Промышленные предприятия потребляют более 65% всей вырабатываемой в России электроэнергии. Ежегодно производственные мощности возрастают, что существенно усложняет задачу рационального построения схем распределения электричества. В то же время повышаются требования к надежности, устойчивости и безопасности систем электроснабжения.
Надежность современных систем электроснабжения зависит от множества факторов, которые постоянно меняются. Условно их можно разделить на четыре основные группы:
- Воздействие окружающей среды. К этой группе относятся природные условия местности, в которых функционируют элементы электроэнергетической инфраструктуры. В качестве примера климатических факторов можно привести интенсивность грозовой и ветровой деятельности, образование наледи на проводах воздушных линий (ВЛ) всех классов напряжений, обложные дожди, мокрый снег, густой туман, изморось, солнечную радиацию, росу и др.
Применительно к такой важной составляющей электросетевого комплекса, как воздушные линии, наиболее характерными факторами, которые могут спровоцировать отказ передаточных устройств, являются дождь, мокрый снег, обледенение туман и роса.
На качество работы силовых трансформаторов, установленных на электроустановках открытого типа, может повлиять атмосферное давление, солнечная радиация и температура воздуха (этот фактор связан с категорией размещения и климатическими условиями).
Особенность эксплуатации элементов электроустановок открытого типа всех классов напряжения состоит в том, что они могут быть подвержены ветровым и гололедным нагрузкам. Нередко такое электрооборудование используется в сложных климатических условиях с сезонными перепадами температур от -50 °С до +40 °С и в зонах с активной грозовой деятельностью. Колебание интенсивности гроз по регионам России составляет 10–100 и более грозовых часов в год.
Воздействие природных условий может способствовать возникновению дефектов в процессе эксплуатации электрооборудования. Например, гололед и сильный ветер разрушают опорные и проходные изоляторы, под действием определенных климатических факторов происходит увлажнение:
- масла в трансформаторах и масляных выключателях;
- внутрибаковой изоляции и изоляции траверс масляных выключателей;
- остова вводов.
Поэтому на этапе проектирования новых систем электроснабжения и на этапе реконструкции действующего оборудования необходимо учитывать все факторы окружающей среды.
- Ошибки проектирования и монтажа. В эту группу входят факторы, косвенно влияющие на надежность работы электрооборудования. Это может быть несоблюдение при разработке проекта требований нормативной документации и действующих стандартов, игнорирование требований надежности, отсутствие учета величины емкостных токов в сетях класса напряжения 10-35 кВ и их компенсации при развитии сетевой инфраструктуры, использование некачественных элементов и комплектующих, ошибки при монтаже и др.
- Эксплуатационные факторы. К этой категории относятся перегрузки элементов электроустановок, короткие замыкания и различные виды перенапряжений (коммутационные, дуговые, резонансные и т.д.).
В соответствии с правилами технической эксплуатации, ВЛ класса напряжения 10-35 кВ с изолированной нейтралью могут эксплуатироваться при наличии однофазного замыкания на землю или на элемент, электрически связанный с землей. При этом продолжительность их устранения не нормируется. Такие условия эксплуатации нередко приводят к тому, что под действием дуговых замыканий в разветвленных распределительных сетях повреждается ослабленная изоляция.
Применительно к силовым трансформаторам в число наиболее чувствительных эксплуатационных факторов входят механические усилия на обмотках при сквозных токах коротких замыканий и перегрузка оборудования.
Особое место в списке факторов этой категории отводится квалификации персонала и сопутствующим воздействиям. Прежде всего, речь идет об ошибках неквалифицированных работников, несвоевременном обслуживании электроэнергетической инфраструктуры, некачественно выполненных ремонтах и т. п.
- Случайные факторы. Это сравнительно небольшая группа факторов, оказывающих влияние на показатели надежности электроустановок. В нее входит наезд транспортных средств на электроопоры, обрыв проводов воздушных линий и т. п.
Технически возможно создать высокофункциональную систему с редкими отказами. Для этого используются надежные элементы, схемы с многократным резервированием. Кроме того, проводится своевременное техническое обслуживание всех элементов с привлечением квалифицированного персонала.
Однако следует признать, что создание таких систем нуждается в значительных инвестициях и увеличивает эксплуатационные расходы. Поэтому в решениях по повышению надежности присутствует экономический аспект: компании стремятся не к достижению максимальной надежности, а нацелены на реализацию оптимальных, рациональных решений в рамках какого-либо технико-экономического критерия.
На первый, второй, третий рассчитайсь!
Для воплощения в жизнь стандартных проектных решений Правила устройства электроустановок не требуют расчетов надежности. В ПУЭ выделены категории электроприемников по надежности электроснабжения. В общем они отличаются по объему ущерба от перерыва в обеспечении потребителей электрической энергией.
Для разных категорий регламентируется резервирование сетей (число независимых источников) и наличие противоаварийной автоматики, обеспечивающей допустимую продолжительность перерывов в электропитании.
В зависимости от обеспечения надежности электроснабжения ПУЭ разделяют электроприемники на три категории. Градация осуществляется на основании нормативной документации с учетом технологических особенностей проекта.
Отнесение потребителей к той или иной категории зависит от того, насколько надежным должно быть питание их объектов с учетом всех возможных факторов.
