Надежность систем энергетики - Надежность распределительных электрических сетей

РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ
НАДЕЖНОСТЬ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
5.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Вопросы оценки надежности распределительных электрических сетей в настоящее время достаточно подробно исследованы в ряде работ [2, 57, 62]. Однако конкретные особенности специализированных систем электроснабжения (СЭС) - промышленных, городских, сельскохозяйственных - требуют создания специальных подходов к оценке их надежности, что обусловлено необходимостью учета технологических особенностей функционирования присоединенных потребителей. С учетом сказанного ниже рассмотрены конкретизированные применительно к специализированным системам электроснабжения подходы к анализу и оптимизации надежности, которые в то же время не исключают использования основных результатов исследований надежности распределительных электрических сетей.
Особенности электрических сетей специализированных систем электроснабжения. К специализированным относятся электрические сети СЭС промышленных предприятий (СЭС-П), городов (СЭС-Г), сельскохозяйственного назначения (СЭС-СХ). Электрические сети указанного назначения обладают рядом признаков, обусловливающих определенную общность методов и средств расчета их надежности, которые заключаются в следующем.

1. СЭС указанного назначения являются составной частью распределительных электрических сетей ЭЭС. ’’Сверху” специализированные СЭС ограничены шинами 35, 110 кВ (в ряде случаев 220, 330 кВ) узловых (районных) подстанций или электростанций, а ’’снизу” - вводными устройствами потребителей. Обычно указанные СЭС не содержат собственных источников энергии.
2. Рассматриваемые СЭС характеризуются большей, чем системообразующие электрические сети, территориальной плотностью узлов нагрузки и соответственно потребителей при меньшем территориальном охвате. Этим обусловлена не менее чем на порядок большая сложность схем замещения, используемых для расчета надежности электроснабжения.
3. Отличительной особенностью электрических сетей СЭС является наличие в пределах каждой из систем указанного типа трех-четырех уровней территориальной иерархии, каждому из которых соответствуют сети, различающиеся объемом и типами схем электрических соединений, классом напряжения, объемом автоматизации, конструктивным исполнением сетевых объектов - подстанций, линий электропередачи (ЛЭП) и т.п.
4. В расчетах надежности СЭС указанного типа по сравнению с основными и распределительными сетями ЭЭС в целом необходим более подробный учет характеристик конкретных потребителей при формулировании и разработке решений по управлению и развитию. Необходим учет ограничений как ’’сверху” - со стороны ЭЭС, так и ’’снизу” - со стороны потребителей. В свою очередь СЭС также предъявляют требования к надежности как верхних, так и нижних по отношению к ним уровней. Расчет надежности указанных СЭС производится относительно их узлов нагрузки (УН) или конкретных потребителей. При этом определяются показатели, характеризующие частоту и длительность отключения или недопустимое отклонение режимных параметров, которые могут послужить причиной последующего полного погашения потребителей или снижения их производительности. В зависимости от типа СЭС и характера потребителей рассчитываются также недоотпуск электроэнергии и ущерб, который может быть обусловлен перерывами электроснабжения. Вычисляемые частоты перерыва электроснабжения (частоты отказов сети) целесообразно дифференцировать по длительности перерыва, что позволит более точно оценивать последствия от перерывов электроснабжения. В частности, в СЭС-П следует учитывать нарушения работы электроприемников при кратковременных (на время АПВ или АВР) перерывах электроснабжения или снижениях напряжения (в пределе до нуля), поскольку такие отказы могут приводить к опрокидыванию асинхронных двигателей и т. п. [63].

Общность признаков специализированных СЭС по отношению к распределительным электрическим сетям ЭЭС в целом не исключает их относительной индивидуальности, суть которой состоит в следующем:

1. СЭС-П характеризуются применением кольцевых, но в основном разомкнутых схем электрических соединений, линий электропередачи преимущественно в кабельном исполнении, широким использованием токопроводов, разнообразным категорированием потребителей, сравнительно высоким уровнем автоматизации, а также большей по сравнению с СЭС-Г и СЭС-СХ территориальной плотностью потребителей и электрических сетей;
2. СЭС-Г свойственно применение как замкнутых, так и разомкнутых схем электрических соединений, применение как воздушных так и кабельных ЛЭП и относительно высокий уровень сетевого резервирования и автоматизации. Особенностью СЭС-Г является разнообразие потребителей, в состав которых входят и промышленные, имеющие свои внутренние системы электроснабжения. Оперативное обслуживание СЭС-Г, а также СЭС-СХ осуществляется оперативно-выездными бригадами (ОВБ);
3. СЭС-СХ отличаются преимущественным применением ЛЭП в воздушном исполнении, широким применением открытых подстанций, применением разомкнутых электрических сетей, а также более низким по сравнению с СЭС-Г и СЭС-П уровнем резервирования и автоматизации.

Территориальная иерархия электрических сетей СЭС.

