Новости Электротехники 1(115) 2019





<  Предыдущая  ]  [  Следующая  >
Журнал 4(88) 2014 год     

Надежность электроснабжения

Эффективность эксплуатации распределительных сетей 10(6)/0,4 кВ зависит от степени достижения оптимального уровня их экономичности, надежности и безопасности при минимизированных затратах на выполнение соответствующих мероприятий. Особенно важно при этом выполнение двух условий: на зажимах потребителей должно поддерживаться нормативное значение напряжения, а технологические потери в процессе передачи электроэнергии этим потребителям должны быть минимальными и экономически обоснованными.
Владимир Васильевич Назаров в своем материале рассматривает несколько вариантов решения таких задач.

Владимир Назаров,
д.т.н., профессор, ПАО «Хмельницкоблэнерго», Украина

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 10(6)/0,4 кВ
Вопросы реконструкции

Лучший результат для повышения эффективности работы сетей 10(6)/0,4 кВ дает синхронное решение двух задач – обеспечение отклонения напряжения у потребителя в допустимых пределах и снижение потерь энергии в сети. Однако в некоторых ситуациях, когда предпочтение отдают ограничению нижнего предела отклонения напряжения, например с помощью продольных вольтодобавочных трансформаторов (бустеров или ВДТ) на линиях 0,4 кВ, а на увеличение технологических потерь энергии не обращают внимания, итог получается отрицательным.

Для анализа технико-экономической эффективности применения ВДТ в сетях 0,4 кВ мы приняли упрощенную, но соответствующую условиям эксплуатации схему ВЛ, питающую сельскохозяйственных потребителей (рис. 1). Нагрузки, указанные на схеме для номинального напряжения 380/220 В и cosφ = 0,95, в ходе расчета были заданы эквивалентными сопротивлениями. Потери электроэнергии определялись для времени потерь 1500 часов. Расчет проводился по параметрам фазных токов и напряжений.

Рис. 1. Упрощенная схема ВЛ, питающей сельскохозяйственных потребителей

Кроме необходимости обеспечить допустимые значения отклонений напряжения (–10/+5%) в точках 3 и 4, учитывалось влияние ВДТ при разных коэффициентах его трансформации на напряжение в точках до места установки бустера, для данной линии – в точке 2. Относительно удовлетворительный результат представлен второй строкой табл. 1. Напряжение в точках 2 и 4 оказалось порядка 198 В, т. е. равным минимально допустимому, а потери мощности и энергии (табл. 2 – в сумме трех фаз) возросли. Индексы в таблицах при напряжении обозначают номер пункта на схеме: Uо – на шинах пункта питания, U1 – в точке 1 и т.д.; при токе и мощности – участки линии между соответственными точками.

Таблица 1. Фазные напряжения и токи

Вариант расчетаU0, ВI0-1, АU1, ВI1-2, АU2, ВI2-3, АU3, ВI3-4, АU4, В
А-3523180,6822456,4220241,8819013,15183
А-35 и ВДТ23188,9522364,7919845,2020514,20198
А-5023183,7222659,2620944,2120013,98195
А-7023185,8222761,2221445,8220614,55203
А-9523182,2922862,6021746,9521114,95209

Таблица 2. Потери мощности и энергии

Вариант расчетаPΣ, кВтPнаг., кВтΔP0-1, кВт ΔP1-2, кВт ΔP2-3, кВт ΔP3-4, кВтΔPΣ, кВт ΔPΣ, % ΔEΣ, кВт•час
А-3553,246,31,783,481,440,246,913,0 %10388,4
А-35 и ВДТ58,750,02,164,581,670,288,714,8 %13038,6
А-5054,949,61,322,651,110,185,39,6 %7908,7
А-7056,152,10,992,020,850,144,07,2 %6017,0
А-9557,053,90,751,550,650,113,15,4 %4607,2

Расчет выполнен кафедрой электрических систем Винницкого технического университета.

