CC BY
36
OPTIMIZATION OF THE MODE OF WORK OF PENJIKENT DEN AT UNDERGROUND TRANSFORMERS LOAD FACTOR
F.M. Razoqov
The methods of optimization of the operating mode of the supply network with a voltage of 110 kV are considered. Optimization was carried out on the basis of the algorithm of calculations performed on a computer. Optimization methods were chosen according to the rules of the technical operation rules and the rules of electrical installation devices so that all electrical parameters were within the permissible norms.
Key words: loss rates, voltage drop, supply network, deviation, method, optimization, compensation, power supply, closed circuit.
Razokov Farhod Muzaffarovich, allpower85@mail. ru, Russia, Cheboksary, Chuvash State University named after I.N. Ulyanova
УДК 621.3
РАСЧЁТ УЩЕРБОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА МОСКОВСКОГО МЕГАПОЛИСА ОТ ОПАСНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ
Е.Г. Гашо, С.В. Гужов, А. А. Кролин, А.В. Началов
Приведён анализ потока отказов электрооборудования передающих сетей на основе статистических данных для московского энергоузла. Качественно и количественно показаны функции корреляции частот возникновения ОПЯ и потока отказов групп электрооборудования электросетевых организаций.
Ключевые слова: опасные климатические явления, перерыв электроснабжения, воздушная и кабельная линии электропередач, многофакторный регрессионный анализ.
Во всем мире особое внимание при обеспечении безопасных и комфортных условий проживания в мегаполисах уделяется вопросам сбалансированности долгосрочного экономического и технологического развития с социальными аспектами при снижении негативного антропогенного воздействия на окружающую среду. Само существование мегаполиса оказывает существенное влияние на воздействующие на его объекты климатические факторы. Важную роль играет уровень разработки и внедрения научно-обоснованного комплекса мер по адаптации к опасным климатическим явлениям (ОПЯ). Степень воздействия изменяющегося климата на городскую систему электроснабжения до сих пор исследована недостаточно.
439
Сложный характер зависимостей от климатических факторов функций потоков отказов структурных составляющих передающих электрических сетей и их элементов, а также неопределённость и сложность формализации задачи прогнозирования частот возникновения ОПЯ определяют актуальность разработки современных расчетных методов.
Электроэнергетический комплекс г. Москвы и Московской области включают 576 электрических подстанций 110-750кВ, оборудование, относящееся к объектам диспетчеризации Московского РДУ, находится на 392 подстанциях. Всего на территории города г. Москвы находятся 169 ПС напряжением 110-220-500кВ, принадлежащих филиалу ПАО «ФСК ЕЭС» «Магистральные электрические сети Центра» (МЭС Центра), ПАО «МОЭСК», АО «ОЭК», АО «Энергокомплекс», в том числе 4 ПС напряжением 500кВ, 54 ПС напряжением 220кВ, 111 ПС напряжением 110кВ. На территории Московской энергосистемы расположено 1044 ВЛЭП напряжением 110-750 кВ. Общая протяженность воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) всех классов напряжения в г. Москве составляет 99 049 км. Суммарное потребление электрической энергии энергоузла г. Москвы и Московской области в 2016 году составило 105333,6 млн. кВт-ч.
Средний уровень износа электрических сетей г. Москвы составляет 59,2 %. С увеличением уровня физического износа увеличивается подверженность ВЛЭП воздействию климатических факторов. При превышении пороговых значений прочностных нагрузок возможно нарушение электро-снабжеиия, приводящее к недоопуску электрической энергии и дополнительным расходам на восстановление целостности системы электроснабжения. В работе проведен статистический анализ комплексных воздействий опасных погодных явлений (ОПЯ) [1] на составляющие электротехнического комплекса г. Москвы.
В соответствии со статистикой отказов ПАО «МОЭСК» [2] на ВЛЭП среднего и высокого уровней напряжений для всех перерывов в энергоснабжении можно выделить три основных группы по причинам их возникновения:
- несанкционированные действия (человеческий фактор);
- грозовые перенапряжения;
- ОПЯ, за исключением грозовых явлений.
В дальнейшем будет проводиться анализ воздействия на ВЛЭП без учёта грозовых явлений. Данное предположение допустимо, поскольку после ликвидации перерыва в электроснабжении от грозовых явлений в большинстве случаев проведение аварийно-восстановительных работ на конструктивных элементах линий не требуется [2]. С учётом старения и низких скоростей обновления инфраструктуры выходят на первый план климатические факторы снижения надёжности ВЛЭП [3]. Существуют несколько основных причин перерыва электроснабжения в результате ОПЯ.
В соответствии со статистикой отказов ПАО «МОЭСК» наиболее частой причиной нарушения процесса электропередачи является падение дерева из глубины леса с последующим прекращением электроснабжения посредством: падения на провода ВЛ в пролете опор и нарушения крепления проводов к изоляторам на соседних опорах; обрыва проводов в пролёте опор; повреждения опоры; возникновения короткого замыкания и последующего автоматического отключения ВЛ.
Данные по отказам воздушных сетей до 110 кВ, принадлежащих ПАО «МОЭСК», подтверждаются статистикой отключений магистральных линий напряжением 220 и 500 кВ ПАО «ФСК ЕЭС» - МЭС Центра, с той лишь разницей, что за последние 20 лет ни одного падения опор данных ЛЭП в результате воздействия погодных явлений в московском регионе зарегистрировано не было. При этом большинство случаев проведения аварийно-восстановительных работ на магистральных ВЛЭП связано с так называемыми «несанкционированными действиями» (наезд техники на опору, незаконная рубка дерева с дальнейшим его падением на линию или опору и т.д.).
Причиной нарушения электроснабжения могут быть сильное голо-ледно-изморозевое отложение (ледяной дождь), сильный ливневый дождь, очень сильный снег, приводящие к налипанию снега и утяжелению пролётов с последующим аварийным отключением (АО) ВЛЭП и обрывом проводов.
Чрезмерная ветровая нагрузка является причиной инициации целого ряда причин нарушения электроснабжения. Наиболее частым является нахлёст сильным ветром проводов на окружающие предметы (дерево) из-за недопустимого снижения дистанции короткого замыкания. Пролонгированным во времени является ослабление и/или нарушение механической прочности опор, проводов, изоляторов из-за вибрации и «пляски» проводов, что приводит к их ускоренному разрушению.
В период существенного снижения температур окружающего воздуха (< -30°С) сильные тряска и вибрация, усиливающие натяжение провода, в сочетании с изменением прочностных свойств элемента вязки проводов по причинам износа, окисления, вибрации ветровыми нагрузками приводят к ослаблению узлов соединения с последующим разрывом цепи. Данный механизм возникает также при относительно небольших морозах, но при достаточно сильном ветре. В таком случае значения эффективной температуры с учетом охлаждающего эффекта ветра рассчитываются по формуле [4]
1эфф = 13.12 + 0.6215 ^ - 11.37 V016 + 0.3965 ^ V016 , (1)
где 1;эфф - эффективная температура с учетом ветра в 0С; 1;в - температура воздуха в 0С; V - скорость ветра в км/час. Например, при скорости ветра 20 м/с (сильный ветер) и температуре воздуха -20 °С 1;эфф = -30 °С,
441
при скорости ветра 25 м/с (сильный ветер) и температуре воздуха -25 °С Цф = -45 °С, а при скорости ветра 30 м/с (ураган) и температуре воздуха -30 °С 1эфф = -53 °С.
Сильная мгла, характеризующаяся сильным помутнением воздуха за счет скопления мельчайших частиц воды, пыли, продуктов горения, является причиной загрязнения поверхности изолятора частицами с низким электрическим сопротивлением с последующим развитием пробоя по поверхности, приводящим к АО. К аналогичным последствиям, комбинированным с повышенными токами утечки неизолированных проводников, приводит 100 %-ная влажность воздуха.
