Внедрение реклоузеров в целях повышения надежности электроснабжения

Если не установлены реклоузеры в воздушных распределительных сетях (ВРС), то возникают проблемы с надежностью электроснабжения.

Общая протяженность ВРС среднего напряжения 6(10) кВт составляет около 200 тыс. км – практически 80% от протяженности электрических сетей всех классов напряжения, располагающихся на территории Республики Беларусь.

По сетям 6 (10) кВт электроэнергия поступает: практически ко всем сельскохозяйственным потребителям (птицефабрикам, фермерским хозяйствам и др.), коттеджным поселкам, городам с малоэтажной застройкой, средним и малым промышленным предприятиям, электрифицированным железным дорогам, газопроводам и нефтепроводам.

Потребители всегда заинтересованы в надежности и качестве электроснабжения. Статистика показывает, что 70% всех нарушений электроснабжения происходит именно в сетях данного класса напряжения. Воздушные линии 6 (10) кВт выработали нормативный ресурс почти на 40% и нуждаются в техническом перевооружении. А инвестиций в их реконструкцию и развитие не хватает.

Распределительные сети среднего напряжения выполняются, как правило, по радиальным схемам древовидной конфигурации с многократным резервированием магистрали. Защитные аппараты устанавливаются на питающих центрах. Известно, что 80% повреждений, возникающих в ВРС, по природе своей неустойчивы и устраняются путем многократного повторного включения линии (АПВ). Но вследствие ограничений, накладываемых особенностями маломасляных выключателей, АПВ в таких сетях практически не используется. И если на линии случилось повреждение (хоть устойчивое, хоть неустойчивое), то электроснабжение теряют потребители целого фидера. Из-за невозможности достоверно определить и локализовать место повреждения длительность отключения может достигать нескольких часов (а иногда и суток). Поиск поврежденного участка и последующее выделение его производится силами оперативно-выездных бригад, с привлечением большого числа людей и техники.
Зачастую проблема надежности в распределительных сетях решалась за счет разукрупнения линий с сооружением новых подстанций, а также строительством новых линий, разукрупняющих существующие. Этот способ достаточно эффективен технически, однако требует значительных капитальных затрат на этапе строительства и текущих расходов на этапе эксплуатации.

Другим способом повышения надежности электроснабжения потребителей в сетях среднего напряжения с давних времен считается многократное резервирование и секционирование магистрали ручными разъединителями, однако ему присущи все недостатки существующих распределительных сетей, описанные выше.

Многолетний зарубежный опыт показал: одним из наиболее эффективных путей решения обсуждаемой задачи является реализация принципа децентрализованной автоматизации локализации аварийных режимов работы сети на базе коммутационных аппаратов нового поколения – реклоузеров.

Суть децентрализованной автоматизации  

Распределительная сеть оснащается пунктами автоматического секционирования. Они позволяют отключать только ее аварийный участок, опираясь на локальную информацию о повреждении, обрабатываемую непосредственно в самом пункте без использования каких-либо каналов связи. В силу того, что из строя выводится лишь конкретный участок, уменьшается число потребителей, которые одновременно могут «страдать» от повреждения. Длительность перерывов электроснабжения сокращается благодаря повышению быстродействия релейной защиты и автоматики.

Реклоузер (от англ. Reclosure – переключатель) – пункт автоматического секционирования ВРС столбового исполнения, объединяющий в себе:

Реклоузер наделен такими массогабаритными показателями (65 кг), которые позволяют с минимальными затратами произвести его быструю установку на опору ЛЭП.

Реклоузер «знает» такие алгоритмы работы защит и автоматики, как возможность раздельного ввода или вывода ступеней защит и координацию последовательности зон в циклах АПВ. Использование названных алгоритмов позволяет согласовать большое число последовательно установленных защитных аппаратов в сети. 

Эффекты 

Основной технический эффект от применения реклоузеров – повышение надежности электроснабжения за счет снижения недоотпуска электроэнергии. Соответственно основной экономический эффект – снижение сумм в возможных исковых требованиях за недоотпуск электроэнергии.

Кроме того, применение реклоузеров позволит создать управляемую сеть, резко сократить затраты на профилактическое обслуживание линейного сетевого оборудования, сбор, обработку и запись информации о режимах и событиях, поиск места повреждения на ЛЭП, повысить культуру эксплуатации распределительных сетей и гордиться законно занятым местом в передовых шеренгах научно-технического прогресса.

