Отечественная электроэнергетическая наука и ее достижения

Несмотря на выдающийся вклад русских ученых: Петрова В.В., Ленца Э.Х., Якоби Б.С., Яблочкова П.Н., Логинова Д.М., Лодыгина А.Д., Словянова Н.Г., Бенардоса М.М. и других – в деле практического применения электричества Россия занимала одно из последних мест среди развитых стран по использованию электроэнергии в народном хозяйстве. Такая невостребованность объясняется тем, что в стране отсутствовала обрабатывающая промышленность, а в добывающей использовалась, в основном, мускульная сила рабочих и животных.

Первое объединение русской технической интеллигенции было создано в 1866 году как Русское техническое общество (РТО). По инициативе зачинателей русской электротехники В.Н.Чикалева, А.Н.Ладыгина, П.Н.Яблочкова и ученых-физиков Д.А.Лачинова и О.Д.Хвольсона 30.01.1880 г. был организован VI (Электротехнический) отдел РТО, который в короткий срок объединил значительную часть электротехников-практиков и ученых-физиков, работающих в области электротехники.

Большое значение для развития деятельности РТО-энергетики имело создание журнала «Электричество», первый номер которого вышел в июле 1880 года. Постоянный рост числа членов VI отдела РТО в городах России и необходимость решения проблем электроэнергетики в регионах потребовали создания региональных отделений общества. После проведения I съезда (февраль 1908 г.) инженеров-гидротехников было создано Московское общество электротехников во главе с М.К.Поливановым. Это общество с 1893 по 1913 гг. выполнило следующее:

· подготовка правил эксплуатации котлов электростанций;

· применение пара для технологических нужд;

· использование угля в качестве топлива электростанций;

· организация в 1915 году совещания и подготовка предложений по повышению добычи подмосковного угля, улучшению перевозки и освоения способа его сжигания;

· решение проблем освещения городских улиц и электротранспорта, передачи энергии на значительные расстояния, разработка правил устройства и эксплуатации электрических установок сильных токов, вопросов электросвязи, использование водной энергии.

Было организовано производство отечественного теплотехнического оборудования, котлов В.Я.Долголенко и В.Г.Шухова; была организована подготовка теплотехнических кадров.

Среди специалистов, принимавших участие в разработке плана ГОЭЛРО, большую часть составляли энергетики Москвы: Круг К.А., Кржижановский Г.М., Угримов Б.М., Смирнов М.А., Классэн Р.Э., Макарьев Т..Ф., Шателец М.А. Каждый из специалистов решал свою конкретную задачу в рамках этого плана.

В дореволюционной России не было специальных исследовательских институтов или других научных организаций электротехнического профиля. Разработками в этой области занимались, в основном, высшие учебные заведения. Большой вклад в развитие электроэнергетики внес Санкт-Петербургский политехнический институт (ныне Технический университет), где уже тогда была создана лаборатория техники высоких напряжений. В Москве эту деятельность осуществляло Московское высшее техническое училище (МВТУ).

После одобрения плана ГОЭЛРО в стране был создан ряд специальных исследовательских институтов, в том числе:

· Государственный экспериментальный электротехнический институт (ВЭИ), 1921 г.;

· Энергетический институт АН СССР, ныне АО ЭНИН им. Г.М.Кржижановского, 1932 г.;

· Транспортно-энергетический институт Сибирского отделения АН СССР, реаргонизованный в 1963 г. В Сибирский научно-исследовательский институт электроэнергетики (СибНИИЭ), 1944 г.;

· Центральная научно-исследовательская электротехническая лаборатория (ЦНИЭЛ), преобразованная в 1952 г. Во Всесоюзный научно-исследовательский институт электроэнергетики (ВНИИЭ), 1944 г.;

· Научно-исследовательский институт постоянного тока (НИИПТ), 1945 г.;

· Научно-исследовательский сектор института Гидропроект на правах НИИ союзного значения, 1949 г.;

· Институт электромеханики АН СССР на базе Ленинградского отделения Института автоматики и телемеханики (ЛО ИАТ), позже преобразованный во Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения (ВНИИЭлектромаш), 1955 г.;

· Сибирский энергетический институт СО АН СССР, ныне Институт проблем энергетики им. Л.А.Мелентьева, 1960 г.;

· Научно-исследовательский институт высоковольтной аппаратуры, 1964 г.;

· Институт энергетических исследований АН СССР, 1965 г.

Практически во всех академиях наук союзных республик были созданы институты энергетического профиля, впоследствии переданные в ведение Минэнерго СССР.

Для подготовки кадров для энергетической отрасли на базе электротехнических факультетов МВТУ и Института народного хозяйства им. Г.В.Плеханова был образован Московский энергетический институт (ТУ), 1930 г.

