Надёжность систем электроснабжения. Учебное пособие

вентильный электропривод, так как изменение выпрямленного напряжения приводит к изменению частоты вращения двигателей.

На предприятиях, имеющих собственные ТЭЦ, колебания амплитуды и фазы напряжения, возникающие при колебаниях напряжения, приводят к колебаниям электромагнитного момента, активной и реактивной мощностей генераторов, что отрицательно сказывается на устойчивости работы станции в целом, а следовательно, на её функциональной надёжности.

3.5.3. Несинусоидальные режимы

Несинусоидальные режимы оказывают ощутимое влияние на надёжность работы электрооборудования. Это объясняется тем, что при наличии высших гармоник в кривой напряжения более интенсивно протекает процесс старения изоляции, чем в случае работы электрооборудования при синусоидальном напряжении. Так, например, при коэффициенте несинусоидальности 5%, через два года эксплуатации тангенс угла диэлектрических потерь конденсаторов увеличивается в 2 раза.

Ускоренное старение изоляции имеет место и в силовых кабелях. За счёт высших гармоник тока довольно часто однофазные КЗ переходят в двухфазные в месте первого пробоя вследствие прожигания кабеля. Следовательно, высшие гармоники в кривой напряжения питающей сети приводят к сокращению срока службы силовых кабелей, повышению аварийности в кабельных сетях, увеличению числа необходимых ремонтов.

Высшие гармоники тока и напряжения до 10% увеличивают погрешность индукционных счётчиков электроэнергии, ухудшают работу телемеханических устройств, вызывая сбои в их работе, если в качестве каналов связи для передачи информации используют силовые кабели. Кроме того, высшие гармоники вызывают ложную работу релейной защиты и автоматики при использовании фильтров токов обратной последовательности.

Эксплуатация систем электроснабжения отечественных и зарубежных промышленных предприятий показала, что батареи конденсаторов, работающие при несинусоидальных режимах, часто выходят из строя в результате вспучивания или взрыва. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка их токами высших гармоник, обуславливающих возникновение в системе электроснабжения резонансного режима на частоте одной из гармоник.

51

3.5.4. Несимметрия напряжения

Несимметрии напряжения неблагоприятно сказывается на работе и сроке службы АД. Так, несимметрия напряжения в 1% вызывает значительную несимметрию токов в обмотках (до 9%). Токи обратной последовательности накладываются на токи прямой последовательности и вызывают дополнительный нагрев статора и ротора, что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя. Известно, что при несимметрии напряжения в 4% срок службы АД, работающего с номинальной нагрузкой, сокращается примерно в 2 раза; при несимметрии напряжения в 5% располагаемая мощность АД уменьшает-

ся на 5…10%.

Магнитное поле токов обратной последовательности статора синхронных машин индуцирует в массивных металлических частях ротора значительные вихревые токи, вызывающие повышенный нагрев ротора и вибрацию вращающейся части машины. При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной для конструкции машины.

Нагрев обмотки возбуждения СД за счёт дополнительных потерь от несимметрии напряжения приводит к необходимости снижать ток возбуждения, при этом уменьшается реактивная мощность, выдаваемая СД в сеть.

Несимметрия напряжения не оказывает заметного влияния на работу кабельных и воздушных линий, однако для трансформаторов наблюдается значительное сокращение срока службы.

Токи нулевой последовательности постоянно проходят через заземлители и отрицательно сказываются на их работе, вызывая высушивание грунта и увеличение сопротивления растеканию, что значительно уменьшает надёжность работы заземлителей.

3.5.5. Отклонение частоты

Нормально допустимое и предельно допустимое отклонение частоты f составляет ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно. Причиной отклонения частоты является изменение баланса активной мощности. Наиболее чувствительны к отклонениям частоты вращающиеся машины. Доля асинхронных двигателей (АД) от всей нагрузки СЭС составляет примерно 60%. Снижение частоты приводит к снижению скорости вращения АД, являющегося приводом производственных механизмов, что способствует технологическому ущербу.

