Принципы работы единой энергосистемы России
В связи с участившимися случаями мракобесия решил немного разложить по полочкам основные понятия о том, как в розетку попадает шайтан и кто им командует. А заодно вызвать глубокий приступ паранойи у лиц с неустойчивой психикой. Сразу скажу, что пишу это в очень упрощенной форме, поэтому специалистов прошу не плеваться, а по необходимости дополнить где считаете нужным, но простым и понятным для всех языком.
Пока первые две части.
Часть 1. Энергосистема. Энергосистема – это совокупность источников энергии (все электростанции), средства передачи и распределения электроэнергии (ЛЭП и подстанции) и потребителей (города, села, заводы). Почему совокупность? Электроэнергия обладает одним очень нехорошим свойством: ее нельзя накапливать (в промышленных масштабах, различные аккумуляторы не в счет). Поэтому нельзя вывести станции на постоянную полную мощность и радоваться – количество производимой энергии должно точно соответствовать количеству потребляемой. Для этого и нужны средства пе едачи, особенно в России, растянутой на 9 часовых поясов. Если будет избыток энергии – станции будут недогружены и начнется повышение частоты (как двигатель без нагрузки), а если энергии недостаточно – перегружены, и соответственно падение частоты. Эти события могут переходить в лавинообразную стадию, когда падение частоты способствует увеличению нагрузки, а увеличение нагрузки – еще большему падению частоты. Для согласования всего этого хозяйства по мощности служит автоматика регулирования на станциях, задающая мощность генерирования в соответствии с текущей ситуацией. Средства передачи (магистральные ЛЭП) обеспечивают передачу энергии из районов с избытком электроэнергии в районы с недостатком. Так достигается шаткий баланс. Другой аспект – синхронность работы станций. В энергосистеме работает много объединенных в одну сеть генераторов, и если синхронность («одинаковость») между ними будет потеряна, то они будут выступать друг для друга нагрузкой, тратить энергию на то чтобы друг друга подгонять или тормозить. А поскольку генераторы в энергетике немножко больше чем в туареге, то вся система начинает походить на кучу огромных маятников, связанных веревками: пока маятники качаются одинаково – все хорошо, можно даже что-нибудь полезное привязать к этим веревкам, но как только возникнет разбаланс – ве ревки сначала натянутся, а потом просто порвутся. В определенной мере генераторы способны сами подстраиваться под имеющуюся в сети частоту («втягиваться в синхронизм»), но это зависит от соотношения мощностей (массы маятников) и величины небаланса. При этом возникают т.н. «качания» (когда маятники начинают друг друга подталкивать). Если все разваливается – возникает «асинхронный ход» – когда работа объединенных генераторов уже не зависит друг от друга. При этих событиях по линиям передаются огромные мощности, уходящие коту под хвост. Мощность, передаваемая по ЛЭП, ограничена пропускной способностью этой ЛЭП. ЛЭП – штука дорогая, как и все в энергетике, поэтому чем ближе передаваемая мощность к номинальной – тем лучше (тем меньше будет себестоимость передачи электроэнергии – опять бабки, дадад). Все эти гигаватты, летающие туда-сюда по магистральным линиям, попадают до потребителей через ряд понижающих подстанций, снижающих напряжение с сотен киловольт до нужных нам 0,4 (ну т.е. 380, в энергетике принято это называть 0,4 кВ). А те самые 220, которые сидят в розетке – это треть от 0,4. (фаз-то три, только там еще корешок в знаменателе). К заводам как правило приходит 6 или 10 кВ и на собственной подстанции понижается до 0,4. Еще железные дороги от всего этого питаются, но там своя отдельная песня со своими тараканами. Вот как-бы и все. Когда энергосистема работает в нормальном режиме, у каждого из нас из розетки по сути тянется проводок и до ЧАЭС, и до СШГЭС, и до Пети Пупкина, мирно храпящего на другом конце страны. И все это было сделано в СССР. Для справки: Установленная мощность электростанций ЕЭС России на конец 2011 г составила 218 ГВт, объем вводов за год составил 4,8 ГВт, вывод из эксплуатации 1,5 ГВт. ( http://www.bigpowernews.ru/news/document39178.phtml ) Установленная мощность в 1990г. 213 ГВт (к сожалению пока не понял – это вместе с отвалившимися позже союзными республиками или нет).
Вопрос раз. А почему бы не поделить все это на небольшие кусочки, работающие независимо друг от друга? – В небольшом кусочке отличие между максимальной и минимальной требуемой мощностью будет намного больше чем в единой системе. Тогда генерирующие мощности (если их достаточно для максимальной нагрузки) будут большее время простаивать, как мерседес в пробках – и тупо не окупятся. Если мощностей недостаточно – то периодически надо будет кого-то лишнего отключать, как в Японии без атомных станций. Размер колебаний этой мощности относит ельно всей установленной мощности также будет велик, и регулирование должно будет осуществляться в широких диапазонах и повышенных темпах, что может быть сложно даже технически.
