CC BY
337
УДК 621.316.72
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАТИВНОГО УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 0,4-10 кВ
Э.Ю.Абдуллазянов1, А.Р.Ахметшин2
1ОАО «Сетевая компания», 420094, г. Казань, ул. Бондаренко, 3. 2Казанский государственный энергетический университет, 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51.
Рассматриваются способы увеличения пропускной способности линий электропередач для поддержания качества электроэнергии в соответствии с нормативными требованиями. Произведен анализ наиболее выгодного способа увеличения пропускной способности. Приведена диаграмма экономической эффективности использования ПАРН и ТВМГ. Выполнен расчет конкретных участков распределительной электрической сети на напряжения 0,4-10 кВ. Для приведенных участков определены наиболее эффективные способы обеспечения нормативного уровня напряжения. Ил. 10. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: качество электроэнергии; пропускная способность линий электропередач; компенсация реактивной мощности; вольтодобавочные трансформаторы; распределительные электрические сети.
CHOOSING THE OPTIMAL ENGINEERING SOLUTION TO PROVIDE REGULATORY VOLTAGE LEVEL IN DISTRIBUTION NETWORKS 0.4-10 kV E.Yu. Abdullazyanov, A.R. Akhmetshin
PLC "Grid Network Company", 3, Bondarenko St., Kazan, 420094. Kazan State Power University, 51, Krasnoselskaya St., Kazan, 420066.
The methods to increase the capacity of electric mains in order to maintain the quality of electric power in accordance with regulatory requirements are considered. The analysis of the most profitable way to increase the capacity is carried out. A diagram of cost-effectiveness of the use of SAVR (stations of automatic voltage regulation) and TVMG is presented. The calculation of specific sections of a distribution grid network for voltage 0.4-10 kV is performed. For the given sections the most effective ways to ensure the regulatory voltage level are determined. 10 figures. 6 sources.
Key words: quality of electric power; capacity of an electric main; reactive power compensation; booster transformers; distribution grid networks.
Одним из важнейших показателей качества электроэнергии (ПКЭ) является уровень напряжения, отклонение которого от нормативных значений ведет к нарушению работы и уменьшению срока службы электроприборов. При нарушении нормативных требований потребитель вправе потребовать от электросетевой компании возмещения ущерба и обеспечения нормативных ПКЭ. Отклонение уровня напряжения от нормативных значений происходит из-за большой протяженности линий электропередачи (ЛЭП), ежегодное увеличение потребителей электроэнергии ведет к тому, что ЛЭП, спроектированные по нормам электропотребления 1990-х годов, уже не обладают необходимой пропускной способностью. В связи с неблагоприятной экономической ситуацией актуальной задачей является обеспечение потребителей качественной электроэнергией с наименьшими затратами.
Возможны следующие способы увеличения пропускной способности ЛЭП:
- увеличение сечения провода;
- уменьшение передаваемой реактивной мощности;
- применение вольтодобавочных трансформаторов.
Оценку эффективности технических мероприятий по обеспечению нормативного уровня напряжения у потребителей удобно проводить, используя понятие "предельная протяженность ЛЭП". Под ней понимается такая длина электропередачи Ьпр, при которой напряжение U на вводах электроприемников не ниже минимально допустимой величины, что согласно [1] составляет 95%. Оценим величину Ьпр для стандартных сечений ЛЭП 0,4 и 10 кВ, где приняты само-
1Абдуллазянов Эдвард Юнусович, кандидат технических наук, заместитель генерального директора по инвестициям, тел.: 89046645714, e-mail:ahmetshin.ar@rambler.ru
Abdullazyanov Edvard, Candidate of technical sciences, Deputy Director for Investments, tel.: 89046645714, e-mail: ahmetshin.ar @ rambler.ru
2Ахметшин Азат Ринатович, инженер кафедры электроэнергетических систем и сетей, тел.: 89046645714, e-mail: ahmetshin.ar@rambler.ru
Akhmetshin Azat, Engineer of the Department of Electrical Power Systems and Networks, tel.: 89046645714, e-mail: ahmetshin.ar@ rambler.ru
несущие изолированные провода (СИП). Примем, что напряжение на подстанции ипс равно 105% от номинального. На рис. 1 представлена рассматриваемая расчетная схема "источник питания - потребитель".
