Ключевые слова: электроэнергия, электропередача, переменный ток, постоянный ток, сверхвысокое напряжение, ультравысокое напряжение, глобализация электроснабжения, глобальная электроэнергетическая система

Введение

Формирование систем централизованного электроснабжения стало одним из важнейших результатов технологического развития энергетики в индустриальный период [1]. Их создание было обусловлено, прежде всего, концентрацией производства электроэнергии на крупных электростанциях (тепловых, атомных, гидравлических), расположенных вдали от центров энергопотребления. Сооружение таких электростанций было вызвано процессом укрупнения энергетического оборудования, в основе которого лежали экономические соображения. Единичная электрическая мощность энергоблоков тепловых и атомных электростанций достигла 1200-1500 МВт. В России была создана одна из крупнейших в мире Единая электроэнергетическая система страны (ЕЭС России), общая установленная мощность электростанций в которой на начало 2019 г. достигла 243,2 ГВт. Доля крупных электростанций (мощностью 1 ГВт и более) составляет в ней 63,7% в установленной мощности и 74,7% в производстве электроэнергии.

Переход экономики и общества в постиндустриальную фазу своего развития под воздействием новой технологической революции, по всей видимости, будет сопровождаться децентрализацией энергопотребления и смещением структуры спроса на энергию в сторону роста доли электроэнергии [2,3]. Это, в свою очередь, в совокупности с освоением повсеместно доступных  возобновляемых источников энергии (ВИЭ), будет благоприятствовать развитию распределенной генерации.

В то же время, имеются факторы, которые не только оставляют востребованными сложившиеся системы централизованного электроснабжения, но и могут потребовать их дальнейшего развития [4,5]. В их числе можно отметить, во-первых, продолжение процессов урбанизации с быстрым ростом населения в мегаполисах, что ведет к концентрации электрических нагрузок в городах, во-вторых, сохранение в значительных объемах крупной промышленности и, в-третьих, освоение огромных высококачественных ресурсов ВИЭ в отдаленных районах (пустыни, побережья северных и дальневосточных морей и т.д.). Причем, роль последнего фактора неуклонно возрастает по мере совершенствования технологий электрогенерации на базе ВИЭ. Все это формирует спрос на технологии передачи электроэнергии на дальние расстояния и создает экономически привлекательные условия для глобализации электроснабжения на их основе. В таком случае электроэнергия получает шанс стать новым глобальным энергетическим продуктом и при определенных условиях занять нынешнее место нефти. Реальностью станет формирование глобального рынка электроэнергии. Ключевой технологией для создания глобальной электроэнергетической сети, видимо, станет передача электроэнергии постоянным током на ультравысоком напряжении (УВН).

Передача электроэнергии на ультравысоком напряжении

В международной практике к системообразующим сетям ультравысокого напряжения (ultra high voltage, UHV) относят линии электропередачи (ЛЭП) переменного тока напряжением 1000 кВ и выше и ЛЭП постоянного тока напряжением ±800 кВ и выше. Напряжение переменного тока от 330 до 1000 кВ и постоянного тока от ±400 до ±800 кВ считается сверхвысоким (extra high voltage, EHV). Более низкие уровни напряжения вплоть до 35 кВ относятся к классу высокого напряжения (high voltage, HV) [6]. Некоторые страны отступают от этой классификации.

ЛЭП переменного тока напряжением 500 кВ позволяют передавать около 1 ГВт электрической мощности. Их оптимальная протяженность по техническим и экономическим причинам не превышает 500 км. При повышении напряжения до 1000 кВт предаваемая мощность увеличивается до 4-5 ГВт, а протяженность – до 1000-1500 км. У ЛЭП постоянного тока возможности выше. Посредством ЛЭП на напряжении ±500 кВ можно передать около 3 ГВт электрической мощности на расстояние около 1000 км, ЛЭП ±800 кВ – уже 6-9 ГВт на 2000-3000 км, а ЛЭП ±1100 кВ – вообще 12-15 ГВт на 5000-6000 км [7].

Ожидается, что переход на напряжение ±1100 кВ позволит снизить стоимость сооружения ЛЭП (на единицу передаваемой мощности), как это произошло при переходе с напряжения ±500 кВ на напряжение ±800 кВ. Тогда стоимость строительства ЛЭП снизилась на 28%. По оценке китайских специалистов в настоящее время сооружение в Китае линейной части ЛЭП постоянного тока ±800 кВ обходится в среднем 5,88 млн. юаней/км (около 880 тыс. долл/км) и каждой преобразовательной подстанции - в 7 млрд. юаней (1,05 млрд долл.)  Для ЛЭП ±1100 кВ затраты в линейную часть составляют 7,6 млн. юаней/км (около 1140 тыс. долл/км) и в каждую преобразовательную подстанцию - 9 млрд. юаней (1,35 млрд долл.). Тогда при длине линии 2000 км и передаваемой мощности 6 ГВт по ЛЭП ±800 кВ и 12 ГВт по ЛЭП ±1100 кВ удельные капиталовложения в данные ЛЭП составят соответственно 477 и 415 долл/кВт, то есть переход на более высокое напряжение ведет к экономии примерно 15% капитальных затрат на каждую единицу передаваемой мощности.

