Какие проблемы возникают при передаче электрической энергии

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ, ПРОВАЛЫ, НЕСИММЕТРИЯ И ПРЕРЫВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Обычно сетевое напряжение отклоняется от номинального значения, в следующих случаях:
— Включение мощного потребителя (пуск мощного электродвигателя) или одновременное включение множества мощных потребителей (подключение в сеть нескольких электроустановок предприятия) чаще всего вызовет кратковременный провал напряжения, обусловленный большими пусковыми токами.
— Одновременная работа множества кондиционеров (при одновременном пуске могут вызвать еще и кратковременный провал напряжения) или электрообогревателей, включенных в сеть не предназначенную для большой нагрузки вызовут долговременное снижение напряжения.
— Обрыв нулевого провода. В этом случае нагрузка пары фаз оказывается включенной последовательно на напряжение 380 вольт, соответственно, если одна фаза была в несколько раз сильнее нагружена чем другая, то и напряжение на потребителях менее нагруженной пары превысит 220 Вольт будет стремиться к 380 Вольт (на практике как правило редко бывает больше 300 Вольт так как фазы нагружены относительно равномерно),
— Плохой контакт с нулевым проводом или при недостаточном сечении нулевого провода получается «перекос фаз» — напряжение на некоторых фазах выше номинального, а на некоторых ниже. Очень часто в старых щитках на лестничных площадках можно увидеть раскаленный докрасна болт, крепящий нулевой провод, его нагрев как раз и обусловлен плохим контактом.
— Перепутали нулевой и фазный провод при подключении потребителей к трехфазной сети, в этом случае потребителям на двух фазах поступят 380 Вольт вместо 220 Вольт.
— Обрыв и попадание нулевого провода на одну из фаз в воздушной линии.

В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напряжение электропитания равно 220 В (или 230 Вольт по последним стандартам, допустимы обе величины) (между фазным и нейтральным проводниками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 380 В (между фазными проводниками для трех и четырехпроводных трех фазных систем).
Медленные изменения напряжения электропитания (как правило, продолжительностью более 1 мин) обусловлены обычно изменениями нагрузки электрической сети. Показателями качества электроэнергии, относящимися к медленным изменениям напряжения электропитания, являются отрицательное и положительное отклонения напряжения электропитания в точке передачи электрической энергии от номинального / согласованного значения, %.
Установлены следующие нормы: положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

Перенапряжение: Временное возрастание напряжения в конкретной точке электрической системы выше установленного порогового значения.
Перенапряжения, как правило, вызываются переключениями и отключениями нагрузки. Перенапряжения могут возникать между фазными проводниками или между фазными и защитным проводниками. В зависимости от устройства заземления короткие замыкания на землю могут также приводить к возникновению перенапряжения между фазными и нейтральным проводниками. Перенапряжение рассматривается как электромагнитная помеха, интенсивность которой определяется как напряжением, так и длительностью. Длительность перенапряжения может быть до 1 мин.

Провал напряжения: Временное уменьшение напряжения в конкретной точке электрической системы ниже установленного порогового значения.
Провалы напряжения обычно происходят из-за неисправностей в электрических сетях или в электроустановках потребителей, а также при подключении мощной нагрузки. Провал напряжения, как правило, связан с возникновением и окончанием короткого замыкания или иного резкого возрастания тока в системе или электроустановке, подключенной к электрической сети. Провал напряжения рассматривается как электромагнитная помеха, интенсивность которой определяется как напряжением, так и длительностью. Длительность провала напряжения может быть до 1 мин. В трехфазных системах электроснабжения за начало провала напряжения принимают момент, когда напряжение хотя бы в одной из фаз падает ниже порогового значения начала провала напряжения, за окончание провала напряжения принимают момент, когда напряжение во всех фазах возрастает выше порогового значения окончания провала напряжения.

Прерывание напряжения: Ситуация, при которой напряжение в точке передачи электрической энергии меньше 5 % опорного напряжения.
Создаваемые преднамеренно прерывания напряжения, как правило, обусловлены проведением запланированных работ в электрических сетях. Случайные прерывания напряжения подразделяют на длительные (длительность более 3 мин) и кратковременные (длительность не более 3 мин). Ежегодная частота длительных прерываний напряжения (длительностью более 3 мин) в значительной степени зависит от особенностей системы электроснабжения (в первую очередь, применения кабельных или воздушных линий) и климатических условий. Кратковременные прерывания напряжения наиболее вероятны при их длительности менее нескольких секунд.

Несимметрия напряжений: Состояние трехфазной системы энергоснабжения переменного тока, в которой среднеквадратические значения основных составляющих междуфазных напряжений или углы сдвига фаз между основными составляющими междуфазных напряжений не равны между собой.
Несимметрия трехфазной системы напряжений обусловлена несимметричными нагрузками по требителей электрической энергии, несимметрией элементов электрической сети, обрывом нулевого провода.

ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения

ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009) Напряжения стандартные

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПО ЛИНИЯМ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

электрические сети / воздушная линия электропередачи / электрическая энергия / пропускной способности линии электропередачи / сверхвысокое напряжение / electrical networks / overhead power line / electrical energy / transmission line capacity / extra-high voltage

Аннотация научной статьи по технике и технологии, автор научной работы — Элчиева Малика Сайталиевна, Карыбекова Бермет Кенжекуловна, Бечелов Санжар

В статье рассмотрены вопросы проблемы в области передачи электроэнергии по линиям сверхвысокого напряжения и пути их решения

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE MAIN PROBLEMS IN THE FIELD OF TRANSMISSION OF ELECTRICITY THROUGH EXTRA-HIGH VOLTAGE LINES

The article deals with the issues of the problem in the field of transmission of electricity through ultra-high voltage lines and ways to solve them.

Текст научной работы на тему «ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПО ЛИНИЯМ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ»

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПО ЛИНИЯМ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Элчиева Малика Сайталиевна — к.э.н. доцент, Карыбекова Бермет Кенжекуловна — доцент, Бечелов Санжар — магистрант, Ошский технологический университет https://doi.org/10.5281/zenodo.7555067 Аннотация: В статье рассмотрены вопросы проблемы в области передачи электроэнергии по линиям сверхвысокого напряжения и пути их решения

Ключевые слова: электрические сети, воздушная линия электропередачи, электрическая энергия, пропускной способности линии электропередачи, сверхвысокое напряжение

THE MAIN PROBLEMS IN THE FIELD OF TRANSMISSION OF ELECTRICITY THROUGH EXTRA-HIGH VOLTAGE LINES Abstract: The article deals with the issues of the problem in the field of transmission of electricity through ultra-high voltage lines and ways to solve them.

Key words: electrical networks, overhead power line, electrical energy, transmission line capacity, extra-high voltage

Уровень развития и состояние энергетической системы Кыргызстана, как в целом, так и отдельных, составляющих ее частей, является основным показателем уровня развития, как самой электроэнергетической отрасли страны, так и государства в целом. Важной и неотъемлемой частью любого электроэнергетического комплекса страны являются его электрические сети и системы, выполняющие важную роль передачи электроэнергии от мест ее выработки к местам ее потребления.

В Кыргызстане, как и во всём мире, наблюдается постоянный рост потребления электроэнергии. В связи с этим, производство электроэнергии, так же имеют тенденцию к увеличению. Гидроэнергетический потенциал Кыргызстана высок (порядка 142 млрд. кВт.ч.). Его освоение является основной стратегией программы развития энергетики республики, которая располагает значительными гидроэнергетическими ресурсами. Недостаточное использование этих ресурсов (освоено около 10%) и постоянный прирост потребления электроэнергии внутри страны и за ее пределами, требует дальнейшего освоения их, с целью сохранения регионального электроэнергетического потенциала в условиях жесткой конкуренции на внешних рынках электроэнергетических поставок Проектирование и ведение в эксплуатацию новых мощностей укрепит потенциальные возможности кыргызской гидроэнергетики и в перспективе позволит рассматривать возможность крупномасштабного экспорта электроэнергии за рубеж. В тоже время Таджикистан, Казахстан и Китай уже начали и ведут интенсивные работы по наращиванию и увеличению своих электроэнергетических возможностей. В связи с этим можно говорить о создании уже в ближайшей перспективе жесткой конкуренции на внешних рынках электроэнергетических поставок. Кыргызстан должен удержать и сохранить свой региональный электроэнергетический потенциал.

