Электрические сети городов напряжением от 6 до 10 кв: развитие методов и средств обеспечения надежности электроснабжения

Актуальность проблемы. Жизнь человека всегда была связана с рисками. Риски имеются как в природной среде, так и в искусственно созданных техногенных системах. В данной работе в качестве техногенных систем, имеющих риски, рассматриваются системы электроснабжения городов на примере Алтайского края. Риски в системах электроснабжения проявляются в виде аварий с соответствующим ущербом. Размер ущерба колеблется в значительных пределах в зависимости от конкретных условий.

Аварийность систем электроснабжения городов значительно превышает таковую в других сферах электроэнергетики. Связано это с большим числом факторов, в том числе со степенью концентрации населения на ограниченной территории. В настоящее время около 75% населения страны сконцентрировано в городах [1]. Через системы электроснабжения таких населенных пунктов передается около 40% вырабатываемой в стране электроэнергии [2]. Эти системы электроснабжения стали самостоятельной отраслью электроэнергетики и вопросы их эффективного функционирования имеют важное народнохозяйственное значение.

Сосредоточение большого числа людей в городах увеличивает зависимость качества их жизни от надежности и экономичности искусственных техногенных систем, в том числе систем электроснабжения. Зависимость становится такой жесткой, что аварии в системах электроснабжения могут парализовать нормальную жизнедеятельность города, стать причиной гибели людей. Так Нью-йоркская авария в 1977 году в США привела к тому, что на 25 часов была парализована жизнь одного из крупнейших городов мира с ущербом более 1 млрд долл. [3]. Печальным примером служит авария в городской системе электроснабжения

Прокопьевска (Кузбасс) в марте 1999 года, унесшая жизни трех человек, находящихся в больнице с подключенными аппаратами искусственного дыхания. Имеются случаи гибели больных людей в лифтах в домах многоэтажной застройки при их аварийном отключении. Серьезно расстраивается работа городских очистных сооружений при перерывах электроснабжения с возникновением угрозы инфекции. Серьезные последствия могут иметь нарушения электроснабжения городского электрифицированного транспорта, отказы работы светофоров и т. д. Об этом убедительно свидетельствуют системные аварии, происходившие в странах с рыночной экономикой, и особенно масштабные аварии, прокатившиеся в августе — сентябре 2003 года по странам Северной Америки и Западной Европы.

14 августа 2003 года системная авария в США и Канаде обесточила все восточное побережье США. Без электричества остались 50 млн. человек в восьми американских штатах: Вермонт, Коннектикут, Массачусетс, Мичиган, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Огайо, Пенсильвания и канадской провинции Онтарио.

Всего было отключено 61 тыс. МВт генерирующих мощностей, прекратилась работа 263 электростанций, около 15 тыс. км. электрических сетей. По существу — это самая крупная авария в истории Америки. На восстановление электроснабжения потребовалось 48 часов. 23 августа крупная авария в энергосистеме Финляндии оставила без электричества столицу Хельсинки. Отключилось 500 МВт мощности. На восстановление энергоснабжения понадобилось более 1 часа.

28 августа в энергосистеме Великобритании отключила 724 МВт нагрузки, без электроэнергии остались более 250 тыс. жителей Лондона. Энергоснабжение было восстановлено примерно через час.

23 сентября крупная авария в энергосистемах Швеции и Дании вывела из строя 6,6 МВт мощности около 4 млн. жителей в обеих странах. На восстановление энергоснабжения ушло 6,5 часов.

28 сентября произошла самая крупная в Западной Европе системная авария, затронувшая Италию и Швейцарию. Отключенная мощность составила 28 тыс. МВт. Без электричества остались около 56 млн. человек. На полное восстановление потребовалось 18 часов [4]. Это также наглядно показала крупнейшая авария в системе электроснабжения города Москвы и Подмосковья в мае 2005 года, когда остановились десятки предприятий, тысячи людей оказались в стрессовом или полустрессовом состоянии из-за прекращения движения транспорта в метро, на улицах, остановки лифтов, срывов медицинских мероприятий в больницах и т. д. Материальный ущерб от этой аварии составил около двух миллиардов рублей. Серьезные сбои в работе систем электроснабжения произошло затем в июле месяце 2005 г. в городах Сочи, Хабаровске, Челябинской области с большим материальным ущербом и расстройством систем жизнеобеспечения. В городе Барнауле материальный ущерб от аварий в системах электроснабжения города составил в 2003 году около 5,5 млн руб. при годовой реализации 325 млн руб. Из изложенного видно, что ущерб от аварии в городских системах электроснабжения может быть не только экономическим, но и социальным. Он может быть огромным, вплоть до чрезвычайной ситуации.

