Новости Электротехники №2(68), НАДЕЖНОСТЬ ГОРОДСКИХ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Важнейшая задача каждой электросетевой компании – повышение надежности работы электрической сети, что напрямую влияет на экономические показатели предприятия. Для решения этой задачи выбирают наиболее совершенное электрооборудование, современные материалы и эффективные технологии, оптимальные в данных условиях формы оперативного обслуживания сети.
Сергей Сергеевич Миловидов и Дмитрий Евгеньевич Павликов в своем материале отмечают, что надежное электроснабжение потребителей зависит не только от качества и надежности применяемого оборудования и материалов. Большое значение имеют и схемные решения построения электрической сети.

НАДЕЖНОСТЬ ГОРОДСКИХ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Выбор рациональных схемных решений

Сергей Миловидов,
главный инженер проектов

ГП «Сибгипрокоммунэнерго»,
г. Новосибирск

Очевидно, что отказ электротехнического оборудования приводит к нарушению электроснабжения потребителей, в результате чего электросетевая компания недополучит определенную сумму оплаты за транспорт электроэнергии. Минимизировать потери можно лишь одним путем – в кратчайшие сроки возобновить электроснабжение потребителей. Для этого необходимо принять меры по определению поврежденного элемента и вводу его в работу.

Если же повреждена кабельная линия (КЛ), то ремонт ее может занять несколько дней и более. Особенно этот факт критичен для районов с продолжительной и холодной зимой. Электроприемники 3-й категории будут все это время отключены, а для электроприемников 1 и 2 категорий будет нарушена нормальная схема электроснабжения – потеряно одно из двух независимых питаний. При отключении второго источника питания по любой причине (износ оборудования, стихийное бедствие или воздействие посторонних лиц, например, по-вредивших другую КЛ при производстве земляных работ, что далеко не редкость) эти потребители будут обесточены с вытекающими негативными последствиями.

Следовательно, схема электрической сети должна обеспечивать резервирование каждого элемента этой сети. Тогда, определив и выведя из работы поврежденный элемент, можно подать напряжение потребителям, сохранить нормальную схему электроснабжения потребителей 1 и 2 категорий и далее заниматься восстановительными работами.

Задача построения резервируемых схем электроснабжения наиболее злободневна для предприятий, эксплуатирующих кабельные электрические сети 6–10 кВ в средних и крупных городах, где основными по надежности электроснабжения являются потребители 1 и 2 категорий. Ситуация усугубляется еще и увеличением доли потребителей 1 категории в городах с многоэтажной застройкой (например, лифтовые установки), а также с изменением требований нормативных документов. Так, Правила пожарной безопасности относят системы пожарной сигнализации, дымоудаления и насосы пожарного водоснабжения в ряде случаев к электроприемникам 1 категории.

ВЫБОР СХЕМ ПОСТРОЕНИЯ СЕТИ

Он определяется необходимостью обеспечения той или иной степени надежности электроснабжения потребителей. Потребители 1 и 2 категорий в нормальных режимах должны, согласно главе 1.2 ПУЭ, обеспечиваться питанием от двух независимых взаиморезервирующих источников. Для электроснабжения таких потребителей нормативные документы рекомендуют в качестве основных схем двухлучевые (1 и 2 категории) и петлевые (2 категория).

При этом схемы городских электрических сетей могут строиться как однозвеньевыми без применения распределительных пунктов (РП), так и двухзвеньевыми (питание распределительной сети 6–10 кВ через шины РП).

Однозвеньевые схемы применимы в основном в малых, средних и частично в больших городах (до 250 тыс. чел.) в ненагруженных районах при мощностях трансформаторов на центрах питания до 16–25 МВА.

Двухзвеньевые схемы должны, как правило, использоваться в крупных и крупнейших городах в районах плотной и высокоплотной застройки вследствие стесненных условий и соответственно значительных затруднений с организацией выходов линий 6–10 кВ от центров питания.

