К 40-летию пуска электропередачи постоянного тока Волгоград-Донбасс

Галанов В. И., Балыбердин Л. Л., Гусаковский К. Б., Мазуров М. И., Евликов А. А., кандидаты техн. наук, Вялько О. Ю., инж. ОАО НИИПТ - ОАО “Волжская ГЭС” - НЭКУкрэнерго

В октябре 2002 г. исполнилось 40 лет со дня ввода в эксплуатацию первых преобразователей электропередачи постоянного тока (ППТ) Волгоград - Донбасс.
В истории развития электроэнергетики нашей страны создание ППТ Волгоград - Донбасс представляло собой значительный шаг в освоении новой техники транспорта электроэнергии. В то время это был крупнейший в мире проект ППТ с воздушной линией. При этом достигнуто многократное превышение параметров первой опытной ППТ Кашира - Москва, введенной в действие в конце 1950 г.
Осуществление ППТ Волгоград - Донбасс стало возможным благодаря результатам исследований и конструкторских разработок, выполненных НИИПТ, ВЭИ, ЭНИН, МТЗ и другими организациями. Проектирование ППТ велось МО Гидропроекта и ВГПИ Теплоэлектропроект. Очень полезным был и широко использовался в процессе разработки опыт исследований на ППТ Кашира - Москва.
Проектная мощность ППТ Волгоград - Донбасс составляла 720 МВт, напряжение ± 400 (800) кВ, длина линии 473 км.
Одна преобразовательная подстанция передачи (Волжская) территориально и электрически входит в состав ГЭС, другая (Михайловская), расположенная недалеко от г. Кадиевки, связана линиями 220 и 330 кВ с системой Донбассэнерго на Украине.
В схеме передачи на каждой ее подстанции (рис. 1) при полном развитии было сооружено по восемь каскадно включенных (четыре в каждой из двух полуцепей) мостов на ртутных вентилях.
Каждый преобразовательный мост рассчитан на выпрямленное напряжение 100 кВ и ток 900 А. Каскадное соединение восьми мостов позволило достичь суммарного напряжения между полюсами передачи 800 кВ, а заземление средних точек преобразовательных подстанций обеспечило фиксацию значения напряжения полюсов относительно земли ± 400 кВ.
Применение в схемах преобразовательных мостов платформ промежуточного потенциала позволило унифицировать оборудование мостов.
Изоляция вентилей в преобразовательных мостах относительно земли осуществлялась двумя
ступенями: первая ступень - опорная изоляция платформы моста, общая для всех вентилей, и вторая - индивидуальная изоляция вентилей относительно платформы. Для четкой фиксации промежуточного потенциала платформы последняя присоединена к одному из полюсов моста (ближнему к земле).
Преобразовательные подстанции оснащены комплексом устройств управления, регулирования и защиты разработки НИИПТ, изменяющих режим передачи воздействием на узлы сеточного управления вентилей.
Защита оборудования подстанций от перенапряжений осуществляется системой разрядников со стабилизированными характеристиками. Кроме того, применено принудительное выравнивание напряжения между элементами каскадной схемы с помощью цепочек из последовательно включенных конденсаторов и активных сопротивлений. Эти цепочки служат также и для демпфирования колебаний напряжения на оборудовании преобразовательных мостов.
На Волжской подстанции энергия генераторов распределяется между преобразовательными мостами и системой переменного тока. С помощью генераторов компенсируется реактивная мощность, потребляемая преобразовательными блоками. На Михайловской подстанции компенсация реактивной мощности осуществляется с помощью конденсаторных батарей, включенных на шины 220 кВ переменного тока подстанции.
Группы главных трансформаторов на каждой подстанции собраны из трех однофазных трансформаторов, имеющих каждый сетевую обмотку для связи с шинами 220 кВ, две схемные (вентильные) обмотки, присоединенные к мостам, и две третичные обмотки, к которым на Волжской ГЭС подключены генераторы и регулировочные вольтодобавочные трансформаторы, а на Михайловской подстанции - только регулировочные трансформаторы.
Вентильные обмотки каждой трансформаторной группы имеют различные схемы соединений -  в звезду и треугольник, что позволяет обеспечить для каждого блока, включающего трансформатор и два моста, 12-фазную схему преобразования.

