Комплексная модернизация западного участка Пензенской энергосистемы

ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ

УДК 621.31

В. Я. Горячев, И. А. Скиба, С. В. Голобоков

КОМПЛЕКСНАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ЗАПАДНОГО УЧАСТКА ПЕНЗЕНСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Аннотация. Приведен анализ конфигурации региональных электрических сетей в западной части Пензенской области и Республике Мордовия. Подстанции 220 кВ «Пачелма» и 220 кВ «Мокша» являются центрами питания для нескольких районов, но имеют одностороннее питание по ВЛ 220 кВ. Предложен вариант модернизации межсистемной связи Пензенских электросетей и электросетей Республики Мордовия с образованием замкнутой схемы сети. Это позволит повысить надежность энергоснабжения и снизить перетоки мощности в энергосистемах.

Ключевые слова: линии электропередач, центр питания, межсистемные связи, региональные электрические сети.

Важнейшим эксплуатационным показателем энергосистемы является надежность электроснабжения потребителей. На это влияет целый комплекс конструктивных и режимных факторов. Также она может быть охарактеризована ущербом, нанесенным при перерыве электропитания, продолжительностью ремонта, временем безотказной работы и другими факторами. Надежность в свою очередь влияет на пиковую мощность и перспективы развития энергосистемы и территории в целом.

Способность системы электроснабжения и ее элементов выполнять поставленные задачи по обеспечению электрической энергией предприятий, бытовых потребителей, не приводя к срыву плана производства, обесточиванию жилых кварталов, городов и сел, а также к авариям в технологических и электрических частях промышленных предприятий - все это характеризует надежность электроснабжения [1].

Надежность энергосистемы - комплексный показатель, который включает в себя безотказность, ремонтопригодность и пр. Число отказов в год определяется отказами оборудования (электрические машины и аппараты, кабели, трансформаторы, бытовые устройства и системы). Причинами отказов могут быть ошибки обсуживающего персонала, нарушения правил эксплуатации устройств, наличие агрессивных сред на производстве, ошибок при проектировании и монтаже. При проведении расчетов надежности проектируемого объекта обязательно учитываются два ключевых фактора: безотказность системы и ее ремонтопригодность.

Непрерывную безотказную работу в течении какого-то промежутка времени при нормальных условиях эксплуатации называют безотказностью. Примером может послужить интенсивность отказов для установки, вероятность безотказной работы системы и т.п. Среднее время безотказной работы за какой-то промежуток времени - это наработка на отказ.

Режим работы, при котором возможно исчезновение напряжения питания по основным линиям и автоматический ввод резервного питания, не приводящие к расстройству технологических циклов и процессов, называют бесперебойным питанием. Такая

схема резервирования не приводит к значительному ущербу и возникновению аварийных ситуаций.

Для обеспечения надежного снабжения ответственных потребителей электрической энергией при нормальных и аварийных режимах:

- необходимо максимально уменьшить число и продолжительность перерывов в электроснабжении;

- качество электроэнергии должно соответствовать нормативным значениям, которые обеспечивают устойчивую работу ответственных агрегатов, если режим электроснабжения нарушен;

- необходимо резервное питание.

Надежность систем электроснабжения в первую очередь определяется конструктивными и схемными решениями при построении данных систем, надежностью работы каждого элемента систем, и в частности электрооборудования. Важную роль в повышении надежности систем электроснабжения играет разумное использование резервных источников питания. К сожалению, именно надежность электрооборудования является ключевым фактором при возникновении чрезвычайных происшествий. Наиболее оптимальное решение не может быть принято без хорошего знания и учета всех особенностей проектируемых предприятий.

Основной задачей межрегиональных электрических сетей является бесперебойное электроснабжение всех потребителей региональных энергосистем, а также передача электроэнергии из энергоизбыточных районов в энергодефицитные и соблюдение при этом показателей качества электрической энергии [1]. Предприятия энергетического комплекса ведут финансово-хозяйственную деятельность с целью получения прибыли и минимизации расходов при выполнении производственных программ.

Одним из важных факторов, определяющих надежность электроснабжения потребителей, является схемное решение системы электроснабжения, обеспечивающее ее гибкость. Недостатком современных схем сетей электроснабжения, спроектированных полвека назад, иногда является их неоптимальность с точки зрения надежности электроснабжения. Особенно это отмечается в линиях межсистемных связей.

