Исследование влияния надежности системы электроснабжения на качество электроэнергии на шинах сельских потребителей

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Исследование влияния надежности системы электроснабжения на качество электроэнергии на шинах сельских потребителей

Чернов Дмитрий Валерьевич

Иркутск - 2009 г.

Работа выполнена в Иркутской государственной сельскохозяйственной академии (ИрГСХА)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Ковалев Геннадий Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Колосок Ирина Николаевна

кандидат технических наук, профессор Мурашко Николай Андреевич

Ведущая организация - ООО «ИЭСК» Восточные электрические сети.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова, 130, ученому секретарю совета.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 003.017.01, доктор технических наук, профессор А.М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное общество трудно представить без использования электрической энергии. Она применяется во всех отраслях народного хозяйства: в промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте, в строительстве, коммунальном хозяйстве и быту. Для нормального электроснабжения потребителей созданы большие электроэнергетические системы (ЭЭС). При функционировании этой сложной электроэнергетической системы предъявляются повышенные требования к надежности электроснабжения и качеству электрической энергии.

Одновременно с этим продолжающийся процесс увеличения электрических нагрузок, рост единичных мощностей агрегатов промышленных предприятий, расширение и углубление электрификации технологических процессов, автоматизации и информатизации в свою очередь предъявляют еще более высокие требования к надежности электроснабжения и качеству электрической энергии. С другой стороны, большой объём дорогостоящего энергетического строительства, длительные сроки строительства выдвигают требования экономии капитальных вложений и отыскания простых и современных решений по развитию и эксплуатации систем электроснабжения потребителей.

Возникает необходимость согласования этих в ряде случаев противоречивых интересов. Оптимальные решения могут быть найдены только при совместном рассмотрении вопросов надежности и качества при проектировании, строительстве и эксплуатации. Одним из основных вопросов, возникающих при этом, является определение оптимального соотношения уровня надёжности электроснабжения и качества электроэнергии.

Вопрос об оптимальном соотношении надёжности электроснабжения энергетических объектов и качества электрической энергии является основным в комплексе предъявляемых к системам электроснабжения требованиям: безопасность, надежность, экономичность электроснабжения, качество электроэнергии и экологичность.

В отдельных энергетических системах число аварий достигает нескольких десятков в год, а годовой недоотпуск электрической энергии в результате аварий - нескольких миллионов кВт·часов, при этом часто нормальное электроснабжение некоторых потребителей оказывается невозможным из-за снижения качества электроэнергии на их шинах. При такой высокой аварийности энергетических систем оценка надёжности отдельных видов оборудования и установок и поиск возможных путей повышения надёжности и качества как в процессе эксплуатации, так и при проектировании новых установок, становятся первоочередными задачами.

Электроснабжение производственных предприятий и населённых пунктов в сельской местности имеет свои особенности по сравнению с электроснабжением промышленности и городов. Главная из них - это необходимость подводить электроэнергию к огромному числу сравнительно маломощных объектов, рассредоточенных на обширной территории. В результате, протяженность сетей во много раз превышает эту величину в других отраслях народного хозяйства. За годы реформ производство сельскохозяйственной продукции сократилось на 45%. Износ сельскохозяйственной техники достиг критического уровня - 65...70%. В настоящее время энерго- и электровооруженность труда на селе в 2,5 раза ниже, чем в других отраслях экономики страны, а удельная энергоемкость продукции в два и более раз превышает аналогичный показатель европейских стран. В последнее десятилетие ХХ века в процессе перестройки и приватизации изменилась вся система управления электроэнергетикой страны. Появилось множество новых форм собственности, что привело к изменениям приоритетов хозяйственной деятельности энергоснабжающих организаций, мотивов их поведения на региональных энергетических рынках, условий инвестирования в энергетику и к другим серьезным последствиям. В свете экономического кризиса 90-х годов практически прекратилось финансирование электроэнергетики сельского хозяйства, в результате чего перестало обновляться оборудование, прекратилось строительство новых линий электропередач взамен аварийных и вышедших из строя, сократились темпы сетевого строительства, уменьшилось финансирование средств на реконструкцию и техническое перевооружение сетей, что сопровождается ростом износа основных фондов предприятий электрических сетей, необходимостью эксплуатировать воздушные линии (ВЛ) и трансформаторные подстанции (ТП), которые отработали нормативные сроки службы, что привело к повышению аварийности и снижению надежности электроснабжения и качества электроэнергии.

Сказанное выше наглядно показывает, какое большое значение имеет изучение проблемы электроснабжения сельского хозяйства. От её рационального решения в значительной степени зависит экономическая эффективность применения электроэнергии в сельском хозяйстве и быту сельского населения.

Целью работы является критический обзор практики электроснабжения сельхозпотребителей в современных условиях, выявление реальной взаимосвязи между надежностью электроснабжения и качеством электроэнергии. Формулирование методологии комплексного обеспечения надежности и качества электроснабжения в распределительных сетях. Предложение методики оценки эффективности мероприятий, повышающих надежность и качество электроснабжения, и на этой основе формулирование и обоснование первоочередных мероприятий по обеспечению эффективного функционирования распределительных сетей сельскохозяйственного назначения в новых условиях.

Задачи исследования:

1. Провести анализ состояния сельских электрических сетей (на примере Жигаловского района Иркутской области).