Рис. 1. Схема ППТ Волгоград - Донбасс:

Волжская ГЭС: 1 - гидрогенератор 115 МВт, 135 МВ·А, 13,8 кВ; Волжская подстанция, совмещенная с ГЭС; 2 - группа однофазных трансформаторов 252/89/13,8 кВ, 3 х (90/2 х 37,5/2 х 45) MB-А, одноминутное испытательное постоянное напряжение для вентильных обмоток 570 кВ; 3 - то же, но испытательное напряжение 900 кВ; 4 - трехфазный регулировочный вольтодобавочный трансформатор, 22 ступени регулирования с пределами ± 26 кВ; 5 - вентильный мост 100 кВ, 90 МВт; 6 - шунтирующий вентиль (два последовательно включенных одноанодных ртутных вентиля типа ВР-9); 7 - шунтирующий аппарат; 8 - линейный реактор 1 Гн, 900 А, одноминутное испытательное постоянное напряжение 870 кВ; 9 - токоограничивающий воздушный реактор 13 мГн; Михайловская подстанция в Донбассе: 10 - группа однофазных трансформаторов 233/89/13,8 кВ, 3 х (90/2 х 37,5/2 х 30) МВ·А, одноминутное испытательное постоянное напряжение 570 кВ; 11 - то же, но испытательное напряжение 900 кВ; 12 - конденсаторная батарея-фильтр 220 кВ, реактивная мощность, выдаваемая тремя батареями, 420 МВ-А; линейная часть передачи: 13 - воздушная биполярная линия постоянного тока 800 кВ, 720 МВт, 473 км; 14 - заземляющая воздушная двухпроводная линия и выносное рабочее заземление, длина линии 32 км; 15 — то же, но длина 24 км

Выбранные значения мощностей обмоток трансформаторов позволяют повышать мощность электропередачи постоянного тока в режиме длительной перегрузки на 20%.
На выходе обеих подстанций со стороны воздушной линии включены линейные реакторы индуктивностью 1,0 Гн. Линейные реакторы служат для снижения пульсаций тока и напряжения в линии и ограничивают значения и скорости нарастания аварийных токов при коротких замыканиях в линии и при опрокидываниях инвертора. Вследствие большой индуктивности линейных реакторов исключается проникновение опасных волн атмосферных перенапряжений на подстанции.
Распределительное устройство средней точки, к которому подключена линия, соединяющая подстанцию с выносным рабочим заземлением, является общим для обеих полуцепей подстанции.
На Михайловской подстанции (рис. 2) с целью уменьшения габаритов здания преобразовательные мосты выполнены с двухрядным расположением вентилей. В зале, кроме вентилей, размещено только непосредственно связанное с вентилями оборудование. В пристройке вентильного зала размещены панели щитов управления и оборудование систем сеточного управления, регулирования и защиты. Присоединение схемных обмоток трансформаторов к мостам и вывод полюсов преобразователей на открытую часть осуществляются через линейные фарфоровые маслонаполненные вводы, выполненные на класс изоляции 200 и 400 кВ.
Компоновка преобразовательной подстанции Волжской ГЭС имеет существенные отличия и содержит ряд вынужденных решений, связанных с необходимостью вписать оборудование подстанции непосредственно в здание Волжской ГЭС.
Для установки вентилей использованы помещения в здании ГЭС, рядом с машинным залом. В каждом таком помещении - вентильном зале - размещены два преобразовательных моста с однорядным расположением вентилей. Вентильные залы соединяются между собой общей площадкой обслуживания. Вентильные залы находятся ниже уровня верхнего бьефа, поэтому предусмотрена защита от проникновения в них влаги посредством сооружения двойных стен, двойного пола и дополнительного подвесного потолка.
Главные трансформаторы устанавливаются над вентильными залами в общем ряду с повышающими трансформаторами гидроэлектростанции.

