6.4. Выбор варианта сети с учетом надежности

Все сравниваемые варианты развития сети должны обе- спечивать одинаковый полезный отпуск электроэнергии по- требителям при заданном режиме потребления (мощности нагрузки). Каждый вариант сети должен обеспечивать необходимую надежность, под которой понимается способ- ность выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатаци- онные показатели в условиях, оговоренных в нормативных документах. Требования к надежности электроснабжения определяются «Правилами устройств электроустановок» (ПУЭ) в зависимости от категорий электроприемников. В соответствии с ПУЭ все электроприемники по требуемой степени надежности разделены на три категории.

К I категории относятся электроприемники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опас- ность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего основного обору- дования, массовый брак продукции, расстройство сложно- го технологического процесса, нарушение функционирова- ния особо важных элементов коммунального хозяйства. Эти электроприемники должны обеспечиваться электро- энергией от двух независимых взаимно резервирующих ис- точников питания. Электроснабжение при аварийном от- ключении одного из них должно обеспечиваться вторым. В качестве таких независимых источников могут быть, в ча- стности, две системы или две секции шин одной подстан- ции, питающейся от двух источников. Перерыв в электро- снабжении потребителей I категории может быть допущен только на время автоматического ввода резервного пита- ния.

Из состава электроприемников I категории выделяется особая группа таких, внезапные перерывы электроснабже- ния которых угрожают жизни людей или могут привести к взрывам и разрушениям основного технологического обо- рудования. Для электроснабжения потребителей этой груп- пы должен предусматриваться третий (аварийный) взаим- но резервирующий независимый источник, мощность кото- рого достаточна для безаварийной остановки производства и который автоматически включается при исчезновении на- пряжения на основных источниках.

Электроприемники II категории– электроприемники, перерыв электроснабжения которых связан с массовым не- доотпуском продукции, простоем рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушением нормальной де- ятельности значительного количества городских и сельских жителей. Эти электроприемники рекомендуется обеспечи- вать электроэнергией от двух независимых взаимно резер- вирующих источников питания, при этом допустим перерыв электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания дежурным персоналом или выездной бригадой. Допускается питание электроприемников II ка- тегории по одной воздушной линии, а также по одной ка- бельной линии, состоящей не менее чем из двух кабелей, присоединенных к одному аппарату, или от одного транс- форматора, если обеспечена возможность проведения ре- монта линии или замены поврежденного трансформатора в течение суток.

Электроприемники III категории–все остальные элек- троприемники. Электроснабжение этих электроприемников может выполняться от одного источника питания при ус- ловии, что перерыв электроснабжения, необходимый для ремонта или замены поврежденного элемента сети, не пре- вышает суток.

Требования к надежности питающих и распределитель- ных сетей энергосистем, а также распределительных про- мышленных, городских и сельских сетей регламентированы в нормативных документах, указанных в [10]. В этих до- кументах приведены требования по резервированию, коли- честву цепей и трансформаторов на подстанциях, схемам присоединения подстанций к сети, допустимости использо- вания двухцепных воздушных линий.

Для потребителей I категории перерыв в электроснаб- жении связан с последствиями, ущерб от которых не мо- жет быть выражен в виде экономического эквивалента. В качестве критериев оценки надежности схемы сетей, пи- тающих потребителей I и II категорий, принимаются сле- дующие технические показатели надежности: параметр по- тока отказов (среднее количество отказов в год) , отка- зов/год; среднее время восстановления электроснабжения , лет/отказ; вероятность безотказной работы в течение года , отн. ед.

Сравнивать по приведенным затратам можно только такие варианты сети, питающей потребителей I категории, для которых технические показатели надежности удовлет- воряют требованиям, регламентированным в соответству- ющих нормативных документах.

Поясним подробнее указанные выше технические пока- затели надежности. В теории надежности используются следующие понятия: работоспособность–способность си- стемы выполнять заданные функции с требуемыми ре- жимными параметрами; отказ–нарушение работоспособ- ности; безотказность–свойство системы сохранять рабо- тоспособность в течение заданного интервала времени без вынужденных перерывов.

Важное значение имеет вероятностный показатель на- дежности –вероятность безотказной работы. Если обозначить время безотказной работы , то –вероятность того, что время безотказной работы больше, чем t. Зависимость называют законом надеж- ности. Вероятность отказа означает вероятность то- го, что в заданном интервале времени произойдет хотя бы один отказ, при этом . При изменении t от 0 до изменяется от 0 до 1.

