Разветвленность и протяженность линии как критерий выбора пунктов автоматического секционирования в качестве средства повышения надежности электроснабжения потребителей сети 10 кВ



В статье представлены: статистические данные о протяженности и разветвленности ВЛ 10 кВ; показатели надежности электроснабжения на примере распределительных сетей 10 кВ, обслуживаемых одним из РЭСов на Юге России; критерии выбора наиболее проблемных ВЛ, на которых следует применять пункты автоматического секционирования сети 10 кВ для повышения надежности электроснабжения потребителей.

Ключевые слова: надежность электроснабжения, показатели надежности, ВЛ 10 кВ, линейное ответвление, длина ВЛ, реклоузер, автоматическое секционирование

Одна из проблем сельских распределительных электрических сетей 6–10 кВ состоит в слабой оснащенности их телемеханикой, что приводит к увеличению длительности перерывов электроснабжения потребителей и, следовательно, к увеличению экономического ущерба, вызванного недоотпуском электроэнергии потребителям и упущенной выгодой электросетевого предприятия.

Как правило, поиск повреждений осуществляется отключением вручную секционирующих аппаратов на линии и последующей попыткой повторного включения линии, также вручную. Секционирование позволяет разделить линию электропередачи на отдельные участки с целью сокращения отключаемой нагрузки потребителей, подключенных к поврежденной линии. На протяженных и разветвленных ВЛ 10 кВ время поиска повреждения оперативно-выездной бригадой, вынужденной полагаться только на ручное секционирование, существенно увеличивается [6].

Значительно ускорить процесс поиска повреждений может замена ручного секционирования на автоматическое. Задача всех автоматических секционирующих коммутационных аппаратов заключается в автоматическом быстром отделении от магистрали линии поврежденного участка во время короткого замыкания или бестоковой паузы. Ранее для решения этой задачи предлагалось в качестве пунктов автоматического секционирования линии использовать предохранители повторного действия, автоматические отделители и выключатели нагрузки, а также масляные выключатели с релейной защитой, устанавливаемые как на опорах ВЛ, так и в отдельно стоящей ячейке КРУН [3].

На сегодняшний день наиболее распространенным и перспективным средством автоматического секционирования воздушных линий 6–10 кВ являются вакуумные коммутационные аппараты, оснащенные устройствами релейной защиты, автоматики и телемеханики — реклоузеры [7]. Как правило, они оснащаются источниками резервного питания, что позволяет осуществлять АПВ при неустойчивых повреждениях линии, а также выполнять дистанционное секционирование при оперативных переключениях [5].

Так как пункты автоматического секционирования на базе реклоузеров являются дорогостоящим оборудованием, то требуются критерии, на которые можно полагаться при выборе тех линий, которые необходимо оснащать реклоузерами в первую очередь. В связи с этим, такими критериями для определения группы наиболее проблемных ВЛ 10 кВ могут быть сравнительно большая суммарная длина линии и количество линейных ответвлений.

Исследуем соответствующие параметры ВЛ 10 кВ и показатели надежности электроснабжения на примере сельских распределительных сетей 6–10 кВ, обслуживаемых одним из РЭСов на Юге России (за период 2014–2019 гг.). Воздушные линии данного класса напряжения построены по радиальному принципу, практически не имеют сетевого резервирования. Все потребители электроэнергии в данной распределительной сети 10 кВ относятся к III категории по надежности электроснабжения, что требует выполнения условия о допустимом числе часов отключения в год не более 72 часов и продолжительности отключений не более 24 часов подряд, но, при этом, для этих потребителей отсутствуют требования к резервированию электроснабжения.

Данные по протяженности и разветвленности ВЛ 10 кВ исследуемого РЭС были получены из схем-паспортов соответствующих линий. При определении линейных ответвлений руководствовались п. 2.4.3 ПУЭ [1], в соответствии с которым линейное ответвление от ВЛ — это участок линии, присоединенный к магистрали ВЛ, имеющий более двух пролетов.