Структуру схемы кабельных сетей 6–10 кВ средних и крупных городов можно представить следующим образом:

  1. В некоей части города расположен РП, имеющий, как правило, 2 секции шин.
  2. Секции РП в нормальном режиме работают раздельно и получают электроэнергию по отдельным КЛ от независимых источников, например от подстанций 110–220 кВ, назовем эти КЛ питающими (ПКЛ).
  3. От РП сооружается кабельная сеть, назовем ее распределительной сетью (РС), а КЛ в этой сети – распределительными КЛ (РКЛ). В эту сеть включены трансформаторные подстанции (ТП), как правило, в двухтрансформаторном исполнении с раздельной работой каждой секции шин в нормальном режиме. Причем разные секции ТП должны быть подключены к независимым источникам электроэнергии через разные секции РП.
  4. К электроприемникам 1 и 2 категорий от разных секций ТП проложены КЛ 0,4 кВ.

Обратим внимание на некоторые особенности этой схемы и представим свои рассуждения и предложения.

Именно преобладанием потребителей 1 и 2 категорий в средних и крупных городах объясняется требование о раздельной работе секций шин РП и ТП и питании их от независимых источников.

Но можно ли считать независимыми источниками разные секции шин подстанции, например 110 кВ, подключенной к сети 110 кВ по двухцепной воздушной ЛЭП? Конечно, нет. Ведь при повреждении опоры, грозовых воздействиях и других факторах могут отключиться обе цепи и «погаснут» обе секции подстанции.

В таких случаях секции РП должны быть подключены от разных подстанций. Но при этом необходим правильный выбор секций подстанций, к которым подключаются секции одного РП, чтобы не произошло «погашение» РП полностью при отключении цепи высшего напряжения, к которой подключены эти секции. В целях повышения надежности питания РП 6–10 кВ с присоединенной концентрированной (крупной) нагрузкой промышленного потребителя, крупной нагрузкой особо ответственных потребителей (уникальные здания и сооружения, крупные административные комплексы, здания центральных правительственных учреждений, особо важные объекты гражданской обороны, крупные категорированные насосные станции инженерного обеспечения города) могут выполняться поперечные связи между РП (прокладка кабелей, резервирующих секции РП в послеаварийном режиме).

Какова максимальная мощность подключаемых к РП электроприемников? Ответ на этот вопрос зависит от множества факторов, связанных с местными условиями, но некоторые моменты представляются общими:

  • Безусловно, при определении количества и мест расположения РП следует руководствоваться требован ием оптимизации протяженности распределительной сети 6–10 кВ для соблюдения требований ГОСТ по качеству электрической энергии. Объективным показателем для решения этой задачи является удельная плотность электрических нагрузок на единицу площади застройки. Поэтому в разных городах максимальная подключаемая к РП мощность может существенно отличаться (в определенных условиях РП могут и вовсе не понадобиться).
  • На наш взгляд, в ряде случаев лучше иметь больше РП меньшей мощности, то есть общую нагрузку распределить между большим количеством РП. Такой подход снижает риски предприятия электрических сетей при «погашении» РП и обеспечивает большую энергетическую устойчивость населенного пункта. Но всё, естественно, должно быть в разумных пределах и на основе технико-экономических расчетов.
  • В настоящее время получило широкое распространение выполнение ПКЛ одножильными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена, для которых характерным является широкий диапазон сечения токопроводящих жил. Практический опыт ряда электросетевых предприятий показал, что применение этих кабелей с сечением жилы более 500 мм2 вызывает определенные трудности. Конструктивно кабель очень жесткий, и его монтаж (при сечении жилы выше 500 мм2) затруднен при его заводке в ячейки электроустановок РП и подстанций (особенно действующих) без риска повреждения изоляции и защитного покрова кабеля. Таким образом, максимальную пропускную способность ПКЛ (напряжение сети 10 кВ), как правило, следует ограничить величиной порядка 10 МВт (для сечения алюминиевой жилы 500 мм2 при условии прокладки в земле).
    Электросетевые предприятия на каждом этапе развития электрических сетей решали вопросы построения схем РС, подключаемых к РП, по-разному, исходя из существовавших в каждом временном периоде требований.
    В настоящее время в каждой электрической сети существует набор различных схем РС, часть которых не соответствует требованиям электроснабжения потребителей 1 и 2 категорий.

ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ВАРИАНТ СХЕМЫ

На основе анализа существующих схем РС и опыта эксплуатации сетей, построенных по разным схемам, мы хотим предложить вариант, который считаем наиболее рациональным для рассматриваемой сети.