Д

Рис. 6.3. Варианты сети:

а — одна линия; б — две па- раллельные линии; в — блок линия — трансформатор

ля восстанавливаемых (ремонтируемых) элементов электрической сети представляет интерес средняя вероят- ность отказа за длительный период наблюдения. Эту величину называют также коэффициентом вы- нужденного простоя .

Параметр потока отказов восстанавливаемого элемента – это среднее количество отказов элемента в едини- цу времени. Величина рассчитывается наиболее про- сто по данным эксплуатации:

где – количество отказавших за время эле- ментов; п–число элементов в испытании при условии за- мены неисправных элементов.

Процессы восстановления (аварийного простоя) отка- завших элементов для практических расчетов наиболее ча- сто характеризуются средним временем восстановления (временем аварийного простоя), которое обозначим .

Для потребителей II категории перерыв в электроснаб- жении приводит к последствиям, которые могут быть вы- ражены в виде экономического эквивалента–ожидаемого среднегодового народнохозяйственного ущерба от наруше- ния электроснабжения У, тыс. руб/год. Ущерб У из-за не- доотпуска электроэнергии включается в состав приведен- ных затрат [см. (6.9)] и учитывается при выборе варианта сети, питающей потребителей II категории в случае, если сравниваемые варианты сети существенно различаются по надежности. Выбирают вариант сети, в котором приведен- ные затраты, включая ущерб из-за нарушения электро- снабжения, наименьшие.

Чтобы выбрать один из вариантов на рис. 6.3, а и б с учетом надежности, в расчетные затраты для каждого варианта включают среднегодовой ущерб из-за недоотпус- ка электроэнергии

, (6.19)

(6.20)

и выбирают вариант с меньшими затратами. Среднегодо- вой ущерб из-за аварийного (вынужденного) нарушения электроснабжения определяется так:

, (6.21)

где –параметр потока отказов (среднее количество от- казов за год); –среднее время восстановления, лет/от

Таблица 6.2. Параметры потока отказов , отказов/год, и средняя частота плановых простоев , простоев/год,

Элементы
	при напряжении, кВ
	500	330	220	110	35
Воздушные линии1:
одноцепные	0,4/10	0,5/12	0,6/13	1,1/15	1,4/9
двухцепные (отказ од- ной цепи)	-	-	0,5/-	0,9/-	1,1/-
двухцепные (отказ двух цепей)	-	-	0,1/-	0,2/-	0,3/-
Трансформаторы и авто - трансформаторы2	0,04/6	0,04/6	0,02/6	0,02/6	0,01/6
Выключатели воздушные:
в цепях ВЛ	0,2/2	0,2/2	0,15/2	0,1/2	0,08/2
в других цепях	0,08/2	0,07/2	0,06/2	0,05/2	0,04/2
Выключатели масляные3:
в цепях ВЛ	-	-	0,07/2	0,03/2	0,02/2
в других цепях	-	-	0,01/2	0,01/2	0,01/2
Сборные шины4	0,01/1	0,01/1	0,01/1	0,01/1	0,01/1
Отделители и короткозамы- катели 3	-	-	0,04/3	0,02/3	0,01/3

Таблица 6.3. Среднее время восстановления элементов электрических сетей и коэффициенты плановых простоев на одну цепь ВЛ

или единицу оборудования

Элементы	10-3, лет/отказ, при напряжении, кВ
	500		330		230		110		35
Воздушные линии:
одноцепные	1,7		1,3		1,1		1		1
двухцепные (отказ одной цепи)	-				0,2		0,4		0,8
двухцепные (отказ двух	-		-		4		3		2,5
цепей)
Трансформаторы и автотрансформаторы:
при отсутствии резервного	300		250		80		60		45
трансформатора в системе
при наличии резервного	-		-		25		20		10
трансформатора в системе
Выключатели:	10		7		4,8		2,8		1,3
воздушные
масляные
Отделители и короткозамыкатели	-		-		0,4		0,4		0,4
Сборные шины (на одно присоединение)	0,7		0,6		0,4		0,25		0,25
Продолжение табл. 6.3
Элементы		10 -3, отн. ед., при напряжении, кВ
		500		330		220		110		35
Воздушные линии:		12		9		7		5		4
одноцепные
двухцепные (отказ одной
цепи)
двухцепные (отказ двух
цепей)
Трансформаторы и автотранс- форматоры:		10		9,5		8,5		7,5		6
при отсутствии резервного трансформатора в системе
при наличии резервного
трансформатора в системе

