Проблемы и пути решения нормализации и стабилизации напряжения в электрических сетях России
Научный руководитель КЭУ,
член-корр. РАН, профессор
Е.В. Аметистов
Прежде, чем начать говорить о серьезных проблемах и сегодняшних задачах, стоящих перед электроэнергетикой, позволю себе остановиться на нескольких общеизвестных специалистам моментах.
Передача электрической энергии от генераторов к потребителям является сложным физическим процессом многократного преобразования энергии и требует наличия в процессе этого преобразования различных форм поддержания электрических и магнитных полей.
Полная мощность, вырабатываемая электрогенератором, складывается из двух составляющих: активной и реактивной, и это объективная реальность. Но их соотношение в сетях переменного тока зависит от огромного числа факторов и их влияние на работу энергосистемы определяется чрезвычайно сложными процессами.
Не вдаваясь в тонкости теоретических основ электротехники, скажу просто, что потребитель платит за полную мощность, а реальную работу «выполняет» только ее активная составляющая. Условно можно также сказать, что активная мощность «отвечает» за частоту, а реактивная - за напряжение.
Чем меньше реактивная составляющая, тем меньше требуется величина подводимой к электроприемнику полной мощности.
Повышение потребления реактивной мощности электроприемниками приводит к увеличению потерь активной мощности и перерасходу электроэнергии.
С другой стороны, возникновение дефицита реактивной мощности в узлах нагрузки приводит к снижению напряжения в сети и снижению запаса статической устойчивости нагрузки по напряжению.
Выработка реактивной мощности не требует непосредственного расхода энергии, но для ее передачи по сети требуются дополнительные затраты на производство энергии, необходимой для покрытия потерь. Кроме того, передача реактивной мощности от генераторов к потребителям вызывает дополнительную загрузку элементов электрической сети, приводящую к снижению их пропускной способности. В связи с этим, увеличение выдачи реактивной мощности генераторами с целью доставки ее потребителю нецелесообразно.
Большая протяженность электроэнергетических сетей России, их переменные графики нагрузки обуславливают значительные возрастания напряжения относительно номинального значения в режиме минимальных нагрузок - из-за избытка реактивной мощности, генерируемой линиями электропередачи. В связи с этим имеют место значительные потери мощности, вынужденные коммутации оборудования и старение его изоляции.
Уменьшение потерь активной электроэнергии, обусловленных перетоками реактивных мощностей, является реальной эксплуатационной технологией энергосбережения в электрических сетях и технологией повышения эффективности использования электроэнергии (мощности) у потребителей.
Для повышения эффективности работы электрических сетей необходимо решить проблему компенсации реактивной мощности. Выбор и размещение устройств компенсации реактивной мощности в электрических сетях производятся исходя из необходимости обеспечения требуемой пропускной способности сети в нормальных и послеаварийных режимах при поддержании необходимых уровней напряжения и запасов устойчивости нагрузки потребителей.
Недостаточная степень компенсации реактивной мощности приводит к возрастанию величины реактивной составляющей в перетоках мощности, и, как следствие, к снижению напряжения и устойчивости энергосистем. Это подтвердил анализ крупных аварий, имевших место в последнее время и который показал, что главной причиной их возникновения является низкая обеспеченность энергосистем устройствами компенсации реактивной мощности. Если бы реактивная мощность у потребителей Московской энергосистемы была скомпенсирована, известной майской аварии 2005 года (авария в Чагино) могло бы и не быть.
В связи с этим вопрос компенсации реактивной мощности в электрических сетях перешел в разряд ключевых аспектов обеспечения надежности функционирования энергосистем.
Таким образом, решение проблемы компенсации реактивной мощности позволяет решать проблемы нормализации и стабилизация напряжения в электрических сетях, что, в свою очередь, является одной из основных задач, стоящих сегодня перед российской электроэнергетикой. Нестабильность напряжения сети – это не только ограничение пропускной способности, повышенные потери, ускоренный износ коммутирующего оборудования. Это прямая и явная угроза развития системных аварий и «блэк-аутов» от частичных аварийных случаев.
Без ее решения бессмысленно говорить, например, о широком использовании систем энергосберегающего освещения, весьма чувствительных к колебаниям напряжения, создания «умных» домов и т.п.
Вопросам стабилизации напряжения электрической сети высокого напряжения в России путем компенсации реактивной мощности было посвящено специальное совместное заседание Президиума Научно-технической коллегии НП «НТС ЕЭС» и Научного совета РАН по проблемам надежности и безопасности больших систем энергетики, которое проходило в Москве 25 ноября 2010 года.