Основным назначением ЛЭП постоянного тока на УВН является передача больших объемов электроэнергии на дальние расстояния, а ЛЭП переменного тока на УВН – распределение полученной электроэнергии на большой площади. ЛЭП постоянного тока с напряжением ±800 кВ позволяют организовать трансрегиональные и трансграничные электрические связи, а ЛЭП с напряжением ±1100 кВ могут использоваться для создания континентальных и трансконтинентальных связей. ЛЭП ±1100 кВ по удельным энергопотерям (4-5% от передаваемой мощности) близки к сверхпроводящим линиям, но, видимо, много дешевле [6]. Освоение в будущем напряжения ±1500 кВ и создание новых токопроводящих материалов со сверхнизким удельным электрическим сопротивлением вообще, видимо, решают все практически значимые проблемы с дальней передачей больших электрических мощностей. Тогда надобность в разработке для этих целей сверхпроводящих ЛЭП становится неочевидной.

 Освоение ультравысокого напряжения в СССР

Следует отметить, что еще относительно недавно в числе мировых лидеров по разработке электротехнического оборудования на сверх- и ультравысокое напряжение был СССР [8,9]. В стране в 1956 г. была введена в эксплуатацию ЛЭП переменного тока Куйбышевская ГЭС-Москва напряжением 400 кВ и протяженностью 815 км, которая в 1959 г. впервые в мире была переведена на напряжение 500 кВ. В 1961 г. завершилось сооружение второй длинной ЛЭП-500 кВ Сталинградская ГЭС-Москва. Уже к середине 60-х годов общая протяженность ЛЭП-500 в стране превысила 8 тыс. км. В 1967 г. была введена в строй тестовая ЛЭП переменного тока напряжением 750 кВ Конаково-Москва длиной 87,7 км. В 1975 г. была сдана в промышленную эксплуатацию ЛЭП 750 кВ Ленинград-Конаково протяженностью 525 км. После чего началось их практическое применение, в основном для целей выдачи мощности крупных атомных электростанций. Тем не менее, в России системообразующие функции и межсистемные связи до сих пор выполняют преимущественно ЛЭП 500 кВ.  Их суммарная протяженность превышает 40 тыс.км (в одноцепном исполнении), тогда как протяженность ЛЭП 750 кВ составляет около 4 тыс.км. 

В 1977 г. было принято правительственное решение о сооружении уникальной ЛЭП переменного тока на напряжение 1150 кВ Сибирь-Казахстан-Урал (от Итата через Экибастуз до Челябинска) протяженностью 2344 км. Это была первая в мире ЛЭП УВН. К 1991 г. было завершено строительство основной части ЛЭП (от Барнаула до Челябинска), а к 1998 г. – оставшейся части (от Барнаула до Итата). Правда, на проектном напряжении 1150 кВ работали только участки Экибастуз-Кокчетав (с 1985 г.) и Кокчетав-Кустанай (с 1988 г.). При этом была обеспечена выдача мощности до 5,5 ГВт. Однако после 1991 г. вся ЛЭП была переведена на напряжение 500 кВ, прежде всего, из-за возникших сложных технических проблем (в частности, обеспечения грозозащиты линий), вызывающих частое отключение оборудования, а также резкого снижения спроса на электроэнергию. Только развал СССР не позволил их решить и лишил страну лидерства в данной области. Как отмечается в [4] в настоящее время оборудование класса 1150 кВ пришло в негодность, а производственная база для его выпуска утеряна. Во многом утеряна и научно-технологическая база.

Не менее впечатляющие успехи были в СССР и в освоении постоянного тока сверхвысокого напряжения. В 1950 г. была построена опытно-промышленная кабельная линия постоянного тока высокого напряжения Кашира-Москва. Это была передовая в то время ЛЭП мощностью до 30 МВт, напряжением 200 кВ и длиной около 100 км. ЛЭП в разное время эксплуатировалась как биполярная при ±100 кВ и как монополярная при 200 кВ с обратным током в земле. ЛЭП была реализована на базе оборудования, предназначавшегося для немецкого проекта «Эльба» в Берлине и вывезенного из Германии в СССР после окончания Второй мировой войны в качестве репарации. Накопленный опыт был использован при разработке отечественного оборудования, проектировании и сооружении более мощных ЛЭП.

В 1962 г. была построена ЛЭП постоянного тока напряжением ±400 кВт Волгоградская ГЭС-Донбасс мощностью 720 МВт и длиной 473 км на основе ртутных выпрямителей полностью советского производства. Техническая сложность ртутных выпрямителей и неудобство в обслуживании, высокая стоимость, высокая аварийность из-за обратной дуги, низкая надежность сдерживали развитие в СССР систем передачи электроэнергии постоянным током на высоком напряжении. Но уже  в 1969 году были созданы первые отечественные тиристорные преобразователи. В 1978 г. на базе отечественного оборудования было начато строительство ЛЭП постоянного тока Экибастуз-Центр (до Тамбова) на рекордном напряжении ±750 кВ. Она должна была стать самой протяженной (2414 км) и самой мощной в мире (6 ГВт) на тот момент. Из-за распада СССР строительство завершено не было.

