Разработка мероприятий по повышению эффективности работы систем электроснабжения

УДК 621.311

В. В. Ярошевич, А. С. Карпов, А. В. Бурцев, Г. П. Фастий

РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Аннотация

В статье показаны результаты исследований по работе систем электроснабжения. Проведены результаты анализа эффективности эксплуатации высоковольтных сетей. Приведен пример обследования разветвленной сети, на основании которой сформулированы мероприятия по модернизации распределительных сетей, а также рассмотрены положительные и отрицательные эффекты от их применения.

Ключевые слова:

высоковольтные воздушные линии, электробезопасность, энергоэффективность работы, подстанции, трансформаторы, потери электроэнергии.

V. V. Yaroshevich, A. S. Karpov, A. V. Burtsev, G. P. Fastiy

DEVELOPMENT OF ACTIVITIES TO INCREASE EFFICIENCY OF ELECTRICAL SUPPLY SYSTEMS

Abstract

The article shows the results of research on the power supply systems operation. The results of the analysis of the operation efficiency of high-voltage networks are presented. An example of the extensive network survey is given, on the basis of which measures for the modernization of distribution networks have been formulated, and positive and negative effects from their application have been considered.

Keywords:

high-voltage overhead lines, cable lines, electrical safety, energy efficiency of work, substations, transformers, power losses.

Сотрудники Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра (ЦФТПЭС КНЦ РАН) уже много лет занимаются изучением проблем в распределительных сетях не только Кольского полуострова и достаточно хорошо изучили проблемы, связанные с их эксплуатацией [1-6].

Накопленный опыт исследований позволил сформулировать и предложить ряд мероприятий для улучшения работы систем электроснабжения. Все мероприятия, связанные с эффективной работой разветвленных электрических сетей 10/0,4 кВ, можно укрупнено разделить на 2 группы:

1. Мероприятия по общей оптимизации всей сети.

2. Мероприятия по снижению, в первую очередь, технических потерь активной электроэнергии.

К мероприятиям первой группы относятся:

1. Замена электрооборудования, что связано с существенными капитальными затратами, в особенности в современных экономических условиях.

Например, анализ данных о трансформаторных подстанциях распределительной сети Кольского научного центра [1] показывает, что, за исключением Т-2 ТП-63, Т-1 ТП-68, Т-1 ТП-70, все остальные

13 трансформаторов имеют срок эксплуатации, превышающий нормативный 25 лет. Однако оценка реального состояния этих трансформаторов в эксплуатации после диагностического обследования позволила сделать вывод о возможности их дальнейшего использования. В то же время замена трансформаторов, в первую очередь 1960-х годов выпуска (Т-1 ТП-61 мощностью 320 кВА, Т-1 ТП-62 мощностью 400 кВА, Т-1 ТП-63 мощностью 560 кВА, Т-1 ТП-64 мощностью 560 кВА, Т-2 ТП-70 мощностью 320 кВА), должна быть предусмотрена в планах модернизации системы электроснабжения КНЦ РАН.

Обосновано это возможным повреждением трансформатора (что вполне вероятно для трансформаторов с большим сроком эксплуатации) и может привести к значительным затратам на его ремонт. При этом вся нагрузка поврежденных трансформаторов переносится на резервные трансформаторы с учетом их загрузки на 80%. Длительная работа резервов приведет к выходу из строя и резервных трансформаторов.

С учетом невозможности проведения полной технической диагностики на базе электротехнической лаборатории отдела электротехнического обеспечения КНЦ РАН силовых трансформаторов, требуется длительное время для обоснования продления работы трансформаторов 1960-х годов. Стандартной диагностики состояния таких силовых трансформаторов недостаточно, поскольку некоторые из них в работе уже третий нормативный эксплуатационный срок. Необходимо проведение анализа состояния металла обмоток и магнитопровода, требующее специального дорогостоящего оборудования. Продолжение эксплуатации силовых трансформаторов без полной диагностики может привести к их повреждению из-за перегрева. Учитывая особенности и структуру сети КНЦ РАН, эффективной мерой является замена трансформаторов 1960-х годов современными.

Обследование кабельных линий 10 и 0,4 кВ показало, что практически все линии имеют срок эксплуатации, существенно превышающий нормативный - 25 лет. В результате происходит интенсивное старение изоляции кабелей, что периодически приводит к возникновению повреждений кабельных линий в процессе эксплуатации с последующим их отключением. Все повреждения ликвидируются путем установки соединительных муфт, что снижает уровень надежности работы схемы электроснабжения. На перспективу необходимо также предусмотреть возможность замены кабельных линий 1960-70-х годов прокладки, в особенности тех, где имеются муфты.