Действительно, как показал анализ, значительная часть подстанций высоковольтной сети России 110-500кВ работают с разбросом текущих значений напряжений в нормальных режимах, достигающим ± 15%UH.
По данным, взятым из «Концепции системы регулирования напряжения», утверждённой приказом ОАО "ФСК ЕЭС" № 62 от 14.03.2008, подобное превышение отклонений напряжения против нормативных требований имеет место на более чем 40 % всех подстанций 110-220 кВ (стр. 21), что вызывает соответствующие нарушения требований ГОСТа 13109-97 на шинах потребителя (± 5% UH).
Исследования ряда авторитетных организаций (МЭИ, НИИПТ, ООО «ЭСКО»), проведённые более чем на 400 подстанциях 110-500 кВ электрических сетей РФ и СНГ, показали, что зачастую разброс напряжений в ± 15% имеет место в пределах одного класса напряжения в одно и то же время. В часы максимума напряжения завышены сверх нормы на подстанциях, выпол¬няющих функцию центров питания, и занижены на подстанциях с функцией узлов нагру¬зок. В часы минимальных нагрузок напряжения на многих подстанциях сетей высоких и сверхвысоких напряжений приближаются к предельно допустимым значениям (или превышают их). Причём за более чем пятилетний период проводимых исследований выявлена устойчивая тенденция к ухудшению ситуации.
Эффективным и хорошо известным способом решения проблемы нормализации и стабилизации напряжения являются управляемые индуктивно-ёмкостные устройства различных типов (устройства FACTS) с широкой номенклатурой, освоенной мировой и отечественной промышленностью.
В мире налажено производство следующих типов этих устройств:
• нерегулируемые индуктивные (реакторы) и ёмкостные (батареи статических конденсаторов);
• дискретно регулируемые индуктивно-ёмкостные (группы реакторов и (или) батарей конденсаторов);
• плавно регулируемые индуктивно-ёмкостные (электромашинные, полупроводнико¬вые, магнитно-полупроводниковые и прочее).
Доказано и подтверждено на практике, что устройства управления индуктивно - ёмкостными параметрами сети позволяют решить проблему стабильности напряжения любой современной сети 110-500 кВ и ликвидировать предпосылки развития системных аварий по условиям статической устойчивости. Более того, оснащение сети подобными устройствами в пределах технически целесообразного уровня позволяют автоматически стабилизировать напряжения в пределах 1-2% от заданной уставки не только в нормальных, но и ремонтных, пусковых и послеава-рийных режимах.
Однако практически во всех высоковольтных сетях 110-500 кВ наблюдается дефицит этих устройств. И этот дефицит из года в год нарастает. В итоге диапазон регулирования напряжения высоковольтной сети в предельно допустимых режимах (± 15%UH) ИЗ технологического ресурса вырождается в технологический допуск, позволяющий эксплуатировать электрическую сеть в неэффективных и не надёжных режимах.
Во всех нашумевших системных авариях последних десятилетий в РФ и за рубежом дефицит управляемых устройств индуктивно-ёмкостного типа в явном виде способствовал увеличению их объёма и осложнению послеаварийных режимов. Кроме того, уже сейчас в ряде важнейших регионов России, Казахстана и других стран СНГ наступил дефицит электроэнергии не из-за недостатка генерирующих мощностей, а из-за проблемы ее транзита от генерации к потребителю.
Таким образом, следует признать, что существующая концепция регулирования напряжения высоковольтной сети себя исчерпала и не отвечает современным условиям, как в РФ, так и за рубежом. Необходимо либо менять ГОСТ, либо совершенствовать концепцию.
Одним из возможных путей выхода из сложившейся ситуации является измене¬ние приоритетов существующих средств и методов регулирования напряжения с кардинальнымусилением роли управляемых индуктивно-ёмкостных устройств.
Только экономических методов для реализации подобной концепции явно не достаточно. Потребуется усиление роли государства через пересмотр технических регламентов, в том числе, гарантирующих обеспечение нормативных показателей за счёт дооснащения сети устройствами индуктивно-ёмкостного типа до технически целесообразного уровня.
Усиление роли и приоритета управляемых индуктивно-ёмкостных устройств в схемах регулирования напряжения потребует дополнительных капиталовложений. Однако, достигаемые результаты того стоят.
Технико-экономические анализы показывают, что наиболее эффективным способом компенсации реактивной мощности, поддержания необходимого уровня напряжения и снижения потерь является применение управляемых шунтирующих реакторов (УШР), а также УШР в комплексе с конденсаторными батареями, позволяющих создавать гибкие передачи переменного тока большой протяженности с улучшенными экономическими характеристиками и повышенной пропускной способностью.
