Не спи, Гальвани8

• Ирик Имамутдинов

В конце апреля 1945 года, завершая окружение Берлина с юга и юго-запада, советские войска 1-го Украинского фронта вплотную приблизились к Эльбе. Двадцать четвертого апреля 4-й гвардейский Кантемировский танковый корпус под командованием генерал-лейтенанта Павла Полубоярова с тяжелыми боями и потерями прорвался к реке и вышел в предместья городов Торгау и Дессау, примерно в ста километрах от столицы Германии.

Отпраздновав встречу с союзниками и начав по-хозяйски осваиваться на недавно отбитой у немцев территории, танкисты среди прочих большей частью разрушенных промышленных сооружений обнаружили уцелевшее здание, на первый взгляд напоминавшее обычную электроподстанцию. Часть оборудования подстанции показалась странной даже много чего видавшим механикам, умевшим приспособить для ремонта техники почти любую трофейную железяку. Еще больше их насторожили два одножильных подземных кабеля, идущих от аппаратуры в бетонированный тоннель. Насчет технической невидали бойцы имели четкие указания, в соответствии с которыми они и доложили куда надо, — и вскоре на объекте уже вовсю хозяйничали особисты фронта и группа прикомандированных технических специалистов. Команды таких спецов, собранные из видных инженеров и ученых различных институтов страны в конце войны, буквально по пятам шли за действующей армией, собирая и анализируя научно-техническую информацию о достижениях трофейного технологического хай-тека, попутно мониторя уцелевшее в боях и бомбежках немецкое промышленное оборудование.

Уже после того как затихли последние майские бои, стало понятно, что кабели, берущие начало недалеко от Дессау, тянутся до Мариенфельда — пригорода Берлина, а найденный и допрошенный затем немецкий персонал Siemens и AEG, фирм, разработавших таинственную кабельную линию Эльба—Берлин, показал, что она была построена в рамках первого в истории проекта по строительству стокилометровой кабельной линии электропередачи постоянного тока (ППТ) высокого напряжения. Линия должна была передавать до 60 МВт мощности при напряжении 200 кВ, но заработать так и не успела. Технологию, вырванную в счет репараций в результате войны с немцами, подхватили советские электротехники, и по сути с этого проекта в мире возобновился практический интерес к транспорту электроэнергии постоянным током. Сейчас протяженные кабельные и воздушные линии ППТ — обычное дело, они составной частью входят в энергосистемы развитых стран, а преобразовательные устройства, включающие так называемые вставки постоянного тока, — почти обязательный элемент систем управления перетоками мощности между сетями переменного тока, которые продолжают оставаться основным транспортом для передачи электроэнергии. В России есть только одна работающая линия передачи и одна вставка постоянного тока. Наша страна, более сорока послевоенных лет лидировавшая в этой области, после почти двадцатилетнего простоя оказалась в числе отстающих и сейчас только приступает к разработке собственных технологий, попутно осваивая чужие.

Любые деньги за дьявольский свет

Вообще-то, вся электроэнергетика и начиналась с постоянного тока. Не будем о пионерских экспериментах Луиджи Гальвани с лягушачьими лапками… Один из самых первых электрогенераторов, собранный русским ученым Борисом Якоби, работал на постоянном токе. Он был устроен так: две катушки, соединенные параллельно, вращались между полюсами постоянного магнита. Первые электростанции генерировали постоянный ток только с помощью похожих устройств. Первая общественная электростанция в мире, возведенная по проекту Томаса Эдисона в Нью-Йорке в 1882 году, работала на постоянном токе. Шестью годами позже в Москве на генераторах постоянного тока построили первую в России центральную электростанцию — Георгиевскую. Первым ее потребителем стал находившийся в двух шагах от Георгиевского переулка пассаж на Тверской, владелец которого, купец Постников, заманивал ярким электрическим освещением небедных зевак.