Очевидной становится тенденция роста техногенного риска от нарушений электроснабжения с ростом и развитием городов.

При исследовании рисков в системах электроснабжения исходная позиция автора состоит в том, что рисками можно и нужно управлять. Такой подход предполагает анализ факторов риска, разработку концептуальных основ управления рисками, оптимизацию стратегий управления рисками и выбор методов и средств управления. При этом предполагается, что нулевой риск принципиально недостижим и речь идет об удержании риска на некотором приемлемом уровне.

На сегодняшний день существует во многом стихийная система ограничения риска, обладающая низкой эффективностью из-за своей фрагментарности, отсутствием достаточного научного обоснования, технологической отсталости и других причин. Для систем электроснабжения населенных пунктов одним из основных факторов риска является надежная работа электрической изоляции. Известны два подхода к проблеме обеспечения требуемой надежности изделия (изоляции). Первый основан на том, что необходимая надежность изделия на весь период эксплуатации обеспечивается при его конструировании и изготовлении. Второй предусматривает проведение в ходе эксплуатации работ профилактического характера, входящих в систему технического обслуживания и ремонтов изделия.

Создание изоляционной конструкции, обладающей необходимой надежностью на весь срок эксплуатации — весьма сложная техническая задача. Поэтому, хотя качество и надежность оборудования определяются, главным образом, на стадии проектирования и изготовления, задача обеспечения необходимой надежности изоляции высокого напряжения возлагается, кроме того, на систему технического обслуживания и ремонтов, в которую входят контроль и работы по поддержанию исправности (работоспособности) [5]. Существующая в настоящее время технология технического обслуживания и ремонтов базируется на периодическом проведении плановых профилактических работ и является системой обслуживания по времени наработки (календарному принципу). В соответствии с установленными нормами, например, каждая кабельная линия должна быть выведена из работы через заданные промежутки времени (обычно один год) и подвергнута испытаниям повышенным напряжением. Линии, выдержавшие испытания, включаются в дальнейшую работу, не выдержавшие — отбраковываются. Выбор линии для испытаний осуществляется без учета ее фактического состояния и представляет по существу лотерею. Такая технология имеет много недостатков и уже не может считаться удовлетворительной по следующим причинам.

Во-первых, она высокозатратна. Затраты на техническое обслуживание городских систем электроснабжения составляют около 70% от эксплуатационных расходов [2], что неоправданно много.

Во-вторых, она малоэффективна. Из практики известно, что относительная частота выявления дефектов составляет только 2 — 5% [6], что недопустимо мало. В то же время, столько же дефектов оказываются не выявленными и заканчиваются авариями [7].

В-третьих, существующая технология устарела морально и практически исчерпала свои потенциальные возможности. Она разработана давно и была ориентирована на экстенсивный путь развития с широким применением дешевого ручного трудаее результаты зависят от добросовестности исполнителейона не позволяет автоматизировать процесс технического обслуживания.

В-четвертых, с ростом и развитием городов ситуация продолжает обостряться и существующее положение оставаться без изменения уже не может.

Таким образом, имеется проблема, состоящая в неудовлетворительной эффективности существующей технологии управления рисками систем электроснабжения населенных пунктов. Решение данной проблемы отражается на благосостоянии большой части населения, поэтому исследования в этой области актуальны.

Целью работы является анализ рисков в системах электроснабжения городов и разработка мероприятий по их ограничению.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ статистики аварийности в системах электроснабжения городов (на примере Алтайского края).

2. Разработать концептуальные основы управления рисками.

3. Обосновать и выбрать более эффективную стратегию управления рисками.

4. Разработать методы и выбрать средства управления рисками.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, техники высоких напряжений, системного анализа, теории вероятностей, математического моделирования, экспертных оценок.