Аварийное отключение воздушных линий (ВЛ) высокого и сверхвысокого напряжения, являющихся основными звеньями межсистемных сетей, приводит к набросу нагрузки на параллельно идущие линии низшего класса напряжения. Вследствие недостаточной пропускной способности таких линий передача электрической мощности в прежнем объеме невозможна. Это приводит к недоотпуску электроэнергии, штрафным санкциям со стороны потребителей и снижению прибыли энергоснабжающих предприятий [2].

Электрическая подстанция (ПС) 220/110/10 кВ «Пачелма» является крупнейшим энергообъектом Каменского производственного отделения филиала АО СО ЕЭС «Пенза-энерго». Подстанция введена в эксплуатацию в 1975 г., установленная трансформаторная мощность - 2x125 МВА. Подстанция осуществляет электроснабжение потребителей западной части Пензенской области: Башмаковского, Белинского, Вадинского, Земетчин-ского, Каменского, Наровчатского, Нижнеломовского, Пачелмского, Спасского районов и их районных центров.

Подстанция является центром питания для потребителей первой категории по надежности электроснабжения - таких, как Пачелмский цех УКВ радиовещания Пензенского областного радио-телепередающего центра и нефтеперекачивающей станции «Соседка» на нефтепроводе «Дружба». Питание вышеуказанных потребителей осуществляется по отходящим воздушным линиям напряжением 110 и 10 кВ. На рис. 1 представлена схема магистральных линий. Подстанция 220/110/10 кВ «Пачелма» получает элек-

троснабжение от подстанции 500/220/110/10 кВ «Пенза-2» посредством воздушной линии 220 кВ «Пенза-2 - Пачелма».

Рис. 1. Схема электроснабжения Пензенской области и Республики Мордовия по ВЛ 220 и 500 кВ

Электрическая подстанция 220/110/10 кВ «Мокша» введена в эксплуатацию в 1992 г., установленная трансформаторная мощность 125 МВА. Является крупнейшим энергообъектом западной части Республики Мордовия. Ввод в эксплуатацию подстанции был обусловлен недостаточной мощностью ПС 110/35/10 кВ «Ковылкино» в связи с увеличением количества потребителей в западной части Республики Мордовия.

Другой причиной является недостаточная пропускная способность транзитных ВЛ 110 кВ «Сасово - Ковылкино-1,2» и «Рузаевка - Ковылкино-1,2». В указанные ВЛ включены проходные подстанции для питания прилегающих потребителей первой категории -в частности, районных центров и тяговых подстанций участка «Пичкиряево - Рузаевка» ОАО РЖД. ПС «Мокша» и ПС «Ковылкино» связаны двумя ВЛ 110 кВ, а питание самой ПС «Мокша» осуществляется по ВЛ 220 кВ «Рузаевка - Мокша».

Значительную часть электрической энергии ПС 220/110/10 кВ «Рузаевка» получает с подстанции 500/220/110/10 кВ «Пенза-2» по ВЛ 220 кВ «Пенза-2 - Рузаевка». Линия введена в эксплуатацию в 1963 г., в настоящее время ее ресурс практически выработан.

Токи в рассматриваемых ВЛ 220 кВ за 2016 г. в режимах максимумов и минимумов нагрузок представлены в табл. 1 по данным Пензенского РДУ. Как следует из таблицы, средняя мощность транзита в зимнее время примерно в два раза превышает его мощность в летний период. Максимальный переток мощности наблюдается в линии «Пенза-2 - Рузаевка» и составляет величину порядка 44 МВт. При этом загрузка линий большую часть времени не превышает 50 % их проектной мощности.

Согласно Приказу Управления по регулированию тарифов и энергосбережению Пензенской области от 27.04.2012 «Об утверждении схемы и программы перспективного развития электроэнергетики Пензенской области на 2013-2017 гг.», модернизация системы электроснабжения, и в том числе вышеуказанных подстанций, не планируется [3].

Таблица 1

Токи исследуемых ВЛ 220 кВ

ЛЭП Лето 2016 Зима 2016 Год ввода Протяженность Марка провода

шт шах шт шах

А А А А км

Пенза-2 -Пачелма 69 88 114 171 1975 108,8 АС-300/39

Рузаевка -Мокша 45 85 63 107 1992 68,4 АС-300/39

Пенза-2 -Рузаевка 34 90 173 201 1963 112,8 АС-300/39

Однако анализ конфигурации электрических сетей и режимов работы энергосистем в западной части Пензенской области и Республики Мордовия выявляет ряд технических недочетов:

1. ПС 220/110/10 кВ «Пачелма» и ПС 220/110/10 кВ «Мокша» имеют одностороннее питание по ВЛ 220 кВ, что существенно снижает надежность электроснабжения потребителей по сравнению со схемой с двусторонним питанием.

