CC BY
73
УДК 621.311
М.Г. Ошурков, канд. техн. наук, доц., (48762) 6-17-23, mg@newmsk.tula.net, (Россия, Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева)
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ УРОВНЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Рассмотрены предпосылки образования и выделения электрохозяйства потребителей. Показана универсальность иерархического представления системы электроснабжения потребителей, познавательное и практическое значение выделения уровней системы электроснабжения, предложена классификация потребителей, отражающая особенности систем электроснабжения, задач проектирования и эксплуатации, взаимоотношений с субъектами электроэнергетики
Ключевые слова: потребитель, приемник электроэнергии, уровень системы электроснабжения.
В начале XX века для электроснабжения сооружались генераторы небольшой мощности, близко расположенные от потребителей. Задача электроснабжения [1] сводилась к составлению графика нагрузки при проектировании электрической станции, используя опыт существующих станций и определяя нагрузку по количеству, величине и виду приемников. В 30-е годы определение нагрузки и её регулирование рассматривали только с точки зрения интересов энергосистем [2].
В конце 30-х годов стали выявляться особенности электрического хозяйства и системы электроснабжения промышленных предприятий [3, 4]. В 50-60-е сформулированы задачи электроснабжения с позиций быстро развивающихся электрических хозяйств промышленных предприятий [3]. В промышленности понятие электрохозяйства возникло с началом индустриализации [5] по мере роста установленного оборудования на предприятиях. В 1944 г. на предприятиях мощностью от 1000 кВт ввели должность главного энергетика [6], учредили Госэнергонадзор. Проектные и эксплуатационные особенности электрической части строящихся объектов породили проблемы отношений «предприятие-энергосистема», ставшие предметом научных дискуссий в 50-70-е годы [7]. Одновременно с развитием электрических хозяйств стали развиваться научные направления, исследующие появившийся объект (в 30-50 гг. - отдельные его устройства, установки, сооружения; в 60-80 гг. - как кибернетическую систему [8], а с начала 90-х и до настоящего времени - как самоорганизующуюся, техно-ценологическую [9, 10, 11, 12,]).
Специалисты электроэнергетики рассматривают электроснабжение как доведение электроэнергии до границы раздела с потребителем. За границей раздела с энергоснабжающей организацией начинается область электрики, специфичность задач которой требует своей теории, своих спе-
циалистов.
Потребители - это порядка 50 млн абонентов разных по видам деятельности, формам собственности, назначению, технологии, крупности. Однако всё разнообразие систем электроснабжения можно свести к иерархической схеме (рисунок), введение которой положило начало электрике.
Уровни системы электроснабжения промышленного предприятия (варианты питания: ИП1- по ЛЭП от электростанций энергосистемы; ИП2 - от районных подстанций энергосистемы; ИП3 - от ТЭЦ энергосистемы)
Иерархичность, введение шести уровней объективированы спецификой задач проектирования, эксплуатации, менеджмента; спецификой методик расчётов, информационных потоков на каждом выделенном уровне системы электроснабжения. Потребители взаимодействуют с субъектами электроэнергетики, задачами и поведением отражая свой уровень системы электроснабжения. Вопрос об уровнях системы электроснабжения потребителя является ключевым при принятии ряда принципиальных решений.
Определим выделяемые уровни (рисунок).
Первый 1УР - питающийся по одной линии отдельный электроприёмник, агрегат (станок) с многодвигательным приводом или другая группа электроприемников, связанных технологически или территориально и образующих единое изделие с определённой (документально обозначенной заводом-изготовителем) паспортной мощностью.
Второй 2УР - щиты распределительные напряжением до 1кВ переменного тока и до 1,5 кВ постоянного тока, щиты управления, шкафы силовые, вводно-распределительные устройства, шинные выводы, сборки, магистрали.
Третий 3УР - щит низкого напряжения трансформаторной подстанции ТП 10(6)/0,4 кВ или сам трансформатор (при рассмотрении следующего уровня загрузка трансформатора с учётом потерь в нём).
