Надежность электроснабжения


С. Н. Иванов, А. А. Скрипилев





                НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ





Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.311
ББК 31.28
      И20




Рецензенты:
кафедра электротехники и теплоэнергетики Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I
(ФГБОУ ВО ПГУПС);
главный инженер муниципального унитарного производственного предприятия электрических сетей г. Комсомольска-на-Амуре (МУПП ЭС)
Ткаченко Андрей Владимирович




      Иванов, С. Н.
И20     Надежность электроснабжения : учебное пособие / С. Н. Иванов,
      А. А. Скрипилев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 164 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0959-9

      Приведены основные понятия и определения теории надежности применительно к системам электроснабжения, классифицированы показатели надежности как критерии качества работы энергосистем, изложены методы расчета и пути обеспечения и повышения заданных требований по надежности. Рассмотрены примеры решения задач по расчету показателей надежности электроснабжения.
      Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02, 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».

УДК 621.311
ББК 31.28









ISBN 978-5-9729-0959-9

   © Иванов С. Н., Скрипилев А. А., 2022
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ОГЛАВЛЕНИЕ



    ВВЕДЕНИЕ..............................................5
    ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ..........................................6
    ГЛАВА 2. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.......................37
    ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ....................57
  3.1. Понятия вероятности события.......................57
  3.2. Теорема сложения вероятностей.....................57
  3.3. Теорема умножения вероятностей....................58
  3.4. Случайные величины................................59
  3.5. Законы распределения случайных величин............62
  3.6. Доверительные интервалы...........................68
  3.7. Критерии согласия.................................69
    ГЛАВА 4. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ...............................................71
  4.1. Показатели надежности невосстанавливаемых изделий.71
  4.2. Показатели надежности восстанавливаемых изделий...73
    ГЛАВА 5. СИСТЕМНАЯ НАДЕЖНОСТЬ........................82
  5.1. Структурные модели надежности.....................82
  5.2. Надежность систем при последовательном соединении элементов..............................................82
  5.3. Модель «слабейшего звена»........................ 84
  5.4. Надежность систем с параллельным соединением элементов.85
  5.5. Смешанные системы.................................86
    ГЛАВА 6. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ...............95
  6.1. Общая характеристика методов......................95
  6.2. Экспериментальные методы..........................96
    ГЛАВА 7. ОБЕСПЕЧЕНИЕ И НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ........................................112
  7.1. Принципы обеспечения надежности электроснабжения потребителей..........................................112
  7.2. Признаки эффективности надежности................118
  7.3. Обеспечение нормативного уровня надежности.......124

3

 7.4. Поддержание уровня надежности электроустановок при эксплуатации...........................124
   КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................137
   ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................137
   БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................138
 НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ......................139
 ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕСУРС.........................139
   ПРИЛОЖЕНИЕ 1.............................140
   ПРИЛОЖЕНИЕ 2.............................141
   ПРИЛОЖЕНИЕ 3.............................148
   ПРИЛОЖЕНИЕ 4.............................153
   ПРИЛОЖЕНИЕ 5.............................154

4

            ВВЕДЕНИЕ



    «Обеспечение надежного электроснабжения, обеспечивающего надлежащее исполнение обязательств перед субъектами электроэнергетики, является одним из основных принципов организации экономических отношений и основой государственной политики в сфере электроэнергетики. Надежность электроснабжения является одной из главных стратегических целей развития ПАО «ФСК ЕЭС», - именно такая формулировка приведена в основных регулирующих документах ПАО «ФСК ЕЭС».
    Растущее во всем мире производство электроэнергии сопровождается как ростом числа электроэнергетических систем, так и интенсивным строительством линий электропередач и подстанций.
    Вопросы обеспечения надежного и качественного электроснабжения потребителей должны рассматриваться на всех этапах жизненного цикла электроэнергетической системы и ее отдельных элементов, включая разработку конфигурации сети и схемы подстанции.
    Задачи обеспечения надежности относятся к классу оптимизационных задач, однако не могут быть строго решены оптимизационными методами в связи с большой сложностью, обусловленной большим количеством параметров, многокритериальностью и динамическим характером процессов, дискретностью и частичной неопределенностью исходных параметров.
    В этих условиях проектирование электрической сети сводится к анализу и разработке нескольких рациональных вариантов энергосистемы, обеспечивающих надежное и качественное электроснабжение потребителей электроэнергией в нормальных и послеаварийных режимах. Выбор наиболее целесообразного варианта производится по экономическому критерию при одинаковом уровне качества и надежности электроснабжения.

