Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Перший досвід використання електричної енергії для суспільних потреб на території України мав місце в Києві в 1878 р., коли відомий російський інженер О.П. Бородін застосував для освітлення київських залізничних майстерень чотири електричні світильники. У 1886 р. електричні світильники використовувалися в Києві вже для освітлення саду Шато де Флер (нині територія стадіону «Динамо») і окремих особняків заможних киян. У той же час в м. Полтаві була споруджена перша на території України електрична станція загального користування невеликої потужності.

З того часу в Україні починають вводити в експлуатацію електростанції невеликої потужності в містах Катеринославі (нині Дніпропетровськ), Костянтинівці (Донбас), Львові та Одесі. Передача електроенергії від таких електростанцій здійснювалася на низькій генераторній напрузі повітряними і кабельними лініями простих конструкцій. Проте на 1910 р. на території України (у Донбасі) вперше були встановлені силові підвищувальні трансформатори і почато експлуатацію перших повітряних ліній електропередачі трифазного змінного струму напругою 22 кВ.

У 1913 р. встановлена потужність електростанцій України складала всього 304,3 тис. кВт, річне виробництво електроенергії – 543 млн. кВт·год, що відповідало споживанню електроенергії на одного мешканця України всього лише 15 кВт·год на рік. Розподіл електростанцій за галузями господарства України у 1913 р. наведений в табл. 15.1.

Як випливає з табл. 15.1, переважна більшість електростанцій функціонували в металургійній і вугільній промисловості (більше 63%), а електростанції загального користування були зосереджені лише в крупних містах України.

У 1916 р. найбільш крупною електростанцією була електростанція Олександрівського заводу в м. Катеринославі, яка мала потужність 14,5 тис. кВт.

У цілому, не дивлячись на наявність великих запасів паливно-енергетичних ресурсів, Україна на 1917 р. мала слаборозвинену електроенергетику.

Електроенергія використовувалася переважно в промисловості для приводу крупних

Таблиця 15.1. Розподіл електростанцій України потужністю понад 1000 кВт за галузями господарства в 1913 році

Галузі	Загальна кількість електростанцій	Загальна потужність, тис. кВт	Питома вага, %
Вугільні шахти	26	68,2	29,8
Металургійні заводи	19	95,4	41,6
Інші промислові підприємства	6	11,7	5,2
Електростанції загального користування (у містах)	20	53,7	23,4
Всього	71	229,0	100,0

 

Мал. 15.1. Штерівська ДРЕСПервісток ГОЕЛРО на Донеччині – Штерівська ДРЕС – стала каталізатором зростання досягнень в енергетиці регіону і країни, а ряд досягнень відтепер називався не інакше як «вперше в світі». Ніде в світі не було практичного спалювання антрацитового штибу в пилоподібному стані. Лабораторні досліди були, але перше промислове спалювання відбулося навесні 1927 р. в котлі № 2 на Штерівській ДРЕС. Адже тільки у відвалах в цьому районі Донбасу тоді його накопичилося близько 50 мільйонів пудів. При цьому успішно була вирішена і проблема золовидалення; на Штерівці вперше були випробувані два ставки-охолоджувачі, споруджені на річці для безперебійного постачання електростанцій технологічною водою. У лютому 1927 р. з пуском другого турбогенератора ШтерДРЕС електроенергія в Кадієвське кільце була подана по ВЛ-115 (!) кВ (до цього Донбас не знав напруги вище 22 кВ).

 машин і механізмів, для освітлення шахт, цехів, вулиць і будинків найбільш заможної частини населення. Як правило, устаткування електростанцій було закордонного виробництва. Електростанції характеризувалися дуже низькими техніко-економічними показниками: к.к.д. – від 11 до 12%, питома витрата палива – від 1 до 3 кг на вироблену 1 кВт·год. Кількість годин використання максимуму навантаження на найбільших електростанціях складала 2600–2900 на рік, а на дрібних – від 1300 до 1800 на рік, що визначалося режимами роботи приєднаних до них споживачів. Система електричного струму не була стандартизована. Використовувався однофазний, трифазний і постійний струм. Частота змінного струму також була різною (25, 40, 50 і 52,5 Гц).