Четвертый 4УР - шины распределительной подстанции РП 10(6) кВ (при рассмотрении следующего уровня - загрузка РП в целом), когда количество силовых и преобразовательных трансформаторов, появление высоковольтных двигателей вызывают необходимость сооружения распределительной подстанции РП 10(6).
Пятый 5УР - шины главной понизительной подстанции глубокого ввода, опорной подстанции заводского района (производства, хозяйства).
Шестой 6УР - граница раздела: «субъект электроэнергетики (электроснабжающая организация) - потребитель».
Собственно задачи электроснабжения (внутризаводского электроснабжения) начинаются с 2УР, где отдельные приёмники в совокупности создают нагрузки и определяют параметры режима. 1УР является условной границей, определяющей специальности научных работников: 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты и 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы.
Выделение 2УР теоретически важно для электрики, его имеют все предприятия, и в электроотделах проектных институтов им занимаются узкие специалисты, решающие специфические задачи на этапе рабочей документации. Всеобщность 2УР обусловлена и тем, что для большинства
потребителей он совмещён (совпадает) с 6УР - границей раздела с субъектом электроэнергетики. Это - мини-предприятия, которые по количеству составляют около 90 % всех предприятий, имея нагрузку не выше единичной мощности трансформатора 10(6)/0,4 кВ и питание по двум-трём вводам. Для мини-предприятий проектное решение по электроснабжению принимают в одну стадию. Формализованно, чаще по коэффициенту спроса или комплексно определяют расчётную нагрузку; выбирают количество вводов по условиям надёжности электроснабжения, значению мощности или планировке. Готовят запрос в энергоснабжающую организацию и уточняют границы и место ввода 2УР.
При большей присоединённой мощности возникает необходимость в установке трансформатора 10(6)/0,4 кВ (появляется 3УР). Этот уровень возникает, когда для электроснабжения потребителей необходима установка одного или нескольких трансформаторов 10(6)/0,4 кВ. Количество силовых элементов для 3УР крупных заводов велико, например трансформаторов 1-111 габаритов 500-1500 шт. Цех - объект, на котором установлено массовое оборудование, применяющееся во всех отраслях промышленности, и здесь электрики выступают как технологи, принимая технологические решения, определяющие не только электрическую часть, но и строительную, санитарно-гигиеническую и др. От магистралей, выполненных шинопроводом, питаются отдельные электроприемники, распределительные шкафы и шинопроводы, троллеи.
Подстанции 3УР промышленных потребителей разнообразны по компоновке, отличаются от ТП того же класса напряжения (например ТП городских сетей) большей мощностью трансформаторов (комплектные цеховые подстанции КТП выпускают с трансформаторами мощностью до 2500 кВА), более совершенным оборудованием питающего напряжения, большей степенью автоматизации. Цеховые ТП выполняют отдельно стоящими, пристроенными и встроенными в цех. В электротехническом помещении цеховой ТП могут быть расположены устройства компенсации реактивной мощности, щит станции управления. Из-за большого разнообразия технологий, видов электроприёмников 1УР, схем 2УР велико разнообразие шкафов щита низкого напряжения.
Потребители, питающиеся с 3УР имеют нагрузку до 5000 кВт при присоединённой мощности трансформаторов свыше 1000 и до 8000 кВА. На мелких предприятиях возникает разветвлённая сеть 2УР, появляются инженеры-электрики, обслуживающие щит низкого напряжения от автоматического выключателя и вниз, включая 1УР. Высоковольтную часть, как правило, вместе с трансформатором, обслуживают электроснабжаю-щие организации (на мини-предприятиях обслуживание шкафов по дого-
вору осуществляют сторонние организации). Для питания трансформатора мощностью 1000 кВА при напряжении 10 кВ прокладывают один кабель, сечение которого определяется механической прочностью (в блоках - не менее 95 мм2) и токами короткого замыкания (на многих заводах - не менее 70 мм ).
