Исследование влияния надежности системы электроснабжения на качество электроэнергии на шинах сельских потребителей

Современное общество трудно представить без использования электрической энергии. Она применяется во всех отраслях народного хозяйства: в промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте, в строительстве, коммунальном хозяйстве и быту. Для нормального электроснабжения потребителей созданы объединенные электроэнергетические системы. К функционированию этой сложной электроэнергетической системы (ЭЭС) предъявляются высокие требования по надежности электроснабжения и качеству электрической энергии.

Объединение региональных ЭЭС, увеличение мощности электростанций, повышение качества энергетического оборудования, создание межсистемных связей и внедрение противоаварийной автоматики, высокий уровень устойчивости энергетических систем в значительной мере повысили надёжность обеспечения всех потребителей, в том числе рассматриваемого в этой работе сельского хозяйства, электрической энергией.

Одновременно с этим, продолжающийся процесс увеличения электрических нагрузок, рост единичных мощностей агрегатов промышленных предприятий, расширение и углубление электрификации технологических процессов, автоматизации и информатизации в свою очередь предъявляют еще более высокие требования к надежности электроснабжения и качеству электрической энергии. С другой стороны, большой объём дорогостоящего энергетического строительства, стремление к сокращению сроков строительства выдвигают требования экономии капитальных вложений и отыскания простых и современных проектных решений по развитию систем электроснабжения потребителей.

Возникает необходимость согласования этих, в ряде случаев противоречивых, интересов. Оптимальные решения могут быть найдены только при совместном рассмотрении вопросов проектирования, строительства и эксплуатации. Одним из основных вопросов, возникающих при этом, является исследование взаимозависимости и определение оптимального соотношения уровня надёжности электроснабжения и качества электроэнергии.

Вопрос об оптимальном соотношении надёжности энергетических объектов и качества электрической энергии является основным в комплексе предъявляемых к ЭЭС требованиям: надежность, экономичность, качество электроэнергии, безопасность и экологичность.

В отдельных энергетических системах в современных российских условиях число аварий достигает нескольких десятков в год, а годовой недоотпуск электрической энергии в результате аварий — миллионов кВт-часов. При такой высокой аварийности оценка надёжности отдельных элементов электрических сетей, оборудования и установок и поиск возможных путей повышения их надежности, как в процессе эксплуатации, так и при проектировании становятся первоочередными задачами.

Нарушения работоспособности ЭЭС сопровождаются комплексом отрицательных явлений, последствия которых носят социально-экономический характер. Перерывы электроснабжения и недоотпуски электроэнергии потребителям сферы материального производства и непроизводственной сферы, а также случаи питания некачественной электроэнергией служат причиной возникновения существенных потерь в процессе жизни общества и функционирования экономики: недоиспользование или непроизводительный расход ресурсов, недовыпуск или снижение качества продукции, порча оборудования, дополнительные расходы средств производства, пожары, взрывы т. д. Эти потери принято называть ущербами от нарушения электроснабжения. Ущерб представляет собой комплексный экономический показатель надежности электроснабжения потребителей и является одной из важнейших характеристик, определяющих понятие надежности и качества в электроэнергетике как экономические категории.

За последние десятилетия в материальном производстве очень высокой степени достигла автоматизация процессов, появилось много технологических циклов с тонкой настройкой, электрифицированы в значительной степени основные и вспомогательные производственные процессы и т. д.

Эти обстоятельства сделали производственный процесс основной массы потребителей очень чувствительным к надежности системы электроснабжения и качеству электроэнергии, и весьма повлияли на величину ущерба. Любые, даже кратковременные и редкие нарушения надежности и качества функционирования электроснабжающих систем в указанных условиях могут приводить к длительным расстройствам технологического процесса, остановке производства и другим последствиям, указанным выше.

Электроснабжение производственных предприятий и населённых пунктов в сельской местности имеет свои особенности по сравнению с электроснабжением промышленности и городов. Главная из них — это необходимость подводить электроэнергию к огромному числу сравнительно маломощных объектов, рассредоточенных на обширной территории. В результате, протяженность сетей во много раз превышает эту величину в других отраслях народного хозяйства. За годы реформ производство сельскохозяйственной продукции сократилось на ' 45%. Износ сельскохозяйственной техники достиг критического уровня — 65.70%.

