Разработка концепции развития распределительных электрических сетей сельских территорий

Актуальность темы

диссертации. Основным направлением развития распределительных электрических сетей на период до 2015 г. в соответствии с Энергетической стратегией России является комплексное решение задач, направленных на обеспечение качества электрической энергии, надежности и экономичности электроснабжения потребителей. Вопросы электроснабжения сельских территорий должны решаться на современном технически оснащенном уровне с использованием новых принципов, технических решений и технических средств для распределительных сетей [31,2, 6].

Распределительные сети напряжением 0,38. 110 кВ, снабжающие электроэнергией потребителей сельских территорий, имеют протяженность 2,3 млн. км, в том числе, 290 тыс. км напряжением 35. 110 кВ, 1184 тыс. км линий напряжением 6−10 кВ, 826 тыс. км линий 0,38 кВ и примерно 500 тыс, трансформаторных пунктов 6.35/0,4 кВ. Для сравнения протяженность BJI 220.750 кВ составляет около 200 тыс. км [21].

Стоимость рассматриваемых сетей составляет порядка 55% от общей стоимости сетей всех напряжений. По распределительным сетям передается потребителям различных категорий в разные годы в пределах от 8 до 15% от всей вырабатываемой в России электроэнергии. Это обуславливало подход к сооружению распределительных сетей исходя из условия минимума капитальных вложений, часто в ущерб надежности электроснабжения и качеству электрической энергии.

До настоящего времени в распределительных сетях сельских территорий встречаются алюминиевые провода малых сечений (25 мм).

Около 30% электрических распределительных сетей отработали свой нормативный ресурс, находятся в эксплуатации более предусмотренных нормативами сроков. Примерно 12% распределительных сетей требуют замены. Качественной электрической энергией обеспечивается — 60−65Уо потребителей.

Показатель надежности электроснабжения у потребителей характеризуется длительностью отключений 70. 100 ч в год, что на порядок выше, чем в развитых странах. Только половина потребителей первой и второй категории имеют резервное питание. Потери при передаче электроэнергии недопустимо велики и составляют -12%, а в отдельных случаях достигают 30% [25].

Крайне ограничено применение современного электрооборудования в распределительных электрических сетях 6. 10 кВ. Так изоляторы в значительной степени не отвечают требованиям грозоупорности (электрической прочности), 70% всех отключений происходит по причине замыканий на землю из-за их пробоев. В то же время уже разработаны современные, например антивандальные изоляторы, и другие, имеющие более высокую электрическую прочность. Электрические сети слабо (на 12.36%) оснащены средствами связи, телесигнализацией, телеизмерительными приборами и телеуправлением.

Применяемые в сельской местности трехфазно-однофазные системы подключения потребителей приводят к значительной асимметрии напряжений в сетях 0,38 кВ, которая частично переходит и в сети 6−10 кВ. Есть много и других аналогичных примеров [9, 13].

Следует отметить, что уровень жизни селян по всем показателям значительно отстает от уровня жизни горожан Коммунально-бытовое потребление электроэнергии в год одним сельским жителем составляет 530 кВт-ч, или 1,5 кВт-ч в сутки, что значительно ниже, чем в городах. Общий уровень удовлетворения энергетических потребностей селян в 4.5 раз ниже городских.

На сегодня проблемы электрификации сельских территорий являются очень важными. Требуется замена ~ более 30% линий электропередачи и трансформаторных подстанций [8].

Таким образом, по техническому состоянию, оснащению оборудованием, схемным решениям и параметрам распределительные электрические сети сельских территорий нуждаются в коренном преобразовании, причем на новой концептуальной основе. Разработка концептуальных подходов к реконструкции и техническому перевооружению распределительных электрических сетей сельских территорий в настоящее время является актуальной проблемой для России.

В основу концепции развития распределительных сетей положены обобщенные теоретические положения, методы оптимизации, результаты многолетней эксплуатации, статистические данные о различных аспектах функционирования сетей, полученные лично автором и учеными отрасли.