На протяжении последних 20 лет вопросам надежности электроснабжения потребителей в распределительных сетях уделялось недостаточное внимание. Тому были объективные причины.

В условиях плановой экономики распределение прибыли в энергетике производилось централизованно, потребители электрической энергии в сетях 6 (10) кВт были государственными и вопросы надежности электроснабжения решались путем централизованного регламентирования категорий групп электроприемников. После распада СССР финансирование проектов технического перевооружения ВРС значительно уменьшилось. В результате сети находятся в неудовлетворительном состоянии, а надежность электроснабжения – на низком уровне.

В условиях реформирования отрасли, создания сетевых компаний и перехода на рыночные отношения объективно назревает угроза выставления исковых требований к сетевым компаниям со стороны потребителей за неудовлетворительные показатели качества электроэнергии и надежности электроснабжения. Соответственно возникает потребность в автоматизации и повышении надежности процесса электроснабжения потребителей и, как следствие, проблема привлечения инвестиций на реализацию таких мероприятий.

 

Описание конструкции и функциональности реклоузеров

 

Функциональность реклоузера включает токовые защиты от междуфазных коротких замыканий, защиту от замыканий на землю, защиту минимального напряжения, а также автоматику повторного включения, ввода резерва и автоматику частотной разгрузки линии. Дополнительно функциональность реклоузера позволяет производить отстройку от бросков тока намагничивания и пусковых токов двигателей, а также предусматривает возможность ввода режима «работа на линии» при проведении работ без снятия напряжения. Защиты и автоматика реклоузера разрабатывались специально для целей автоматизации ВРС. Имеются такие особенности их работы, как возможность раздельного ввода или вывода ступеней защит и координация последовательности зон в циклах АПВ. Это позволяет реализовывать самые различные алгоритмы работы аппаратов в сети, согласовывать большое число защитных аппаратов без увеличения выдержки времени на головных участках.

Реализованная схема автоматизации сети позволяет выделять поврежденные участки линии за считанные секунды, что значительно сокращает простой трансформаторной мощности и в целом сокращает недоотпуск электрической энергии потребителям. Кроме этого, обеспечена возможность дистанционной реконфигурации топологии сети, автоматического сбора информации о параметрах режимов ее работы и состоянии установленного оборудования.

 

Теория надежности, или как подсчитать эффект

 

И зарубежные специалисты, и российские энергетики пришли к выводу, что наиболее эффективным способом повышения надежности электроснабжения в воздушных распределительных сетях является реализация автоматического секционирования воздушных линий электропередачи  на основе децентрализованного алгоритма работы многофункциональных автоматических пунктов секционирования. Каждый отдельный секционирующий аппарат представляет собой интеллектуальное устройство, анализирующее режимы работы электрической сети и автоматически производящее ее реконфигурацию в аварийных режимах, то есть локализацию места повреждения и восстановление электроснабжения потребителей неповрежденных участков сети. Преимуществом такого подхода является отсутствие влияния человеческого фактора – отключение короткого замыкания и локализация повреждения происходит автоматически. Время восстановления питания на неповрежденных участках сети сокращается до секунд, как следствие – снижается риск нанесения ущерба потребителям электрической энергии.

Аппаратом, отвечающим всем требованиям децентрализованного подхода, является вакуумный реклоузер РВА/TEL, состоящий из вакуумного коммутационного модуля со встроенной системой измерения токов и напряжения и шкафа управления с микропроцессорной системой релейной защиты и автоматики (РЗА). При этом конструктив устройства и его функциональность разработаны с учетом особенностей применения в распределительных сетях: удаленность от обслуживаемых подстанций, различные, а иногда довольно тяжелые климатические условия, необходимость осуществления специальных функций РЗА, отличающихся от традиционных: направленные защиты с разными уставками в двух направлениях, защита минимального напряжения, направленный АВР с контролем напряжения, переход с одной уставки на другую в циклах АПВ, малые ступени селективности и т.д.

Для ответа на вопрос: почему автоматическое секционирование на базе реклоузеров выгодно – рассмотрим его влияние на один из основных показателей эффективности работы воздушных распределительных сетей – надежность электроснабжения потребителей.

