12.5. Основні технічні проблеми з’єднання мереж

Оптимальний розподіл навантаження. При об'єднанні мереж на паралельну роботу одним з основних питань було досягнення оптимального розподілу загального навантаження між електростанціями систем. Такий розподіл навантаження зветься «покриттям графіка навантаження». Так, при паралельній роботі мереж, що живляться двома гідроенергетичними установками (одна з яких з низьким напором, великим витрачанням води й дуже малим регулювальним басейном, а інша – з великим напором, меншим витрачанням води й порівняно великим регулювальним басейном), бажано, щоб установка з низьким напором весь час працювала при повному навантаженні, тоді як вода в установці з великим напором накопичуватиметься для роботи в період максимумів навантаження. При паралельній роботі теплових станцій доцільно, щоб нижня (базисна) частина графіка навантаження покривалася більш сучасними й економічними генераторами, а максимуми (піки) навантаження – більш старими або менш економічними. Для спільної роботи теплових і гідроенергетичних установок при розподілі навантажень можна керуватися тим, якими резервами розпоряджається та або інша гідроенергетична станція. Теплові установки в цьому випадку можуть працювати з постійним навантаженням.

Регулювання обміну енергією. Явища, що супроводжують регулювання розподілу струмів між генераторами двох електростанцій, зв'язаних лінією значної довжини, будуть протікати доволі складно, тому що на них впливатимуть властивості лінії – її активний і реактивний опір. При паралельній роботі двох центральних станцій є нескінченна безліч можливих режимів у межах, що залежать від параметрів лінії, яка з’єднує обидві станції. Можна при цьому задаватися деякими граничними умовами, наприклад обмежувати спадання напруги в лінії деякою величиною, задаватися певним значенням коефіцієнта потужності на одному з кінців лінії або, нарешті, певною величиною переданої активної потужності. Самим вигідним із всіх можливих для тих або інших умов режимів буде той, за якого зрівняльний струм, що протікає з’єднувальною лінією між двома станціями, матиме найменшу величину.

Якщо дві системи з'єднувалися між собою двома й більше лініями, які мали різні активні й реактивні опори, і від цих ліній могли йти ще й відгалуження з навантаженнями, то процес регулювання вже значно ускладнювався. При цьому кількість енергії, переданої по тій або іншій лінії, залежала головним чином від співвідношення між активними й реактивними опорами ліній зв’язку між системами.

Регулювання коефіцієнта потужності. У системі з'єднаних для паралельної роботи мереж надзвичайно бажаною була підтримка у всій системі якомога більш постійного значення напруги для того, щоб забезпечити для кожної лінії системи можливість обміну енергією в будь-якому напрямку. Для виконання цієї умови необхідно, щоб кожна з ліній, що утворюють мережу, працювала при cos?, досить близькому до 1 або навіть із деяким зсувом фаз у бік випередження при нормальному навантаженні. Передача реактивної потужності мережею є вкрай небажаною. Вирішення питання про передачу реактивної потужності полягало, з одного боку, у можливому поліпшенні cos? у споживачів, що могло б бути досягнуто тарифними й іншими економічними заходами. З іншого боку, необхідну для функціонування встановлених у споживачів приладів реактивну потужність пропонувалося генерувати по можливості не на центральних станціях, що виробляють активну потужність, а на місці, тобто якщо не безпосередньо у самих споживачів, то, принаймні, у центрах споживання.

Вплив частоти. З’єднання мереж для спільної роботи було б легше здійсненне за умови, що частота у всіх з'єднаних мережах та ж сама. Однак у деяких країнах (наприклад в Італії й Америці) здійснення уніфікації частоти було пов’язане зі значними витратами через наявність великої кількості установок, працюючих з різними частотами. У таких випадках перехід на єдину частоту для всіх поєднуваних мереж доводилося відкладати, обмежуючись уніфікацією частоти по районах. При цьому мережі, які живилися при різних частотах, з’єднувалися за допомогою спеціальних оборотних перетворювачів частоти, що, звичайно, значно підвищувало вартість необхідного для поєднання мереж устаткування. Нерідко, втім, ці перетворювачі частоти використовувалися також для регулювання напруги. В об'єднаних мережах з уніфікованою частотою зустрічався й менш досконалий, але простіше здійснюваний і не потребуючий складного зв'язку між станціями спосіб розподілу навантажень між окремими установками, а саме, за допомогою зміни частоти. Кожній станції призначалося деяке певне значення частоти, причому частоти окремих станцій досить мало відрізнялися одна від одної. Коли навантаження станцій, що перебували у роботі, зростало настільки, що частота трохи знижувалася, то це було сигналом для вступу в роботу станції з підвищеною частотою. Таким чином, окремі станції починали брати участь у живленні мережі у відомій послідовності по заздалегідь виробленій програмі. Подібний спосіб розподілу навантажень застосовувався, наприклад, у Швеції. Недоліком цього способу є виникнення коливань частоти, не завжди прийнятних для споживачів.

Стійкість паралельної роботи. Паралельна робота станцій, з'єднаних довгими лініями електропередачі, викликала значні утруднення з погляду стійкості. Кожна зміна швидкості первинних двигунів від зміни навантаження змінювала відносне положення векторів напруг. Такий перехід від попереднього режиму до наступного має характер коливального процесу. Ці коливання можуть при деяких умовах потрапити в резонанс із електромеханічною системою генераторів й, перейшовши припустимі межі, вивести генератор із синхронізму. Математичне дослідження проблеми, виконане провідними електротехніками на початку ХХ століття, дозволило зробити висновок, що для зменшення коливань не слід підтримувати занадто сувору сталість напруги на шинах за допомогою швидкодіючих регуляторів, а постійні реакції регуляторів повинні бути рівними між собою. Крім того, паралельна робота буде тим стійкішою, чим менше самоіндукція з’єднувальної лінії.