В связи с этим растут и увеличиваются передаваемые мощности по линиям напряжением 500кВ, которые несут основную нагрузку при передаче электроэнергии с юга, где происходит основное ее производство, на север республики, который потребляет большую ее часть. И такая тенденция в динамике производства, потребления и соответственно передаче электроэнергии, согласно прогнозам, в ближайшем будущем будет не только сохранятся, но и набирать еще большие обороты с каждым годом. А значит прогнозируется и динамичный рост передаваемых мощностей по ВЛ, которые должны обеспечить передачу этих постоянно растущих мощностей с минимумом потерь при их транспортировке. При этом, основная нагрузка по транспортировке избыточной электроэнергии с юга, где на каскаде нарынских ГЭС вырабатывается более 90% всей электроэнергии страны, на север, который, в свою очередь, потребляет 2/3 всей производимой электроэнергии, ляжет на воздушные линии электропередачи (ВЛЭП), главным и ответственным звеном которых являются ЛЭП напряжением 500кВ. В Кыргызстане такими линиями являются ВЛ «Токтогульская ГЭС- Фрунзенская» протяженностью 207,3 км, введенная в эксплуатацию во второй половине прошлого века и ВЛ «Датка-Кемин», протяженностью 404 км, введенная в эксплуатацию в 2015г[4].

Поэтому перед энергосистемой республики возникает проблема покрытия, растущих с каждым годом, как собственных электроэнергетических потребностей, так и потребностей для увеличения экспорта электроэнергии за рубеж. Для решения этой проблемы республике требуется либо строительство новых высоковольтных ВЛ, либо модернизация уже существующих, с целью увеличения их пропускной способности. Строительство новых высоковольтных ВЛ напряжением 500кВ капиталоемкое мероприятие и связано со значительными капиталовложениями. К тому же отметим, что у каждой линии электропередач существует охранная зона, размер которой увеличивается с возрастанием класса напряжения линии. В охранной зоне запрещается строительство жилых домов, постоянное пребывание людей, строительство предприятий и т.д. А так как линии сверхвысокого напряжения довольно протяженные и имеют длину несколько сот километров, то под охранную зону попадают большие площади земли. Мероприятия по повышению пропускной способности уже существующих ВЛ менее затратные, и поэтому, экономически более целесообразны.

В связи с этим, уже в настоящее время, проблема увеличения пропускной способности, существующих магистральных воздушных линий электропередачи напряжением 500кВ приобретает свою актуальность. Воздушные линии электропередачи являются основным инструментом транспортировки электроэнергии. Поэтому, с целью повышения их пропускной способности для передачи по ним растущих мощностей на фоне постоянного роста энергопотребления внутри республики и за ее пределами требуется их модернизация. В связи с этим, проблема повышения пропускной способности ВЛ напряжением 500 кВ, как основных «транзитеров» электрической энергии, сохраняет свою актуальность и в настоящее время.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Воздушными линиями электропередач сверхвысокого напряжения (ВЛЭП СВН) принято называть линии, напряжение которых превышает 220 кВ [2]. Следовательно, к ним относятся все линии начиная с напряжения 330 кВ и выше. Таким образом линии напряжением 500 кВ являются составной частью ВЛ СВН. Поэтому, все свойства, которыми обладают и законы, которым подчиняются ВЛЭП СВН распространяются и на ВЛ напряжением 500 кВ. В связи с этим, в этом разделе все особенности передачи электроэнергии по ВЛ напряжением 500 кВ будут рассматриваться как для ВЛЭП СВН.

ВЛЭП напряжением 500кВ предназначены для передачи (транспортировки) электроэнергии больших объёмов на дальние расстояния, которые составляют от пары сотен до нескольких тысяч километров. При этом, чем выше класс напряжения передающей линии, тем большее количество электроэнергии и на большее расстояние она способна передать. Помимо транспортной функции (передача электроэнергии), ВЛ 500 кВ служат для обеспечения межсистемных связей между двумя электроэнергетическими системами.

В связи с этим, как сами ВЛ 500 кВ, так и передача по ним электроэнергии имеют ряд технических особенностей по сравнению с ВЛ, меньших классов напряжений которые необходимо учитывать при решении задачи повышения их пропускной способности. К техническим особенностям ВЛ напряжением 500 кВ относятся следующие:

1) наличие ничтожно малого активного сопротивления, вследствие чего в ВЛ 500 кВ реактивное сопротивление линии намного больше активного сопротивления;

2) способность вырабатывать зарядную мощность, в силу своей большой протяжённости и высокого напряжения, представляют собой конденсатор, так как имеют разность потенциалов между проводом и землёй, а диэлектриком между ними является воздух;

3) потери части активной энергии на коронный разряд;

4) невозможность включения ВЛ 500 кВ на холостой ход без компенсации ее зарядной мощности реакторами, иначе не скомпенсированная зарядная мощность вызовет двойное увеличения напряжения на конце линии и потечёт в генератор, выведя его из строя;

5) невозможность обеспечения нормального режима работы ВЛ 500 кВ без применения компенсирующих устройств в виде конденсаторных батарей и реакторов;

6) необходимость расщепления фазы на два и более проводов, в зависимости от напряжения линии для снижения потерь энергии на корону;

7) ВЛ 500 кВ имеют большую протяженность и ряд особенностей по обслуживанию и ремонту, поэтому такую линию не делают цельной. Она разбивается на участки по 200400 км путем установки на ней промежуточных подстанций, позволяющих установить на них компенсирующие устройства и отключать только повреждённую цепь, а не всю линию в целом[3];

8) к ним предъявляются повышенные требования по надёжности в работы, потому что по ним происходит питание большого количества потребителей и даже целых районов страны, поэтому во время ремонта отключение таких линий не происходит — все работы выполняются под напряжением; во время ремонта возможно отключение только одной фазы, оставляя в работе оставшиеся две;

9) ВЛ 500 кВ могут работать в неполнофазном режиме[2];

10) в процессе передачи электроэнергии по ВЛ 500 кВ в большей степени преобладает волновой характер, что означает передачу электроэнергии в виде электромагнитной волны, длина которой при частоте 50 Гц составляет 6000 км, при длине линии, равной длине волны, передача электроэнергии по ВЛ СВН имеет волновой характер.

При длине ВЛЭП СВН 3000 км или 6000 км передача электрической энергии по ней носит волновой характер и по ней можно передать наибольшую мощность. Объясняется это тем, что при такой длине линии, происходит взаимная компенсация ее индуктивного и ёмкостного сопротивлений, в результате чего результирующее реактивное сопротивление становится равным нулю, а ее собственное активное сопротивление имеет малую величину, поэтому полное сопротивление линии равное сумме активного и реактивного сопротивлений будет тоже иметь малую величину, вследствие чего линия способна передать максимальную мощность.

Стоит отметить, что следствием волнового характера передачи электроэнергии является разность (неодинаковость) значений напряжения в разных точках ВЛ, что так же является не желательным явлением и с которой приходится бороться различными техническими мероприятиями и электротехническими устройствами.

Передача электрической энергии по ВЛЭП 500 кВ осложняется возникающими в процессе передачи бегущими результирующими волнами тока и напряжения, каждая из которых состоит из суммы прямой и обратной волн. При этом в режиме передачи натуральной мощности, обратная волна практически отсутствует, а скорость распространения результирующей волны приближается к скорости света.