2. Выявить взаимосвязь между надежностью электроснабжения и качеством электроэнергии.

3. Разработать методику совместного комплексного анализа и синтеза надежности электроснабжения и показателей качества электроэнергии. Предложить ее алгоритмическую реализацию для выполнения практических расчетов.

4. Выполнить анализ существующих мероприятий и средств, предназначенных для повышения надежности электроснабжения и качества электрической энергии.

5. На основе разработанной методики и анализа мероприятий сформулировать основные способы и средства обеспечения эффективного функционирования сельских электрических сетей, учитывая проблемы периода перехода энергетической отрасли к рынку.

Объект исследования: сельские распределительные сети, надежность электроснабжения и качество электроэнергии на шинах потребителей.

Предмет исследования: влияние надежности электроснабжения на показатели качества электроэнергии у потребителей.

Научная новизна:

1. Разработка комплексного подхода к оценке надежности электроснабжения и качества электроэнергии, отличительной чертой которого является учет взаимозависимости надежности и качества.

2. Разработка метода и проведение на его основе комплексного анализа мероприятий по повышению уровня надежности электроснабжения и поддержанию качества электроэнергии на заданном уровне.

3. Технико-экономическое обоснование рекомендаций по повышению надежности и качества электроснабжения и поддержания их на заданном уровне.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчёта показателей надежности электроснабжения с учетом показателей качества электроэнергии и количественной зависимости этих показателей друг от друга.

2. Результаты анализа надежности и качества работы сельских электрических сетей.

3. Экспериментальные исследования степени влияния надежности электроснабжения на показатели качества электроэнергии.

4. Предлагаемые способы и технические средства повышения уровня надежности электроснабжения и поддержания показателей качества электрической энергии в требуемых пределах.

Практическая значимость работы заключается в использовании разработанной комплексной методики совместного анализа и синтеза надежности электроснабжения и показателей качества электроэнергии при планировании дальнейшего развития инфраструктуры электроснабжения Восточных электросетей Иркутской области.

Публикации и апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях Иркутской ГСХА в 2003-2005 гг.; конференции молодых ученых Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН; 3-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в г. Москва в 2003 г; на Всероссийском семинаре с международным участием «Методические проблемы исследования надежности больших систем энергетики», г. Вологда, 2007г. Результаты исследований опубликованы в 8 работах, в том числе две статьи в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Основной текст занимает 130 стр., список литературы содержит 69 наименования. Работа включает 26 рисунков и 18 таблиц. Весь текст занимает 150 стр.

Автор выражает благодарность за помощь и консультирование в выполнении данной работы д.т.н. проф. ИрГСХА Наумову И.В. и сотрудникам ИСЭМ СО РАН О.Н. Войтову и Л.В. Семеновой за консультации при освоении программы расчета электрических режимов СДО-6.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы, определены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу показателей качества электрической энергии (ПКЭ), требованиям, предъявляемым к ним. В ней так-же рассматриваются основные показатели надежности (ПН) электроснабжения и их влияние на работу электрооборудования, взаимосвязь ПКЭ и ПН электроснабжения. Дается анализ состояния сельской энергетики на современном этапе.

Начиная с 50-х годов, электрификация сельского хозяйства России осуществлялась высокими темпами. Развитие государственных энергосистем и присоединение к ним сельских электрических сетей позволили охватить централизованным электроснабжением около 99% хозяйств и завершить важный этап электрификации -- обеспечение электроэнергией потребителей в сельской местности. В зоне децентрализованного электроснабжения остались лишь отдельные хозяйства, расположенные преимущественно в северных районах страны и удаленные на значительные расстояния от сетей энергосистем. Построенные в этот период сельские электрические сети в большинстве своем в настоящее время отработали свой ресурс и требуют замены или реконструкции.

Ситуация еще более усугубилась в связи с резким сокращением объемов строительства и реконструкции сельских распределительных электрических сетей в последние годы, начиная с 1990, связанным с фактическим отсутствием финансирования из централизованных государственных источников и недостатком средств местных бюджетов и энергетических предприятий.

К началу 2000 г. примерно 30% ВЛ (630 тыс. км) и ТП (140 тыс. шт.), которые обеспечивали электроснабжение 153000 сельских населенных пунктов, предприятий агропромышленного комплекса и объектов социальной сферы, а также промышленных предприятий, малых городов и поселков городского типа, расположенных на сельской территории, отработали нормативный срок. К 2010 году эта величина составит 40%. Ежегодно доля повреждений трансформаторов напряжением 6... 10/0,4 кВ составляет ~ 2,5% (1300 штук), а трансформаторов напряжением 35... 110 кВ ~ 1,2% от числа установленных.

Низок уровень автоматизации распределительных сетей. В сетях 10 кВ отсутствует линейное коммутационное электрооборудование, что затрудняет процесс их автоматизации. В сетях 0,4...10 кВ теряется до 12% электроэнергии, при этом значительно возросли коммерческие потери.

Электрическая энергия используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует в создании других видов продукции, влияя на их качество. Каждый электроприемник (ЭП) работает при определенных параметрах электрической энергии: номинальной частоте, напряжении и т. п., поэтому для его нормальной работы должно быть обеспечено требуемое качество электрической энергии (КЭ). Таким образом, качество электроэнергии определяется совокупностью характеристик электрической энергии, при которых ЭП могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции.

