CC BY
39
8. Сравнительный анализ способов защиты силовых трансформаторов систем электроснабжения от воздействия геоиндуцированных токов / А. А. Кувшинов [и др.] // Промышленная энергетика. 2014. № 8. С. 30-35.
9. Kappernman J. G. Low-frequency protection concepts for the electrical power grid: geomagnetically induced current (GIC) and E3 HEMP mitigation / Oak Ridge Nat. Laboratory, Oak Ridge, TN, USA, Rep. Meta-R-322, 2010.
10. Kovan B., Le 'on F. de. Mitigation of geomagnetically induced currents by neutral switching // Power Delivery, IEEE Trans. On. 2015. Vol. 30, No. 4. P.1999-2006.
11. Zhu H., Overbye T. J. Blocking device placement for mitigating the effects of geomagnetically induced currents // IEEE Transactions on Power Systems. 2015. No. 30 (4). Р. 2081-2089.
12. Zois I. A. Solar activity and transformer failures in the Greek national electric grid // J. Space Weather and Climate. 2013. No. 3 (A32).
13. Регистрация геоиндуктированных токов в региональной энергосистеме / Я. А. Сахаров [и др.] // Практические аспекты гелиогеофизики: материалы специальной секции «Практические аспекты науки космической погоды» 11-й ежегодной конференции «Физика плазмы в солнечной системе», 17 февраля 2016 г. М.: ИКИ, 2016. C. 134-145.
Сведения об авторе Аксенович Татьяна Валерьевна
лаборант-исследователь лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН, студентка кафедры физики, биологии и инженерных технологий филиала Мурманского арктического государственного университета в г. Апатиты E-mail: [email protected]
РСН 10.37614/2307-5252.2020.7.19.003 УДК 620.9(470.21)
О. Е. Коновалова, Н. М. Кузнецов
ИСТОРИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ НИЖНЕ-ТУЛОМСКОЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ
Аннотация
В статье изложена история создания Нижне-Туломской гидроэлектростанции (ГЭС). Приведены ее основные энергетические параметры, схема расположения основных сооружений, архивные фотографии момента строительства. Показаны данные о выработке и расходе электроэнергии на собственные нужды, себестоимости 1 кВтч в годы Великой Отечественной войны. Представлены сведения о реконструкции и современном состоянии станции. Ключевые слова:
гидроэлектростанция, гидротехнические сооружения, энергетические показатели ГЭС.
Olga E. Konovalova, Nikolai M. Kuznetsov
HISTORY OF BUILDING AND OPERATION
OF THE NIZHNY TULOM HYDROELECTRIC POWER PLANT
ON THE KOLA PENINSULA
Abstract
The article tells the story of the creation of the Nizhne-Tulomskaya hydroelectric power station (HPP). The main energy parameters of the hydroelectric power station, the layout of the main structures of the station, and archival photos of the construction time are given. Data on the production and consumption of electricity for own needs, the cost of 1 kWh during the great Patriotic war are shown. It is told about the reconstruction and current state of the station. Keywords:
hydroelectric power station, hydrotechnical structures, hydroelectric power station energy indicators.
Первый этап развития энергетики на Кольском п-ове основывался на сооружении гидроэлектрических станций. Строительство первой в Мурманской обл. гидроэлектростанции — Нива-II было начато в 1930 г. в связи с необходимостью обеспечить электроэнергией апатитовые разработки в Кировске, в 1934 г. ГЭС введена в эксплуатацию. Для электроснабжения Мурманска и электрификации железной дороги в 1933 г. начато строительство второй гидроэлектростанции — Нижне-Туломской, введенной в эксплуатацию в январе 1937 г. В период с 1949 по 1961 гг. построены и введены в эксплуатацию гидроэлектростанции Нива-III, Яникоски, Нива-I, Княжегубская, Раякоски, Кайтакоски, Иовская. До 1959 г. удельный вес выработки электроэнергии ГЭС составлял около 97 % [1]. В 1959 г. он снизился до 90 %, в 1960 г. — до 65 %, а в 1961 г. с вводом в эксплуатацию Кировской ГРЭС (Апатитская ТЭЦ) удельный вес выработки электроэнергии ГЭС в Кольской энергосистеме составил 61 %. В настоящее время установленная мощность гидроэлектростанций в Кольской энергосистеме составляет 44 % [2].