При обычной двухлучевой схеме (рис. 1) разные секции каждой двухтрансформаторной ТП включены в разные лучи, каждый из которых присоединен к разным секциям РП. В нормальном режиме лучи и секции каждой ТП работают раздельно и подключены к независимым источникам, если питающая сеть выполнена, как указано выше. В данной схеме полностью реализовано требование по резервированию каждого элемента сети. Причем число поврежденных элементов в такой схеме может быть и неравным одному. Недостаток такой схемы – при одновременном повреждении головных КЛ в каждом луче все потребители окажутся обесточенными.

Рис. 1. Принципиальная схема построения распределительной сети 10 кВ – двухлучевая

Реальность такова, что в последние годы электрические нагрузки жилой застройки в городах стабильно растут в среднем на 2–3% в год. Возможна ситуация, когда конкретный участок сети не сможет пропускать требуемую мощность. Двухлучевая схема имеет возможность развития: достаточно проложить две дополнительные КЛ к ближайшей ТП (подключенной также по двухлучевой схеме) и выполнить разрывы в каждом луче. При этом будет ликвидирован и указанный выше недостаток – схема становится гораздо надежней.

Двухлучевая встречная схема

В случае присоединения «концов» лучей к разным секциям другого РП получим возможность взаимного резервирования части нагрузок этих РП. Если же подобные связи организовать между территориально расположенными рядом РП, подключенными от разных независимых источников, то можно резервировать не только нагрузки РП, но и нагрузки этих источников (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема построения распределительной сети 10 кВ – встречная двухлучевая

Описанную схему можно назвать двухлучевой встречной. Однако при этом стоит отметить, что, реализуя эту идею построения схем РС, необходимо тщательно оценить требуемую пропускную способность КЛ для различных режимов работы сети.

Этот принцип построения РС реализуем в основном при строительстве новых участков электрических сетей.

Как же быть с уже существующими, столь разными схемами электрических сетей, как обеспечить в такой ситуации требования электроснабжения потребителей 1 и 2 категорий?

Оказывается, это возможно с использованием аналогичного принципа (что и для новой сети), то есть путем организации сетевых поперечных связей между схемами рядом расположенных РП. Назовем условно эти связи поперечными.

Для приведения существующих схем в соответствие с со-временными требованиями, в ряде случаев данного мероприятия может оказаться недостаточно – придется сооружать новые РКЛ для обеспечения питания секций каждого РП от независимых источников. Тем не менее такие мероприятия несравненно дешевле и реализуются гораздо быстрее, чем строительство новых сетей.

Нелишним будет еще раз подчеркнуть необходимость проверки пропускной способности РКЛ для различных режимов работы сети, а поскольку речь идет о существующей сети, то проверку необходимо проводить с учетом срока службы КЛ.

Возможно, какие-нибудь предприятия уже столкнулись с проблемой сверхнормативной перегрузки оборудования и ЛЭП в отдельных режимах работы сети. Построение схем кабельной сети по указанным принципам позволяет получить единую сеть 6–10 кВ, питание которой осуществляется от нескольких источников. Следовательно, обеспечивается резервирование нагрузки этих источников и возникает возможность маневра потоками мощностей между ними для решения многих ранее неразрешимых проблем, связанных с загрузкой оборудования.

Заключение

Стоит отметить, что все указанные мероприятия по по-строению и модернизации схем электрической сети в той или иной степени реализованы на отдельных участках сети г. Новосибирска. Таким образом, эффективность этих мероприятий подтверждена опытом эксплуатации.

Некоторые специалисты высказывают мнение о том, что повысить надежность электроснабжения потребителей можно переводом сетей с напряжения 6–10 кВ на 20 кВ.

Можем ответить следующее: надежность электроснабжения не зависит от напряжения (6, 10 или 20 кВ). Напряжение сети сказывается на уровне потерь электроэнергии и на величине сечений кабелей (проводов). Собственно, просто перевод сетей 6–10 кВ на напряжение 20 кВ невозможен (кабельные и воздушные линии 20 кВ требуют совершенно другого уровня изоляции в отличие от линий 6–10 кВ, равно как и трансформаторы с ВН 20 кВ – невозможно переключение обмоток действующих трансформаторов 6–10/0,4 кВ).

Речь может идти только о создании новой сети 20 кВ (например, в районах нового локального строительства с существенными нагрузками, либо в пригородных районах с протяженными воздушными ЛЭП), а для этого необходимо принять совместное политическое решение электросетевой организации и властных городских структур, как это было сделано в Москве.