Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Содержание проблемы качественного функционирования трёхфазных трёхпроводных электрических сетей общего назначения с низкими интегральными характеристиками в регионах с суровым климатом 12
1.1 Факторы, снижающие качество функционирования линий электропередачи 12
1.2 Несимметрия трёхфазной системы напряжений по обратной последовательности как вид искажения 15
1.3 Объект исследования 20
1.4 Главный аспект системного анализа качества функционирования электрических сетей общего назначения с несимметричными нагрузками 23
1.5 Основные источники несимметрии напряжений в сетях общего назначения региона исследования 31
1.6 Интенсивность влияния несимметрии напряжений по обратной последовательности на технические средства 42
1.7 Выводы по главе 1 48
ГЛАВА 2 Исследование влияния напряжения обратной последовательности на потери активной мощности 50
2.1 Направление исследования 50
2.2 Сведения о кондуктивных низкочастотных электромагнитных помехах в действующих директивных документах 51
2.3 Методологическая база анализа технологического расхода электроэнергии на её передачу при несимметричном и несинусоидальном напряжении в сети 56
2.3.1 Постановка задачи 56
2.3.2 Эффективность использования активной мощности при симметричном и синусоидальном режимах напряжения в сети 57
2.3.3 Влияние гармонического воздействия на баланс полной мощности в симметричной сети 62
2.3.4 Составляющие полной мощности несимметричной трёхфазной 66
сети при несинусоидальных токе и напряжении 66
2.3.5 Критерий нормированного технологического расхода электроэнергии на её транспорт при несимметрии напряжений в трёхфазных трёхпроводных сетях .69
2.4 Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3 Повышение устойчивости электрических сетей общего назначения к электромагнитным воздействиям 76
3.1 Теоретическая база исследования 76
3.1.1 Критерии качества функционирования линий электропередачи при искажениях напряжения и частоты 76
3.1.2 Классификация критериев качества функционирования систем электроснабжения общего назначения 86
3.1.3 Концепция повышения качества функционирования несимметричных систем электроснабжения общего назначения при гармоническом воздействии.88
3.2 Методика определения кондуктивной низкочастотной электромагнитной помехи по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности 93
3.3 Электромагнитная обстановка в электрических сетях (35–110) кВ региона исследования 96
3.4 Кондуктивные низкочастотные электромагнитные помехи в сетях (35–110) кВ региона исследования 102
3.4.1 Электрическая сеть 35 кВ 102
3.4.2 Электрическая сеть 110 кВ 104
3.5 Алгоритм расчётного обеспечения подавления кондуктивной низкочастотной электромагнитной помехи по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности 107
3.6 Выводы по главе 3 111
ГЛАВА 4 Повышение качества функционирования воздушных линий электропередачи в регионах с суровым климатом 112
4.1 Повреждение опор как вид отказов воздушных линий электропередачи 112
4.2 Композитные опоры 116
4.2.1 Общая характеристика композитных материалов 116
4.2.2 Зарубежный и отечественный опыт использования композитных опор .120
4.3 Почему и какие необходимо внедрять композитные опоры в регионах России с суровым климатом? 127
4.3.1 Композитные опоры 10 кВ 128
4.3.2 Композитные опоры 35 кВ 130
4.3.3 Композитные опоры 110 кВ 131
4.3.4 Композитные опоры 220 кВ 136
4.4 Региональный подход к инвестициям в электрические сети общего назначения в районах с суровым климатом 139
4.5 Выводы по главе 4 142
Заключение Ошибка! Закладка не определена.
Список литературы 146
Приложения 162
- Несимметрия трёхфазной системы напряжений по обратной последовательности как вид искажения
- Сведения о кондуктивных низкочастотных электромагнитных помехах в действующих директивных документах
- Классификация критериев качества функционирования систем электроснабжения общего назначения
- Почему и какие необходимо внедрять композитные опоры в регионах России с суровым климатом?
Введение к работе
Актуальность темы. Нарастающие темпы освоения регионов Сибири и Дальнего Востока России обусловливают интенсивную их электрификацию. Влияющим фактором в комплексе предъявляемых требований к надёжности и экономичности их систем электроснабжения является повышение качества функционирования электрических сетей общего назначения, имеющих в основном трёхфазное трехпро-ходное исполнение. При этом под качеством функционирования понимается способность технических средств удовлетворять требованиям эксплуатации (ГОСТ Р 50397–93).
