Применение напряжения 20 кВ для распределительных электрических сетей России

УДК 621.311.1

ПРИМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ 20 КВ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ РОССИИ

© 2015

Д. С. Асташев, аспирант Р. Ш. Бедретдинов, аспирант Д. А. Кисель, магистрант Е. Н. Соснина, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород

Аннотация. Рассмотрены вопросы применения напряжения 20 кВ для распределительных электрических сетей (РЭС) России. Основными преимуществами РЭС напряжением 20 кВ по сравнению с РЭС 6-10 кВ являются: снижение потерь электрической энергии, увеличение пропускной способности линий, увеличение дальности обслуживания подстанций, снижение уровня токов кроткого замыкания и др. Приведены результаты сравнительных расчетов нагрузочных потерь электрической энергии для РЭС 6, 10 и 20 кВ.

Ключевые слова: воздушные и кабельные линии электропередачи, напряжение, потери электрической энергии, распределительная электрическая сеть, система электроснабжения.

Важным направлением энергетической отрасли является совершенствование питающих и распределительных электрических сетей.

В настоящее время распределительные электрические сети находятся в тяжелом состоянии, что обусловлено:

- высокой степенью физической и моральной изношенности электрооборудования (возраст оборудования достигает 50 лет и выше);

- высокими потерями электрической энергии (потери электроэнергии в линии достигают 16 %);

- низким уровнем автоматизации (около 38 % центров питания оснащены телесигнализацией и менее 16 % имеют телеуправление).

Рост электрических нагрузок приводит нередко к техническому пределу использования существующих сетей. Для обеспечения питания новых потребителей сооружаются параллельно прокладываемые линии, вводятся новые генерирующие мощности. Однако указанные подходы не решают проблемы обеспечения промышленных предприятий и городов электроэнергией требуемого количества и качества. Одним из способов уменьшения потерь электроэнергии в электрической сети является применение напряжения 20 кВ вместо используемых повсеместно 6-10 кВ. Ряд нормативных документов закрепляет приоритет перехода с напряжения 6(10) кВ на напряжение 20 кВ, как перспективное и необходимое направление развития распределительного электросетевого комплекса [1-6].

Применение сетей 20 кВ имеет положительный опыт во многих развитых странах мира - Австрии, Германии, Италии, США, Финляндии, Франции [7]. В России полигоном для внедрения напряжения 20 кВ является г. Москва [4, 8-10].

К основным преимуществам перехода на напряжение 20 кВ относятся снижение потерь мощности и электроэнергии, увеличение пропускной способности линий, увеличение дальности обслуживания [11-18].

Проведен сравнительный анализ потерь электроэнергии в РЭС при различных напряжениях (6, 10, 20 кВ).

Схема участка сети, для которого был проведен расчет потерь электроэнергии, показана на рисунке 1. Трансформаторная подстанция (ТП) получает питание от главной понизительной подстанции (ГПП) 110/6(10, 20) кВ. Расстояние от ГПП до контрольной точки 1 составляет 4 км. В качестве линии электропередачи рассматривались воздушные линии (марки АС) и кабельные линии (марки АПвБП с изоляцией из сшитого полиэтилена и СБл с бумажной изоляцией). Мощность нагрузки составляет 100 кВ-А.

В таблице 2 приведены значения потерь электрической энергии по отношению к ее количеству, поступившей в сеть. Согласно полученным результатам при переходе с напряжения 6 кВ на 20 кВ экономия электроэнергии составляет до 15-20 % (рисунок 2).

ГПП 110/6(10, 20) кВ

лГ)А]

ТП 6(10, 20)/0,4 кВ

ВЛ(КЛ) 4 км

Нагрузка ^нагр=100 кВА

Рисунок 1 - Схема участка сети

Нагрузочные потери электроэнергии в линии определены по формуле (1):

АЖ = 3 • 12 • т• Я,

где 1тах - максимальная токовая нагрузка; т - интервал времени, в течение которого токовую нагрузку 1тах принимают неизменной; Я - эквивалентное сопротивление линии. Результаты расчетов сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Нагрузочные потери сталеалюминевых проводов, кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена и кабеля с бумажной изоляцией при напряжении 6, 10 и 20 кВ