Надёжность передачи электрической энергии по ВЛЭП зависит от надёжности изоляторов, применяемых в распределительных сетях. Отказ линейной изоляции вызывает до 40 % всех отключений в распределительных сетях 10 кВ, что объясняется наличием у многих изоляторов заводских дефектов, а также их дополнительным внесением при транспортировке. Отказ изоляторов наиболее часто происходит по причине воздействия механических нагрузок от проводов или из-за электрического пробоя по поверхности, возникающего, например, по причине сильного загрязнения поверхности. Дуга однофазного короткого замыкания может устойчиво гореть при токах порядка 5 А, вызывая при этом полное разрушение изолятора за 1 мин. При воздействии дуги междуфазного КЗ разрушение происходит за 1,5...2 с. [5]. Несколько ускоренное старение изоляции также происходит в период существенных среднесуточных колебаний температуры воздуха и наибольшим среднемесячным количеством осадков.
Интенсивность климатического воздействия достигает максимума в период гололёдообразования, когда воздействие электромагнитного поля на образование гололёдных отложений на воздушных линиях электропередачи особенно велико [6]. Скорость и направление ветра играют немаловажную роль в формировании структуры отложения. При определённых условиях ветер может способствовать слиянию мелких капель в крупные, что влияет на вес образовавшегося осадка [7].
Кабельные линии электропередач (КЛЭП) составляют значительную часть распределительной сети московского энергетического узла. Анализ статистической информации о потоке отказов КЛЭП 6 (10) кВ показал, что практически все пробои изоляции наблюдаются в период до достижения гарантированного срока службы (рис. 1). На срок службы силовых кабелей 6 (10) - 35 кВ по анализируемым городским электрическим сетям оказывают влияние глубина прокладки; траектория прокладки; пересечение с объектами; особенности грунта; качество прокладки; качество сопряжения элементов сети, а также режимы эксплуатации, которые в комбинации с электромагнитными и тепловыми процессами в изоляции могут приводить к условиям преждевременных пробоев изоляции.
442
Рис. 1. Статистика отказов КЛЭП [8]
Статистика ПАО «МОЭСК» насчитывает в среднем около 9 тыс. случаев выходов из строя участков КЛЭП за год. Климатическое воздействие на КЛЭП характеризуется повышенной влажностью грунта, приводящей к ускоренной коррозии и гниению подземных элементов, электрическим пробоям в кабельных муфтах и на концевых воронках. Анализ потока отказов КЛЭП не выявил зависимости от ОПЯ.
Трансформаторные подстанции (ТП) и распределительные устройства (РУ) являются устройствами с повышенными требованиями к резервированию и надёжности. К основным причинам снижения их надёжности от климатических явлений относятся:
сильное натяжение шлейфа между масляным выключателем и выносным трансформатором тока на фазе в условиях температуры наружного воздуха ниже - 30 °С, приводящее к возникновению усилий, действующих на верхнюю часть фарфоровой покрышки МВ с последующим её изломом;
сильная мгла как причина загрязнения поверхности изолятора частицами с низким электрическим сопротивлением с последующим развитием пробоя по поверхности, приводящим к АО;
аномально жаркая погода с повышенной температурой воздуха, приводящая к сверхнормативному перегреву масла и снижению его эксплуатационных свойств, а также к возможному выходу трансформатора из строя;
повышенная влажность воздуха, вызванная сильным ливнем, очень сильным ливневым дождём, продолжительным сильным дождём, которая изменяет электротехнические свойства трансформаторного масла, что приводит к несколько увеличенным собственным потерям силового трансформатора.
Вместе с этим, анализ электронных журналов отказов ПАО «МОЭСК» не выявил корреляции потока отказов с фактами ОПЯ.
Статистика работы релейной защиты и автоматики в распределительных сетевых компаниях анализируется в большей степени по количеству случаев зафиксированных отказов и сбоев (рис. 2).
КЛ; 10,30%.