Нижне-Туломская ГЭС — вторая гидроэлектростанция, построенная на Кольской земле. Она расположена в месте впадения р. Туломы в Кольский залив. Схема использования стока Туломы была разработана Ленгидропроектом в начале 1930-х гг., она предполагала строительство двух ГЭС — Нижне-Туломской и Верхне-Туломской. Река Тулома вытекает из Нотозера, ее протяженность составляет 76,5 км, падение — 48,3 м. В Нотозеро впадает несколько рек, наиболее крупными являются Лота и Нота, истоки которых находятся в Финляндии. В результате строительства плотин уровень Нотозера был поднят на 32 м, при этом образовалось водохранилище многолетнего регулирования с полезным объемом 4 км3 для Верхне-Туломской ГЭС. Водохранилищем Нижне-Туломской ГЭС является подпертое плотиной русло Туломы, его емкость составляет 37 млн м3, что позволяет осуществлять суточное и недельное регулирование стока.
Гидроузел размещен в месте, где река разделяется на два рукава островом шириной около 1 км. На восточном рукаве размещен станционный узел, включающий в себя здание ГЭС руслового типа и земляные дамбы, а также открытые подстанции 35, 110 и 154 кВ, на западном — водосброс и плотина (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения основных сооружений Нижне-Туломской ГЭС [3] Fig. 1. Layout of the main structures of the Nizhne-Tulomskaya HPP [3]
Основные энергетические показатели ГЭС:
• расчетный расход — 342 м3/с;
• расчетный напор — 17,5 м;
• минимальный напор — 13,5 м;
• установленная мощность — 50 МВт (первоначальная), 56 МВт (в настоящее время);
• среднемноголетняя выработка — 310 млн кВтч [4].
В декабре 1933 г. комиссией под председательством акад. А. В. Винтера был утвержден проект создания Нижне-Туломской ГЭС, стоимость которого составляла 20 млн руб. Само строительство началось в 1934 г. под руководством Владимира Андреевича Сутырина, комбрига внутренних войск. После завершения Беломорско-Балтийского канала около 20 тысяч заключенных были переброшены сюда. Сначала строили автогужевую дорогу от Колы до Мурмашей для доставки грузов (она была сдана в эксплуатацию уже 27 января 1934 г.) и параллельно ей — железнодорожную ветку. Также строили ЛЭП от Мурманской ТЭЦ к Мурмашам. Без электроэнергии строительство не могло обойтись. К осени ЛЭП приняли в эксплуатацию.
В феврале 1934 г. начались взрывные работы. В основании ГЭС лежали скальные породы. Работы велись в суровых северных условиях, с низким уровнем механизации, быстро и одновременно по всем направлениям — на водосбросе, плотине и здании станции. Строительство велось в две смены по 10 часов. В наличии было лишь два экскаватора «Ковровец», два отечественных крана грузоподъемностью по 5 т и десять импортных — от 1 до 3 т, прибывших в 19331934 гг. с Беломорско-Балтийского канала. Также был использован землечерпательный караван, который рыл отводящий канал в нижнем бьефе в Вересовой губе.
Гидростроители вынули около 2 млн м3 скалы и морены, насыпали более 1 млн м3 грунта, уложили 138 тыс. т бетона и 3,6 тыс. т металлических конструкций. Все это перемещалось в основном на тачках и носилках, на грабарках и ленточным транспортером (рис. 2-5 — фото из архивов Нижне-Туломской ГЭС). На стройке также использовалась узкоколейка с десятью мотовозами и сотней вагонеток.
\
Рис. 2. Отсыпка дамб Fig. 2. Filling of dams
Рис. 3. Ручной труд Fig. 3. Manual labor
Рис. 4. Строительство каменно-земляной плотины Fig. 4. Construction of a stone-earth dam
Рис. 5. Строительство водосброса Нижне-Туломской ГЭС Fig. 5. Construction of the spillway of the Nizhne-Tulomskaya HPP
Было построено два бетонных завода: один находился рядом с будущим зданием ГЭС, другой — на левом берегу, в 150 м от водосброса. По словам начальника механизации А. И. Водяницкого, заключенные работали там
круглосуточно. Бетон на место строительства доставляли лошадьми в саморазгружающихся вагонетках. Прогрев блоков перед бетонированием водосброса в зимнее время осуществлялся паром от паровоза типа «Кукушка».