2. Низкая пропускная способность межсистемной связи «Пензаэнерго - Мордов-энерго», которая составляет:

- по линиям ВЛ 220 кВ - не более 200 МВт;

- по линиям ВЛ 110 кВ - не более 100 МВт.

3. Отсутствует возможность вывода из эксплуатации на длительное время ВЛ 220 кВ «Пенза-2 - Рузаевка» для проведения реконструкции и ремонтных работ.

Следствием высокого процента износа ВЛ в последнее десятилетие является снижение надежности, увеличение числа аварийных ситуаций и внеплановых отключений. В период с 2000 по 2010 г. на ВЛ 220 кВ «Пенза-2 - Пачелма» были зафиксированы аварийные отключения до четырех раз в год [4], наибольшее количество - в 2004 г. На ВЛ 220 кВ «Пенза-2 - Рузаевка» аналогичные ситуации - до восьми раз, наибольшее количество - в 2010 г.

Основными причинами аварийных отключений являются:

- короткое замыкание на ВЛ, вызванное метеоусловиями (молниевые разряды);

- физический износ железобетонных опор.

Срок службы опор составляет 50 лет, ресурс опор рассматриваемых линий выработан полностью. Износ опор сопровождается повреждениями верхних слоев у их основания, отслоением бетона от арматуры, уменьшением поперечного сечения и потерей механической прочности и жесткости. Новые опоры успешно выдерживают ветровые и гололедные нагрузки. Для изношенных и поврежденных опор механические нагрузки, типичные для Поволжского региона, оказались чрезмерными. Аварии на ВЛ в большинстве случаев были вызваны обрушениями поврежденных опор, обрывом проводов и короткими замыканиями.

В результате аварийного отключения ВЛ 220 кВ «Пенза-2 - Пачелма» происходит наброс нагрузки на сеть низкого напряжения, в составе:

1. ВЛ 110 кВ «Пенза-1 - Мокшан» с отпайкой на ПС «Рамзай».

2. ВЛ 110 кВ «Пенза-2 - Мокшан» с проходными ПС.

3. ВЛ 110 кВ «Мокшан - Новая».

4. ВЛ 110 кВ «Пачелма - Новая» с проходными ПС.

5. ВЛ 110 кВ «Каменка - Пачелма» с заходом на ПС 110 кВ «Титово».

6. ВЛ 110 кВ «Пачелма - Белинский» с заходом на ПС кВ «Неверкино».

Все это резко ограничивает транзит мощности, необходимой для подключения новых потребителей к указанным ВЛ, и затрудняет развитие сетей и освоение территории на ближайшую перспективу.

В случае аварийного отключения ВЛ 220 кВ «Пенза-2 - Рузаевка» происходит на-брос нагрузки на следующие линии:

1. ВЛ 110 кВ «Пенза-1 - Лунино-1,2» с проходными ПС.

2. ВЛ 110 кВ «Рузаевка - Лунино» с проходными ПС.

В связи с недостаточной пропускной способностью ВЛ возникает угроза дефицита мощности ПС «Бессоновка», «Лунино», «Исса». Такая ситуация недопустима, так как к этим подстанциям подключены тяговые подстанции Рузаевского участка и ПС районных центров, которые относятся к приемникам первой категории по надежности электроснабжения. Также в данном режиме происходит недополучение электроэнергии на ПС 220 кВ «Мокша».

Для устранения вышеперечисленных недостатков предлагается строительство и ввод в эксплуатацию ВЛ 220 кВ «Пачелма - Мокша» протяженностью 105,5 км с расширением ПС «Пачелма» и ПС «Мокша». Схема линий представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема линий 220 кВ в системе электроснабжения Пензенской области и Республики Мордовия после реконструкции

На ПС «Мокша» и ПС «Пачелма» планируется установка второй секции шин и порталов для ввода ВЛ 220 кВ.