К настоящему времени все ЛЭП постоянного тока на территории России выведены из эксплуатации. Действующей осталась только вставка постоянного тока напряжением ±85 кВ и длиной около 200 м на подстанции в Выборге, объединяющая несинхронизированные электроэнергетические системы переменного тока России и Финляндии. В работе находятся 4 теристорных преобразователя мощностью 355 МВт каждый. Первый был введен в эксплуатацию в 1981 г., последний – в 2001 г. Суммарная  мощность вставки составляет 1420 МВт.

С сожалением приходится констатировать, что Россия во многом потеряла научно-технические и производственные компетенции в разработке технологий передачи электроэнергии на ультравысоком напряжении и выпуске соответствующего электросетевого оборудования. Между тем, в СССР еще в 80-х годах прошлого века ставилась задача разработки электротехнического оборудования для ЛЭП напряжением 1500 кВ [8]. Учитывая перспективы развития систем централизованного электроснабжения настоятельно требуется восстановление в стране в максимально короткие сроки соответствующих компетенций и производственной базы.

Опыт Китая в освоении УВН

Освоение УВН в Китае было обусловлено экономической необходимостью. Бурное развитие экономики требовало дополнительной электроэнергии. Страна богата углем и гидроэнергией, однако имеет место огромный дисбаланс между территориальным размещением энергоресурсов и центров энергопотребления. Около 76% запасов каменного угля находится на севере и северо-западе страны, 80% гидроресурсов – на юго-западе. Основные континентальные ресурсы ветровой энергии размещены в северной части страны. В то же время, свыше 70% энергопотребления сосредоточено в Восточном и Центральном Китае. Расстояние между крупными базами энергоресурсов и центрами энергопотребления составляет около 1000-3000 км и более.

Основным используемым топливом в Китае является каменный уголь, добыча которого в стране достигла фантастических 3,4 млрд. т в год. На Китай сейчас приходится почти 45% от всей добычи угля в мире. Кроме того, страна ежегодно импортирует более 260 млн. т угля, в том числе из России [10]. Не удивительно, что в Китае возникали жесткие инфраструктурные ограничения на перевозку огромных объемов угля и во многих городах сложилась крайне неблагоприятная экологическая обстановка. Количество дней с превышением природоохранных нормативов переваливало в них за 50%. Поэтому покрытие роста электропотребления за счет строительства в этих районах новых угольных электростанций стало просто невозможным. Выход был найден в производстве электроэнергии в отдаленных районах – в местах концентрации крупных гидроресурсов и и вблизи угольных месторождений с передачей электроэнергии потребителям по ЛЭП ультравысокого напряжения [6].

В Китае первая ЛЭП переменного тока на напряжение 500 кВ была введена в строй в 1981 г., на напряжение 750 кВ - в 2005 г. и на 1000 кВ – в 2009 г. В 1989 г. была построена ЛЭП постоянного тока Гэчжоуба-Шанхай напряжением ±500 кВ, а в 2010 г. ЛЭП Сяньцзяба-Шанхай на ±800 кВ с передаваемой мощностью 6,4 ГВт. Все эти ЛЭП базировались на импортном оборудовании (в основном ABB и Сименс), проектировались и сооружались зарубежными компаниями. Правительством страны была поставлены задачи освоения УВН и перехода на отечественное оборудование, которые были успешно выполнена.

Основными составляющими успеха Китая в освоении ультравысокого напряжения стали развитие отечественной науки и техники в совокупности с трансфером зарубежных знаний и технологий и активным научно-техническим и технологическим «заимствованием». Ключевую роль в этом сыграла мощная Государственная электросетевая корпорация (ГЭК). Она объединила разрозненные силы различных исследовательских групп и инженеров и приступила к разработке отечественного оборудования. Были созданы соответствующие научно-исследовательские организации и научно-производственные предприятия, проведены многочисленные научные конференции и научно-практические семинары с участием ведущих мировых разработчиков и производителей техники сверхвысоких и ультравысоких напряжений (ABB, Siemens, Areva, TOSHIBA Mitsubishi и др.), организованы посещения китайскими специалистами зарубежных электротехнических центров и компаний. Очень эффективным оказалось привлечение к сотрудничеству по разработке новой китайской техники ведущих мировых специалистов, которым были созданы привлекательные условия.

В результате китайцам удалось в короткое время перенять накопленные в мире знания и имеющийся передовой опыт по передаче электроэнергии высоким и ультравысоким напряжением. Можно констатировать, что Китай выиграл в данной области глобальную «битву за мозги» и сейчас по праву гордится полученными результатами. Выдвинутый Китаем в свое время принцип «рынок в обмен на технологии» успешно сработал и это дал такой поразительный результат. Были освоены производство электротехнического оборудования УВН, проектирование, сооружение и эксплуатация  ЛЭП на его основе.

На базе китайского оборудования в 2009 г. была введена в строй экспериментальная ЛЭП УВН Шаньси-Неньян-Цзинмэнь на переменном токе и напряжении 1000 кВ протяженностью 640 км. Она обеспечила стабильную пропускную способность 5 ГВт и в 2011 г. была принята в промышленную эксплуатацию. Полученный опыт открыл путь для сооружения в Китае ЛЭП переменного тока на УВН на базе отечественного оборудования. 