Нижне-Туломская ГЭС была построена, как отмечалось в акте Государственной комиссии, «...в небывало короткие сроки, не имеющие прецедентов в истории нашего гидростроительства», за счет жизни и здоровья тысяч заключенных. Первая турбина была введена в эксплуатацию 31 декабря
1936 г., 18 января 1937 г. ее поставили под промышленную нагрузку, а 13 февраля
1937 г. Госкомиссия приняла станцию во временную эксплуатацию.
Второй энергоблок был введен в постоянную эксплуатацию 11 июля
1938 г., и мощность станции возросла до 25 МВт. Третий гидроагрегат построили
1939 г. Монтаж четвертого производился в 1941 г., но началась Великая Отечественная война. Немецкие дивизии с первых дней войны начали наступление на Мурманск. В июле 1941 г., когда монтаж четвертого гидроагрегата был закончен, пришел приказ Государственного комитета обороны (ГКО) об эвакуации двух энергоблоков. Более 50 вагонов и платформ с оборудованием в короткие сроки были отправлены в г. Чирчик.
Рис. 6. Выработка электроэнергии Нижне-Туломской ГЭС Fig. 6. Power generation of the Nizhne-Tulomskaya HPP
Оставшиеся два агрегата, несмотря на бомбежки, продолжали работать во время войны. Здание ГЭС было закамуфлировано специальной краской. Половина рабочих и ИТР ушла на фронт. Вначале гитлеровцы не бомбили гидроэлектростанцию, надеясь оставить ее себе, но, потеряв на это надежду, начали совершать на нее авианалеты. В 1942 г. одна из бомб попала в корпус управления, была разрушена северная стена машинного зала и аккумуляторная батарея, нарушена связь с подстанцией. «После восстановительных работ через считанные часы станция вновь дала ток» (из воспоминаний главного инженера Туломской станции Е. П. Штерна). За время войны вражеская авиация совершила
18 налетов на ГЭС, но она была остановлена всего 2 раза на 30-40 минут. С 1941 по 1944 гг. Нижне-Туломская ГЭС выработала 411 млн кВтч электроэнергии, сэкономила на собственные нужды 300 тыс. кВтч, снизила себестоимость электроэнергии в 2 раза (рис. 6-8 — из архивов Нижне-Туломской ГЭС).
Рис. 7. Расход электроэнергии на собственные нужды Fig. 7. Power consumption for own needs
Рис. 8. Себестоимость электроэнергии Нижне-Туломской ГЭС
Fig. 8. Cost of electricity of the Nizhne-Tulomskaya HPP
Кроме основной работы, сотрудники станции освоили выпуск военной продукции (минные взрыватели и проч.), подготовили 80 новых специалистов, а также занимались выращиванием овощной и животноводческой продукции (рис. 9-11 — из архивов Нижне-Туломской ГЭС).
1940 1441 ms ~ 1943 , , 1945 19*6
? **> trJ t> 1
Рис. 9. Освоенные посевные площади Fig. 9. Developed sown area
Рис. 10. Урожайность овощной продукции
Fig. 10. Productivity of vegetable products
Fig. 11. Livestock population in the Nizhne-Tulomskaya hydroelectric power station subsidiary farm
После войны эвакуированные гидротурбины не стали возвращать назад, а Ленинградский металлический завод изготовил новые, в 1948 г. начался их монтаж. Также осуществлялись работы по автоматизации гидроагрегатов, синхронизации генераторов, регулированию напряжения, после чего значительно сократилось количество обслуживающего персонала. Таким образом, завершился этап строительства, восстановления и выхода на установленную мощность — 50 МВт Нижне-Туломской ГЭС.
Основными сооружениями гидроузла являются [5, 6]:
• бетонная водосбросная плотина длиной 58,5 м (рис. 12), с тремя водопропускными пролетами 17,5^6,9 м, перекрытыми сегментными затворами с электроприводом;
• здание ГЭС длиной 84 м (рис. 13-15), машинный зал обслуживается двумя мостовыми кранами по 80/20 т;
• земляная плотина смешанного типа длиной 267,6 м, высотой 29 м, супесчаная с низовым каменным банкетом. В плотину отсыпано 1 087 тыс. м3 грунта;
• сопрягающие дамбы длиной 240 м (левая) и 168 м (правая);
• рыбоход ступенчатого типа (рис. 16) для пропуска семги к местам нереста, длиной 507 м, имеет 66 ступеней с перепадом каждой ступени 0,3 м, общий перепад — 19 м, расход через рыбоход — 1 м3/с воды, высота подъема — 20 м;
• подводящий канал длиной 1465 м;
• отводящий канал длиной 1040 м.