Географічне положення і економічний розвиток регіонів України накладали свій індивідуальний відбиток на формування структури електричних мереж. Наприклад, в донбаському регіоні чітко виявилася тенденція побудови схеми мереж у вигляді розгалуженої мережі ліній електропередачі з електростанціями невеликої потужності у вузлах.

Перша світова і громадянська війни надзвичайно підірвали економіку України. Майже повністю була зруйнована енергетика, багато електростанцій і електричні мережі знищені, а дрібні електростанції, що збереглися, не діяли через відсутність палива і запасних частин. Брак кваліфікованого кадрового персоналу не дозволяв організувати нормальну експлуатацію вцілілих електростанцій і електричних мереж.

Інтенсивне будівництво електричних станцій, електричних мереж і потужних трансформаторних підстанцій на території України почалося лише в період здійснення плану ГОЕЛРО, прийнятого в 1920 р., в якому розвитку енергетики України, особливо району Донбасу, надавалося пріоритетне значення.

Характерною рисою плану ГОЕЛРО була орієнтація на будівництво потужних електростанцій, спорудження електричних мереж змінного струму на найвищі для того часу рівні номінальної напруги 35 і 110 кВ, забезпечення паралельної роботи теплових і гідравлічних електростанцій, створення електричних систем з максимальною централізацією управління для ефективного використання паливних і енергетичних ресурсів. Майже 30% обсягу нових енергетичних потужностей, передбачених планом ГОЕЛРО, планувалося розташувати і ввести в роботу на території України. Планом ГОЕЛРО також передбачалося першочергове об’єднання на Донбасі для переходу на паралельну роботу 24 електростанцій вугільних шахт і металургійних заводів загальною встановленою потужністю в 67,4 МВт, а також ряду електростанцій на металургійних заводах Придніпров’я загальною потужністю 22,5 МВт.

На 1926 р. була побудована перша черга Штерівської ДРЕС – першої електростанції України, на якій було освоєне спалювання антрацитового штибу в пилоподібному стані (мал. 15.1).

Услід за Штерівською в жовтні 1928 р. почалося спорудження Сєверодонецької ДРЕС, перші агрегати якої були пущені через два роки. Її електроенергію споживали підприємства м. Лисичанська, а тепло – завод «Донсода». При цьому на Донбасі вперше було застосоване комбіноване виробництво як електричної, так і теплової енергії (у вигляді пари і гарячої води).

На цей час на Донбасі були реконструйовані 62 найбільш крупні заводські електростанції. Близько половини всіх електростанцій Донбасу (44%) в 1930 р. вже експлуатувалися на паралельній роботі. Це стало початком формування енергетичної системи Донбасу. Проте більшість електростанцій Донбасу, а також всі електростанції інших регіонів України продовжували працювати ізольовано і неекономічно, здійснюючи електропостачання споживачів за простими радіальними схемами.

Паралельна робота ряду електростанцій на загальну мережу поставила перед інженерами і вченими-електротехніками України складні завдання забезпечення економічного розподілу навантажень між електростанціями, ефективного регулювання рівнів напруги в мережі, надійного блокування умов порушення стійкої роботи електричних станцій.

У реальних умовах паралельна робота електростанцій в той період часу була утруднена. Керівники електричних станцій прагнули працювати в найбільш вигідних для себе режимах, абсолютно не зважаючи на зміну навантаження мережі в години максимуму і мінімуму. Ефективний вихід з цієї ситуації полягав в централізації управління і в підпорядкуванні режимів роботи всіх електричних станцій одному відповідальному технічному працівнику. На 1925 р. ця ідея диспетчерського управління одержала перше практичне втілення в системі Мосенерго, а в подальші декілька років була реалізована в Донбасенерго і Дніпроенерго.

У 1929 р. була введена в експлуатацію перша в Україні лінія електропередачі за напрямом Штерівська ДРЕС – Кадієвка напругою 110 кВ. Подальший розвиток на Донбасі розгалужених розімкнених мереж напругою 22–35 кВ забезпечив побудову простих схем замкнутих мереж, що об’єднали в своєму складі електростанції «Донвугілля» і «Південьсталі».