Вопросам оптимизации параметров распределительных сетей и режимов их функционирования посвящены научные работы А. Ф. Дъякова, В. А. Веникова, А. А. Глазунова, А. Г. Захарина, И. А. Будзко, М. С. Левина, Н. М. Зуля, В. К. Плюгачева, Ю. Н. Астахова, Ю. И. Акимцева, А. П. Коршунова, В. В. Тисленко, З. П. Кришана, Н. С. Канакина, В. Г. Журавлева, В. В. Зорина, А. Е. Мурадяна, Т. Б. Лещинской, О. А. Терешко, В. П. Конечного, В. Э. Воротницкого, Ю. С. Железко, Н. А. Броерской, Д. В. Хомского, Л. П. Савкова, В. И. Сукманова, В. Л Прусс, Л. Е. Эбина, и других исследователей [1,3,4,5,7, 11, 12, 13, 14 и др.].

Решению этих проблем посвящена и настоящая работа, которая является частью научно-исследовательских работ, проводимых по планам Российского акционерного общества энергетики и электрификации «ЕЭС России».

Основные положения и результаты работы утверждены на совместном заседании НТС РАО «ЕЭС России» и Научного Совета РАН по проблемам надежности и безопасности больших систем энергетики по теме «Основные концептуальные подходы к реконструкции и техническому перевооружению электрических сетей». Результаты работы использованы при разработке проекта «Программы технического перевооружения электрических сетей РАО „ЕЭС России“ на 2001;2005 годы».

Объектом исследования являются распределительные электрические сети сельских территорий напряжением 0,4−110 кВ и их отдельные элементы.

Предметом исследования является проблема создания концептуальных подходов к реконструкции и техническому перевооружению электрических сетей, позволяющих повысить эффективность функционирования распределительных сетей при развитии систем электроснабжения.

Цель работы состоит в разработке методической базы новой концепции реконструкции и технического перевооружения распределительных электрических сетей сельских территорий и решении на ее основе ряда важных задач при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооруженииопределении возможностей и областей применения этой методики при проектировании и эксплуатации распределительных электрических сетей.

Основные задачи, решаемые в предлагаемой работе: оценка качества функционирования распределительных электрических сетей сельских территорийвыявление причин недостаточного качества их функционированияобоснование принципов, положенных в основу концептуальных подходов к реконструкции и техническому перевооружению распределительных электрических сетейразработка методики и алгоритма построения рациональных схем распределительных электрических сетей сельских территорийобоснование экономически целесообразных сечения проводов в распределительных линиях напряжением 0,38, 10, «35 кВразработка предложений по конструкции распределительных линий электропередачиопределены рациональные объем, состав, места размещения и очередности ввода средств повышения надежностисформулированы положения концепции реконструкции и технического перевооружения распределительных электрических сетей сельских территорий для различных этапов их развития.

Методика исследования включает теоретические основы электроснабжения, теории вероятностей и математической статистики, системные исследования в энергетике, методы теории принятия решений, теории надежности и др.

Достоверность разработанных теоретических положений, методов, выводов и рекомендаций диссертации подтверждается результатами расчетов и многолетнего опыта эксплуатации распределительных электрических сетей.

Научная новизна. На базе теоретических основ электроснабжения и анализа статистических данных о качестве функционирования распределительных сетей разработана концепция развития и их технического перевооружения, представленная в виде положений, которые обоснованы исследованиями, расчетами и практикой эксплуатации [81, 84, 85].

Выявлены причины недостаточно качественного функционирования систем электроснабжения, основным звеном которых являются распределительные сети.

Разработаны принципы и методика построения распределительных электрических сетей напряжением 10 кВ, положенные в основу концептуальных подходов к техническому перевооружению и реконструкции распределительных сетей.

Обосновано применение единых сечений проводов на маг истралях распределительных линий напряжением 0,38, 10, 35 кВ.

Выбраны методы расчета надежности электроснабжения и способы ее повышения [86].

Сформулированы основные положения концептуального подхода к развитию и техническому перевооружению распределительных сетей [89].

