- Большое и беспокойное у вас хозяйство ... Но наверняка меньше проблем с таким, видимо, более простым слагаемым Единой энергетической системы, как линии электропередачи. Какова их роль и какими цифрами можно проиллюстрировать эту часть российской энергетической техники?
- С пониманием отношусь к такой оценке электрических сетей; человеку со стороны они, естественно, кажутся всего лишь проводами, подвешенными на столбах, или зарытыми в землю кабелями. На самом же деле электрические сети - это очень сложная техника - и по тем преобразованиям электроэнергии, которые в них производятся, и по физическим процессам, которые лежат в основе их функционирования, и по особенностям обслуживания самих сетей, и конечно же по своим масштабам: огромная общая протяженность, сложные конфигурации, колоссальная обслуживаемая территория.
Начну с масштабов, сделав короткое предисловие.
Во-первых, в каждом городе, в каждой деревне электростанцию не построишь, поэтому электроэнергию приходится перебрасывать на значительные расстояния. Во-вторых, чтобы избежать огромных потерь в линиях передачи, транспортировать электроэнергию нужно при высоком напряжении - тысячи, десятки тысяч и сотни тысяч вольт. В то же время потребителю нужно не столь опасное, а значит, более низкое напряжение - 100-200 В. И то и другое обеспечивают высоковольтные линии электропередачи с трансформаторными подстанциями. Перед отправкой электричества в дальний путь трансформатор повышает напряжение, а в конечном пункте другой трансформатор понижает его и направляет потребителю.
Для выполнения этой работы созданы сложные схемы электрических сетей с разветвленными линиями электропередачи, сотнями крупных трансформаторных подстанций, многоступенчатым повышением-понижением напряжения, объединением электростанций в крупные энергетические комплексы. В частности, для передачи больших мощностей на большие расстояния (сотни и тысячи километров) используют ЛЭП (линии электропередачи; встречается и аббревиатура ВЛ - воздушные линии) с особо высоким напряжением - 500, 750 и даже 1150 кВ. В пределах одного региона напряжения могут быть ниже - скажем, 110 или 220 кВ, в пределах населенного пункта - еще ниже, но не менее 6-10 кВ.
- А теперь, если можно, несколько слов о количествах.
- Российские энергетики доставляют потребителю произведенное ими электричество по линиям общей протяженностью 2,5 млн км, не считая, разумеется, местных распределительных сетей, скажем, внутри завода, в жилом микрорайоне или в загородном поселке. В высоковольтных электрических сетях страны 1 млн км линий напряжением выше 35 кВ, в том числе 150 тыс. км - напряжением от 220 до 1150 кВ. Общая мощность трансформаторов, преобразующих напряжение в процессе транспортировки электричества, почти в три раза превышает установленную мощность электростанций.
Электрическая сеть страны и дальше будет интенсивно развиваться. До 2020 года планируется построить примерно 30 тысяч километров ЛЭП на 500 кВ и выше, в основном они соединят региональные энергосети. Конечно, легко произнести: "миллион километров", "тысяча километров", поэтому на всякий случай напомню: 30 тыс. км новых высоковольтных ЛЭП - это три четырехпроводные магистрали (три фазы и общий провод) от Москвы до Владивостока, а 2,5 млн км российских электрических сетей - это примерно 8 перегонов Земля-Луна.
Если говорить о кабельных линиях, подземных и подводных, то их прокладывают там, где воздушные ЛЭП протянуть нельзя, в частности в городах и пригородах, на территории предприятий. Современный кабель представляет собой гибкую трубу диаметром всего 15-20 сантиметров, по которой передаются миллионы киловатт электрической энергии при напряжении в сотни тысяч вольт! Протяженность городских электрических кабельных сетей исчисляется тысячами километров; в Москве, например, проложено 80 тыс. км электрических кабелей.
- Для чего нужно имеющееся сегодня разнообразие высоких напряжений? Почему бы для всех ЛЭП не принять единое высокое напряжение и отказаться от многоступенчатого его понижения -повышения, упростив этим всю систему?