5

ГЛАВА 1



            ОБЩИЕ ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ


    В практической деятельности специалисту-электроэнергетику приходится принимать различные решения, связанные с выбором оптимального варианта энергосистемы или ее частей, режимов функционирования систем в условиях, отличающихся от нормальных, производить оперативные переключения, ремонты, замены. В современных электроэнергетических системах, к которым относятся электрические сети промышленных предприятий, городов, а также сельскохозяйственного назначения на выбор этих решений большое влияние оказывают факторы, среди которых надежность занимает особое место. При этом системы электроснабжения обладают рядом признаков, обусловливающих определенную общность методов и средств расчета их надежности:
    -     электрические сети систем электроснабжения являются составной частью распределительных электрических сетей электроэнергетических систем, с одной стороны ограниченных питающими шинами 35, 110, 220, 330 кВ подстанций или электростанций, а с другой - вводными устройствами потребителей или конкретными электроприемниками;
    -     наличие в системах электроснабжения собственных источников электроэнергии, так называемой распределенной генерации - малых источников электроэнергии, подключаемых в узлах распределительной электрической сети;
    -     системы электроснабжения характеризуются большей, чем системообразующие электрические сети высших напряжений, территориальной плотностью узлов нагрузки и соответственно потребителей при меньшем территориальном охвате, что обуславливает большую сложность схем замещения, используемых для расчета надежности электроснабжения;
    -     наличие в электрических сетях систем электроснабжения нескольких уровней территориальной иерархии, которым соответствуют сети, различающиеся объемом и типами схем электрических соединений, классом напряжения, объемом автоматизации, конструктивным исполнением подстанций, линий электропередачи и т. п.;
    -     при оценке надежности систем электроснабжения необходим учет характеристик конкретных потребителей при формулировании и разработке решений по управлению и развитию этих систем, как со стороны энергосистемы, так и со стороны потребителей. В свою очередь, системы электроснабжения также предъявляют требования к надежности как верхних, так и нижних по отношению к ним уровней.
    Расчет надежности систем электроснабжения производится относительно их узлов нагрузки или конкретных потребителей. При этом определяются показатели, характеризующие частоту и длительность отключения или недопустимое отклонение режимных параметров, которые могут послужить причиной

6

снижения производительности потребителей или полного их погашения. В зависимости от типа систем электроснабжения и характера потребителей рассчитываются также недоотпуск электроэнергии и ущерб, которые могут быть обусловлены перерывами электроснабжения. Вычисляемые частоты перерывов электроснабжения (частоты отказов сети) целесообразно дифференцировать по длительности перерыва, что позволяет более точно оценивать последствия от перерывов электроснабжения. В частности, в системах электроснабжения промышленных предприятий следует учитывать нарушения работы электроприемников при кратковременных (на время автоматического повторного включения или автоматического включения резерва) перерывах электроснабжения или снижениях напряжения, поскольку такие отказы могут приводить к «опрокидыванию» асинхронных двигателей и т. п.
    Тем не менее, рассмотрение вопросов надежности в конкретных случаях требует не только учета общих признаков систем электроснабжения по отношению к распределительным сетям энергосистем в целом, но и их особенностей. Например, системы электроснабжения промышленных предприятий характеризуются применением кольцевых, но в основном разомкнутых схем электрических соединений, линии электропередач в кабельном исполнении реализуются с широким использованием токопроводов, наличием потребителей с различными уровнями категорий, относительно высоким уровнем автоматизации, а также большей по сравнению с городскими и сельскохозяйственными системами электроснабжения территориальной плотностью потребителей и электрических сетей. Системам электроснабжения городов свойственно применение замкнутых и разомкнутых схем электрических соединений, как воздушных, так и кабельных линий электропередач и высокий уровень сетевого резервирования и автоматизации, особенностью этих систем является разнообразие потребителей, в состав которых входят и промышленные, имеющие свои внутренние системы электроснабжения. Системы электроснабжения сельскохозяйственного назначения отличаются преимущественным применением воздушных линий электропередач, использованием открытых подстанций, разомкнутых электрических сетей, более низким по сравнению с системами электроснабжения промышленных предприятий и городов уровнем резервирования и автоматизации. При расчетах надежности распределительных сетей систем электроснабжения необходимо учитывать, что пропускная способность сети существенно влияет на надежность электроснабжения потребителей, так как перерывы или ограничения электроснабжения возможны при перегрузке отдельных элементов линий электропередач, трансформаторов не только из-за увеличения тока, но и снижения напряжения ниже допустимого уровня. Это может вызвать либо внезапное отключение, либо ограничение нагрузки потребителей по указанию диспетчера. Поэтому в расчете надежности целесообразно учитывать и электрический режим, определение параметров которого в данном случае не требует высокой точности, что позволяет применить упрощенные методы с малым временем счета на компьютере. В резервированных сетях перерывы электроснабжения возможны как при совпадении вынужден