Продолжение табл. 6.3

Элементы	10 -3, отн. ед., при напряжении, кВ
	500	330	220	110	35
Выключатели:
воздушные	40	30	20	10	5
масляные	-	-	8,5	6,5	2
Отделители и короткозамыка- тели	-	-	1	1	1
Сборные шины (на одно присо- единение)	0,7	0,6	0,4	0,2	0,2

Примечания: 1. Среднее время восстановления повреждений фазы (однофазного трансформатора) при установленной на подстанции резервной фазе составляет 1,1 10^-3 лет/отказ без перекатки фазы и 910^-3лет/отказ с перекат- кой фазы.

2. Время восстановления электроснабжения при повреждении выключателей в схемах с обходной системой шин составляет 0,0610^-3 лет/отказ, а в схемах многоугольников, полуторных и мостиковых–0,0310^-3 лет/отказ.

3. При обслуживании подстанций выездными бригадами время восстановле- ния путем переключения в распределительном устройстве следует увеличивать на 0,0610^-3 лет/отказ.

каз; –суммарная наибольшая нагрузка нормального режима, кВт; –коэффициент ограничения нагрузки по- требителя; –расчетный удельный годовой ущерб из-за вынужденного перерыва электроснабжения, тыс. руб/ (кВтгод).

Параметр потока отказов и среднее время восстанов- ления элементов электрических сетей определяются из табл. 6.2 и 6.3 [10].

Коэффициент ограничения нагрузки потребителей ра- вен отношению нагрузки, которую необходимо отключить в данном режиме при данном отказе, к суммарной наиболь- шей нагрузке нормального режима. При полном прекра- щении электроснабжения =1. В сети с полным резерви- рованием при отказе любого ее элемента потребитель может получить всю необходимую ему мощность. В этом слу- чае потребитель не испытывает перерыва в электроснабже- нии и Например, при отключении одной из двух па- раллельных линий на рис. 6.3, б и достаточной пропускной способности второй линии потребитель не будет отклю- чаться и . Величина равна мощности нагрузки, отключаемой при отказе. Среднее количество энергии, не отпущенной за год потребителю, равно произведению пер- вых четырех сомножителей в (6.21).

Удельные показатели ущерба определяются по кривым, приведенным на рис. 6.4, в зависимости от состава нагруз- ки и коэффициента ограничения нагрузки . Зависимости удельных ущербов из-за перерыва электроснабжения на рис. 6.4 имеют обобщенный характер и могут быть исполь- зованы лишь для ориентировочной сравнительной оценки вариантов электрической сети. В ряде случаев состав на- грузки отличается от того, к которому относятся кривые на рис. 6.4. При этом для разных потребителей надо исполь

Рис. 6.4. Расчетный годовой удельный ущерб от аварийных и плановых ограничений электроснабжения:

Структура нагрузки

	1	2	3	4
Промышленность, % Быт и сфера обслуживания, % Сельское хозяйство,% Транспорт и строительство, %	15 50 15 20	70 25 - 5	1 25 55 10	35 25 30 10

зовать специальные данные об ущербах из-за перерыва электроснабжения, приведенные в соответствующей лите- ратуре.

Выражение среднего ущерба (6.21) относится к простей- шему случаю, когда возможно аварийное отключение од- ного элемента электрической сети. В действительности в электрической сети могут отключаться из-за аварий раз- личные элементы: линии, трансформаторы, выключатели, шины, отделители и короткозамыкатели.

При расчетном определении технических показателей надежности и ущерба из-за перерыва электроснабжения составляется структурная схема замещения рассматривае- мого участка сети. В структурной схеме замещения после- довательно в одну ветвь соединяются те элементы сети, от- каз любого из которых вызывает простой всех остальных элементов данной ветви. Например, в блоке линия–транс- форматор на рис. 6.3, отключение трансформатора при- ведет к простою линии. Поэтому в структурной схеме сети на рис. 6.3, при анализе надежности линия и трансформа- тор соединяются последовательно в одну ветвь. В структур- ной схеме сети параллельно соединяются отдельные эле- менты или участки сети, отключение любого из которых не приводит к простою остальных. Например, отключение од- ной из параллельных линий на рис. 6.3, не приведет к про- стою второй параллельной линии.