52

Мощность двигателя P Mмех = αf n пропорциональна мо-

менту на его валу, определяемому характеристикой приводимого механизма. Для станков, поршневых насосов n = 1, а для центробежных насосов и вентиляторов n = 2…4. Следует обратить внимание на то, что основным видом привода технологического оборудования собственных нужд электростанций является АД.

При снижении частоты снижается сопротивление АД и возрастает потребляемый им ток, что приводит к дополнительному нагреву статора и ротора и, как следствие, к электротехническому ущербу, обусловленному сокращением срока службы АД за счёт ускоренного взноса его изоляции при повышенной температуре.

При снижении частоты возрастает и потребляемая реактивная мощность. Увеличение потребляемой реактивной мощности способствует увеличению потерь электроэнергии в линиях электропередачи и трансформаторах, что также приводит к электротехническому ущербу.

53

4. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ СЭС

Создание объекта, выполняющего заданные функции, обычно начинается с анализа существенных процессов, которые должны в нем протекать (например, потоки мощностей в электрической сети), а затем подбора материала, который обеспечит протекание этих процессов (например, сечение и материал проводов, передающих в них мощности, конструкции гирлянд опор и т.д.). Очевидно, от количества и качества материала будет зависеть прочность, долговечность объекта, его способность выдерживать возможные возмущения, перегрузки, т.е. надёжность.

Обычно объект рассчитывается и изготовляется под определенные заданные нагрузки (токовые, напряжения, механические и т.д.). Предполагается, что если действительные нагрузки не будут превышать расчётных (номинальные), то объект отработает срок своей жизни без отказов. Реально же на объект эпизодически действуют различные возмущения, превышающие номинальные, проявляются скрытые дефекты проекта, изготовления, монтажа, в результате чего происходят отказы объекта до истечения срока его жизни. Для уменьшения этого влияния обычно увеличивают прочность объекта, закладывая определённые запасы.

Таким образом, создание запаса прочности в материале объекта является одним из средств повышения надёжности. В более общем случае повышение надёжности можно обеспечивать как запасами прочности, так и сырья, продукции и т.п.

Однако надёжность объекта – системы определяются не только прочностью и конструкцией материала, из которого изготовлены элементы её, но и тем, как вообще структурирован материал всей системы. Та же электрическая сеть может быть построена по кольцеобразной, радиальной или смешанной схеме. И во всех этих вариантах сети даже при одинаковых запасах прочности в элементах надёжность её будет различной. Это следует и из известного положения, что структура объекта обусловливает его свойства. Следовательно, определённым образом направленная структуризация объекта при его создании также является средством обеспечения надёжности.

54

Для повышения надёжности электроснабжения потребителей предусматриваются следующие технические меры:

−повышение надёжности отдельных элементов электрических сетей, в том числе за счёт применения новых материалов;

−секционирование сетей с помощью выключателей с АПВ, автоматических отделителей и разъединителей;

−использование различных видов резервирования;

−приближение напряжения 35…110 кВ к потребителям, разукрупнение подстанций 35…110 кВ;

−увеличение количества двухтрансформаторных подстанций

иподстанций с двухсторонним питанием;

−разукрупнение подстанций 10/0,4 кВ и раздельное питание от них производственных и коммунально-бытовых потребителей;

−применение батарей статических конденсаторов для компенсации реактивной мощности.

4.2. ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ СЭС ЗА СЧЁТ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ

Резервирование – повышение надёжности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функции. Различают следующие его виды.

Структурное резервирование – метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта (например, установка вторых трансформаторов на подстанциях; сооружение вторых цепей линий электропередач, когда пропускная способность первых цепей ещё не исчерпана; установка дополнительных – резервных генераторов в энергосистеме и т.д.). Примеры структурного резервирования СЭС показаны на рис. 4.1 и 4.2.