Четвёртый уровень (4УР) появляется на предприятиях, когда необходимо сооружение распределительной подстанции РП 10(6) кВ для питания нескольких подстанций 3УР и высоковольтных приёмников электроэнергии (чаще всего - двигателей). На таких предприятиях 4УР совмещён с 6УР. Мощность секции РП 10 кВ определяется высоковольтным выключателем (установлен на вводе), пропускающим обычно 1000 или 1600 А, и подводимыми кабелями, число которых конструктивно принимается не более четырёх, а сечение каждого - не более 185 мм . Общая передаваемая мощность на секцию около 12 МВт, на напряжении 6 кВ при 1р=300 А -около 9 МВт. Нагрузка на подстанцию в целом на 10 кВ - порядка 15 МВт (на 6 кВ - 10 МВт). Распределительные подстанции 4УР получают электроэнергию от ГПП или ТЭЦ на напряжении 10(6) кВ и предназначены для её приема и распределения между цеховыми ТП и отдельными токоприёмниками высокого напряжения. Функции РП могут выполнять распределительные устройства ПГВ. В некоторых случаях РП совмещают с цеховыми ТП. Сети 4УР относят к внецеховому электроснабжению. Напряжение обычно 10 кВ (иногда оно достигает 110 кВ; напряжение 6 кВ сохраняется для реконструируемых заводов или при большом количестве высоковольтных двигателей 6 кВ средней мощности). От 4УР питаются цеха, отдельные здания и сооружения. Часть подстанций 4УР тесно связана с производственным процессом - технологией (частое включение высоковольтного оборудования), их обслуживает производственный персонал технологического цеха. Количество подстанций 4УР на одну ГПП на крупном предприятии составляет 3-8 с двумя-тремя вводами на каждое РП.
Сооружение трёх и более РП приводит к необходимости (если отсутствует возможность электроснабжения на генераторном напряжении) сооружения одной - двух ГПП с совмещением некоторых РП с РУ главной понизительной подстанции (пятый уровень %УР). Как правило, в этом случае ОРУ 110 кВ и трансформаторы 110/10 кВ обслуживает энергосистема, начинает функционировать участок сетей и подстанций, имеются разветвлённые распределительные сети, формируются районы электроснабжения.
На 5УР мощность и расход электроэнергии таковы, что для осуществления электроснабжения от субъекта электроэнергетики необходимы
вводы 35, 110, 154, 220, 330 кВ, а для эксплуатации установленного электрооборудования и сетей создают электрослужбы (централизованное обслуживание) и ремонтные цехи. Для крупных предприятий (с нагрузкой свыше 100 МВт) обязательно сооружают районную подстанцию (иногда несколько), собственную или районной ТЭЦ (котельную). Напряжение 110 кВ и выше становится обычным рабочим. Распределительные сети характеризуются большими кабельными потоками, мощными шинопровода-ми 10(6) кВ. Прокладывают кабели 110 кВ и выше, воздушные линии 110 кВ становятся разветвлёнными. Возникают цех сетей и подстанций (ЦСП) с трансформаторно-масляным хозяйством и центральная электротехническая лаборатория (ЦЭТЛ). Районы электроснабжения ориентированы на технологические производства и в большой степени функционируют самостоятельно. По существу, каждый район превращается в среднее предприятие.
В общем случае 6УР - уровень потребителя электроэнергии - это предприятие в целом. Уровень, называемый заводским электроснабжением, интегрирует нагрузки ГПП, ПГВ, ОП, ЦРП и распределительных устройств заводских ТЭЦ. С системой внешнего электроснабжения 6УР связан линиями электропередачи, которые присоединены к источникам питания субъектов электроэнергетики: районным и узловым подстанциям; ГРУ и РУ ТЭЦ, ГРЭС, ТЭС, ГЭС, АЭС; ГПП энергосистем, находящимся на территории предприятия. Сейчас эти внешние источники питания имеют номинальное напряжение от 6 до 750 кВ.