Неослабляющая эскалация в эти регионы приёмников электрической энергии, искажающих её качество, незначительные интегральные показатели сетей общего назначения (полная мощность трёхфазного короткого замыкания) и недостаточная долговечность электросетевых конструкций линий электропередачи (опоры воздушных линий, фундаменты, электросетевая арматура и т.д.), работающие в условиях сурового климата, обостряют проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств [1]. Нарушаются нормы технологического расхода электроэнергии на её транспорт [4,5]. В электрических сетях общего назначения наблюдается значительная несимметрия трёхфазных систем напряжений, которая обусловливает появление кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех (ЭМП) по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности очень опасных для силового и электронного электрооборудования.
Основным научным направлением решения проблемы ЭМС технических средств, развитым учёными многих стран мира [В.П. Гореловым, А.Н. Висящевым, Е.В. Ивановой, Н.И. Воропаем, Ю.С. Железко, Г.И. Самородовым, А.Г. Овсянниковым, В.Г. Сальниковым, Б.В. Лукутиным, Н.Н. Лизалеком, Ю.В. Хрущёвым, В.Н. Горюновым, В.З. Манусовым, М.П. Бадером и др (Россия); И.В. Жежеленко, А.К. Шидловским, В.П. Шипилло и др. (Украина); М.А. Короткевичем и др. (Белоруссия); В. Клопелем, А. Швабом и др. (Германия); Дж. Ар-рилагом, Д. Бодером и др. (Великобретания) и т.д.] является улучшение электромагнитной обстановки (ЭМО). Однако, рассматриваемая проблема многогранна и одна из научно-технических задач – повышение качества функционирования электрических сетей общего назначения с низкими интегральными характеристиками, работающих в
регионах с искажающими нагрузками и суровым климатом, не решена. Нет соответствующего стандарта. Поэтому тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования является трёхфазные трёхпроводные электрические сети общего назначения с нессиметричными нагрузками в регионах с суровыми климатом.
Предметом исследования является кондуктивная низкочастотная ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в электрических сетях общего назначения.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами
Работа выполнена в соответствии: с Государственными контрактами Министерства образования и науки Российской Федерации № 16.526.12.6015 от 11.10.2011 на выполнение опытно-конструкторских работ по теме "Разработка технологии производства и создание типоразмерного ряда оксидноцинковых варисторов и современных композитных материалов, необходимых для их производства" и № 16.526.11.6015 от 22.05.2012 г. – "Разработка и создание опытных образцов устройств для высоковольтных воздушных линий электропередачи на базе изолирующих траверс, предназначенных для удаления гололёда и подобных явлений с проводов", с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (Гос. регистр. № 0188.0004.137) ФБОУ ВПО «НГАВТ». Ориентирована на реализацию мероприятий подпрограммы "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в электроэнергетике" Государственной программы Российской Федерации "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020", утверждённой распоряжением Правительства Российской Федерации от 27.12.2010 г.
Идея работы заключается в повышении качества функционирования электрических сетей общего назначения (электропередачи) путём подавления кондуктивных низкочастотных ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности и улучшения характеристик электросетевых конструкций.
Целью работы является разработка научных положений и рекомендаций по повышению качества функционирования электрических сетей общего назначения с низкими интегральными характеристиками в регионах с искажающими нагрузками и суровым климатом.