Еще одним обстоятельством, влияющим на пропускную способность линии 500 кВ является ее способность генерировать реактивную мощность, величина которой зависит от величины передаваемой по линии мощности. Поэтому, при решении проблемы повышения пропускной способности ВЛЭП 500 кВ необходимо рассматривать и учитывать баланс реактивной, влияющий на величину напряжения в линии. Режим работы ВЛЭП, когда генерируемая ею зарядная мощность равна нулю является идеальным режимом для работы ВЛЭП. Поэтому, при избытке зарядной мощности, носящей емкостной характер относительно индуктивной, для восстановления баланса, необходима компенсация этой зарядной мощности с помощью реакторов. Иначе, не скомпенсированная зарядная мощность приведет к сверхдопустимому увеличению напряжения на конце линии и дополнительно загрузит генератор реактивной мощностью, что может привести к выходу его из строя в результате возникшей перегрузки. В случае, когда в линии возникает недостаток реактивной мощности, аналогично возникает необходимость восстановления баланса по реактивной мощности путем подключения в линию батарей конденсаторов, иначе произойдет снижение величины напряжения ниже нормы на конце линии.

Решение проблемы увеличение пропускной способности линии электропередач сверхвысокого напряжения, в свою очередь, является не простой задачей, поскольку принцип работы воздушных линий электропередач сверхвысокого напряжения (свыше 220 кВ) отличается от принципа работы воздушной линии более низкого класса напряжения. В работе воздушных линий наблюдается следующая закономерность: чем выше класс напряжения линии и её длина, тем сильней выражены свойства линии, обусловленные волновым характером передачи электроэнергии. К тому же для линий сверхвысокого напряжения начинают накладываться требования по обеспечению статической и динамической устойчивости. Например, пропускная способность линии 35 кВ

ограничивается только нагревом её проводов и поэтому, в случае короткого замыкания или обрыва провода на ней, особых возмущений в системе не происходит. Но при коротком замыкании на линии 500 кВ или при обрыве провода на ней, возмущения в системе будут заметными. При этом пропускная способность линии 500 кВ уже не зависит от ограничений по нагреву её проводов, а определяется волновым характером передачи электроэнергии, балансом реактивной мощности в линии, статической и динамической устойчивостью. Поэтому, увеличение пропускной способности линии электропередач напряжением 500 кВ представляет из себя более сложную задачу [3].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Развитие современных электроэнергетических систем, как во всем мире, так и в Кыргызстане, непосредственно связано с проблемами технического и экономического характера.

К основным техническим проблемам на сегодняшний день стоит отнести ряд проблем, связанных с поиском решения таких актуальных вопросов, как повышение пропускной способности электропередач в целом, управления режимами энергосистем, обеспечения их статической и динамической устойчивости, снижения в них потерь мощности и энергии при передаче, а также уменьшения экологического влияния, связанного с сокращением полосы отчуждения земель под строительство новых линий электропередач.

В качестве основных экономических проблем на сегодняшний день стоит отметить проблемы снижения капитальных вложений на строительство ЛЭП, электрических сетей, подстанций и другие виды электроэнергетических объектов и, как следствие, проблему уменьшение всех эксплуатационных затрат в целом. Проблемы снижения потерь электроэнергии в сетях при ее передаче так же остаются актуальными.

Развитие энергосистемы республики и, связанного с этим, увеличения объемов производства и потребления электроэнергии влечет за собой увеличение дальности передачи электроэнергии. В связи с этим возрастают острота и сложность указанных проблем, вызванных необходимостью обеспечения требуемой энергетической безопасности Кыргызстана.

Для решения задачи по увеличению пропускной способности линии электропередачи сверхвысокого напряжения в электроэнергетике разработаны и применяются различные способы и мероприятия, которые можно разделить на две группы. К первой группе таких мероприятий относятся организационные мероприятия, в основе которых лежат мероприятия по регулированию режимов работы линии. Ко второй группе мероприятий по увеличению пропускной способности линии относятся технические мероприятия.

Для выбора и применения того или иного мероприятия по повышению пропускной способности линии электропередачи необходимо провести технико-экономический анализ, который покажет насколько эффективными будут выбранные мероприятия с технической и с экономической точки зрения.

1. Гидроэнергетический потенциал Кыргызстана высок (порядка 142 млрд. кВт.ч.). Только на реке Нарын и ее притоках можно построить еще 22 гидроэлектростанции с ежегодной выработкой электроэнергии более 30 млрд. кВт.ч., что открывает возможности крупномасштабного экспорта электроэнергии за рубеж.

2. Освоение собственного гидроэнергетического потенциала республики путем введения в эксплуатацию новых мощностей и крупномасштабного экспорта электроэнергии за рубеж, неизбежно приведет к увеличению передаваемой мощности по ВЛЭП 500кВ, которые являются главным звеном в электроэнергетической системе Кыргызстана.

3. Для передачи растущих мощностей требуется строительство новых высоковольтных ВЛЭП или модернизация уже существующих с целью увеличения их пропускной способности.

4. Строительство новых высоковольтных ВЛЭП напряжением 500кВ капиталоемкое мероприятие и связано со значительными капиталовложениями, а мероприятия по повышению пропускной способности уже существующих ВЛ менее затратные, и поэтому, экономически более целесообразны.

5. Актуальность проблемы увеличения передаваемых мощностей по воздушным линиям электропередачи ставит перед энергосистемой Кыргызстана задачу увеличивать передаваемые мощности электроэнергии по уже введенным в эксплуатацию ВЛ напряжением 500кВ за счет улучшения их пропускной способности.

1. Александров Г. Н. Передача электрической энергии [Текст]/ Г.Н.Александров.//-2-е изд.-СПб.: Изд-во Политехн.ун-та,2009.-412с.

2. Веников, В.А. Дальние передачи переменного и постоянного тока [Текст]: Учебное пособие для вузов // Веников, В.А., Ю.П. Рыжов. -М.: Энергоатомиздат, 1985-320с.

3. Кочкин В. И. Новые технологии повышения пропускной способности ЛЭП // Новости Электротехники. — 2007. — № 3. — С. 45.

4. Сыдыков Б.К. Энергетическая безопасность Кыргызской Республики. -Б.: «Алтын принт».2011.-188с.

Современные технологии повышения качества электроэнергии

Технологические процессы любого производства в значительной мере зависят от качества электроэнергии. В общем случае низкое качество электроэнергии может быть охарактеризовано как любые изменения в энергоснабжении, приводящие к нарушениям нормального хода производственного процесса или к повреждению оборудования, трансформаторов, электродвигателей.
От чего зависит качество электроэнергии при ее передаче и распределении, какие современные способы его повышения распространены в мире, на каких технологиях и принципах они базируются – об этом в материале одного из ведущих французских специалистов в области силовой электроники Жака Куро.

Жак КУРО, технический директор сектора силовой электроники компании AREVA T&D, Франция
Основой достижения высокого качества электроэнергии, с целью улучшения условий жизни населения и повышения эффективности производства являются три составляющие: производство электроэнергии высокого качества, бесперебойная передача и распределение по надежным сетям. В настоящей статье рассматриваются только передача и распределение, так как перечисленные моменты проявляют растущую тенденцию к взаимопроникновению из-за развития децентрализованного производства электроэнергии. Мы остановимся на вопросах качества напряжения. Конечно, в таком виде описание будет неполным, поскольку бесперебойность электроснабжения также является одним из основных параметров общей концепции качества электроэнергии. Но это тема, заслуживающая отдельного разговора.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ВОЗМУЩЕНИЙ

Возмущения, снижающие качество напряжения, могут возникать как при передаче, так и при распределении электроэнергии.

Возмущения при передаче

Из-за значительной протяженности воздушные линии электропередачи подвержены воздействию атмосферных явлений. Различные виды разрядов атмосферного электричества (молний) являются причинами различных типов возмущений, бросков, посадок сетевого напряжения, полного прекращения подачи электроэнергии. Длительность и степень возмущений зависят от структуры сети и времени, необходимого на ее реконфигурацию. Причины возникновения перенапряжений из-за ударов молний обычно рассматриваются как внешние по отношению к сети.
Другие виды возмущений возникают в процессе управления сетью, при сбросах или неожиданных нарастаниях нагрузки. Хотя последний вид возмущений достаточно редок, поскольку обычно крупные нагрузки подключаются к сети постепенно. Это не относится к внезапным сбросам нагрузки, которые зачастую являются следствием аварий.
Внутрисетевые источники возмущений:
• Резонанс. Сюда относятся характерные для данной сети колебания или колебания, возникающие между различными элементами сети, например, фильтрами. Разумеется, для их предотвращения принимаются все возможные меры, но они могут временно возникать при изменениях конфигурации сети.
• Неустойчивость при передаче. Наиболее часто она связана с углом передачи d (или внутренним углом, или транспортным углом). Возможно также возникновение подсинхронных колебаний, что может оказать катастрофическое воздействие на силовые генераторы электростанций.
• Феррорезонанс. Нелинейные колебания, возникающие при насыщении силовых или измерительных трансформаторов.
• Коммутации. Перенапряжения возникают вследствие подключения или отключения элементов сети, фильтров, конденсаторных батарей или трансформаторов.
• Повреждения «фаза/земля».