Рис. 1. Схема замещения ЛЭП
Учитывая только продольную составляющую падения напряжения на линии электропередачи [2], получаем
Т _ иИ1МДЭП
(ипс иЫ1ЩОП)
ПР
РПОТ ' Г0 + (РПОТ ' ' Х
где имшдоп - минимально допустимое значение
напряжения, равное 95% от номинального; Рпот -активная нагрузка потребителя; tgф-угол нагрузки; г0 - погонное активное сопротивление провода, Ом/км; х0 - погонное реактивное сопротивление провода, Ом/км.
По результатам расчетов построены диаграммы изменения предельной протяженности линии (рис.2).
Как видно из рис. 2, переход от меньшего стандартного сечения к большему увеличивает пропускную способность пропорционально сечению провода. Однако чем больше длина электропередачи, тем меньше эффект от увеличения сечения. Для электропередачи длиной 10 км (рис.2,а) перевес провода АС-50 на АС-70 увеличивает пропускную способность на 604 кВт; если же длина провода 20 км, то эта замена приведет к увеличению пропускной способности ВЛ только на 329 кВт. Для электропередачи длиной 1 км (рис.2,б) перевес провода СИП 3х50 на СИП 3х70 увеличивает пропускную способность на 8 кВт; при длине провода 2 км замена приведет к увеличению пропускной способности ВЛ уже только на 4 кВт.
Уровень компенсации реактивной мощности также заметно сказывается на пропускной способности воздушной линии электропередачи (рис.3).
Из рис.3, а видно, что при уменьшении передаваемой реактивной мощности (РМ) увеличивается пропускная способность ЛЭП. В среднем при компенсации РМ до нуля для ЛЭП длиной 10 км пропускная способность увеличивается на 25,2%. Это показывает техническую целесообразность полной компенсации РМ для сети 10 кВ. Обратную картину можно увидеть на рис.3,б: изменение реактивной мощности от 0,35 до 0 дает несущественное изменение пропускной способности.
На линиях, не отработавших срок службы, в которых не обеспечивается ПКЭ удаленных потребителей (на длинных линиях), целесообразно устанавливать вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ) [3].
В настоящее время появилось новое отечественное электрооборудование, позволяющее решить проблему обеспечения нормативных показателей качества электроэнергии (ПКЭ) у потребителей РЭС. К такому оборудованию можно отнести пункты автоматического регулирования напряжения (ПАРН), выпускаемые компанией ЗАО "Инновационная Энергетика" для напряжений 10 кВ, а также вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ) типа ТВМГ, выпускаемые компанией ООО "СКЭ-Электро" и предназначенные к установке в сетях напряжением 0,4 кВ.
Рассмотрим целесообразность их применения на основе экономической оценки в сравнении с реконструкцией ЛЭП.
Применение ПАРН позволяет решить следующие задачи:
- увеличение пропускной способности существующих линий для подключения новых потребителей;
- передача электроэнергии по линиям 6 и 10 кВ на большие расстояния.
При включении ПАРН по схеме неполного треугольника (используются два ВДТ) диапазон регулирования напряжения составляет ±10%. При включении ПАРН по схеме полного треугольника (используются три ВДТ) диапазон регулирования напряжения составляет ±15% [3].
Рис.2. Изменение пропускной способности в зависимости от марки провода: а - для сети 10 кВ; б - для сети 0,4 кВ (1дф=0)
0.8 1 1.2 ¿пр, км
а б
Рис.3. Зависимость предельной длины линии от передаваемой мощности: а - для сети 10 кВ; б - для сети 0,4 кВ
Укрупненная стоимость ПАРН предоставлена изготовителем и показана на рис. 4. Стоимость реконструкции ВЛ 10 кВ будет составлять для Республики Татарстан 700 тыс. руб. за 1 км без НДС [4].
Из рис. 4 видно, что при условии регулирования напряжения в пределах ±10% и уровне номинального тока в месте установки ПАРН, не превышающего 100 А, экономическая эффективность использования ПАРН начинается с 4 км. В крайне тяжелом случае при падении напряжения у потребителя до 30% второй комплект ПАРН экономически целесообразно устанавливать и на ЛЭП, длиной превышающих 17 км.