Для достижения цели в работе ставились и решались следующие взаимоувязанные научно-технические задачи:
– разработка схемы взаимодействия влияющих факторов, обусловленных особенностями сурового климата и электрической нагрузки, на качество функционирования линий электропередачи с низкими интегральными характеристиками;
– анализ несимметрии трёхфазной системы напряжений по обратной последовательности как вида искажения;
– оценка интенсивности влияния несимметрии напряжений по обратной последовательности на технические средства и разработка схемы воздействия этого напряжения на рецепторы;
– определение главного аспекта системного анализа указанных электрических сетей как рецепторов, реагирующих на коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;
– исследование связей между составляющими полной мощности при различных режимах трёхфазной системы напряжений с целью дифференциальной оценки потерь активной мощности в зависимости от вида искажений;
– обоснование критерия нормированного технологического расхода электроэнергии на её транспорт в трёхфазных трёхпроводных сетях;
– разработка методики определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности;
– экспериментальное исследование несимметрий напряжений и разработка математических моделей кондуктивных низкочастотных ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в электрических сетях (35–110) кВ региона исследования;
– применение алгоритма расчётного обеспечения подавления кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности;
– анализ повреждения опор как вида отказов воздушных линий электропередачи;
– обоснование применения и выбор композитных опор для воздушных линий электропередачи в развивающихся регионах с суровым климатом.
Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: научно-техническое обобщение литературных источни-
ков по исходным предпосылкам исследований, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятности (теория производящих функций, теория ошибок), методы аналитических исследований (метод симметричных составляющих, метод гармонического анализа), методы системного анализа, расчёты по универсальным и специализированным компьютерным программам.
Положения, выносимые на защиту:
– схема взаимодействия природно-климатического воздействия и электромагнитного влияния на качество функционирования электрических сетей общего назначения с низкими интегральными характеристиками;
– методика определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в электрической сети;
– математические модели кондуктивных низкочастотных ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в электрических сетях (35–110) кВ региона исследования;
– алгоритм расчётного обеспечения подавления кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности;
– положение о региональном подходе к инвестициям в электрические сети общего назначения в сырьевых регионах с суровым климатом.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций
Достоверность обеспечена: использованием исходной информации, полученной с помощью сертифицированного оборудования и средств измерений; достаточной точностью измерения электрических величин; корректностью программного обеспечения; непосредственным участием в экспериментах.
Обоснованность подтверждается принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений, публикациями, практической реализацией полученных результатов.
Научная новизна работы характеризуется следующими научными положениями:
– разработана схема взаимодействия факторов, влияющих на качество функционирования электрической сети общего назначения с низкой интегральной характеристикой в регионе с суровым климатом,
позволяющая комплексно представить обстановку при сложных климатических условиях;
– предложена методика определения кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности, позволяющая научно обоснованно оценивать электромагнитную обстановку в электрических сетях;
– определены математические модели кондуктивных низкочастотных ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в электрических сетях (35–110) кВ региона исследования, которые численно отображают уровень нарушения нормируемого показателя качества электроэнергии;
– обоснован алгоритм расчётного подавления кондуктивной низкочастотной ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности, учитывающий свойства дисперсии этого коэффициента, которая всегда отлична от нуля и не зависит от способа подключения электроприёмников;
– разработано положение о региональном подходе к инвестициям в электрические сети общего назначения на основе решения оптимизационной задачи с учётом затрат полного цикла эксплуатации, существенно снижающее риски потери электроснабжения в районах с суровым климатом.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии теоретических основ ЭМС электрических сетей с пониженными интегральными характеристиками, имеющих несимметричную нагрузку (потребителей электроэнергии) и работающих в тяжёлых условиях сурового климата.
Практическая значимость результатов работы заключается в том, что внедрение на отраслевом уровне научных положений и рекомендаций диссертации в проектную и эксплуатационную практику обеспечивает повышение качества функционирования указанных выше линий электропередачи.
Совокупность полученных результатов представляется как решение важной научно-технической задачи, имеющей существенное значение для экономики интенсивно развивающихся сырьевых районов России.
Реализация работы. Рекомендации по повышению качества функционирования электрических сетей общего назначения с низкими интегральными характеристиками в регионах с суровым климатом внедрены: в ОАО "Тюменьэнерго" (г. Тюмень) с ожидаемым годовым
экономическим эффектом 8100 тыс. руб. на 100 км линий электропередачи напряжением 110 кВ; в ЗАО "Институт автоматизации энергетических систем" (г. Новосибирск) с ожидаемым годовым экономическим эффектом 950 тыс. руб. при нормированном сроке окупаемости капиталовложений; в ЗАО «Сибирская электротехника» (г. Новосибирск) с ожидаемым годовым экономическим эффектом 850 тыс. руб. при сроке окупаемости капиталовложений менее двух лет.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались: на 5-й международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза, 2014 г.), на 52-й международной научной студенческой конференции « Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2014 г.), на постоянно действующем семинаре «Электрические станции и электроэнергетические системы» в ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (2011–2013г.г.); на совещании в ОАО "Россети" "Организация разработки композитных опор (0,4–35) кВ" (г. Москва, 28.01.2014 г) и на итоговом совещании за 2013 г. руководителей служб ОАО "Газпромнефть" (г. Ханты-Мансийск, 27.02.2014 г).
Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении А диссертации и составляет не менее 50 %.
Публикации. Содержание работы изложено в 13 научных трудах, в том числе, в 5 статьях периодических изданий по перечню ВАК, в одной монографии и в 6 отчётах о научно-исследовательских работах.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, списка литературы из 159 наименований и двух приложений. Изложена на 167 страницах машинописного текста, который поясняется 45 рисунками и 21 таблицей.
Несимметрия трёхфазной системы напряжений по обратной последовательности как вид искажения
Несимметрия трёхфазной системы напряжений в трёхфазных трёхпровод-ных сетях общего назначения обусловлена несимметричными нагрузками потребителей электрической энергии или несимметрией элементов электрической сети. Показателем качества электроэнергии в этих сетях является коэффициент несимметрии по обратной последовательности ( K2U ) [1–3].
Анализ несимметрии трёхфазной системы напряжений выполняется с помощью метода симметричных составляющих, предложенного Фортескью и детально разработанных Вагнером и Эвансом [4, 5]. Этот метод применяется для линейных систем, в которых можно определить сопротивления для различных последовательностей. В соответствии с этим методом под несимметрией напряжений в трёхфазных трёхпроводных линиях электропередачи понимается наличие, наряду с системой прямой последовательности напряжений, системы обратной последовательности.
На рисунке 1.2, а показан результат наложения на систему прямой последовательности напряжений (вектора фазных напряжений U&A1,U&B1,U&C1 на рисунке 1.2, б) системы обратной последовательности U&A2,U&B2,U&C2 (рисунок 1.2, в) [6].
Несимметричные фазные напряжения U&A,U&B,U&C определяются по форму лам
Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности как результат i-го наблюдения (измерения) в процентах определяется по формуле [2] где UAli , UA2i – соответственно, действующее значение напряжения прямой и обратной последовательностей на основной частоте при i-м измерении.
Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 54149–2010 (дата введения – 2013–01–01) учитывает основные нормативные положения европейского стандарта ЕН 50160:2010 "Характеристики напряжения электричества, поставляемого общественными распределительными сетями" (EN 50160:2010 Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution networks , NEQ) [1]. В этом стандарте для коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности установлены следующие нормы:
- значения К2и в точке передачи электрической энергии потребителю, усреднённые в интервале времени 10 мин., не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю;
- значения К2и в точке передачи электрической энергии потребителю, усреднённые в интервале времени 10 мин., не должны превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю.
Межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97 характеризует в отличие от ГОСТ Р 5414-2010, принятые в нём нормы коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности как уровни электромагнитной совместимости (ЭМС) для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех (ЭМП) в системах электроснабжения общего назначения [2].
ГОСТ 1310909-97 допускает определять действующее значение напряжения обратной последовательности на основной частоте при і-м наблюдении по приближенной формуле где UHSi, UHmi - соответственно, наибольшее и наименьшее действующие значения из трёх междуфазных напряжений основной частоты при і-м наблюдении, кВ.
При этом относительная погрешность определения K2Ui не превышает 8 %, что во многих случаях удовлетворяет требованиям точности измерений параметров электрической сети.
Вычисляют значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности (К2и) в процентах как результат усреднения N наблюдений на интервале времени, равном 3 с, по формуле [2] где N 9 – число наблюдений на интервале; K2Ui – коэффициент несимметрии при i-м наблюдении, %.