Временное резервирование – метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения объектом заданных функций (например, резервный генератор в энергосистеме по своему прямому назначению используется очень небольшую часть общего времени, а остальную часть времени находится в состоянии ожидания отказов работающих генераторов; этот резерв времени может быть использован для повышения надёжности в другой, соседней энергосистеме, связанной с первой, когда тот же резервный генератор будет включён для замещения отказавшего здесь генератора).

55

Информационное резервирование – метод повышения надёж-

ности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения заданных функций (например, если при отказе и отключении какоголибо элемента электрической сети оставшиеся перегружаются и требуется их срочная разгрузка, то по информации об отключении элемента сети производится отключение части нагрузки, исходя из возможной максимальной загрузки сети. Если же информацию об отключении элемента сети дополнить ещё и информацией о до аварийной загрузке сети, то после отказа элемента можно отключить нагрузку в меньшем размере, в соответствии с реальной, а не предполагаемой максимальной загрузкой сети).

Функциональное резервирование – метод повышения надёжно-

сти объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных или наряду с ними (например, межсистемная линия электропередачи, предназначенная для транспорта электроэнергии из одной системы в другую, может выполнять и другие функции – взаиморезервирование генераторов в этих системах, реализовать эффект совмещения максимумов нагрузок энергосистем и т.д.; трансформаторы на отдельных подстанциях помимо своего основного назначения могут быть использованы и для осуществления плавки гололёда током на проводах и тросах воздушных линий с целью повышения их надёжности).

Нагрузочное резервирование – метод повышения надёжности объекта, предусматривающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных. Как правило, здесь временное повышение степени использования (увеличения объёма выполняемых функций) осуществляется за счёт более быстрого срабатывания ресурса объекта (например, при отказе одного трансформатора допускается временная перегрузка второго).

В зависимости от схемы использования резервного элемента в системе различают:

•общее резервирование, при котором резервируется объект в

целом;

•раздельное резервирование, при котором резервируются отдельные элементы системы или их группы;

•скользящее резервирование, при котором группа основных элементов системы резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе (например, передвиж-

57

ной резервный трансформатор на предприятии электрических сетей, привозимый на подстанцию на время ремонта основного трансформатора).

В зависимости от режима использования резервного элемента различают:

•нагруженный резерв, когда резервный элемент находится в том же режиме загрузки, что и основной;

•облегчённый резерв, когда резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной;

•включённый резерв (в энергетической практике часто называемый «горячим резервом»), когда резервный элемент готов в любое время взять на себя функции резервного элемента;

•невключённый резерв (в энергетической практике часто, называемый «холодным резервом»), когда требуется определённое время для ввода резервного элемента в работу.

Для характеристики степени резервирования используется показатель кратности резервирования, как отношение числа резервных элементов к числу резервируемых элементов объекта.

Часто под кратностью резервирования, например, в электрических сетях, понимается отношение пропускной способности сети после отключения основных элементов к пропускной способности этих элементов. В тех случаях, когда кратность резервирования равна единице, говорят, что имеет место дублирование. Создание резервов, запасов является, как правило, необходимым условием обеспечения надёжности систем. Однако степень использования их существенно зависит от системы управления (регулирования).

Так равномерная, пропорциональная загрузка различных элементов системы повышает надёжность за счёт более эффективного использования их ресурса, поскольку сработка ресурса обычно нелинейно зависит от загрузки объекта (например, если два одинаковых трансформатора на подстанции загружать неравномерно, то их суммарный ресурс будет сработан быстрее, чем это имело бы место при их равномерной загрузке). Выявление, предупреждение отказов на основе использования диагностических систем позволяет существенно поднять надёжность и уменьшить отрицательные последствия отказов.

Время восстановления объекта после отказа прямо зависит от скорости локализации повреждения, от организации и проведения ремонтных работ. От системы управления прямо зависят скорость

иобъём ввода резервов и степень их использования. Наиболее эффективна здесь автоматизация управления.