Установка в сетях этих сравнительно простых и достаточно недорогих электроэнергетических устройств приводит, прежде всего, к уменьшению в распределительных сетях балластных потоков реактивной мощности за счет ее компенсации у потребителя или на конечных подстанциях электросетевых компаний.
В итоге, их установка:
1) приведет к снижению в электрических сетях потерь активной мощности, вызванных потоками реактивной мощности;
2) позволит, при наличии в энергоузлах тех же объемов активной мощности и той же пропускной способности сетей, снабжать дополнительных потребителей. А это фактически обеспечивает в определенной степени прирост потребления активной мощности без увеличения ее выработки в узле (регионе) или без увеличения ее перетока из других энергосистем;
3) это позволит самому потребителю прирастить свои производственные мощности без увеличения потребления из сети;
4) улучшит технико-экономическую эффективность систем электроснабжения как электросетевых компаний, так и самих потребителей;
5) повысит устойчивость электроэнергетических систем, систем электроснабжения и нагрузки потребителей при снижении и провалах напряжения в сети.
Уже сегодня отечественные управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы введены в эксплуатацию более чем в 10 межрегиональных сетях России, несколько реакторов в Литве, Казахстане и Белоруссии.
По оценке полученных результатов зарубежными и отечественными экспертами, широкомасштабное применение управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов может стать одним из приоритетных направлений технического перевооружения высоковольтной сети 1 10-500 кВ.
Общий суммарный эффект по сети в целом - это уменьшение потерь электроэнергии на 3-4% от ее выработки, повышение пропускной способности межсистемных связей на 30-50%, повышение качества электроэнергии до уровня международных стандартов.
Как видно уже из реализованных примеров, в сетях ряда МРСК, ФСК РФ, ОАО «KEGOC» и других энергосистем, в итоге достигается:
• автоматическая стабилизация напряжения сети 110-500 кВ в нормальных, ремонтных и послеаварийных режимах в пределах ± 5 % от номинального значения;
• исключение коммутационного оборудования из процессов регулирования напряже¬ния в нормальных режимах;
• повышение пропускной способности существующей сети до 1,5 раз;
• снижение удельных потерь до 20-30%.
В отдельных случаях срок окупаемости (с учётом повышения эффективности технологических процессов подключенного к электрической сети потребителя) составил менее одного года.
Одним из интересных подходов к решению проблемы компенсации реактивной мощности продемонстрировали электроэнергетики Татарстана.
Сегодня, в соответствии с решениями Правительства Республики Татарстан, руководство «Татэнерго» приступило к реализации инвестиционного проекта «Создание системы по управлению реактивной мощностью в Республике Татарстан», который планируется осуществить в течение 2011-2015 гг. В Казанском энергоузле Республики, с учетом повышения требований к его надежности и в связи с предстоящей в 2013 году Универсиадой, окончание работ намечено завершить не позднее 2012 года.
Создание системы по управлению реактивной мощностью на основе, так называемых, FACTS-технологий осуществляется в рамках Республиканской целевой программы «Энергоресурсоэффективность в Республике Татарстан на 2006-2012 годы».
Для реализации этого проекта, над руководством Генерального директора «Татэнерго», создан и активно функционирует Специальный Комитет.
Экономический эффект от применения устройств FACTS носит системный характер и проявляется одновременно как у потребителя электроэнергии, так и в энергосистеме всей Республики Татарстан: на электростанциях и в электросетевом хозяйстве. Все три составные части его неразрывно связаны, поскольку являются результатом одних и тех же мероприятий.
Реализация этого масштабного проекта позволит:
1. Снизить потери мощности и электроэнергии в сетях, а также повысить качество электроэнергии у потребителей.
2. Повысить пропускную способность линий электропередач, что, в свою очередь, сократит объем электросетевого строительства за счет максимального использования пропускной способности существующих линий электропередач.
3. Повысить управляемость режимов работы Энергосистемы Республики Татарстан.
4. Повысить статическую и динамическую устойчивость синхронной работы генераторов.
Кроме того, установка компенсаторов обеспечит плавную стабилизацию заданных уровней напряжений, что позволяет, в свою очередь, предотвратить при авариях в сети лавину напряжения, либо существенно уменьшает объем отключения нагрузки.
Стоимость данного проекта оценивается порядка 2 млрд. рублей. Реализация мероприятий по стабилизации напряжений и компенсации реактивной мощности сети в системе Татэнерго (около 3,5 Гвар) позволит не менее чем в 1,3 раза (дополнительно 1 ГВт) повысить пропускную способность сети при одновременном снижении удельных потерь на 30%. Например, при стоимости высоковольтных компенсаторов реактивной мощности в размере до 1 500 млн. рублей, экономия составит около 2 000 млн. рублей, в связи с отказом от строительства новых линий электропередач, а в части строительства и модернизации подстанций еще около 1 000 млн. рублей.