ГОСТ 13109-97 установлены следующие нормы для коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности:
– нормально допустимое значение коэффициента равняется 2 %;
– предельно допустимое значение составляет 4 %;
Качество электрической энергии по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности в точке общего присоединения считается соответствующим требованиям настоящего стандарта, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений коэффициентов K2U не превышает предельно допустимого значения, а значение коэффициента K2U , соответствующее вероятности 95 % за установленный период времени, не превышает нормально допустимого значения.
Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода измеренных значений данного показателя качества электроэнергии (КЭ) за нормально и предельно допустимые значения. При этом качество электрической энергии по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности считается соответствующим требованиям настоящего стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимое значение составляет не более 5 % от установленного периода времени, т.е. 1ч.12 мин., а за предельно допустимое значение 0 % от этого периода [2].
Изложенное показывает, что требования ГОСТ 13109–97 и ГОСТ Р 54149– 2010 к уровню несимметрии напряжений по обратной последовательности не имеют принципиальных различий. При соблюдении указанных норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей общего назначения и электрических сетей потребителей электрической энергии (приёмников электрической энергии), а также других технических средств по несимметрии напряжений в трёхфазных трёхпроводных электрических сетях общего назначения. Нормы являются уровнями ЭМС для кондуктивных электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения [2, 6]. При нарушениях указанных норм в электрических сетях общего назначения появляются согласно ГОСТ 13109–97 кондуктивные ЭМП по коэффициенту несимметрии напряжений по обратной последовательности. Эти помехи в соответствии с номенклатурой видов ЭМП по ГОСТ Р 51317.2.5–2000 (МЭК 6100–2–5– 95) следует относить к кондуктивным низкочастотным ЭМП.
Для достоверности этого положения ниже приводится полная номенклатура видов ЭМП по ГОСТ Р 51317.2.5–2000 (МЭК 6100–2–5–95) [6, 9, 10].
Кондуктивные низкочастотные электромагнитные помехи:
– гармоники, интергармоники напряжения электропитания;
– напряжения сигналов, передаваемых в системах электропитания;
– колебания напряжения электропитания;
– провалы, кратковременные прерывания и выбросы напряжения электропитания;
– отклонения напряжения электропитания;
– несимметрия напряжений в трёхфазных системах электроснабжения;
– изменения частоты питающего напряжения;
– наведённые низкочастотные напряжения;
– постоянные составляющие в сетях электропитания переменного тока.
Излучаемые низкочастотные электромагнитные помехи:
– магнитные поля;
Сведения о кондуктивных низкочастотных электромагнитных помехах в действующих директивных документах
Качество электрической энергии тесно связано с надёжностью электроснабжения, поскольку нормальным режимом электроснабжения потребителей является такой режим, при котором потребители получают электроэнергию бесперебойно в количестве, заранее согласованным с энергоснабжающей организацией, и нормированного качества. Статья 542 Гражданского кодекса Российской Федерации требует поставлять электроэнергию, качество которой соответствует требованиям государственных стандартов и иных обязательных правил или договорам энергоснабжения [48].
В соответствии с Законом Российской Федерации «О защите прав потребителей (статья 7) и Постановлением Правительства Российской Федерации от 13 августа 1997 г. № 1013 электрическая энергия подлежит обязательной сертификации по показателям качества электроэнергии, установленным директивными документами. Это значит, что каждая электроснабжающая организация наряду с лицензией на производство, передачу и распределение электроэнергии должна получить сертификат, удостоверяющий, что качество поставляемой ею энергии отвечает нормируемым значениям.
С 01.01.2013 г. введён национальный стандарт Российской Федерации на нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения – ГОСТ Р 54149-2010 [1]. Стандарт устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в точках передачи электрической энергии пользователям электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжений (ГОСТ 29322-92) систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц. Учитывая непредсказуемость ряда явлений, влияющих на напряжение, не представляется возможным установить определённые допустимые границы значений для соответствующих характеристик напряжения. Поэтому изменения характеристик напряжения, связанные с такими явлениями, как, например, провалы и прерывания напряжения, перенапряжения и импульсные напряжения, в настоящем стандарте не нормируются. При заключении договоров на поставку или передачу электрической энергии следует учитывать статистические данные, относящиеся к таким характеристикам.