В настоящее время энергои электровооруженность труда на селе в 2,5 раза ниже, чем в других отраслях экономики страны, а удельная энергоемкость продукции в два и более раз превышает аналогичный показатель европейских стран. В последнее десятилетие XX века в процессе перестройки и приватизации изменилась вся система управления электроэнергетикой России. Возникли новые формы собственности, что привело к изменениям приоритетов хозяйственной деятельности энергоснабжающих организаций, мотивов их поведения на региональных энергетических рынках, условий инвестирования в энергетику и к другим серьезным последствиям. В свете экономического кризиса 90-х годов практически прекратилось финансирование электроэнергетики сельского хозяйства. Перестало обновляться оборудование, прекратилось строительство новых линий электропередачи взамен аварийных и вышедших из строя, сократились темпы сетевого строительства, уменьшилось финансирование средств на реконструкцию и техническое перевооружение сетей, что сопровождается ростом износа основных фондов предприятий электрических сетей, необходимостью эксплуатировать воздушные линии (BJI) и трансформаторные подстанции (ТП), которые отработали нормативные сроки службы. Это привело к повышению аварийности оборудования и снижению надежности электроснабжения и качества электроэнергии на шинах потребителей.

Сказанное выше наглядно показывает, насколько актуальна проблема электроснабжения сельского хозяйства. От её рационального решения в значительной степени зависит экономическая эффективность применения электроэнергии в сельском хозяйстве и быту сельского населения.

Одной из первостепенных задач рационального электроснабжения является доведение стоимости электроэнергии до минимально возможной. Этого следует добиваться при соблюдении всех требований, правил и норм, и, прежде всего, в допустимых диапазонах их изменения и необходимого качества электроэнергии, то есть постоянства частоты и напряжения, а также надёжности её подачи. Также одним из немаловажных факторов при решении этой задачи является снижение энергоемкости сельскохозяйственной продукции путем внедрения новых технологий энергопотребления и энергосбережения, так как рост производства сельхозпродукции сопровождается возрастанием энергоемкости технологий их производства. Так, прирост сельскохозяйственной продукции на 1% требует увеличения расхода энергоресурсов на 2−3% [53]. Рост энергозатрат в связи с увеличением производства сельхозпродукции характерен и, видимо, пока неизбежен для всех промышленно развитых стран, несмотря на предпринимаемые меры по их минимизации. Например, удвоение урожаев в США сопровождалось десятикратным повышением расхода энергии [2].

Нормы на качество электрической энергии регламентирует ГОСТ 13 109– — 97, который устанавливает нормально и предельно допустимые значения показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трёхфазного и однофазного тока частотой 50 Гц. Качество электрической энергии у потребителей, наряду с надёжностью электроснабжения, как уже отмечалось, является одной из важных характеристик. Низкое качество электрической энергии оказывает существенное негативное влияние на технико-экономические характеристики не только электроприемников у потребителя, но и элементов сети. Так, при ухудшении качества напряжения, повышается нагрев элементов сети, увеличиваются потери мощности и электроэнергии. Кроме того, происходит снижение эксплуатационной надёжности и сокращение срока службы электродвигателейвозникает ряд отрицательных электромагнитных явлений в сетях.

В современных электропитающих и распределительных сетях обеспечение показателей качества электрической энергии, приемлемых для потребителей, требует значительных затрат денежных средств и материалов. В настоящее же время наблюдается, как известно [20], обратный процесс снижения инвестиций в энергетику, что в совокупности с низкой эффективностью использования выделенных инвестиций, приводит к недопустимому сокращению ввода новых и замещающих мощностей. К 2015 году выработает свой ресурс почти 70% имеющихся мощностей в сетях [44].

При продолжении этих тенденций уже в недалеком будущем электроэнергетическая отрасль может столкнуться с кризисом, который окажет негативное влияние на экономику и население страны [43].

Восстановление (реконструкция) сетей в прежних параметрах и тех же объемах по экономическим и техническим причинам нецелесообразно. Новые условия работы систем и новые научно-технические проработки изменили требования, предъявляемые к сетям, возникла настоятельная необходимость в коренном обновлении сельских сетей, создании сетей нового поколения, отвечающих экономико-экологическим требованиям и современному техническому уровню распределения энергии в соответствии с запросами потребителя.

Одной из особенностей сельского электроснабжения на современном этапе является рост числа объектов первой категории по надежности. У хозяйств зачастую не хватает денежных средств на обеспечение и поддержание категорийности своих объектов, что приводит к авариям и экономическому ущербу, так как прекращение подачи электроэнергии приводит к срыву основных технологических процессов: доение, кормление, поение, кормоприготовление, перерыву в работе вентиляции и отопления, и следовательно, к нарушению микроклимата в животноводческих помещениях, нарушению режима инкубации яиц и т. п.

В этих условиях особую актуальность приобретает реализация мероприятий по повышению надежности и достижению заданного ее уровня с минимальными затратами. К таким мероприятиям в общем случае относятся:

• Обеспечение необходимого уровня резервирования систем электроснабжения.

• Повышение качества эксплуатации энергетического оборудования.

• Повышение уровня квалификации и обеспечение штатного количества обслуживающего персонала.

• Применение современных коммутационных устройств, средств автоматики и диагностики.