Передать значительную мощность на большое расстояние можно, только существенно повысив напряжение источника тока. Но доступных технологий повышения напряжения постоянного тока тогда не существовало — по сети передавали ток с генераторным напряжением, оно составляло несколько сот вольт и с точки зрения транспортировки высоким не было. Но и это напряжение оказывалось слишком высоким для потребителей, и им для его понижения приходилось включать у себя дома еще один генератор с меньшим выходным напряжением, который крутился двигателем, работающим от сети с высоким входным напряжением. Уже в девяностых годах XIX века (как и сто лет спустя) обе российские столицы, испытавшие стремительный рост потребления, оказались энергодефицитными. Купцы, сидящие по лавкам где-нибудь за Садовой, предлагали любые деньги за дьявольский свет и не понимали, почему его не продают. Но нельзя построить электростанцию вблизи каждого нуждающегося в электричестве удаленного потребителя, бессмысленным было и наращивание мощности станции из-за невозможности построить сколько-нибудь протяженную линию электропередачи. Решение проблемы, казалось бы, лежало под ногами и заключалось в использовании переменного тока с легко трансформируемым напряжением, тем более что Генрих Румкорф уже четверть века назад собрал вполне пристойный образец трансформатора. Но технологическая инерция затягивала применение технологий переменного тока и какое-то время еще заставляла изобретателей пробовать строить протяженные линии ППТ.

Победа переменного тока

Победное шествие переменного тока началось с изобретения в 1890 году русским инженером Михаилом Доливо-Добровольским трехфазного электродвигателя, конструкция ротора которого с тремя обмотками, расположенными под углом 120 градусов по отношению друг к другу, в виде «беличьего колеса», в целом сохранилась и до наших дней.

Доливо-Добровольский бежал из России из-за политического преследования (он участвовал в студенческих сходках после покушения на Александра III, повлекшего за собой казнь нескольких студентов) и, доучившись в Германии, работал на немецкую фирму AEG (Allgemeine Elictricitats Gesellschaft, «Объединенное электрическое общество»), тогдашнего лидера в области электротехнического хай-тека. В это время власти Франкфурта-на-Майне решили построить мощную городскую электростанцию. Ухватившись за возможность получения выгодного контракта, свои услуги стали предлагать многие электротехнические компании. Мало что смысливший в электричестве, но обладавший неплохой хозяйственной сметкой, бургомистр города решил провести своего рода тендер — первый в истории электроэнергетики. На деньги же претендующих на муниципальный контракт компаний в 1891 году он организовал Франкфуртскую международную выставку — экспозицию электротехнических достижений того времени. В AEG решили не скупиться и в качестве презентации своих возможностей построить за полгода, оставшиеся до выставки, ГЭС на водопаде Неккар около городка Лауфен и провести от нее до Франкфурта 170-километровую ЛЭП (невиданная для того времени протяженность линий электропередачи).

Двадцативосьмилетнему Михаилу Доливо-Добровольскому удалось убедить основателя фирмы, сорокалетнего Эмиля Ротенау, использовать для проекта разработанную им инновационную систему трехфазного переменного тока (новые разработки для Франкфурта предлагали и промоутеры однофазного тока, акции которых тогда высоко котировались). В проекте использовались совершенствуемые «на ходу» опытные образцы базовых устройств: трехфазных генератора, трансформатора и двигателя. В итоге задача была решена: мощность гидротурбины (300 л. с.) была передана при напряжении около 15 кВ с 75-процентным КПД. Коммерческие и технические преимущества трехфазной системы — возможность производства и передачи больших мощностей на большие расстояния для нужд быстро растущей энергоемкой промышленности — были продемонстрированы с такой убедительностью, что произошел, пожалуй, самый быстрый в истории электроэнергетической отрасли переход на новый технологический уклад.

