Проблемы качества электроэнергии и способы их решения

Электричество прочно вошло в жизнь человека и стало социально значимым ресурсом. Без него общество не в состоянии полноценно существовать. Свидетельство тому – аварии на энергетических объектах, блэкауты, имевшие серьезные, а иногда и катастрофические последствия.

Потребление электроэнергии мелкими частными потребителями неуклонно растет, причем расширяется географическая рассредоточенность этих потребителей. Растет и количество мощных электроприемников. В результате существующие распределительные сети, рассчитанные на эксплуатацию в течение десятков лет, всё более заметно отстают по своей пропускной способности от потребностей абонентов.

Потребитель в первую очередь реагирует на отключение электроснабжения, а во вторую – на падение напряжения. Падение напряжение регулируется европейским стандартом EN 50160 или местными нормативами, но всегда в диапазоне Uном ± 10%. Уровень напряжения изменяется в соответствии с уровнем нагрузки у потребителя. Падение напряжения в линии вычисляется по формуле:

,

где R, X – активное и реактивное сопротивление линии.

Потребитель фиксирует эти проблемы исключительно визуально: низкий уровень напряжения снижает производительность электроприемников (вода в чайнике закипает медленнее, свет ламп становится тусклым, двигатели не запускаются и т.д.). В этом случае он может (и сейчас это происходит всё чаще) потребовать от поставщика электроэнергии (сетевой организации) предоставления качественной услуги.

Если проблема падения напряжения носит постоянный характер, а также ожидается увеличение числа потребителей и соответственно электроприемников, то потребуется реконструкция сети с последующим увеличением передаваемой мощности. Важным фактором при этом становится время. Процедуры выделения средств для финансирования работ, проектирования, согласования и строительства могут растянуться не на один месяц.

ВАРИАНТ ПРОМЕЖУТОЧНОГО РЕШЕНИЯ

Временным решением для нормализации напряжения может быть использование бустера (рис. 1). Его установка не требует больших финансовых и временных затрат, дополнительных согласований и проектных решений. Подключив бустер в разрыв сети в точке падения напряжения, можно быстро решить проблему и выиграть время на планирование инвестиций, проектирование и реконструкцию линейного объекта. После перевода питания на реконструированную сеть бустер может стать мобильным элементом для решения проблем падения напряжения на других объектах.

Рис. 1. Бустер (вольтодобавочный трансформатор)

 

В конструкции бустера Ensto Voltage Booster используется автотрансформатор (рис. 2). Для пошагового регулирования напряжения служат повышающие ступени обмоток трансформатора. Трансформатор выполнен по сухой технологии, что делает его легче и компактнее обычного масляного. Первичный ток повышается в соответствии с уровнем напряжения.

Рис. 2. Принцип действия бустера

N1 – общая обмотка автотрансформатора,
N2 – последовательная обмотка автотранс­форматора

Каждая фаза представляет собой отдельный автотрансформатор. Напряжение в каждой фазе измеряется и регулируется отдельной электронной схемой и имеет отдельную коммутационную систему. Электронный исполнительный (коммутационный) механизм бустера имеет три ступени подключения (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема бустера

В связи с применением электроники быстродействие может быть установлено в пределах от 40 до 1000 мс. Так как коммутационный механизм построен на полупроводниках, в нем нет механических элементов, поэтому отсутствует дребезг контактов и механический износ.

В системе реализован байпас, который включается, как только теряется необходимость в повышении напряжения. Кроме того, переключение в режим байпаса происходит в случае выхода уровня напряжения из зоны регулирования. При повреждении бустера система переходит в режим байпаса, что позволяет не отключать потребителя от напряжения в этом случае.

Ступени повышения напряжения (рис. 4): 20% при Uвx= = 172…198 В; 13,3% при Uвx = 198…209 В; 6,7% при Uвx = = 209…222 В. При Uвx > 222 В включается байпас.

Рис. 4. Пошаговое регулирование бустера

Бустер сконструирован для установки на одной опоре (его максимальный вес 170 кг). Аппарат подразумевает простое подсоединение в разрыв линии электропередачи, как кабельной, так и воздушной. Возможна установка на переходе между кабельной и воздушной линиями. Аппарат не требует наладки и калибровки. Переходные кабели, зажимы и защитные элементы входят в комплект поставки.

ВАРИАНТ ПЛАНОВОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ

После запуска бустера в работу проблема падения напряжения решена и появляется возможность заняться плановой реконструкцией.

