В статье автор рассчитал режимную надежность электрической системы, в состав которой входят кабельные линии из сшитого полиэтилена (СПЭ), определил допустимые значения, по результатам анализа были предложены мероприятия по поддержанию устойчивости системы.

Ключевые слова: электрические сети, кабельная линия, надежность, электроснабжение, отказ, допустимый ток.

В настоящее время происходит бурное развитие электрических сетей, в которых все чаще для передачи электроэнергии применяются кабельные линии (КЛ). Также проводится реконструкция большого количества существующих КЛ, в которых используются маслонаполненные кабели или кабели с бумажной пропитанной изоляцией, которые выработали свой ресурс.

На смену традиционным маслонаполненным кабелям и кабелям с бумажной пропитанной изоляцией приходят КЛ нового поколения. Последние тенденции в развитии распределительных кабельных сетей направлены на внедрение кабелей с СПЭ изоляцией [1] и замену на них кабелей с бумажной пропитанной изоляцией.

Требования к энергетическому оборудованию, в том числе, кабельной продукции, со стороны субъектов и объектов электроэнергетики постоянно растут. В первую очередь это связано с растущей агломерацией городов [4].

В зоне ответственности Московских высоковольтных сетей — филиала ПАО «МОЭСК» находятся более 300 высоковольтных кабельных линий электропередачи напряжением 110–220 кВ общей протяженностью 950 км по трассе. Кроме кабельных линий в состав кабельной сети 110–220 кВ входят кабельные сооружения, технологическое оборудование систем маслоподпитки, телемеханики и антикоррозионной защиты КЛ, системы водоудаления и др. системы и сооружения, являющиеся неотъемлемой частью структуры кабельной сети.

В составе кабельной сети 110–220 кВ филиала ПАО «МОЭСК» большую часть занимают КЛ с полиэтиленовой изоляцией — 60 %, а КЛ с бумажно-масляной изоляцией имеют долю в 40 %. Причем это соотношение постоянно изменяется в сторону увеличения массовой доли КЛ с полиэтиленовой изоляцией

Однако, вопрос определения надежностных характеристик КЛ с полиэтиленовой изоляцией является чрезвычайно актуальным в связи с массовым внедрением в электрические сети.

Задача данного исследования — определение показателей надежности КЛ напряжением 110–220 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Для качественного анализа схемной надежности необходим большой объем статистической информации по фактам отказов и повреждений КЛ с СПЭ изоляцией с ретроспективой по годам. Статистики отказов недостаточно, т. к. в России применение КЛ с СПЭ изоляцией началось в 2005–2008 годах и носило до недавнего времени характер практически единичных случаев [3].

Необходимым условием надежного функционирования ЭЭС является допустимость режима, т. е. его нахождение в области, определяемой допустимыми пределами по току, напряжению, статической устойчивости и др. В этом случае говорят о выполнении условий критерия надежности . Проверка этого условия сводится к контролю фактических значений потоков мощности, напряжений и других режимных параметров и сравнению их с заданными предельными значениями [3].

Значительно более трудоемкая задача оценки надежности — это анализ возможных отказов, заключающийся в расчете послеаварийных режимных состояний и проверки их на нарушение режимных ограничений. Необходимо проведение расчетов допустимых перетоков мощности, которые позволили бы подтвердить допустимые режимы работы энергосистемы или выявить недопустимые перегрузы. При больших нагрузках и аварийном отключении ЛЭП возможно нарушение устойчивости, увеличение перетока в контролируемых сечениях, загруженность линий близка к критической.

В процессе эксплуатации электрических сетей существует вероятность возникновения режимов с недопустимыми параметрами, в том числе, таких, которые могут привести к статической или динамической неустойчивости всей системы [5]. Поэтому расчеты электрических режимов электроэнергетических систем и их устойчивости являются необходимой частью работ по проектированию и эксплуатации ЭЭС.

Необходимость использования программного комплекса в данной работе объясняется большим количеством узлов (более 5000) рассматриваемой схемы и огромным количеством параметров элементов, которые необходимо учесть в процессе расчета для получения корректных результатов.

Программный комплекс RastrWin [2] предназначен для решения задач по расчету, анализу и оптимизации режимов электрических сетей и систем. Формальным признаком статической устойчивости электрической системы может служить знак приращения мощности , выдаваемой генератором в систему, к приращению угла сдвига фаз между ЭДС генератора и напряжением системы [6].