• Рациональная организация текущих плановых и неплановых ремонтов.

• Рациональная организация оперативного отыскания и ликвидации повреждений.

Выполнение данных мероприятий может быть достигнуто различными средствами, которые можно разделить на организационные и технические. Максимальный эффект от выполнения данных мероприятий может быть достигнут при совокупном использовании организационных и технических средств.

Большой вклад в решение научных проблем повышения эффективности электроснабжения сельского хозяйства, снижения потерь, повышения надежности электроснабжения и качества электрической энергии внесли отечественные ученые Гук Ю. Б., Левин М. С., Тисленко В. В., Будзко И. А., Мурадян А. Е., Холмский Д. В., Розанов М. Н., Воропай Н. И. и др. Исследования, посвящённые проблеме повышения эффективности использования электроэнергии в сельских распределительных сетях, непосредственно связаны с решением задачи повышения надежности электроснабжения и качества электроэнергии.

Указаными выше исследователями предлагаются различные методики оценки надежности систем электроснабжения объектов в целом и методики оценки эксплуатационной надежности электрооборудования. Также авторами предлагаются различные методы повышения качества электрической энергии и управления ею. Однако зачастую авторы публикаций упускают немаловажный момент влияния надежности электроснабжения на качество электроэнергии и наоборот. Ведь только при комплексном подходе и выявлении взаимосвязи влияния надежности электроснабжения на качество электроэнергии можно добится оптимального уровня надежности электроснабжения при необходимом качестве электроэнергии.

Актуальность темы

исследования, таким образом, обусловлена произошедшими за последнее время реформами в сфере энергетики, снижением объемов финансирования в данной сфере, ростом аварийных ситуаций в энергетической отрасли сельского хозяйства и соответственно снижением надежности электроснабжения и качества электрической энергии, особенно в сетях сельского назначения.

Целью диссертационной работы является оценка практики электроснабжения сельхозпотребителей в современных условиях, выявление реальной взаимосвязи между надежностью электроснабжения и качеством электроэнергии. Формулирование методологии комплексного обеспечения надежности и качества электроснабжения в распределительных сетях. Разработка способов оценки эффективности мероприятий, повышающих надежность и качество электроснабжения, и на этой основе формулирование и обоснование первоочередных мероприятий по обеспечению эффективного функционирования распределительных сетей — сельскохозяйственного назначения в новых условиях.

Задачи исследований:

1. Провести анализ состояния сельских электрических сетей (на примере Жигаловского района Иркутской области).

2. Выявить взаимосвязь между надежностью электроснабжения и качеством электроэнергии.

3. Разработать методику совместного комплексного анализа и синтеза надежности электроснабжения и показателей качества электроэнергии. Предложить вариант ее алгоритмической реализации для выполнения практических расчетов.

4. Осуществить анализ существующих мероприятий и средств, предназначенных для повышения надежности электроснабжения и качества электрической энергии.

5. На основе разработанной методики и анализа мероприятий сформулировать основные способы и средства обеспечения эффективного функционирования сельских электрических сетей, учитывая проблемы периода перехода энергетической отрасли к рынку.

Объектом исследования приняты сельские распределительные сети 35 кВ и ниже на примере Жигаловского района Иркутской области, надежность электроснабжения и качество электроэнергии на шинах потребителей.

Предмет исследования: влияние надежности электроснабжения на показатели качества электроэнергии на шинах потребителей.

Методы исследования. Фундаментальные положения теории надежности, основы электротехники, системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, математического моделирования, экспертных оценок.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Разработка комплексного подхода к оценке надежности электроснабжения и качества электроэнергии, отличительной чертой которого является учет взаимозависимости надежности и качества.

2. Разработка метода и проведение на его основе комплексного анализа мероприятий по повышению уровня надежности электроснабжения и поддержанию качества электроэнергии на заданном уровне.

3. Технико-экономическое обоснование рекомендаций по повышению надежности и качества электроснабжения и поддержания их на заданном уровне.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчёта показателей надежности электроснабжения с учетом показателей качества электроэнергии и количественной зависимости этих показателей друг от друга.

2. Результаты анализа работы сельских электрических сетей.

3. Результаты экспериментальных исследований по степени влияния надежности электроснабжения на показатели качества электроэнергии.

4. Результаты анализа способов и технических средств повышения уровня надежности электроснабжения и поддержания показателей качества электрической энергии в заданных параметрах.

Практическая значимость работы заключается в использовании разработанной комплексной методики совместного анализа и синтеза надежности электроснабжения и показателей качества электроэнергии при планировании дальнейшего развития инфраструктуры электроснабжения на примере Восточных электросетей Иркутской области.

Публикации и апробация результатов работы.

Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались и вошли в сборники научных докладов на научных конференциях Иркутской ГСХА 2003;2005 гг.- конференции молодых ученых Института систем энергетики им. J1.A. Мелентьева СО РАН- 3-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в г. Москва в 2003 гМеждународной конференции «Методические проблемы исследования надежности больших систем энергетики», 9−12 июля 2007 г. в г. Вологде. Результаты исследований опубликованы в 8 работах, в том числе две статьи в рекомендованных ВАК изданиях.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.

Выводы.

1. Необходимость реконструкции, т. е. изменения тех или иных параметров электрической сети, обуславливается рядом причин, к числу основных из которых относятся: необходимость увеличения пропускной способностифизический износ отдельных элементовморальное старение элементов сети.

2. Особенностью сложившейся в распределительных сетях ситуации является отсутствие возможности в полной мере использовать весь рекомендуемый спектр мероприятий для обеспечения достаточного уровня надежности и качества электроснабжения потребителей, так как предприятия районных электрических сетей, особенно сельских, испытывают постоянную нехватку средств для нормального технического обслуживания.

3. Предлагаются первоочередные наиболее эффективные и наименее затратные мероприятия по поддержанию требуемого уровня качества электрической энергии и повышению надежности электроснабжения.

4. Для обеспечения и повышения требуемого уровня надёжности электроснабжения могут быть использованы различные средства и мероприятия, по-отдельности, но максимальный эффект от их применения для повышения надёжности электроснабжения, а, следовательно, и качества электроснабжения может быть получен при комплексном использовании различных мероприятий и средств.

Заключение

.

В данной работе выявляется взаимосвязь и взаимозависимость надежности и качества, исследованы методические подходы и предложены расчетные алгоритмы, с помощью которых производится совместная оценка надежности электроснабжения и качества электроэнергии в сельских распределительных сетях. Рассматривается задача комплексного применения мероприятий и средств для обеспечения надежного и качественного электроснабжения сельских потребителей, предлагаются способы оценки технико-экономической эффективности применения наименее затратных средств повышения надежности в современных условиях сельских распределительных сетей, обеспечивающих требуемое качество электроэнергии на шинах потребителей. При этом:

1. Показано, что складывается опасная ситуация с точки зрения надежности электроснабжения потребителейсистема энергоснабжения объектов сельскохозяйственного назначения отличается низкой надежностью распределительных сетей и имеет место несоответствие качества электрической энергии на шинах потребителей ГОСТу 13 109−97.

2. Анализ состояния исследуемых сетей приводит к выводу, что восстановление (реконструкция) сетей в прежних параметрах и полном объеме по экономическим и техническим причинам сегодня нецелесообразно, а в ряде случаев и невозможно. Новые условия изменили требования, предъявляемые к сетям, возникла настоятельная необходимость в коренном обновлении сетей, создании сетей нового поколения, отвечающих складывающимся рыночным требованиям и современному техническому уровню распределения энергии в соответствии с требованиями потребителя.

3. Анализируется текущее состояние Восточных электросетей Иркутской области, проблемы их функционирования и развития. Основные из выявленных проблем является: электросетевое оборудование, прогрессирующе стареющее как физически, так и моральнонедостаточное финансирование на обновление электрооборудованиянизкая пропускная способность достаточно протяженных распределительных сетей, особенно 10 кВ.

4. Выполненный анализ современных условий развития и функционирования Российской и региональной электроэнергетических систем показывает, что эти условия с переходом экономики России к рыночной форме хозяйствования кардинально изменились и усложнились. Это требует существенной модернизации теории и практики принятия решений по развитию региональных ЭЭС, в том числе с учетом надежности и качества электроснабжения.

5. Предложена методика расчёта обобщенных показателей надежности электроснабжения и качества электроэнергии в виде коэффициентов готовности, математического ожидания недоотпуска электроэнергии и суммарного ущерба. Приведен состав и методика выполнения отдельных этапов анализа. Излагаются основные принципы реализации такого анализа.

6. В работе выполнен анализ современных средств повышения надежности и качества электроснабжения на уровне распределительных сетей с целью снижения остроты проблемы.

7. Учитывая ограничения поступлений инвестиционных средств в развитие распределительных сетей, предлагаются наименее затратные, но наиболее эффективные в складывающихся условиях мероприятия (применение ПРВТ, УПК, тепловизионного контроля) по поддержанию работоспособности распределительных сетей и качества электроэнергии в сельской местности.

8. В порядке дальнейшей работы предполагается проведение аналогичного анализа по остальным сетевым районам Иркутской области, что принесет несомненный технико-экономический эффект.

9. Информация о текущем состоянии сельских сетей и результаты выполненных исследований используются в учебном процессе при подготовке специалистов на кафедре «Электроснабжения сельского хозяйства» по специальности 140 211.65 «Электроснабжение».