ЭП; 10,60%
ОО; 6,00% ЧФ; 2,70%
МП; 14,70%
М; 49,20%
МЭ; 6,50%
Рис. 2. Статистика отказов устройств релейной защиты
и автоматики [9]
На рис. 2 ЭМ - дефекты электромеханических реле; МЭ - дефекты микроэлектронных устройств, включая устройства на полупроводниковых элементах, интегральных логических микросхемах малого и среднего уровня интеграции, сюда же отнесены аналоговые измерительные приборы и измерительные преобразователи; МП - дефекты устройств на базе микропроцессоров и микроконтроллеров; ЭП - дефекты устройств электропитания и коммутационных аппаратов в цепях электропитания, включая автоматические выключатели в цепях ТН, блоки конденсаторов и другие устройства на базе силовой электроники; КЛ - дефекты во вторичных цепях, включая повреждения контрольных кабелей, монтажных проводов, клемм, ключей, переключателей, накладок, вводно-испытательных блоков, блок-контактов приводов; ОО - дефекты основного оборудования, включающих и отключающих электромагнитов коммутационных аппаратов, механические повреждения приводов коммутационных аппаратов; ЧФ - дефекты, возникшие из-за прямого или косвенного воздействия человеческого фактора, в том числе случаи выхода микропроцессорных УРЗА из-за попадания внутрь осадков, дефектов вследствие ошибок при выполнении монтажных работ, ошибок в расчетах уставок, в результате неудачных схемных решений, механических повреждений корпусов МП и МЭ устройств, а также механические повреждения открыто установленных контрольных приборов.
В журналах учета данные нарушения обычно отнесены к дефектам микропроцессорных устройств. Значительную роль также играет человеческий фактор. Статистика воздействия погодно-климатических факторов на работу РЗА исчезающе мала и в дальнейшем не учитывается.
Существует косвенное воздействие сильного мороза и аномально холодной погоды на все элементы сети, обусловленное компенсацией снижения температуры в зданиях посредством использования электрических обогревательных приборов. Увеличение электрической нагрузки в передающих сетях приводит к пропорциональному увеличению омических потерь, составляющих для электрических сетей г. Москвы 0,4 % от объёмов электропотребления. Также существует косвенное воздействие аномально жаркой погоды и сильной жары, обусловленное компенсацией существенного превышения температуры в зданиях посредством использования электрических кондиционеров. Увеличение электрической нагрузки в передающих сетях приводит к пропорциональному увеличению омических потерь, составляющих для электрических сетей г. Москвы до 8 % от объёмов электропотребления. Информация рассчитана на основании усреднённых данных ежемесячных отчетов о функционировании электроэнергетики. Например, по данным за январь 2016 г. превышение электропотребления относительно предыдущего года составило 0,3 % [10], превышение электропотребления в июне 2010 г. составило 6 % [11]. Объёмы электропотребления получены на основании данных ПАО «МОЭСК» [12].
Статистика отказов элементов передающей электросети демонстрирует наибольшую зависимость от ОПЯ воздушных линий электропередач различных уровней напряжений. В табл. представлены агрегированные данные для общей протяженности ВЛЭП на территории Москвы, включая ТиНАО. Необходимо отметить, что многие из перечисленных факторов являются косвенными и не всегда учитываются в статистике отказов работы ВЛЭП. Так, все варианты последствий, вызванные падениями деревьев из глубины леса, сведены в исходной статистической документации ПАО «МОЭСК» к факту фиксации КЗ. По аналогичным причинам явления «падение дерева», «очень сильный снег, приводящий к утяжелению пролётов проводов», «ледяной дождь», «обрыв по причине порывов ветра с учётом эффективной температуры» и «сильный ливневый дождь, приводящий к утяжелению пролётов проводов» учтены совместно в графе «ветровая нагрузка».
Применив многофакторный регрессионный анализ [13], получим расчётные функции статистики отказов в зависимости от факторов опасных климатических явлений для случаев:
1) обрыв проводов высоковольтной распределительной сети до 110 кВ включительно (рис. 3)
у1=836.8-34.4х1+38.8х2, 445
где X! - частота фиксации групп климатических факторов: мокрый снег, гололед, изморозь, ледяной дождь, ед./год; x2 - частота фиксации групп климатических факторов: сильный ветер, ураган, шквал, ед./год;
2) обрыв проводов магистральных ЛЭП свыше 220кВ (рис. 4)
— O/i 0.0216.
y2 - 26.026 x1 ;
3) омические потери в передающих сетях в периоды аномально холодной погоды
уз=0,273 хз,
где х3 - число суток аномально холодной погоды с учётом фактора эффективной температуры;
4) омические потери в передающих сетях в периоды аномально жаркой погоды
у4=5.468 х4,
где x3 - число суток аномально жаркой погоды с учётом волн городского тепла.