ЗАМЕНА ПРОВОДА

Был рассмотрен альтернативный бустеру вариант замены провода на провод большего сечения: А-35 на А-50, А-70 или А-95 (применение провода марки АС практически не изменяет результаты расчета). Приемлемым для замены, с учетом технологии и стоимости выполнения работ, оказался провод А-70.

В экономической плоскости способ обеспечения желательных уровней напряжения на зажимах потребителей электроэнергии посредством замены проводов также обладает преимуществом. Рыночная цена бустеров мощностью, соответствующей рассматриваемому примеру, согласно имеющимся у нас данным, составляет порядка $14 000, что в 2 раза превышает стоимость нового провода и работ по реконструкции данной линии. Добавим существенное снижение потерь энергии. Получим однозначный вывод: единственная ситуация для применения бустеров – чрезвычайные обстоятельства при невозможности быстрейшего выполнения реконструкции линии.

ТРАНСФОРМАТОРЫ С ПБВ

Технико-экономическая эффективность эксплуатации силовых трансформаторов определяется не только их конструктивными параметрами, но и тем, как соблюдаются уровни напряжения во взаимосвязанных элементах цепи «внешний источник относительно сети 10(6) кВ – линии 10(6) кВ – трансформаторы 10(6)/0,4 кВ – линии 0,4 кВ – потребитель».

В качестве отступления, но вполне уместного, нельзя не упомянуть проблему влияния ВЛ 330–750 кВ на уровни напряжения практически во всей объединенной системе, включая и сети 0,4 кВ.

Трансформаторы 10(6)/0,4 кВ оснащаются устройствами ПБВ – переключения ответвлений обмоток высшего напряжения без возбуждения. Такие устройства предназначены для выполнения функций поддержания нормированных уровней напряжения в случаях установки трансформаторов в местах сети с постоянным или возникающим из-за сезонных изменений мощности нагрузки отклонением напряжения.

Однако, во-первых, по достоверным сведениям, приводом ПБВ многих трансформаторов 10(6)/0,4 кВ за все время эксплуатации мало кто пользовался. Во-вторых, для современных распределительных сетей с их общеизвестными, заложенными уже на стадии проектирования недостатками далеко не всегда установка ПБВ-трансформатора на ответвление его первичной обмотки, удовлетворяющее предпочтительному уровню напряжения, положительно сказывается на экономических показателях эксплуатации сети.

При относительно больших отклонениях напряжения в сети 0,4 кВ, вызванных суточными колебаниями нагрузки, и неизменном коэффициенте трансформации питающего трансформатора появляется ряд отрицательных моментов. Как правило, с целью поддержания необходимого напряжения у потребителей протяженных линий 0,4 кВ, ПБВ конкретного трансформатора 10(6)/0,4 кВ устанавливается в положение, отвечающее меньшему коэффициенту трансформации. После спада дневного и особенно вечернего максимума даже с учетом регулирующего эффекта питающей подстанции, где имеется такая возможность, напряжение на рассматриваемом трансформаторе повышается минимум на 5% относительно номинального для данного ответвления первичной обмотки. А часто оно бывает и выше с известными последствиями увеличения потерь холостого хода, особенно в условиях питания сети 10(6) кВ от подстанции с трансформаторами 35/10(6) кВ, оснащенными ПБВ.

Соответствующее этому режиму сети напряжение питания оставшихся включенными отдельных потребителей (двигатели, освещение, технологические установки и др.) приводит к ускорению их износа и неоправданному перерасходу электроэнергии.

Обратим внимание на свойство самоорганизации распределительных сетей. В сети 6–35 кВ она заключается в том, что сеть как бы самоиспытывается перенапряжениями при дуговых однофазных замыканиях. А в сети 0,4 кВ «самоспасение» обеспечивается снижением напряжения из-за потерь в линии питания и уменьшением силы тока ряда потребителей, что по обратной связи приводит к некоторому ограничению величины потерь напряжения и мощности во всех последовательно соединенных элементах сети.