- Энергетики кроме своих "амперов" и "омов" традиционно особое внимание уделяют еще одной единице - рублю. Километр линии электропередачи напряжением 500 кВ (ЛЭП-500) стоит в 2-2,5 раза дороже, чем километр ЛЭП-110, а километр ЛЭП-750 еще в 5-7 раз дороже. Никто не хочет платить лишнее, поэтому при проектировании ЛЭП напряжение повышают тогда, когда более низкие его значения ведут к увеличению потерь в линии из-за больших расстояний и больших передаваемых мощностей. Стоимость ЛЭП растет, в частности, из-за того, что сама линия, само это инженерное сооружение становится более крупным и сложным. Дело в том, что с повышением напряжения ЛЭП необходимо увеличивать изоляционные промежутки между токоведущими частями, а из-за этого растут габариты опор. Возникает также явление коронного разряда, приводящее к еще большим потерям в линии электропередачи. Чтобы снизить потери, энергетикам приходится применять различные технические решения: увеличивать сечение проводов, расщеплять провода и так далее.
По Правилам устройств энергоустановок (ПУЭ), расстояние между проводами, например на ЛЭП-110, может достигать 4,5 м, а на ЛЭП-750 - 12-15 м. Провод линии электропередачи на 35 кВ висит на гирляндах из двух-трех изоляторов, а на ЛЭП-220 в гирлянде должно быть уже 12-14 изоляторов. Между тем каждый изолятор - это "деталька" высотой примерно 20 и диаметром 30 см. Чтобы проиллюстрировать масштаб сооружений ЛЭП, приведу еще такой пример: отдельная фаза ЛЭП-1150 расщепляется на восемь проводов, между которыми может пройти человек. Кроме того, с ростом напряжения усложняется все технологическое оборудование линии: разного рода разъединители, переключатели, система контроля, автоматика, защита. Нельзя забывать и о том, что конструкции опор должны выдерживать огромные ветровые и гололедные нагрузки. Высота опор ЛЭП напряжением 500-750 кВ на равнине достигает 50 м, а на трассе, проходящей через реки или по горной местности, ставят опоры высотой до 120 м.
- В ближайшие годы будет построено примерно 30 тысяч километров линий электропередачи на 500 кВ и выше. Для чего они создаются? И зачем вообще нужно в больших количествах перебрасывать энергию из региона в регион, объединять в единую сеть электростанции и региональные электросети?
- У объединения электростанций и региональных энергосетей есть несколько достоинств. Во-первых, это так называемый мощностной эффект: реальная суммарная мощность нескольких объединенных станций выше, чем сумма мощностей каждой из них при самостоятельной работе. Дело в том, что на любой электростанции при обособленной работе как минимум один агрегат находится в резерве или простое, чтобы не допустить перебоев в поставке энергии потребителю и обеспечить ремонтные работы. Когда же объединяются несколько электростанций, можно оставить в резерве всего один-два агрегата, тогда остальные "резервисты" будут нормально работать. Тем самым увеличивается суммарная мощность и значительно более эффективно проводится ремонт. Во-вторых, в больших электросетях, особенно если они охватывают разные часовые пояса, можно перебрасывать электроэнергию в районы с пиковой нагрузкой с тех станций, которые в данный момент недогружены. Это, естественно, позволяет более эффективно использовать мощности электростанций при неравномерном потреблении энергии как в течение суток, так и в течение года (в жилых районах, в частности, потребление резко возрастает в вечерние часы, в промышленных - во время рабочих смен).
В пользу дальней транспортировки электричества говорит и такой факт: в отдаленных районах с большими запасами низкосортного угля строятся мощные ТЭС, которые по сверхвысоковольтным линиям перебрасывают электричество за тысячи километров в густонаселенные промышленные районы, и это намного выгоднее, чем возить туда уголь для местных электростанций. Наглядный пример реализации этой стратегии - намечаемое сооружение электрического транзита Сибирь - Урал - Европейская часть России. Он позволит вовлечь в народнохозяйственный оборот эффективные энергетические ресурсы Сибири.