Практическая ценность. Методы, разработанные в диссертации, позволяют осуществлять выбор рациональных параметров систем электроснабжения сельских территорий. Основные положения концептуального подхода к развитию и техническому перевооружению распределительных сетей полезны и необходимы при конкретном проектировании распределительных сетей 0,4.35 кВ и в процессе их эксплуатации. Их реализация приведет к экономическому эффекту и повышению качества функционирования систем электроснабжения.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики и концепция развития, технического перевооружения и реконструкции распределительных сетей одобрены и утверждены на совместном заседании НТС РАО «ЕЭС России» и Научного Совета РАН по проблемам надежности и безопасности больших систем энергетики по теме: «Основные концептуальные подходы к реконструкции и техническому перевооружению электрических сетей». Основные положения диссертации использованы при разработке проекта Программы технического перевооружения электрических сетей РАО «ЕЭС России» на 2001.2005 годы и включены в серию нормативных документов, предназначенных для принятия решений по развитию распределительных электрических сетей сельских территорий. При участии автора разработаны «Временные указания по построению схем распределительных электрических сетей в сельской местности и выбору их основных элементов» (1982) [18], «Указания по построению электрических сетей сельскохозяйственного назначения с учетом перспективы их развития» (1985) [82]- «Положение о развитии комплексной автоматизации районов электрических сетей» (1983) [57]. Эти разработки включены в руководящие материалы по проектированию (РО-СЭП, 1985.2000 г. г.). «Нормы технологического проектирования электрических сетей сельскохозяйственного назначения (НТПС-88)» [49] используются при проектировании и эксплуатации распределительных электрических сетей, награждены золотой медалью ВДНХ (1986) и отмечены первым и вторым местами на смотре-конкурсе ВДНХ СССР (1985) — использованы в «Методических указаниях по обеспечению при проектировании нормативных уровней надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей» (1986) [46]. Методические материалы включены в лекционные курсы и учебники по электроснабжению сельского хозяйства и электрических сетей при подготовке специалистов в МЭИ (ТУ) и МГАУ им. В. П. Горячкина [8, 9, 13].

Личный вклад автора заключается в создании методической базы и разработке концептуальных подходов к реконструкции и техническому перевооружению распределительных электрических сетей сельских территорий и охватывает выявление причин недостаточного качества функционирования распределительных сетейобоснование принципов, положенных в основу концептуальных подходов к реконструкции и перевооружению распределительных сетейразработку методики и принципов построения рациональных схем распределительных электрических сетей сельских территорийобоснование экономически целесообразных сечений проводов на магистралях распределительных сетей 0,4. ЮкВопределение рациональных объемов, состава, мест размещения и очередности ввода средств повышения надежностиразработку положений концепции развития распределительных сетей.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях ВИЭСХ (1990.2001), технических советах РОСЭП и НТС РАО «ЕЭС России», совместном заседании НТС РАО «ЕЭС России» и Научного Совета РАН по проблемам надежности и безопасности больших систем энергетики (2 ноября 2000 г., г. Пятигорск), научно-технических конференциях Украинского отделения ВГПИ и ПИИ «Сельэнергопроект» (1977. 1990), а также на научно-практическом семинаре по применению «длинных линий» и нового электротехнического электрооборудования фирмы Cooper Power Systems (филиал «Западные сети» ОАО Смоленскэнерго).

На защиту выносятся концептуальные подходы и принципы построения сельских распределительных электрических сетей для реконструкции и технического перевооружения сетей сельских территорий, базирующиеся на следующих основных положениях:

1. На основе анализа статистических данных о параметрах и режимах работы установлено, что качество функционирования систем электроснабжения сельских районов по надежности электроснабжения, качеству электроэнергии и технико-экономическим показателям недостаточное.

Причинами, обусловившими такое состояние сетей, являются — наличие малых сечений проводов в линиях (А25, A35), несовершенство схем построения сетей, устаревшее электрооборудование, низкая надежность комплектных подстанций 10/0,4 кВ, недостаточное количество источников питания 35. 110/10 кВ и, как следствие, чрезмерно большие длины и радиусы сетей, недостаточное оснащение телесигнализацией, телеуправлением и средствами связи, недостаточный уровень прочности изоляции в линиях напряжением 10 кВ, что приводит к частым замыканиям на землю, морально устаревшая релейная защита, у 50% которой выработан ресурс и др.