Кроме ущерба от потерь и превышения потребления энергии, существенен урон и от пониженной надежности трансформаторов с ПБВ. Опыт эксплуатации силовых трансформаторов напряжением 10(6)/0,4 кВ свидетельствует о том, что до 50% их повреждений напрямую или косвенно связаны с наличием ответвлений высоковольтной (первичной) обмотки. К таким повреждениям относятся: дефекты контактных соединений переключателя и нарушение их термической стойкости; снижение электрической прочности изоляции в местах вывода из обмотки проводов ответвлений; недостаточная динамическая прочность обмоток высокого напряжения (особенно изготовленных с применением круглого алюминиевого провода). Отметим, что лучшими технико-экономическими показателями, по комплексной оценке, обладают трансформаторы данного класса с обмотками низкого напряжения из алюминиевой фольги, а высокого – из медного провода прямоугольного сечения.

В целом применение трансформаторов, оснащенных ПБВ, в сетях 10(6)/0,4 кВ является убыточным и для изготовителей трансформаторов, и для организаций, эксплуатирующих сеть, и для потребителей электроэнергии.

Взамен ПБВ распределительного трансформатора, по моему мнению, следовало бы применять с известной выгодой (уменьшение потерь энергии в трансформаторе и линии электропередачи 10(6) кВ; возможность частичного регулирования напряжения в сети 0,4 кВ) автоматически регулируемые установки компенсации реактивной мощности на шинах 0,4 кВ подстанций 10(6)/0,4 кВ. Подчеркну: именно на шинах 0,4 кВ, а не на высшем напряжении 10(6) кВ.

Приведу четыре причины такого довода. Во-первых, цена конденсаторов 10(6) и 0,4 кВ составляет ориентировочно 10:1. Во-вторых, их повреждаемость в эксплуатации определяется тем же соотношением и в основном не столько из-за недостаточного уровня длительной и кратковременной электрической прочности внутренней изоляции конденсаторов, сколько из-за непредсказуемости воздействия грозовых, коммутационных и дуговых перенапряжений. В-третьих, отсутствует возможность регулирования компенсации. В-четвертых, не устраняется нагрузка трансформатора по реактивной мощности.

ТРАНСФОРМАТОРЫ С РПН

Дополнительно к изложенному рассмотрим в общих чертах идеализированный случай применения трансформатора 10(6)/0,4 кВ с устройством глубокого (до 15%) автоматического регулирования под нагрузкой (РПН), реагирующим на величину напряжения в питаемой сети 0,4 кВ. По мере увеличения потребляемой мощности автоматика РПН будет поддерживать напряжение на уровне требуемых значений. И, возможно, в контролируемых удаленных точках сети напряжение достигнет заданной величины.

Однако вполне вероятно, что напряжение на зажимах, расположенных вблизи подстанции потребителей, в режиме максимальных нагрузок превысит границу 1,05 UН, увеличивая количество бесполезно затраченной энергии. Также возрастут потери мощности в линиях сети 0,4 кВ, а в силовых трансформаторах – не только в стали, но и нагрузочные.

Целесообразно предусмотреть соответствующими директивами, государственными стандартами варианты построения распределительной сети последней ступени трансформации напряжения, когда в режимах максимальных и минимальных мощностей нагрузок отклонение напряжения на зажимах токоприемников оставалось бы в пределах –5/+2,5% UН. В таких сетях указанные пределы отклонений обеспечиваются РПН предпоследней ступени трансформации подстанций 110(35)/10(6) кВ в функции источников питания сетей 10(6) кВ.

Что касается трансформаторов 35/10(6) кВ с РПН, то с учетом перспективы (сейчас большинство трансформаторов этого класса напряжения оснащены ПБВ) широкого использования в сетях, где отклонения напряжения должны быть минимальными, необходимо иметь ввиду следующее. Как правило, РПН имеет 9 положений +/–2,5%·4 с пятым средним положением 35 кВ, позволяющих получить на выходе 10,5(6,3) кВ при напряжениях входа 31,5–38,5 кВ. Но в эксплуатации 4 положения 31,5–34,125 кВ практически не используются. Более того, в положении 31,5 кВ в режиме передачи затребованной потребителем мощности (а РПН для этого и предназначено), при поддержании неизменным напряжения на шинах 10(6) кВ, существенно увеличиваются потери энергии в питающей линии 35 кВ по сравнению с режимом, когда эта мощность передавалась бы на напряжении 38,5 кВ.

