
1) 110—150—330—750кВ;
2) 110— 220—500—1150кВ.
Каждая последующая ступень в этих шкалах превышает предыдущую примерно в 2 раза, что позволяет повысить пропускную способность линий примерно в 4 раза.
Следует отметить, что повышение номинального напряжения линий электропередачи имеет и экономические преимущества, так как при этом резко снижается удельная (на 1км) себестоимость передачи электроэнергии и сужается коридор, отводимый под прокладку трасс электропередач. Первая шкала напряжений получила распространение в северо-западных областях России, на Украине и на Северном Кавказе, вторая — в центральных областях и на всей территории России к востоку от Москвы.
В настоящее время линии 110—150—220кВ используются главным образом в районных распределительных сетях для передачи электроэнергии к крупным узлам нагрузки. Электропередачи 330—500—750—1150кВ, по которым может быть передана мощность от 350 до 5000МВт, решают задачи системного характера. Они используются для создания мощных межсистемных и внутрисистемных связей, передачи электроэнергии от удаленных электростанций, например атомных, в приемные системы.
Рост пропускной способности и номинального напряжения электропередач давался нелегко. Каждый последующий шаг требовал решения сложных научно-технических задач, и их сложность возрастала по мере роста напряжения линий. К числу основных проблем, требовавших решения, можно отнести следующие:
· потери мощности и энергии на коронирование, а также радиопомехи, излучаемые линией;
· создание надёжной изоляции и снижение возможных перенапряжений;
· большие сечения проводов при больших передаваемых мощностях;
· компенсация зарядной мощности линий;
· увеличение токов коротких замыканий в связываемых системах;
· повышение пропускной способности электропередач и устойчивости параллельной работы электростанций;
· ухудшение экологии, что связано с возрастанием напряженности электрического поля под линией и его отрицательным воздействием на живые организмы;
· разработка коммутационной аппаратуры и многие другие.
В 1994г. в основном завершился процесс разгосударствления предприятий топливно-энергетического комплекса. При этом государственные предприятия и организации изменили форму собственности и были преобразованы в акционерные общества.
В электроэнергетике было создано Российское акционерное общество энергетики и электрификации (РАО «ЕЭС России»), в уставной капитал которого переданы в качестве государственного вклада:
· основные системообразующие линии электропередачи, образующие единую энергетическую систему России;
· средства управления режимами электроэнергетических систем;
· 51% акций крупнейших электростанций;
· 49% акций каждого регионального акционерного общества энергетики;
· научно-исследовательские и проектные организации отрасли.
В перспективе наряду с разработкой высокоэффективного производства электроэнергии программой «Энергетическая стратегия России» предусмотрена разработка столь же эффективных систем ее передачи, распределения и использования.
В решении этих задач исключительно велика роль разработок в области электрофизики, обеспечивающих в первую очередь:
· создание линий электропередачи сверх- и ультравысокого напряжения и принципиально нового оборудования для них;
· разработку теории предельного состояния электрических генераторов;
· создание новых силовых преобразовательных устройств, полупроводниковых приборов для коммутации токов мегаамперного диапазона.
Решение этих задач должно сочетаться с углубленным анализом вопросов развития, функционирования, устойчивости и надежности Единой энергетической системы России, ее связей с электроэнергетическими системами других стран, в первую очередь стран Союза Независимых Государств (СНГ).