Сечение провода, мм2 Нагрузочные потери в линии, кВтч/год

6 кВ 10 кВ 20 кВ

1 2 3 4

Сталеалюминевый провод марки АС

25 1 912,977 689,148 172,287

35 1 297,685 467,490 116,870

50 993,376 357,860 89,467

70 704,160 253,673 63,419

95 501,946 180,825 45,105

120 407,299 146,729 36,682

150 341,530 123,036 30,750

185 257,066 92,608 23,152

240 197,306 71,079 17,770

Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена марки АПвБП

25 2 086,579 751,696 187,899

35 1 492,320 537,612 134,385

50 1 043,286 375,847 93,949

70 746,160 268,806 67,193

95 549,186 197,846 49,455

120 435,676 156,953 39,233

150 347,205 125,082 31,266

185 282,105 101,629 25,404

240 197,306 71,080 17,767

Кабель с бумажной изоляцией марки СБл

25 1 235,255 445,004 111,251

35 884,709 318,719 79,679

50 617,626 222,501 55,625

70 427,330 153,947 38,487

95 325,505 117,264 29,316

120 257,065 92,608 23,152

150 233,690 84,187 21,046

185 166,925 60,135 15,034

240 128,540 46,307 11,576

Таблица 2 - Приведенные потери электрической энергии

Сечение питающей 2 линии, мм Потери электрической энергии к количеству электроэнергии, поступившей в сеть, %

6 кВ 10кВ 20 кВ

ВЛ

25 5,88 6,41 3,79 2,12 2,31 1,37 0,59 0,58 0,347

35 3,98 4,58 2,72 1,47 1,65 0,98 0,36 0,41 0,24

50 3,05 3,21 1,89 1,09 1,15 0,68 0,27 0,286 0,17

70 2,16 2,29 1,31 0,78 0,87 0,47 0,19 0,21 0,12

95 1,54 1,69 1,00 0,56 0,61 0,36 0,14 0,15 0,09

120 1,25 1,34 0,79 0,45 0,48 0,28 0,11 0,12 0,07

150 1,05 1,07 0,72 0,38 0,38 0,26 0,09 0,09 0,06

185 0,79 0,87 0,51 0,28 0,31 0,184 0,07 0,08 0,05

240 0,61 0,61 0,39 0,22 0,22 0,14 0,05 0,05 0,03

50 75 100 125 150 175 200 225 250 Рисунок 2 - Графики приведенных потерь электроэнергии

Следует отметить, что с точки зрения схем и компоновки распределительных устройств РЭС 20 кВ и 6-10 кВ относятся к сетям одного класса. Оборудование на 20 кВ (трансформаторы, выключатели, шкафы комплектных распределительных устройств) является комплектным, компактным и по размерам сопоставимо с оборудованием 6 (10) кВ. За счет снижения уровня токов короткого замыкания возможно ослабление требований к аппаратам защиты.

Внедрение 20 кВ целесообразно в городах с высокой плотностью электрических нагрузок [19-20], при проектировании новых сетей и реконструкции существующих подстанций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Положение ОАО «Россети» о единой технической политике в электросетевом комплексе. Утверждено Советом директоров ОАО «Россети». Протокол № 138 от 23.10.2013.

2. Стратегия развития электросетевого комплекса Российской Федерации. Утверждена распоряжением Правительства РФ № 511-р от 03.11.2013.

3. Инвестиционная программа ОАО «ФСК ЕЭС» на 2013-2017 годы. Утвержено приказом Министерства энергетики РФ. Приказ № 531 от 31.10.2012.

4. Положение о единой технической политике ОАО «Холдинг МРСК» в распределительном сетевом комплексе. Решение Совета директоров ОАО «Холдинг МРСК». Протокол № 64 от 07.10.2011.

5. СТО 70238424.29.240.10.009-2011. Распределительные электрические сети. Подстанции 6-20/0,4 кВ. Условия создания. Нормы и требования. Введ. 30.06.2011. М. : НП «ИНВЭЛ», 2011. 20 с.