Еще более впечатляющим является китайский опыт создания ЛЭП постоянного тока на УВН. В 2003, 2004 и 2007 годах в Китае с помощью зарубежных компаний и на основе самых передовых в мире технологий были построены 3 ЛЭП напряжением ±500 кВ и мощностью 3 ГВт каждая из Санься соответственно в Чанчжоу, Гуадун и Шанхай. Однако зарубежным компаниям было поставлено жесткое требование по локализации производства основного оборудования на китайских предприятиях и привлечении китайских специалистов к проектированию и сооружению ЛЭП. Поэтому уже при строительстве ЛЭП Санься-Шанхай степень локализации производства основного оборудования достигла 100% и управление проектом осуществляли китайские компании. В результате китайские производители оборудования быстро овладели технологиями передачи электроэнергии постоянным током на сверхвысоком напряжении. Был накоплен достаточный технический потенциал для реализации собственных проектов на базе отечественного оборудования.

На основе полученного опыта Китаем была самостоятельно спроектирована, разработана и построена экспериментальная ЛЭП постоянного тока на напряжение ±660 кВ Ниндун-Шаньдун. В 2010 г. бала введена в эксплуатацию ЛЭП Сянцзяба-Шанхай длиной 1891 км с самым высоким в мире уровнем напряжения ±800 кВ, с самым передовым техническим оснащением и самым большим уровнем передаваемой мощности (6,4 ГВт). С этого времени в Китае начинается эра сооружения ЛЭП постоянного тока на УВН с использованием собственного оборудования. 

При освоении УВН китайскими специалистами реализованы многие технические нововведения. Так, в 2010 г. в Китае был успешно разработан первый повышающий трансформатор переменного тока, позволяющий генераторы мощностью 1 ГВт напряжением 27 кВ непосредственно включать в сеть УВН 1000 кВ. Прежде подключения осуществлялись путем двухступенчатой трансформации (27/500 и 500/1000 кВ), что требовало промежуточного трансформатора и усложнения схемы. Прорывом стало освоение производства мощных высоковольтных тиристоров - высокотехнологичных элементов силовой электроники с большой пропускной способностью, выдерживающих ультравысокое напряжение, достаточно простых и безопасных в эксплуатации и ремонте. В ЛЭП ±800 кВ сила тока достигает 4,5 кА и более, поэтому используются 6-дюймовые тиристоры с развитой системой охлаждения. Применение 12-пульсных преобразователей позволило существенно улучшить гармонические характеристики на стороне как постоянного, так и переменного тока, упростить фильтры, уменьшить площадь, занимаемую оборудованием и, как следствие, уменьшить стоимость строительства преобразовательных подстанций.

В итоге Китай стал мировым лидером в разработке, производстве и использовании электросетевого оборудования на УВН, что открывает для него хорошие перспективы для крупномасштабного развития «зеленой» энергетики и выхода на мировые рынки с конкурентоспособной высокотехнологичной продукцией.

Ближайшей перспективой технологического развития в области передачи электроэнергии в Китае является промышленное освоение постоянного тока напряжением ±1100 кВ. Опыт сооружения и эксплуатации ЛЭП ±800 кВ показал, что для этого не существует непреодолимых технических препятствий. Уже начато строительство ЛЭП ±1100 кВ Zhundong-Southen Anhui протяженностью 3324 км. Целевые ориентиры технологического развития дальнего транспорта электроэнергии в Китае видят в освоении напряжения 1500 кВ на переменном и постоянном токе.

В Китае в настоящее время сооружены 8 ЛЭП на переменном токе напряжением 1000 кВ общей протяженностью около 5310 км и длиной отдельных линий от 240 до 1050 км при средней величине примерно 660 км. Кроме них в Китае сооружены 13 ЛЭП на постоянном токе напряжением ±800 кВ общей протяженностью около 22130 км. Средняя их длина составляет примерно 1700 км, а протяженность отдельных ЛЭП - от 1120 до 2410 км. Введется строительство еще 4 ЛЭП переменного тока на напряжение 1000 кВт общей протяженностью 970 км, а также 2 ЛЭП постоянного тока, одна из которых на напряжение ±800 кВт длиной 1490 км, а вторая – ЛЭП +/-1100 кВ, о которой говорилось выше. Панируется довести протяженность ЛЭП УВН в стране до 400 тыс. км, а передаваемую с их помощью мощность до 400 ГВт, в том числе около 150 ГВт ЛЭП постоянного тока для трансрегиональной передачи электрической мощности с Запада Китая на Восток и с Севера на Юг [7].

Освоение сверх- и ультравысокого напряжения в других странах мира

Передача электроэнергии сверхвысоким и ультравысоким напряжением активно осваивается во многих странах мира. Прежде всего, это касается стран с большой территорией и значительным территориальным разнесением центров концентрации энергоресурсов и центров электропотребления.

Первая в мире промышленная ЛЭП переменного тока напряжением 735 кВ была сооружена в Канаде в 1965 г., на два года раньше ЛЭП-750 кВ Конаково-Москва в СССР. Развитие сети 735 кВ в восточной части энергосистемы Канады было вызвано необходимостью выдачи мощности крупных ГЭС на реках северо-запада провинции Квебек, удаленных на 1000 км от центров электропотребления. Было сооружено 6 магистральных ЛЭП-735 кВ. В восточной части страны широкое распространение получила сеть напряжением 500 кВ. 