58

4.3. ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СЭС

4.3.1. Коммутационные аппараты

Одними из главных элементов в системе электроснабжения промышленных предприятий являются выключатели, от работы которых зависит надёжное и безопасное функционирование, как отдельных узлов, так и всей системы в целом. Поэтому высокая надёжность определяет их главное достоинство, так как отказ выключателя ведёт к расширению аварии и большим материальным потерям. При выборе выключателей руководствуются следующими требованиями:

−время отключения выключателя должно быть наименьшим, что позволяет уменьшить последствия аварийного режима, а также увеличить запас устойчивости параллельной работы подстанций и, следовательно, пропускную способность линий электропередачи;

−габаритные размеры выключателя должны быть минимальными, что позволяет уменьшить размеры распределительных устройств (РУ) и, следовательно, удешевить установку;

−коммутационный ресурс выключателя должен быть наибольшим, что позволяет упростить эксплуатацию и сократить расходы на ремонт.

Кроме того, при выборе выключателей необходимо учитывать влияние их на окружающую среду, пожаробезопасность. отсутствие выброса масла и др.

В настоящее время наиболее надёжными выключателями считаются вакуумные, достоинствами которых считаются: небольшие габариты, простота конструкции, отсутствие сжатого воздуха или трансформаторного масла, взрывобезопасность, малое время отключения (0,05…0,075 с), высокая скорость восстановления прочности дугогасительного промежутка, бесшумность работы, отсутствие выброса в атмосферу, герметизация дугогасительного устройства,

значительный коммутационный ресурс (50 000…100 000 циклов Iном; 100 циклов при отключении КЗ), отсутствие ударной нагрузки на фундамент, возможность применения в малогабаритных КРУ, пожаробезопасность, малые эксплуатационные расходы, большой срок службы (25 лет), широкий диапазон температуры окружающей среды (–70…+200 °С), повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, удобство обслуживания и др.

Для правильной эксплуатации коммутационного электрооборудования необходимо учитывать их назначение, область примене-

59

ния и особенности работы. Так, например, разъединители, предназначенные для отключения и включения цепей без тока и для создания видимого разрыва цепи в воздухе, можно использовать при следующих отключениях:

−намагничивающего тока силовых трансформаторов (не более 3,5 А при 6 кВ; не более 3 А при 10 кВ);

−зарядного тока шин, оборудования, воздушных и кабельных линий (не более 2 А при 10 кВ; не более 2,5 А при 6 кВ); тока замыкания на землю (не более 4 А при 6 кВ; не более 3 А при 10 кВ).

Между силовыми выключателем и разъединителем должны предусматриваться механическая и электромагнитная блокировки, не допускающие отключения разъединителя при включённом выключателе, когда в цепи протекает ток нагрузки.

Для менее ответственных потребителей с целью снижения стоимости РУ 6…10 кВ подстанции вместо силовых выключателей небольшой и средней мощности применяют выключатели нагрузки, способные отключать рабочие токи линий, трансформаторов и других приёмников электроэнергии. Для отключения токов КЗ, превышающих допустимые значения для выключателей нагрузки, последние комплектуются кварцевыми предохранителями ПК. При эксплуатации такого комплекта (ВНП) необходимо учитывать, что при каждом отключении выключателя нагрузки происходит износ газогенерирующих дугогасящих вкладышей, ограничивающих число допустимых отключений КЗ.

4.3.2. Трансформаторы напряжения

Основные пути повышения надёжности трансформаторов следующие:

•улучшение конструкции, качества изготовления и применения новых материалов;

•более точный учёт при конструировании условий эксплуатации и снижение уровней воздействия внешних факторов;

•улучшение эксплуатационного обслуживания и диагностики состояния трансформаторов.

Внастоящее время с этой целью на стадии разработки и конструирования применяются более точные и совершенные методы расчёта с использованием вычислительной техники. Проводятся испытания отдельных узлов и трансформаторов в целом на уменьшенных и полномасштабных моделях.

Конструкции отдельных узлов и элементов разрабатываются с учётом максимальной автоматизации процесса сборки. Головные

60