Системы переменного тока в своем развитии прошли период неуклонного повышения напряжения в линиях электропередачи и соответствующего снижения тепловых потерь. Со времени изобретения Доливо-Добровольского напряжение электропередачи возрастало в 1,5–2 раза примерно каждые 10–15 лет и достигло своего рекордного максимума в 1150 кВ в восьмидесятых годах XX века на линии электропередачи Экибастуз—Кокчетав — участке недостроенной высоковольтной ЛЭП Сибирь—Экибастуз—Центр. Такие высокие напряжения давали возможность увеличивать расстояния и передаваемые мощности. В двадцатых годах XX века электроэнергия передавалась на расстояния не более 100 км, к тридцатым протяженность ЛЭП увеличилась до 400 км, а к семидесятым достигла 1000–1200 км. Протяженность не успевшей заработать к моменту распада СССР ЛЭП Сибирь—Центр должна была превысить 2500 км. Казалось, победному шествию переменных токов при передаче на большие расстояния ничто не помешает. Впрочем, сам инициатор этого «шествия» Михаил Доливо-Добровольский незадолго до смерти обозначил ему предел.

Что нашли танкисты

Доливо-Добровольский в 1919 году занялся расчетами по техническим проблемам передачи электроэнергии на дальние расстояния для AEG, в которой занимал пост технического директора. Тогда он и выдвинул положение о том, что передача электрической мощности переменным током на расстояния в несколько сотен километров окажется нерациональной из-за значительных потерь на ЛЭП.

Сегодня хороший студент-электротехник легко покажет, что передавать электроэнергию по кабельным линиям при длинах 30–40 км и по воздушным линиям передачи протяженностью свыше 500 км выгоднее с помощью постоянного тока. В 1919-м 500-километровые ЛЭП казались еще диковинкой. Но труды нашего великого соотечественника пролежали в архивах немецкой корпорации не так уж долго: гитлеровская Германия приступила к разработке высоковольтных линий передачи постоянного тока в тридцатые годы, и работы эти только усилились после нападения на Советский Союз. Немцы рассчитывали не только победить СССР в молниеносной войне, но и, не теряя времени, приступить к освоению промышленно-энергетических ресурсов нашей страны. В планы немецких хозяйственников входило сооружение магистральных линий электропередачи с мощных волжских ГЭС (в планы входило и их строительство) до Германии длиной свыше 2500 км. По расчетам, основанным и на работах Михаила Доливо-Добровольского, выходило, что без больших потерь электроэнергию на такое расстояние можно было передать только высоковольтными линиями постоянного тока.

Проблема была в том, что все электростанции вырабатывали переменный ток и, для того чтобы превратить его в высоковольтный постоянный и инвертировать обратно в переменный для потребителей, требовалась мощная преобразовательная электроника. Во времена Доливо-Добровольского ее еще не было.

В середине тридцатых годов в Германии как раз шло активное развитие ламповой электроники (особенно в этом преуспела Siemens), необходимой для преобразовательной техники, работающей на стыке переменный-постоянный ток. Создание мощной вакуумной силовой электроники, рассчитанной на пропускание огромных по тем временам токов, позволило немцам создать систему, которую и нашли советские солдаты 4-го Гвардейского Кантемировского танкового корпуса Павла Полубоярова.

Идея передачи тока на дальние расстояния уже давно витала в умах советских ученых и энергетиков, но до войны они только подошли к экспериментальным образцам преобразовательной техники — а тут такое технологическое богатство, на годы опережающее их собственные достижения в этой области. Найденное нашими солдатами под Берлином оборудование действительно было уже готово к промышленно-экспериментальной работе. Уже в 1945 году «для решения проблем, связанных с внедрением в энергетику электропередачи постоянного тока и созданием Единой энергосистемы страны» распоряжением советского правительства в Ленинграде был образован Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (НИИПТ). «Не надо видеть в этом решении, — говорит заместитель генерального директора НИИПТ Лев Кощеев, — простое желание скопировать проект, в развитии которого немецкие специалисты действительно достигли значительных успехов. Основное соображение, которым руководствовалось Минэнерго СССР в то время, было осознание факта, что за послевоенным восстановлением последует бурное освоение территориальных и других природных преимуществ СССР, определявших перспективы использования новой техники».