Последствия воздействия ОПЯ на элементы электрической распределительной сети г. Москвы с учётом ТиНАО
№ Причина Частота отказов
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
1 Число обрывов проводов в результате высоких ветровых нагрузок для ВЛЭП до 110кВ включительно, шт. 1784 1803 68 277 301 659 582
2 Число обрывов проводов в результате высоких ветровых нагрузок для ВЛЭП 220кВ и 500 кВ, шт. 30 25 19 14 1 3 2
3 Омические потери в сетях как следствие аномально холодной погоды, 106 кВт*ч 6.56 8.20 7.66 3.83 6.29 5.47 4.37
4 Омические потери в сетях как следствие аномально жаркой погоды, 106 кВт*ч 262.5 87.5 43.7 32.8 76.6 32.8 27.3
2000 1500 1000 500 0
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 _Ветровая нагрузка для ЛЭП до ИОкВ включительно
-прогнозные значения, полученные на основании
многофакторного регрессионного анализа
Рис. 3. Прогнозное и фактическое значения частоты обрывов проводов высоковольтной распределительной сети до 110кВ
Рис. 4. Прогнозное и фактическое значения частоты обрывов проводов высоковольтной распределительной сети свыше 220кВ
Функциональные зависимости, выведенные для уровня достоверности 95 %, позволяют провести оценку интенсивности отказов высоковольтных распределительных сети до 110кВ и магистральных сетей свыше 220 кВ вследствие обрывов проводов от ОПЯ. Полученные линейные зависимости дополнительных омических потерь в передающих сетях при волнах тепла и холода, помимо статистических данных, могут быть подтверждены корреляцией с законом Ома для участка цепи.
Полученные данные по числу отказов в работе линий в результате опасных погодных явлений, связанные с необходимостью замены проводов и изоляторов на ВЛЭП, могут быть использованы для количественной оценки уязвимости электросетевого хозяйства московского энергоузла к проявлениям изменения климата и связанного с ними ущерба.
Предложенный метод позволяет выполнять прогнозирование интенсивности отказов воздушных высоковольтных линий до 110 кВ и свыше 220 кВ для московского энергоузла. По сравнению с существующими прогнозными моделями полученные зависимости позволяют быстро оценить граничные значения потоков отказов линий электропередач и дополнительных омических потерь и определить приоритетные адаптационные мероприятия по предотвращению и компенсации ущерба.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 16-19-10568 «Исследование общих закономерностей и особенностей развития городских энергосистем в различных социально-экономических и природно-климатических условиях».
Список литературы
1. Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации [Электронный ресурс]. URL: http: //meteo.ru/data (дата обращения 01.10.2017).
2. Публичное Акционерное Общество «Московская объединенная электросетевая компания», раздел «Отключения» [Электронный ресурс]. URL: http://www.moesk.rU/client/disconnection/#tab-otchet (дата обращения 01.10.2017).
3. Доронина О.И. Информационно-измерительная система мониторинга надёжности воздушных линий электропередач: дис. ... канд. техн. наук. Волгоград, 2014. 137 с.
4. Охлаждающий эффект ветра. Влияние скорости ветра на ощущаемую (эффективную, действующую) температуру воздуха и конвекционный теплообмен [Электронный ресурс]. URL: http://tehtab.ru/ Guide/ GuideTricks/WindChillingEffect/ (дата обращения 01.10.2017).
5. Рыбаков Л.М., Иванова З.Г. Прогнозирование отказов и планирование резерва запасных элементов, аппаратов и оборудования распределительных электрических сетей 10 кВ // Вестник Чувашского университета. 2015. № 1. С. 104 - 11.
6. Панасенко М.В., Ахмедова О.О., Сошинов А.Г. Анализ воздействия электромагнитного поля на образование гололёдных отложений на воздушных линиях электропередачи // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. N 9. С. 210 - 214.