В конце 1980-х гг. была проведена реконструкция ГЭС: гидроагрегаты поворотно-лопастного типа были заменены пропеллерными, при этом мощность станции увеличилась до 56 МВт [6].
Рис. 12. Водосбросная плотина Нижне-Туломской ГЭС [7] Fig. 12. Spillway dam of Nizhne-Tulomskaya hydroelectric station [7]
Рис. 13. Здание Нижне-Туломской ГЭС [7]
Fig. 13. The building of the Nizhne-Tulomskaya hydroelectric station [7]
Рис. 14. Разрез по оси агрегата здания ГЭС [3]
Fig. 14. Section along the axis of the aggregate of the building hydroelectric station [3]
Рис. 15. Машинный зал Нижне-Туломской ГЭС [7]
Fig. 15. Machine room of the Nizhne-Tulomskaya hydroelectric station [7]
В настоящее время Нижне-Туломская ГЭС входит в каскад Туломских и Серебрянских ГЭС и успешно эксплуатируется уже 83 года, несмотря на сложности, возникавшие из-за неудачной конструкции земляной плотины. Еще весной 1936 г. до наполнения водохранилища станции началось оползание
верхового откоса плотины. Дело в том, что плотина в своем составе имеет битумный экран, состоящий из двух слоев битумных матов с полуметровой прослойкой песка между ними. Этот экран в течение длительного времени (уже после наполнения водохранилища и ввода электростанции в эксплуатацию) сползал по разжиженным, находящимся под экраном супесчано-суглинистым слоям тела плотины, заставляя персонал станции чуть ли не ежегодно производить подсыпку верхового откоса песчаным грунтом [4].
Рис. 16. Рыбоход на Нижне-Туломской ГЭС [7]
Fig. 16. Fish passage at the Nizhne-Tulomskaya hydroelectric station [7]
В период с 2015 по 2019 гг. на станции проходила масштабная реконструкция водосброса. Были заменены несущие конструкции мостового перехода, гидромеханическое и грузоподъемное оборудование, включая затворы водосброса. В сложных условиях работающего сооружения реконструировались опоры водосброса и подстанция. Филиал «Кольский» ТГК-1 выделил на эти работы 429 млн 70 тыс. руб., из них 110,2 млн [9] направлены на оборудование.
Ранее модернизировалась система гидроизмерений, автоматизированная система управления для обеспечения возможности дистанционного управления основным и вспомогательным оборудованием. Была создана система контроля над вибрацией гидроагрегатов [8].
Также перестроили действующий лестничный рыбоход. Его конструкция считается одной из лучших в мире. Это рыбопропускное сооружение лестничного типа, состоящее из 66 камер, расположено на острове между зданием ГЭС и водосбросной плотиной. Основной участок состоит из 57 камер с перепадом уровней между ними 0,3 м, в перегородках устроены поверхностные вплывные отверстия размером 0,6^0,8 м. Через каждые десять обычных маршевых камер устроены бассейны для отдыха рыбы. Они имеют ширину 4,5 м и длину 8 м, при глубине воды в них 1,5 м. Для имитации русла реки дно каждой камеры отделано натуральным камнем.
Верхний участок рыбохода служит одновременно регулятором и рассчитан на колебания горизонта верхнего бьефа в пределах до 1,0 м. Он состоит из 9 камер с донными вплывными отверстиями размером 0,6^0,8 м (для рыбы). Максимальная скорость течения во вплывных отверстиях не превышает 1,5 м/с. Нижний участок лестницы доступен для захода рыбы при различных приливно-отливных горизонтах нижнего бьефа, колеблющихся в пределах до 3 м [10].
Общие капиталовложения в реконструкцию рыбохода (в ценах 2016 г.) составили 67,91 млн руб. [11]. Все строительно-монтажные работы по реконструкции рыбохода выполнялись за четыре сезона, когда рыбоход был закрыт (с ноября по май).
Сегодня это современная автоматизированная гидроэлектростанция, которая в среднем производит около 245 млн кВт ч электроэнергии в год и совместно с Верхне-Туломской ГЭС каскада обеспечивает переток электроэнергии в Карелию. Построенная в сложные предвоенные годы, станция зарекомендовала себя как надежное сооружение с потенциальными возможностями увеличения мощности, способное и дальше обеспечивать электроэнергией Мурманскую обл.
