В настоящее время распределительным электрическим сетям напряжением 0,4-35 кВ уделяется не достаточное количество внимания, что является причиной неэффективной работы и замедляет развитие этих сетей, приводит к ускоренному их износу и существенным трудностям, относительно присоединения к ним новых мощностей потребителей.
Как известно, эффективность экономики на прямую зависит от работоспособности распределительных электрических сетей среднего и низкого уровня напряжения. Ведь электроснабжение разных групп потребителей (промышленность, ЖКХ, сельское хозяйство, быт и т.п.) осуществляется от этих сетей, протяжность которых составляет около 90 % сетей всех классов напряжения, а мощность распределительных установок, к которым присоединены непосредственно указанные потребители, составляет свыше 50% установленной мощности на трансформаторных подстанциях всех электропередающих организаций.
Цель исследования
Технологические потери электроэнергии в электрических сетях напряжением 35 кВ, 6-10 кВ и 0,4 кВ составляют соответственно в пределах 4-5%, 8-9% и 10-12% объемов ее пропуска по этим электросетям. В то же время многие электросети напряжением 0,4-35 кВ находятся в эксплуатации свыше 50 лет, поэтому морально и физически устарели. Свыше 40% линий электропередачи находятся в неудовлетворительном техническом состоянии, нуждаются в капитальном ремонте, реконструкции и замене. Электрооборудование некоторых подстанций напряжением 6-35 кВ отработало свой срок службы. Вопрос недоотпуска электроэнергии в электрических сетях напряжением заслуживает особого внимания
Необходимость проведения работы по реконструкции электрических сетей 0,4-35 кВ с обязательным применением передовых мировых и отечественных наработок в области электрооборудования и новых подходов к построению схем электроснабжения потребителей на этих классах напряжения не вызывает сомнения.
Результаты исследования и их обсуждение
Основные положения новых подходов к построению распределительных электрических сетей напряжением 0,4-35 кВ должны состоять в следующем:
1. Вместо магистралей электрических сетей напряжением 6-10 кВ сооружаются магистрали и перемычки электрических сетей 35 кВ с учетом их пропускной способности. С помощью вакуумных реклоузеров 35 кВ формируются замкнутые схемы электроснабжения с присоединением магистралей 35 кВ к разным источникам питания и с заходами их к каждому перспективному сельскому населенному пункту.
2. Неперспективные сельские населенные пункты запитываются ответвлениями от магистралей (перемычек) 35 кВ путем присоединения существующих электросетей 6-10 кВ к ближним упрощенным распределительным установкам напряжением 35/10 кВ.
3. В населенных пунктах устраиваются упрощенные транзитные и тупиковые распределительные установки 35/6-10 кВ, 35/6-10/0,4 кВ и 35/0,4 кВ на базе вакуумных реклоузеров напряжением 35 кВ.
4. Предприятия малого и среднего бизнеса присоединяются к электрическим сетям 35 кВ по схеме «глубокий ввод».
5. Функции существующих электрических сетей 6-10 кВ суживаются к распределению нагрузки в основном между бытовыми потребителями населенного пункта с устроением с помощью вакуумных реклоузеров 10 кВ кольцевых схем с АВР и упрощенных столбовых трех- и однофазных трансформаторных пунктов.
6. Электрические сети 0,4 кВ строятся протяжностью до 0,5 км с устройством их на опорах электросети 6-10 кВ и использованием упрощенных распределительных установок 35/0,4 кВ, 6-10/0,38 кВ и однофазных трансформаторов 10/0,22 кВ.
7. Автоматизированная система управления электрической сетью напряжением 6-35 кВ осуществляется с помощью вакуумных реклоузеров на эти классы напряжений, которые обеспечены средствами релейной защиты и автоматики, а также соответствующим программным обеспечением, осуществляющее децентрализованное управление автоматикой распределительных электрических сетей с ведением в реальном времени протоколов по параметрам их работы, согласно требованиям нормативных документов для таких систем.
Отдельное внимание необходимо уделить вопросу выборы типа силового трансформатора в зависимости от способа регулирования напряжения. 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.
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.
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.
Как известно, при применениии трансформаторов с РПН 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 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. 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.
Выводы
Таким образом, принципиально новые подходы к построению распределительных электрических сетей напряжением 0,4-35 кВ предоставят возможность:
1. Сделать первый шаг к созданию интеллектуальных электрических сетей 0,4-35 кВ, что обеспечит бесперебойное, качественное и экономически эффективное электроснабжение потребителей.
2. Уменьшить протяжность электросети 0,4 кВ и 6-10 кВ по сравнению с их объемами, находящихся в эксплуатации на начало 2013 года.
3. Существенно снизить финансовые затраты на строительство и обслуживание электросетей 0,4-35 кВ за счет оптимизации их протяжности и применения упрощенных схем распределительных установок с новейшим, более надежным электрооборудованием и устройствами, имеющими низкие показатели затрат на монтаж и обслуживание.
4. Довести величину технологических потерь электроэнергии в электросетях 0,4-35 кВ до уровня 5-6% объема отпуска электроэнергии в эту сеть, при сегодняшнем уровне в этих сетях - 12%, путем использования в схемах электроснабжения потребителей более высокого класса напряжения, обеспечения оптимальных режимов работы и количественных и качественных показателей электросети.
5. Уменьшить потери напряжения на 72% и потери мощности на 92% за счет внедрения сети 35 кВ вместо сети 10 кВ.
Кроме того, завершается работа над типовыми проектными решениями относительно использования вакуумных выключателей (реклоузеров) внешней установки напряжением 35 кВ на новых и существующих подстанциях и воздушных линиях электропередачи напряжением 35 кВ.
Реализации проекта по реконструкции распределительных электрических сетей нуждается в серьезных научных исследованиях и проектных решениях, создании методических нормативных документов относительно внедрения новых подходов к построению электрических сетей 0,4-35 кВ, привлечении значительных материальных и человеческих ресурсов и, как следствие, финансовых инвестиций. Поэтому в реализации данной программы должны принять участие все участники энергосистемы.