448
7. Мероприятия по снижению гололёдно-ветровых аварий в электрических сетях / М.В. Панасенко, Н.Ю. Шевченко, Н.П. Хромов, А.Г. Сошинов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2014. N 8. С. 30 - 37.
8. Коржов А.В., Сидоров А.И. Методы и модели оценки состояния изоляции и электробезопасности кабельных линий 6 (10) кВ городских электрических сетей: монография. Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2009. 252 с.
9. Шапаренко В.С. Краткий анализ статистики дефектов и случаев неправильной работы устройств релейной защиты и автоматики на разной элементной базе в региональной сетевой компании // Электро. 2017. N. 2. С. 28 - 35.
10. Министерство энергетики Российской Федерации. Ежемесячный отчет о функционировании электроэнергетики за январь 2017 года [Электронный ресурс]. URL: http://minenergo. gov.ru/system/download-pdf/4858/71664 (дата обращения 01.10.2017).
11. Пик электропотребления в Москве из-за жары сместился на середину дня [Электронный ресурс]. URL: https://ria.ru/moscow/20100714/ 254680622.html (дата обращения 01.10.2017).
12. Публичное Акционерное Общество «Московская объединенная электросетевая компания», раздел «Объём переданной электроэнергии» [Электронный ресурс]. URL: http://www.moesk.ru/client/electricity transmission/ index_OPE.php (дата обращения 01.10.2017).
13. Гужов С.В. Методы определения и способы подтверждения энергосберегающего эффекта при передаче и использовании электрической и тепловой энергии: учебно-методическое пособие. М.: Изд-во МЭИ, 2016. 112 с.
Гашо Евгений Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский университет "МЭИ",
Гужов Сергей Вадимович, канд. техн. наук, доцент, зам. начальника отдела, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский университет "МЭИ",
Кролин Александр Александрович, канд. экон. наук, начальник отдела, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский университет "МЭИ",
Началов Александр Владимирович, главный специалист, [email protected], Филиала ПАО «ФСКЕЭС»МЭСЦентра
CALCULATION OF DAMAGE TO THE ELECTRICAL COMPLEX OF THE MOSCOW METROPOLIS FROM DANGEROUS CLIMATE CHANGES
E.G. Gasho, S.V. Guzhov, A A. Krolin, A.V. Nachalov
449
Gasho Evgeniy Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, National Research University "MEI",
Guzhov Sergey Vadimovich, candidate of technical sciences, docent, deputy head of department, GuzhovSVai yandex. ru, Russia, Moscow, National Research University "MEI",
Krolin Alexander Aleksandrovich, candidate of economic sciences, head of department, akrolinamail. ru, Russia, Moscow, National Research University "MEI",
Nachalov Alexander Vladimirovich, chief specialist, nachalovames-centra.ru, Branch of PJSC "FGC UES" - MES Center
УДК 621.31
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ПОТРЕБЛЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ УСТАНОВКАМИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ
НАСОСОВ
В. А. Копырин, О.В. Смирнов
Представлены результаты определения оптимальных параметров внутри-скважинного компенсатора реактивной мощности, при которых обеспечивается минимизация потребления активной мощности. Получены поверхности функции энергосбережения для различных параметров электротехнического комплекса установок электроцентробежных насосов. Установлено, что оптимальное значение реактивной мощности внутрискважинного компенсатора составляет 0,92 от мощности погружного электродвигателя. Расчетное значение функции энергосбережения варьируется от 1,4 до 11,8 % в зависимости от мощности внутрискважинного компенсатора, мощности погружного электродвигателя, длины и сечения кабельной линии.
Ключевые слова: внутрискважинный компенсатор, погружной асинхронный электродвигатель.
В настоящее время доля трудноизвлекаемых запасов углеводородов в России и в мире продолжает увеличиваться [1 - 3]. В связи с этим возрастает количество нефтяных месторождений с обводненностью 30...50 %, а на некоторых месторождениях обводненность достигает 95 % [4]. Для поддержания запланированного объема добытой нефти нефтедобывающие компании повышают производительность насосных установок, что приводит к увеличению потребляемой электроэнергии погружным электрооборудованием.