В межгосударственном стандарте (ГОСТ 13109–97), введённым 01.01.1999 г., уровни электромагнитной совместимости (ЭМС) для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех [2] представляются более расширенными нормами качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения (таблица 2.1), под которыми понимается соответствие основных параметров энергосистемы установленным нормам производства, передачи и распределения электрической энергии. Качественная электроэнергия на месте производства не гарантирует её качество на месте потребления.
В целом электрическая энергия как товар на оптовом и розничном рынках характеризуется качеством частоты переменного тока и качеством напряжения [1]. Причём качество частоты оценивается одним, а напряжения – несколькими показателями качества электроэнергии (таблица 2.1). Для большинства нормируемых показателей КЭ установлены нормально допустимые и предельно допустимые значения. Математическое представление этих показателей будет в дальнейшем рассмотрено по мере необходимости при формировании методики и алгоритма расчётов кондуктивных низкочастотных ЭМП [6].
Классификация показателей КЭ как уровней ЭМС для кондуктивных низкочастотных ЭМП представлена на рисунке 2.1. Видно распределение показателей КЭ в зависимости от режимов работы электроустановок и сетей ЭЭС [6].
Классификация уровней электромагнитной совместимости для кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех, распространяющихся по проводам
При эксплуатации электрических станций и подстанций существуют проблемы, связанные с ЭМС силовых цепей выше 1 кВ и вторичных цепей со стандартным напряжением 100 В и с силовым оборудованием (генераторы, электродвигатели, трансформаторы и т.д.) напряжением выше 1 кВ, с электрическими сетями среднего (от 3 до 35 кВ) и высокого (110 кВ и более) напряжений. Вторичные цепи имеют рабочие напряжения ниже на три и более порядка, чем у первичных цепей. Поэтому для этих цепей представляют в основном опасность воздействия индуктивных ЭМП, которые возникают при коммутациях электрооборудования, коротких замыканиях, грозовых перенапряжениях, разрядах статического электричества и других явлениях [6, 7].
Для обеспечения ЭМС технических средств во вторичных цепях имеются нормативно технические и методические документы: ГОСТ 13109–97 [2], ГОСТ Р 54149–2010 [1], РД 153–34.0–15.501–00 [26], СТО 56947007–29.240.044–2010 [11], СО 34.35.311–2004 [22], ГОСТ Р 51317.6.5–2006 (МЭК 61000–5) [24], ГОСТ Р 5137.2.5–2000 (МЭК 61000–2–5–95) [9], ГОСТ Р 5137.2.4–2000 (МЭК 61000–2–4– 94) [10], IEEE [29], СО 153–34.34.20.122–2006 [25], РД 153–34.0–15.502–02 [27] и МЭК 61000–2–5–2002 [48]. В них изложены методические рекомендации по контролю и анализу качества электрической энергии, по обеспечению ЭМС на объектах электросетевого хозяйства и по определению электромагнитной обстановки (ЭМО) и совместимости на электрических станциях и подстанциях, которые охватывают различные аспекты ЭМС технических средств подстанций, машинных залов электростанций и других энергетических объектов во вторичных цепях, в сетях постоянного и переменного тока автоматизированных систем технологического управления, а также соответствие систем безопасности условиям ЭМС.
Основной причиной, которая создаёт проблему ЭМС силового оборудования и распределительных сетей, являются кондуктивные низкочастотные ЭМП, обусловленные нарушениями нормальных режимов производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии. Нестандартные показатели качества электроэнергии нарушают уровни ЭМС для кондуктивных низкочастотных ЭМП. В результате снижается качество функционирования линий электропередачи.
Классификация критериев качества функционирования систем электроснабжения общего назначения
Качество функционирования СЭС общего назначения характеризуется искажениями напряжения и частоты. В зависимости от вида искажения существуют свои критерии качества, которые тесно связаны с режимами работы системы электроснабжения. На рисунке 3.2 представлена классификация этих критериев качества. Достоверность классификации подтверждается получен-ными выше результатами.