Захист від струмів ушкодження й перенапруги. Для випадку однієї мережі з єдиною центральною станцією проблему захисту від поширення ушкоджень можна було вважати вирішеною. У подібних мережах енергія звичайно циркулює в одному напрямку й має ту ж саму величину. У з'єднаних мережах питання ускладнювалося тим, що кількість обмінюваної енергії змінюється й за величиною, й за напрямком. Крім того, за несприятливих умов в окремих вузлах системи можуть концентруватися досить великі потужності. Якщо з'єднувалися мережі, побудовані спочатку для самостійної роботи, то в кожній з таких мереж при роботі їх порізно доводилося мати справу з порівняно невеликими потужностями навіть при підвищенні напруги. При цьому можна було обходитися вимикачами помірних розмірів, досить примітивним захистом від перенапруги й трансформаторами, конструкція яких не передбачала необхідності захисту від струмів ушкоджень. При паралельній роботі мереж доводилося переходити до більш високих напруг. При цьому розривні потужності також значно збільшувалися. Тоді довелося переобладнати всю мережу, підсилюючи апаратуру у відповідності до нових вимог. Для швидкого автоматичного вимикання окремих машин або ліній з метою локалізації ушкоджень став застосовуватися селективний захист. Однак питання про захист від перенапруги з причини її різноманіття далеко ще не вирішене. Загалом щодо перенапруги з’єднані мережі перебувають у досить сприятливих умовах завдяки їх значній ємності стосовно землі.

Централізація керування системою об'єднаних мереж. Практика з’єднання мереж на початку ХХ століття із безсумнівністю довела необхідність централізації керування роботою з'єднаних між собою установок всієї системи. Це керування покладалося на так званого «диспетчера» (load-dіspatcher), тобто на інженера, що здійснював керування розподілом навантаження й взагалі технічною експлуатацією об'єднаної системи. При дуже широко розвинутій системі з'єднаних мереж доводилося надавати інженеру, який відав розподілом, помічників або створювати кілька постів керування експлуатацією окремих частин, підлеглих одному головному диспетчерові.

На диспетчера покладалося завдання досягнення можливої економічності експлуатації всієї системи й забезпечення найбільшої надійності роботи. Необхідною умовою для виконання ним його відповідальної функції була наявність строгої службової дисципліни. Весь технічний персонал всіх станцій перебував у нього в оперативному підпорядкуванні. Жоден головний вимикач, жоден агрегат не могли бути введені в дію без його розпорядження. Диспетчер перебував на головному пості управління, де мав під орудою схему об'єднаних установок. На ній були показані всі центральні станції з усіма агрегатами, підстанції, головні вимикачі й т. ін. На схемі біля кожної станції або машини розташовувалися кілька ламп різного кольору. Включаючи при віддачі кожного розпорядження відповідну лампу («у роботі», «не працює», «ушкодження» і т. ін.), диспетчер мав, таким чином, перед собою наочне зображення робочих умов системи в поточний момент часу. Всі свої розпорядження диспетчер віддавав на підставі отримуваних регулярно (наприклад через кожну чверть години) від окремих центральних станцій відомостей про навантаження. Йому ж негайно повідомлялося про усі більш-менш важливі події, ушкодження і т. ін. На підставі відомостей про навантаження за попередні дні (а також беручи до уваги навантаження для того ж дня на попередньому тижні й у минулому році) диспетчер складав попередній план роботи.

При здійсненні такого централізованого керування роботою окремих станцій необхідною умовою була, звичайно, добре налагоджена система зв'язку (телеграфного, телефонного або, що краще, бездротового) між центральним постом, на якому перебував керуючий всією роботою диспетчер, і всіма окремими центрами виробництва й споживання енергії.

Електричні розрахунки складних мереж. Для з'ясування яких-небудь явищ, що мають місце в подібних мережах, нерідко вдавалися до допомоги фізичних електричних моделей мережі, в яких лінії, трансформаторні підстанції й групи споживачів були зображені у вигляді відповідних активних і реактивних опорів, а замість центральних станцій включені невеликі електричні генератори. Подібні моделі були досить цінні, тому що давали можливість експериментальної перевірки теоретичних досліджень, але повністю замінити розрахунок складної мережі вони були не в змозі.

Використовували й математичні методи розрахунку. При цьому, поділяючи мережу на елементи, складали для останніх відомі векторні вирази, що дають залежність між напругами й струмами у двох кінцях елементу рівняння (чотириполюсника). Знаючи потужності, які витрачаються в окремих вузлах, або, що простіше, опір приймачів при нормальній напрузі мережі, користуючись рівняннями Кірхгофа, одержували для розрахунку відповідну кількість рівнянь. Однак розв’язання таких систем рівнянь викликало надзвичайні труднощі. Для загального випадку мережі із довільною кількістю вузлів одержані рівняння можуть бути розв’язані лише методом послі довних наближень (ітерацій). Такий метод був уперше запропонований в доповіді, зробленій на Конференції з установок надвисоких напруг в 1925 р. Для спрощення самого процесу вирішення систем нелінійних рівнянь із декількома невідомими пропонувалося користуватися, крім різних аналітичних і графічних методів, допоміжними таблицями.

Основні технічні проблеми, пов'язані зі з’єднанням мереж, на кінець першої чверті ХХ століття були переважним чином цілком задовільно вирішеними. У той же час практика з’єднання мереж висунула ряд досить важливих питань організаційного, економічного й фінансового характеру, вирішення яких було знайдене значно пізніше.