Рис. 2. Часть вентильного зала на подстанции Михайловская

Воздушная линия электропередачи (рис. 3) выполнена из сталеалюминиевого провода марки АСО-600. Число проводов в полюсе - два. Они расположены в горизонтальной плоскости на расстоянии 400 мм один от другого. Для гашения вибраций проводов установлены гасители.
На линии один грозозащитный трос марки С-70. Угол защиты на опоре равен 30°. На промежуточных опорах трос монтируется без изоляторов, на анкерных - с одним изолятором П-4,5. Трос заземлен на каждой опоре. Основными типами изоляторов, примененных на линии, являются П-8,5 в поддерживающей гирлянде и П-11 в натяжной.
Опоры на линии - металлические. Основным типом опоры является промежуточная Т-образная опора с горизонтальным расположением полюсов и проводов в полюсах. Высота промежуточной опоры до точки подвеса поддерживающей гирлянды 22,5 м, расстояние между полюсами 11м, масса опоры 3,7 т.
Анкерно-угловая опора - двухстоечная, стержневого типа, рассчитанная на угол поворота линии до 60°. Высота опоры до точки подвеса гирлянды 18 м, масса 11,1 т. На переходах через инженерные сооружения применены анкерные повышенные опоры высотой 36 м. Масса такой опоры 29,0 т.
Заземляющие линии выполнены из двух проводов марки АС-240, каждый из которых смонтирован на железобетонных Т-образных опорах.
Строительство и ввод электропередачи осуществлялись отдельными этапами с постепенным наращиванием напряжения и пропускной способности. Этапы ввода электропередачи приведены в таблице.
Опытная эксплуатация электропередачи и специальные эксперименты подтвердили правильность основных результатов научных исследований и проектных решений, нестандартное силовое оборудование ППТ показало высокую степень надежности, и до сих пор многие его образцы работоспособны.
В процессе испытаний и эксплуатации подтвердилась эффективность быстродействующих устройств, воздействующих на режимы работы передачи через сеточное управление вентилями. При кратковременных нарушениях работы преобразовательного моста происходит “запирание” его рабочих вентилей и “отпирание” шунтирующего вентиля. Через паузу 0,5 с автоматика вновь вводит преобразовательный мост в работу.
В случае нарушения работы полуцепи, например, при пробое защитных разрядников, “запираются” вентили мостов только этой полуцепи, вторая полуцепь остается в работе. Защита полуцепей имеет двукратное сеточное АПВ с паузами 0,2 и 1 с. Опыт эксплуатации показал живучесть схемы: нарушения и аварии, в зависимости от их характера, как правило, локализовались в пределах одного моста, одного преобразовательного блока или одной полуцепи передачи.
За прошедшие годы с начала эксплуатации ППТ Волгоград - Донбасс часть ртутных вентилей была заменена на тиристорные.
В течение 1974 - 1977 гг. были переоборудованы два моста Волжской подстанции.
В конце 70-х годов ЦДУ ЕЭС СССР предложило провести реконструкцию ППТ Волгоград - Донбасс с полной заменой ртутных вентилей на тиристорные и некоторого другого оборудования, выработавшего свой ресурс. В 1980 г. НТС Минэнерго рассмотрел и одобрил ТЭО на реконструкцию ППТ, которая должна была обеспечить надежную работу ППТ с мощностью 360 МВт. Однако в связи с трудностями финансирования намеченная реконструкция не была реализована.
С начала 1982 г. располагаемая мощность ППТ фактически оказывается ограниченной значением 180 МВт, поскольку руководством Волжской ГЭС было принято решение о запрете включения в работу преобразовательных мостов, оснащенных ртутными вентилями, из-за сопряженной с этим пожароопасности. Соответственно стало возможным включать в работу только одну полуцепь ППТ при напряжении 200 кВ.
В 1984 г. Минэнерго СССР вновь было намечено провести переоснащение мостов ППТ с ртутными вентилями на тиристорные и восстановление рабочего заземления Михайловской п/ст. При этом предлагалось скомплектовать тиристорные вентили из модулей блоков, первоначально разработанных для ППТ Экибастуз - Центр и в течение ряда лет эксплуатируемых на мощных испытательных стендах в Белом Расте и в г. Тольятти. В результате такой модернизации ППТ должна была нести нагрузку 360 МВт с повышенной надежностью.
Однако были модернизированы только два моста Волжской подстанции, а на Михайловской подстанции восстановлено рабочее заземление. Эта модернизация позволила с 1988 г. эксплуатировать ППТ Волгоград - Донбасс с параметрами ± 200 кВ, 360 МВт, но не могла гарантировать ее высокую надежность, в первую очередь, из-за оборудования Михайловской подстанции.
В настоящее время техническое состояние ртутных преобразователей и некоторого другого оборудования Михайловской подстанции, особенно систем охлаждения, не позволяет использовать их на номинальной мощности. В летнее время нагрузка подстанции не может быть более 180 МВт.
Обобщение опыта эксплуатации ВЛ ППТ Волгоград - Донбасс за 10-летний период выявило, что линия проходит частично по району с III степенью загрязненности атмосферы, где требуется изоляция с длиной пути утечки выше проектной. Для надежной работы передачи при напряжении ± 300 и тем более ± 400 кВ требуется выполнить усиление линейной изоляции путем замены имеющихся изоляторов на ВЛ на изоляторы с более высокой электрической прочностью в условиях увлажнения и загрязнения или на современные длинно стержневые фарфоровые изоляторы.
Очевидно, что целесообразность масштабной реконструкции передачи определяется востребованностью этой ППТ для нужд энергетики России и Украины. Такая взаимная заинтересованность есть.
За последние годы несколько раз поднимался вопрос на разных уровнях о проведении реконструкции передачи для повышения ее пропускной способности и надежности. Последнее по времени положительное решение в пользу реконструкции ППТ Волгоград - Донбасс прозвучало на заседании НТС РАО “ЕЭС России” в декабре 2001 г.
Учитывая достаточно высокую стоимость реконструкции, ее можно провести в несколько этапов.