Возмущения при распределении

Сейчас мы имеем дело со всё возрастающим количеством электрических нагрузок, ухудшающих качество энергии в сети как на бытовом, так и на промышленном уровне, и с активной деятельностью по стандартизации качества энергии. Последняя тенденция весьма не однозначна, так как на начальном этапе она приводит к штрафным санкциям по отношению к производителям и даже к потребителям, в то время как организации, занятые распределением энергии, как правило, не несут никакой ответственности в отношении мощности короткого замыкания или структуры полного сопротивления сети.
Силовая электроника вызывает ухудшение качества энергии, но по сравнению с другими видами преобразования она характеризуется наличием собственных средств борьбы с этим ухудшением.
В течение многих лет пассивные фильтры использовались в связке с высокомощными тиристорными или диодными преобразователями.
Сейчас на рынке появились запираемые электронные элементы – IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), GTO (запираемый тиристор) или IGCT (запираемый тиристор с интегрированным блоком управления), которые сделали возможным производство преобразователей, способных повышать качество энергии. Стали реальностью активные фильтры для низких напряжений, доказана возможность их применения на средних напряжениях, и эта технология в ближайшие годы будет активно развиваться.
Ухудшение качества электроэнергии не сводится только к гармоникам. Сюда же входят изменения напряжения, посадки напряжения и возмущения, связанные с колебаниями напряжения, называемые «мерцанием» или «фликкер-эффектом», с частотой от 1 до 30 Гц и максимумом возмущений при частоте 9 Гц. Электроника больших мощностей в состоянии предложить решения по борьбе с последними тремя видами возмущений.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ

Коротко говоря, при передаче энергии возникают три основные проблемы:
• устойчивость передачи, в значительной степени связанная с величиной транспортного угла;
• контроль напряжения и рост напряжения при отсутствии нагрузки;
• подсинхронный резонанс, который может привести к выходу из строя генераторных установок электростанций.
Строительство новых линий электропередачи связано со значительными затратами и часто попросту невозможно по причинам экологического характера. Поэтому приходится увеличивать мощность энергии, передаваемой по существующим линиям, в основном за счет увеличения силы тока. Это достижимо только при следующих условиях:
• отсутствие тепловых ограничений;
• наличие надежного управления распределением потоков энергии между линиями, питающими определенную местность.
При соблюдении этих условий можно производить повышение передаваемой мощности в режиме максимальной надежности, оставаясь в пределах допустимой устойчивости, т.е. при значениях транспортного угла, не превышающих 40o. Для управления величиной транспортного угла используются различные устройства, например, поперечные (шунтирующие) компенсаторы и продольные компенсаторы.

Продольная компенсация

Линии высокого напряжения имеют индуктивное сопротивление, и чем выше падение напряжения на нем, тем выше транспортный угол. Идея увеличения передаваемой мощности проста. Величина индуктивного сопротивления должна компенсироваться последовательно включенной емкостью. В настоящее время используется несколько конструктивных решений.
Конденсатор постоянной емкости (рис. 1)
Рис. 1 Конденсатор постоянной емкости

Рис. 2 Конденсаторная батарея с тиристорным переключением

Рис. 3 Конденсаторная батарея с тиристорным управлением

Степень компенсации постоянна. Этот принцип позволяет повышать передаваемую по линии мощность, пока не будут достигнуты ограничения по тепловыделению. Такие системы не способны подавлять появление подсинхронных колебаний генераторов электростанций, наоборот, при таком способе компенсации могут создаваться условия, благоприятные для их возникновения.
Конденсаторная батарея с тиристорным переключением (рис. 2)
Степень компенсации изменяется ступенчато. Все замечания к решению на рис. 1 остаются справедливыми и для этого решения.
Конденсаторная батарея с тиристорным управлением (рис. 3)
Степень компенсации регулируется практически в любых пределах. Это решение также позволяет управлять стабильностью передачи и подавлять возникновение подсинхронных колебаний. Тиристоры работают в режиме подстройки фазы. Модуль TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor – конденсаторная батарея с тиристорным управлением) в процессе работы представляет собой либо конденсатор переменной емкости, либо дроссель переменной индуктивности. Однако переключение из режима емкости в режим индуктивности и обратно невозможно без промежуточного отключения из-за резонансных явлений.
Модули TCSC обычно обладают достаточной динамикой для подавления подсинхронных колебаний.
Поперечная компенсация
Устройство, включенное в среднюю точку линии и способное поглощать и возвращать реактивную мощность, обеспечивает постоянство напряжения в этой точке. При этом транспортный угол снижается вдвое и соответственно может быть увеличена передаваемая мощность.
Такие устройства были разработаны более 30 лет назад. Решение состоит в подключении к линии емкости, а параллельно ей – регулируемого устройства, способного компенсировать избыточную реактивную мощность для поддержания постоянного значения напряжения в точке подключения (рис. 4).

Рис. 4 Схема устройства поперечной компенсации в линии

I(t)Frms – действующее значение тока;
Urms – действующее значение напряжения;
L – индуктивность реактора;
С – емкость батареи конденсаторов;
w – угловая частота;
b – угол пропускания тока;
QC – мощность конденсаторной батареи;
QL – мощность реактора;
QSVC – мощность статического тиристорного компенсатора

Рис. 5 Схема установки SVC

Рис. 6 Зависимость мощности от угла

Vs – напряжение источника;
Vr – напряжение приемника;
X – реактор, имеющий чисто индуктивное сопротивление

Индуктивность изменяется за счет использования тиристоров. Такие системы называются SVC (Static VAR Compensator) – ССКРМ (система статической компенсации реактивной мощности).
Статический контактор, управляющий силой тока в реакторе, генерирует в сети гармоники. Это послужило первой причиной для организации емкостей в систему фильтров. Существуют и другие причины, связанные со структурой сети, в основном с возникновением параллельного резонанса, из-за наличия емкостей в установке SVC.
В общем виде схема установки SVC показана на рис. 5. В нее входят цепь управления реактором TCR (Thyristor Controlled Reactor – реактор с тиристорным управлением) и цепь ступенчатого подключения элементов конденсаторной батареи TSC (Thyristor Switched Capacitor – конденсаторная батарея с тиристорным переключением).
По причинам экономического характера часто бывает затруднительно установить фиксированную значительную емкость. Это потребует также установки модуля TCR большой мощности. Поэтому используют несколько конденсаторных батарей. TSC могут подключаться или отключаться по отдельности, а TCR значительно меньшей мощности обладает функцией «верньера» для обеспечения постоянного управления реактивной мощностью.
Необходимо отметить, что сетевые SVC обычно обладают достаточной динамикой для того, чтобы подавлять возникновение подсинхронных колебаний. Когда в сети отсутствует нагрузка, из-за распределенной емкости линии происходит рост напряжения. Для его ограничения необходимо осуществлять поглощение реактивной мощности. Именно поэтому установки SVC часто проектируются с учетом необходимости служить и поглотительными устройствами.