Имеются некоторые рекомендации по максимальной длине ВЛ 10 кВ. Так в [4, с. 37] рекомендуется снижение радиуса действия сетей для ВЛ 10 кВ до 15 км. С другой стороны, для ВЛ 10 кВ в соответствии со Стандартом организации ПАО «Россети» [2, с. 201] рекомендуемая максимальная длина без учета ответвлений составляет 15–20 км. По максимальному количеству линейных ответвлений для ВЛ 10 кВ конкретные рекомендации отсутствуют. Рассмотрим сначала характеристики и показатели надежности всей исследуемой совокупности ВЛ 10 кВ.

Различают технические и оперативные показатели надежности электроснабжения [8]. Одними из основных технических показателей являются параметр потока отказов и среднее время восстановления. В качестве оперативного показателя надежности электроснабжения выступает недоотпуск электроэнергии в течение года.

Для восстанавливаемых систем главной числовой характеристикой можно считать параметр потока отказов ω ( t ). Он представляет собой плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемой системы, вычисляемую для определенного момента времени. В случае пренебрежения временем восстановления, совокупность моментов возникновения отказов образует непрерывный поток, который называется потоком отказов. С точки зрения статистики, параметр потока отказов — это отношение количества отказавших элементов в единицу времени к числу всех испытываемых объектов, с тем условием, что восстанавливаются все вышедшие из строя элементы:

,

где n ( t ) — число элементов системы, отказавших за время t ;

N ₀ — число изначально исследуемых элементов системы.

Среднее время восстановления ( T _B ) — это среднее время, затрачиваемое на отыскание и устранение одного отказа. Этот показатель представляет собой в достаточной степени наглядную количественную характеристику ремонтопригодности системы:

,

где r — число отказов данной системы в течение определенного периода;

τ _i — время восстановления системы после i -го отказа.

Данные по аварийным отключениям ВЛ 10 кВ в исследуемом РЭС за шестилетний период 2014–2019 гг. были получены из программного комплекса ПК «Аварийность», в котором оперативно-диспетчерская служба ведет регистрацию аварийных событий. Для определения недоотпуска электроэнергии использовались данные по отключаемой нагрузке при каждом аварийном событии, учтенные в программе ПК «Аварийность».

Средствами описательной статистики компьютерной программы MS Excel 2007 была проанализирована статистическая информация по протяженности ВЛ 10 кВ, их ответвлениям и показателям надежности. В таблице 1 представлены результаты статистической обработки таких показателей исследуемой совокупности ВЛ 10 кВ, как суммарная протяженность линии, протяженность магистрали, средняя протяженность линейного ответвления, количество линейных ответвлений, параметр потока отказов, среднее время восстановления, а также недоотпуск электроэнергии вследствие аварийного отключения.

Рассматриваемая совокупность ВЛ 10 кВ, обслуживаемых вышеуказанным РЭСом, насчитывала 92 линии. Суммарная длина всех исследуемых линий составляла 1070,54 км. Величина доверительного интервала по данному показателю 11,64±2,00 км с уровнем надежности 95 %. Средняя длина магистрали составляет 7,99 км. Средняя протяженность линейного ответвления от одной линии — 0,89 км. Количество линейных ответвлений в сумме по всем исследуемым ВЛ 10 кВ составила 297, а в среднем на одну линию приходится по 3,23 линейных ответвления.

За исследуемый период (2014–2019 гг.) выявлено 373 зарегистрированных аварийных отключения ВЛ 10 кВ. Доверительный интервал (с уровнем надежности 95 %) параметра потока отказов в среднем для одной линии составил 0,68±0,16 1/год, доверительный интервал среднего времени восстановления — 1,81±0,32 ч. Суммарный по всем линиям среднегодовой недоотпуск электроэнергии по причинам аварийных отключений ВЛ 10 кВ — 31761 кВтч. Значение среднегодового недоотпуска (в среднем на одну линию) составило 345,2±101,4 кВтч (с уровнем надежности 95 %).

Таблица 1

Результаты статистической обработки характеристик и показателей надежности исследуемой совокупности ВЛ 10 кВ за период 2014–2019 гг.