7

ных отключений взаиморезервирующих цепей, так и при наложении отказа одной из них на плановый ремонт другой. Частота таких совпадений носит явно выраженный сезонный характер и поэтому в расчетах надежности следует учитывать сезонную неравномерность факторов, определяющих надежность элементов системы электроснабжения. Также следует учитывать, что в сетях с малым временем восстановления питания (системы электроснабжения городов и промышленных предприятий) величина недоотпуска электроэнергии зависит от того, в какое время суток произошло отключение.
    Наличие территориальной иерархической структуры систем электроснабжения указывает на целесообразность использования для расчета надежности электрических сетей методов и моделей в различных топологиях (кольцевых, разомкнутых, радиальных, смешанных сетей). Целесообразность применения в пределах одной системы электроснабжения разных моделей оправдана также различиями в объеме сетей, относящихся к различным иерархическим уровням. Общность применяемых методов и моделей в наибольшей степени проявляется в расчетах питающих сетей при оценке их структурной надежности и надежности с учетом электрического режима, так как определяющим фактором в последнем случае являются уровни напряжения в узлах сети и пропускная способность сетевых элементов. На уровне распределительной сети конкретизация применяемых методов проявляется в разделении определяемых показателей, учитываемых факторов, характеризующих динамику поведения объекта, а также в обосновании информационного обеспечения расчетов.
    При оценке надежности необходимо учитывать, что для систем электроснабжения характерно структурирование по нескольким уровням.
    Первый уровень для систем электроснабжения промышленных предприятий включает в себя одну либо несколько районных питающих подстанций или подстанций глубокого ввода, присоединенных к электроэнергетической системе на напряжении 110 кВ и выше, в ряде случаев на напряжениях 6, 10, 35 кВ. Схемы таких сетей предусматривают взаимное резервирование от независимых источников и выполняются кабельными и воздушными линиями электропередач, а также токопроводами. Питающая сеть систем электроснабжения городов первого уровня включает в себя сети 35, 110 кВ, а в крупных городах - 220 и 330 кВ, схема которых зависит от размеров города. Для небольших городов и поселков городского типа характерно наличие одной понижающей подстанции, имеющей, как правило, двустороннее питание и два трансформатора. Схема питающей сети 35, 110 кВ города средних размеров состоит из нескольких подстанций этих напряжений, присоединенных к одной или нескольким линиям с двусторонним питанием, образующим совместно внешнее кольцо электроснабжения. Такие подстанции представляют независимые источники питания для потребителей, поскольку отказ любого из участков линий 35, 110 кВ приводит к обесточиванию лишь одной подстанции. В крупных городах в состав питающей сети входят образующие кольцо линии и подстанции 220, 330, а иногда и 500 кВ, от которых питаются подстанции 35, 110 кВ. Для больших городов характерно сооружение глубоких вводов, когда понижающая подстанция

