В предыдущих публикациях по вопросам надежности городских электрических сетей малых городов (см. «Новости ЭлектроТехники» № 5 (65), 6(66) 2010, 1(67), 2(68) 2011) авторы рассказали о технических решениях, повысивших надежность сетей 10 кВ г. Ханты-Мансийска – административного, хозяйственного и культурного центра Ханты-Мансийского автономного округа (Югры). Они отметили, что важнейшим компонентом надежности электроснабжения является развитие электрических сетей, опережающее рост электрических нагрузок, связанный с развитием города и его инфраструктуры.
В сегодняшней публикации, которая является заключительной в цикле статей, рассматриваются вопросы надежности, связанные с развитием электрической сети растущего Ханты-Мансийска.

Сергей Дмитриев, директор МП «Городские электрические сети» муниципального образования, г. Ханты-Мансийск
Сергей Миловидов, главный инженер проектов проектного института «Сибгипрокоммунэнерго», г. Новосибирск
Юрий Целебровский, д.т.н. профессор, Новосибирский государственный технический университет

ГОРОДСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
Возможные пути развития

За прошедшие 15 лет электрическая нагрузка в городе возросла в 5 раз (с 18 до 92 МВт), число распределительных пунктов (РП 10 кВ) выросло в 6 раз (с 3 до 19), число подстанций (ТП 10/0,4 кВ) – со 170 до 353. Протяженность линий электропередачи за этот же период увеличилась с 80 до 400 км. Причем, если раньше линии в основном были воздушными, то сейчас преобладают кабельные линии 10 кВ. Динамика роста электрических нагрузок и развития электрических сетей приведена на рис. 1 и рис. 2.

Рис. 1. Рост электрической нагрузки

Рис. 2. Рост числа РП 10 кВ и ТП 10/0,4 кВ

Такое развитие сетей определялось развитием столицы Югры, население которой возросло с 37 тысяч человек в начале 90-х годов до 79,8 тысяч к настоящему времени. В ближайшей перспективе (20 лет) население увеличится до 130 тыс. человек, а жилой фонд – с 1800 тыс. м² до 3900 тыс. м².

Соответственно возрастут и электрические нагрузки, по расчетам – почти в два раза. Опережающее развитие электрических сетей является при этом основным фактором надежности электроснабжения.

Принципиальными звеньями развития, обеспечивающего надежность электроснабжения, по нашему мнению, являются:

• развитие центров питания города электроэнергией (ПС 220/110 кВ);
• развитие городских электрических сетей 10 кВ при одновременном снижении доли распределительных сетей 0,4 кВ;
• реконструкция существующих объектов с применением современных технических решений и оборудования.

Развитие центров питания

Ключевым моментом, определяющим надежность электроснабжения Ханты-Мансийска, является то, что электропитание города осуществляется только от одной ПС 220/110 кВ «Югра», подключенной к Тюменской энергосистеме двухцепной ВЛ 220 кВ.

В качестве резервного источника питания города может использоваться двухцепная ВЛ 110 кВ от ПС «Фоминская», которая при необходимости позволит обеспечить ограниченное резервирование города (порядка 20 МВт – после реконструкции с переводом на 220 кВ).

От подстанции «Югра» получают питание подстанции 110/10 кВ, снабжающие городские электросети. Наличие одного центра питания 220/110 кВ, подключенного к энергосистеме всего лишь одной двухцепной воздушной линией 220 кВ, является самым слабым звеном в цепочке надежности. На пути прохождения ВЛ от Сургутских ГРЭС до Ханты-Мансийска от данных ВЛ получают питание множество ПС, которые преимущественно питают месторождения нефтяной отрасли. Эти ВЛ и ПС находятся на балансе организаций различных форм собственности (ОАО «Тюменьэнерго», ОАО «Юганскнефтегаз», ООО «Энергонефть» и др.).

В прошедшие годы имели место случаи нарушений в работе оборудования этих объектов, которые приводили либо к полному отключению источника питания города, либо к перепадам напряжения. Такое положение характерно для многих малых городов, но для столицы округа это, по нашему мнению, недопустимо.

Центры питания следующего уровня – ПС 110/10 кВ развиваются успешнее. Если 15 лет назад в городе была всего лишь одна подстанция с двумя трансформаторами по 25 МВА (ПС-110/10 кВ «Ханты-Мансийская»), то к настоящему времени город снабжают четыре ПС 110/10 кВ («Ханты-Мансийская», «Авангард», «Самарово», «Западная») с общей установленной мощностью трансформаторов 182 МВА. Построена, но еще не введена в эксплуатацию ПС 110/10 кВ «ГИБДД», завершается строительство ПС 2×40 МВА «Пойменная». Загрузка трансформаторов на действующих ПС составляет в нормальном режиме работы от 46 до 61% и в послеаварийных (при выходе из строя одного из двух трансформаторов на ПС в режиме максимальных нагрузок) – от 92 до 122%. То есть фактически все ПС 110/10 кВ загружены под номинальную нагрузку и не имеют резерва для присоединения новых потребителей.