Фазосдвигающий трансформатор

Угол (между напряжениями) является важнейшим параметром регулирования мощности (рис. 6).
Фазосдвигающие трансформаторы используются начиная с 80-х годов для управления энергопотоками в сетях. В связи с сокращением государственного вмешательства в управление энергосетями, с развитием торговли электроэнергией и связей между энергосистемами различных стран, в настоящее время задача управления энергопотоками становится особенно актуальной.
Зависимость величины передаваемой мощности P от угла сдвига фаз, обеспечиваемого фазосдвигающим трансформатором, выражается следующим образом:
P = V2/X • sin.
Регулирование угла сдвига фаз позволяет управлять активной мощностью. При дальнейшем усложнении технологии возможно регулирование и амплитуды, что позволяет управлять реактивной мощностью. На рис. 7 показана схема фазосдвигающего трансформатора.
Рис. 7 Схема фазосдвигающего трансформатора

Рис. 8 Принцип работы FACTS

Современные FACTS
(Гибкие системы передачи энергии переменного) тока
Рис. 9 Схема STATCOM

Системы FACTS появились около 15 лет назад. Предпосылками их разработки послужило появление на рынке запираемых электронных компонентов высокой мощности – IGBT, GTO, IEGT.
До сих пор широко применяются классические системы FACTS, основанные на использовании тиристоров (управление по току). Современные системы FACTS используют компоненты, которые могут управляться командами по напряжению. Важнейшее свойство FACTS – их способность поглощать или возвращать реактивную мощность – показано на рис. 8.
На рисунке V0 – напряжение вторичной обмотки трансформатора, Vg – основная гармоника напряжения на выходе преобразователя. Преобразователь управляется в режиме PWM (Pulse Width Modulation – широтно-импульсной модуляции – ШИМ). Это оправдывает наличие фильтра между преобразователем и сетью.
Напряжение сети V0 и напряжение на выходе преобразователя находятся в фазе. Возникновение любого различия между этими напряжениями вызывает падение напряжения на соответствующем реакторе продольной компенсации, также совпадающее по фазе с напряжением сети (UL). Знак этого напряжения соответствует знаку разности V0 – Vg. Результирующий ток IL имеет сдвиг относительно этого напряжения на 90°.
При Vg < V0 система работает в индуктивном режиме, при Vg >V0 – в емкостном.
В соответствии с описанной структурой разрабатывались и уже применяются современные устройства продольной и поперечной компенсации.

Поперечная компенсация – STATCOM
(STATic synchronous COMpensator – Статический синхронный компенсатор)

Хотя компенсаторы STATCOM (рис. 9) способны поглощать и возвращать реактивную мощность Q, их применение обычно ограничивается статической компенсацией по причинам экономического характера.
Обычно Qmax = QF + QSTATCOM и Qmin = QF – QSTATCOM, причем QSTATCOM несколько выше величины QF, чтобы обеспечить возможность поглощения реактивной мощности при отсутствии нагрузки в сети.
Когда напряжение в точке подключения остается постоянным, компенсатор STATCOM ведет себя как компенсатор SVC. Однако в режиме ограничения мощности компенсатор STATCOM становится источником тока, тогда как компенсатор SVC приобретает свойства конденсатора. Компенсаторы STATCOM могут также вести себя как активные фильтры. Разумеется, за дополнительную функциональность компенсаторов STATCOM приходится и дополнительно платить.
Среди множества функций этих компенсаторов классическими являются следующие:
• регулирование напряжения путем поглощения или возврата реактивной мощности;
• подавление подсинхронных колебаний.
При снижении напряжения SVC ведет себя как конденсатор, и реактивная мощность падает пропорционально квадрату напряжения. Система STATCOM в такой же ситуации переходит в режим постоянного источника тока. Напряжение на выводах конденсатора может поддерживаться постоянным.

Продольная компенсация – SSSC
(Static Synchronous Series Compensator – Статический синхронный продольный компенсатор)

В этих системах удается исключить недостаток систем TCSC (конденсаторная батарея с тиристорным управлением), состоящий в невозможности плавного перехода от емкостного режима к индуктивному.
SSSC (рис. 10) может возвращать только реактивную мощность, за исключением случаев, когда контур постоянного тока получает подпитку от накопителя энергии.
В распределении энергии используется этот же принцип, который получил название DVR (Dynamic Voltage Restorer – система динамического восстановления напряжения), хотя по функциональности они несколько отличаются. Здесь целью является поддержка сети в отношении ее наиболее уязвимых потребителей при кратковременных возмущениях. Мощность имеющихся на рынке установок DVR не превышает 1 МВА.

Рис. 10 Схема SSSC

Рис. 11 Схема UPFC

Универсальная компенсация – UPFC
(Unified Power Flow Controller – Унифицированная система управления энергопотоками)

Мощности систем STATCOM и других типов SSSC настолько высоки, что использование их без применения накопителей энергии достаточной емкости затруднительно. Если такая возможность отсутствует, мы должны быть в состоянии управлять величиной транспортного угла, как в случае использования фазосдвигающего трансформатора, но со значительно более высоким быстродействием. Система UPFC воплощает эту мечту в реальность без использования какого-либо накопителя энергии. Система UPFC представляет собой не что иное, как объединение систем STATCOM и SSSC (рис. 11).
Это наиболее сложная из систем FACTS. Она позволяет осуществлять следующие функции:
• непосредственное управление напряжением. Сложение или вычитание напряжений, фазированных узлом поперечной компенсации. Эти действия производятся над реактивной мощностью;
• поперечный компенсатор – путем управления поперечным преобразователем с переводом последнего в режим поглощения или возврата реактивной мощности. Напряжение должно поддерживаться постоянным;
• продольный компенсатор: путем добавления последовательного напряжения, со сдвигом на 90o по отношению к току связи. При этом необходимо управлять выходным напряжением и реактивной мощностью на выходе;
• фазосдвигающее устройство: если величина и фаза продольного напряжения таковы, что при поддержании такого же напряжения на выходе модуля оно уменьшает величину сдвига фаз по отношению ко входу. Это имеет важное значение при управлении передаваемой активной мощностью.
Или, наконец, одновременное использование всех функций – число степеней свободы системы позволяет это делать, – когда необходимо управлять и реактивной, и активной мощностью.
Преимущества системы UPFC очевидны. Хотя в настоящее время система не особенно распространена, в ближайшие годы эта технология будет активно развиваться, в основном в городах, где особенно сложно осуществить строительство дополнительных линий. Число систем UPFC, которые находятся в эксплуатации на сегодняшний день, можно пересчитать по пальцам одной руки. Одна система UPFC мощностью 2х160 МВА находится в эксплуатации с 1998 года в системе усиления, состоящей из двойной ЛЭП 135 кВ от АЭС в США. Она позволяет повысить передаваемую мощность на 100 МВт.
В следующем номере журнала Жак Куро остановится на проблемах распределения электроэнергии. Он рассмотрит технологии восстановления нагрузки, устранения флуктуации напряжения, способы компенсации посадок напряжения, вопросы выбора напряжения промышленной распределительной сети.

Рис. 2. Различные виды изменений напряжения в сети

1 Медленные изменения
2 Резкое изменение (скачок)
3 Флуктуации
4 Допустимые изменения
5 Глубина посадки
6 Остаточное напряжение при посадке
7 Длительность посадки
Естественно, что принимаемое решение зависит от типа сети и вида подключенных потребителей. Если величина флуктуаций напряжения не выходит за рамки допустимых пределов, совершенно ясно, что никакой коррекции проводить не требуется. Возможны медленные изменения напряжения, выходящие за эти рамки. Это, скорее, проблема энергоснабжающей компании, чем потребителя, связанная с длиной линии, недостаточной мощностью короткого замыкания (мощностью источника). Посадки напряжения также относятся к вопросам энергоснабжающей компании и связаны с задержками в отключении коротких замыканий и отказами оборудования. Флуктуации напряжения, с другой стороны, происходят в основном из-за плохого согласования мощности источника с быстро изменяющейся в ходе производственных процессов нагрузкой у потребителей.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НАГРУЗКИ (САМОЗАПУСК)

Восстановление электроснабжения нагрузки (например, после АВР), более известное как самозапуск, создает значительные токи. Уровень напряжения при этом снижается, что может оказывать серьезное влияние на устойчивость работы всей сети.
При снижении напряжения некоторые потребители сохраняют уровень потребляемой мощности, что приводит к росту потребляемого тока. Типичным примером являются асинхронные электрические машины (рис. 3). При снижении напряжения их скорость сохраняется постоянной, что приводит к росту потребляемого тока. При возвращении напряжения к нормальному значению наблюдается рост потребляемого тока за счет протекания переходных процессов.