При номинальном режиме электрической сети каждый параметр ЭМС технических средств, обусловленный i-м показателем КЗ, измеренным в течение расчётного времени (24 ч) ИВК, характеризуется множеством действительных чисел, непрерывно распределённых в заданных интервалах случайных величин. Это множество является конечным, замкнутым и ограниченным. Общая характеристика ЭМО представляется таблицей и (или) гистограммой. Доказано, что качество функционирования технических средств в ЭЭС характеризуется показателями КЭ, если они соответствуют требованиям. В этом случае электрическая энергия является полноценным товаром на розничном и оптовом рынках электроэнергии [6, 7, 46].
При несимметричном и (или) несинусоидальном режиме работы СЭС общего назначения для отображения ЭМО используется поле событий, позволяющее объективно представить распределение параметров ЭМС для кондуктивных низкочастотных ЭМП в течение расчётного времени. Для определения параметров распределения доказана возможность применения производящей функции. Сформулированы условия появления указанных ЭМП, предложены математические модели для определения параметров и вероятности появления кондуктивных низкочастотных ЭМП. Показано, что эти помехи характеризуют качество функционирования СЭС общего назначения в заданной ЭМО, являются критериями этого качества. 3.1.3 Концепция повышения качества функционирования несимметричных систем электроснабжения общего назначения при гармоническом воздействии
Системы электроснабжения общего назначения региональных ЭЭС должны обеспечивать устойчивое (надёжное, бездефицитное, экономичное) снабжение электроэнергией всех потребителей, расположенных на их территориях. Обеспечение этих требований формируют в мировой электроэнергетике острую проблему. В связи с этим Министры энергетики восьми ведущих промыш-ленно развитых стран мира (страны «Группы восьми») на встрече 03.05.2002 г. в США (г. Дейтройт, штат Мичиган) рекомендовали проблему передачи электрической энергии решать совместными усилиями [106]. Однако, учитывая масштабность исследований проводимых в мире по этой проблеме, возникает вопрос: можно ли обеспечить ЭМС технических средств в сетях систем электроснабжения общего назначения путём подавления кондуктивных низкочастотных ЭМП? Для ответа на этот вопрос нужно представить математически обоснованный подход к подавлению этих помех.
В несимметричных СЭС общего назначения при гармоническом воздействии ЭМО определяется п-м количеством стационарных случайных процессов, обусловленных нестандартными показателями КЭ. Все эти случайные процессы формируют единый сложный электромагнитный процесс. Исчерпы-вающая информация о таком процессе содержится в его многомерной интег-ральной функции распределения [46]
Приведённая функция характеризует вероятность того, что в момент времени tt случайная величина не превысит определённого своего значения.
Многомерная дифференциальная функция распределения вероятности определяется по формуле
Для нормализации сложного электромагнитного процесса в сетях общего назначения необходимо подавить кондуктивные низкочастотные ЭМП, распространяющиеся по сетям. Осуществить это можно путём применения специальных помехозащитных средств (ПЗС) и повышения помехоустойчивости технических средств (ПУ) [8]:
Помехозащищённость - способность ослаблять действия ЭМП за счёт дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия или построения технического средства.
Помехоустойчивость - способность технического средства сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров в отсутствие дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия или построения технического средства.
Повышение ПУ достигается параметрическими изменениями некоторых элементов функциональных узлов СЭС общего назначения для того, чтобы, помимо выполнения рабочих функций, эти элементы одновременно выполняли бы защитные функции [7].
С точки зрения обеспечения ЭМС технических средств оснащение электроэнергетических систем ПЗС и повышение их ПУ выполняет одну и ту же функцию - подавление кондуктивных низкочастотных ЭМП до приемлемых уровней. Объединим их по этому признаку в один класс помехоподавляющих технических средств (ППТС). Параметры ППТС составляют множество [6, 7].