В качестве объекта исследования приняты системы электроснабжения напряжением 6−10 кВ городов.

Предметом исследования является процесс управления рисками в вышеназванных системах электроснабжения.

Научная новизна работы:

— установлены особенности возникновения и развития аварий в системах электроснабжения городов, позволивших разработать комплекс противоаварийных мероприятий;

— установлено, что основным фактором низкой эффективности технического обслуживания систем электроснабжения городов является недостаток информации о текущем состоянии объектаф- - установлено, что в качестве приоритетного направления для повышения эффективности технического обслуживания систем электроснабжения городов необходима диагностика электрической изоляции под рабочим напряжением.

Достоверность результатов подтверждена практической реализацией комплекса противоаварийных мероприятий в подразделениях предприятия «Алтайкрайэнерго». Ш

Практическая ценность работы состоит в разработке и реализации новой стратегии технического обслуживания распределительных электрических сетей городов, основанной на реальной потребности в обслуживании, определяемой путем непрерывного диагностирования состояния электрической сети под рабочим напряжением.

На защиту выносятся:

— результаты анализа аварийности в системах электроснабжения городов Алтайского края;

— концепция управления рисками в системах электроснабжения городов;

— выбор оптимальной стратегии управления рисками;

— методы и средства управления рисками.

Реализация результатов работы. Разработанный комплекс противоаварийных мероприятий внедрен в подразделениях Алтайского краевого государственного унитарного предприятия коммунальных электрических сетей «Алтайкрайэнерго» (Алейские межрайонные электрические сети, Каменские межрайонные электрические сети, Заринская горэлектросеть).

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы представлялись и обсуждались на ежегодных заседаниях технического совета предприятия «Алтайкрайэнерго», научно-технических семинарах Алтайского государственного технического университета, на 2-ой международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004 год), международной научно-практической конференции «Региональные аспекты обеспечения социальной безопасности населения юга Западной Сибири — проблемы снижения рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Барнаул, 2004 год), на научных семинарах Томского политехнического университета (Томск, 2005 год),

Омского технического университета (Омск, 2005 год), академии водного транспорта (Новосибирск, 2005 год).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем страниц 184, в том числе 14 рисунков, 2 таблицы, 80 литературных источника.

4.5 Выводы

1. Методы управления рисками в электрических сетях городов должны базироваться на мерах правового, организационно-технического и экономического характера.

2. В качестве одного из основных средств управления рисками рекомендуется комплекс аппаратуры для непрерывной диагностики изоляции кабельных систем электроснабжения под рабочим напряжением.

Проведенные в данной работе исследования показали, что проблема аварийности в системах электроснабжения городов Алтайского края является сложной и настоятельно требует принятия мер для ее решения. Основой для решения названной проблемы являются результаты проведенной автором работы, основное содержание которой заключается в следующем:

1. Разработаны методологические основы анализа и предупреждения рисков в системах электроснабжения городов.

2. Установлено, что существующая технология технического обслуживания изоляции кабельных линий напряжением 6−10 кВ по календарному принципу малоэффективна и практически не поддается усовершенствованию. Около половины дефектов изоляции при этой технологии своевременно не выявляется и заканчивается авариями. В тоже время, только 2−5% испытаний заканчивается обнаружением дефекта и отбраковкой.

3. Более эффективной является технология обслуживания по реальной потребности. По этой технологии техническое обслуживание проводится в случае возникновения реальной потребности, которая, в свою очередь, выявляется при помощи непрерывного диагностирования состояния систем электроснабжения под рабочим напряжением. Для реализации этой технологии требуется достаточная и своевременная информация о фактическом состоянии изоляции. Решение задачи выявления реальной потребности выполнено на уровне изобретения. Разработана соответствующая аппаратурная реализация.

4. Разработанные и представленные в данной работе информационные модели позволили формализовать процедуру повышения эффективности технического обслуживания систем электроснабжения, упорядочить, ранжировать и увязать цели процесса эксплуатации и проанализировать процесс технического обслуживания, раскрыть содержание проблемы информационного обеспечения по предотвращению рисков возникновения аварий и наметить пути ее решения.