Рис. 3. Асинхронный двигатель и посадка напряжения

1 Асинхронный двигатель и посадка напряжения
2 Напряжение
3 Ток

ОЦЕНКА ПОСАДОК НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Изменения напряжения в сети происходят из-за изменений не столько активной, сколько реактивной мощности.
Приведем почти точную формулу относительного изменения напряжения (по отношению к напряжению холостого хода распределительной сети) согласно рис. 4.

Рис. 4. «Почти точная» формула расчета посадки напряжения

Е – напряжение источника;
V – напряжение;
DV – отклонение напряжения;
Scc – мощность короткого замыкания;
Р – активная мощность;
Q – реактивная мощность;
tg j – угол между током и напряжением;
Х – индуктивное сопротивление;
R – активное сопротивление.

SCC представляет собой мощность короткого замыкания, а tg обычно имеет значение в пределах от 7 до 10. На уровне распределения это в основном изменение напряжения, вызванное изменением нагрузки, которое можно оценить, используя формулы:

Если SCC превышает значение выражения Q1 – P1 / а tg , можно записать:

На первом этапе точность, обеспечиваемая этой формулой, часто считается удовлетворительной. С целью избежать перегрузки сетей (линий, трансформаторов, другого оборудования), которые испытывают основные нагрузки,всегда поощрялось стремление пользователей компенсировать использование реактивной мощности. В таких случаях следует устанавливать пассивное компенсирующее оборудование, состоящее в основном из конденсаторных батарей с подстроечными дросселями, иногда с демпфирующими резисторами для гашения параллельного резонанса. Начиная с 1987 г., например, потребление реактивной мощности, разрешенное EDF (Electricite de France – французской сетевой компанией), ограничено величиной

Более того, EDF выставляет счета за избыточное использование реактивной мощности. В Бельгии это ограничение составляет

Необходимо отметить, что фиксированная компенсация не оказывает влияния на изменения напряжения, вызванные флуктуациями реактивной мощности. Если уровень фиксированной компенсации слишком велик по отношению к минимальному расходу реактивной мощности, возникает риск избыточной компенсации, которая может привести к повышению напряжения у потребителей.
Для мало меняющихся нагрузок в прошлом часто использовались синхронные компенсаторы, синхронные электрические машины с перевозбуждением, способные генерировать реактивную мощность. С течением лет, с ростом динамики процессов и ужесточением требований к стабильности сетей, получили распространение средства статической компенсации – системы SVC и STATCOM, о которых мы рассказывали в первой части материала.

ФЛУКТУАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ

Для стабилизации напряжения распределительных сетей используются те же средства, что и в сетях передачи, хотя цели их применения несколько различаются. Встает вопрос об управлении напряжением и повышении коэффициента мощности. Сложности в основном возникают из-за быстро меняющихся нагрузок, таких, как прокатные станы, сварочные агрегаты и более всего дуговые печи. На рис. 5 приведен характерный пример обобщенной распределительной сети с возмущениями, которые устраняются с помощью установки SVC. На рисунке показаны конденсаторы, установленные в составе фильтров для подавления гармоник; емкость конденсаторов подобрана таким образом, чтобы возвращать реактивную мощность, необходимую для поддержания заданного значения tg j; имеется также поглотитель (TCR-дроссель с тиристорным управлением), предназначенный для компенсации избыточной емкости в необходимых случаях. Ясно, что для поддержания постоянного значения напряжения в сети или хотя бы для исключения изменений, поступление реактивной мощности в распределительную сеть должно быть нулевым или постоянным.

Рис. 5. Пример обобщенной распределительной сети с возмущениями, которые устраняются с помощью установки SVC

1 Сетевые гармоники
2 Гармоники, порожденные поглотителем
3 Гармоники, порожденные нагрузкой
4 Ток фазы
5 Нагрузка
6 Поглотитель (переменный)
7 Фильтр (постоянный)
8 Переменная нагрузка

ФЛИККЕР-ЭФФЕКТ

Проблемы, вызываемые изменениями напряжения, известны под названием фликкер-эффекта (мерцания). Этот эффект определяется Pt (дозой фликкера). Следует напомнить, что Pt не является ни мгновенной, ни средней величиной. Это оценка серьезности проблем, вызываемых фликкер-эффектом, а не самого фликкер-эффекта. Необходимо отметить, что ни одна из существующих ныне рекомендаций по предварительной оценке фликкер-эффекта не является полностью удовлетворительной.
UIE разработала международный измеритель фликкер-эффекта, который использует два критерия для оценки его серьезности: PSt – кратковременную дозу фликкера и PLt – длительную дозу фликкера. Этот прибор, таким образом, основан на моделировании, использовавшемся в ходе исследований, и на контрольных измерениях.
Уровень фликкер-эффекта был стандартизован включением в спецификацию рекомендаций IEC 868 (таблицы 1 и 2). Это мгновенное измерение флуктуаций напряжения в диапазоне частот 0,5–35 Гц со взвешиванием по методике «lamp-eye».
После этого полученное таким образом значение уровня фликкер-эффекта подвергается анализу (расчет PSt и PLt) для проведения статистической обработки, которая и позволяет оценить серьезность воздействия фликкер-эффекта. На этом этапе статистический подход позволяет вывести функцию, отражающую корреляцию между видимым уровнем фликкер-эффекта и соответствующими долями его длительности. Серьезность воздействия фликкер-эффекта рассчитывается для стандартных промежутков времени (10 мин для коротких возмущений и 2 часа для длительных возмущений).
Проведенные в Европе, США и Японии исследования промышленных установок, включая дуговые печи, показали, что использование систем SVC позволяет снизить PSt до 1,5–2,6. Этот диапазон эффективности сильно зависит от мощности печи, мощности короткого замыкания, проведенной оптимизации и от качества управления.
Обычно используют несколько формул. Все они, естественно, включают мощность короткого замыкания печи (SCCF) и сети (SCCR) в общей точке подключения. Формулы эти имеют двойственное происхождение, теоретическое и эмпирическое. В них входят эмпирические коэффициенты, значения которых определяются на основе опыта пользователя.
Первая серьезная попытка оценить проблемы, вызываемые фликкер-эффектом, была предпринята в Японии на основе критерия, который используется иногда и теперь: v10.
Можно установить зависимости этого критерия с изменениями напряжения в сети v10 = vmax/3,6 и с максимальной PSt:
PSt = 3 • v10, v10 выражается в %; следовательно, максимальную PSt можно выразить следующим образом:

где d – эмпирический коэффициент, имеющий значения в интервале 1-1,3.
Для PSt 99% также можно вывести формулу для оценки фликкер-эффекта от дуговой печи в общей точке подключения Pcc:

где KSt – типичное значение (50–85) коэффициента передачи для расчета PSt.
Если максимальное изменение реактивной мощности не превышает мощности короткого замыкания печи, то обе формулы становятся практически идентичными.
Расчеты PSt по этим формулам показывают, что параметры SVC тесно связаны с мощностью короткого замыкания сети в точке общего подключения. Используя TCR (реактор с тиристорным управлением), мы можем управлять реактором и косвенно конденсатором.
Восстановление баланса сети в этом случае становится возможным независимо от величин P и Q одной фазы, только за счет воздействия на активную и реактивную мощность.
На рис. 5 показано снижение величины PSt промышленной установки при наличии SVC (внизу) по сравнению с работой без SVC (вверху). Из рисунка хорошо видно улучшение ситуации в сети, при этом возникает и прирост производительности дуговой печи. Достигается снижение уровня фликкер-эффекта почти в 2 раза.