Литература
1. Зархи И. М. Опыт первого этапа развития и работы Кольской энергетической системы // Вопросы энергетики Кольского полуострова. Апатиты: КФАН СССР, 1975. С. 15-27.
2. Коновалова О. Е., Кузнецов Н. М. Возобновляемые источники энергии в Мурманской области // Промышленная энергетика. 2018. № 9. С. 51-56.
3. Нижнетуломский гидроузел. URL: http://www.lhp.rushydro.ru/company/ objectsmap/5678.html (дата обращения: 15.06.2020).
4. Кольская энергетическая система: история развития и опыт эксплуатации / под ред. И. Р. Степанова. Мурмаши; Апатиты: КФАН СССР, 1977. 517 с.
5. Konovalova O. E. Reconstruction of existing hydropower plants of the Kola peninsula, as a way to increase generating capacity and reliability of the total energy system // European Science and Technology: Proc. International Research and Practice Conference. January 31st, 2012, Wiesbaden. 2012. P. 226-234.
6. Коновалова О. Е. Состояние ГЭС Кольского полуострова // Труды КНЦ РАН, Серия Энергетика. 2012. № 3 (10). С. 97-104.
7. Фото Александра «Russos» Попова. URL: https://russos.livejournal.com/ 1249935.html (дата обращения: 15.06.2020).
8. Коновалова О. Е. Реконструкция ГЭС и сетевого хозяйства на Кольском полуострове как базис интеллектуальной энергосистемы (smart grid) // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН, Апатиты, 3-4 апреля 2017 г. Апатиты, 2017. С. 366-369.
9. Новости АО «Трест Гидромонтаж». ТГК-1 вложит 429 млн руб. в реконструкцию Нижне-Туломской ГЭС в Мурманской области. URL: www.oao-thm.ru (дата обращения: 11.06.2020).
10. Самохвалов И. В. Особенности воспроизводства атлантического лосося (Salmo salar) в условиях зарегулированного стока реки Тулома (Мурманская область): дис. ... канд. биол. наук. Мурманск, 2015. С. 12-15.
11. Реконструкция рыбохода Нижне-Туломской ГЭС. URL: http://rostender.info/region/murmanskaya-oblast/murmansk/26435562-tender-rskonstrukciya-rybohoda-ges- 13-kaskada-tulomskih-i-serebryanskih-ges-filiala-kolskij -pao-tgk-1 -2600419-1230 (дата обращения: 11.01.2017).
Сведения об авторах Коновалова Ольга Евгеньевна
младший научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН E-mail: [email protected]
Кузнецов Николай Матвеевич
ведущий научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН E-mail: [email protected]
DOI 10.37614/2307-5252.2020.7.19.004 УДК 621.548(470.21)
Л. А. Белова
МОЛНИЕЗАЩИТА ВЕТРОУСТАНОВОК
Аннотация
Удар молнией является причиной 25 % повреждений ветроэнергетических установок (ВЭУ). Чтобы свести к минимуму вероятность их повреждения от ударов молнии и обеспечить общую безопасность вокруг них, важно улучшить рабочие характеристики, связанные с молниезащитой. Опыт стран, развивающихся в области ветроэнергетики, привел к прогрессу в технологиях по применению мер защиты ВЭУ от молний. В данной статье описаны современные тенденции в технологиях по молниезащите, обеспечивающих надежную работу ветровых установок при грозах. Ключевые слова:
ветроэнергетическая установка, молниезащита, клетка Фарадея, рецептор, заземление, катушка Роговского.
Liubov A. Belova
LIGHTNING PROTECTION OF WIND TURBINES
Abstract
Damage from a lightning strike is the cause of 25 % of accidents and breakdowns of wind turbines. To reduce wind turbine damage from lightning and to ensure overall safety around wind turbines, it is important to improve the performance of wind turbines associated with lightning protection and minimize the likelihood of damage to them. The experience of developing countries, actively replenishing the base of wind turbines, has led to progress in technologies for the application of countermeasures in the field of wind energy. This article presents the latest trends in technology for reliable operation of wind turbines in thunderstorms. Keywords:
wind turbine, lightning protection, Faraday cage, receptor, grounding, Rogowski coil.
