Распределение электрической энергии

Электрическая сеть, как часть электроэнергетической системы, обеспечивает возможность выдачи мощности электростанций, ее передачу на расстояние по линиям электропередач, преобразование параметров электроэнергии (напряжения, тока) на подстанциях и ее распределение по некоторой территории вплоть до непосредственных электроприемников.

Электрические сети современных энергосистем характеризуются многоступенчатостью, сложностью конфигурации и многорежимностью, т.е. большим числом ступеней трансформаций на пути от источников электроэнергии к ее потребителям. Топологическая структура отдельных звеньев этой многоступенчатой электрической сети достаточно сложна, она насчитывает десятки, а подчас и сотни узлов, ветвей и замкнутых контуров. Электрическая сеть характеризуется большим разнообразием загрузки элементов сети в суточном и годовом разрезе при нормальном функционировании системы, вызываемое рабочими изменениями во времени нагрузки потребителей, а также многообразием режимов, возникающих при выводе различных элементов сети в плановый ремонт и при их аварийных отключениях.

Все электроприемники, генераторы, трансформаторы, линии электропередачи и прочие элементы электроэнергетических систем проектируются для работы в длительном нормальном режиме при определенном напряжении, при котором эти элементы обладают наиболее целесообразными технико-экономическими показателями. Эти напряжения системы называются номинальными, и их значения всегда устанавливаются Государственным стандартом ГОСТ 29322-2014.

В настоящее время для электрических трехфазных четырехпроводных или трехпроводных систем переменного тока, частотой 50 Гц, включая однофазные электрические цепи, присоединенные к этим системам, стандартизованы 4 средних напряжения ступени трансформации от 100 до 1000 В (230, 230/400, 400/690 и 1000 В) и 12 напряжений выше 1 кВ (3*, 6*, 10, 20, 30*, 35, 45*,66, 110, 132, 150*, 220 кВ) и 7 значений наибольшего напряжения для электрооборудования более 245 кВ (300*, 362, 420, 550, 800, 1110 и 1200 кВ). Все перечисленные цифры соответствуют линейным (междуфазным) значениям напряжений трехфазной системы переменного тока. Напряжения, отмеченные звездочками не следует применять для новых систем распределения общего назначения. Классификация электрических сетей по признакам, связанным с номинальным напряжением приведена в табл. 1.

По размерам территории, охватываемой сетью, могут быть выделены так называемые местные (U_ном = 35 кВ), районные (110 — 220 кВ) и региональные сети (U_ном = 330 кВ). Линии электропередачи сверхвысокого напряжения (СВН), являющиеся основой последней категории сетей, служат как для связи отдельных районов и относительно небольших энергосистем в региональных объединенных энергосистемах (ОЭС), так и для связи между собой крупных объединений.

Таблица 1. Классификация электрических сетей

По назначению различают системообразующие и распределительные сети. Первые осуществляют функции формирования районных энергосистем (РЭС) путем объединения их электростанций на параллельную работу, а также объединение РЭС и ОЭС между собой. Кроме того, они осуществляют передачу электроэнергии к системным подстанциям, выполняющим роль источников питания распределительных сетей.

По данным Положения ОАО «Россети» о единой технической политике в электросетевом комплексе общая протяжённость воздушных и кабельных линий электропередачи магистрального электросетевого комплекса напряжением до 1150 кВ в настоящее время составляет 131583,063 км, в том числе более 50 % линии напряжением 220 кВ. Общее количество трансформаторных подстанций (ТП) и распределительных пунктов (РП) напряжением 35 кВ и выше, находящихся в эксплуатации магистрального электросетевого комплекса составляет 885 единиц.

Отметим, что согласно Положению ОАО «Россети», оборудование магистрального электросетевого комплекса Единой национальной сети (ЕНЭС) со сверхнормативным (более 25 лет) сроком службы в 2017 году составило: 56% для подстанций (ПС) и 77% для линий электропередачи (ЛЭП), при этом доля оборудования, находящегося в эксплуатации более 35 лет для ПС и более 40 лет для ЛЭП, составляет 20% и 35% соответственно. Значение потерь электроэнергии в сети ЕНЭС (в магистральном сетевом комплексе), отнесенное к общему отпуску электроэнергии из сети

ЕНЭС в сети распределительных сетевых компаний, потребителей и независимых акционерных обществ (АО-энерго), составляет около 4,24%, из них:

• условно-постоянные потери электроэнергии в сети ЕНЭС составили 41,1% от общего объема потерь электроэнергии в сети ЕНЭС;
• нагрузочные (переменные) потери электроэнергии в сети ЕНЭС составили 58,9% от общего объема потерь электроэнергии в сети ЕНЭС.