2. Замена всех устаревших электросчетчиков на современные приборы учета, работающие в реальном режиме времени. Как показывает мировая практика, это мероприятие позволит сократить расход электроэнергии на 3 - 5%. Экономия достигается за счет повышения достоверности информации об объемах потребления электроэнергии, уменьшения потерь, оперативного управления процессом электропотребления.

3. Усиление элементов действующей сети прокладкой новых и дополнительных линий, а также заменой кабелей меньшего сечения на кабели большего сечения.

4. Поддержание оптимального уровня напряжения [7] в распределительной сети с использованием общесетевых регулирующих средств (регулирование типа ПБВ - «переключение без возбуждения» на трансформаторах ТП).

5. Применение фильтро-компенсирующих устройств.

Регистрации показателя качества электроэнергии (ПКЭ) в сети КНЦ РАН [2] показали наличие у потребителей нелинейной нагрузки, которая в значительной степени влияет на коэффициент мощности. Нелинейная нагрузка влияет на появление в сети высших гармоник, что вызывает дополнительные электрические потери. Наличие высших гармоник в сети существенно влияет на функционирование оборудования. Для борьбы с высшими гармониками наибольший эффект дает применение фильтро-компенсирующих устройств.

6. Применение энергосберегающих технологий в системах освещения.

Значительная часть энергопотребления сети КНЦ РАН приходится на освещение. Энергетический эффект определяется степенью использования энергоэффективных источников света. В настоящее время наиболее энергоэффективными являются светодиодные, галогенные и люминесцентные лампы. Но, поскольку, галогенные и люминесцентные лампы содержат ртуть т.е. представляют экологическую угрозу, то предпочтительно использовать светодиодные лампы. Кроме того, существуют проблемы по утилизации ртутьсодержащих ламп из-за отсутствия перерабатывающих организаций на территории Мурманской области.

Следует отметить, что мероприятия этой группы постоянно находятся в центре внимания службы эксплуатации отдела электротехнического обеспечения КНЦ РАН.

К мероприятиям второй группы относятся:

1. Уменьшение числа отключений линий на ремонт; сокращение времени, необходимого для проведения ремонта.

2. Устранение неравномерной загрузки фаз распределительных сетей с достижением практической симметрии нагрузок по фазам.

З.Оптимизация сети за счет отключения недогруженного оборудования и увеличения степени загрузки остальных трансформаторов. При недогрузке трансформаторов, когда потребляемая мощность значительно ниже номинальной мощности, трансформаторы работают в режиме близком к режиму холостого хода. При этом потери составляют 0,2 до 0,5 % от номинальной мощности трансформатора. Для того чтобы избежать сверхнормативных потерь электроэнергии загрузка трансформаторов должна быть более З0%. Сравнительная диаграмма потерь в элементах сети [8] показывает, что наибольшие суммарные потери (более 4%) имеют место в трансформаторах 10/0,4 кВ. Это обусловлено моральным и физическим износом оборудования, а также их неравномерной загрузкой.

Эти мероприятия следует классифицировать как малозатратные технические мероприятия, не требующие дополнительных капитальных вложений. Экономическая эффективность этих мероприятий обычно оценивается стоимостью сэкономленных потерь активной электроэнергии:

ЛЭ = ЛА  С руб.

где ЛА - величина снижения потерь в результате проведения мероприятия, кВтч, С - стоимость 1 кВтч электроэнергии, руб./ кВтч.

Уменьшение числа отключений линий определяется уровнем эксплуатации и техническим состоянием электрической сети [3]. Рациональная

организация труда ремонтного персонала выполняется в отделе электротехнического обеспечения КНЦ РАН по ежегодным планам профилактических (эксплуатационных) работ.

При коэффициенте загрузки трансформаторов 10/0,4 кВ, меньшем 0,5, имеет место относительное увеличение потерь электрической энергии за счет потерь холостого хода. Опыт эксплуатации показал, что даже в часы зимнего максимума большую часть времени часть трансформаторов ТП работает с нагрузкой порядка 20-30% от номинала. В качестве мероприятия, позволяющего снизить потери холостого хода и уменьшить стоимость сети, теоретически может быть рекомендована замена малозагруженных трансформаторов трансформаторами меньшей мощности. Снижение суммарных потерь энергии в результате замены трансформаторов определяют по формуле:

АА = (АРхх1 - АРхх 2 ) • Т + (аркз! • К1 - АРкз 2 • КЗ 2 )• т ,

где ЛР^, ЛР^.2 - потери мощности холостого хода, кВт; ЛРю1, ЛРга2 - потери

мощности короткого замыкания, кВт; Т - время подключения к сети, час; т - число часов максимальных потерь, час в год.

