Основные проблемы и пути решения разработки защиты от коммутационных перенапряжений в современных электрических сетях



В связи с увеличением роста распределённой генерации на базе как возобновляемых, так и традиционных источников энергии [1], в крупных сетевых компаниях прогнозируется рост числа регулируемых источников реактивной мощности (ИРМ), включенных в распределительные электрические сети. Наличие управляемых ИРМ дает потенциал для повышения качества электроэнергии для конечного потребителя и снижения технических потерь в распределительных сетях среднего и низкого напряжения. Снижение потерь по прогнозам экспертов может достигать до 10 % от их текущего уровня. Беря во внимание отсутствие должной технической подготовки сетей, большое количество независимых источников может привести к уменьшению надежности сети и не оптимальности электрического режима с увеличением потерь, а также к технологическим проблемам, в виде обменных потоков реактивной мощности и низкочастотных колебаний напряжения.

Основная составляющая экономической эффективности реконфигурации сети — это уменьшение потерь, но с другой стороны сам процесс реконфигурации тоже приводит к затратам из-за дополнительного износа оборудования при переключениях. Для моделирования этих процессов требуется детальная информация о параметрах режима сети и процессах износа оборудования при переключениях.

Главной причиной реконфигурации сетей является увеличение передачи в направлении более загруженных частей сети по самому кратчайшему пути. Для осуществления таких переключений применяют секционные и вводные выключатели на подстанциях, а также реклоузеры, установленные в сети.

Поскольку обычно задача решается для распределительных сетей 6–10 кВ, то здесь накладывается ряд характерных особенностей, наиболее важными из которых является то, что распределительная сеть, являясь структурой многократно замкнутой, работает по разомкнутой схеме.

Схема такой сети имеет древовидную форму. Поиск оптимальной конфигурации такой сети заключается в выборе точек, в которых сеть будет размыкаться. Одним из возможных методов может являться расчёт режима сети при различных положениях разрезов и поиск варианта, при котором затраты будут минимальными.

Данный способ оптимизации режима сети требует расчёта после каждой реконфигурации. Расчёт режима сети затрудняется необходимостью расчета после каждого переноса разреза. Даже сети с небольшим количеством узлов имеют множество вариантов реконфигурации и расчёт режима для каждого из них требует большого количества затрат вычислительных ресурсов.

Безусловно при внедрении Smart Grid [2] в энергосистему России затраты вычислительных ресурсов будут являться значительной проблемой, которая как уже отмечалось энергосистема России порядком изношена и на уровне распределительных сетей имеет слаборазвитую систему телемеханизации, а в некоторых районах телемеханизация распределительных отсутствует полностью. Также значительным фактором, влияющим на переход к активно-адаптивным сетям [2], является воздействие коммутационных перенапряжений на сеть. Зачастую в работе остаются кабельные линии, заложенные в 70–80 годах. Постройка активно-адаптивной сети, в которой основополагающим фактором является постоянная реконфигурация, а как следствие систематическое воздействие коммутационных перенапряжений, без применения средств защиты изоляции невозможна.

На современном этапе становления систем электроснабжения России напряжением 6–10 кВ для промышленных предприятий и городов широко применяются элегазовые и вакуумные выключатели, тиристорные преобразователи, кабели из сшитого полиэтилена, преобразователи частоты.

Это приводит к появлению в распределительных сетях высших гармоник, а при коммутации нагрузки вакуумными и элегазовыми выключателями возникают коммутационные перенапряжения, величина которых может превышать номинальное напряжение сети в 5–7 раз.

Статистика эксплуатации электрооборудования в распределительных сетях 6–10 кВ показывает, что значительный объем аварийных отключений вызван пробоями изоляции по причине воздействия коммутационных перенапряжений и естественным старением изоляции. Опыт указывает на то, что порядка 50 % однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в распределительных сетях напряжением 6–10 кВ возникает по причине коммутационных перенапряжений.

Вопрос защиты изоляции высоковольтного электрооборудования от коммутационных перенапряжений становится все более актуальным с широким внедрением вакуумных и элегазовых выключателей. Эта проблема наиболее остро стоит для электрооборудования с пониженным уровнем прочности изоляции — трансформаторов, кабелей и электродвигателей, длительно находящихся в эксплуатации.

В период с 1975 г. по 2003 г. активно велись разработки средств ограничения коммутационных перенапряжений, таких как ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), RC ограничители и RC-гасители. Разработка средств защиты от коммутационных перенапряжений позволяет снять остроту проблемы коммутационных перенапряжений, так как снижает число пробоев изоляции кабельных линий и трансформаторов.

В связи с чем можно сделать вывод, что эффективного ограничения коммутационных перенапряжений можно достичь за счет комплексного подхода, с использованием методов прогнозирования и оценки коммутационных перенапряжений, как на стадии проектирования, так и во время эксплуатации распределительной сети, с применением устройств ограничения коммутационных перенапряжений и расчетом места установки и подключения данных средств к объектам защиты. Для этого необходимо осуществлять своевременный анализ эффективности работы средств защиты от коммутационных перенапряжений с учетом состояния электрической сети.

Литература:

1. О Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017–2030 годы: Указ Президента РФ от 9 мая 2017 г. № 203 — Текст: электронный // Гарант: информационно-правовой портал. — Москва, 2002. — Загл. с титул. экрана. — URL: https://www.garant.ru /products/ipo/prime/doc/71570570/ (дата обращения: 05.12.2024).
2. Юндин, К. М. Технология построения цифровых подстанций в энергетических системах на основе стандарта МЭК 61850: Учебное пособие / К. М. Юндин, М. А. Антонов, Р. А. Галстян. — Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-Принт», 2024. — 150 с.