Потери в первичной обмотке трансформатора при переходе от 31,5 до 38,5 кВ снижаются ориентировочно в 1,2 раза, в линии 35 кВ – почти в 1,5 раза. Оппоненты могут указать на то, что необходимость установления РПН на меньшие коэффициенты трансформации возникает в основном в послеаварийных режимах сети. Но такая ситуация, требующая перевода РПН на напряжение входа ниже номинального, крайне редка. А сам перевод противоречит второму эффекту самоорганизации электрической сети, усложняя послеаварийное состояние системы.

Поэтому, уменьшив число положений РПН до семи и размер одного ответвления до 1,5% начиная от нижнего, равного номинальному напряжению в пределах 35–38,15 кВ, достигается повышение надежности функционирования самого РПН за счет некоторого упрощения конструкции и снижения величины коммутируемого переключателем тока. Также обеспечиваются желаемые пределы отклонения напряжения у потребителя в сети 0,4 кВ, минуя процедуру регулирования напряжения в сети 10(6) кВ.

УМНЫЕ СЕТИ

Фундаментальная проблема обеспечения высокой энергоэффективности потребует, казалось бы, невероятного сейчас, следуя законам диалектики, возврата от большой энергетики к децентрализованному энергоснабжению на уровне уже освоенных и перспективных технологий [1].

Значимость распределительных кабельных сетей, которые становятся практически единственным звеном передачи электрической энергии (ВЛ не отвечают в полной мере требованиям надежности, экономичности, экологической приемлемости), неизмеримо возрастает. Постепенно такие сети преобразуются в малые активно-адаптивные энергетические системы, обладающие собственным полноценным источником электрической и тепловой (полезно используемой) мощности.

Строительство этих систем, которые предлагается назвать Mid-Small Grid (M-S Grid), рассматривается в виде переходного периода к наиболее эффективным системам высшего уровня, именуемым сейчас Microgrid, где в перспективе источник и потребитель энергии будут представлять собой единое целое. Особо значимы M-S Grid для развития энергетики РФ, где до двух третей территории не охвачены централизованным энергоснабжением.

В ходе реконструкции и сооружения новых распределительных сетей с целью комплексного решения перечисленных задач необходимо в первую очередь определить приемлемое сочетание номинальных напряжений этих сетей с учетом напряжения питающей (внешней) сети, не упуская из виду концепцию Smart Grid и ее ответвлений в виде Mid-Small Grid на пути к Microgrid.

В истоках M-S Grid – разработка идеи адресного снабжения (АС) электроэнергией. Рассматривались возможные сочетания напряжений: 3; 5; 6; 10; 15; 20; 27,5; 35 кВ. С учетом адаптации к современным условиям предпочтительными признаны подстанции глубокого ввода напряжением 35/6,3 кВ и кабельные сети 6/0,4 кВ.

В системе АС сеть 6 кВ внедряется для радикального уменьшения протяженности линий 0,4 кВ. Последняя ступень трансформации максимально приближается к потребителю. Прокладка кабелей и проводов 6 и 0,4 кВ в земле осуществляется в отдельных диэлектрических трубах.

Такие системы применимы в схемах снабжения потребителей сельской местности, городов с малой и средней численностью населения. В больших городах необходимы пункты питания напряжением 110 кВ. В крупном жилищном строительстве: ввод 35 кВ и подъездные или междуэтажные подстанции 6/0,4 кВ. Подобным образом решается задача энергообеспечения жилых микрорайонов городов. Системы M-S Grid безальтернативны для поселений XXI века – экотехнополисов и экоагрополисов.