Развитая система транспортировки электричества в самое ближайшее время поможет ввести рыночные механизмы в сферу, которая у нас в стране долго считалась недоступной для рынка, - в производство и потребление энергии. Наконец, крупные энергосистемы с развитыми сетями для энергетического обмена, объединяющие большее число электростанций, между которыми существует взаимопомощь или даже взаимозамена, есть важный элемент энергетической, а значит, и общей безопасности страны. Федеральный закон определяет ее так: "Национальная безопасность есть состояние защищенности жизненно важных интересов личности, общества, государства от внутренних и внешних угроз экономического, политического, социального, техногенно-антропогенного и природного характера".
- Как же в целом выглядит российская Единая энергетическая система?
- В ней шесть крупных Объединенных энергосистем (ОЭС) - Центра, Средней Волги, Урала, Северо-Запада, Северного Кавказа, а также работающая пока самостоятельно ОЭС Востока (в нее входят Приморская, Хабаровская, Амурская энергосистемы и Южно-Якутский энергорайон), которая вскоре тоже будет включена в ЕЭС. Основные цифры, характеризующие этот гигантский комплекс, я уже называл: 900 тыс. инженеров, техников, рабочих, 56 крупных электростанций, 2,5 млн км линий электропередачи, 215 млн кВт установленной мощности, 890 млрд кВт/ч производимой в год электроэнергии, не считая огромного количества поставляемого тепла. Энергетическая система России работает синхронно (с единой частотой) с энергосистемами Украины, Молдавии, Белоруссии, Эстонии, Латвии, Литвы, Грузии, Азербайджана, Армении, Казахстана и Монголии. Через энергосистему Казахстана ЕЭС России связана с энергосистемами Узбекистана, Киргизии, Туркменистана и Таджикистана. Через вставку постоянного тока, которая, используя мощные полупроводниковые преобразователи, позволяет перейти от одного стандарта переменного тока к другому, ЕЭС работает с энергосистемой Финляндии и через нее - с энергосистемами других Скандинавских стран - Норвегии, Швеции и Дании. От сетей ЕЭС России осуществляется приграничная торговля электроэнергией с Норвегией и Китаем. Решаются конкретные технические задачи выхода в Западную Европу и другие регионы мира.
- Кто и как управляет всем этим огромным комплексом?
- Управляет РАО "ЕЭС России" - я имею в виду технологическое управление Единой энергосистемой страны - через вертикаль круглосуточного диспетчирования. Управление многоступенчатое, с единой системой сбора исходной информации, с широким использованием вычислительной техники и автоматики. В опасных ситуациях или при явной угрозе автоматы не только подают сигнал диспетчерам, но сами своевременно производят необходимые аварийные отключения. Высший управляющий уровень - Центральное диспетчерское управление всей ЕЭС, затем - шесть диспетчерских управлений ОЭС, далее - 66 центральных диспетчерских служб и 120 диспетчерских пунктов. Направленность управления тоже иерархическая: оптимизируется режим работы на всех уровнях, начиная с каждого электрогенератора, каждой электростанции и кончая Объединенной энергосистемой, а все вместе они решают главную задачу ЕЭС - надежное энергоснабжение страны. Все крупные и особо важные ГЭС находятся в оперативном управлении и ведении Центрального или областных диспетчерских управлений.
- Что может изменить в Единой системе так называемая альтернативная энергетика, в частности солнечные, ветровые, геотермальные, приливные электростанции, и иные сравнительно новые технические решения?