Первая категория. К этой группе относят наиболее важных потребителей, перерыв в электропитании которых может спровоцировать несчастные случаи, привести к крупным авариям, причинить огромный материальный ущерб из-за выхода из строя целых комплексов оборудования и взаимосвязанных систем. В чисто таких потребителей входят:
- Предприятия горнодобывающей и химической промышленности;
- Опасные производства;
- Важные объекты системы здравоохранения (диспансеры, реанимационные и родильные отделения, пр.);
- Объекты особой важности других государственных учреждений;
- Котельные и насосные станции I категории. Перерыв в электроснабжении таких объектов может вывести из строя системы жизнеобеспечения городов и других населенных пунктов;
- Тяговые подстанции городского электротранспорта;
- Серверное оборудование, установки связи и диспетчерские помещения городских систем;
- Лифты;
- Системы пожарной сигнализации и противопожарные устройства;
- Системы охранной сигнализации крупных зданий и сооружений, в которых находится большое количество людей.
Потребители этой группы должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников – двух ЛЭП, обеспечивающих передачу электроэнергии от разных силовых трансформаторов. Для большей надежности система электроснабжения наиболее опасных потребителей может быть оснащена еще одним независимым источником питания.
Перерыв в подаче электричества к объектам потребителей первой категории разрешен только на время автоматического включения резервного источника электроэнергии. Его роль может выполнять ЛЭП, аккумулятор или дизельный генератор. Оптимальный выбор решения зависит от мощности потребителя.
Согласно ПУЭ, независимый источник питания – это источник электрической энергии, на котором сохраняется напряжение в послеаварийном режиме в регламентированных пределах в случае прекращения питания от другого источника. Под это определение подпадают две секции или системы шин одного или двух объектов генерации или подстанций при условии соблюдения двух условий:
- каждая секция или система шин подключена к независимому источнику питания;
- секции и системы шин не связаны между собой или имеющаяся связь автоматически отключается при нарушении нормальной работы одной из секций (систем) шин.
Вторая категория. К ней относятся потребители, обесточивание которых останавливает работу важных городских систем, провоцирует возникновение массового брака продукции, а также может повлечь за собой выход из строя взаимосвязанных производственных циклов.
Наряду с промышленными предприятиями в эту категорию также входят:
- Детские учреждения;
- Аптечные пункты и другие объекты медицинской сферы;
- Учебные заведения, учреждения, торгово-развлекательные центры, спортивные комплексы, в которых может находиться большое количество людей;
- Котельные и насосные станции (за исключением тех, что относятся к первой категории электроснабжения).
Электроснабжение потребителей этой категории должно обеспечиваться двумя разными источниками питания. При этом допустим перерыв в подаче электроэнергии на время, в течение которого квалифицированные специалисты прибудут на объект и выполнят необходимые оперативные переключения.
Третья категория. К ней относятся все потребители, которые не вошли в список первых двух категорий. Как правило, это небольшие населенные пункты, учреждения, многоквартирные жилые дома, частные домовладения, гаражные и дачные кооперативы, перерыв в электропитании которых не приведет к негативным последствиям.
Электроснабжение потребителей третьей категории обеспечивается одним источником питания. В большинстве случаев перерыв в подаче электричества длится не более суток. Практика показывает, что в большинстве случаев этого времени достаточно для выполнения комплекса аварийно-восстановительных работ.
Процесс разделения потребителей на категории предполагает учет разных факторов и оценку всех возможных рисков. На основании результатов детального анализа выбираются оптимальные, наиболее надежные варианты.
Такой подход к градации потребителей позволяет правильно разработать проект того или иного участка сети и связать его с региональной энергосистемой. Ключевая задача разделения на категории заключается в необходимости построения максимально эффективной электросети.
С одной стороны, сеть должна удовлетворять потребности в качественном снабжении электричеством всех потребителей, обеспечивать надежное и безопасное питание их объектов. С другой стороны, она должна иметь простую конфигурацию, позволяющую максимально облегчить эксплуатацию, оптимизировать средства на техническое обслуживание и ремонт сетевой инфраструктуры.
Кроме того, разделение потребителей на категории электроснабжения способствует сохранению стабильности работы объединенной энергосистемы при возникновении дефицита мощности, вызванного отключением одного из блоков энергогенерирующего объекта или серьезным сбоем в работе магистральных электрических сетей.
В каждом из этих случаев срабатывает автоматика, отключающая питание потребителей третьей категории. Если принятых мер для устранения дефицита мощности оказалось недостаточно, от сети отключаются потребители второй категории. Это позволяет обеспечивать энергоснабжение объектов наиболее важных потребителей и предотвращать гибель людей, аварии на отдельных предприятиях, техногенные катастрофы в масштабах регионов, а также помогает избежать убытков.
В российских системах электроснабжения чаще других применяется принцип горячего резерва. Его суть состоит в том, что мощность трансформаторов типа ТП, ГПП и пропускная мощность питающей их сети выбирается больше, чем необходимо для поддержания нормального режима работы, обеспечения электроснабжения объектов потребителей первой и второй категории в послеаварийном режиме после отказа одной из цепей питания.
Не влезай! Убьет!