Вопрос два. А что тогда сделал Чубайс? – Наверное из приведенного рассказа стало уже ясно, что энергосистема может хорошо работать только как единое целое, под жестким контролем и управлением. Не имея возможности продать все целиком – он разделил это (юридически) и продал по частям, под управление разных юрлиц (генерация, транзит, распределение). Сейчас, кстати, происходит обратное объединение, но об этом позже. Спросите любого энергетика (не менеджера), что он думает о Чубайсе – много интересного узнаете.
Часть 2. Аварии. Причин аварий может быть много, но изначально это короткие замыкания и обрывы (в ЛЭП или агрегатах), поломки оборудования (приводящие, как правило, к коротким замыканиям или обрывам), ошибки персонала и ошибки автоматики. Устранение повреждений на первом этапе выполняется автоматически путем отключения поврежденного оборудования от энергосистемы: в простейшем случае это плавкая вставка (предохранитель), дальше – автоматические выключатели, еще сложнее – устройства релейной защиты, управляющие выключателями. Все это автоматическое (за исключением отдельных случаев), поскольку необходимо выполнять одно из главных требований по отключению коротких замыканий (наиболее часто происходящего вида повреждений) – время отключения. Оно определяется треб ованиями по минимизации повреждения оборудования (чтобы его потом было легче восстановить) и главное – требованиями по сохранению устойчивости энергосистемы, о чем речь пойдет ниже. Чтобы было понятнее, типичное время отключения ЛЭП 110 кВ, трансформаторов, от быстродействующих защит – не более 0,1 секунды. Сильно не более. При отключении повреждения автоматика должна также определять область повреждения и отключать только поврежденный элемент (это называется «селективность»), чтобы все остальное оборудование продолжило работу – используя предусмотренные в проекте резервы. Эти задачи решаются т.н. устройствами релейной защиты, но о них чуть позже. По степени воздействия (или тяжести) все аварии в энергосистеме по большому счету можно разделить на три группы: проектные, запроектные и системные. Проектные аварии – это те аварии, которые предусмотрены в проекте. Например, если при отключении ЛЭП-1 город Энск будет в полной мере обеспечиваться электроэнергией по ЛЭП-2, -3, -4, и при этом их перегрузка не превысит допустимую в течении времени ремонта первой ЛЭП – то кроме ремонтников ЛЭП эту аварию никто и не почувствует. Максимум – моргнет. Предусмотренные проектом резервы позволяют передать в город необходимую энергию. Запроектные аварии – соответственно те, которые проектом не предусмотрены. Когда в том-же Энске отключилась ЛЭП-1, а через минуту ЛЭП-2 замкнулась с ЛЭП-3 из-за падения дерева – вся нагрузка легла на ЛЭП-4. Диспетчер (или автоматика), видя эту катавасию, принимает решение снизить нагрузку на ЛЭП-4 путем отключения неответственных потребителей – жилых кварталов. Это запроектная авария. Квартиры без света, но как только поврежденные ЛЭП починят – всех подключат обратно. Причиной запроектной аварии может быть сложность происходящих событий (как говорится, «ну, не повезло») и ошибки проекта. Системная авария – авария, приводящая к нарушению целостности энергосистемы, массовой остановке станций, обесточиванию крупных районов. Системные аварии – запроектные. Живейший пример – Индия. Если в нашем многострадальном Энске диспетчер не решится обесточивать квартиры (ну не написали такое в инструкции!) то ЛЭП-4 со временем либо сгорит либо будет отключена автоматикой защиты от перегрузки. Небольшая собственная ТЭЦ Энскэнерго работает с перегрузкой. Если нагрузка на ТЭЦ не будет снижена– ее генераторы либо будут автоматически отключены – либо сгорят. Возникает асинхронность ТЭЦ с сетью («качания»), которая еще сильнее нагружает ЛЭП-4. Последняя связующая нить рвется, неразгруженная вовремя ТЭЦ аварийно останавливаетс я. Чтобы запустить ТЭЦ обратно – нужен источник энергии. Системная авария: город отделен от энергосистемы, обесточен (кроме тех у кого есть дизель-генератор), ТЭЦ остановлена. Добавочная вводная: на дворе зима, -40. Еще и в энергосистеме возник избыток мощности, которая раньше потреблялась Энском. Энергосистема в целом является достаточно инерционной, поэтому системные аварии – в отличие от рассмотренных ранее коротких замыканий, повреждений – никогда не возникают мгновенно. Развитие аварии может идти часами, охватывая все большую и большую часть энергосистемы. Сначала происходит запроектная авария, которая требует принятия немедленных мер (специальной противоаварийной автоматикой – ПАА, и персоналом) по ее ликвидации. Если эти меры не принимаются, или выполняются неверные действия, или происходят еще аварии – ситуация с тановится все хуже и хуже и может привести к развалу всей энергосистемы вообще.
Вопрос 3. А почему-бы не поставить везде предохранителей или автоматов, которые спокойно отключат все поврежденное, и не мудрить лишнего? – При помощи простых средств защита организуется там где это возможно по вышеуказанным требованиям (обычно в сетях 0,4). Но в сетях более высоких классов напряжения такие устройства не смогут корректно работать – не почувствуют далеко произошедшего короткого замыкания, отключат сеть при пуске мощных двигателей.
Вопрос 4. Неужели нельзя в проектах предусмотреть все возможные неполадки? – Нельзя. Но об этом позже.