Весьма существенную роль по пуску и освоению энергетического оборудования, обобщению передового опыта наладки и эксплуатации, подготовке кадров для энергетики принадлежит фирме ОРГРЭС, созданной в 1933 г. В 1939 году преобразована в Государственный трест по организации и рационализации электрических станций и сетей, а в 1977 г. – в ПО «Союзтехэнерго», переименованная в 1990 г. В «Фирму по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей ОРГРЭС».

Потребность в услугах ОРГРЭС привела в разные годы к созданию ее отделений в Украине, Урало-Сибирском регионе, Средней Азии, на Дальнем Востоке и на Юге России.

В коллективе ОРГРЭС в разные годы работали известные руководители и специалисты отрасли: Д.Г.Жимерин, А.М.Павленко, П.Г.Грудинский, А.М.Камаров и многие другие, преумножившие авторитет фирмы.

После образования в 1935 г. Всесоюзного научного и инженерно-технического общества энергетиков и электротехников (ВНИТОЭ) его первыми региональными отделениями стали Московское (МОНИТОЭ), Ленинградское, Харьковское, Киевское, Горьковское (Н.Новгород), Ивановское, Тбилисское. В числе руководителей МОНИТОЭ были ученые с мировым именем: А.М.Федосеев, Г.Н.Петров, В.И.Радин.

К 1957 году во ВНИТОЭ (или НТО энергетики) насчитывалось 46 республиканских, краевых и областных организаций по всему Советскому Союзу, объединивших почти 32500 членов. Многие региональные организации стали ведущими в конкретных областях науки и техники. Так, например, Московское – по электрической изоляции, водоподготовке, электроавтоматике; Ленинградское – по энергомашиностроению, промышленной энергетике; Куйбышевское (Самарское) – по гидротехническому строительству.

Общество не прерывало свою работу и в годы Великой Отечественной войны. В помощь фронту создавались бригады специалистов, выполнявшие задания военного командования по поддержанию надежности и экономичности отдельных ТЭС, обеспечивающих нужды фронта.

Работа Общества продолжалась и в условиях перехода экономики страны к рыночным отношениям. Главной задачей Общества в этот период – содействие сохранению и развитию энергетического комплекса России.

Развитие электроэнергетики в XX веке характеризовалась высокими темпами строительства электростанций и расширением электрических сетей, созданием энергосистем, энергообъединений и в конечном итоге Единой энергетической системы (ЕЭС) страны. В настоящее время электроэнергетический комплекс России имеет установленную мощность электростанции 216 ГВт с производством электроэнергии 916 ГВт∙ч в год. Протяженность сетей различного уровня напряжения составляет около 2,5 млн. км, в том числе линий 220-1150 кВ – 157000 км.

Сегодня отечественными заводами электротехнической промышленности освоено производство необходимого основного оборудования, а также разработаны и внедрены в электросистемах, на электростанциях и в сетях высокоэффективные методы ведения режимов работы и эксплуатации электрооборудования. Все эти достижения служат основой надежной работы энергосистем и систем электроснабжения потребителей. Вместе с тем в последние годы возникла проблема, обусловленная массовым физическим и моральным старанием давно введенного в эксплуатацию электрооборудования. Продление срока его эксплуатации, замена, модернизация – важнейшие задачи, требующие решения.

Основы достигнутых успехов и перспективы дальнейшего развития электроэнергетики страны – результаты научных исследований и разработок. Научно-технический прогресс в энергетике базируется не только на результатах прикладной науки, но и опосредованно фундаментальной – через институты и организации, занимающиеся наукой. Так, среди важных фундаментальных исследований по физике и химии для электроэнергетики существенное значение имеет создание новых материалов с улучшенными свойствами. В их числе можно отметить полученные в XX веке полупроводники, синтетические полимеры, новые проводниковые и изоляционные материалы, высокотемпературные сверхпроводники и др. Большинство этих материалов широко применяются в устройствах на базе сильноточной и слаботочной электроники, в новых изоляционных конструкциях для электрических машин, трансформаторов, высоковольтных коммуникационных аппаратов, кабелей, воздушных линий электропередач, распределительных устройств и др.

Трудно переоценить положительное значение для научно-технического прогресса тех успехов, которые были достигнуты за последние годы в прикладной математике, информатике, автоматизации управления, математическом моделировании, развитие и использование которых оказалось возможным в результате огромных достижений в области вычислительной техники. Последние являются основой создания, развития и совершенствования всех систем автоматизированного управления ЕЭС страны, входящих в них энергосистем, станций и сетей, их систем автоматики и релейной защиты.