Отпускаемая потребителю электроэнергия подлежит обязательной сертификации на основании Постановления Правительства Российской Федерации №1013 от 13.08.97 г. Для этого созданы и аккредитованы при Госстандарте РФ соответствующие органы по сертификации и испытательные лаборатории по определению качества электрической энергии.

В России требования к качеству электрической энергии стандартизованы. ГОСТ 23875-88 даёт определения показателей качества электроэнергии, а ГОСТ 13109-97 устанавливает значения этих показателей. Этим стандартом установлены значения показателей в точках подключения потребителей электроэнергии. Для пользователя это означает, что он может требовать от энергоснабжающей организации, чтобы установленные нормы соблюдались не где-то в энергосистеме, а непосредственно на потребительских шинах.

Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения определяют одиннадцать показателей качества электрической энергии. Каждый из этих показателей характеризует какое-либо свойство электрической энергии: отклонение напряжения, колебания напряжения и др.

Одним из самых проблематичных показателей качества электроэнергии в сельском хозяйстве являются отклонение и провалы напряжения, так как их показатели зачастую выходят за пределы ГОСТ 13109-97. Поддерживать отклонение напряжения в пределах нормы согласно ГОСТ обязаны энергоснабжающие организации. Для распределительных сетей, рассматриваемых в данной работе, именно они являются наиболее проблематичными и актуальными. Остальные показатели качества электроэнергии практически не выходят за пределы ГОСТ 13109-97, а если и выходят, то требуют конкретных дополнительных исследований и в данной работе при расчетах не рассматриваются.

В этой же главе приводятся характеристики основных показателей надежности схем электроснабжения, взятых за основу для дальнейших расчетов. Теория надежности изучает общие закономерности, которые следует учитывать при проектировании, сооружении и эксплуатации электротехнических объектов для максимальной эффективности их использования. Надежность электрооборудования зависит от случайных отказов, обусловленных рядом причин, влияние которых на надежность объекта и их взаимосвязь весьма сложны. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать по отдельности такие единичные свойства, как безотказность, долговечность, восстанавливаемость и управляемость. В данной работе в качестве элементов систем электроснабжения сельскохозяйственного назначения рассматриваются: воздушные линии электропередачи, ячейки распределительных устройств, трансформаторы, комплектные трансформаторные подстанции, коммутационная аппаратура, релейная зашита, автоматика. Показателей надежности существует достаточно большое количество, так как для разных задач надежности требуются различные показатели. Для целей нашей работы подходят следующие показатели надежности: частота отказов; показатели, характеризующие наработку; среднее временя восстановления после отказа; среднее время и частота преднамеренных отключений, коэффициенты готовности, средний недоотпуск электроэнергии и основной ущерб от ненадежности электроснабжения. Также в первой главе рассматриваются методы расчета показателей надежности электроснабжения и методологические аспекты расчета надежности схем электроснабжения, производится оценка качества электрической энергии при различных уровнях надежности схем электроснабжения.

Показатели надежности элементов определяются путем обработки многолетних данных эксплуатации электросетевого оборудования. Эти данные выбираются из оперативных диспетчерских журналов либо из другой документации, фиксирующей нарушения в работе оборудования.

Надежность электроснабжения оказывает непосредственное влияние на качество электроэнергии, так же, как, в свою очередь, показатели качества электроэнергии оказывают влияние на надежность электрооборудования не только потребителей, но и систем электроснабжения. Общеизвестен основной принцип рассматриваемой взаимосвязи (взаимозависимости): при низкой надежности системы электроснабжения обеспечение требуемого качества электрической энергии на шинах потребителей проблематично. В этом плане надежность является первичным фактором, а качество - вторичным. В то же время низкое качество электроэнергии на шинах электроприемников есть причина снижения надежности электроснабжения. В этом плане качество первично, а надежность вторично. Системы электроснабжения сельских районов всегда отличались более низким уровнем надежности снабжения электропотребителей электроэнергией и более низким качеством электроэнергии.

Во второй главе предлагается содержательная постановка задачи, формализация предлагаемой методики и комплекс расчетных средств, реализующих предлагаемую методику.

Для решения задач управления ЭЭС на различных иерархических уровнях, в том числе и с учетом надежности и качества электроснабжения не представляется возможным воспользоваться какой-то единой математической моделью. При решении каждой конкретной задачи в зависимости от временной заблаговременности, территориальных размеров зоны управления требуются разные подходы к учету влияющих факторов, степени их полноты и точности представления.

В качестве показателей эффективности в данной работе предлагается использование расчетных значений среднегодовых недоотпусков электроэнергии потребителям как по отдельным энергоузлам (энергорайонам), так и по магистрали в целом. Недоотпуск по магистрали в целом есть сумма среднегодовых (математических ожиданий) недоотпусков по энергоузлам, запитанным от данной магистрали.

Представляется также целесообразным среднегодовой недоотпуск по каждому энергорайону считать совокупностью двух видов недоотпуска:

- недоотпуск из-за погашения потребителей;

- недоотпуск из-за низкого качества напряжения на шинах потребителей, равный недоотпуску при снижении нагрузки в отдельных нагрузочных узлах с целью обеспечения нормативных уровней напряжения во всех узлах.

Решаемая в данной работе задача комплексной оценки надежности электроснабжения и качества электроэнергии в сельских распределительных сетях весьма специфична и, фактически, ставится впервые.

Решаемую задачу можно разделить на три этапа:

1. Оценка вероятностей (относительных длительностей) возможных состояний (нормальных, ремонтных, и аварийных) каждой из питающих магистралей.

2. Расчет и оптимизация каждого из состояний, определенных на первом этапе.

3. По результатам вычислений на этапах 1 и 2 - расчет показателей надежного и качественного электроснабжения потребителей.

Для выполнения расчетов требуются следующие исходные данные:

1) расчетная схема питающей магистрали с отпайками и параметрами трансформаторных подстанций;

2) нагрузки в узлах потребления;

3) показатели надежности (вероятность аварийного простоя и относительная длительность простоя в плановых ремонтах) каждого элемента расчетной схемы: ЛЭП, трансформаторов, реакторов, УПК, коммутационных аппаратов и т.д.;

4) электрические параметры (сопротивления и проводимости, номинальные мощности) всех элементов расчетной схемы;

5) регулировочные возможности по изменению коэффициента трансформации трансформаторов;

6) диапазоны изменения напряжения на шинах центра питания.

В результате применения предлагаемой методики определяются следующие показатели:

1. суммарный недоотпуск электроэнергии за год из-за погашения потребителей;

2. суммарный недоотпуск электроэнергии за год из-за снижения качества электроэнергии у потребителей;

3. сумма недоотпусков электроэнергии, вычисленных в п.п. 1 и 2.

Для оценки вероятностей возможных состояний питающей магистрали предлагается использовать общую теорему о повторении опытов теории вероятностей, обобщающей теоремы сложения и умножения вероятностей в виде

где - число основных элементов, образующих распределительную магистраль;

- вероятность работоспособного состояния -го элемента магистрали;

- вероятность (относительная длительность) нахождения -го элемента в плановом ремонте (такое представление становится актуальным в связи с переходом от нормирования ремонтов к ремонтам «по состоянию»);

- вероятность аварийного состояния (отказа) -го элемента.

При этом есть полная группа событий, в которых может находиться -й элемент.

Как уже отмечалось, из всех возможных рассматриваются только состояния:

1) нормального режима , вероятность которого равна

2) режимов, характеризующихся плановым ремонтом одного из элементов магистрали :

;

3) режимов, характеризующихся аварийным простоем одного из элементов магистрали :

;

4) режимов, характеризующихся наложением на плановый ремонт -го элемента аварийного простоя -го элемента :

.

В данной постановке наиболее ответственным этапом является уточненный расчет электрических режимов. Для этих целей используется программа СДО-6, разработанная в ИСЭМ СО РАН.

В предлагаемой математической модели целесообразно представлять снижение напряжения и выхода этого параметра за пределы ГОСТ в форме ограничения (отключения) потребителей, так как ввод этого параметра в допустимую область можно осуществить снижением нагрузки в соответствующих узлах на некоторую величину, минимально необходимую (при условии, что все остальные способы ввода режимных параметров в допустимую область исчерпаны, а именно: включено в работу все резервное оборудование, использована избыточность сети и трансформаторов, использованы допустимые перегрузки оборудования, использованы автоматические и регулирующие устройства, типа РПН и т.п.).

Такое допущение позволяет получить обобщенный показатель (снижение покрытия нагрузки), учитывающий и бесперебойность электроснабжения и качество электроэнергии в зависимости от надежности системы.

В предлагаемой модели также разделяется влияние ненадежности системы на снижение покрытия мощности из-за отказов оборудования (аварийные отключения) без учета снижения качества электроэнергии и с учетом снижения качества, вызванного отказами элементов системы, которое представлено приведенными ниже коэффициентами.

· Коэффициент готовности без учета низкого качества электроэнергии

где - наработка между отказами;

- среднее время восстановления.

· Коэффициент готовности с учетом низкого качества электро-энергии (показатель, предлагаемый в данной работе для целей комплексного рассмотрения как надежности, так и качества электроснабжения)

где - календарное число часов в году;

- количество часов, нахождения объекта в отключенном состоянии из-за аварий;

- время работы потребителя при качестве электроэнергии, не соответствующем ГОСТ 13109-97.

Немаловажным вопросом в данной модели является приоритетность отключения нагрузки. Здесь эта задача решается, исходя из категорийности и удаленности потребителей от центра электроснабжения. Сначала производится отключение наиболее удаленных потребителей от центра электроснабжения с наибольшим отклонением напряжения и с наименьшей значимостью категории электроснабжения, а так как узлы в сети взаимозависимы по напряжению, то, уменьшая нагрузку в одном узле (особенно, если он электрически наиболее удален от источника питания), тем самым поднимаем напряжение не только в этом узле, но и в других. Если эта мера не приводит к желаемому результату, то производим отключение следующих наиболее удаленных потребителей от центра питания потребителей (3-й или 2-й категории) и т.д.

При расчетах надежности электроснабжения неизбежны упрощения, с целью снижения сложности расчетов. Упрощения могут быть различными в зависимости от методики и объема расчетов. К примеру: питающие центры работают безотказно; повреждение в линии с равной вероятностью может быть в любой точке линии; не учитываются неустойчивые повреждения; не всегда учитывается такой фактор повреждения системы электроснабжения, как хищение провода или вандализм.

В заключении следует заметить, что выбранная форма реализации предложенной методики на современном этапе больше соответствует условиям управления сельскими сетями и уровнем оснащенности вычислительной техникой и соответствующими специалистами.

В третьей главе рассматриваются результаты комплексного исследования надежности электроснабжения и качества электроэнергии в сельских распределительных сетях Жигаловского района, являющегося типовым примером современного состояния региональных сельских электрических сетей. электроснабжение сельский электрический сеть

Приводятся расчетные показатели уровня надежности и качества электрической энергии в электросетевых районах Иркутской области. Производится также оценка ущербов при ухудшении показателей надежности электроснабжения и качества электроэнергии.

Основным проблемным звеном в цепи электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, как отмечалось, являются распределительные сети напряжением 0,4…35 кВ, которые по протяженности составляют более 80% сетей всех напряжений.

Для того чтобы оценить реальное состояние распределительных сетей, необходимо оценить надежность электрооборудования этих сетей.

Для оценки состояния надежности электрооборудования были взяты исходные данные по Жигаловскому РЭС Восточных электросетей Иркутской области. В качестве источника информации использовались журналы аварийных отключений, журналы преднамеренных отключений, суточные ведомости нагрузок, схемы электроснабжения, схемы подстанций, паспортная документация. Следует отметить, что сбор статистической информации по аварийным и преднамеренным отключениям, а также по другим параметрам практически не велся с 1990 года и начал вестись только в последнее время (с 2002 г.).

Всего было рассмотрено по Жигаловскому району 202 км линий 10 кВ, 47 км линий 20 кВ, 40 км линий 35 кВ. Средний срок эксплуатации линий, отходящих от подстанции Жигалово составляет 27 лет. Воздушные линии выполнены в основном на деревянных опорах, что от общего количества опор составляет 97%. И только 3% приходится на железобетонные опоры. Срок службы деревянных опор 10-15 лет, железобетонных - 45-50 лет.

Из общего количества распределительных сетей 10, 20 кВ по Жигаловскому району 80% линий находятся в ухудшенном состоянии. Из обработанного материала можно сделать выводы, что в целом по Восточным сетям наблюдается динамика роста аварийных отключений, при этом самыми проблемными видами аварийных отключений являются невыявленные отказы, а также отказы, вызванные падениями деревьев, мокрым снегом с дождем, отказы, вызванные повреждениями у потребителей, и повреждения комплектных трансформаторных подстанций (КТП).

Ниже на рис. 1 приведена динамика нарушений в работе оборудования ПС и ВЛ в Восточных сетях по полугодиям.

Как видно из рисунка, происходит устойчивое увеличение числа аварийных отключений как на ПС, так и на ВЛ, а также происходит рост невыявленных отключений.

Из них, а также из рис. 2 можно увидеть, что наблюдается неблагоприятная динамика по увеличению аварийного недоотпуска электроэнергии. Это связано с тенденцией увеличения количества аварийных отключений (см. рис. 1), в т.ч. и по причине физического старения и износа ВЛ.

Рис. 1. Динамика нарушений в работе оборудования ПС и ВЛ в Восточных сетях по полугодиям

Также наблюдается рост преднамеренных отключений, как это видно из рис. 3. Увеличение количества таких отключений связано с растущим физическим износом элементов сети и необходимостью поддержания работоспособного состояния распределительных электросетей. Но в то же время увеличение преднамеренных отключений снижает количество аварийных отключений в 2004 году, так как это способствует более качественному обслуживанию сетей (см. рис. 4, год 2004).



Рис 2. Аварийный недоотпуск электроэнергии по Жигаловскому району за 2002-2004 гг.

Рис. 3. Количество преднамеренных отключений по Жигаловскому району за 2002-2004 гг.

Рис. 4. Количество аварийных отключений по Жигаловскому району за 2002-2004 гг.

На рис. 5 представлено распределение в течении года аварийных и преднамеренных отключений по Жигаловскому району. На рис. 6 - распределение нагрузки в течение года по подстанции Жигалово в относительных единицах.

Рис. 5. Количество аварийных и преднамеренных отключений по Жигаловскому району за 2002-2004 гг.

Рис. 6. Нагрузки по подстанции Жигалово в 2003 г.

Как видно из рисунков 5 и 6, с ноября месяца, с началом зимнего сезона происходит увеличение нагрузок и, как следствие, увеличение аварийных отключений. Количество аварийных отключений продолжает стабильно увеличиваться до марта месяца, так как на эти месяцы приходится пик нагрузки, и оборудование электросетей зачастую работает с перегрузкой.