Электрические расчеты режимов работы выполнялись в программе RASTR.WIN [2] на базе расчетной схемы 110–750 кВ Московской энергосистемы с учетом сети ОЭС Центра и в соответствии с «Методическими рекомендациями по проектированию развития энергосистем» [5].

При проведении расчетов учитывалось следующее перспективное развитие: до 2023 года намечается ввод следующих подстанций Московского кольца 220 кВ: ПС Маг, ПС Бел, ПС Мещ, ПС Красн, ПС Кож, ПС Зол, ПС Мневн, ПС Ваг.

Учитывался ввод генерирующего оборудования на ТЭЦ-12, ТЭЦ-16, ТЭЦ-20, ТЭЦ-21, ТЭЦ-25, ТЭЦ-26, ТЭЦ-27, Каширской ГРЭС, Шатурской ГРЭС.

Кроме того, учитывалась реконструкция и ввод новых подстанций.

Фрагмент мнемосхемы электрической сети 110–220 кВ Московской энергосистемы представлен на рис. 1.

Рис. 1. Фрагмент мнемосхемы электрической сети 110–220 кВ Московской энергосистемы

Для расчетов использовались: нормальная схема электрических соединений объектов электроэнергетики, известные длины линий электропередачи (ЛЭП), значения мощности нагрузок подстанций, а также ограничения передаваемой мощности, проходящего тока и температуры провода ЛЭП.

При проведении всех расчетов в качестве длительно допустимого тока для ЛЭП используется значение тока, допустимого при температуре окружающего воздуха, равной . Он определяется по справочным данным в зависимости от марки провода ЛЭП.

Дополнительно программный комплекс производит расчет коэффициента загрузки элемента по току, получаемый из отношения расчетного и допустимого токов:

где расчетный ток, А;

длительно допустимый ток, А.

Далее был рассчитан режим при выводе в ремонт КВЛ 110 кВ Очаково — Теплый Стан. Дополнительно моделировалось нормативное возмущение, в качестве которого аварийно отключаем КЛ 110 кВ Тропарево — Теплый Стан № 2.

Фрагмент схемы потокораспределения в данном режиме представлен на рис. 2.

Рис. 2. Схема потокораспределения электрического режима аварийного отключения КЛ 110 кВ Тропарево — Теплый Стан № 2 при ремонте КВЛ 110 кВ Очаково — Теплый Стан

Далее были смоделированы и просчитаны другие режимы при выводе в ремонт отдельных элементов и проведен анализ напряжения на выходе линий и на шинах ПС.

В процессе проведения расчетов послеаварийных режимов была выявлена перегрузка КЛ 110 кВ сверх длительно допустимых значений токов и нарушение статической устойчивости участка Московской энергосистемы по вторичному критерию. Были определены причины, вызвавшие нарушение устойчивости.

Для приведения электрического режима в область нормальных значений в работе предложено увеличение пропускной способности маслонаполненных КЛ 110 кВ Чоботы — Передельцы I, II и КЛ 110 кВ Тропарево — Теплый Стан № 1, 2. Было определено, что указанные КЛ имеют очень большой срок эксплуатации, в связи с чем обоснована необходимость проведения их полной реконструкции с заменой изоляции на сшитый полиэтилен. Благодаря реконструкции будет обеспечена режимная надежность участка московской энергосистемы.

Литература:

1. Каталог Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 1, 6, 10, 20, 35, 64/110 кВ: [сайт]. — URL: https://elcable.ru/ (дата обращения: 15.12.2022).

2. Программный комплекс RASTRWIN: [сайт]. — URL: https://rastrwin.ru/ (дата обращения: 05.01.2023).

3. Самылов П., Бабушкин А., Ашмарина О. Опыт эксплуатации кабельных линий 110–220 кВ в Московских высоковольтных сетях — филиале ПАО «МОЭСК»: [сайт]. — URL: https://eepir.ru/article/opyt-ekspluatacii-kabelynyh-liniy-110–220-kv-v-moskovskih-vysokovolytnyh-setyah-filiale-pao-moesk/ (дата обращения: 05.11.2022).

4. Положение «О единой технической политике в электросетевом комплексе», утверждено Советом Директоров ПАО «Россети» (протокол от 22.02.2017 № 252).

5. Методические указания по устойчивости энергосистем. Утв. приказом Минэнерго России № 277 от 30.06.2003.

6. Куликов Ю. А. Переходные процессы в электроэнергетических системах. Учеб.пособие — Новосибирск, НГТУ, М.: Мкр: ОАО «Издательство АСТ», 2003. — 283 с.