Мал. 15.2. Дніпровська ГЕС

У 1927 р. на Дніпрі в м. Запоріжжя (до 1921 року Олександрівськ) було почате будівництво найбільшої в Європі Дніпровської ГЕС потужністю 230 тис. кВт з подальшим збільшенням потужності станції на перспективу до 560 тис. кВт. У травні 1932 р. перші гідроагрегати Дніпровської ГЕС були введені в експлуатацію (мал. 15.2). Високовольтні лінії електропередачі, що відходили від ДніпроГЕС, були виконані відповідно до стандарту США з номінальною напругою 154 кВ і стали першою сполучною ланкою між електростанціями Донбасу і Придніпров’я.

Не дивлячись на досягнуті результати, електромережеве господарство і потужності електростанцій України в цей період істотно відставали від інтенсивно зростаючих потреб народного господарства. Гостро відчувалися дефіцит генеруючих потужностей і ненадійність електропостачання споживачів внаслідок високої аварійності устаткування електростанцій і електричних мереж. При цьому більшість аварій виникали саме в електричних мережах, оскільки останні будувалися за спрощеними схемами, не були захищені від дії блискавок і ожеледиці. Ізоляція ліній електропередачі при забрудненнях часто ушкоджувалася, примітивні пристрої релейного захисту і мережевої автоматики працювали вкрай неефективно.

У цих умовах серед частини практичних і наукових працівників у галузі електроенергетики стала розповсюджуватися думка про недоцільність розширення централізованого електропостачання, проявилася тенденція до переважного електропостачання споживачів від дрібних відомчих власних електростанцій. Ці негативні тенденції можна було подолати лише шляхом посилення науково-дослідних робіт у галузі енергетики. У лабораторіях промислових підприємств, науково-дослідних і проектних інститутах України почалися інтенсивні електроенергетичні наукові дослідження. Була розвинена теорія стійкості паралельної роботи енергосистем і успішно вирішені питання її практичної реалізації, проведені ефективні дослідження у галузі техніки високих напруг, особливо з питань перенапруг і захисту від них електричних мереж, створена теорія грозових розрядів, розроблена інженерна методика визначення рівнів грозотривкості ліній, сформовані основи теорії утворення ожеледі на лініях електропередачі. Були уточнені райони найбільш інтенсивного утворення ожеледі, розроблені ефективні способи боротьби з ожеледицею. На базі цих досліджень були змінені технічні умови з проектування ліній електропередачі, корінним чином вдосконалені опори ліній електропередачі, пристрої релейного захисту і системної автоматики. Все це створило сприятливі умови для освоєння прогресивних для того часу номінальних напруг 110 і 220 кВ.

Мал. 15.3. Зуївська ДРЕС, перший агрегат якої було введено в експлуатацію у 1931 р.

Тут необхідно підкреслити провідну роль учених-електротехніків київської, харківської і львівської наукових шкіл, що прийняли в роки перших передвоєнних п'ятирічок найактивнішу участь у вирішенні перерахованих вище задач. Зокрема, проф. Г.М. Городецький – засновник київської школи електротехніків – був одним з авторів першого вітчизняного стандарту на сталеві проводи, широко використовувані в той період часу для електропостачання споживачів.

На кінець першої п’ятирічки (1930– 1932 рр.) були введені в експлуатацію найбільші теплові районні електростанції для того часу: Криворізька, Сєверодонецька, Зуївська (мал. 15.3), Дніпродзержинська ДРЕС, Харківська і Київська ДРЕС-2, Старобешевська, Лисичанська та інші промислові електростанції.

Інтенсивне введення в дію районних електростанцій в Україні зумовило закриття і демонтаж багатьох дрібних і неекономічних заводських електростанцій. Розвивався динамічний прогресивний процес концентрації вироблення електроенергії на районних електростанціях. На кінець першої п’ятирічки на Донбасі та в Придніпров'ї демонтаж дрібних неекономічних електростанцій привів до скорочення їх числа з 264 до 44 при збільшенні загальної встановленої потужності електростанцій, що залишилися, у 3,8 рази.

У результаті напруженої роботи енергетиків України на 1929 р. загальна встановлена потужність електростанцій країни досягла рівня 474 тис. кВт, виробництво електроенергії у порівнянні з 1913 р. збільшилося більш ніж в два рази і склало 1265 млн. кВт·год. Таким чином, план ГОЕЛРО, розрахований на період 10–15 років, за своїми основними показниками був виконаний до 1931 р.