Предложенное решение дает несколько положительных результатов:

1. Обеспечение двустороннего питания ПС 220 кВ «Пачелма» и ПС 220 кВ «Мокша», что существенно увеличивает надежность электроснабжения потребителей западных районов Пензенской и Мордовской энергосетей.

2. Значительное усиление межсистемной связи «Пензаэнерго» - «Мордовэнерго» и, следовательно, увеличение ее пропускной способности.

3. Возможность вывода ВЛ 220 кВ «Пенза-2 - Рузаевка» на реконструкцию и выполнение ремонтных работ на длительное время без опасности перегрузки параллельно идущих линий 110 кВ.

4. В дальнейшем возможность вывода ВЛ 220 кВ «Пенза-2 - Пачелма» на реконструкцию на длительное время без перегрузки параллельно идущих линий 110 кВ.

5. В перспективе возможность перевода ПС 110 кВ «Каменка» на напряжение 220 кВ для электроснабжения растущего города.

6. Возможность вывода на реконструкцию ВЛ 110 кВ «Арбеково-2 - Каменка-1,2», введенных под нагрузку в 1963 г.

Для повышения надежности в предлагаемом варианте предусмотрено несколько схем электроснабжения. Важнейшая характеристика энергосистемы - гибкость, многовариантность схем оперативных переключений - также будет существенно повышена. В зависимости от складывающейся ситуации транзит электрической энергии будет выполняться по разным ВЛ. В случае аварии или вывода одной из линий в плановый ремонт подача электрической энергии потребителям будет выполняться по другим ВЛ в прежних объемах.

Предупреждение, обнаружение и своевременное устранение неисправностей путем проведения технических обслуживаний и ремонтов после ввода ВЛ 220 кВ будет облегчено. После завершения предложенных мероприятий по модернизации энергосистемы среднее время восстановления, вероятность завершения ремонта в указанные сроки также будут улучшены.

Важнейший технико-экономический показатель режима работы энергосистемы -величина потерь на транзит электрической энергии. Потери зависят от передаваемой мощности, номинального напряжения, характеристик и протяженности ВЛ. Величина потерь будет минимальна, а экономические показатели энергосистемы будут повышаться при приближении центров питания к потребителям. Распределение мощности нагрузок на территории района позволяет получить оптимальное размещение трансформаторных подстанций и выбрать экономически обоснованное рабочее напряжение [5].

Предложенный вариант модернизации энергосистемы позволяет приблизить центры питания к наиболее мощной нагрузке - такой, как ПС районных центров и тяговые подстанции железнодорожного транспорта. Передача электрической энергии к центрам питания на напряжении 220 кВ позволит существенно снизить потери на транзит, затраты энергоснабжающих предприятий и, как следствие, улучшить их экономические показатели.

Библиографический список

1. Горячев, В. Я. Расчет системы передачи электрической энергии / В. Я. Горячев, Т. Ю. Бростилова, Ю. А. Шатова, Н. Н. Денисова // Разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий и импортозамещающих технологий и устройств : материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : ПДЗ, 2016. - С. 10-13.

2. Боровиков, В. А. Электрические сети и системы / В. А. Боровиков, В. К. Косарев, Г. А. Ходот. - Л. : Энергия, 1977. - 392 с.

3. Приказ Управления по регулированию тарифов и энергосбережению Пензенской области от 27.04.2012 № 38 «Об утверждении схемы и программы перспективного развития электроэнергетики Пензенской области на 2013-2017 гг.».

4. Шатова, Ю. А. Показатели надежности ЛЭП 220 кВ Пензенской энергосистемы / Ю. А. Ша-това // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 6. - С. 27.

5. Горячев, В. Я. Математические методы определения центра распределенных по поверхности нагрузок / В. Я. Горячев, С. А. Михайлов // Фундаментальные исследования. - 2013. -№ 4. - С. 276-280.

Горячев Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, кафедра «Электроэнергетика и электротехника», Пензенский государственный университет. E-mail: gorvladi@yandex.ru

Скиба Илья Алексеевич, студент, Пензенский государственный университет. E-mail: term220@gmail.c0m

Голобоков Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, кафедра «Электроэнергетика и электротехника», Пензенский государственный университет. E-mail: golobokov_swv@mail.ru

УДК 621.31 Горячев, В. Я.

Комплексная модернизация западного участка пензенской энергосистемы / В. Я. Горячев, И. А. Скиба, С. В. Голобоков // Вестник Пензенского государственного университета. - 2017. - № 4 (20). - С. 89-95.