Наиболее часто встречающимися причинами повреждений оборудования подстанций являются износ оборудования, недостатки эксплуатации и ремонтов, а также дефекты изготовления оборудования.

Основные причины повреждения линий электропередачи – грозовые отключения, загрязнение изоляции, воздействие сторонних лиц и организаций, пожары. Также остается стабильно высоким количество технологических нарушений из-за падения боковых деревьев на провода воздушной линии электропередачи (ВЛ), что связано с технологическими нарушениями при организации и выполнении целевых программ по расширению просек ВЛ.

Распределительной линией считается линия, питающая ряд трансформаторных подстанций или вводы к электроустановкам потребителей. Такие линии и являются основой распределительной сети. Распределительные линии можно выделить в сетях различных номинальных напряжений, поэтому не следует отождествлять понятия местных и распределительных сетей, как это делалось ранее. В настоящее время по мере развития сетей сверхвысокого напряжения (СВН) верхняя граница этого диапазона в ряде ОЭС сдвинулась в сторону более высоких напряжений, и современные сети напряжением 110 — 220 кВ и даже 330 кВ постепенно приобретают характер распределительных. Так, по мере наложения вновь создаваемой сети 750 кВ на сеть 330 кВ в тех районах, где ранее последняя выполняла функции системообразующей, сети 330 кВ постепенно переходят в разряд распределительных. В будущем аналогичный процесс будет наблюдаться в тех частях ЕЭС России, где линии напряжением 1150 кВ возьмут на себя роль основных связей между ОЭС, в которых сейчас основными являются сети 500 кВ.

В распределительных электрических сетях, находящихся на балансе операционных сетевых компаний, используются электрические сети напряжением 0,4 – 220 кВ. Общая протяжённость воздушных и кабельных линий электропередачи напряжением 0,4 – 110 (220) кВ по данным ПАО «Россети» составляет 2109693,7 км, из них более 30 % составляют линии напряжением 0,4 кВ.

Общее количество трансформаторных подстанций распределительных электрических сетей указанной протяженности, находящихся в эксплуатации составляет 461864 ед., из них более 90 % в сетях напряжением 6 – 20 кВ. Средняя степень износа электросетевых объектов распределительных электрических сетей, включая здания и сооружения, на 2017 г. составляет свыше 70%.

Воздушные линии напряжением 0,4 – 20 кВ построены по радиальному принципу с использованием, в основном, алюминиевых, неизолированных проводов малых сечений, а также деревянных и железобетонных опор с механической прочностью не более 27 – 35 кН⋅м. Линии электропередачи напряжением 0,4 – 110 (220) кВ проектировались в соответствии с руководящими документами по критерию минимума затрат, а расчетные климатические условия принимались с повторяемостью один раз в 5 – 10 лет.

Кабельные сети построены по петлевой схеме или в виде двухлучевой схемы с одно- или двухтрансформаторными подстанциями. В качестве силового кабеля использовался в основном кабель с бумажной пропитанной маслом изоляцией с алюминиевыми жилами.

Показатели надежности электроснабжения в связи с высоким износом распределительных электрических сетей за последние годы снижаются. Однако мероприятия по внедрению противоаварийной автоматики позволяют обеспечивать надежность электроснабжения на уровне близком к мировому. В сетях напряжением 6 – 20 кВ происходит, в среднем, до 30 отключений в год в расчете на 100 км воздушных и кабельных линий. В сетях напряжением 0,4 кВ – до 100 отключений в год на 100 км. Причинами повреждений на ВЛ напряжением 6 – 20 кВ являются:

• изношенность конструкций и материалов при эксплуатации – 18%;
• климатические воздействия (ветер, гололед и их сочетание) выше расчетных значений – 19%;
• грозовые перенапряжения – 13%;
• несоблюдение требований эксплуатации, ошибки персонала – 6%;
• посторонние, несанкционированные воздействия – 16%;
• невыясненные причины повреждений – 28%.