На 1933 р. на території України діяло 13 районних електростанцій зі встановленою потужністю приблизно 1 млн. кВт (при загальній потужності всіх електростанцій України 1,42 млн. кВт). Виробництво електроенергії на районних електростанціях склало 2/3 загального вироблення електроенергії електростанціями України, яка загалом складала 3248 млн. кВт·год.

Зі збільшенням числа і потужності електростанцій одночасно інтенсивно розвивалося і електромережеве господарство України. На 1928 р. на Донбасі вже експлуатувалося більше 200 км ліній електропередачі напругою 22–35 кВ. З метою прискорення електрифікації Донбасу в 1928 р. була розроблена перспективна схема розвитку живлячих електричних мереж, яка передбачала використання номінальних напруг 6, 35 і 110 кВ. У зв'язку з майбутнім пуском ДніпроГЕС швидкими темпами споруджувалися високовольтні електричні мережі Придніпров'я з номінальною найвищою напругою 154 кВ.

Були введені в експлуатацію наступні, в основному розгалужені, радіальні лінії електропередачі з номінальними напругами 110 кВ (Донбас) і 154 кВ (Придніпров'я):

район Донбасу: ЗуДРЕС – ШтерДРЕС; ШтерДРЕС – Кадієвка – Луганськ; ШтерДРЕС – п/ст Паризької Комуни – п/ст Должанка; ЗуДРЕС – Маріуполь; ЗуДРЕС – Амвросіївка – Таганрог; ЗуДРЕС – Юзівка (Смолянка) – Горлівка – Єнакієве; ЗуДРЕС – Горлівка – Костянтинівка – Краматорськ – Слов'янськ;

район Придніпров'я: ДніпроГЕС – Дніпропетровськ – п/ст заводів ім. Петровського і К.Лібкнехта – Дніпродзержинська ДРЕС; ДніпроГЕС – п/ст Металургійна – п/ст Феросплавна; ДніпроГЕС – Нікополь.

Необхідно відзначити, що в цей же період достатньо потужні електростанції Придніпров'я (КривГЕС і КривТЕЦ) і Донбасу (Сєв.ДонДРЕС) продовжували працювати ізольовано.

Електричні мережі напругою 154 кВ, які охоплювали район електропостачання ДніпроГЕС – п/ст Металургійна – п/ст Феросплавна і ДніпроГЕС – Дніпродзержинська ДРЕС (Придніпров'я), а також ЗуДРЕС – Юзівка – Горлівка – Єнакієве (Донбас), утворили перші три замкнуті контури на рівні високовольтних мереж 154 і 110 кВ відповідно.

На 1930 р. електричні лінії напругою 22 і 35 кВ були закільцьовані й, таким чином, частина електростанцій Донбасу і Придніпров'я перейшла на паралельну роботу. Введенням лінії напругою 110 кВ напрямом Штерівська ДРЕС – Кадіївка був покладений початок експлуатації першої в Україні енергосистеми Донбасенерго. У цей час на Донбасі, як наголошувалося вище, експлуатувалися 212 км високовольтних ліній напругою 20–35 кВ і більше десятка досить потужних трансформаторних підстанцій.

Інтенсивне електромережеве будівництво, спорудження потужних трансформаторних підстанцій і зосередження вироблення електроенергії на районних електростанціях зумовили гостру необхідність здійснення централізованого електропостачання районів України від потужних енергосистем.

У 1933 р. на території України були організовані районні енергетичні управління: Донбасенерго, Дніпроенерго, Харківенерго. У 1930 р. в м. Києві на базі Управління електричних підприємств при міській комунальній службі було створено державне акціонерне товариство «Київструм», перейменоване в 1934 р. в районне енергетичне управління Київенерго. У цей період в енергооб’єднанні

Таблиця 15.2. Динаміка зростання протяжності ліній електропередачі на території України за період 1914–1940 рр.

Номінальна напруга електропередачі, кВ	Довжина ліній електропередачі, км
	1914 р.	1928 р.	1930 р.	1932 р.	1937 р.	1940 р.
22	14	242	418	427	-	-
35	-	198	500	633	1463	2161
110	-	-	56	568	836	1242
154	-	-	-	233	440	477
220	-	-	-	-	-	241

Київенерго в режимі паралельної роботи діяли три районні електростанції: Київська ТЕЦ-1, ДРЕС-2 і ТЕЦ-3.