Реализация этого проекта позволит, по сути, на 10-15% увеличить мощность генерирующих станций Татарстана и минимум на 10 лет забыть о наращивании генерирующих мощностей Республики.
Хотелось бы подчеркнуть, что компенсация реактивной мощности является одним из наиболее эффективных средств рационального использования электроэнергии. Причем, решение задач энергосбережения и энергоэффективности, сегодня наконец-то в полном объеме включена, причем на государственном уровне, в повестку дня развития российской энергетики и главное, российской экономики. На сегодня эти два понятия - энергосбережение и энергоэффективность, уже являются приоритетными направлениями развития науки, технологии и техники в России.
По оценкам некоторых экспертов масштабное внедрение энергосберегающих технологий и мероприятий позволит сэкономить в России от 30 до 40% генерирующих мощностей. Но для того, чтобы получить столь ощутимый эффект, необходимо внедрить в цепочку генератор электроэнергии - потребитель десятки тысяч энергосберегающих технологий и осуществить бесчисленное множество энергосберегающих мероприятий. Так вот, использование управляемых шунтирующих реакторов (УШР) для компенсации реактивной мощности, можно бесспорно отнести, к так сказать, прорывным по энергоэффективности технологиям в энергетике, внедрение которых могут дать, можно сказать, сиюминутно заметноощутимый экономический эффект.
Хотелось бы остановиться еще на одном, уже упоминавшемся аспекте: влиянии колебаний напряжения на электроосветительное оборудование.
В нормальных режимах работы энергосистемы напряжение на зажимах потребителей не должно превышать -/+ 5%. Такие жесткие требования к отклонению напряжения объясняются тем, что при снижении напряжения ниже допустимого, падает производительность оборудования потребителей, а при его повышении резко сокращается срок службы оборудования, в том числе, ламп накаливания, а также энергосберегающих люминесцентных и светодиодных ламп.
Согласно принятому в конце 2009 г. Закону «Об энергосбережении и о повышении энергоэффективности» (№261-ФЗ от 23.10.09), с 1 января 2010 г. в России прекращается выпуск и оборот ламп накаливания мощности 100 и более Вт, а к 2014 г. должно будет вообще прекращено производство подобных ламп любой мощности. Потребителю предлагается полностью перейти на, так называемые, энергосберегающие люминесцентные лампы, а в ближайшей перспективе на светодиодные источники света.
Однако, энергосберегающие лампы очень чувствительны к колебаниям напряжения в сети. Статистика срока их службы в России буквально удручающая: до 5 процентов перегоревших ламп в месяц, при теоретически гарантированном сроке службы 5-6 лет. Причем, их стоимость на российском рынке (в основном китайского производства) приблизительно в 10-15, а то и в 20 раз выше, чем ламп накаливания.
Колебания напряжения в российских электрических сетях иногда достигает даже в городах, 10-15 % (не говоря уже о сельской местности), что в принципе губительно для подобных ламп.
Люминесцентные лампы западного производства снабжены собственными устройствами стабилизирующими напряжение, однако, стоят же эти лампы почти вдвое дороже, чем китайские, т.е. уровень цен на такие лампы в принципе неприемлем для российского потребителя.
Аналогичная картина ожидается и при массовом использовании светодиодных ламп.
Подобная ситуация может привести к негативной реакции российских потребителей, т.е. населения нашей страны, вплоть до социального взрыва, и не думать об этом нельзя.
И единственным на сегодня решением этой проблемы также является стабилизация напряжения в сети.
И в заключение хотелось бы сказать следующее. Успешная деятельность Евразийского экономического Сообщества, особенно в последнее время, когда начал функционировать Таможенный Союз и проведены основные подготовительные работы по образованию с 1 января 2012 года единого экономического пространства (ЕЭП) делает реальным возрождение и совершенствование технологических процессов межгосударственного сотрудничества стран Сообщества.
Сотрудничество в области энергетики базируется на единой энергетической системе, сформировавшейся еще во времена СССР, общие черты которой сохранились и функционируют до сих пор. Однако, изменение политической картины, экономических условий взаимодействия стран Сообщества требует соответствующего усовершенствования и расширения ее технологических возможностей.
Объединение энергетических субъектов в единый технологический комплекс обеспечивает высоковольтная электрическая сеть стран Сообщества, без надежного и качественного функционирования которой, процессы интеграции и создание единого энергетического рынка трудноосуществимы.