Для этого уровня имеются наиболее достоверные, сравнимые и обширные данные по заявленному получасовому максимуму нагрузки Рзтах, фактическому максимуму Рфтах в режимные дни, среднегодовой и среднесуточной нагрузке и др. Это же относится к сведениям по качеству электроэнергии, значению реактивной энергии, значению напряжения, значению токов КЗ и другим сведениям, определённым техническими условиями. Но именно на этом уровне в наибольшей степени неприменима классическая электротехника, нет аналога, имеющего классический физический смысл: нет одной ЛЭП, трансформатора, выключателя и др., по которым пропускают Рзтах и Рфтах. Связей (если сделать сечение по 6УР) всегда несколько, и их количество может доходить до нескольких десятков.
На 6УР реализуются все аспекты взаимоотношений потребителя и субъекта электроэнергетики: юридически-правовой, технико-экономический, оперативно-диспетчерский.
Таким образом, уровни системы электроснабжения потребителей -иерархия, отражающая технологические потребности и характеризующая схему электроснабжения потребителя. Предлагается классификация потре-
бителей по уровням.
Мини-потребитель - потребитель, питающийся на низком напряжении со 2УР.
По количеству составляют около 90 % всех потребителей, не имеют электрослужбы. Мини-потребители - основа малого и среднего бизнеса, Вопросы электрификации таких объектов должны регулироваться специальным законом "О государственном плане рыночной электрификации России (ГОРЭЛ)" [13]. Мини-потребители, включая граждан (абонентов), должны присоединяться к сетям субъекта электроэнергетики без оплаты; условия договора присоединения к электрическим сетям должны быть одинаковы для всех юридических и физических лиц, относящихся к одной группе потребителей.
Мелкий потребитель - потребитель, имеющий трансформаторные (один трансформатор или несколько) подстанции 3УР с высшим напряжением 10(6) кВ. Их около 10 % от общего количества объектов электрики. Они имеют нагрузку до 5000 кВт при присоединённой мощности трансформаторов свыше 1000 и до 8000 кВА. На мелких предприятиях возникает разветвлённая сеть 2УР, появляются инженеры-электрики. Высоковольтную часть, как правило, вместе с трансформатором, обслуживают электроснабжающие организации.
Средний потребитель - потребитель, имеющий распределительные подстанции 4УР и развитое электрохозяйство со своей электрослужбой. В общей массе число средних предприятий составляет около 1 %. Средние предприятия характеризует появление развитого электрохозяйства, которое обслуживает собственный электрический персонал.
Крупный потребитель - потребитель, имеющий главную понизительную подстанцию (подстанции) с высшим напряжением 35...330 кВ и специализированные цеха (подразделения в составе электрослужб).
В зависимости от потребителя различаются объем и состав проектной документации, стадийность проектирования.
Для крупных и средних предприятий существует несколько стадий (этапов) принятия технических решений, зависящих от параметров электропотребления: выбор площадки (трассы) строительства, подготовка запроса на получение технических условий на присоединение, подготовка схемы электроснабжения с указанием всех мест присоединения 6УР и подстанций 5УР, согласование технических условий на присоединение, разработка технико-экономического обоснования (проектных соображений, технико-экономического расчёта), утверждение ТЭО, ПС, ТЭР.
Проектирование ГПП, подстанций глубокого ввода (ПГВ), опорных и других осуществляют на основе технических условий, определяемых
схемами развития субъектов электроэнергетики - сетевых и генерирующих компаний (возможностями источников питания) и электрических сетей района, схемами внешнего электроснабжения предприятия, присоединением к подстанции энергосистемы или к ВЛ, схемами организации электроремонта и проектами системной автоматики и релейной защиты.
Индивидуальность крупных потребителей вызывает необходимость разработки оригинальных схем электроснабжения и подстанций 5УР, 4УР. Эта проблема практически отсутствует для мини- и мелких предприятий. Различие в назначении и технологиях предприятий обуславливает отличие схемных решений потребительских подстанций от сетевых.