В связи с этим, проектным институтом «Сибгипрокоммунэнерго» была разработана схема развития электрических сетей (фрагмент схемы показан на рис. 3), увязанная с Генеральным планом развития города. В ней предусмотрен ввод в действие двух уже построенных ПС мощностью 2×40 МВА («ГИБДД» и «Пойменная»), двух мощностью 2×25 МВА («АБЗ» и «Нагорная») и одной ПС мощностью 2×16 МВА («Северо-Западная»), а также реконструкция существующих подстанций – ПС «Самарово» (замена трансформаторов 2×25 на 2×40 МВА), ПС «Западная» (с 2×16 на 2×25 МВА).

Рис. 3. Фрагмент схемы электроснабжения Ханты-Мансийска

Как мы отмечали в предыдущих публикациях, на действующих ПС внедрена и успешно работает система резистивного заземления нейтрали сети 10 кВ с устройствами релейной защиты линий 10 кВ с действием на отключение, которую следует развивать с использованием ее на всех новых ПС и РП. Система высокоомного заземления нейтрали обеспечивает снижение кратности дуговых перенапряжений, устранение феррорезонансных процессов, селективную защиту при однофазных замыканиях на землю и, как следствие, повышение электробезопасности сети без усиления заземляющих устройств.

Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что через 4–5 лет, в случае сохранения темпов прироста нагрузок города в размере порядка 5 МВт ежегодно, дальнейшее развитие города станет практически невозможным без ввода дополнительных трансформаторных мощностей на опорной ПС 220 кВ «Югра» или строительства одного или нескольких источников генерации в городе.

Развитие и реконструкция городских электрических сетей 10 кВ

Учитывая сложную ситуацию с внешним электроснабжением, городская электрическая сеть 10 кВ в Ханты-Мансийске проектируется и строится максимально надежно, с многократным резервированием.

Если в середине девяностых годов в городской сети 10 кВ преобладала петлевая схема, то уже начиная с конца девяностых городская электрическая сеть строится, как правило, либо по двух(много)лучевой, либо по двухзвеньевой схеме с использованием распределительных пунктов, подключаемых двумя независимыми линиями 10 кВ к одной или к двум ПС 110/10 кВ.

Сооружаемые трансформаторные ПС имеют, как правило, два трансформатора 10/0,4 кВ и развитое РУ 10 кВ, что позволяет производить необходимые оперативные переключения для ликвидации нештатных ситуаций. При этом выполняется условие ограниченного резервирования ПС и РП по распределительным сетям.

Одновременно с развитием электрической сети Ханты-Мансийска проводится реконструкция существующих участков, которая включает:

• повышение пропускной способности действующих ЛЭП 10 кВ с ликвидацией ветхих участков сети и прокладкой новых линий, увеличение сечений проводов и кабелей;
• ликвидацию встречных потоков мощности;
• перераспределение мощностей между существующими и вновь вводимыми в эксплуатацию центрами питания (переключение ЛЭП 10 кВ);
• организацию необходимого сетевого резервирования;
• увеличение мощности трансформаторов в ТП 10/0,4 кВ;
• сокращение протяженности распределительной сети 0,4 кВ;
• замену физически и морально устаревшего оборудования в РП и ТП с внедрением вакуумного и элегазового оборудования 10 кВ отечественного и зарубежного производства, оснащенного новейшими микропроцессорными защитами, быстродействующими системами АВР;
• замену кабельных линий 10 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена;
• замену голого провода на самонесущие изолированные провода и кабели при строительстве и реконструкции ВЛ 10 и 0,4 кВ.

Оборудование и сооружения

Надежность электрических сетей обеспечивается также соответствием электротехнических сооружений, устройств и оборудования климатическим условиям города, который расположен в центральной части Тюменской области, на правом берегу реки Иртыш, в 10 км от впадения ее в реку Обь.

Территория города относится к 1-му климатическому району, подрайону 1Д (по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»). Расчетные климатические условия города соответствуют III району по ветру и II – по гололеду (по приложению № 5 к СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия»). Минимальная температура воздуха: –49°С, максимальная: +34°С, температура воздуха наиболее холодной пятидневки: –41°С (по СНиП 23-01-99).

Рельеф города холмистый, с наличием пойменных территорий, которые могут быть подтоплены и склонны к заболачиванию. На территории города наблюдается оврагообразование и оползневые процессы, на отдельных участках возможно развитие «верховодки», имеются участки с неоднородной грунтовой толщей, при переувлажнении грунты могут проявлять просадочные и набухающие свойства, а также сильное морозное пучение. На значительных территориях города имеют место насыпные грунты.

Новые трансформаторные подстанции строятся либо из кирпича с кабельными или воздушными вводами по типовым проектам ТП 10(6)/0,4 кВ, разработанным новосибирским проектным институтом «Гипрокоммунэнерго», и оснащаются современным распределительным оборудованием 10 и 0,4 кВ производства АВВ или Schneider Electric, либо блочными в бетонной оболочке полной заводской готовности типа БКТП («ЭЗОИС»), которые комплектуются элегазовыми ячейками 10 кВ типа RM-6, выпускаемыми российскими предприятиями по лицензии Schneider Electric, а также оборудованием 0,4 кВ с быстродействующим АВР на выключателях Masterpact.