Количество преднамеренных отключений в эти месяцы относительно невелико, а в декабре и вовсе преднамеренных отключений не производится. Это связано с трудностями обслуживания оборудования из-за низких температур, а также с трудностями доставки обслуживающих бригад в ту или иную точку обслуживания и, главное, нецелесообразным проведением плановых отключений в период максимальных нагрузок. Именно в эти месяцы происходит большинство аварийных отключений, связанных с повреждениями КТП, РТП, невыявленными причинами, повреждениями у потребителя и в меньшей мере повреждениями, вызванными падением деревьев, а также на эти месяцы приходится основное количество часов, при котором потребитель работает на напряжении низкого качества и имеет место основной недоотпуск электроэнергии из-за низкого качества напряжения. В марте и апреле происходит “всплеск” преднамеренных отключений, так как за прошедшее время было накоплено много оборудования, подлежащего текущему и капитальному ремонту, а также техническому обслуживанию. В июле происходит всплеск аварийных отключений. Это связано с климатическими особенностями региона (ветра, дожди, грозы), именно на этот промежуток времени приходится большинство аварийных отключений, связанных с падением деревьев, дождем, невыявленными причинами. В этот период времени напряжение обычно соответствует параметрам ГОСТ 13109-97. К ноябрю происходит уменьшение преднамеренных отключений и аварийных отключений, так как за летний период электросетевое оборудование проходит техническое обслуживание и текущие ремонты, и подготавливается к зимнему сезону. Увеличение нагрузки, а соответственно и выход отклонения напряжения за пределы ГОСТа влияют на увеличение аварийных отключений, которые в основном, происходят по техническим причинам и слабо зависят от природных условий в этот период.

Ниже приведена табл. 1 сравнения полученных показателей надежности по Восточным электросетям Иркутской области с общероссийскими показателями надежности.

Как видно из сравнения данных, параметр потока отказов по таким линиям, как Жигалово-Грузновка, Жигалово-Петрово, Жигалово-Чикан, Тимошино-Лукиново во много раз превышает среднероссийский показатель параметра потока отказов. Среднее время восстановления отказа по линиям Жигалово-Грузновка, Жигалово-Петрово, Тимошино-Лукиново также несколько превышает среднероссийский показатель среднего времени восстановления.

Таблица 1

Сравнение полученных показателей надежности по Восточным электросетям Иркутской области с общероссийскими показателями надежности

Наименование ВЛ	Парамер потока отказов на 100 км щ, 1/год. 2002 г.	Параметр потока отказов на 100 км щ, 1/год. 2003 г.	Параметр потока отказов на 100 км щ, 1/год. 2004 г.	Параметр потока отказов на 100 км щ, 1/год. Среднерос-сийский в 80-х годах	Среднее время восстановле-ния после отказа Тв, ч. 2002 г.	Среднее время восстановле-ния после отказа Тв, ч. 2003 г.	Среднее время восстановле-ния после отказа Тв, ч. 2004 г.	Среднее время восстановле-ния после отказа Тв, ч. Среднероссийский в 80-х годах
Жигалово-Грузновка	24,4	63,2	26,2	7,6	12,4	7,2	7,0	6,0
Жигалово-Петрово	1,42	11,4	18,5	7,6	6	7,2	3,7	6,0
Жигалово-Чикан	4,3	8,6	8,6	7,6	7,0	3,3	3,1	6,0
Знаменка-Тыпта	29,3	3,6	10,9	7,6	7,0	0	3,3	6,0
Знаменка-Н. Слобода	8,1	0	0	7,6	1,5	0	0	6,0
Тимошино-Лукиново	7,0	3,5	7,0	7,6	5,5	4,0	16,0	6,0

Исходя из этого, можно сделать вывод, что данные линии электропередачи находятся в неудовлетворительном состоянии, что связано с длительным периодом неудовлетворительной эксплуатации сетей, когда отсутствовало необходимое обновление оборудования. Поэтому в ближайшие годы настоятельно необходима существенная модернизация сетевого хозяйства с тем, чтобы избежать ущербов, наносимых общественному производству.

Далее в работе приведен расчет уровня надежности и качества электрической энергии в электросетевых районах Иркутской области. Для отображения более полной картины состояния распределительных сетей был применен коэффициент готовности с учетом низкого качества напряжения. Он более объективно отображает действительное состояние распределительных сетей.

Рис. 7. Изменение параметра потока отказов магистральных ЛЭП

На рис. 7 представлены изменения параметра потока отказов по основным ЛЭП распределительной сети Жигаловского района.

На рис. 8 представлена динамика изменения коэффициента готовности электроснабжения при отказах элементов сети и коэффициента готовности, дополнительно учитывающего период работы потребителей с низким напряжением. Аналогичные графики имеют место и для других магистралей. Как видно из графика, при ухудшении коэффициента готовности, связанного только с отказами, происходит и ухудшение показателя коэффициента готовности с учетом низкого качества напряжения. Если сопоставить рис. 7 с рис. 8, то видно, что при ухудшении показателя параметра потока отказов происходит и ухудшение таких показателей надежности, как коэффициент готовности при отказах и коэффициент готовности с учетом низкого качества напряжения. Исходя из коэффициента готовности с учетом низкого качества напряжения, можно судить о действительном техническом состоянии линии и о том, в каком состоянии она будет через некоторое время. Если рассмотреть линию электропередачи только что введенную в эксплуатацию, то у нее будут нормальные показатели надежности, в том числе и коэффициент готовности при отказах элементов сети, но если эта линия электропередачи продолжительный отрезок времени в году работает при больших перегрузках, то в этом же периоде или в недалеком будущем произойдет рост аварийных выходов из строя оборудования этой линии, что приведет к ухудшению показателей надежности. В то же время при перегрузках этих линий неизбежно будет иметь место снижение напряжения на шинах электроприемников, питающихся от этой линии. В результате, снижение надежности ВЛ приведет к снижению качества электроэнергии. А снижение качества на шинах потребителя приведет к снижению надежности его электрооборудования.

Рис. 8. Изменение коэффициента готовности при отказах элементов сети Кго и коэффициента готовности с учетом низкого качества напряжения Кго+к на ВЛ Жигалово - Грузновка за 2002-2004 гг.

На рис. 9 приводится блок-схема алгоритма комплексной оценки надежности электроснабжения и качества электроэнергии в сельских распределительных сетях.

Из полученных данных, приведенных в работе, можно сделать вывод, что данные линии электропередачи находятся в неудовлетворительном состоянии. Это связано с длительным периодом неудовлетворительной эксплуатации сетей, когда отсутствовало необходимое обновление оборудования. Поэтому в ближайшие годы требуется настоятельная необходимость существенной модернизации сетевого хозяйства с тем, чтобы избежать ущербов, наносимых общественному производству.

Ущерб, наносимый сельскохозяйственным потребителям в результате недоотпуска электроэнергии из-за вероятных отказов элементов сети, можно рассчитать по формуле:

где - удельный ущерб от недоотпуска 1 кВт•ч, руб/(кВт•ч), оцениваемый замыкающими приведенными затратами на производство сельскохозяйственной продукции;

- суммарный недоотпуск электроэнергии кВт•ч.

Рис. 9. Блок-схема комплексной оценки надежности и качества электроснабжения

Следует иметь в виду, что значения удельных ущербов для конкретных сельскохозяйственных предприятий могут значительно отличаться от среднего значения и зависят от типов потребителей. Другая причина заключается в невозможности точного определения объема потерянной продукции. Эти объемы зависят от момента отключения, его длительности, а также многих технологических и биологических факторов, заранее непредсказуемых, например возраста животных и птицы. Общий ущерб сельскохозяйственных потребителей может колебаться в значительных пределах.

Исходя из полученных данных по ущербам, приведенных в данной работе, можно рассмотреть различные рекомендации по разработке мероприя-

тий по повышению надежности оборудования подстанций и линий электропередач, а также мероприятий по повышению качества электрической энергии.

В четвертой главе приведены методы и средства обеспечения надежности и качества электроснабжения сельских распределительных сетей на современном этапе, а также предложения о первоочередных мерах по обеспечению надежности и качества электроснабжения сельских потребителей в условиях реструктуризации электроэнергетической отрасли.

Обобщая изложенное в данной работе, можно кратко сформулировать набор мер по обеспечению надежности и качества электроснабжения.

В целом, для повышения надежности оборудования подстанций и линий электропередачи рекомендуются следующие способы и средства:

· расширение и расчистка трасс;

· совершенствование коммутационного оборудования;

· телесигнализация и телеуправление коммутационными аппаратами;

· усиление механической прочности ВЛ;

· секционирование линий;

· применение конструкций, предотвращающих вибрацию, схлестывание проводов и хищение электроэнергии;

· резервирование линий и оборудования;

· повышение квалификации ремонтного и дежурного эксплутационного персонала;

· выбор оптимальной стратегии и контроль сроков проведения ремонтов всех видов (по возможности автоматизированный);

· применение систем автоматических подсказок оперативному персоналу при возникновении нештатных ситуаций.

Для повышения качества электрической энергии рекомендуются следующие способы и средства:

· развитие электрических сетей с опережением роста нагрузок;

· поддержание оптимальной нагрузки трансформаторов;

· своевременное увеличение сечения проводов;

· переход линий на следующий класс напряжений;

· уменьшение отклонений напряжения от номинального уровня.

Проанализировав всю совокупность рекомендуемых мер, имеющиеся финансовые возможности сетевой компании и доступные средства повышения надежности и качества электроснабжения, предлагается в качестве первоочередных мер для рассматриваемых сетей Жигаловского района использовать следующие мероприятия.

1. Оснащение сетей 10 кВ оборудованием нового поколения, предохранителями-разъединителями выхлопного типа ПРВТ-10 производства Великолукского завода, которые предназначены для защиты силовых трансформаторов и распределительных сетей от коротких замыканий и перегрузок, а также включения-отключения участков электрической цепи с отключенной нагрузкой при помощи оперативной штанги.

2. Установку на линиях электропередачи распределительной сети устройств продольной компенсации (УПК) с целью повышения пропускной способности ЛЭП, снижения потерь мощности и напряжения.

3. Широкое применение при профилактических осмотрах и техническом обслуживании тепловизионного контроля элементов ЛЭП и оборудования подстанций.

Расчеты по предложенной методике технико-экономической эффективности предлагаемых мероприятий показали, что срок окупаемости этих мероприятий не превышает 2-3 лет при несущественных первоначальных затратах.

Сетевым компаниям следует настоятельно рекомендовать комплексное применение мероприятий с целью обеспечения приемлемого уровня надежности и качества электроснабжения в рассматриваемых, реформируемых условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение в данной работе указаны предлагаемые методические подходы и расчетные алгоритмы, с помощью которых производится оценка надежности электроснабжения, как без учета, так и с учетом качества электроэнергии; выявляется взаимосвязь и взаимозависимость надежности и качества. При этом:

1. Показано, что складывается опасная ситуация с точки зрения надежности электроснабжения потребителей; система энергоснабжения объектов сельскохозяйственного назначения отличается низкой надежностью распределительных сетей и имеет место несоответствие качества электрической энергии на шинах потребителей ГОСТу 13109-97.

2. Анализ состояния исследуемых сетей приводит к выводу, что восстановление (реконструкция) сетей в прежних параметрах и полном объеме по экономическим и техническим причинам сегодня нецелесообразно, а в ряде случаев и невозможно. Новые условия изменили требования, предъявляемые к сетям, возникла настоятельная необходимость в коренном обновлении сетей, создании сетей нового поколения, отвечающих складывающимся рыночным требованиям и современному техническому уровню распределения энергии в соответствии с требованиями потребителя.

3. Анализируется текущее состояние Восточных электросетей Иркутской области, проблемы их функционирования и развития. Основные из выявленных проблем является: электросетевое оборудование, прогрессирующе стареющее как физически, так и морально; недостаточное финансирование на обновление электрооборудования; низкая пропускная способность достаточно протяженных распределительных сетей, особенно 10 кВ.

4. Выполненный анализ современных условий развития и функционирования Российской и региональной электроэнергетических систем показывает, что эти условия с переходом экономики России к рыночной форме хозяйствования кардинально изменились и усложнились. Это требует существенной модернизации теории и практики принятия решений по развитию региональных ЭЭС, в том числе с учетом надежности и качества электроснабжения.

5. Предложена методика расчёта обобщенных показателей надежности электроснабжения и качества электроэнергии в виде коэффициентов готовности, математического ожидания недоотпуска электроэнергии и суммарного ущерба. Приведен состав и методика выполнения отдельных этапов анализа. Излагаются основные принципы реализации такого анализа.

6. В работе выполнен анализ современных средств повышения надежности и качества электроснабжения на уровне распределительных сетей с целью снижения остроты проблемы.

7. Учитывая ограничения поступлений инвестиционных средств в развитие распределительных сетей, предлагаются наименее затратные, но наиболее эффективные в складывающихся условиях мероприятия (применение ПРВТ, УПК, тепловизионного контроля) по поддержанию работоспособности распределительных сетей и качества электроэнергии в сельской местности.

8. В порядке дальнейшей работы предполагается проведение аналогичного анализа по остальным сетевым районам Иркутской области, что принесет несомненный технико-экономический эффект.

9. Информация о текущем состоянии сельских сетей и результаты выполненных исследований используются в учебном процессе при подготовке специалистов на кафедре «Электроснабжения сельского хозяйства» по специальности 140211.65 «Электроснабжение».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

Издания, рекомендованные ВАК

1. Ковалев Г.Ф., Чернов Д. Методика комплексной оценки надежности электроснабжения и качества электроэнергии в сельских распределительных сетях // «Известия ВУЗов. Проблемы энергетики» 2009. №1-2. - С. 125-129.

2. Наумов И.В., Чернов Д.В. Состояние сельской энергетики на современном этапе на примере Жигаловского района Иркутской области. // «Вестник КрасГАУ». - Красноярск: 2009. - С. 185-190.

Другие издания

3. Чернов Д.В. Взаимосвязь надежности электроснабжения и качества электрической энергии / Г.Ф. Ковалев, Д.В. Чернов, // Материалы научно-практической конференции, посвященной 50-летию аспирантуры ИрГСХА. Ч. 1 - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2003. - С. 43-44.

4. Чернов Д.В., Ковалев Г.Ф. Взаимосвязь показателей качества электрической энергии и надежности электроснабжения. Материалы научно-практической конференции, посвященной 70-летию образования ИрГСХА. - Иркутск: ИрГСХА, 2004. - С. 21-23.

5. Чернов Д.В. Оценка качества электрической энергии при различных уровнях надежности схем электроснабжения. / Г. Ф. Ковалев, Д. В. Чернов // Материалы научно-практической конференции «Актуальные проблемы АПК» - Иркутск: ИрГСХА, 2005. - С. 71-72.

6. Ковалев Г.Ф., Наумов И.В., Чернов Д.В. Взаимосвязь надежности электроснабжения и качества электроэнергии для сельских потребителей на современном этапе. // Труды 3-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». - М.:2003. - С. 157-161.

7. Чернов Д.В. Состояние электроснабжения сельских районов на примере Восточных электросетей Иркутской области. // Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН «Системные исследования в энергетике». - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2006. - С. 105-111.

8. Ковалев Г.Ф., Чернов Д.В. Региональные проблемы обеспечения надежности и качества электроснабжения в сельских распределительных электрических сетях. // «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Сборник научных трудов» Вып. 58. - М. - Нижний Новгород: Изд-во Волго-Вятской академии госуд. службы, 2008. - С. 330-349.

Личный вклад. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит: в[1, 2] математическое формулирование задачи, сбор исходных данных и анализ результатов расчетов надежности и качества электроснабжения; в [3-8] разработка алгоритмов расчета и математических моделей, обработка результатов исследований. Общий объем текста публикаций, написанных лично автором, составляет 1,5 п.л.

Размещено на Allbest.ru

...