Договорно может быть выделена электрика - собственность потребителя - от 6УР вниз, где существуют и обслуживаются энергопринимаю-щие устройства 5УР-1УР. При решении вопросов технологического присоединения энергопринимающих устройств следует по-разному подходить к потребителям различных типов, имея в виду классификацию по уровням системы электроснабжения.
Уровень системы электроснабжения определяет методы и математический аппарат принятия решений при проектировании и эксплуатации предприятия. Построение электрического хозяйства первенцев пятилеток основывалось на классических представлениях, когда можно было подсчитать все режимы для каждого двигателя (электроприёмника) из-за обозримого их количества, а суммировав, получить электрическую мощность, расход энергии, объёмы энергосбережения. В настоящее время этот подход применим лишь для 2УР.
Количественное увеличение и качественное усложнение устанавливаемого электрооборудования и сетей электрики в 50-60-х годах привели к вероятностным системно-кибернетическим представлениям. В их основе -убеждение в возможности получения данных по каждому электроприёмнику и результата на основе групповых коэффициентов, в существовании среднего, в наличии отраслевых норм на единицу выпускаемой продукции (наличие математического ожидания) и возможной небольшой ошибки (конечность дисперсии).
Фактически количество устанавливаемого оборудования составляет сейчас тысячи двигателей для производств, десятки тысяч (и миллионы единиц низковольтной аппаратуры) - для заводов. Практическая счётность множества, элементов, образующих электрической хозяйство, делают необходимым системное описание, опирающееся на иерархическую систему показателей. При выполнении проектов величина электрических показателей (по уровням системы электроснабжения и стадиям проектирования)
есть прогнозируемая величина, а для действующих - реализация показателя из множества возможных значений (проектных вариантов). Это определило применение ценологического подхода, опирающегося на представление электрохозяйства как сообщества изделий, структура которого устойчива и описывается ^-распределениями. Основные (определяющие) решения по электрохозяйству принимаются «сверху-вниз», от 6УР к 1УР. Этому способствуют также следующие факторы: а) вхождение предприятия в рыночную среду; б) изменение отношений с энергоснабжающей организацией и поставщиками оборудования; в) новый подход к инвестициям и их оценке; г) усиление роли предпроектных стадий и согласований, когда принимают решения, не имея данных по электроприёмникам.
По уровням системы электроснабжения и крупности предприятий различаются и принципы организации электроремонта, которые определяются размерами предприятия, его назначением и окружением. Для мини-предприятий, питающихся от 2УР, самостоятельная служба (и штат электриков), как правило, отсутствует. Электроремонт осуществляется по договору сторонними организациями.
Для мелких предприятий, питающихся с 3УР, один электрик (или несколько) поддерживает оборудование и сети в рабочем состоянии, выполняя лишь мелкий неотложный (аварийный) ремонт. В отдельных случаях возникает необходимость иметь собственное РУ 10(6) кВ и создается служба главного энергетика (отдел), в которую входит электрослужба. Но и в этом случае предпочтение должно отдаваться межзаводской (региональной) централизации, особенно для ремонта электродвигателей средней мощности и крупных, специальных электрических машин, силовых трансформаторов, высоковольтной аппаратуры. Если принимается решение о внутризаводской централизации, например из-за удаленности предприятия, рекомендуется строительство цеха (электроцеха) I или II величины.
Для средних предприятий должен быть предусмотрен электроремонтный цех, близкий по габаритам к цеху II или III величины. При разветвленных распределительных сетях 10(6) кВ, появлении ГПП, воздушных сетей выше 10 кВ следует предусматривать сооружение участка сетей и подстанций с трансформаторно-масляным хозяйством, рассчитанным на ремонт трансформаторов до 10 МВ- А и ревизию всех установленных. Одновременно рекомендуется организация нескольких лабораторий, выполняющих функцию ЦЭТЛ.
На крупных предприятиях создается единая централизованная электрослужба, обеспечивающая основные объемы электроремонта.