Освоение огромного гидроэнергетического потенциала северо-запада провинции Квебек и передача электроэнергии к Монреалю и в северо-восточные районы США потребовали сооружения ЛЭП постоянного тока. Начиная с 1972 г. и по 1990 г. было построено 7 таких линий напряжением ±450 кВ. Каждая из них способна передавать около 2 ГВт электрической мощности и имеет протяженность около 1480 км. На базе данных ЛЭП была создана первая в мире многотерминальная электропередача постоянным током. Она имеет пять преобразовательных подстанций, из которых три расположены на территории Канады и две на территории США. В 2015 г. в Канаде были введены в строй две ЛЭП постоянного тока напряжением ±500 кВ и передаваемой мощностью 1 ГВт: Восточная Альберта (485 км) и Западная Альберта (350 км). Высоковольтное оборудование было поставлено компанией Сименс. В провинции Манитоба сооружается  ЛЭП постоянного тока Manitoba Bipol напряжением ±500 кВ, мощностью 2 ГВт и  протяженностью 1324 км, которая свяжет ГЭС на реке Нелсон с потребителями западного берега озера Манитоба.

В США развиваются две системы напряжений переменного тока: 115-230-500 кВ и 156-345-765 кВ. Первая ЛЭП 500 кВ была включена в работу в 1965 г., а ЛЭП 765 кВ - в 1969 г. Роль системообразующих и межсистемных связей выполняют ЛЭП 345-765 кВ. В 1970 г. была введена в строй Тихоокеанская электропередача постоянного тока (Path 65), простирающаяся на расстояние 1362 км вдоль западного побережья США из северо-западного штата Орегон (подстанция Celilo) к Лос-Анжелесу (Sylmar). После серии модернизаций пропускная способность ЛЭП достигла 3,1 ГВт, напряжение составляет ±500 кВ. Модернизация подстанций производилась на базе 12-пульсных преобразователей компания ABB и тиристорного оборудования компания Сименс. Кроме Тихоокеанской ЛЭП в США имеется еще ряд ЛЭП и около десятка вставок постоянного тока. Наиболее крупной является ЛЭП ±500 кВ (Path 27) из штата Юта (подстанция Intermauntine) в Калифорнию (подстанция Adelanto) мощностью 2,4 ГВт и длиной 785 км. Имеются проекты новых ЛЭП постоянного тока ультравысокого напряжения.

В Европе опорной считается сеть переменного тока напряжением 220-380 кВ. Сети более высокого напряжения не получили распространения. Это объясняется достаточно равномерным размещением в Европе электрических нагрузок и электростанций и высокой плотностью электрических сетей, обилие которых превратило территорию Европы в своеобразную «медную доску». В Европе имеется достаточно много относительно коротких линий постоянного тока напряжением ±500 кВ и менее, а также вставок постоянного тока, использующихся для целей объединения национальных электроэнергетических систем [11]. Существуют электрические связи постоянным током сверхвысокого напряжения между Финляндией и Швецией (±400 кВ, 500 МВт, 233 км, год ввода 1989 г. а также ±500 кВ, 800 МВт, 303 км, 2011 г.), Германией и Швецией (±450 кВ, 600 МВт, 262 км, 1994 г.), Данией и Германией (±400 кВ, 600 МВт, 170 км, 1996 г.), Швецией и Польшей (±450 кВ, 600 МВт, 245 км, 2000 г.), Италией и Грецией (±400 кВ, 500 МВт, 310 км, 2001 г.), Англией и Голландией (±450 кВ, 1000 МВт, 245 км, 2010 г.), Данией и Норвегией (±500 кВ, 700 МВт, 244 км, 2015 г.) и др. С 1986 г. функционирует первая в мире мультитерминальная система постоянного тока Италия-Корсика-Сардиния (±200 кВ, 200 МВт, 483 км). Бурное развитие электрогенерации на базе ВИЭ на севере Европы настоятельно требует переброски больших объемов электроэнергии в центральные и южные регионы. Этим предрекается масштабное развитие сети постоянного тока в Европе, в основном на напряжении от ±400 до ±500 кВ.

Интенсивное электросетевое строительство на основе ЛЭП сверхвысокого напряжения ведется во многих странах в Азии, помимо Китая. Основой системообразующей сети Японии являются ЛЭП напряжением 275 и 500 кВ, а Южной Кореи – 345 кВ. В то же время, в Японии в 1993 г. была введена в строй ЛЭП переменного тока напряжением 1000 кВ, связавшая АЭС Касивадзаки с Токио, а в Южной Корее с 2004 г. эксплуатируется ЛЭП переменного тока 765 кВ. Основной их задачей является выдача мощности крупных АЭС.

В Индии сооружаются мощные ЛЭП постоянного тока с целью освоения гидроэнергетического потенциала горных районов севера страны и передачи мощности крупных ГЭС в густонаселенные районы юга страны. С 1990 г. введено в эксплуатацию 5 ЛЭП ±500 кВ передаваемой мощностью от 1,5 до 2,5 ГВт и протяженностью от 750 до 1450 км. До 2000 г. основным поставщиком оборудования для них была компания ABB, а после 2000 г. им стала фирма Сименс. Несколько ЛЭП постоянного тока имеется в Австралии, в том числе самая длинная в мире кабельная линия Basslink ±400 кВ протяженностью 370 км и передаваемой мощностью 500 МВт.