Эти исследования и разработки в области электротехники и энергетики сегодня проводят многие институты и организации:

· исследовательские и проектные институты и организации электроэнергетики – ВНИИЭ, ЭНИН, НИИПТ, НИЦВВА, СибНИИЭ, Гидропроект, Теплоэлектропроект, Энергосетьпроект, Фирма ОРГРЭС, ЦКБ-Энерго и др.;

· исследовательские институты и конструкторские организации электропромышленности России – ВЭИ, НИИэлектромаш, НИИ и КБ заводов «Электросила», «ЛМЗ», «Уралэлектротяжмаш», «Электроаппарат», а также ряда заводов других стран СНГ, в частности Украины «ВИТ», «Электротяжмаш» и др.;

· некоторые институты Российской академии наук (РАН) и академий наук других стран СНГ, в том числе Сибирский энергетический институт СО РАН (г. Иркутск), институт электродинамики (г. Киев) и др.;

· ряд вузов – МЭИ (ТУ), С.-Петербургский государственный технический университет, Ивановский энергетический институт (ТУ) и др.

Ускорению и расширению научно-технического прогресса в электроэнергетике способствует участие отечественных специалистов в работе международных энергетических и электротехнических организаций, в частности Международного совета по большим электрическим системам (СИГРЭ), Мирового энергетического совета (МИРЭС), Международной электротехнической комиссии (МЭК).

Создание энергосистем, содержащие крупные электростанции развитые электрические сети с протяженными ЛЭП, обусловило разработку методов анализа и мероприятий по обеспечению устойчивой параллельной работы электростанций, предотвращению самораскачивания, нарушений устойчивости и т.п.

Еще одно направление науки для электроэнергетики – техника высоких напряжений (ТВН), развитие которой остается важным для создания и функционирования не только электрических сетей, но и электрооборудования электростанций, а также для разработки необходимых изоляционных материалов. На основании изучения электрических полей с высокой напряженностью, явлений коронного разряда, процессов в изоляционных материалах, причин и характера возникновения перенапряжений была заложена база для создания различных устройств высокого, сверх- и ультравысокого напряжений и обеспечения их надежной работы. Так, например, в АО «Институт Севзапэнергосетьпроект» и АО «НИИПТ» обоснованы узловые вопросы проектирования ВЛ-1150 кВ повышенной надежности: обеспечивается снижение потерь энергии в 1,6-2 раза, увеличение габаритного пролета и уменьшение числа опор на 1 км на 15%; выбраны два варианта расщепленных проводов – 6хАС800/105 (основной вариант) и 8хАС550/71 (резервный вариант). Рассчитаны 5 вариантов промежуточных опор. Число опор на 1 км – 2,05 при толщине гололеда 15 мм и 2,24 – при толщине гололеда 20мм. Обеспечивается снижение удельного числа аварийных отключений в 3-5 раз и длительности простоев по сравнению с действующей ВЛ-1150 кВ при работе с номинальным напряжением. В настоящее время ведутся работы по проектированию анкерно-угловых опор, позволяющих повороты трасы на 15, 30 и 45°.

Сегодня за внешне благополучными экономическими показателями развитых стран (в том числе и России) все отчетливее различается призрак электроэнергетического дефицита. Для быстрой ее ликвидации и создания требуемой генерирующей резервной мощности наиболее перспективным является строительство АЭС с использованием электропередачи ультравысокого напряжения (УВН). Для избавления от психологии «Чернобыльской катастрофы» выдвигается идея строительства АЭС в малонаселенных районах страны, например, у Полярного круга – в районе реки Печора. Обязательное условие успешной реализации такого способа развития атомной энергетики – применение ЛЭП УВН 1150 (1800) кВ. Они необходимы для передачи электроэнергии от АЭС в крупные центры потребления (Москва, С.-Петербург, Средний и Южный Урал) на большие расстояния при высоких технико-экономических показателях.

В первом варианте, который предусматривает производство электроэнергии для потребления внутри России, передача от АЭС к потребителям осуществляется с помощью трех электропередач УВН (см. рис.1, сплошные линии): АЭС-Москва (двухцепная ЛЭП 1150 кВ или одноцепная напряжением 1800 кВ); АЭС-С.-Петербург (ЛЭП 1150 кВ); АЭС-Екатеринбург (ЛЭП 1150 кВ).

Второй вариант предполагает превращение России в крупного экспортера электроэнергии в европейские страны в целях получения дополнительных доходов и сокращения поставок нефти и газа. Тогда к объектам первого варианта добавляются две электропередачи напряжением 1800 кВ (см. рис.1, пунктирные линии): АЭС-Рейн служит для передачи электроэнергии в Западную Европу; АЭС-Белград – для электроснабжения Южной Европы.

Основные параметры всех указанных линий УВН приведены в таблице.

Рис.1. Схема развития атомной энергетики с использованием электропередач УВН

Таблица 1. Варианты развития ЛЭП УВН (возможные варианты)

Суммарная номинальная мощность комплекса АЭС должна составлять 26-35 ГВт в первом варианте и 70-80 ГВт во втором.