Математическое ожидание ущерба от вынужденных (аварийных) простоев , тыс. руб/год, для ветви струк- турной схемы сети, состоящей из последовательно соеди- ненных элементов, определяется так:

, (6.22)

где – коэффициент вынужденного простоя, отн. ед.

Для одного элемента сети

, (6.22а)

откуда видно, что (6.21) совпадает с (6.22). Коэффициент вынужденного простоя (средняя вероятность отказа за год) характеризует время вынужденных простоев за год в отно- сительных единицах. Для электрической сети, в которой возможен отказ нескольких элементов, коэффициент вы- нужденного простоя определяется с помощью выражений, используемых в теории надежности и приведенных, напри- мер, в [10].

Для параллельно включенных в структурную схему се- ти элементов математическое ожидание ущерба от вынуж- денных, т. е. аварийных, простоев определяется по более сложному, чем (6.22), выражению.

Для учета надежности при проектировании электриче- ских сетей необходимо учитывать не только аварийные (вынужденные), но и плановые отключения элементов сети, которые имеют место, например, при плановых ремонтах. При этом в расчетные затраты (6.14) включается сумма математических ожиданий ущербов от перерывов в элек- троснабжении из-за вынужденных и плановых простоев. Математическое ожидание ущерба от перерыва электро- снабжения из-за плановых простоев для ветви структурной схемы сети, состоящей из последовательно соединенных элементов, определяется по выражению, аналогичному (6.22), в котором вместо и используются коэффици- ент плановых простоев и удельный показатель ущерба из-за плановых перерывов электроснабжения . Значе- ние определяется по табл. 6.3, а – по кривым, при- веденным на рис. 6.4.

Пример 6.1. Произведем технико-экономическое сравнение с уче- том надежности вариантов, изображенных на рис. 6.3, а, б. Структура нагрузки соответствует кривым 2 рис. 6.4, в обоих вариантах = =110 кВ, длина линий =80 км, =6300 кВт. Капитальные вложе- ния и ежегодные эксплуатационные издержки сЛЭП на железобетон- ных опорах в IV районе по гололеду для обоих вариантов соответствен- но равны:

= 1152 тыс. руб.; =38,969 тыс. руб/год;

= 1952 тыс. руб.; = 60,425 тыс. руб/год.

Для простоты предположим, что на подстанции в обоих вариантах установлены два трансформатора, пренебрежем учетом параметров по- тока отказов выключателей вследствие их малости, а также не будем учитывать возможность аварийного отключения (отказа) второй цепи при плановом ремонте первой.

В варианте 1 (рис. 6.3, а) при выходе линии из строя питание на- грузки прекращается полностью, поэтому =1. По кривым 2 на рис. 6.4 и по табл. 6.2 и 6.3 определим для обоих вариантов:

расчетные удельные годовые

ущербы, тыс. руб/(кВтгод) =7,2, =6

среднее время восстановления,

лет/отказ. = 10^-3, =310^-3

параметры потоков отказов,

отказов/год . =0,88, = 0, 16

коэффициенты плановых про-

стоев = 510^-3, =0

По формулам (6.22) и (6.22, а) определим:

коэффициенты вынужденных простоев

=10^-3 0,88=0,8810^-3отн. ед.;

= 310^-3 0,16 = 4,810^-4 отн. ед.;

среднегодовые ущербы из-за недоотпуска электроэнергии

=0,8810^-3 6300 1 7,2=39,917 тыс. руб/год;

= 4,8 10^-3 63001 7,2 = 21,773 тыс. руб/год,

Величина ущерба из-за плановых простоев определяется только для варианта 1 по выражению, аналогичному (6.22):

= 510^-3 6300 1 6 = 189 тыс. руб/год; = 0.

Общая величина ущерба из-за плановых и аварийных простоев со- ставляет

= 39,917 + 189 = 228,917 тыс. руб/год,

= 21,773 тыс. руб/год.

По (6.19) и (6.20) определим приведенные затраты с учетом ущер- ба при =0,12:

=38,969+0,12 1152+228,917 =406,126 тыс. руб/год;

= 60,425+0,121952+21,773 =316,438 тыс. руб/год.

Таким образом, с учетом надежности наиболее экономичным сле- дует считать вариант 2 схемы.