Статистический показатель	Протяженность ВЛ 10 кВ, км	Протяженность магистрали, км	Средняя протяженность линейного ответвления, км	Количество линейных ответвлений, шт.	Параметр потока отказов, 1/год	Среднее время восстановления, ч.	Среднегодовой недоотпуск электроэнергии вследствие аварийных отключений, кВт  ч
Среднее значение	11,64	7,99	0,89	3,23	0,68	1,81	345,2
Стандартная ошибка	1,01	0,71	0,09	0,26	0,08	0,16	51,1
Медиана	9,60	5,86	0,68	3	0,50	1,66	122
Стандартное отклонение	9,64	6,83	0,89	2,53	0,79	1,53	489,8
Дисперсия выборки	92,90	46,63	0,80	6,42	0,63	2,33	239914
Эксцесс	2,42	2,27	4,70	-0,22	10,15	5,59	5,90
Асимметричность	1,32	1,36	1,91	0,67	2,80	1,69	2,32
Интервал	52,05	36,10	4,82	11	4,67	9,30	2532
Минимум	0,04	0,04	0	0	0	0	0
Максимум	52,09	36,14	4,82	11	4,67	9,30	2532
Сумма	1070,54	735,45	81,72	297	62,17	166,46	31761
Количество значений	92	92	92	92	92	92	92
Отклонение границ доверительного интервала от среднего значения (уровень надежности 95 %)	±2,00	±1,41	±0,19	±0,52	±0,16	±0,32	±101,4

Рассмотрим зависимость показателей надежности ВЛ 10 кВ от суммарной длины линии и от числа линейных ответвлений, т. к. наиболее протяженные и разветвленные ВЛ 10 кВ предположительно должны иметь наихудшие показатели надежности в сравнении с остальными. Для наглядности, полученные средние значения показателей надежности для каждого интервала представлены в виде столбчатых диаграмм (см. рисунки 1–4).

Как видно из рисунка 1.а, наибольшее число исследуемых линий (30 линий или 32,6 %) имеет суммарную длину 0…5 км, при этом наиболее длинных линий (20 км и более) — 17 линий (18,5 %). Из рисунка 1.б видно, что больше всего ВЛ 10 кВ с 2…3 линейными ответвлениями (29 линий или 31,5 %), а с 8 и более линейными ответвлениями — 5 линий (5,4 %).

Среднее значение параметра потока отказов для линий длиной 20 км и более является наибольшим среди всей совокупности исследуемых линий и составляет 1,21 1/год, причем этому значению практически равняется (1,20 1/год) параметр потока отказов линий длиной 15…20 км (см. рисунок 2.а). При группировании линий по количеству линейных ответвлений (см. рисунок 2.б) среднее значение параметра потока отказов для каждого интервала возрастает достаточно плавно. Но при интервале линий с 8 и более линейными ответвлениями параметр потока отказов резко возрастает до значения 2,47 1/год.

По диаграммам рисунков 3.а и 3.б видно, что значение среднего времени восстановления увеличивается как с увеличением длины линии, так и с увеличением количества линейных ответвлений. На рисунке 3.а наибольшее значение (2,40 ч.) достигается в группе линий длиной 20 км и более. На рисунке 3.б наибольшее значение — в группе с 8 и более линейными ответвлениями (2,65 ч.), при этом для линий с 6…7 линейными ответвлениями этот показатель незначительно меньше (2,59 ч.).

Значение среднегодового недоотпуска электроэнергии вследствие аварийных отключений (см. рисунки 4.а и 4.б) при группировании линий по длине наиболее велико в группе линий длиной 20 км и более (779,8 кВтч в среднем на одну линию). Аналогичный показатель при группировании линий по количеству линейных ответвлений достигает наибольшего значения для линий с 8 и более линейными ответвлениями (1317,4 кВтч в среднем на одну линию). Среднегодовой недоотпуск в этой группе линий и в группе с 6…7 линейными ответвлениями (827,8 кВтч в среднем на одну линию) существенно больше, чем в группе линий длиной 20 км и более.