НИИПТ и несколько отраслевых институтов в 1950 году впервые в мире запустили опытно-промышленную ППТ с ртутными вентилями (элементами мощных выпрямительно-инверторных устройств, позаимствованными у немцев) от электростанции в Кашире до подстанции в Москве с кабельной линией напряжением 200 кВ, длиной 112 км, мощностью 30 МВт. В 1965 году была введена по всей 500-километровой длине намного более мощная 790-мегаваттная ППТ напряжением 800 кВ Волгоград—Донбасс, сооруженная уже целиком из отечественного оборудования и включенная в объединенную энергетическую систему СЭВ «Мир», куда входила и энергосистема ГДР. По словам Льва Кощеева, «она работает до сих пор, хотя в некотором смысле это уже музейная линия передачи».

Появившиеся в семидесятых годах прошлого века мощные тиристоры вытеснили ртутные вентили, значительно повысив надежность преобразователей и линий передачи постоянного тока в целом. Во многом их совершенствованию способствовало развитие проекта Экибастуз—Центр (линия, передающая мощность в 6 ГВт под напряжением 1500 кВ на 2,4 тыс. км, строилась в восьмидесятых годах). По словам заместителя генерального директора Всероссийского электротехнического института (ВЭИ) Виктора Ивакина, «основное оборудование было уже создано и испытано на стендах, на предприятиях и в НИИ электротехпрома, но распад СССР помешал доведению строительства до конца. Между тем для линии Экибастуз—Центр были разработаны самые передовые в то время проектные решения». Этот задел был использован, к сожалению, только в одном крупном, но очень успешном отечественном проекте — в разработанной НИИПТ Выборгской выпрямительно-инверторной подстанции 330/400 кВ, установленной в 1980–1984 годах и предназначенной для несинхронной связи энергосистем России и Финляндии. Ежегодно Россия экспортирует через эту самую крупную в мире вставку постоянного тока мощностью 1400 МВт в энергосистему северных стран свыше 4000 ГВт∙часов электроэнергии. Сейчас оборудование ППТ Экибастуз—Центр, шедевра отечественной технической мысли, никем пока не превзойденного по пропускной способности и напряжению, большей частью растаскали на металлолом, что-то осталось в Казахстане. Но в профильных институтах сохранились документы, и на многие «родные» идеи и решения, безусловно, соотнеся их с последними достижениями в этой области, еще можно опереться при подготовке проектов линий постоянного тока, ввод которых предусмотрен Генеральной схемой развития электроэнергетики до 2020 года.

Стройки века

Строительство линий постоянного тока, после разработки мощных полупроводниковых тиристоров и другой силовой электроники, с начала восьмидесятых годов было поставлено в мире на поток. В первую очередь в ход пошли кабельные линии, особенно в Европе. «Дело в том, — объясняет генеральный директор НТЦ электроэнергетики (ВНИИЭ) Владимир Вариводов, — что допустимая напряженность электрического поля для кабелей постоянного тока в пять-шесть раз выше, чем для кабелей переменного тока. Это означает, что кабели, рассчитанные для работы с номинальным напряжением 35 киловольт переменного тока, могут быть использованы для постоянного тока напряжением 200 киловольт». По словам Льва Кощеева, в мире сейчас работает более двадцати кабельных ППТ. В Европе самая длинная кабельная линия (250 км) проложена по дну Балтики между Швецией и Германией. А самая мощная в Старом Свете линия с пропускной способностью 2 ГВт связывает Великобританию и материковую Европу через пролив Ла-Манш — через нее идет избыток базовой мощности французской атомной энергетики. Самая же мощная линия, способная пропускать 2,8 ГВт, лежит между японскими островами Хонсю и Сикоку. Малайзия собирается построить линию постоянного тока с биполярным напряжением 1000 кВ длиной 1330 км, более половины которой придется на кабельный участок.