Мощные электроэнергетические системы формируются в Южной Америке, прежде всего, в Бразилии и Аргентине. Наивысшее напряжение электрических сетей переменного тока в Бразилии составляет 765 кВ. Имеются также сеть линий 500 кВ, отдельные линии 400 кВ и сеть 345 кВ. В Аргентине развивается сеть переменного тока напряжением 500 кВ. Суммарная протяженность соответствующих ЛЭП в стране превысила 10 тыс. км. Освоение имеющего гигантского гидроэнергетического потенциала стимулировало сооружение на континенте мощных ЛЭП постоянного тока.

В Бразилии эксплуатируются две линия электропередачи постоянного тока напряжением ±600 кВ и предаваемой мощностью 3,15 ГВт каждая, связавших одну из крупнейших в мире ГЭС Итайпу с районом  Сан-Паулу. ЛЭП введены в эксплуатацию в 1984 и 1987 гг. и имеют протяженность 785 и 805 км соответственно. В 2013 г. введены в строй две ЛЭП постоянного тока Rio Madeira напряжением ±600 кВ. Предаваемая мощностью каждой из них составляет 3,15 ГВт, а протяженность – 2375 км. Они связали ГЭС на реке Мадейра в бассейне Амазонки с центрами электропотребления в районе Сан-Пауло. Оборудование для данных ЛЭП было поставлено компаниями ABB и Альстом.

В конце 2017 г. завершилось строительство ЛЭП постоянного тока Xingu-Estreito напряжением ±800 кВ, передаваемой мощностью 4 ГВт и протяженностью 2076 км. Это, видимо, первая за пределами Китая промышленная линия постоянного тока ультравысокого напряжения. Она предназначена для передачи мощности ГЭС Belo Monte, сооружаемой на реке Хингу в бассейне Амазонки на севере Бразилии, в густонаселенные юго-восточные районы страны. Минимальная гарантированная мощность ГЭС Belo Monte определена в 4,57 ГВт.

На пороге взрывного роста электропотребления и, соответственно, электросетевого строительства стоит африканский континент. Многими странами уже освоено сверхвысокое напряжение. В Египте используются сети переменного тока напряжение 500 кВ, в ЮАР - 400 кВ, в Нигерии, Замбии, Зимбабве и некоторых других странах - 330 кВ, в прочих странах - 220-230 кВ. Огромный гидроэнергетический потенциал экваториальной Африки, также как и в Южной Америке, создал основу для сооружения длинных ЛЭП постоянного тока для передачи электрической мощности в удаленные центры потребления. Мозамбик и ЮАР связывает ЛЭП постоянного тока Cahora Bassa (±533 кВ, 1920 МВт, 1420 км), введенная в строй в 1979 г. и реконструированная в 2014 г. В Демократической республике Конго с 1982 г. действует ЛЭП постоянного тока Inga-Shaba (±500 кВ, 1120 МВт, 1630 км, в 2014 г. она подверглась реконструкции). В Республике Намибия с 2010 г. функционирует ЛЭП постоянного тока Caprivi Link (±350 кВ, 300 МВт, 950 км). Для связи энергосистем Эфиопии и Кении сооружается ЛЭП постоянного тока напряжением ±500 кВ (мощность 2000 МВт, длина 1045 км). Основным поставщиком электротехнического оборудования для африканских ЛЭП постоянного тока является компания ABB.

Развитие технологий электропередачи постоянным током на УВН

Расширение использования в мире передачи электроэнергии постоянным током обусловлено их важными преимуществами, в частности, высокой пропускной способностью, низкими потерями энергии, более простыми конструкциями опор, меньшей шириной полосы отчуждения, что приобретает особую важность в районах с дорогой землей. Равномерное распределение напряжения по длине линии не требует установки устройств поперечной компенсации.

Особый интерес представляют кабельные линии постоянного тока УВН. В них проще обеспечивать УВН, высокую плотность тока, большую передаваемую мощность, низкие потери. Емкостной ток в них не является ограничением для дальности передачи. Поэтому они могут найти широкое применение для организации глубоких вводов мощности в крупные города, передачи электроэнергии по дну морей, в частности, для энергоснабжения отдаленных островов.

Однако, как показал опыт, передача электроэнергии постоянным током имеет и недостатки, которых, как показал опыт эксплуатации действующих ЛЭП, тоже немало [6]. Большинство из них связано со стадиями преобразования тока. Преобразовательные подстанции являются технически сложными и дорогими объектами. Сложной оказывается их эксплуатация. Тиристорные преобразователи потребляют значительные объемы реактивной мощности и вызывают появление высших гармонических составляющих. Поэтому на обоих концах ЛЭП требуется устанавливать фильтры переменного и постоянного тока, а также устройства компенсации реактивной мощности. Это усложняет эксплуатацию, увеличивает площади подстанций и ведет к их удорожанию.