Рис. 1. Диаграммы распределения ВЛ 10 кВ по суммарной длине линии (а) и по количеству линейных ответвлений от линии (б)

Рис. 2. Диаграммы зависимости параметра потока отказов ВЛ 10 кВ от суммарной длины линии (а) и от количества линейных ответвлений от линии (б)

Рис. 3. Диаграммы зависимости среднего времени восстановления ВЛ 10 кВ от суммарной длины линии (а) и от количества линейных ответвлений от линии (б)

Рис. 4. Диаграммы зависимости среднегодового недоотпуска электроэнергии (в среднем на одну линию) вследствие аварийных отключений ВЛ 10 кВ от суммарной длины линии (а) и от количества линейных ответвлений от линии (б)

На диаграммах наглядно продемонстрирован более низкий уровень надежности в группах ВЛ 10 кВ с большей протяженностью и с большим числом линейных ответвлений в сравнении с линиями с меньшей длиной и с меньшим числом ответвлений. При повреждениях на протяженных и разветвленных линиях для оперативно-выездной бригады время поиска и устранения повреждения существенно увеличивается, так как требуются продолжительные перемещения бригады между разъединителями для секционирования линии. В подобных случаях применение автоматического секционирования при поиске поврежденного участка линии значительно ускорит процесс определения поврежденного участка и беспрепятственного восстановления электроснабжения для потребителей остальной части линии. Кроме того, автоматический пункт секционирования может реализовывать не только однократное, но и двухкратное АПВ, что в подавляющем числе случаев неустойчивых повреждений исключит необходимость привлечения оперативно-выездной бригады.

Автоматическое секционирование воздушных линий 10 кВ может быть экономически оправдано в первую очередь именно для протяженных и разветвленных линий электропередачи, где, как правило, велик риск значительного экономического ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям. Однако, так как ресурсы сетевой организации ограничены, то инвестирование в средства повышения надежности должно быть экономически обосновано.

Исследования подтвердили возможность использования следующих критериев применения пунктов автоматического секционирования: суммарная длина линии более 20 км и число линейных ответвлений более 8 ответвлений. Данные совокупности линий с указанными параметрами имеют в среднем худшие показатели надежности и наибольший недоотпуск электроэнергии.

В то же время очевидно, что дополнительные исследования, в виде экспертного опроса могут уточнить полученные критерии. Следует определить, какой параметр оказывает большее влияние на показатели надежности электроснабжения — суммарная длина линии или количество линейных ответвлений. При выборе конкретных линий для установки пунктов автоматического секционирования, количества и мест их установки, выбора последовательного или параллельного типа секционирования, необходимо провести технико-экономическое обоснование и сравнение вариантов, в том числе оценку сроков окупаемости данных мероприятий.

Литература:

1. Правила устройства электроустановок. Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. — Новосибирск: «Норматика», 2019. — 462 с.
2. СТО 34.01–21.1–001–2017. Распределительные электрические сети напряжением 0,4–110 кВ. Требования к технологическому проектированию. ПАО «Россети».
3. Андриевский, Е. Н. Секционирование и резервирование сельских электросетей / Е. Н. Андриевский. — М.: «Энергоатомиздат», 1983. — 112 с.
4. Лещинская, Т. Б. Электроснабжение сельского хозяйства: учебник для студентов высших учебных заведений / Т. Б. Лещинская, И. В. Наумов. — М.: «КолосС», 2008. — 655 с.
5. Симонов, А. Новый уровень управления аварийными режимами распределительных сетей с помощью реклоузеров / А. Симонов // Электрик. — 2012. — № 11. — С. 8–11.
6. Солопов, Р. В. Опыт эффективного повышения надежности электроснабжения сельских потребителей / Р. В. Солопов, В. П. Кавченков, Л. И. Долецкая, А. И. Магон // Успехи современной науки. — 2017. — Т. 1. № 5. — С. 175–179.
7. Фризоргер, А. В. Обзор применения реклоузеров для повышения надежности электроснабжения потребителей / А. В. Фризоргер // Инновационные тенденции развития российской науки: Материалы XII Международной научно-практической конференции молодых ученых. — Красноярск: Красноярский ГАУ, 2019. — С. 198–202.
8. Шеметов, А. Н. Надежность электроснабжения: учебное пособие / А. Н. Шеметов. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г. И. Носова», 2007. — 138 с.