Таким образом: 1) введение понятия "уровень системы электроснабжения" приводит к принципиально новой классификации потребите-
лей, теоретически обеспечивающей дифференциацию принципов взаимоотношений с субъектами электроэнергетики, выделение специализации электриков при проектировании, эксплуатации, управлении электрохозяйством; 2) первый уровень (1УР) системы электроснабжения является условной границей определяющей специальности научных работников: 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты и 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, теоретическое описание которого основано на классических законах электротехники, скорректированных статистическими коэффициентами; 3) классические вопросы электроснабжения начинаются со 2УР, требующего специализации работников проектных институтов, решающих специфические задачи на этапе рабочей документации; уровень является юридической границей с субъектами электроэнергетики для мини-потребителей; 4) на шестом уровне (6УР) системы электроснабжения реализуются все аспекты взаимоотношений потребителя и субъекта электроэнергетики, в наибольшей степени отходят от классической электротехники; 5) изменение сущностной основы проектируемых объектов потребовало принятия концепции инвестиционного проектирования, при котором определяющие решения по электрохозяйству принимаются на предпроектных стадиях, а методология основывается на системном и ценологическом описании электрического хозяйства.
Список литературы
1. Дмитриев В.В. Центральные электрические станции. Курс, читаемый в Электротехническом институте Императора Александра III. Санкт-Петербург: Типография М.М. Стасюлевича. 1909.
2. Выравнивание графиков нагрузки / под ред. С. А.Кукель-Краевского и Б.А.Гуревича. М.-Л.: Энергоиздат, 1933.
3. Либерман А.С. Подстанции малой мощности в электроснабжении промышленных предприятий. Ростов-на-Дону: Азчергиз, 1937.
4. Каялов Г.М. Определение максимума нагрузки произвольных электроприемников//Электричество. 1937. N9-10. С.29-34.
5. Авдеев В.А., Друян В.М., Кудрин Б.И. Основы проектирования металлургических заводов: справ. изд-е. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 464 с.
6. Карасев И. П. Экономия электрической энергии - важнейшая народнохозяйственная задача военного времени // Промышленная энергетика. 1944. № 1. С. 1-3.
7. Жилин Б.В. Проблемы расчета электрических нагрузок (по материалам дискус-сии по комплексному методу Б.И.Кудрина). Тула.: При-
окск. кн. изд-во, 1996. 129 с.
8. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Степанов В.П. Методы вероятностного моделирования в расчетах характеристик электрических нагрузок потребителей. М.: Энергоатомиздат, 1990. 126 с.
9. Кудрин Б.И. Введение в технетику. Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та, 1991. 384 с.
10. Гнатюк В.И., Лагуткин О.Е. Ранговый анализ техноценозов. Калининград: БНЦ РАЕН - КВИ ФПС РФ, 2000. 86 с.
11. Гнатюк В.И.Закон оптимального построения техноценозов. -Вып. 29. Ценологические исследования. М.: Изд-во ТГУ - Центр системных исследований, 2005. 384 с.
12. Ценологическое определение параметров электропотребления многономенклатурных производств / Б.И. Кудрин [и др.] / Тула: Приок. кн. изд-во, 1994. 122 с.
13. Кудрин Б.И. О Государственном плане рыночной электрификации России (ГОРЭЛ) и концепции энергосбережения. М.:Электрика, 2001. 20 с.
Oshurkov M.G.
THEORETICAL AND PRACTICAL IMPORTANCE OF THE IDENTIFICATION OF LEVELS OF POWER SUPPLY SYSTEM
Considered prerequisites for the formation and allocation of electrical facilities of power consumers. Showed the universality of representation hierarchical of power supply system to power consumers, cognitive and practical importance of the selection of levels of power supply system, proposed a classification of consumers reflecting the peculiarities of power supply systems, problems of designing and operation, relationships with the subjects of power industry.
Key words: power consumer, electrical receiver, level of the power supply system.
Получено 19.06.12