Кабельные линии в классах напряжения 0,4 – 110 (220) кВ в основном повреждаются по следующим причинам:

• дефекты прокладки – 20%;
• естественное старение силовых кабелей – 31%;
• механические повреждения – 30%;
• заводские дефекты – 10%;
• коррозия – 9%.

Среднее значение потерь электрической энергии в сетях напряжением 0,4 – 110 (220) кВ по данным ПАО «Россети» в последние годы составляет примерно 8,4%. На долю потерь электрической энергии при её передаче по сетям приходится примерно 78% от общей величины потерь в электрических сетях России, включая сети электросетевого комплекса (ЭСК), в том числе:

• в сетях ВН – 25,4%
• в сетях СН1 – 5,5%
• в сетях СН2 – 24,6%
• в сетях НН – 22,6%

В распределительных электрических сетях потери электроэнергии, не зависящие от нагрузки или «условно-постоянные» потери, составляют 23%. При этом в структуре потерь независящих от нагрузки, на потери холостого хода в трансформаторах приходится 67%, на собственные нужды подстанций – 11%, а прочие потери суммарно составляют 22%. «Нагрузочные» потери составляют 74% от общего значения потерь. В составе «нагрузочных» потерь 86% составляют потери в линиях электропередачи, а 14% — в трансформаторах.

Отметим, что местные и распределительные сети могут различаться по характеру подключаемых к ним потребителей. Определенную специфику имеют сети, осуществляющие электроснабжение промышленных предприятий, городов и сельскохозяйственных районов и называемые соответственно промышленными, городскими и сельскими. Так, сельские электрические сети характеризуются значительной протяженностью. Они охватывают территории со сравнительно невысокой плотностью нагрузки, годовое число часов использования максимума которой также относительно невелико. Напротив, чисто промышленные сети, будучи относительно короткими, снабжают территории с большой плотностью нагрузки с плотно заполненным графиком нагрузки промышленных предприятий. Условно промежуточное положение занимают в этом плане городские сети. Сочетание коммунально-бытовых и промышленных потребителей на городских территориях обусловливает значительную неравномерность графиков нагрузок узлов городской сети. Эта неравномерность в ряде случаев (когда основными источниками питания города являются ТЭЦ, работающие по тепловому графику) вызывает необходимость привлечения дополнительных маневренных мощностей, позволяющих системе своевременно и быстро реагировать на резкие спады и подъемы нагрузки.

В соответствии с родом тока различают сети переменного и постоянного тока. Отметим, что в России сети трехфазного переменного тока напряжением 110 кВ и выше выполняются с глухим заземлением нейтрали, а сети более низких напряжений — с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью.

Сети постоянного тока используются для обеспечения некоторых электротехнологических процессов в промышленности, например, в электролизных цехах алюминиевых заводов. На постоянном токе осуществляется электропривод ряда механизмов и частично электрификация транспорта. Протяженные электропередачи постоянного тока используются чаще всего в качестве межсистемных связей.

По конфигурации различают разомкнутые и замкнутые сети. К разомкнутым относятся сети, образованные радиальными или радиально- магистральными линиями, осуществляющие электроснабжение потребителей от одного источника питания, причем каждый потребитель получает питание с одного направления. К числу замкнутых относятся сети, которые обеспечивают питание потребителей не менее чем с двух сторон. Наиболее простой формой замкнутой сети является одноконтурная (кольцевая) сеть. Питающие сети, как правило, являются сложно-замкнутыми, т.е. имеют большое число контуров.

По отношению к помещению иногда различают внутренние и наружные сети, например, сети наружного освещения. И, наконец, по конструктивному выполнению сети делятся на внутренние проводки (до 1 кВ), кабельные (до 500 кВ) и воздушные (до 750 — 1150 кВ) сети. Внутренние сети промышленных предприятий иногда частично выполняются закрытыми комплектными токопроводами (шинопроводами), прокладываемыми вдоль колонн и стен цехов по строительным конструкциям на высоте, допустимой по условиям производства. Кабельные сети напряжением 6 — 20 кВ в настоящее время являются основой городских и промышленных распределительных сетей. Воздушные сети характерны для электроснабжения сельских потребителей, а также для районных и системообразующих сетей.