- Мы, производственники, следим за научными поисками и новыми техническими решениями, которые могут изменить к лучшему или радикально улучшить ситуацию в энергетике. Более того, по мере сил мы поддерживаем эти направления, участвуем в создании и практическом исследовании нового. Так, в свое время российские энергетики построили в Крыму опытную солнечную электростанцию мощностью 5 МВт по классической схеме с паровым котлом и зеркалами, концентрирующими на нем солнечные лучи. На Камчатке в прошлом году начала работать сравнительно крупная Верхне-Мутновская геотермальная электростанция мощностью 25 тыс. кВт. В Дании, ФРГ, Англии, Испании и других европейских странах уже работают комплексы из нескольких десятков ВЭС - ветроэлектростанций. Мощность такого комплекса вполне ощутимая - до 40 тыс. кВт, хотя стоимость электричества сравнительно высокая (несмотря на "бесплатный ветер"), да и по части экологии они не без греха. В Калининградской области сооружается ВЭС в составе более 20 агрегатов суммарной мощностью более 4 МВт. Первые пять агрегатов суммарной мощностью 1,5 МВт уже работают. В Архангельской области в сотрудничестве с американскими специалистами тоже строится комплекс крупных современных ВЭС. Ведутся работы и по использованию топливных элементов мощностью до 10 тыс. кВт, где топливо превращается в электричество напрямую, без паровых котлов, турбин и электрогенераторов. Напомню, что топливные элементы мощностью несколько киловатт снабжали электричеством космические корабли "Аполлон". Мы внимательно следим за исследованиями в области высокотемпературной сверхпроводимости. Ее использование позволит, в частности, создавать огромные "склады" электричества: циркулируя без потерь по катушке большой индуктивности, ток будет запасать энергию в ее магнитном поле. Оптимизм вселяют успехи физиков, которые настойчиво продвигаются к созданию термоядерного реактора - он может дать начало совершенно новой энергетике.
Мировой опыт, однако, подтверждает, что пока рано говорить об уверенном вхождении перечисленных технологий в большую энергетику, в крупномасштабное производство электричества. Например, киловатт-час электроэнергии, полученной на геотермальной электростанции (ГеоЭС) за счет бесплатного тепла земных недр, оказывается настолько дорогим, что строить такие станции имеет смысл лишь в тех районах, где привозное топливо обходится еще дороже. Пока же мы должны повышать надежность работающей на страну энергетической системы, улучшать ее экономические параметры, снижать удельное потребление топлива, делать производство электроэнергии экологически более чистым.
- Но не отвлекают ли эти повседневные заботы от мирового прогресса, от большой науки?
- Нет, потому что отвлечь невозможно. Электроэнергетика по самой своей природе стоит на фундаменте многих наук, прежде всего математики, физики, химии, теплотехники, гидротехники, информатики. На отечественную энергетику работают несколько десятков профильных институтов высокого мирового уровня; энергетической тематикой занимаются академические институты, сильные вузовские лаборатории. Именно на основе научных исследований выполняется большинство производственных задач. Перечислю лишь несколько уже решенных проблем разного уровня сложности. Отечественными учеными и инженерами разработаны уникальные, не имеющие аналогов в мире так называемые асинхронизированные турбогенераторы; нашли применение комплексы устройств для противоаварийного управления режимами работы энергосистем; разработаны и серийно выпускаются изоляторы из композиционных материалов (полимерные); создан измерительный комплекс, дающий возможность по тепловому излучению непрерывно оценивать состояние агрегатов и отдельных деталей на расстоянии до 30 м; внедряется работающая со скоростью света система защиты от дуговых коротких замыканий; разработан генератор с обмотками из высоковольтного кабеля вместо проводников, он позволяет получать на выходе напряжение 100 кВ вместо обычных 10-15 кВ. Полный список даже в сжатом виде наверняка занял бы полжурнала. И не забудьте включить в него новые технологии, о которых мы говорили раньше.
- В числе рядовых, текущих своих забот вы назвали экологическую чистоту производства электричества. Что делает наш энергетический гигант, чтобы уменьшить нагрузку на окружающую среду?
- За год на электростанциях страны сжигается примерно 140 млрд м3 газа, 136 млн т угля, 10 млн т мазута. Какая-то часть сгоревшего топлива, естественно, уходит в атмосферу. В масштабах страны годовые выбросы составляют 3,5 млн т, то есть около 1% сгоревшей массы. На 360 объектах ЕЭС проведена "инвентаризация" выбросов. Мы целенаправленно работаем над снижением их компонентов, в частности тяжелых металлов, твердых частиц, окислов серы, окислов азота, газов, способствующих появлению парникового эффекта. Для решения столь сложной задачи нужны немалые технические средства, финансовые вложения, и мы постоянно этим занимаемся.