Вольтодобавочные трансформаторы ТВМГ обеспечивают:
- регулирование напряжения в пределах +20% (заданное фазное напряжение, как правило, 230В);
- устранение асимметрии за 1-2 периода;
- повышение напряжения за 200 мс [5].
По рис. 5 можно определить экономическую целесообразность установки ТВМГ. При вариации параметров сети и нагрузки, как видно из рис.5, установка одного ТВМГ целесообразна на фидерах, превышающих длину 0,8 км, установка двух ТВМГ - 1,7 км, установка трех ТВМГ - 2,5 км. Средняя стоимость реконструкции ЛЭП на напряжение 0,4 кВ для Республики Татарстан равна 780 тыс.руб. за 1 км. Стоимость вольтодобавочных трансформаторов типа ТВМГ по данным производителя составляет 650 тыс. руб.
Для выявления особенностей использования вольтодобавочных устройств воспользуемся результатами анализа режимов одной из действующих электропередач (рис. 6), на которой после подключения нового присоединения изменился уровень напряжения на понизительных подстанциях.
Расчет режимов представленной электропередачи по фактическим нагрузкам производился с помощью
км
Рис.5. Стоимость реконструкции ВЛ 0,4 кВ и стоимость установки ТВМГ
Рис. 6. Однолинейная схема участка ЛЭП
программы РТП 3.1 [6]. Рассматривались следующие варианты:
1. Существующая схема.
2. Перевес провода на всем участке на СИП - 120.
3. Компенсация реактивной мощности до нуля на понизительных подстанциях.
4. Установка ПАРН из двух ВДТ.
Источником питания электропередачи являются шины 10 кВ подстанции №1 (рис.6).
В действующей схеме на участке ПС №1 - РП №1 используется провод марки АС-70, на остальных участках - А-50 и АС-50. Погонные сопротивления проводов приведены в таблице.
Погонные сопротивления проводов
По результатам расчета построена диаграмма изменения напряжения для рассматриваемых вариантов (рис. 7).
АС-50 А-50 АС - 70
г0, Ом/км 0.65 0.64 0.46
х0, Ом/км 0.297 0.297 0.283
2ОПОрЫ
Рис. 7. Изменение напряжения на участке ЛЭП: 1 - схема без изменения; 2 - перевес провода на всем участке на СИП - 120; 3 - компенсация реактивной мощности до нуля; 4 - установка ПАРН из двух ВДТ
Из рис.7. видно, что
- подключение нового потребителя приводит к недопустимому отклонению напряжения для конечных подстанций электропередачи;
- путем полной компенсации реактивной мощности до нуля напряжение в конце участка ЛЭП невозможно вывести на требуемый нормативными документами уровень;
- решить проблему с уровнем напряжения возможно при установке после опоры № 6 ПАРН, состоящего из двух ВДТ, или при перевесе провода на всей электропередаче.
Условием для дальнейшего выбора оптимального варианта являются наименьшие денежные затраты.
Суммарные затраты при реконструкции ЛЭП протяженностью 16,64 км с заменой опор и провода составляют:
ЗЛЭП = ((СЛЭП ЛЭП 'к.Т ) + СВЗС + + СПРАН + ССДС + СПЗ ) =
= ((700 • 16,64 • 1) + 232,96 +1281,28 +
+ 232,96 + 582,4 = 13978тыс.руб.,
где Слэп - базисные показатели стоимости одноцеп-
ной ВЛ переменного тока, тыс. руб./км; Ьлэп - длина
ЛЭП; кт- территориальный коэффициент; Свэс -
стоимость временных зданий и сооружений; Сшш -стоимость проектно-изыскательных работ и авторский надзор; Ссдо - стоимость содержания дирекции
строительства; Спз - стоимость прочих работ и затрат.
Базисные показатели стоимости реконструкции ВЛ 10 кВ, добавочные затраты, коэффициенты были выбраны по укрупненным показателям [4].
Затраты на установку ПАРН на номинальный ток 100 А (по данным производителя):
З = С + С =
ЗПАРН СПАРН ^ СПИР
= 3000 + 4000 = 7000 тыс.руб., где С^,н - стоимость оборудования; Спир - стоимости строительно-монтажных и проектно-изыскатель-ных работ.
Из расчетов следует, что для участка ЛЭП 10 кВ установка ПАРН в два раза дешевле, чем перевес провода. Таким образом, за счет установки ПАРН нормативный уровень напряжения восстановится у всех 13 понизительных подстанций.