5. Исследования поведения изоляции в действующих кабельных системах электроснабжения напряжением 6−10 кВ выявили следующие важные особенности, знание которых позволило обоснованно выбрать новую, более эффективную, технологию технического обслуживания и тем самым снизить риски возникновения аварий:

— В изоляции кабельных линий всегда существуют и постоянно воспроизводятся ослабленные места, которые под действием рабочего напряжения развиваются до полного пробоя. Изложенное свидетельствует о настоятельной необходимости совершенствования технологии технического обслуживания.

— Около 80−90% пробоев изоляции являются заплывающими и существующими методами практически не выявляются. Изложенное свидетельствует о необходимости непрерывной диагностики по новой технологии.

— Повреждаемость изоляции кабельных линий в течение года не постоянна. Максимальная повреждаемость имеет место в весенние месяцы и связана с общим сезонным увлажнением. Эти сведения позволяют обоснованно планировать график планово-предупредительных работ.

— Кривая статистики повреждаемости носит колебательный характер и описывается уравнением колебаний затухающего маятника. Эти сведения учитываются при составлении графика планово-предупредительных работ, а также позволяют оценить среднее время жизни дефекта.

— Установлено, что дефекты в изоляции развиваются постепенно. В частности, для кабельных линий г. Барнаула среднее время жизни дефекта составляет примерно три месяца. Постепенность развития дефекта делает возможным принятие упреждающих мер по снижению рисков возникновения аварий. Необходимо лишь вовремя обнаружить дефект.

6. Исследования внешних факторов, осложняющих процесс эксплуатации изоляции, выявили следующие особенности:

Общее весеннее увлажнение сопровождается повышением повреждаемости изоляции.

— Каждый пробой изоляции под рабочим напряжением сопровождается дуговыми перенапряжениями на неповрежденных фазах. Перенапряжения также возникают при порывах кабелей. Амплитуда перенапряжений в большинстве случаев не превышает трехкратного значения от амплитуды фазного напряжения. Перенапряжения приводят к массовой самоотбраковке дефектной изоляции и воспроизводству ослабленных мест.

7. Анализ существующей технологии технического обслуживания изоляций кабельных систем электроснабжения напряжением 6−10 кВ показал, что значение испытательного напряжения пятикратное от номинального является завышенным и приводит к отбраковке кабелей, которые могли бы длительно эксплуатироваться под рабочим напряжением. Доля таких необоснованных отбраковок для кабельных линий г. Барнаула составляет 78,5%.

8. Рекомендуется временно, до внедрения непрерывной диагностики изоляции под рабочим напряжением, значение испытательного напряжения постоянного тока, равное трехкратному от амплитуды фазного напряжения.

9. Показано, что целесообразно и возможно получение своевременной информации о текущем состоянии изоляции кабельных линий путем непрерывного ее диагностирования под рабочим напряжением. Наличие такой информации позволяет принять предупредительные меры и снизить риски возникновения аварий, оптимизировать процесс управления состоянием изоляции.

10. Предложен способ непрерывного диагностирования изоляции под рабочим напряжением путем наложения на контролируемую сеть электрических сигналов от стороннего источника. Сторонний источник подключается между нейтральной точкой трехфазной системы и землей. Источник должен обладать специальным свойством, а именно, гаснуть при каждом пробое фазной изоляции, чтобы не превращать этот пробой в короткое замыкание, и самовосстанавливать свое напряжение при устранении пробоя. В качестве такого источника автором предложен так называемый параметрический генератор (ПГ). На данный способ диагностирования получен патент на изобретение.

11. Установлено, что в качестве диагностических параметров могут быть выбраны: ток утечки, емкость изоляции, сопротивление изоляции, тангенс угла диэлектрических потерь. В данной работе рекомендуется выбрать ток утечки, как наиболее технологичный и массово применяемый параметр.

12. На основе анализа рисков в электрических сетях разработаны и частично реализованы мероприятия по снижению аварийности.

Разработанные и представленные в данной работе теоретические основы, комплекс аппаратуры позволяют, по мнению автора, повысить эффективность технического обслуживания систем электроснабжения напряжением 6−10 кВ, выражающуюся в снижении аварийности, увеличении срока службы оборудования, снижении эксплуатационных расходов, упрощении технического обслуживания, повышения надежности электроснабжения, экономии электроэнергии и снижении ее стоимости.