В классическом определении это понятие трактуется как вероятность сохранения электроснабжения при нормальных и аварийных режимах работы энергосистемы. Тем не менее, сам термин “надежность электроснабжения” не позволяет в полной мере количественно оценивать эффективность мероприятий, направленных на ее повышение, в частности, возможный ущерб при отключении потребителя. Поэтому в качестве интегрального показателя используют суммарный годовой недоотпуск электроэнергии ∆W_но. Не являясь в чистом виде выражением надежности как вероятности, он позволяет количественно оценивать эффективность различных мероприятий по повышению надежности электроснабжения, в частности, автоматического секционирования с применением реклоузеров.

Суммарный годовой недоотпуск электроэнергии может быть рассчитан как для всей системы в целом, так и для конкретного потребителя по выражению:

где ΔW_но – годовой недоотпуск электроэнергии (кВтт·ч в год); ω_О – удельная частота повреждений ВЛ 6 (10) кВт (1 на 100 км в год); Т – среднее время восстановления одного устойчивого повреждения (ч); L – длина участка линии (км), S_ном – номинальная мощность трансформатора потребительской подстанции (кВтА); cosφ – коэффициент мощности; k_з – коэффициент загрузки.

Как видно из формулы, повлиять на величину недоотпуска может целый ряд факторов, причем каждый из них также может служить показателем надежности – это количество отключений потребителей, величина отключаемой нагрузки при каждом повреждении и время перерыва электроснабжения. Расчет всего комплекса показателей дает ответы на вопросы, которые волнуют каждого потребителя электроэнергии и всегда адресуются электроснабжающей организации: «Как часто будет отключаться электроэнергия? Как долго ее не будет?». Кроме того, все тот же расчет позволит сетевой компании определить собственный ущерб.

Уменьшив величину любого из указанных показателей, можно добиться повышения эффективности и надежности. Так как же это сделать?

Вероятность или количество устойчивых отключений ВРС  определяется протяженностью участка, а точнее, правилом: «чем длиннее ВЛ, тем более она аварийна» – и частотой повреждений.

Около 80% повреждений по своей природе являются неустойчивыми, но, в отсутствии автоматики повторного включения (АПВ), каждое из них приводит к длительному отключению линии. Целесообразность применения АПВ очевидна: статистика показывает, что успешность первого цикла сокращает общее количество отключений на 60%, второго – дополнительно на 20%. К сожалению, в существующих распределительных сетях роль первого цикла АПВ, как правило, выполняет оперативная бригада, которая производит первое пробное включение выключателя в центре питания при его аварийном отключении. АПВ на отходящих фидерах применяется не всегда, а непосредственно в линии вообще отсутствует.

Децентрализованная система секционирования сети с применением реклоузеров предполагает как минимум однократное АПВ. А в ряде случаев на реклоузерах используется двукратное, реже – трехкратное АПВ.

Чтобы понять, как уменьшить время поиска и локализации повреждения, рассмотрим процесс восстановления электроснабжения потребителей. Учитывая, что в существующих распределительных сетях для секционирования до сих пор применяются ручные разъединители, его можно разделить на следующие характерные этапы:

Общее время восстановления электроснабжения колеблется от 3 до 10 и более часов. При этом около 60% его тратится на поиск и локализацию поврежденного участка (первые четыре пункта) и только 40% – непосредственно на выполнение ремонтных работ (пятый и шестой пункты).

При внедрении децентрализованной автоматизации выделение участка с повреждением и включение резервного питания происходит автоматически, за считанные секунды. Таким образом, время восстановления электроснабжения фактически сокращается до величины времени, затрачиваемого непосредственно на обход и ремонт поврежденного участка, т.е. на 60%, по сравнению с классическим вариантом на ручных разъединителях.

Наиболее существенное влияние секционирование на базе реклоузеров оказывает на сокращение величины отключаемой нагрузки. За счет того, что в ремонт автоматически выводится конкретный участок сети, степень влияния повреждения на потребителей ограничена.

Количественную оценку эффекта целесо­образно проводить в сопоставлении с базовым вариантом сети, за который принимаем традиционную модель ВРС 10 кВт с электромеханической релейной защитой в центрах питания, а также ручными разъединителями на линии. Каждое повреждение в этом случае приводит к автоматическому отключению всего фидера, аварийный участок выделяется лишь после продолжительных поисков. Децентрализованная автоматизация, напротив, позволяет сразу выделить нужный участок ЛЭП, на потребителей остальной части сети повреждение никак не повлияет. Величина эффекта зависит от количества реклоузеров, установленных в сети, мест их установки и алгоритма секционирования.

