CC BY
129
УДК 621.311
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НИЗКОГО И СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Г.Я. Вагин, А.А. Куликов, А. А. Севостьянов, Е.Н. Соснина, Р.Ш. Бедретдинов
Ряд исследований свидетельствуют о том, что показатели качества электроэнергии в распределительных электрических сетях низкого (0,4 кВ) и среднего (6...10 кВ) напряжения выходят за допустимые нормы. Это приводит как к техническому, так и к значительному экономическому ущербу. Статья посвящена решению вопроса повышения качества электроснабжения распределительных электрических сетей. На основе собственных исследований и анализа отечественных и зарубежных работ по интеллектуализации электрических сетей предложены рекомендации по методам и средствам повышения качества электроэнергии в системах электроснабжения потребителей.
Ключевые слова: качество электроэнергии, интеллектуальные электрические сети, системы электроснабжения, самонесущие изолированные провода, реклоузер, автоматизация, тиристорные регуляторы напряжения.
Введение. Качество электроэнергии (КЭ) оказывает большое влияние на эффективность функционирования всех отраслей экономики России. Низкое КЭ может приводить к браку продукции, повреждаемости оборудования, снижению срока службы электроприемников, сбоям и ложной работе релейной защиты, автоматики и электронной техники, перегреву и перегоранию нулевых проводников, увеличению потерь электроэнергии и др.
По данным [1, 2], ежегодный ущерб от низкого КЭ в России составляет 25 млрд. долларов. Исследования [3, 4] показывают, что в распределительных электрических сетях (РЭС) низкого (0,4 кВ) и среднего (6-10 кВ) напряжения показатели качества электроэнергии также превышают допустимые по ГОСТ 32144 [5] значения. Так отклонения напряжения на шинах 0,4 кВ трансформаторных подстанций выходят за допустимые +10 % от Цном. Коэффициенты обратной и нулевой последовательности напряжения также выходят за допустимую норму 2 %.
С каждым годом увеличивается количество нелинейных электроприемников, которые вызывают несинусоидальность токов и напряжения.
Основными причинами низкого КЭ в РЭС являются:
- большая протяженность воздушных линий электропередачи (ЛЭП) напряжением 0,4, 6, 10 кВ и высокая степень их износа;
- большая аварийность систем электроснабжения (до 100 и более отключений в
год);
- низкая степень автоматизации систем электроснабжения;
- применение трансформаторов на некоторых подстанциях, со схемой соединения «звезда-звезда», вместо схемы «треугольник-звезда»;
- отсутствие средств регулирования напряжения;
- высокий уровень потерь напряжения и электрической энергии;
- отсутствие средств и приборов мониторинга КЭ в системах электроснабжения.
В данной статье на основании собственных исследований и анализа отечественных и зарубежных публикаций авторы дают рекомендации по методам и средствам, которые позволяют повышать КЭ в РЭС низкого и среднего напряжения с учетом перевода электроэнергетики России на технологии Smart Grid (интеллектуальные электрические сети).
Материалы и методы. Повысить КЭ в РЭС можно двумя путями: 1) схемными и 2) применением специальных средств [4, 6, 7].
Схемные пути являются наиболее простыми и экономичными. Основными из них являются следующие:
- увеличение мощности источников питания;
- параллельное включение питающих трансформаторов;
- равномерное распределение однофазных электроприемников по парам фаз трехфазной системы;
- разделение питания электроприемников чувствительных и нечувствительных
к КЭ.
Наибольший эффект схемные пути дают если показатели КЭ незначительно превышают требования ГОСТ 32144.
Если не удается схемными путями повысить КЭ, то необходимо применение специальных средств. К таким средствам, применительно к РЭС, можно отнести:
- применение для ЛЭП 0,4 кВ самонесущих изолированных проводов;
- повышение напряжения распределительных сетей;
- применение реклоузеров;
- применение средств регулирования напряжения и перетоков электроэнергии;
- сооружение собственных электростанций на основе возобновляемых источников энергии.
Рассмотрим эти средства более подробно.