Высшее напряжение сети АС 6 кВ было выбрано также исходя из целесообразности применения в адресных комплектных подстанциях (КТП АС) сухих силовых трехфазных и однофазных (фактически двухфазных) энергоэкономичных трансформаторов, достаточно надежных и относительно недорогих при таком напряжении первичной обмотки.

ТРАНСФОРМАТОРЫ ДЛЯ АДРЕСНОЙ СЕТИ

Мощность трансформаторов для системы АС ограничивается величиной 100 кВА. Естественно, не исключается применение и более мощных трансформаторов. В трехфазном исполнении (группа из трех однофазных трансформаторов с соединением обмоток: «треугольник/звезда с нулем» или «звезда/симметрирующий треугольник/звезда с нулем») [2] предпочтителен ряд 40, 63, 100 кВА. В однофазном варианте – один из трех трансформаторов, взятый от трехфазного исполнения с соединением обмоток «треугольник/звезда с нулем».

Магнитопровод такого трансформатора из электротехнической стали 3408 (3409) витой неразрезной отожженный, в поперечном сечении прямоугольный, в продольном овальный. Овал со сторонами – разрезанный по большей оси эллипс, две половины которого соединены прямыми линиями. Таким образом достигнуты весьма удовлетворительные значения основных параметров трансформатора. В табл. 3 приведены данные испытаний изготовленного нами первого промышленного образца трансформатора TSG-40/6. С учетом полученных результатов выполнен расчет трансформаторов TSG-63/6 и TSG-100/6 для сравнения с некоторыми аналогами выпускаемой в настоящее время трансформаторной продукции.

Талица 3. Сравнительные данные трансформаторов разных производителей для адресной сети

Производитель трансформатораМощность, кВА
4063100
Pх, ВтPк, ВтGтр,кгPх, ВтPк, ВтGтр, кгPх, ВтPк, ВтGтр, кг
Минский ЭТЗ (GEAFOL) 5401250750
Минский ЭТЗ (NOMEX)25588041530012804454001720580
«ЭлЭнергоМаш» (NOMEX)22088068030012807404001720820
Siemens, кл. «A» «GEAFOL» 4401600600
Siemens, кл. «B» «GEAFOL»3201600720
TSG (NOMEX)1355102301658503102101250430

Данные Минского ЭТЗ и «ЭлЭнергоМаша» взяты в интернет-каталоге производителей.

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ

На выбор комбинации напряжений распределительной сети повлияла и неоднозначность ответа на всё еще дискуссионный вопрос об эффективности внедрения напряжения 20 кВ [3]. В дополнение следовало бы учесть возможное повышение единичной мощности силовых трансформаторов 20/0,4 кВ. Заметим, также с ПБВ. Отсюда возможно увеличение количества питаемых от них потребителей, суммарной протяженности и нагрузки линий 0,4 кВ, потери в которых составляют значительную долю общих потерь в электрических сетях последней ступени трансформации [4]. Повысив напряжение до 20 кВ, уменьшаем потери в сети первичного напряжения, но увеличиваем в сети вторичной – 0,4 кВ.

В целом сети адресного снабжения (M-S Grid) обеспечивают автоматическое, посредством РПН трансформаторов 35/6,3 кВ, поддержание напряжения 0,4 кВ у потребителей в пределах отклонения –5/+2,5% от номинального значения и ограничение потерь энергии до величины не более 5%.

ЛИТЕРАТУРА

  1. www.econaturologia.com.ua
  2. Назаров В.В. Распределительные трансформаторы 10(6)/0,4 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 6(84).
  3. Файбисович Д.Л. Каким быть номинальному напряжению в распределительных сетях? // Новости ЭлектроТехники. 2003. № 4(22).
  4. Могиленко А.В. Нормативы технологических потерь в сетях 0,4–220 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 3(57).




Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта




Rambler's Top100 Rambler's Top100

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Segmenta Media создание и поддержка сайта 2001-2019