При замене трансформаторов происходит изменение, как стоимости установленного оборудования, так и ежегодных отчислений, обусловленных ее изменением. Однако, применительно к условиям работы системы электроснабжения КНЦ РАН, реализация этого мероприятия в настоящее время представляется проблематичной.

Отключение трансформаторов должно быть согласовано с графиком изменения их нагрузок, стремясь к минимально возможному числу переключений в распределительной сети. Поэтому отключения трансформаторов обычно производят на сравнительно длительный период - на ночь, на выходные дни, на летний период. При этом надо иметь в виду, что для выполнения отключений трансформаторов должна иметься соответствующая коммутационная аппаратура.

Увеличение эффективности использования трансформаторов в условиях эксплуатации возможно за счет сезонного отключения одного из двух трансформаторов двухтрансформаторной подстанции. При этом обычно отключается трансформатор, работающий с наименьшей нагрузкой, а его нагрузка переводится на второй трансформатор. Потери электрической энергии при отключении одного трансформатора уменьшаются. Обычно летний период отключений трансформаторов для условий Мурманской области может быть принят равным 2000-3000 часам.

Характерной особенностью режима работы значительной части электроприемников КНЦ РАН является неравномерность загрузки фаз [4], что приводит к дополнительным потерям мощности и энергии в этих сетях [8]. Это обусловлено присоединением многочисленных однофазных приемников (бытовых электроприборов, светильников, компьютеров и других), работа которых к тому же взаимонезависима. Это вызывает асимметрию нагрузки в трехфазных распределительных сетях, в результате чего по нулевому проводу начинает протекать ток. С ростом числа присоединенных электроприемников асимметрия фазных нагрузок уменьшается, что особенно

отчетливо видно на примере жилых зданий, которые входят также в число объектов, получающих питание от электрических сетей КНЦ РАН. В 20-40 квартирных домах асимметрия на вводе обычно составляет 30-40%, в 80-100 квартирных и более - менее 20%. Выравнивание фазных нагрузок позволяет не только снизить потери мощности в нулевом проводе, но и в ряде случаев улучшить качество напряжения. Переключение нагрузки с одной фазы на другую следует осуществлять только по результатам нескольких повторных замеров нагрузки в период ее максимума, сопоставляя результаты этих замеров с уровнями электропотребления отдельными квартирами и другими потребителями.

Выравнивание нагрузки фаз следует осуществлять на ответвлениях от магистралей, на головных участках магистралей, на низкой стороне трансформаторов, на вводах в многоэтажные дома.

В статье предложены варианты модернизации распределительных сетей. Предложенные вариант необходимо внедрять только после того, как проведено комплексное обследование сети и выявлены её слабые точки [1], иначе дорогостоящая модернизация не принесёт ожидаемого результата и может даже ухудшить работу сети в целом.

Литература

1. В.В. Ярошевич, А.С. Карпов, Г.П. Фастий, И.С. Шиханов. Алгоритм исследования эффективности работы участка сети // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2017. Вып.14. С.87-92.

2. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В., Карпов А.С. Анализ результатов мониторинговой регистрации показателей качества электроэнергии // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2014. Т. 17. № 1. С. 67-76.

3. Бурцев А.В., Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П. Результаты экспериментальных регистраций грозовой активности на Кольском полуострове // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2015. Т. 18. № 4. С. 680-689.

4. Карпов А.С., Ярошевич В.В., Юшков М.Г. Обоснование технического решения для разработки программно-аппаратного комплекса, способного локализовать источники искажения электроэнергии // Вестник Кольского научного центра РАН. 2014. № 4. С. 102-106.

5. Залесова О.В. Исследование уровня наведенного напряжения на отключенной линии электропередачи, находящейся в зоне влияния тяговой сети железной дороги переменного тока // Вестник МГТУ, т. 17, № 1, стр.40-45, 2014.

6. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П. Проблема электробезопасности сетей среднего напряжения в условиях Кольского полуострова // Вестник Кольского научного центра РАН. 2016. №2. С. 103-110.

7. Соснина Е.Н., Бедретдинов Р.Ш. Основные направления развития интеллектуальных электрических сетей на основе адаптивного управления // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2012. - № 5. - С. 25-28.

8. Арефьева Ю.А., Веселов А.Е., Карпов А.С., Токарева Е.А., Фастий Г.П. Обзор электропотребления разветвлённой электрической сети напряжением 10/0,4 кВ Кольского научного центра Российской академии наук // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2015. Вып.10. С.24-33.

Сведения об авторах

Ярошевич Вера Васильевна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: yaroshevich_vera@mail.ru

Карпов Алексей Сергеевич,

старший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: info@ien.kolasc.net.ru

Бурцев Антон Владимирович

младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: a.burtsev@tehnonord.ru

Фастий Галина Прохоровна

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: fastiy@ien.kolasc.net.ru