Кондуктивные низкочастотные ЭМП обладают стохастическими свойствами и порождаются превышением нормально и (или) предельно допустимых значении показателей КЭ, установленных ГОСТ Р 51317.2.5 - 2000 (МЭК 6100-2-5-95) и ГОСТ 13109-97. Параметры этих ЭМП составляют множество Gk где М- множество параметров, отображающее общую ЭМО (уравнение 3.6). Несмотря на общность электромагнитных процессов, специфика образования различных ЭМП и возможности исследования случайных процессов обусловливают различные подходы к определению параметров ЭМО. Исследование ЭМО в электрических сетях напряжением выше 1 кВ является трудоёмкой и опасной работой, требующей специальных средств измерений и подготовленного персонала. Выполнить такие исследования могут, практически, только специализированные институты и организации, имеющие соответствующие наукоёмкие технологии. Исследования достаточно дорогие [6, 7]. Предположим, что априорно или на основании предварительных ис следований известна многомерная интегральная функция распределения случай ного процесса (3.39). На основании этих сведений можно составить некоторое множество ППТС Gz (формула 3.41). Возникает вопрос: можно ли подавить кон дуктивные ЭМП путём расчёта отдельных неслучайных па-раметров ЭМС и вы бора необходимых ППТС Для ответа на этот вопрос рассмотрим теорему об эк вивалентности параметрических множеств ППТС и кондуктивных ЭМП в СЭС, обусловленных некачественной электроэнер гией и распространяющихся по сетям [6, 7, 46].
Почему и какие необходимо внедрять композитные опоры в регионах России с суровым климатом?
Композитные опоры ВЛ не подвергаются коррозии, не боятся резкой смены температуры, превосходят железобетонные, стальные и деревянные опоры по долговечности и прочности. Ввиду малого веса конструкций и лёгкости монтажа упрощают процесс подготовки строительной площадки. В процессе монтажа практически исключаются сварочные работы, применение тяжёлой грузоподъёмной техники. Эти свойства делают композитные опоры незаменимыми при ремонтах линий электропередачи в труднодоступных районах, в удалённых районах с суровым климатом.
Рекомендуется использовать композитные опоры ОАО "Феникс–88". Основные характеристики этих опор классов напряжений 10, 35, 110 и 220 кВ далее рассматриваются по мере сложности изготовления.
Расчётные характеристики композитных опор 10 кВ представляются следующими параметрами.
1 Максимальное сечение провода – 15,2 мм (АС 120/19).
2 Длина пролёта – 100 м.
3 Гололёд: регион IV – 25 мм льда.
4 Ветер: регион IV – 800 Па (36 м/с).
Стойка опоры состоит из двух композитных конусных модулей установленных друг на друга. При транспортировке модули собираются друг в друга, внутрь меньшего размещают траверсы. Габарит большого модуля 430х6500 ммТаким образом, анализ решения оптимизационной задачи синтеза эффективной электропередачи для объекта с рецепторами показывает, что для эффективной системы электроснабжения необходимо иметь в региональной ЭЭС нормальную ЭМО и обеспечить достаточную надёжность работы линий электропередачи. Это означает, что экономика района (региона) не может успешно развиваться, если в региональной ЭЭС не подавить кондуктивные низкочастотные ЭМП и не обеспечить снижение рисков аварий по механической части линий электропередачи в регионах с суровым климатом.
Как и во многих случаях принятия инвестиционных решений, доступность и надёжность оказываются на разных чашах весов, и нахождение баланса требует проведения сравнительных экономических расчётов с учётом полного цикла эксплуатации. Именно такой подход используется при выборе трансформаторов, что приводит не только к снижению общей стоимости или суммарных расходов, но и к существенному увеличению надёжности трансформаторного оборудования [131].
Одним из подходов к внедрению композитных опор по мнению специалистов [131] может быть замена каждой 5-й или 6-й деревянной опоры на композитную в качестве меры предосторожности для снижения вероятности и размеров аварий, вызванных каскадными разрушениями. Такой подход к планированию может быть особенно полезен в областях, подверженных не только сильным снегопадам и гололёду, но и ураганам и смерчам [116, 131].
1 Повреждение опор представлено как вид отказов воздушных линий электропередачи в регионах с суровым климатом.
2 Представлен обзор зарубежного и отечественного опыта применения композитных опор.
3 Обоснована необходимость внедрения композитных опор воздушных линий электропередачи в районах с суровым климатом.
4 Представлены композитные опоры отечественного производства для воздушных линий электропередачи напряжением 10, 35, 110 и 220 кВ.
5 Разработано положение о региональном подходе к инвестициям в электрические сети общего назначения на основе решения оптимизационной задачи с учётом затрат полного цикла эксплуатации в условиях сурового климата.