Системы электроснабжения рассматриваемого назначения включают три-четыре структурно-иерархических уровня. Структуризация электрических сетей принята согласно [64 - 68] и отражает наиболее характерное их построение.
Первый уровень для СЭС-П включает в себя одну или несколько районных питающих подстанций или подстанций глубокого ввода [64], присоединенных к ЭЭС на напряжении 110 кВ и выше, а также в ряде случаев на напряжении 6, 10, 35 кВ. Схемы указанных сетей предусматривают взаимное резервирование от независимых источников и выполняются кабельными и воздушными ЛЭП, а также токопроводами.
Питающая сеть СЭС-Г указанного уровня включает в себя сети 35, 110 кВ, а в крупных городах также 220 и 330 кВ, схема которых зависит от размеров города. Для небольших городов и поселков городского типа характерно наличие одной понижающей подстанции (ПС), имеющей, как правило, двустороннее питание и два трансформатора. Схема питающей сети 35, 110 кВ города средних размеров состоит из нескольких ПС 35, 110 кВ, присоединенных к одной или нескольким линиям с двусторонним питанием, образующим совместно внешнее кольцо электроснабжения. Такие подстанции представляют независимые источники питания (ИП) для потребителей, так как отказ любого из участков линии 35, 110 кВ приводит к обесточиванию лишь одной подстанции. В крупных городах в состав питающей сети входят образующие кольцо линии и подстанции 220, 330 кВ, от которых питаются ПС 35, 110 кВ. Для больших городов характерно сооружение глубоких вводов, когда понижающая подстанция сооружается по упрощенной схеме вблизи центра нагрузки, а также применение кабельных линий 35, 110, 220 кВ.
СЭС-СХ ограничены ’’сверху” шинами 35, 110 кВ узловых районных подстанций и их питающая сеть включает в себя ряд линий этого класса напряжения с подстанциями 35/10 кВ или 110/10 кВ, которые, в свою очередь, являются центрами питания для распределительной сети 10 кВ. Питающая сеть указанного уровня в СЭС-СХ, как правило, разомкнута.
Второй уровень, характерный для СЭС-Г и отчасти для СЭС-П, включает в себя питающие сети напряжением 6, 10 кВ, представляющие собой ЛЭП, отходящие от центров питания (ЦП) и подающие электроэнергию к распределительным пунктам (РП) без присоединения к ним других потребителей. Питание РП в зависимости от мощности нагрузки осуществляется по двум-четырем линиям 6, 10 кВ. Распределительное устройство состоит из двух секций с секционным выключателем, снабженным устройством АВР, либо с секционным разъединителем. Средняя протяженность питающих линий составляет 2-4 км, а нагрузка РП колеблется от 3 до 12 МВт. Питающая сеть указанного уровня может в отдельных случаях эксплуатироваться по замкнутой схеме.
Третий уровень в СЭС-П включает в себя распределительные сети напряжением 6,10 кВ, которые могут быть как кольцевыми, так и радиальными. В СЭС-Г к указанному уровню относятся распределительные сети 6,10 кВ, выполняемые в основном кольцевыми с трансформаторными подстанциями (ТП) транзитного типа. Наиболее распространена в СЭС-Г петлевая схема, в которой к линии присоединяются от 3 до 16 ТП напряжением 6(10)/0,4 кВ и протяженность участков линий между ТП составляет в среднем 0,4-0,6 км. В нормальном режиме петля разомкнута. Петлевая схема обеспечивает требования к надежности питания потребителей II категории. В крупных городах для питания районов многоэтажной застройки применяется двухлучевая схема 6, 10 кВ, обеспечивающая требуемую надежность электроснабжения ответственных потребителей. Двухлучевая схема применяется с АВР на стороне 6, 10 кВ или 0,4 кВ. При отказе любого из участков линии 6, 10 кВ или трансформатора 6(10)/0,4 кВ электроэнергия на сборку низкого напряжения подается через секционный автоматический выключатель. Применяются также многолучевые схемы и петлевые схемы с автоматическим включением резерва.
Распределительная сеть СЭС-СХ представлена весьма протяженными, в основном воздушными ЛЭП 10 кВ с многочисленными радиальными ответвлениями. Надежность электроснабжения обеспечивается широким использованием секционирующих устройств и в ряде случаев применением резервных перемычек.
Четвертый уровень включает в себя сеть напряжением 0,38 кВ, которая выполняется в различных модификациях: радиальная с присоединением потребителей на нерезервируемых ответвлениях; резервируемая и нерезервируемая; петлевая и магистральная. Используются разные сочетания схем сетей 0,38 кВ и 6, 10 кВ. Замкнутые сети 0,38 кВ не применяются вообще или применяются ограниченно в городах из-за трудностей в обеспечении селективности работы предохранителей и несовершенства автоматических выключателей обратной мощности.
Временная иерархия решений по эксплуатационному управлению и развитию электрических сетей СЭС.