2. Оценку принимаемых технических решений по развитию распределительных сетей сельских территорий целесообразно проводить по приведенным затратам с учетом сопутствующего эффекта от повышения надежности и качества электроэнергии, удобства обслуживания, расхода металла, условий обеспечения безопасности и экологии. Параметры разработанных моделей линий 10 кВ, позволяющие определить эффект от принятого решения. Алгоритм определения комплексного решения задач развития распределительных сетей, общие принципы, определяющие направления их развития на ближайшую перспективу.

3. Рекомендации по выбору рациональных схем сети 110(35) кВчисло трансформаторов на подстанциях 110(35)/10 кВмагистральный принцип построения распределительных электрических сетей сельских территорий напряжением 10 кВсхема и перспективы развития сетей 0,38 кВ с самонесущими изолированными проводамиприменение экономичных схем опорных ТП 10/0,4 кВ в магистральных сетях.

4. Экономически обоснованное применение проводов марки АС70 на магистралях распределительных сетей 10 кВ.

5. Предложения по конструктивному исполнению распределительных сетей 0,4−35 кВ сельских территорий.

6. Усовершенствованный метод оценки надежности, позволяющий определить показатели надежности потребителей в виде частот отказов с разной длительностью перерывов электроснабжения. Алгоритм выбора технических средств обеспечения надежности и мест их установки.

7. Алгоритм и сроки проведения реконструкции и технического перевооружения распределительных электрических сетей сельских территорий.

Основные результаты работы опубликованы в 20 печатных трудах, в том числе, 11 статьях, 2 авторских свидетельствах, 5 отраслевых нормативных документах, 5 научных отчетах, 1 брошюре (всего опубликовано свыше 350 страниц).

Выводы и результаты по 3 главе.

1. Предложена система показателей надежности, приспособленная к задачам качественной оценки надежности.

2. Обоснован метод выбора оптимальных средств надежности в распределительных электрических сетях сельских районов.

3. Предложен состав, объем, размещение и очередность ввода устройств комплексной автоматизации сельских электрических сетей.

Заключение

и общие выводы.

1. Анализ состояния электроснабжения сельских территорий России выявил, что оно не в полной мере удовлетворяет требованиям потребителей к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии.

2. Разработаны концептуальные положения и технические требования к электрооборудованию, материалам и конструкциям для реконструкции и технического перевооружения распределительных электрических сетей сельских территорий.

3. На селе при реконструкции и техническом перевооружении распределительных сетей рекомендуется применять магистральный принцип построения сетей в виде петлевых схем с ответвлениями.

4. Реализация магистрального принципа развития сетей и технические средства повышения надежности посредством усиления механической прочности воздушных линий 10 кВ позволяет на порядок повысить надежность электроснабжения потребителей сельских территорий.

5. При новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении PC рекомендуется применять сталеалюминевые провода одного сечения не ниже 70 мм². При этом необходима разработка новой оптимальной стойки, адаптированной к возрастающим механическим нагрузкам.

6. На ВЛ 0,38 кВ сечение СИП выбирается с учетом размеров населенного пункта, среднего расстояния между домами и динамики роста электрических нагрузок. Для рассмотренных в работе условий наиболее экономичным является СИП сечением 70 мм². Применение одного сечения провода на В Л 0,38 кВ позволит использовать один типоразмер опоры.

7. Исследования показали, что применение СИП приведет к повышению надежности электроснабжения, экономии строительных материалов, при этом экономический эффект составляет 30 тыс. руб. в расчете на 1 км линии (в ценах 2001 г.).

8. Предложена система показателей надежности, приспособленная к задачам качественной оценки надежности.

9., Обоснован метод выбора оптимальных средств надежности в распределительных электрических сетях сельских территорий. Предложен состав, объем, размещение и очередность ввода устройств комплексной автоматизации сельских электрических сетей.