Защиту окружающей среды поддерживают международные документы, в частности Конвенция ООН и Киотские протоколы к ней, по которым для всех стран, в том числе и для нашей, определены допустимые уровни конкретных выбросов вредных веществ. В целом Россия все требования выполняет, а к 2010 году у нас может образоваться своего рода "запас" по квотам на снижение выбросов. В РАО ЕЭС существует экологическая программа до 2005 года и уже разрабатывается новая - до 2015 года. Мы добились неплохих показателей: за 10 лет общее количество выбросов уменьшилось на 32%; за последние пять лет снизились выбросы золы на 29%, окислов азота - на 14% и диоксида серы - на 10%. Сегодня отношение к проблеме экологической безопасности регламентируется четкими решениями и планами, столь же обязательными, как, например, ввод новой техники или плановый ремонт турбин.
- Вы упомянули рыночные отношения в области производства и потребления электроэнергии. Что имеется в виду?
- Это совсем иная тема, серьезная и очень важная. Не хочется ее комкать, но суть дела попробую коротко объяснить. В последнее время в экономической и технической политике РАО "ЕЭС России" произошли радикальные перемены. Сейчас в это трудно поверить, но еще несколько лет назад чуть ли не половина потребителей рассчитывалась с энергетиками по бартеру - ты мне электричество, я тебе цемент или колбасу. За этим, естественно, крылась огромная утечка материальных средств, предприятия обрастали посредниками, криминальными структурами. Все это сопровождалось финансовым хаосом, в частности накоплением неплатежей и астрономической задолженности поставщикам топлива. Сегодня все изменилось. У нас появилась возможность сделать решительный шаг - ввести в саму систему рыночные отношения.
В России за последнее десятилетие в рынок вошли практически все производственные отрасли, а энергетика осталась в прежнем своем состоянии. Вместе с тем если появятся разные независимые производители энергии, то они начнут конкурировать на свободном энергетическом рынке, и сама эта конкуренция (а не спускаемые сверху, как сейчас, циркуляры) заставит их бороться за потребителя, думать об экономической эффективности, о конкурентоспособных тарифах. Чтобы добиться хороших показателей, нужно поднимать эффективность техники, повышать квалификацию персонала, технологическую дисциплину, культуру обслуживания. Богатый зарубежный опыт показывает целесообразность таких подходов. Предполагается, что и в рыночной системе государство сохранит эффективные рычаги воздействия на энергетику, как это принято во всем мире. Именно такая стратегия обеспечивает инвестиционную привлекательность отрасли, ее сбалансированное и поступательное развитие.
На практике переход к рынку энергопроизводства может выглядеть так: существующие территориальные комплексы электростанций образуют юридически и финансово самостоятельные структуры, которые стараются удержать своих традиционных потребителей, а также, оплачивая вместе с покупателями транзит электроэнергии по высоковольтным линиям электропередачи, поставлять ее в другие регионы. Для сохранения управляемости ЕЭС России в условиях рынка образуются Федеральная сетевая компания (ФСК), в которую входят электрические сети на 330 кВ и выше и сети на 220 кВ, выполняющие системообразующие функции, а также Системный оператор (СО) рынка - в его составе Центральное и областные диспетчерские управления ЕЭС России. ФСК и СО обеспечивают свободный доступ потребителей и производителей электроэнергии к транспортной инфраструктуре. Контрольный пакет акций этих компаний сохраняется за государством. План подобной реструктуризации энергетики, представленный здесь в предельно упрощенном виде, прошел парламентские слушания в Государственной думе и в июле 2001 года был одобрен Правительством Российской Федерации.
На пути к рынку многие крупные промышленные комплексы и даже целые отрасли народного хозяйства прошли через серьезные испытания вплоть до полного развала и последующего нелегкого становления в новом качестве. Электроэнергетика не должна, да и просто не может, подвергаться подобным экспериментам - она имеет все, чтобы войти в рынок, так сказать, в работающем состоянии войти осознанно, продуманно, спокойно, планово. И, главное, не ухудшая и без того тяжелого положения миллионов своих потребителей.