Уровни временной иерархии, характерные для СЭС рассматриваемого типа, и соответствующие им задачи управления и развития указаны в табл. 5.1 и заимствованы из табл. 3. 2 [1]. Расчет надежности обеспечивается при решении всех указанных задач. В зависимости от уровня временной иерархии могут различаться как применяемые модели и объем расчета, так и конкретный характер информации, используемой в расчете. Так, в расчетах, выполняемых при решении задач второго уровня (задачи 2.1- 2.4) учитываются типовые схемы, типовые графики нагрузки, среднегодовые оценки показателей надежности оборудования, которые целесообразно дифференцировать в зависимости от продолжительности работы в различных эксплуатационных условиях (если решаются задачи развития существующих СЭС), динамику изменения нагрузки потребителей и т.п.
В задачах, относящихся к четвертому уровню, должна учитываться оперативная информация о текущем изменении состояния СЭС и ее элементов, наличие которой обеспечивается учетом результатов диагностирования, данных проверок, осмотров и ремонтов эксплуатируемого оборудования. В наибольшей степени сказанное относится к случаю, когда принятие решения определяется оперативной информацией о состоянии объекта управления и необходим учет суточного изменения нагрузки. Условия по надежности в этом последнем случае могут учитываться качественно, а не на основании расчета.
Существующие методы расчета надежности распределительных электрических сетей.

 Известные методы расчета надежности, применимые к распределительным сетям, можно классифицировать по используемому математическому аппарату, как отмечено в [2], на методы аналитические (А) и методы статистического моделирования (СМ). Кроме того, все методы можно разделить по подходу к воспроизведению свойств объекта исследования при оценке его надежности на методы, учитывающие его отдельные случайные состояния (СС) и позволяющие определить частоты отказов и времена восстановления, и методы, учитывающие случайные процессы (СП) функционирования объекта и позволяющие определять функции распределения продолжительности любых его состояний. Такая классификация позволяет разделить расчетные методы на четыре группы - А, СС; А, СП; СМ, СС; СМ, СП. Наибольшее распространение получили аналитические методы, относящиеся к группе А, СС. Краткая сравнительная характеристика существующих методов приведена в табл. 6.1 [2] и в табл. 8.1 [1]. В наибольшей степени указанные методы применимы в их существующем виде для расчетов надежности питающих сетей СЭС.

Для расчетов же распределительных электросетей должны применяться модификации указанных методов, позволяющие выполнять расчет для объекта большей размерности. Некоторые из таких методов описаны ниже. В то же время существующие методы, которые в основном пригодны для выполнения практических расчетов надежности в задачах управления и развития СЭС, нуждаются в совершенствовании, основные направления которого предполагают следующее.

1. Пропускная способность сети существенно влияет на надежность электроснабжения потребителей, так как перерывы или ограничения электроснабжения возможны при перегрузке отдельных элементов ЛЭП, трансформаторов как из-за увеличения тока, так и из-за снижения напряжения ниже допустимого уровня. Это может вызвать либо внезапное отключение, либо ограничение нагрузки потребителей по указанию диспетчера. Поэтому в расчете надежности целесообразно учитывать и электрический режим, определение параметров которого в данном случае не требует высокой точности, что позволяет применить упрощенные методы с малым временем счета на ЭВМ.
2. В резервированных сетях перерывы электроснабжения возможны как при совпадении вынужденных отключений взаиморезервирующих цепей, так и при наложении отказа одной из них на плановый ремонт другой. Частота таких совпадений носит явно выраженный сезонный характер и поэтому в расчетах надежности следует учитывать сезонную неравномерность факторов, определяющих надежность элементов СЭС. Также следует считаться с тем обстоятельством, что в сетях с малым временем восстановления питания (СЭС-Г и СЭС-П) величина недостпуска электроэнергии зависит от того, в какое время суток произошло отключение.

Наличие территориальной иерархической структуры рассматриваемых СЭС предопределяет целесообразность применения для расчета надежности их электрических сетей методов и моделей в различных модификациях, рассчитанных на определение надежности сложнозамкнутых, кольцевых, разомкнутых сетей, а также радиальных сетей. Целесообразность применения в пределах одной СЭС разных моделей оправдана также различиями в объеме сетей, относящихся к разным иерархическим уровням. Учет временной иерархии предопределяет дифференциацию характеристик используемой информации и уровень детализации учета индивидуальных особенностей элементов объекта управления в зависимости от конкретного содержания решаемых задач управления и развития СЭС.
Общность применяемых методов и моделей в наибольшей степени проявляется в расчетах питающих сетей при оценке как их структурной надежности, так и надежности с учетом электрического режима, так как определяющим фактором в последнем случае являются уровни напряжения в узлах сети и пропускная способность сетевых элементов. На уровне распределительной сети индивидуализация применяемых методов проявляется в дифференциации определяемых показателей, учитываемых факторов, характеризующих динамику поведения объекта управления, а также в дифференциации информационного обеспечения расчетов.
Состав оцениваемых показателей, учитываемые допущения, характеристика используемых моделей применительно к каждой из рассматриваемых СЭС подробно описаны в последующих разделах.