8

сооружается по упрощенной схеме вблизи центра нагрузки, а также применение кабельных линий 35, 110, 220 кВ.
    Системы электроснабжения сельскохозяйственного назначения ограничены шинами 35, 110 кВ узловых районных подстанций. Их питающая сеть включает в себя ряд линий этого класса напряжения с подстанциями 35/10 или 110/10 кВ, которые, в свою очередь, являются центрами питания для распределительной сети 10 кВ. Питающая сеть первого уровня в системах электроснабжения сельскохозяйственного назначения, как правило, разомкнута.
    Системы электроснабжения городов и некоторых промышленных предприятий второго уровня, включают в себя линии электропередач 6, 10 кВ, отходящие от центров питания и подающие электроэнергию к распределительным пунктам без присоединения к ним других потребителей, и в отдельных случаях могут эксплуатироваться по замкнутой схеме. Питание распределительных пунктов в зависимости от мощности нагрузки осуществляется по двум-четырем линиям напряжением 6, 10 кВ. Распределительное устройство, как правило, состоит из двух секций с секционным выключателем, снабженным устройством автоматического включения резерва, или секционным разъединителем. Средняя протяженность питающих линий составляет до 4 км, а нагрузка распределительных пунктов находится в диапазоне 3.. .12 МВт.
    Системы электроснабжения промышленных предприятий третьего уровня включают кольцевые или радиальные распределительные сети напряжениями 6, 10 кВ. В системах электроснабжения городов к указанному уровню относятся распределительные сети 6, 10 кВ, выполняемые в основном кольцевыми с трансформаторными подстанциями транзитного типа. Наиболее распространена в системах электроснабжения городов нормально разомкнутая петлевая схема, в которой к линии присоединяются от 3 до 16 трансформаторных подстанций напряжением 6(10)/0,4 кВ расстояние между которыми составляет 0,4...0,6 км. Петлевая схема обеспечивает требования к надежности питания потребителей II категории. В крупных городах для питания районов многоэтажной застройки применяется двухлучевая схема 6, 10 кВ, обеспечивающая требуемую надежность электроснабжения ответственных потребителей. Двухлучевая схема применяется совместно с устройством автоматического включения резерва на стороне 6, 10 кВ или 0,4 кВ. При отказе любого из участков линии 6, 10 или трансформатора 6(10)/0,4 кВ, электроэнергия на сборку низкого напряжения подается через секционный автоматический выключатель. Также применяются многолучевые и петлевые схемы с автоматическим включением резерва. Распределительная сеть систем электроснабжения третьего уровня сельскохозяйственного назначения включает в основном воздушные линии 10 кВ с радиальными ответвлениями большой протяженности. Надежность электроснабжения обеспечивается широким использованием секционирующих устройств и применением резервных перемычек.
    Сети четвертого уровня выполняются в виде радиальных топологий с присоединением потребителей на нерезервируемых ответвлениях, резервируемых и нерезервируемых, а также петлевых и магистральных. На практике исполь

9

зуются разные сочетания схем сетей 0,38 и 6, 10 кВ, причем в городах замкнутые сети 0,38 кВ не применяются вообще или применяются ограниченно из-за трудностей в обеспечении селективности работы предохранителей и несовершенства автоматических выключателей обратной мощности.
    Следует отметить, что обеспечение и повышение надежности электроснабжения и качества электроэнергии в течение многих лет главным образом достигались путем повышения уровня централизации электроснабжения при создании все более мощных электроэнергетических объектов, вследствие чего сформировались территориально распределенные протяженные электроэнергетические системы. На первых этапах для этого использовались технологии развития традиционных паротурбинных агрегатов тепловых и атомных электростанций по пути использования все более высоких параметров пара, что требовало применения более совершенных материалов котлов и турбин, и вело к увеличению единичной мощности установок, но в дальнейшем эта тенденция принципиально изменилась вследствие появления высокоэффективных газотурбинных и парогазовых установок в широком диапазоне мощностей и дополнительно наметился поворот в сторону малой энергетики, к которой относятся многие типы энергетических установок на возобновляемых источниках энергии. Источники электроэнергии энергии малой мощности, получившие название распределенной генерации, устанавливаются непосредственно у потребителей, подключаются к распределительной электрической сети на напряжениях 6-35 кВ и существенно влияют на результирующую надежность системы электроснабжения. Преимущества использования таких систем очевидны:
    -      приближение источников электроэнергии к потребителю с соответствующим повышением эффективности ее передачи;
    -      относительная независимость потребителей от рыночной неопределенности в развитии электроэнергетики и цен на электроэнергию, снижение рисков дефицита мощности и повышение энергетической безопасности;
    -      повышение адаптационных возможностей самих ЭЭС к неопределенности рыночных условий развития экономики и снижение тем самым инвестиционных рисков;
    -     появление новых высокоэффективных энергетических технологий;
    -     рост доли газа в топливоснабжении электростанций;
    -      обеспечение экологических требований, стимулирующее использование возобновляемых источников энергии (гидроэнергии, ветра, биомассы и др.).
    Проблема надежности электрических сетей и систем, электрических станций, подстанций, линий электропередач, силовой, защитно-коммутационной, управляющей, контрольно-диагностической, информационной аппаратуры представляет одну из первоочередных проблем современной энергетики. В отдельных энергетических системах число аварий в течение года достигает нескольких десятков, а годовой недоотпуск электроэнергии в результате аварий -нескольких миллиардов киловатт-часов. Суммарная мощность одновременно простаивающих в аварийном ремонте генераторов составляет десятки миллионов киловатт. Возможные последствия от нарушения работоспособности тре