Со значительными сложностями связано осуществление процедур коммутации оборудования ЛЭП постоянного тока. Во многом они обусловлены появлением и сложностью гашения дуги огромной мощности. Существенной является проблема загрязнения электротехнического оборудования вследствие притягивания пыли статическим электричеством. Это повышает требования к внешней изоляции. В системах с земляным контуром имеет место электрический контакт с подземными металлическими конструкциями и трубопроводами, резко возрастает скорость их электрохимической коррозии. Протекание постоянного тока в заземлении нейтрали вызывает дополнительное намагничивание сердечника и вибрацию трансформатора. Во многих местах из-за свойств грунта затруднительным становится выбор места для заземления. 

Имеются серьезные системные проблемы. Аварии в системах переменного тока, сопряженных с ЛЭП постоянного тока, неизбежно ведут к нарушению коммутации на преобразовательных подстанциях. Современное оборудование позволяет их минимизировать, но полностью исключить не может. Большую проблему представляет отбор мощности в промежуточных точках ЛЭП постоянного тока и, следовательно, создание многополюсных систем передачи электроэнергии постоянным током.

В мире прилагаются значительные усилия для устранения недостатков данного способа передачи электроэнергии [6,12,13]. Разрабатываются новые технологии безопасного включения систем передачи электроэнергии постоянным током УВН в потребительские сети переменного напряжения, новые типы выключателей, новое оборудование защиты и управления в целях повышения устойчивости и надежности систем. Исключительная важность придается созданию новых технологий преобразования тока и напряжения. Появление новых типов приборов силовой электроники, в частности,  IGBT-транзисторов – биполярных транзисторов с изолированным затвором (insulated-gate bipolar transistor) открывает возможности для использования в системах передачи электроэнергии постоянным током широтно-импульсной модуляции PWM (pulse-width modulation) и преобразователей напряжения VSC (voltage source converter). Некоторый опыт здесь уже имеется. Впервые возможности технологии VSC были продемонстрированы в 1997 году на экспериментальной ЛЭП ±10 кВ, 3 МВт длиной 10 км. В 1999 г. был реализован более крупный коммерческий проект (ЛЭП ±80 кВ, 50 МВт, 140 км). В 2011 г. в Китае был осуществлена прокладка подводного кабеля с технологий VSC на остров Хайнань (ЛЭП ±30 кВ, 18 МВт) [6]. По мере разработки более мощных IGBT-транзисторов будут расширяться возможности их применения в сетях постоянного тока, в том числе, УВН.

Для создания глобальной электроэнергетической сети нужны надежные мультитерминальные технологии передачи электроэнергии постоянным током ультравысокого напряжения. Как было показано выше до сих пор строились практически только двухконцевые ЛЭП, имеющие в своем составе линейную часть и две преобразовательные подстанции: входную (выпрямитель), преобразующую исходный переменный ток в постоянный, и выходную (инвертер), преобразующую постоянный ток в переменный, направляемый потребителям. Отбор мощности по трассе ЛЭП не предусматривался. Основной задачей таких ЛЭП была переброска больших мощностей из одного района в другой. В мультитерминальных (многоконцевых) системах передачи постоянного тока преобразовательных подстанций три и более. Они позволяют собирать и отбирать мощность по трассе ЛЭП и строить связанные сети постоянного тока. Однако в таких системах возникают сложные задачи распределения мощности между преобразовательными подстанциями в переходных режимах, проведения противоаварийных мероприятий, обеспечения приемлемого уровня надежности и др. Мультитерминальные системы пока не получили широкого распространения в мире. Однако исследования и разработки в данной области продолжаются и наиболее интенсивно они ведутся в Европе и Китае. 

В Европе консорциумом из 39 партнеров был реализован четырехлетний проект Best Paths, выполнявшийся на средства 7 Рамочной Программы ЕС и завершившийся в сентябре 2018 г. [14]. Целью проекта стало создание новых сетевых технологий, необходимых для перехода от единичных линий постоянного тока к системам постоянного тока и их инкорпорации в существующие системы переменного тока. Результаты проекта должны помочь в разработке необходимого для этого электросетевого оборудования и алгоритмов управления режимами его работы. Такие технологии требуются для эффективной интеграции удаленных электрогенерирующих установок на базе ВИЭ в существующие электроэнергетические системы. В Китае упор делается на разработке для этих целей мощных мультитерминальных систем передачи постоянного тока на УВН.

Стимулировать дальнейшее развитие технологий дальнего транспорта электроэнергии на ультравысоком напряжении будет рост спроса на них, прежде всего, в целях освоения огромных высококачественных ресурсов ВИЭ, удаленных от центров потребления энергии. Это создает основу для создания глобальной электроэнергетической системы. Формирование такой системы, в свою очередь, приведет к взрывному росту спроса на электросетевое оборудование для электропередач сверх- и ультравысокого напряжения. Такое оборудование является наукоемким и высокотехнологичным. Его производство создает значительную добавленную стоимость и потому представляет интерес для бизнеса.

Научно-технические достижения Китая в области электротехники и экономическая мощь позволяют ему ставить амбициозные задачи по созданию глобальной электроэнергетической сети и взять на себя роль лидера в их реализации и, скорее всего, в последующем управлении [15]. Китай видит в этом хороший рынок для поставок оборудования китайской электротехнической промышленности, что должно загрузить ее заказами на многие десятилетия вперед. Для реализации этих идей и координации усилий по их реализации Китаем создана международная организация GEIDCO (Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization). Она пользуется политической поддержкой китайского правительства, а также научно-технической и финансовой поддержкой китайского бизнеса.