6. СТО 70238424.29.240.20.001-2011. Воздушные линии напряжением 0,4-20 кВ. Условия создания. Нормы и требования. Введ. 01.12.2011. М. : НП «ИНВЭЛ», 2011. 86 с.

7. Borscevskis О. 20kV Voltage Adaptation Problems in Urban Electrical Networks [Электронный

ресурс]. URL: http://egdk.ttu.ee (дата обращения 20.12.2014).

8. Создание интеллектуальной распределительной сети 20/0,4 кВ на территории инновационного центра «Сколково» [Электронный ресурс]. URL: http://glavt.ru/projects/ elektroenergetika/sozdanieinte llektualnoy-raspredelitelnoy-seti-20-0-4-kv-na-territorii-skolkovo/ (дата обращения 24.12.2014).

9. Иванов М. Н. Перспективы применения напряжения 20 кВ в Москве // Портал ИнтерЭнерго.

2011. [Электронный ресурс]. URL: http://interenergo. info (дата обращения 22.12.2014).

10. Постановление Правительства Москвы от 14 декабря 2010 г. № 1067-ПП «О схеме электроснабжения города Москвы на период до 2020 года (распределительные сети напряжением 6-10-20 кВ)».

11. Лоскутов А. А. Применение напряжения 20 кВ для распределительных электрических сетей // Труды XVII Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки). Н. Новгород : НИУ РАНХиГС,

2012. С. 164-166.

12. Соснина Е. Н., Липужин И. А. Внедрение сетей напряжением 20 кВ для распределительных электрических сетей России // Материалы XLIII НТК «Федоровские чтения». М. : МЭИ, 2013. С. 159-163.

13. Лоскутов А. Б. Соснина Е. Н., Лоскутов А. А. Новый подход к построению электрических распределительных сетей России // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2011. № 3. С. 147-151.

14. Шаманов Д. А. Распределительные сети

[Электронный ресурс] // Новости электротехники: информационно-справочное издание, 2005. № 6 (36). URL: http://www.news. elteh.ru/arh/2005/36/03 (дата обращения 22.12.2014).

15. Буре И. Г. Повышение напряжения до 20-25 кВ и качество электроэнергии в распределительных сетях // Электро, 2005. № 5. С. 30-32.

16. Черепанов В. В., Суворова И. А. Повышение эффективности транспортировки и распределения электрической энергии в кабельных линиях путем применения напряжения 20 кВ // Электрика. 2012. № 7. С. 27-30.

17. Черепанов В. В., Суворова И. А. Исследование технико-экономической целесообразности применения напряжения 20 кВ в городских электрических сетях // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 5. С. 12-14.

18. Плетнев Л. А. Электросеть для мегаполиса // Новости электротехники: информационно-справочное издание 2004. № 3 (27) [Электронный ресурс]. URL: http://www. news. elteh.ru/arh/2004/27/09 (дата обращения 23.10.2014).

19. Соснина Е. Н., Лоскутов А. Б., Лоскутов А. А. Топология городских распределительных интеллектуальных электрических сетей 20 кВ // Промышленная энергетика. 2012. № 5. С. 11-17.

20. Маслов А. Н. Проблемы и особенности построения распределительных сетей крупных городов и м егаполисов // Тр. XII Всемирного электротехнического конгресса. 2011. [Электронный ресурс]. URL: http://wetc.ru (дата обращения 23.10.2014).

20 KV VOLTAGE APPLYING OF RUSSIAN ELECTRIC DISTRIBUTION NETWORK

© 2015

D. S. Astashev, postgraduate student

Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod

R. Sh. Bedretdinov, postgraduate student Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod

D. A. Kisel', master

Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod (Russia) E. N. Sosnina, doctor of technical sciences, associate professor, professor of «Electric power industry, electric power

supply and power electronics »

Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod

Annotation. 20 kV voltage application issues has been considered for Russian power distribution network (PST). The main benefits of 20 kV voltage PST to 6-10 kV PST are: electric energy decreasing, electrical energy load losses, transfer capability resurs increasing, substations distance services increasing, short circuit currents decreasing and other. The results of comparative electrical energy load losses calculations for 6, 10 and 20 kV PST are used.

Keywords: overhead and cable power lines, voltage, electrical energy losses, electric distribution network, electrical power supply system.