Таким чином, на 1935 р. в Україні ізольовано функціонували дві крупні енергосистеми – Донбаська і Дніпровська – з виробленням електроенергії більш ніж по 2 млрд. кВт·год на рік. В енергосистемі Донбасенерго на загальну основну електричну мережу працювали три районні електростанції (Сєверодонецька, Штерівська і Зуївська) і декілька невеликих центральних електростанцій. У складі Дніпроенерго в умовах паралельної роботи функціонували ДніпроГЕС, Криворізька і Дніпродзержинська ДРЕС і сім промислових електростанцій. На 1933 р. ДніпроГЕС була доведена до проектної потужності 560 МВт і на той час стала найпотужнішою в Європі.

В енергосистемі Харківенерго у той час на паралельній роботі знаходилися три районні електростанції: ДРЕС-1, ДРЕС-2 і ТЕЦ-3.

Для оперативного керування електростанціями і електричними мережами у всіх районних енергетичних управліннях були створені диспетчерські служби. Крім них, функціонували різні виробничі служби: електричних мереж, теплових мереж та інші.

Енергосистеми оснащувалися найбільш сучасними для того часу пристроями релейного захисту, телемеханіки і автоматики. З року в рік зростала кваліфікація кадрів, технічна культура експлуатації енергооб'єктів, збільшувалася надійність роботи енергосистем.

Процес централізації енергопостачання в період 1932–1941 рр. мав місце також і в інших промислових центрах України, а саме в містах Одесі, Миколаєві та Львові, де на базі найбільш крупних міських електростанцій і електричних мереж були створені енергокомбінати.

В електричних мережах широко проводилися роботи по перебудові ліній електропередачі з максимальною напругою 22 кВ на 35 кВ і на 1928 р. така робота була повністю завершена.

Динаміка зростання протяжності ліній електропередачі на території України за період 1914–1940 рр. відображена в табл. 15.2.

Найвища номінальна напруга електричних мереж в енергосистемі Харківенерго сягала рівня 110 кВ, Дніпроенерго – 154 кВ і Донбасенерго – 220 кВ. Схема електричних мереж напругою 110–150 кВ в Україні станом на 1 січня 1935 р. наведена на мал.15.4.

Створені в період 1930–1935 рр. регіональні енергетичні системи, зокрема Донбаська, Дніпровська, Харківська та ін., володіли своїми диспетчерськими центрами управління. У 1938 р. в м. Горлівці (Донбас) почало функціонувати Бюро Південної енергосистеми, яке в 1940 р. було перетворене в Об'єднану диспетчерську службу Півдня (ОДС Півдня).

Перша в Україні лінія електропередачі з номінальною напругою 220 кВ була споруджена в Донбасенерго в 1940 р. за напрямом Зуївка – Курахівка (завдовжки 87 км).

На початку 1940 р. був введений в експлуатацію міжсистемний зв'язок напругою 220 кВ Дніпро (п/ст ДД) – Донбас (п/ст Чайкине) з єдиною диспетчерською службою, що об'єднала енергосистеми Донбасенерго і Дніпроенерго для паралельної роботи. На той час система Донбасенерго працювала паралельно з Ростовською енергосистемою (Азчеренерго) і була об’єднана з нею лінією електропередачі напругою 110 кВ. Цим була закладена основа для формування Об'єднаної енергосистеми Півдня (ОЕС Півдня). Таким чином, ОДС Півдня вже в 1940 р. координувала роботу трьох паралельно працюючих енергосистем. У 1940 р. встановлена потужність паралельно працюючих у складі ОЕС Півдня електростанцій перевищила 1800 тис. кВт.