У России ни одной кабельной линии ППТ пока нет. Сейчас Федеральная сетевая компания ЕЭС ведет подготовку к строительству первой после длительного перерыва кабельно-воздушной линии постоянного тока Джубга—Псоу общей протяженностью 160 км, часть которой пройдет по дну Черного моря. ППТ с пропускной способностью 350 МВт и напряжением 220 кВ необходима для энергообеспечения олимпийского Сочи. На нее будет выделено 7,5 млрд рублей в рамках Федеральной целевой программы «Развитие г. Сочи как горноклиматического курорта (2006–2014 гг.)». Специалисты ФСК ЕЭС, готовясь к выполнению проекта, приглядываются к технологиям шведско-швейцарской ABB, строящей схожую по параметрам кабельную линию между Эстонией и Финляндией. В России собственного технологического оборудования для производства и прокладки мощных подводных кабелей постоянного тока сегодня нет.

Страны с обширной территорией проявляют интерес к воздушным технологиям ППТ. Крупнейшая ЛЭП на постоянном токе — Итайпу—Бразилия. Эта линия с напряжением 1200 кВ и пропускной способностью 6,3 ГВт состоит из двух биполярных линий по 3,15 ГВт, длина каждой — около 800 км. ЛЭП была сооружена для того, чтобы связать самую большую в мире ГЭС Итайпу с Сан-Паулу. Электростанция — совместное детище Бразилии и Парагвая. Ее установленная мощность — 12,6 ГВт. Так как электрические сети Бразилии имеют частоту 60 Гц, а сети Парагвая — 50 Гц, то на ГЭС Итайпу было установлено по 9 генераторов разной частоты. Но Парагвай потребляет всего около 250 МВт, и почти вся мощность девяти генераторов с частотой 50 Гц преобразуется на ППТ и передается в сети Бразилии. Именно связь разных электрических систем с помощью технологий передачи постоянного тока делает допустимой их несинхронную совместную работу на различных частотах.

Но через два года станция уступит пальму первенства китайскому гидроэнергетическому узлу «Три ущелья», установленная мощность которого после полного ввода в эксплуатацию составит свыше 18ГВт. В Китае работает уже несколько воздушных линий ППТ-500, одна из них протянулась на 1800 км от гидроэнергетического узла «Три ущелья» к шанхайской энергосистеме. Сейчас китайцы с помощью западных компаний готовятся построить ЛЭП напряжением 1600 кВ.

Еще одна страна с большой территорией — США. По словам Виктора Ивакина, министерство энергетики США посчитало, что в последние 20–30 лет в стране уделялось непростительно мало внимания развитию сетей. Теперь оно прорабатывает так называемую сеть верхнего уровня и планирует обвязать новыми магистральными сверхмощными ЛЭП региональные системы, создавая экономические условия для строительства именно линий постоянного тока.

В России интерес к технологиям ППТ связан не только с Олимпиадой. РАО ЕЭС разработало перспективные планы, связанные с освоением сибирских гидроресурсов и угольных бассейнов в следующем десятилетии. По базовому сценарию Генеральной схемы развития электроэнергетики до 2020 года должно произойти увеличение установленной мощности ГЭС с нынешних 45 до 67 ГВт и угольных ТЭЦ — с 60 до 100 ГВт в основном за счет строительства в Сибири и на Дальнем Востоке. Большую часть этой мощности предстоит перетащить в Западную Сибирь, на Урал, в европейскую часть и в Китай вновь построенными ЛЭП. Для этого Генеральной схемой «рекомендуется» сооружение линий электропередачи постоянного тока напряжением 1000 кВ и 1500 кВ. Это 900-километровая ЛЭП Сибирь—Тюмень с пропускной способностью 2000 МВт. Две ППТ 1500 кВ по 2000 МВт должны пойти от Эвенкийской ГЭС до Тюмени, их длина составит 600 и 800 км. Есть в планах и новые «стройки века» — это ППТ 1500 кВ Сибирь—Урал—Центр мощностью 3000 МВт, которую протянут на 3700 км, и такая же по характеристикам линия для усиления межсистемного транзита электроэнергии Урал—Средняя Волга—Центр протяженностью 1850 км. До 2020 года наконец-то объединят ОЭС Сибири и ОЭС Востока за счет создания мощных вставок постоянного тока на двух подстанциях по 220 кВ — Могоча и Хани. Планы хорошие.

• Экоробот спасет океаны
• Молодильный вирус
• Невтон и миллион