Применение самонесущих изолированных проводов (СИП). Существующие ЛЭП 0,4 кВ имеют низкую надежность и большое индуктивное сопротивление, что при их большой протяженности, приводит к недопустимым отклонениям напряжения на зажимах электроприемников в конце ЛЭП. Для уменьшения отклонений напряжения в таких сетях необходимо применять самонесущие изолированные провода. ЛЭП с СИП имеет следующие преимущества [8]:
- обеспечение бесперебойного электроснабжения потребителей при падении проводов на землю, падении на провода деревьев, набросах и т.п.;
- существенно меньшая пожароопасность за счет исключения искрообразова-ний, обычно возникающих на ЛЭП при схлестывании неизолированных проводов и в сухую погоду;
- снижение сопротивлений, потерь и несимметрии напряжения;
- обеспечение большей безопасности обслуживающего персонала, населения и животных при случайном касании проводов;
- лёгкость монтажа;
- возможность подвески на одних опорах проводов разных напряжений 0,4 кВ и
6/10 кВ.
Повышение напряжения распределительных сетей. В настоящее время напряжение РЭС составляет 0,4, 6, 10 и 35 кВ. Напряжения питающих сетей 35 и 110 кВ.
Применение напряжения 6 и 10 кВ, при больших длинах распределительных сетей, вызывает высокие потери напряжения, мощности и электроэнергии.
В соответствии с технической политикой ПАО «МРСК Центра» при планировании реконструкции и строительства новых электросетевых зон, должен осуществляться переход на более высокие классы среднего напряжения (с 6 кВ на 10 кВ, с 10 кВ на 20 кВ) [9].
Переход на 20 кВ позволяет: уменьшить все виды потерь; существенно сократить число трансформаций напряжения за счет укрупнения подстанций; вдвое увеличить радиус обслуживания подстанций и сократить их количество; резко сократить расход цветного металла [10-12].
Повышение напряжения особенно перспективно в сетях напряжением до 1000 В. Основным напряжением в этих сетях является 0,4 кВ. Длина сетей 0,4 кВ около 800 тыс. км. Эти сети характеризуются наибольшими потерями напряжения, электроэнергии, несимметрией токов и напряжения.
Для устранения этих недостатков АО «НИИЦ МРСК» предложил повысить напряжение распределительных сетей до 0,95 кВ. Это предложение уже внедрено в электрических сетях г. Богородска Нижегородской области [13].
На рис. 1 приведены компоновки оборудования данной сети, а на рис. 2 однолинейная схема питания потребителей с совместной подвеской сетей 0,4 кВ и 0,95 кВ.
Преимущества перевода сетей 0,4 кВ на 0,95 кВ:
- эффективная длина питающих линий 0,95 кВ увеличивается в среднем в 3 раза;
- сложность несанкционированного подключения к сети 0,95 кВ;
- адаптивность сетей 0,95 кВ к росту нагрузки;
- обеспечение нормированного уровня отклонения напряжения у удаленных потребителей;
- нормативные требования к проектированию, строительству и эксплуатации сетей 0,4 кВ применимы к сетям 0,95 кВ;
- возможность выполнения совместной подвески сетей 0,4 кВ и 0,95 кВ без изменения габаритов воздушной линии;
- повышение надежности электроснабжения потребителей;
- сокращение технических потерь на 5-10 % и коммерческих потерь на 30 %.
в
Рис. 1. Компоновка оборудования индивидуальной подстанции: а — общий вид опоры с индивидуальным однофазным трансформатором 0,55/0,23 кВ и навесным оборудованием; б — установка на опоре индивидуального однофазного трансформатора и ограничителя перенапряжения; в — установка на опоре разъединителя с предохранителями и шкафа учета
электроэнергии 401
£э<ЬА.0.95 кВ=890м
Рис. 2. Вариант применения индивидуальных ТП 0,55/0,23 кВ и 0,95/0,4 кВ с совместной подвеской сетей 0,4 кВ и 0,95 кВ: ВНТ - выключатель нагрузки 6 кВ;
Пр - предохранитель 6 кВ; Т- силовой трехобмоточный трансформатор 6/0,95/0,4 кВ мощностью 630 кВА; АВ - автоматический выключатель;
БКТП - блочная комплектная трансформаторная подстанция
Применение реклоузеров. Согласно стандарту IEEE C37/60-2003 [14] под рекло-узером понимается автономное устройство, выполняющее функции коммутационного аппарата и релейной защиты и автоматики (РЗиА). Реклоузер нашел применение в распределительных электрических сетях (РЭС) с воздушными линиями электропередачи в качестве автоматического пункта секционирования сетей с одним или несколькими источниками питания. Также реклоузер может использоваться как высоковольтная ячейка отходящей линии, например, в случае присоединения новых электропотребителей.
Реклоузер РВА/ТЕL конструктивно состоит из трех основных блоков (коммутационный модуль, система измерения, шкаф управления), которые интегрированы в одно интеллектуальное многофункциональное устройство. В качестве коммутационного модуля (рис. 3) используется силовой вакуумный выключатель, который необходим для отключения токов короткого замыкания и оперативных переключений (реконфигурации РЭС). Система измерения состоит из встроенных датчиков напряжения и тока. Управление коммутационным модулем и РЗиА выполняется шкафом управления [15]. С точки зрения автоматики реклоузер реализует функции автоматического повторного включения (АПВ), автоматического ввода резерва (АВР) и автоматической частотной разгрузки (АЧР). Релейная защита реклоузера является направленной и позволяет реализовать токовые защиты от межфазных и однофазных коротких замыканий, защиту минимального напряжения.
Рис. 3. Внешний вид коммутационного модуля реклоузера
Визуализация сети, передача оперативной информации о режимах работы и состоянии реклоузера возможно за счет его интеграции в SCADA или DMS-систему. В качестве протоколов передачи данных PBA/TEL использует Modbus, DNP3, IEC 60870-104. Для передачи информации по другому протоколу в шкафу управления реклоузера предусмотрен специальный ретранслятор протоколов (конвертер).
402
PBA/TEL может передавать информацию как по проводным (ВОЛС, RS232/485), так и по беспроводным каналам связи (GSM, радиосвязь).
Связь реклоузера в SCADA или DMS-системах может быть организована двумя способами - с помощью прямого управления и через устройство сбора и передачи данных.
Вариант прямого управления предполагает реализацию связи с диспетчером непосредственно от шкафа управления реклоузера. Такой вариант организации связи предусматривает установку в шкафу управления передающего устройства, в качестве которого могут выступать радио- и GSM-модемы, опторазвязки. Аналогичные устройства должны быть размещены и на диспетчерском пункте. При таком варианте организации связи SCADA или DMS-система персонально обращается к каждому реклоузеру.
Связь с реклоузером может осуществляться через промежуточное устройство сбора и передачи данных (УСПД). В этом случае SCADA или DMS-система взаимодействует с УСПД, которое получает информацию с реклоузеров
Применение средств регулирования напряжения и перетоков электроэнергии. Все понижающие подстанции 10(6)/0,4 кВ в распределительных сетях не имеют автоматического регулирования напряжения. Они имеют переключатель без возбуждения (ПБВ), которым пользуются только 2 раза в году.
Поэтому для целей регулирования напряжения в распределительных сетях 6-20 кВ весьма перспективно использовать тиристорные регуляторы напряжения (ТРН). Такие регуляторы напряжения разработаны на кафедре «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» НГТУ им. Р.Е. Алексеева [16-18].
ТРН выполняет функции автоматического регулирования напряжения и мощности в РЭС. Применение ТРН обеспечивает снижение электрических потерь и повышение пропускной способности линий электропередачи Отличительной особенностью ТРН является высокое быстродействие и точность регулирования. На рис. 4 показана принципиальная схема силовой части ТРН [ 19, 20].
Силовая схема ТРН содержит тиристорные модули продольного и поперечного регулирования, шунтовой Т1 и сериесные Т2 трансформаторы.
Модуль поперечного регулирования (тиристорные коммутаторы 751... 754) вводит в линию изменяемую по величине ЭДС, сдвинутую на ±90° относительно фазного напряжения источника, и позволяет изменять величину потока активной мощности. Модуль продольного регулирования (тиристорные коммутаторы 755... 758) вводит в линию изменяемую по величине ЭДС, совпадающую или находящуюся в противофазе с фазным напряжением источника, что позволяет изменять величину потока реактивной мощности или стабилизировать напряжение сети. Продольно-поперечное регулирование выходного напряжения ТРН достигается за счет совместной работы модулей поперечного и продольного регулирования.
Первичные обмотки шунтового трансформатора 71 подключены к линейному напряжению сети 6(10) кВ. Его вторичные обмотки через тиристорные коммутаторы модулей поперечного и продольного регулирования подключены к первичным обмоткам сериесных трансформаторов 72. Вторичные обмотки сериесного трансформатора, включенные в рассечку линии 6(10) кВ, вносят в нее продольно-поперечную составляющую напряжения, регулируемую тиристорными коммутаторами по фазе и величине.
Управление тиристорами ТРН осуществляется импульсно-фазовым способом. Применение данного способа позволяет переводить ТРН в непроводящее состояние, тем самым меняя конфигурацию распределительной сети, а также оптимизировать напряжение в узлах нагрузки. При двухзонном поочередного управлении ТРН отсутствует необходимость применения датчика тока, поэтому регулировочные свойства ТРН сохраняются при глубоком изменении величины и фазы тока нагрузки.
На рис. 5 приведена векторная диаграмма входных и выходных линейных напряжений при совместной работе модулей продольного и поперечного регулирования.
В2
Рис. 5. Векторная диаграмма продольно-поперечного регулирования напряжения
Суммированием продольной и поперечной составляющих напряжения обеспечивается широкий диапазон регулирования ЭДС вольтодобавки. Это позволяет сдвигать выходной вектор напряжения относительно входного на ±5 электрических градусов и ±10% по амплитуде. Таким образом, при продольно-поперечном режиме ТРН происходит изменение величины и фазы напряжения, что позволяет влиять на потоки активной и реактивной мощности.
ТРН имеет двухуровневую систему управления. Технологическая система управления (ТСУ) является системой управления первого уровня. Задачей ТСУ является формирование команд управления тиристорами модулей продольного и поперечного регулирования. Активно-адаптивная система управления (ААСУ) - система управления второго уровня. ААСУ выполняет функции мониторинга и дистанционного управления ТРН.
Технические параметры ТРН приведены в таблице.
Технические параметры ТРН
Параметр Значение
Номинальное напряжение 6(10) кВ ±10%
Диапазон изменения фазового угла напряжения а ± 5°
Дискретность изменения фазового сдвига напряжения а 1,5°
Диапазон регулирования величины напряжения ± 10%;
Дискретность регулирования величины напряжения < 1,5%
Мощность нагрузки < 1000 кВА
Мощность шунтового трансформатора 106 кВА
Мощность сериесного трансформатора 3x28 кВА
Подключение ТРН выполняется в рассечку линии 6(10) кВ. При выборе месторасположения ТРН учитываются уровни напряжения на шинах ТП. Предварительно проводится расчет падения напряжения в линии в режиме максимальных нагрузок с учетом роста нагрузок без и с учетом ТРН. По результатам расчетов строится эпюра распределения напряжения - график зависимости уровня напряжения от длины (рис. 6). После этого рассматривается место установки с точки зрения минимума потерь напряжения и удобства организации подъездных путей для монтажа и обслуживания ТРН. Оптимальным является подключение ТРН в линию перед ТП, напряжение питания потребителей которой близко к выходу за пределы допустимых значений. При этом с учетом диапазона регулирования ±10% от Ц/ном напряжение до и после установки ТРН не должно выходить за допустимые пределы. Если установленный ТРН не обеспечивает допустимый уровень напряжения до конца линии, необходимо ставить еще один ТРН для регулирования напряжения в каскаде.
Рис. 6. Уровни напряжения на шинах 6(10) кВ ТП: 1 — участок РЭС без ТРН; 2 — участок РЭС с ТРН
Выводы. Проведен анализ качества электроэнергии в системах электроснабжения предприятий аграрного комплекса и сделан вывод, что КЭ превышает нормы, установленные в ГОСТ 32144. Выявлены причины низкого качества электроэнергии. Предложен ряд схемных решений по повышению КЭ. Даны рекомендации по применению средств повышения КЭ.
Список литературы
1. Вагин Г.Я., Куликов А. Л. Качество электрической энергии в системах электроснабжения. Анализ состояния, методов нормирования и контроля // Электрические станции. 2019. № 6. С. 54 - 59.
2. Добрусин Л. А. Проблемы качества электроэнергии и электроснабжения в России // Энергоэксперт. 2008. № 4 (9). C. 30 - 35.
3. Suslov K., Solonina N., Gerasimov D. Assessment of an impact of power supply participants on power quality // 18th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), Ljubljana, Slovenia. 2018. P. 1 - 5.
4. Жежеленко И.В., Шидловский А.К., Пивняк Г.Г., Саенко Ю.Л., Нойбергер Н.А. Электромагнитная совместимость потребителей: монография. М.: Машиностроение, 2012. 349 с.
5. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
6. Вагин Г.Я., Куликов А. Л., Лоскутов А.Б., Соснина Е.Н. Системы электроснабжения: учебник для вузов / Нижний Новгород: НГТУ, 2019. 462 с.
7. Куско А., Томпсон М. Сети электроснабжения. Методы и средства обеспечения качества. М.: Додека-XXI, 2010. 336 с.
8. Материалы сайта Simross [Электронный ресурс] URL: https://simross.ru (дата обращения: 18.08.2020).