 

Мал. 15.4. Схема електричних мереж напругою 110–150 кВ в Україні станом на 1 січня 1935 року

Введення в експлуатацію цього міжсистемного зв'язку зумовило різкий якісний стрибок в розвитку електроенергетики України. Істотно підвищилася надійність електропостачання споживачів найбільших економічних регіонів України, були значно покращені техніко-економічні показники роботи трьох раніше ізольованих енергосистем. Були зняті обмеження для споживачів з постачання електроенергією, почала інтенсивно підвищуватися електроозброєність галузей народного господарства України. Покращилися режими роботи всіх електростанцій ОЕС, скоротився необхідний загальносистемний резерв генеруючої потужності, знизилася кількість годин використання неекономічних теплових електростанцій, а найбільш крупні теплові електростанції Донбасу і Придніпров'я стали працювати за рівнішими графіками, надійно і економічно.

Введення міжсистемного зв'язку Дніпро – Донбас поклало кінець тривалій дискусії, під час якої викладалася помилкова теорія доцільності роздільної роботи енергосистем Донбасенерго і Дніпроенерго. На практиці були доведені переваги спільної роботи крупних теплових і гідравлічних електростанцій у складі об'єднаних енергосистем.

У ці роки продовжувався інтенсивний розвиток електромережевого господарства України. В енергосистемах і енергокомбінатах були споруджені більше 180 крупних мережевих трансформаторних підстанцій і більше 4 тис. км ліній електропередачі напругою 35–220 кВ.

Як випливає з даних табл. 15.2, розвиток електричних мереж в цей період характеризується швидким зростанням номінальної напруги ліній електропередачі, що обумовлювалося перш за все інтенсивним збільшенням величини і віддаленості електричних навантажень споживачів, а також номінальних потужностей силових трансформаторів, встановлюваних на крупних підстанціях.

Таблиця 15.3. Динаміка зміни кількості та потужностей підстанцій на 01.01.1941 р.

Номінальна напруга, кВ	Трансформаторні підстанції
	кількість	потужність, МВт
35	156	1650
110	12	680
154	10	776
220	3	360

Динаміка зміни кількості та потужностей підстанцій (за номінальною напругою обмотки вищої напруги силових трансформаторів) станом на 01.01.1941 р. наведена в табл. 15.3.

Одночасно збільшувалися робочі перетини проводів, використовувалися більш довершені конструкції опор, поліпшувалася ізоляція ліній електропередачі, зростали розривні потужності вимикачів, удосконалювалися пристрої релейного захисту і системної автоматики електричних мереж.

Характерними особливостями розвитку електроенергетики України в довоєнний період були поліпшення структури енергетичного виробництва і централізація вироблення енергії. У 1940 р. на території України 3/4 всієї споживаної електроенергії вироблялося на районних електростанціях, а в енергосистемах Донбасенерго і Дніпроенерго цей показник перевищував 80%, що було найвищим показником в світовій практиці.

У цей період різко збільшилися потужності окремих електростанцій. У 1941 р. Зуївська ДРЕС досягла потужності 350 МВт і стала найбільш крупною електростанцією в Європі. Для порівняння підкреслимо ще раз, що в 1913 р. найбільш потужна електростанція в Україні мала потужність лише 14,5 МВт і значно поступалася потужностям крупних електростанцій європейських країн. Сумарна встановлена потужність всіх електростанцій України на кінець 1940 р. перевищила 2,6 млн. кВт (при встановленій потужності ТЕС – 1,8 млн. кВт, ГЕС – 0,8 млн. кВт).

Дані про загальне вироблення електроенергії всіма електростанціями України за період 1913–1940 рр. наведені в табл. 15.4.

За цей період різко покращилися технікоекономічні показники виробництва електроенергії, наприклад, в середньому по Україні істотно знизилися витрати умовного палива на вироблену кВт·год – з 1,5 до 0,596 кг. Споживання електроенергії на власні потреби електростанцій зменшилося з 15 до 7,2%. Зокрема, на найбільш економічній Сєверодонецькій ДРЕС ці показники в 1940 р. складали відповідно 0,458 кг/кВт·год і 5,3%.

Таблиця 15.4. Вироблення електроенергії електростанціями України (млн. кВт·год) за період 1913–1940 рр.

Показник	1913 р.	1928 р.	1932 р.	1937 р.	1940 р.
Загальне вироблення всіма електростанціями України,	543	1261	3248	9451	12411
у тому числі на районних електростанціях	-	54,5	2077	7187	9356
Питома вага вироблення електроенергії на районних електростанціях, %	-	4,3	63,9	76	75,4