Беседу ведет специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь" Р. СВОРЕНЬ.ЛИТЕРАТУРА
Из публикаций журнала "Наука и жизнь" о проблемах энергетики
Викторов А. Как начиналась наша гидроэнергетика . - № 4, 1990.
Гаврилов В., докт. геол.-минер. наук. Энергетика на перепутье . - № 1, 1990.
Григорьев Ю. С высоким коэффициентом ускорения . - № 10, 1997.
Губарев В. Ураган над Кольской атомной. - №№ 9-12, 1998.
Кириллин В., акад. РАН. Научно-техническая революция и проблемы энергетики . - № 5, 1974.
Кириллин В., акад. РАН, Шейндлин А., акад. РАН. МГД-электростанция - реальность завтрашнего дня. - № 4, 1980.
Львов Г. Чернобыль: анатомия взрыва. - № 12, 1989.
Макаров А., член-корр. РАН, Вольфберг Д. Стратегия энергетики . - № 2, 1993.
Непорожний П. Труженики электрического океана. - № 5, 1974.
Николаев Г. Будет ли переворот в энергетике . - № 9, 2000.
Никулин И. Крупные, но вчера... - № 2, 1993.
Ольховский Г., докт. техн. наук. ТЭС XXI века. - № 3, 1994.
Сторожук К. Время электричества . - № 12, 1972.
Транковский С. Малые реакторы для больших задач. - № 5, 1993.
Энергетика будущего /Л. Арцимович, В. Кириллин, А. Фрумкин, Н. Доллежаль, М. Миллионщиков. - № 5, 1984.
Энергетика мира. Взгляд в будущее. - № 12, 1980.
Энергетическая программа страны. - № 8, 1984.
Подробности для любознательных
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПРЕОДОЛЕНИЯ РАССТОЯНИЙ
Один и тот же гвоздь можно вбить в деревяшку, сделав два-три сильных удара молотком или с десяток слабых. Подобно этому одну и ту же электрическую мощность можно получить при большом напряжении и малом токе или, наоборот, - при большом токе и малом напряжении. Коротко говоря, мощность (в ваттах) равна произведению напряжения (в вольтах) и тока (в амперах). Или еще короче: Р(Вт)=U (B).I (A). Для иллюстрации отметим, что одинаково ярко будут светиться сетевая лампочка на 120 вольт при токе 1 ампер и автомобильная лампочка на 12 вольт при токе 10 ампер (у обеих мощность 120 ватт). Казалось бы, передавать энергию на большие расстояния тоже можно при любых соотношениях U и I, однако это не так.
При передаче по проводам часть электроэнергии теряется, и зависят эти потери от квадрата тока (I2): увеличится ток в два раза - потери возрастут в четыре раза, увеличится ток в 100 раз, потери станут больше в 10 000 раз. Даже при расстоянии всего в несколько десятков километров дело может дойти до того, что потребителю достанется лишь несколько процентов мощности отправленной ему электроэнергии, все остальное потеряется в линии передачи. Вывод: при передаче электрической мощности на большие расстояния напряжение U должно быть как можно больше, а ток I - как можно меньше, именно он есть первопричина потерь.
Для транспортировки электрической энергии используются трансформаторы. Электрический трансформатор (от латинского transformo - преобразую) - устройство для преобразования напряжения в электрических сетях. Собранные на подстанциях большие мощные трансформаторы (например, размером с газетный киоск) сначала повышают напряжение, полученное от электрогенераторов, и направляют его в высоковольтную линию, а затем в месте доставки понижают напряжение до уровня, пригодного для потребителей, - 380/220 В или - в некоторых странах (США, Япония, Индия и др.) - до 200/110 B. Линии напряжением до 220 кВ используют для передачи электроэнергии на десятки, сотни километров. Эти линии, рассчитанные главным образом на напряжение 35 кВ и ниже, выполняют еще и распределительную функцию: разветвляясь, доставляют электроэнергию потребителям. Высоковольтные линии напряжением 220 кВ и выше перебрасывают электроэнергию на сотни и тысячи километров, связывают крупные регионы, образуют огромные электрические сети и системы.