Рис. 6. Снижение величины PSt промышленной установки

1 Значения PSt для дуговых печей
2 Значения PSt для дуговых печей с SVC
3 Число измерений

Вряд ли можно достигнуть большего при использовании классической тиристорной SVC. Это в основном связано с тем, что при определении PSt для оценки фликкер-эффекта принимали во внимание только достаточно высокие частоты (20–35 Гц). Однако часто возникает необходимость добиться снижения фликкер-эффекта в 4 раза. В этих условиях наиболее простым решением является увеличение мощности короткого замыкания. Но повышение SCC не всегда дается легко. Если необходимо строительство новых линий, это решение может оказаться весьма дорогостоящим.
Отсюда возникает предложение по использованию систем STATCOM. Обладая более высоким по сравнению с SVC быстродействием, они способны компенсировать быстрые изменения нагрузки. Поскольку стоимость систем STATCOM существенно выше, чем систем SVC, были предложены гибридные решения (рис. 7):
– мощность от 70 до 80% обеспечивается классическим SVC;
– мощность от 20 до 30% – обеспечивается STATCOM.

Рис. 7. Схема промышленной установки с системами SVC и STATCOM

1 Высокочастотный фильтр
2 От 70 до 80% мощности
3 От 20 до 30% мощности

Это решение разработано недавно, для того чтобы можно было оценить его эксплуатационные характеристики, однако оно явно имеет большое будущее. Для дуговой печи мощностью 100 МВА необходим источник регулируемого напряжения мощностью 20–30 МВА, основанный на IGBT или GTO. Мощность судовых силовых установок составляет около 20 МВт. В нефтехимии используются установки парового крекинга мощностью 30 МВт. Эти цифры характеризуют возможные направления промышленного применения такого решения

КОМПЕНСАЦИЯ ПОСАДОК НАПРЯЖЕНИЯ

Для защиты маломощных потребителей ответственного назначения всегда возможно применение автономных преобразователей. Проблема осложняется при более высоких потребляемых мощностях, достигающих сотен киловатт и даже десятков мегаватт (например, вариаторы скорости в нефтехимической промышленности).
Поскольку для обеспечения бесперебойного течения технологического процесса при отключении электроэнергии всегда требуются накопители энергии, было бы глупо думать, что используемые в настоящее время обратные преобразователи способны хранить количество энергии, достаточное для компенсации посадок напряжения, длительность которых превышает несколько миллисекунд.
Для того чтобы обеспечить 1 МВт в течение одной секунды при снижении напряжения на 100 В за счет преобразователя напряжения мощностью 1 МВт с промежуточным напряжением 800 В постоянного тока, он должен иметь батарею конденсаторов емкостью 10 фарад, что абсолютно нереально. Необходимо искать другие решения. Некоторые их них относительно универсальны, поскольку действуют на уровне сети, остальные обусловлены типом технологического процесса потребителя.

ШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Использование шин постоянного тока имеет две причины: развитие преобразователей напряжения и необходимость уменьшить загрязнение внутренней сети предприятия гармониками. Эта технология получила наибольшее распространение в металлургии и бумажной промышленности. Если возникает необходимость перераспределять энергию между различными приводами, участвующими в производственном процессе, логично найти такое решение, которое позволит производить перераспределение без выхода в сеть переменного тока, что исключит загрязнение последней.
Рис. 8 иллюстрирует принцип действия шин постоянного тока. Некоторые установки включают в себя до 20 приводов, объединенных только общим конечным продуктом, например, листовым металлом. Последствия сбоя электроснабжения в таком случае весьма тяжелы. Только на удаление испорченного при отключении продукта из установки может потребоваться несколько часов. Следовательно, необходимо иметь хотя бы минимальный запас энергии, которая должна быть доступна в инерционной форме внутри самого технологического процесса. Если процесс не обладает достаточными ресурсами энергии, их необходимо предоставить. Можно рассмотреть несколько решений.
На рис. 8 показаны два варианта накопления энергии: один – классический, с использованием аккумуляторной батареи, второй – инерционный. Во втором случае необходимо использовать несколько систем управления, которые будут питать двигатель с большой скоростью вращения, например, 6000 об/мин, чтобы иметь необходимый запас инерции для обеспечения энергией при сбоях электроснабжения.

Рис. 8. Принцип действия шин постоянного тока

Рис. 9. Варианты накопления энергии

Рис. 10. Классическая компоновка системы с хранением энергии в сверхпроводящей обмотке

1 Распределительная сеть
2 Быстродействующий разъединитель
3 Надежная сеть
4 Сверхпроводящая обмотка
5 Защита

Преобразователь и электродвигатель должны быть оптимизированы в смысле возвращаемой мощности и инерционного запаса энергии. Следует отметить, что инерционный принцип может способствовать выравниванию уровня мощности, забираемой из распределительных сетей циклическими технологическими процессами.

Накопители энергии используются для компенсации посадок напряжения. Сверхпроводимость является одним из наиболее многообещающих способов хранения электроэнергии, хотя в настоящее время в Европе практически не используется. В течение последних нескольких лет ныне широко используемое явление высокотемпературной сверхпроводимости получило практическое применение в нескольких установках в Канаде и в США – либо для повышения надежности работы ответственных потребителей, либо для стабилизации сетей.
На рис. 10 показана классическая компоновка системы с хранением энергии в сверхпроводящей обмотке. Принцип действия прост: ток циркулирует в сверхпроводящей обмотке, энергия из сети потребляется только для возмещения потерь. При сбое в распределительной сети (посадке напряжения) электромагнитная энергия, хранящаяся в обмотке, освобождается для подпитки «рестабилизированной» сети. Существуют установки, способные выдавать 10 МВт в течение нескольких секунд, однако типичным является 1 МВт в течение 1–2 с.

ВЫБОР НАПРЯЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Распределительные сети должны соответствовать нуждам потребителей. Некоторые производственные процессы требуют мощности в несколько сотен МВт. Примером являются цехи по производству алюминия: 450 кА постоянного тока при напряжении 1000 В.
К таким предприятиям обычно приходят ЛЭП с напряжением свыше 300 кВ. И здесь возникает вопрос выбора напряжения для распределительной сети, к которой будут подключаться фильтры и компенсационное оборудование. Ответом на этот вопрос может стать организация нескольких распределительных сетей, обслуживающих одно и то же предприятие. Такое решение достаточно часто оправдывает себя, хотя бы с точки зрения надежности электроснабжения. При сбоях в сети лучше потерять 50% мощности, чем всю. Существуют простые правила для проектирования распределительных сетей:
• Токи короткого замыкания. Их значения должны быть сравнимы с параметрами имеющейся на рынке коммутационной аппаратуры (разъединителей). Разработка или применение уникальных разъединителей под специфическую задачу является стратегической ошибкой, во-первых, из-за высокой стоимости и длительности изготовления, и во-вторых, из-за возможных проблем с запасными частями и обслуживанием. При заданной мощности чем ниже напряжение, тем выше токи короткого замыкания.
• Напряжение. При заданной мощности чем выше напряжение, тем ниже ток. Это замечание относится и к гармоникам. В результате чем ниже напряжение, тем требуются большие конденсаторные батареи-фильтры.
• Полное сопротивление короткого замыкания. Чем ниже полное сопротивление, тем более тонкая фильтрация необходима для нормальной работы. В этом случае для эффективной работы фильтры должны иметь низкое сопротивление на частоте резонанса.
Если фильтрация не является полностью удовлетворительной, различные группы, питающие серию, например, электролитических ванн, не будут полностью разделены. Другими словами, отключение одной группы будет влиять на остальные группы. В результате оптимальный расчет трансформаторов групп станет невозможным и придется производить их выбор по экономическим соображениям.

ВЫВОДЫ

Сети передачи и распределения электрической энергии являются одним из важнейших ключей к будущему. Качество электроэнергии в значительной степени связано с процессами ее передачи и распределения. Оно является критическим параметром для современного производства.
Развитие электрических сетей во всем мире, рост числа межсетевых соединений предъявляют новые требования к надежности, защищенности и в особенности к качеству управления энергопотоками. Для удовлетворения этих требований XXI века появляются современные средства как на уровне проектов, так и на уровне готового оборудования.
В настоящей статье описан ряд технологий и систем для решения этих проблем. Большинство из них основаны на принципах, которые были известны еще полстолетия назад. Решающее значение имеет вклад силовой электроники, являющейся ключом к развитию на протяжении грядущих десятилетий.