Заключение

Технологическую базу для формирования глобальной электроэнергетической системы составят технологии дальней передачи электроэнергии переменным и  постоянным током на ультравысоком напряжении. Можно считать освоенным напряжение 1000 кВ и ±800 кВ. Сооружается ЛЭП с напряжением ±1100 кВ. Целевым ориентиром является освоение напряжения 1500 кВ. Мировым лидером в данной области стал Китай.

ЛЭП постоянного тока на УВН имеют низкие удельные энергопотери и вполне приемлемые экономические характеристики, позволяющие эффективно передавать большие объемы электроэнергии на дальние расстояния и создавать континентальные и трансконтинентальные связи. Областью применение ЛЭП переменного тока на УВН является эффективное распределение электроэнергии на большой площади. Активизацию спроса на технологии передачи электроэнергии на дальние расстояния можно связывать с массированным вовлечением в мировой топливно-энергетический баланс высококачественных ресурсов ВИЭ, расположенных в отдаленных районах, а также с вытеснением из него органических топлив с большими удельными выбросами парниковых газов, прежде всего угля, в рамках борьбы с глобальным изменением климата.

Китаем активно продвигается проекты по созданию глобальной электроэнергетической системы на основе ЛЭП постоянного тока на УВН. Это создает основу для формирования мирового рынка электроэнергии, которая в таком случае может стать новым глобальным энергетическим продуктом и при определенных условиях занять нынешнее место нефти.

России целесообразно присоединиться к проектам по созданию глобальной электроэнергетической системы, учитывая ее географической положение и богатство ресурсами возобновляемых видов энергии. Это открывает для нее новые возможности для создания крупномасштабной возобновляемой энергетики, а также развития высокотехнологичной электротехнической промышленности.

Страна во многом потеряла научно-технические и производственные компетенции в разработке технологий электропередачи на ультравысоком напряжении и выпуске соответствующего электросетевого оборудования. Учитывая огромный потенциальный рынок для такого оборудования настоятельно требуется восстановление в максимально короткие сроки соответствующих компетенций и производственной базы. 

Литература

1. Филиппов С. П. Технологическое развитие энергетики в индустриальный период: достижения и разочарования, опыт на будущее / Энергетическая политика, 2018, № 3, с. 45–53.

2. Филиппов С.П. Новая технологическая революция и требования к энергетике // Форсайт, 2018, т. 12, № 4, с.20-33.

3. Филиппов С.П., Дильман М.Д. Перспективы научно-технологического развития энергетики России / Вести в электроэнергетике, № 5 (97) 2018, с.36-41.

4. Инновационная энергетика-21 / Под ред. В.М. Батенина, В.В. Бушуева и Н.И. Воропая. - М.: ИЦ «Энергия», 2017. – 584 с. ISBN 978-5-98908-457-9.

5. Филиппов С.П. Энергетика постиндустриального периода // 10 лет Научно-техническому совету Единой энергетической системы. Взгляд на проблемы электроэнергетики России и пути их решения глазами профессионалов / Под ред. Н.Д. Рогалева, М.: Издательство МЭИ, 2018 (444 с.), с.45-69. ISBN 978-5-7046-2078-5

6. Liu Zhenya. Ultra-high voltage AC/DC grids. - Beijing: China, Electric Power Press, 2015. - 758 p. (русский перевод: Лю Чженья. Электрические сети ультравысокого напряжения переменного и постоянного тока. Перевод с китайского под общей редакцией Ю.В. Шарова. – М: Издательство МЭИ, 2015. – 624 с.).

7. Global Energy Interconnection: Meeting Global Power Demand with Clean and Green Alternatives. - GEIDCO, 2018. - 40 p.

8. Тиходеев Н.Н., Курносов А. И. Линии электропередачи сверх- и ультравысокого напряжения.  Достигнутое, проблемы и перспективы. / Вестник АН СССР, 1982, №7, с 62-70.

9. Бушуев В.В., Красильникова Т.Г., Самородов Г.И. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока и их сравнительный анализ / Электро, 2012, №2, с. 2-7.

10. Key World Energy Statistics: 2018. – International Energy Agency, 2018. - 40 p.

11. List of HVDC projects (Available online: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_HVDC_projects; accessed on 10.03.2019).

12. Asplund G.  Ultra high voltage transmission: Alternative scenarios for long distance bulk power transmission – 800 kV HVDC and 1000 kV HVAC. -  ABB Review, 2007, N2, p.22-27.

13. Ultra high voltage Developments in power transformers technology. - ABB Ltd., Zurich, Switzerland, 2017.– 8 p. 

14. Best Paths discusses the future of the European energy grid // Proc. of the workshop on «Innovating grid technologies for sustainable energy», Madrid, 23rd November 2017. -14 p. 

15. Лю Чженья. Глобальное энергетическое объединение. / Пер. с китайского; науч. ред. перевода Ю.В. Шаров, П.Ю. Коваленко, К.А. Осипов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2016. – 512 с.