Рис. 3. Биполярная воздушная линия постоянного тока 400 кВ, 720 МВт

На первом этапе необходимо провести в обязательном порядке замену имеющихся четырех ртутных преобразовательных мостов Михайловской подстанции на тиристорные с установкой новых систем управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА) и системы охлаждения вентилей.
На следующем этапе следует провести модернизацию мостов Волжской подстанции, поскольку имеющиеся мосты смонтированы на основе устаревших разработок тиристорных вентилей в 1971 - 1988 гг. На этом этапе также следует провести ревизию и, при необходимости, замену рабочих заземлений на обеих подстанциях ППТ.
При рассматриваемом в перспективе увеличении потоков мощности из России транзитом через Украину в страны Центральной и Восточной Европы потребуется усиление связей в сечениях Россия - Украина. Среди таких связей может быть и ППТ Волгоград - Донбасс.
Для достижения надежной работы ППТ при передаваемой мощности 360 МВт потребуется реконструкция части преобразовательных подстанций как со стороны России, так и со стороны Украины. Реконструкция воздушной линии передачи при этом не требуется, а следует провести лишь ревизию изоляторов в гирляндах.

При повышении мощности ППТ выше 360 МВт должна быть проведена реконструкция остальных мостов подстанций и воздушной линии с усилением ее изоляции для обеспечения надежной работы при напряжении ± 400 кВ.

Конечно, создание такого крупного и сложного объекта, каким являлась ППТ Волгоград - Донбасс, не могло обойтись без недостатков. Была недооценена высокая пожароопасность масла как хладагента высоковольтных ртутных вентилей.
Ошибочно малыми, как отмечено ранее, были выбраны длины путей утечки линейной изоляции ППТ. Недостаточно обоснованным представляется выбор точки примыкания электропередачи. Может быть, более целесообразным было направление передачи в сторону Северного Кавказа.
Несмотря на недостатки и имеющиеся проблемы, следует отметить ту огромную роль, которую сыграла передача в развитии этого важного направления электроэнергетики:
на ППТ было применено только отечественное оборудование;
электропередача явилась хорошим натурным полигоном для испытаний новой преобразовательной техники;
исследования, разработки, проектирование, строительство, наладка оборудования и эксплуатация позволили пройти большую школу специалистам, которые впоследствии были привлечены к проектированию других объектов постоянного тока.
Уникальный опыт эксплуатации ППТ Волгоград - Донбасс, результаты проведенных на ней исследований позволили спроектировать и разработать оборудование для еще более мощной ППТ Экибастуз - Центр (6000 МВт, ± 750 кВ, 2400 км) ив 1981      1984 гг. соорудить ныне действующую
Выборгскую выпрямительно-инверторную подстанцию электропередачи Россия - Финляндия, много лет успешно работающую с постоянным наращиванием мощности и объема передаваемой электроэнергии.
Вместе с тем, вызывает сожаление, что за прошедшие десятилетия не удалось в России построить другие электропередачи постоянного тока с характеристиками, подобными параметрам ППТ Волгоград - Донбасс. Выражаем надежду, что опыт создания и эксплуатации ППТ Волгоград - Донбасс будет оценен и востребован современным поколением энергетиков.