Найти утечку

Энергопотери — неизбежная часть процесса электропередачи, но задачи по их сокращению не теряют своей актуальности. Сейчас общий уровень энергопотерь в России составляет около 10%. Эксперты поясняют, каким образом его можно минимизировать.

Сегодня в состав энергопотерь входят технические потери в линиях электропередачи и оборудовании и нетехнические (коммерческие), связанные с хищениями электроэнергии. Как отмечает Валерия Минчичова, доцент департамента мировой экономики и международного бизнеса Финансового университета при правительстве РФ, общий объем всех энергопотерь должен составлять максимум 10%, а в идеале не более 3–5%. При этом 4% потерь при транспортировке энергии — один из целевых показателей Энергетической стратегии России до 2035 года. Сегодня общие потери электроэнергии в России составляют около 10%, в Канаде — 6,3%, в Японии — 5%, в Германии — 7,6%, в США — 6,5%, в Финляндии — 6,7%, правда, в Норвегии — 16,3%.

Сергей Сизиков, генеральный директор «Донэнерго», приводит данные: в 2020 году потери в среднем по России составили около 10,25%, что на 0,1–0,2% меньше, чем в 2019 году.

Как отмечает Артем Евланов, генеральный директор ООО «ИНТЭК-Строй», в целом потребление электроэнергии в 2020 году снизилось на 2,1% по сравнению с предыдущим годом и составило 1 033 718,4 млн кВт•ч (в 2019 году — на 25 643,2 млн кВт•ч больше). При этом большинство регионов России отчиталось об энергоэффективности своих сетей. Например, в Московской области за прошлый год сокращение потерь электроэнергии составило 267 млн кВт•ч, на 713 млн рублей. В Новосибирской и Ленинградской областях технологические потери ресурса сократились в среднем на 11,6 млн кВт•ч, или на 11%.

По итогам 2020 года уровень потерь электрической энергии в сетях в группе «Россети» составил 8,64% (в 2019 году — 8,58%). «При этом фактический объем потерь снижен от планового на 2109,52 млн кВт•ч, что связано со снижением поступления электроэнергии в сеть, вызванного пандемией COVID-19, реализацией сделки ОПЕК+, вводом потребителями собственной генерации»,— поясняет Александр Захаров, доцент кафедры организационно-управленческих инноваций РЭУ им. Плеханова.

Как поясняет Максим Москалев, руководитель по развитию бизнеса «Распределение электроэнергии среднего напряжения» компании Eaton, в целом технические потери электроэнергии определяются двумя факторами: физическими процессами в транспортно-распределительных системах и расходами на эксплуатацию вспомогательного оборудования.

«Согласно усредненной статистике, около 64% всех потерь происходит на ЛЭП. Эти потери пропорциональны силе тока, поэтому для передачи электроэнергии на большие расстояния используется высокое напряжение, позволяющее уменьшить ток. Примерно 17% приходится на ионизацию воздуха вблизи проводов высоковольтных линий, что приводит к образованию разрядных токов»,— рассказывает эксперт.

Третье место занимают потери в трансформаторных подстанциях, возникающие при преобразовании напряжения. Например, потери в подстанциях, преобразующих 10 кВ в 0,4 кВ, в зависимости от их номинальной мощности, могут составлять от 730 до 4200 Вт. Также нельзя забывать о расходе энергии, необходимом для поддержания нормального функционирования подстанции: питание систем вентиляции, охлаждения, освещения, периодический заряд АКБ.

Коммерческие потери

По словам экспертов, максимальный вклад в коммерческие потери вносит воровство энергии недобросовестными потребителями. «Несмотря на то, что в настоящее время в большинстве стран доля украденной электроэнергии незначительна и составляет единицы процентов от общего объема, в стоимостном выражении это значительные суммы»,— поясняет Антонина Шаркова, руководитель департамента отраслевых рынков Финансового университета при правительстве РФ.

По данным ежегодного исследования Emerging Markets Smart Grid: Outlook, проводимого компанией Northeast Group, LLC, 30% от $89 млрд потерь приходилось на три страны: Индия ($16,2 млрд), Бразилия ($10,5 млрд) и Россия ($5,1 млрд). И это притом, что, по данным Министерства энергетики РФ, доля похищенной электроэнергии составляет около 0,1 % от общегодового потребления. Однако в денежном выражении полученный ущерб значителен.

Эксперты отмечают, что, несмотря на принимаемые меры, направленные на сокращение незаконного потребления электроэнергии, проблема становится все более масштабной (годовой объем неучтенного потребления превышает 1000 ГВт•ч), а материальный ущерб значительным. «Официальной систематизированной статистики в стране по точному объему хищений не существует в связи со сложностью учета фактов самих преступлений, значительной площадью всей территории, высокой долей изолированных районов (в том числе изолированных энергосистем), а также разделением единой компании РАО „ЕЭС России“, обеспечивающей до 2008 года сбор и обработку всей региональной статистики. В настоящее время вся информация о хищениях электроэнергии обрабатывается непосредственного в субъектах РФ»,— поясняет госпожа Шаркова.

Как снижать?

Постоянные технические потери уменьшить достаточно сложно. Это шум, теплота, выделяющаяся при передаче электроэнергии. «Их обычно выявляется от четверти до трети в сетях распределения. Переменные потери зависят от количества энергии, распределенной сетью. Как правило, 1% повышения потока приводит к увеличению потерь на 1,8%. Чем длиннее сеть распределения, например, в отдаленных неурбанизированных районах, тем больше потерь. Поэтому в России технические потери — фактор практически неустранимый на 100%»,— поясняет госпожа Минчичова.

Резерв снижения технических потерь сегодня, по разным оценкам, составляет от 12 до 33% от всего их объема. Снижение технических потерь достигается за счет совершенствования технологических процессов: модернизации и технического перевооружения электросетевого оборудования; повышения пропускной способности работы электрических сетей; внедрения энергосберегающих технологий, в первую очередь устройств компенсации реактивной мощности и средств регулирования напряжения; изменения схемы электроснабжения отдельных узлов.

«В целом фактические потери электроэнергии в России можно уменьшить, прежде всего за счет снижения коммерческих потерь — погрешностей системы учета, безучетного потребления и кражи электроэнергии»,— говорит госпожа Минчичова. Для этого, по мнению господина Москалева, целесообразно применять компактные распределительные устройства с функцией отслеживания потребления энергии на линиях. Это позволит максимально быстро локализовать участок, на котором электроэнергия пропадает бесследно, и устранить причины такого явления.

По мнению Валерии Минчичовой, помочь в решении проблемы энерговоровства могут ужесточение ответственности; своевременная замена и ремонт оборудования, прежде всего учетного; совершенствование и автоматизация средств и систем учета электроэнергии, внедрение интеллектуальных систем учета; развитие электросетей с включением в них точечных подстанций; децентрализация электроснабжения, развитие системы мини-подстанций, расширение системы просьюмеров (тех, кто одновременно является и потребителями, и поставщиками энергии).

Проблемы минимизации

Основной проблемой, тормозящей процесс сокращения потерь электроэнергии в сетях, является высокая стоимость автоматизированных информационно-измерительных систем комплексного учета энергоресурсов, считает господин Евланов. Помимо этого, более чем в 11 регионах России изношенность сетей превышает 75%, в Сибири, на Урале и Дальнем Востоке — 50–60%, что делает неэффективным установку на них инновационного оборудования.

Сергей Сизиков отмечает, что на снижение потерь электроэнергии влияет медленный темп развития интеллектуальных систем учета в связи с отсутствием средств в тарифе на передачу электрической энергии на данные мероприятия. «Для решения основных проблем по минимизации потерь электроэнергии в электрических сетях необходимо совершенствование нормативной базы в части источников финансирования внедрения интеллектуальных систем учета, а также взаимоотношений между гарантирующими поставщиками и сетевыми организациями, поскольку сложившаяся судебная практика негативно влияет на минимизацию потерь электрической энергии»,— заключает господин Сизиков.

«Энергетика». Приложение №233 от 22.12.2021