10

буют постоянного совершенствование методов проектирования, технологии производства, монтажа, эксплуатации и прогнозирования развития электроэнергетических систем.
    На практике под надежностью электроснабжения обычно понимают бесперебойное и качественное электрическое питание потребителей, поэтому к системам электроснабжения (СЭС) предъявляются следующие основные требования:
    -      системы электроснабжения должны быть достаточно просты, удобны и безопасны для эксплуатации, ремонта и оперативного обслуживания;
    -      схемы подстанции и сетей должны обеспечивать вывод в ремонт электрооборудования с минимальными перерывами электроснабжения;
    -      качество монтажа и технического обслуживания элементов системы электроснабжения должны обеспечивать надежную работу СЭС;
    -      СЭС должна иметь способность обеспечивать электроснабжение потребителя после соответствующего переключения с учетом использования всех дополнительных источников и возможности резервирования (перемычек, связей на вторичном напряжении, аварийных источников питания);
    -       резервирование сети (мощности источников, конструкции и сечения сетей, противоаварийной автоматики) должно осуществляться с учетом применения технологического резерва; при этом в СЭС практически не допускается применение «холодного резерва», то есть все ее элементы должны постоянно находиться в работе, под напряжением и в нормальном режиме сохранять способность быть резервными после аварии.
    Надежность электроснабжения непосредственно определяет возможность нормального функционирования потребителей. Нарушение электроснабжения может привести не только к значительному экономическому ущербу, но и катастрофе. При этом именно возможность потенциального ущерба от нарушения электроснабжения, убытки, связанные с аварийным ремонтом, а также расходами на повышение надежности, позволяют принять обоснованное решение о степени резервирования или дублировании энергоснабжения. Одним из примеров постановки задачи обоснования надежности могут быть требования по уровню надежности электроснабжения, связанного с тарифами за пользование электроэнергией. При повышении требуемого уровня надежности электроснабжения тариф за пользование электроэнергией возрастет, при этом снижается отключаемая мощность и (или) уменьшится длительность ненормального режима. Это позволяет рассматривать надежность как экономическую категорию, связанную с анализом материальных потерь потребителей.
    К типовым техническим средствам, с помощью которых предотвращается возникновение аварийных ситуаций, обычно относятся релейная защита от коротких замыканий; автоматическое повторное включение (АПВ); автоматическое включение резерва (АВР); автоматическое регулирование возбуждения (АРВ); автоматическая частотная разгрузка (АЧР); автоматическое регулирование частоты и мощности (АРЧМ); автоматическая синхронизация генераторов; система автоматического отключения нагрузки (САОН) и т. д. Наряду с ними

11

для повышения надежности большое значение имеют резервирование генерирующей мощности, резервирование систем передачи и распределения электроэнергии, увеличение пропускной способности линий электропередач (ЛЭП), трансформаторов, подстанций и т. д.
    Концентрация и централизация промышленности, производства и распределения электроэнергии привели к созданию крупных энергообъединений, имеющих сложную структуру и характеризующихся большой номенклатурой показателей надежности, отражающих способность электроэнергетических систем выполнять основную задачу - снабжение потребителей электроэнергией в нужном количестве и при заданном качестве. К понятию качества электроэнергии относятся как отказы в электроснабжении, так и нарушения и искажения формы питающего напряжения, которые могут поступать из энергосистемы (грозовые импульсы, коммутационные перенапряжения вследствие коммутации участков электрической сети, провалы и отклонения напряжения во время автоматического включения резерва и переключения потребителей на другие источники питания). Искажения в электрическую систему нередко вносят и сами электроприемники с резкопеременным и нелинейным характером нагрузки: всевозможные преобразователи, промышленные потребители, электрический транспорт.
    Требования по надежности электротехнических изделий в целом изложены в ГОСТ 20.39.312-85 «Комплексная система общих технических требований. Изделия электротехнические. Требования по надежности», а систем электроснабжения потребителей в нормативном документе «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) [19], в соответствии с которым все электроприемники разделяются на три категории:
    I категория - электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству; повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, нарушение сложного технологического процесса или функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. Особо выделяется группа электроприемников I категории, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования. В качестве примеров электроприемников особой группы для черной металлургии можно привести электродвигатели насосов водоохлаждения доменных печей и электродвигатели механизмов поворота конвертеров.
    II категория - электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.
    III категория - все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категорий.

12