9. Положение ПАО Россети «О единой технической политике в электросетевом комплексе». [Электронный ресурс] URL: https://www.rosseti.ru/investment/science/tech/ (дата обращения: 10.08.2020).
10. Иванов В.Е. Разработка технических решений и рекомендаций по переводу действующих сетей 6-10 кВ на напряжение 20 кВ в сельской местности // Электроэнергия. Передача и распределение. 2018. № 4 (49). С. 36 - 41.
11. Чиндяскин В.И., Ионов В.В. Перевод сельских электрических сетей напряжением 6-10 кВ на 20 кВ // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК: Материалы Международ. науч.-практ. конф.: ОГАУ, Оренбург, 2017. С. 160 - 163.
12. Ефимов А.Ю., Молоков А.О., Артемов И.Н. Снижение потерь путем перехода в распределительных сетях 6/10 кВ на напряжение 20 кВ // Интеллектуальная электротехника. 2019. № 4 (8). С. 17 - 26.
13. Князев В.В. Энергоэффективная технология передачи электрической энергии на напряжении 0,95 кВ // Электроэнергия. Передача и распределение. 2016. № 5 (38). С. 42 - 45.
14. IEEE C37.60-2003 - IEEE Standard Requirements for Overhead, Pad Mounted, Dry Vault, and Submersible Automatic Circuit Reclosers and Fault Interrupters for alternating current systems up to 38 kV. Standard by IEEE, 2003.
15. Методические указания по проектированию реклоузера РВА/ТЕL. - ГК «Таврида Электрик», 2014. 37 с.
16. Лоскутов А.Б., Чивенков А.И., Нажимов А.В., Асабин А.А., Солдатова М.С. Тиристорный регулятор напряжения трансформаторов 6-10 кВ // Промышленная энергетика. 2010. № 8. С. 30 - 33.
17. Соснина Е.Н., Бедретдинов Р.Ш. О трансформаторно-тиристорном регуляторе напряжения и мощности // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2013. № 4. С. 24 - 26.
18. Патент 2710660 РФ. Универсальный тиристорный регулятор величины воль-тодобавочного напряжения / А.А. Асабин, Е.Н. Соснина, А.А. Кралин, Е.В. Крюков. Опубл. 30.12.2019. Бюл. № 1.
19. Кралин А. А., Крюков Е.В., Асабин А.А. Принципы работы тиристорного регулятора величины и фазы вольтодобавочного напряжения для распределительных сетей // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2019. № 2 (125). С. 112 - 118.
20. Kralin A.A., Bedretdinov R.Sh., Kryukov E.V., Pronina O.A. Research of thyristor voltage regulator effect on power flows control in distribution electric networks // International Conference of Energy System 2019 (ICES-2019), «IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (MSE)», Russia, Belgorod. Vol. 791. 2020. P. 1 - 9.
Вагин Геннадий Яковлевич, д-р. техн. наук, профессор, sevosaa@gmail. com, Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
Куликов Александр Леонидович, д-р. техн. наук, профессор, inventor61@,mail. ru, Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
Севостьянов Александр Александрович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, sevosaaagmail. com, Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
Соснина Елена Николаевна, д-р техн. наук, профессор, sosninaannl.ii. ru, Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
Бедретдинов Рустам Шамилевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
METHODS AND MEANS OF POWER QUALITY IMPROVEMENT IN MEDIUM AND LOW VOLTAGE DISTRIBUTION ELECTRIC NETWORKS
G.Ya. Vagin, A.L. Kulikov, A.A. Sevostyanov, E.N. Sosnina, RSh. Bedretdinov
A number of studies show that the power quality in low (0,4 kV) and medium (6. ..10 kV) voltage distribution electric networks exceed the acceptable standards. This leads to both technical and significant economic damage. The article is devoted to solving the problem of distribution electric networks power quality improving. We offer recommendations on methods and means to power quality improve in consumer power supply systems based on our own research and analysis of domestic andforeign works on the intellectualization of electric networks.
Key words: power quality, Smart Grid, power supply system, self-supporting insulated wire, recloser, automation, thyristor voltage regulators.
Vagin Gennady Yakovlevich, doctor of technical sciences, professor, sevo-saaagmail.com, Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. RE. Alekseev,
Kulikov Alexander Leonidovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. RE. Alekseev,
Sevostyanov Aleksander Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, sevosaaagmail. com, Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev,
Sosnina Elena Nikolaevna, doctor of technical sciences, professor, sosninaa nntu. ru, Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev,
Bedretdinov Rustam Shamilevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