Что касается трансформаторов 10/0,4 кВ, то применяются сухие трансформаторы типа ТСЗГЛ («Укрэлектроаппарат»), TRIHAL (Schneider Electric), DTTH (АВВ), которые обеспечивают полную экологическую и пожарную безопасность и не требуют больших эксплуатационных затрат. В единичных случаях на подстанциях используются герметичные масляные трансформаторы типа ТМГ (Минский завод трансформаторов им. Козлова).

В целях улучшения условий эксплуатации кабельных вводов во вновь строящихся ТП-10/0,4 кВ вместо устройства в РУ 10 кВ и РУ 0,4 кВ кабельных каналов под ячейками выполняются кабельные этажи (ниже уровня пола). Распределительные пункты 10 кВ (РП 10 кВ), совмещенные со встроенными ТП-10/0,4 кВ, сооружаются в капитальном исполнении с применением элегазового оборудования 10 кВ типа ZXO (АВВ), а также блочного типа БРТП («ЭЗОИС») с элегазовым оборудованием 10 кВ Safe Plus (АВВ).

Исходя из грунтовых условий, новые питающие кабельные линии напряжением 10 кВ следует выполнять с применением кабелей с нестекающей изоляцией марки ЦААПЛ (кабели, бронированные алюминиевыми круглыми или плоскими проволоками, а также стальными лентами, позволяют использовать их при значительных растягивающих усилиях), кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена марок Nexans, АПвПг и т.п. Такие кабели дают возможность прокладки КЛ на трассах без ограничения разности уровней и обладают эксплуатационными преимуществами перед кабелями с бумажной пропитанной изоляцией:

• повышенная рабочая температура, что позволяет увеличить пропускную способность;
• повышенная стойкость при работе в условиях перегрузок и коротких замыканий;
• возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней;
• отсутствие масла, битума, свинца, что упрощает монтаж, эксплуатацию и устраняет экологически неблагоприятные факторы;
• большая надежность в эксплуатации и меньшие расходы на реконструкцию и содержание кабельных линий;
• меньший вес и допустимый радиус изгиба;
• большая строительная длина.

При монтаже кабельных линий используется высококачественная кабельная арматура фирмы Raychem и Подольского завода электромонтажных изделий, что увеличивает не только надежность работы кабельных сетей, но и срок их службы.

При строительстве ВЛ 10 кВ используются самонесущие изолированные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, а также изолированные провода зарубежного и отечественного производства СИП-3А, PAS, SAX, что позволяет осуществлять строительство ВЛИ, ВЛЗ 10 кВ по парковой местности и в зонах жилой застройки в стесненных условиях.

В этом случае применяются облегченные опоры из гнутого профиля, что позволяет значительно повысить надежность электроснабжения, снизить затраты и трудоемкость при строительстве и эксплуатации. Использование при строительстве ВЛ 10 кВ опор из гнутого профиля за счет большего габаритного пролета опор в 1,5–2,5 раза снижает объем земляных работ и связанное с выполнением этих работ нарушение плодородного слоя почвы.

Заключение

1. Надежность электроснабжения малых городов во многом зависит от наличия резервированных центров питания. Каждый город должен иметь не менее двух центров питания, подключенных к независимым источникам. Наилучшим решением, по нашему мнению, будет создание в городе генерирующего источника с мощностью, обеспечивающей потребности города при отключении его от энергосистемы. Пример такого решения – парогазовая станция в г. Ноябрьске Ямало-Ненецкого автономного округа.
2. Развитие электрических сетей среднего напряжения должно идти по двухзвеньевой схеме «РП–ТП». В районах с суровыми климатическими условиями распределительные пункты и подстанции должны быть закрытого исполнения. Предпочтительнее использовать пожаробезопасные герметичные либо сухие трансформаторы. Линии электропередачи должны быть преимущественно кабельными с изоляцией из сшитого полиэтилена. Применение воздушных линий электропередачи возможно только в районах без жилой застройки. При необходимости прокладки трассы ВЛ в районах с жилой застройкой следует использовать только самонесущие изолированные кабели и провода. Самонесущие изолированные провода следует применять и для ВЛ 0,4 кВ. Общая стратегия в городских распределительных сетях состоит в замене воздушных линий на кабельные.
3. Сеть 10 кВ должна работать в режиме нейтрали, заземленной через резистор. Это позволяет исключить возникновение дуговых и феррорезонансных перенапряжений, что абсолютно необходимо в кабельных сетях для обеспечения их длительного срока службы. Для полного исключения дуговых перенапряжений сопротивление резистора в нейтрали должно быть меньше емкостного сопротивления сети.
4. Однофазные замыкания в сети должны отключаться релейной защитой, что существенно повышает уровень электробезопасности в городе без усиления заземляющих устройств РП, ТП и опор ВЛ. Отключение однофазных замыканий, кроме того, позволит применить для защиты от внешних перенапряжений нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) с уровнем ограничения перенапряжений меньшим, чем 2 U_ф.