Для определения экономической эффективности установки в сети 0,4 кВ вольтодобавочных устройств в качестве примера рассмотрен существующий участок ЛЭП на 0,4 кВ с низким качеством напряжения в конце линии. На участке 1-31 используется провод марки А-35, на отпайках - провод А-25. Длина линии от трансформаторной подстанции (ТП) до опоры № 31 составляет 1,271 км, общая длина - 2,7 км. Цифрами по всей протяженности ЛЭП обозначаются номера опор, среднее расстояние между которыми 41 м. Ток в каждой фазе на ТП в часы максимума не превышает 60 А. Схема участка ЛЭП приведена на рис.8. На рис.9 приведена диаграмма изменения напряжения в течение суток.
Рис. 8. Принципиальная схема ЛЭП от ТП до опоры 31
-+10% (437 В)
+5% (399 В) - 1'ном (380 В)
5% (361 В) -10% (342 В)
10:30
18:00
6:00
время, ч
Рис.9. Изменение напряжения наТП и у потребителя за сутки: а - напряжение на ТП; б - напряжение у наиболее отдаленного потребителя, опора 31
Анализ диаграммы (рис. 9) показывает, что на ТП напряжение завышено, а в конце фидера напряжение занижено. При этом отклонение напряжения от номинального значения составляет
и - и Ю = ином имт -100% =
U
НОМ
380 - 305
•100% = 19,7%.
380
Таким образом, отклонение напряжения в часы максимума у потребителей превышает в два раза предельно допустимое значение [1].
Соотношение напряжений показывает, что как ре-
Приведенный расчет показывает, что в нашем случае установка ТВМГ дешевле реконструкции ЛЭП.
В ряде случаев при большой отдаленности потребителей и небольшом количестве ТП возникает задача выбора установки ПАРН на напряжение 10 кВ или установки ТВМГ сразу после ТП на напряжение 0,4 кВ.
На рис.10 изображен график изменения стоимости на оборудование ТВМГ и ПАРН. Цена ПАРН не меняется, поскольку он устанавливается на напряжение 10 кВ и может обеспечивать нормативный уровень напряжения для нескольких десятков ТП. ТВМГ устанавливается на напряжение 0,4 кВ, его цена зависит от мощности и количества.
Из рис.10 видно, что при установке одного ТВМГ
Кол-во ТП, шт.
Рис.10. Стоимость ТВМГ и ПАРН: 1 - установка одного ТВМГ после ТП; 2 - установка двух ТВМГ после ТП
гулирование напряжения в центре питания, так и изменение коэффициента трансформации у трансформатора ТП не позволяют обеспечить одновременно отклонения напряжения в допустимом диапазоне на шинах 0,4 кВ ТП у потребителя. Поэтому возможны следующие варианты повышения напряжения: замена провода и установка вольтодобавочных трансформаторов типа ТВМГ.
Стоимость замены провода на СИП в сети 0,4 кВ:
Зп
= СЛЭП • ЬЛЭП = 780 •2,7 = 2,1 тысРУ б.
после ТП экономическая целесообразность установки ПАРН при условии 10% отклонения напряжения на стороне 10 кВ начинается при числе ТП равном 5 шт., при установке двух ТВМГ - 3 шт.
Вывод. Использование современных устройств продольного регулирования напряжения в сетях 10 и 0,4 кВ позволяет во многих случаях отказаться от дорогостоящей реконструкции ВЛ и обеспечить требуемый уровень напряжения у потребителей районных распределительных электрических сетей.
1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Гостсандарт, 1998. 32 с.
2. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии: учеб. пособие. Ростов-н/Д.: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2006. 720 с. (Серия «Высшее образование»).
ский список
3. Перинский Т.В., Родионов О.С. Повышение пропускной способности ВЛ 6-10 кВ // Новости Электротехники. 2007. №4.
4. Приложение к протоколу заседания Правления РАО «ЕЭС России» от 21.01.2008 № 1805пр
5. Сайт компании ООО "СКЭ - ЭЛЕКТРО". URL: http://www.ske-e1ectro.ru (дата обращения: 15.02.11).
6. Сайт компании ООО "Энергоэкспертсервис". URL: http://Www.rtp3.ru (дата обращения: 15.02.11).