Преимущества реконструкции сети с использованием защищенных проводов при переносе ТП в новый узел потребления несомненны. Но в условиях, когда подлежащая реконструкции линия низкого напряжения располагается в стесненных условиях и нет возможности установить новые опоры, приходится учитывать следующие моменты:

  • линия построена в населенном пункте;
  • расстояние между опорами в среднем 20–30 м, так как благодаря этому легко организовывать абонентские ответвления к потребителям, располагающимся на небольшом расстоянии друг от друга;
  • опоры, растояние между которыми 20–30 м, несут механическую нагрузку как минимум в два раза меньшую, чем могли бы;
  • по тем же опорам возможен монтаж цепи, соизмеримой по механическим нагрузкам с линией низкого напряжения;
  • ТП необходимо перенести на небольшое расстояние – от 500 до 2000 м.

В этом случае применение для реконструкции линии универсального кабеля типа EXCEL – наиболее приемлемый вариант, так как разработчики кабеля приняли за основу как раз перечисленные выше исходные данные.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ

Универсальный кабель выпускается с маркировками EXCEL 3×10/10 или FXCEL 3×16/10 на классы напряжения 10 или 20 кВ. Кабель имеет трехфазную конструкцию (рис. 5) с жилами из меди сечением 10 или 16 мм2. Каждая фаза имеет легко снимаемый электропроводящий экран по изоляции, что позволяет не пользоваться специальным инструментом для его снятия при монтаже муфт. Экран кабеля выполнен из медной сетки вокруг всех трех фаз. Поверх экрана располагаются герметизирующие ленты и наконец прочная полиэтиленовая оболочка, стойкая к механическим повреждениям, солнечной радиации и другим воздействиям окружающей среды.

Рис. 5. Универсальный кабель EXCEL. Схема переноса механической силы тяжения с поверхности кабеля на жилы

Допустимый ток по жиле кабеля – 71 А для сечения 10 мм2 (85 А для 16 мм2) при прокладке по воздуху.

Длительно допустимые перегрузки – до 96 А для 10 мм2 (105 А для 16 мм2) при прокладке в земле.

Ток КЗ по жиле – 2,0 кА для 10 мм2 (3,0 кА для 16 мм2).

Ток КЗ по экрану – 2,0 кА, сопротивление жилы 1,83 Ом/км для сечения 10 мм2(1,15 Ом/км для 16 мм2). Высокий уровень токовых характеристик говорит о том, что можно передать достаточно большую мощность – от 0,5 МВА при 10 кВ и 10 мм2 до 2 МВА при 20 кВ и 16 мм2.

Следует обратить внимание на то, что такое решение предлагается только для случаев переноса ТП или строительства ответвлений среднего класса напряжения на небольшие расстояния. При передаче такой большой мощности, на уровень напряжения будет влиять сопротивление жилы, поэтому при максимально допустимом напряжении в начале линии потери напряжения будут ощущаться на расстоянии 2–2,5 км. В начале линии, конечно, максимального напряжения не получить, особенно при переносе ТП. Но такой кабель – удачное решение для переноса ТП на небольшие расстояния в стесненных условиях.

ПАРАМЕТРЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО КАБЕЛЯ

Минимальный диаметр кабеля для 10 мм2 и 10 кВ составляет 29 мм, вес – 830 кг/км; максимальный диаметр кабеля для 16 мм2 и 20 кВ составляет 43 мм, вес – 1400 кг/км. Для сравнения, низковольтный СИП имеет примерно следующие габариты:

Сечение СИП-2, мм2 Диаметр, мм Вес, кг/км
3 × 35 + 50 30 614
3 × 50 + 70 35 842
3 × 95 + 95 44 1423

Следовательно, универсальный кабель EXCEL сопоставим по массогабаритным параметрам с СИП на напряжение до 1 кВ.

Учитывая минимум двукратную механическую недогруженность существующих линий, дополнительное размещение универсального кабеля не снизит их устойчивость. Это позволит использовать при прокладке существующие опоры и соответственно избежать процедуры согласования их установки на новых местах.

Несущая способность кабеля сконцентрирована в жилах (рис. 5). В этом случае применяются анкерные зажимы спирального типа (рис. 6) с распределенной нагрузкой по оболочке кабеля, а в промежуточном подвесе применяется зажим, охватывающий весь кабель (рис. 7).

Рис. 6. Анкерный зажим

Рис. 7. Поддерживающий зажим

Для проектирования применяются следующие механические параметры:

  • максимально допустимое усилие тяжения при расчете – 8,1 кН;
  • среднее ударное разрывное усилие тяжения кабеля >20 кН;
  • среднее длительное разрывное усилие тяжения кабеля >15 кН.

Универсальный кабель данного типа уже десятки лет активно применяется в Скандинавских странах и странах Восточной Европы. В странах СНГ опыта его применения пока нет, но такая конструкция может иметь достаточно широкую область применения, в том числе как один из способов повышения качества электроэнергии.

Дмитрий Шаманов, директор по продажам СНГ подразделения «Комплектующие Ensto для линий электропередачи»,
ООО «Энсто Рус»

Источник: Новости электротехники