Особенность сетей 6/10 кВт – слабые оснащенность коммутационными аппаратами и автоматизация послеаварийных переключений. В отличие от сетей высокого напряжения, где практически в каждом узле нагрузки есть возможность автоматически или дистанционно отключить его от основного питания и включить на резервное, в сети 6/10 кВт, как правило, установлены лишь разъединители с ручным приводом. Для управления ими оперативно-выездные бригады (ОВБ) должны преодолевать значительные расстояния. Неудивительно, что перерывы в электроснабжении потребителей измеряются часами и даже сутками.

Многолетний зарубежный опыт показал: одним из наиболее эффективных путей повышения надежности ВРС является реализация принципа децентрализованной автоматизации локализации аварийных участков сети. Особенность этого принципа заключается в том, что система выполняет свои основные задачи самостоятельно – без координации из центра. Телемеханика в этом случае не участвует в выполнении основных функций, осуществляя лишь вспомогательные – оперативное управление, контроль параметров сети и т. д.

Реализация упомянутого принципа возможна лишь при оснащении ВЛ 6 (10) кВт комплексом аппаратов в состав которого входят устройства:                

Отдельными блоками все описанные устройства в достаточном количестве представлены на рынке электрооборудования. Однако по отдельности они представляют довольно громоздкую и немобильную систему, к тому же достаточно сложную в реализации, монтаже и эксплуатации, а кроме того и весьма дорогостоящую.

Электроснабжение скважин, эксплуатируемых РУП «ПО «Белоруснефть» осуществляется по распределительным сетям мощностью 6, 10 и 35 кВт. Нефтяные скважины рассредоточены на весьма большой территории, чем обусловлена большая общая протяженность сетей. Только по напряжению 6(10) кВт она превышает семьсот километров, что сопоставимо с районом электрических сетей в электросетевых филиалах РУП-облэнерго.

Объекты нефтедобычи относятся к категории ответственных потребителей. Длительные перерывы в их электроснабжении влекут существенные экономические потери в виде недополученной прибыли от реализации такого ценного сырья как нефть. Поскольку значительная часть питающих сетей проходит по труднодоступным, часто заболоченным местам, то очевидно, что любое повреждение на линии существенно повышает риск длительного простоя оборудования по описанным выше причинам.

В качестве 1-й очереди первого пускового комплекса программы, разработанной для повышения надежности системы электроснабжения, был выбран участок сети 6 кВт, питающий наиболее важные с точки зрения объемов нефтедобычи скВтажины.

С учетом всех перечисленных выше требований, состава необходимых и реализуемых функций, при реконструкции был применен принцип децентрализованной автоматизации сети 6 кВт на базе реклоузеров производства российской компании «Таврида Электрик», как оптимальное на сегодняшний день решение, в наиболее полной мере соответствующее современным достижениям, а именно:

широкие функциональные возможности – предусмотрены все необходимые для надежной и эффективной автоматизации распределительных сетей функции:

Благодаря высокой скорости работы коммутационного модуля и низким погрешностям системы измерения и микропроцессорного устройства защиты и автоматики обеспечивается уникальное время ступени селективности – 0,1 с.

Ожидаемые результаты

 

Основной составляющей эффекта, ожидаемого от реализации проектного решения, является повышение надежности электроснабжения объектов нефтедобычи.

Помимо основного эффекта, автоматизация сети 6 кВт на базе реклоузеров снизит затраты на:

Учитывая сказанное, можно сделать вывод, что применение децентрализованной автоматизации на базе реклоузеров в распределительных сетях 6 (10) кВт в совокупности с системами передачи данных, визуализации и архивирования является перспективным, технологически оправданным мероприятием, и позволит вывести электрические сети среднего напряжения на новый уровень автоматизации и управления.

Вакуумный реклоузер SMART35 – уникальный по своим габаритам и функциональности аппарат, позволяющий наиболее эффективным способом подключать абонентов к сети 35 кВт и повышать надежность магистральных участков ВЛ 35 кВт. Это первый в мире интеллектуальный коммутационный аппарат в классе 35 кВт, который можно устанавливать непосредственно на существующую опору воздушной линии.

Распределительные сети 35 кВт традиционны для энергетики стран СНГ. Только в ведении сетевых компаний России их более 115 тыс. км (в Беларуси – около 12 тыс. км). Для нефтегазодобывающих предприятий это напряжение остается зачастую основным.

Сети 35 кВт обладают двумя очевидными, преимуществами в сравнении с сетями 6 (10) кВт:

Результаты реализации первых этапов 

После установки реклоузеров: