Инновационные методы решения проблем надежного энергоснабжения мегаполисов

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

УДК 621.316

В.Г.Гольдштейн, А.В.Гундаев, Н.С.Васильева, С.Е.Кокин

ИННОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ НАДЕЖНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ МЕГАПОЛИСОВ

Аннотация

В статье рассмотрены актуальные проблемы электроснабжения мегаполисов. Проанализированы возможности повышения надёжности электроснабжения потребителей за счёт использования новых источников энергии. Особое внимание уделено применению современного оборудования распределительных сетей: КРУЭ, кабели с изоляцией из СПЭ, кабели с использованием ВТСП, сухие токоограничивающие реакторы. С учётом анализа зарубежного опыта сделаны выводы о возможностях применения рассмотренного оборудования в российских мегаполисах.

Ключевые слова:

мегаполис, электроснабжение, источники энергии, распределительные сети, кабели с изоляцией из СПЭ, кабели с использованием ВТСП, сухие токоограничиваюшце реакторы.

V.G.Goldshtein, A.V.Gundaev, N.S.Vasilyeva, S.E.Kokin

INNOVATIVE METODS FOR SOLVING OF MEGALOPOLISES RELIABLE POWER SUPPLY PROBLEMS

Abstract

The paper considers actual problems of power supply of megalopolises. The possibilities of increasing the reliability of power supply by using new energy sources are analyzed. Particular attention is paid to the application of advanced equipment in distribution networks: gas-insulated switchgear, XLPE-cables, HTSC-cables, dry current limiting reactors. Conclusions of the potential of considered equipment of application in Russian huge cities are made keeping in mind international experience.

Key words:

megalopolis, power supply, energy sources, distribution networks, XLPE-cables, HTSC-cables, dry current limiting reactors.

Системы электроснабжения современных мегаполисов (МП) имеют характерные, с точки зрения обеспечения надежности электроснабжения и энергоэффективности, особенности и проблемы. Актуальность и настоятельная необходимость в современных решениях этих проблем диктуется, с одной стороны, статистикой постоянного количественного роста глобальных аварийных ситуаций, а с другой, открывающимися новыми возможностями, техническими средствами и мероприятиями. В связи с этим предлагаются инновационные способы и средства управления электрическими режимами, решения проблем токов короткого замыкания, компенсации реактивной мощности кабельных линий электропередачи, перенапряжений различного рода на изоляции электрооборудования и линий.

Развитие электроэнергетики, неотъемлемой основной частью которой являются электрические системы и сети, на современном этапе времени невозможно без применения новых видов электрооборудования. В большей степени это относится к сетям высокого напряжения (ВН) и сверхвысокого напряжения (СВН), хотя для сетей средних и низших классов напряжения эта проблема стоит также остро.

В мире насчитывается 60 крупных МП с населением свыше 3 миллионов человек и из них 2 в нашей стране (Москва, Санкт-Петербург). При этом разнообразие специфики реализации их электроснабжения связано с разными

климатическими условиями, расстояниями транспорта электроэнергии и др. Особенно большое влияние оказывают перепады температур зимой и летом до 80^100оС, а в северо-восточных районах и больше. Поэтому для обеспечения надежной, качественной и экономичной работы систем электроснабжения отечественных МП и крупных городов требуется тратить значительно больше средств, чем в большинстве стран Европы, Азии, Америки и др.

Установленное на электросетевых объектах ЕНЭС основное электротехническое оборудование, функционирующее в непрерывном производственном цикле, определяющее надежность и экономичность их работы, изготовлено, в основном, в пятидесятые-семидесятые годы прошедшего столетия и уступает современным разработкам по техническим характеристикам, массогабаритным показателям и показателям надежности, требует периодического, возрастающего по объемам с ростом срока службы ремонтного обслуживания.

Таким образом, представляется целесообразным замена малонадежного, устаревшего и неэкономичного оборудования, состояние которого не соответствует современным техническим требованиям, условиям эксплуатации и режимам работы сетей, совершенствования их схем, повышения надежности эксплуатации электрооборудования электрических сетей и электроснабжения потребителей, повышения пропускной способности сети в целом.

Современные электрические системы МП РФ, к которым относятся 6-7 городов, обладают всеми указанными особенностями электроэнергетических систем. Схемы электрических сетей таких МП, как правило, имеют сложнозамкнутый характер с большим числом крупных узловых подстанций, связанных достаточно «короткими» связями с крупными объектами генерации.

Анализ развития МП в нашей стране и за рубежом, говорит о необходимости неотложного увеличения выработки электроэнергии, так как потребность в ней неуклонно растет. Решение проблем дефицита электроэнергии требует новых источников электроэнергии и эффективного энергосбережения.

Один из возможных путей - создание крупных тепловых или атомных электростанций за пределами агломерации МП, что, несомненно, связано с рядом кардинальных проблем. Это, прежде всего, создание систем «глубокого ввода» и перестройка системы теплоснабжения, поскольку, по мнению многих специалистов, городские ТЭЦ необходимо коренным образом модернизировать, что сейчас решается с помощью установки и ввода нового эффективного оборудования, ПГУ и других технологий.

На использование в качестве источников мощных АЭС наложился отпечаток катастрофы 2011 года в Японии (АЭС Фукусима). Можно сказать, что в общественном сознании сложилось определенное негативное отношение к атомной энергетике по результатам самой аварии, ликвидации ее последствий, ошибок и неточностей в проектировании и эксплуатации. Среди них специалисты НИЦ «Курчатовский институт» назвали неудачную компоновку оборудования, неадекватное определение максимальной высоты волны, недостатки в организации аварийного электроснабжения и аварийного планирования, водородной безопасности в случае тяжелого развития аварии и др. Кроме этого, была отмечена неэффективность государственного регулирования ядерной безопасности. В частности, было также проигнорировано признанное во всем мире такое российское решение, как ловушка расплава активной зоны.

В целом атомная отрасль, имеющая целый ряд отрицательных сторон, тем не менее, подтвердила свою эффективность многими десятилетиями надежной работы. АЭС является наиболее технически и технологически обеспеченным

решением глобальных задач энергетики (и, прежде всего, электроэнергетики) в совокупности с проблемами глобального потепления вследствие крайне незначительных показателей выбросов СО2.

По сообщениям средств массовой информации, компетентных органов и специалистов можно констатировать, что большинство стран, развивающих атомную энергетику, в принципе не поддерживают известных предложений по полному закрытию существующих и прекращению работ по созданию новых АЭС. Здесь необходимо напомнить, что в мировой науке и технике известны прецеденты процессов, не менее опасных для человечества, чем имеющие место в атомной энергетике.

Тем более, что в настоящее время с технико-экономической точки зрения, по общему мнению, убедительной альтернативы АЭС для преодоления мирового энергетического дефицита не видно. Поэтому в любом случае ни в ближайшей, ни в долгосрочной перспективе нецелесообразно отказываться от них и тем более полностью ликвидировать, а необходимо сосредоточить усилия на многократном повышении надежности АЭС.

Анализируя с учетом сказанного выше проблемы энергетики Москвы, как наиболее крупного МП России, можно констатировать, что в ближайшем будущем целесообразно строить, развивать и использовать АЭС и тепловые электрические станции конденсационного типа, предназначенные для покрытия базовой части графиков электропотребления, а также гидроаккумулирующие и газотурбинные для покрытия пиковых нагрузок.

При создании этих энергоисточников за пределами Московской области коммерческая эффективность будет определяться меньшей удельной стоимостью установленной мощности и выработанной электроэнергии, а также экономией затрат за счет низкой стоимости земли и рабочей силы. Однако добавятся расходы на транспорт электроэнергии, создание требуемой инфраструктуры, обеспечение экологических требований и др. Наиболее целесообразными с этой точки зрения являются близкие к Москве экономически слабые регионы Европейской части России.

Можно констатировать, что МП обладают рядом специфических особенностей: высокая плотность застройки, сокращение свободных площадей внутри города, связанные с развитием его инфраструктуры, высокие требования к электромагнитной совместимости электрических сетей ВН и СВН с установками техносферы и коммуникационными сетями, к допустимым уровням воздействия электромагнитных полей на человека.

Осложняющими факторами являются также наличие крупных производственных центров и большого числа автотранспорта, которые являются загрязнителями главной изоляции ВЛ и оборудования ОРУ ПС, значительная стоимость свободной земли в городской черте, повышенные эстетические требования к архитектурному облику построек и сооружений, расположенных в черте города, в том числе и к объектам электроэнергетики. Это усложняет развитие и поддержание требуемого уровня надежности энергосистем МП.

Возможным решением этой проблемы может быть применение относительно нового и перспективного оборудования: элегазовых трехфазных комплектных распределительных устройств (КРУЭ) напряжением 110-750 кВ, силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) ВН и СВН.

Компактность КРУЭ и возможность его установки в закрытых помещениях при относительно малой занимаемой площади предопределяет перспективность применения КРУЭ в условиях энергосистем МП. Применение КРУЭ в таких условиях оказывается выгоднее в финансовом плане, чем возведение ОРУ ввиду

значительной стоимости земли, отводимой под площадку для возведения новой ПС, а в большинстве случаев и из-за невозможности строительства ОРУ, по причине отсутствия требуемой площади и архитектурных требований внутри города.

Меньшая площадь трассы КЛ, ее большая надежность в сравнении с ВЛ (при выполнении всех необходимых условий по выбору необходимых кабелей для передачи требуемой мощности на стадии проектирования и соблюдения технологии прокладки на стадии монтажа), а также отсутствие опор и висящих проводов определяют широкое внедрение КЛ ВН и СВН в энергосистемы крупных городов, что и наблюдается в энергосистемах МП, в том числе в Санкт-Петербурге, Москве, Самаре. При этом стоимость строительства кабельной линии соответствующего класса напряжения по сравнению с равной ей по передаваемой мощности воздушной линией приблизительно в 15^20 раз больше. Но даже, несмотря на это обстоятельство, КЛ на основе кабелей с изоляцией из СПЭ находят все большее применение.

СПЭ имеет ряд существенных преимуществ перед другими изоляционными материалами по физико-механическим, диэлектрическим, конструкционным и технологическим свойствам переработки:

1. За счет увеличения допустимой температуры жилы достигнута большая пропускная способность кабеля (в зависимости от условий прокладки, допустимые нагрузочные токи на 1/6-1/3 выше, чем у кабелей с бумажной изоляцией);

2. Высокая устойчивость к влаге, при этом отпадет необходимость в металлической оболочке;

3. При коротком замыкании обеспечивается больший ток термической устойчивости;

4. Изоляционные электрические характеристики выше, а диэлектрические потери ниже;

5. Меньше допустимый радиус изгиба кабеля;

6. Поскольку для изоляции и оболочки применяются полимерные материалы, то для прокладки кабелей при температурах -20°С их предварительный подогрев не требуется;

7. Неограниченные возможности по прокладке кабелей на трассах с любой разностью уровней;

8. СПЭ-кабель имеет меньшие габариты и массу, как следствие прокладка кабеля, как в кабельных сооружениях, так и в грунте на сложных трассах становится легче.

Широкие перспективы для применения в электроснабжении МП открывает ряд инновационных разработок для передачи электрической энергии с помощью кабелей, использующих эффект высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП).

Основным преимуществом кабелей из ВТСП материалов перед обычными маслонаполненными кабелями или кабелями со сшитым полиэтиленом является их высокая пропускная способность при малом сечении, низкие потери энергии, а также пожарная и экологическая безопасность.

Прежде всего, создание ВТСП кабеля на большие токи позволит эффективно решить проблему глубоких вводов мощности в крупные города, а также выдачу мощности от крупных электростанций, расположенных в трудных географических условиях. А в таких МП, как Москва, с целью снижения потерь распределение электроэнергии внутри города происходит на напряжении 110 кВ с последующим понижением до 10 кВ и 0.4 кВ. Минимальные потери в ВТСП кабелях при их повышенной пропускной способности по току могут позволить исключить промежуточную ступень трансформации на напряжение 110 кВ и перевести распределение электроэнергии в городе сразу на напряжение 10^20 кВ при значительном снижении стоимости подстанций.

В настоящее время в мире эксплуатируется ряд коротких ВТСП кабельных линий и ведутся работы по крупным проектам в этой области. В частности в США разработан проект создания не отдельной кабельной линии, а целой сети в одном из центральных районов Нью-Йорка. Аналогичные проекты уже заложены в развитие систем электроснабжения Москвы, Санкт-Петербурга и других городов России.

Общеизвестна проблема высоких уровней токов коротких замыканий (КЗ) в электрических сетях МП. При этом рост в настоящее время достигает угрожающих масштабов. Фактически промышленностью пока серийно не выпускается электрооборудование и особенно выключатели ВН и СВН, способные отключать токи КЗ свыше 63 кА. Стоимость такого оборудования, рассчитанного на применение в системах с токами КЗ 63 кА, значительна, а разработка электрооборудования на большие токи воздействия вообще является уникальным случаем и фактически экономически не выгодна.

Представляется очень эффективным использование ВТСП в инновационных конструкциях электрических машин и аппаратов. Отметим здесь, в частности, ограничитель токов КЗ (ВТСП ТО), который представляет собой токоограничивающее устройство, включаемое в защищаемую часть сети. Уникальные свойства сверхпроводящих материалов позволяют создать ограничители токов КЗ, не имеющие аналогов среди традиционных электротехнических устройств.

Основное преимущество ВТСП ТО заключается в его возможности иметь существенное низкое сопротивление по сравнению с эксплуатируемыми токоограничивающими реакторами в нормальном режиме и практически безынерционно увеличивать его до требуемой величины при КЗ. Это позволяет использовать ВТСП ТО в сетях с целью снижения ударных значений токов КЗ и их координации с отключающей способностью коммутационной аппаратуры. Несомненный положительный результат применения ВТСП ТО - это продление срока службы коммутационной аппаратуры.

В настоящее время реализовано несколько опытно-промышленных проектов ВТСП ТО на напряжения до 20 кВ и на мощности порядка 10^15 МВА. Развернуты разработки ВТСП ТО на напряжение до 110^220 кВ (США, Евросоюз, Япония, Китай, Россия и другие страны).

Наряду с ВТСП ТО для ограничения токов КЗ в электрических сетях МП эффективно использование таких новых аппаратов, как сухой токоограничивающий реактор (СТР), который представляет собой трехфазные блоки однофазных катушек без магнитного сердечника(с постоянным индуктивным сопротивлением), который включается последовательно в линию. При возникновении КЗ на отходящем фидере СТР выполняет токоограничивающую роль. Можно констатировать, что в настоящее время таких аппаратов ни в одной точке энергосистемы МП не установлено. Однако, вероятнее всего, весьма целесообразно их широкое применение в схемах перспективного развития энергосистем МП на уровне 2015 года.

Отметим также такие оригинальные электроустановки, как фазоповоротные устройства трансформаторного типа, обладающие возможностями, как продольного, так и поперечного регулирования. Они позволяют регулировать перетоки мощности не только в сети соответствующего класса напряжения, но и перераспределять потоки между сетями различных классов напряжений. Это дает возможность снижать потери в сети в целом путем создания необходимого уровня загрузки сетей различных классов напряжения.

Кроме этого, это открывает большие возможности управления потоками мощности в схемах ее выдачи для крупных генерирующих узлов, питающих энергосистемы МП. Например, ЛАЭС в энергосистеме Санкт-Петербурга, Балаковская АЭС и Жигулевская ГЭС.

Литература

1. Дмитриев С.А. Мониторинг системы электроснабжения мегаполиса на основе объектно-ориентированной графовой модели: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.02 Екатеринбург, 2007 174 с. РГБ ОД, 61:07-5/1896.

2. Поспелов Г.Е., Федин В.Е. Электрические системы и сети. Проектирование. Вышэйшая школа. Минск. 1988.

Сведения об авторах

Гольдштейн Валерий Геннадьевич,

профессор, д.т.н., СамГТУ кафедра «Автоматизированные электроэнергетические системы», г.Самара, ул.Молодогвардейская 244. Тел. 8-846-2784496

Гундаев Александр Вячеславович,

студент, г.Самара, СамГТУ, ул.Молодогвардейская 244,

Тел. +79277144504, alexgun1991@rambler.ru

Васильева Наталья Сергеевна,

ст. преподаватель, СамГТУ кафедра «Инженерная графика», г.Самара, ул.Молодогвардейская 244

Кокин Сергей Евгеньевич,

доцент, к.т.н., УРФУ, г.Екатеринбург,

Тел.+7 9122419376, e-mail: sergeykokin@list.ru

УДК 621.311

А.Д.Дунаева, М.Колцун, М.П.Полякова

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕСПУБЛИКИ СЛОВАКИЯ

Аннотация

В работе рассматриваются пути и подходы к решению вопросов оптимального распределения производства электроэнергии, оценки ее качества, регулирования активной и реактивной мощности в электроэнергетической системе, а также способы контроля работы энергосистем.

Ключевые слова:

импульсная система управления, экспертная система контроля, электрическая система, надежность, качество, электроснабжение.

A.D.Dunaeva, M.Kolcun, M.P.Polyakova

SOLVING POWER SYSTEM CONTROL PROBLEMS ON THE EXAMPLE OF THE SLOVAK REPUBLIC

Abstract

In this paper considered ways and approaches to solving problems of optimum distribution of power generation, its quality rating, control of active and reactive power in electric power system, as well as ways to control the operation of power systems.

Key words:

pulse control system, an expert control system, electric system reliability, quality, power.