Проблемы реактивной мощности и решение задач повышения надежности и устойчивости распределительных электрических сетей

Введение в тему Q и U – уроки аварии 25 мая 2005 г. Последствия аварии Технические Социальные Отключение потребителей: Около 20 тыс. людей были заблокированы в поездах московского метро, около 1,5 тыс. застряли в лифтах Без электроснабжения остались около 4 млн. людей, большое количество предприятий, а также социально значимые объекты (продолжительность отключения составила от нескольких часов до суток). Причины аварии · Московская энергосистема – около 2500 МВт (26% от общего энергопотребления в регионе) · Тульская энергосистема – 900 МВт (87%) · Калужская энергосистема – 100 МВт (22%) изложены в «Отчете по расследованию аварии в ЕЭС России», происшедшей », размещенном на интернет-сайте ОАО РАО «ЕЭС России»

Этапы развития аварии Уроки аварии 25 мая 2005 г. (продолжение) Каскадное развитие аварии. Отключение генерирующего оборудования (автоматическое или ручное). Прекращено энергоснабжение конечных потребителей в Московской, Тульской и Калужской энергетических системах. Подстанция «Чагино» пол- ностью отключена от Мос- ковской энергосистемы из-за повреждения оборудования (трансформаторы, воздушные выключатели, система воздухопроводов, изоляция) Разорвано Московское энергокольцо 500 кВ из-за отключения ВЛ со стороны ПС «Чагино». Не достаточно правиль- ные действия оператив- но-диспетчерского и дежурного персонала Перегрузка нескольких ЛЭП 110 и 220 кВ, выз- вавшая провисание проводов Многочисленные отключения ЛЭП кВ Перегрузка остав- шихся ЛЭП 110 кВ Падение напряжения в сети кВ Возникновение дефици- та реактивной мощности Падение напряжения в южной части Московс- кой энергосистемы

апрель май 30,6 0 С май Допустимые токовые нагрузки ВЛ были посчитаны на температуру наружного воздуха 20 о С Введение в тему – уроки аварии 25 мая 2005 г. (продолжение) Взаимосвязь возросших токовых нагрузок ВЛ с высокой температурой наружного воздуха, солнечной радиацией и порослью 3

ПРОБЛЕМА! Происходит рост потребности в доставке реактивной мощности к шинам нагрузки – нонсенс! После отмены приказом Министра энергетики ( ) Правил пользования электрической и тепловой энергией, потребители перестали участвовать в поддержании напряжения на шинах нагрузок Появились проблемы с поддержанием (повышением) напряжения на шинах нагрузок Возросли потоки реактивной мощности по системо- образующим и рас- пределительным сетям к шинам нагрузок Ограничилась пропускная способность ВЛ по активной мощности и существенно возросли потери в сетях Безусловно, будь скомпенсирована реактивная мощность у потребителей Московской энергосистемы, майской аварии 2005 года могло бы не быть. Скорее всего, ее и не было бы, потому что не было бы такой загрузки реактивной мощностью и соответственно дополнительного провиса отключившихся линий электропередачи, напряжение в узлах нагрузок было бы выше, генераторы бы не перегрузились из-за форсировки возбуждения с целью увеличения выдачи реактивной мощности, так как она не потребовалась бы, хватило бы времени на загрузку пускаемого оборудования и т.д. После ухода потребителей от обязанности компенсировать потребляемую реактивную мощность получен суммарный негативный результат - исключение из баланса ЕЭС России более 50 тыс. МВар ИРМ потребителей 4

Увеличивается сечение проводов - удорожание Повышенное потребление реактивной мощности электроприемниками или пониженный коэффициент мощности РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ И ПРОБЛЕМЫ… Необходимость прокладки новых сетевых магистралей – удорожание Дополнительное увеличение тока электрической сети Увеличиваются потери напряжения Возрастание тока, про- текающего через сеть Увеличиваются потери активной мощности Перерасходуется электроэнергия Уменьшается напряжение на шинах электроприемников Снижается пропускная способность сетей 5

Как показывает практика это условие не выдерживается из-за пониженного уровня напряжения в установившихся режимах работы сети. При пониженных напряжениях вероятность отключения потребителей при провалах напряжения значительно возрастает! Изменение напряжения относительно номинального значения Uном оказывает неблагоприятное влияние на режимы работы, производительность и технико-экономические показатели всех элементов электрической системы. В соответствии с ГОСТ в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения нормально и предельно допустимые значения установившегося снижения напряжения δ U на выводах приемников электрической энергии не должны превышать 5% и 10% соответственно от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721 и ГОСТ (номинальное напряжение). где U – напряжение в узле в рассматриваемом режиме; U кр – критическое напряжение в том же узле, при котором нарушается статическая устойчивость нагрузки Коэффициенты запаса статической устойчивости электроэнергетической системы по напряжению в узлах нагрузки, которые в нормальном режиме должны быть не менее 15 %, в послеаварийном режиме – не менее 10 %, рассчитываются по формуле: В системе электроснабжения потребителей для минимизации вероятности отключений потребителей должен быть выдержан запас статической устойчивости нагрузки по напряжению. 6

ПОЧЕМУ ОПАСНО СНИЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ? статические характеристики реактивной мощности Q н = f ( U ) более крутые, чем статические характеристики активной мощности P н = f ( U ) – изменение напряжения на 1% приводит к изменению реактивной мощности на 2-5%, в то время как активной лишь на 0,6-2%; при снижении напряжения на шинах нагрузки до уровня U < U кр (критического напряжения статической характеристики узла нагрузки по напряжению) происходит резкое повышение потребления реактивной мощности, приводящее к увеличению потери напряжения, дальнейшему снижению напряжения и быстроразвивающемуся в течение нескольких секунд процессу, называемому лавиной напряжения При снижении напряжения потребитель свою мощность все равно выбирает… Уменьшается напряжение на шинах электроприемников Происходит дополнительное увеличение тока в линиях электропередачи и дальнейшее снижение напряжения 7

Первые шаги по нормализации напряжения в распределительных сетях В соответствии с приказом РАО ЕЭС «России» от широкомасштабно осуществляется процесс сертификации качества электрической энергии, в рамках которого проводится оценка уровней напряжения в распределительных сетях на соответствие требованиям ГОСТ и разрабатываются соответствующие мероприятия и план-графики их выполнения. Целью данной работы является приведение качества электрического тока по напряжению в соответствие с требованиями указанного стандарта. 98% электросетевых компаний получили сертификаты соответствия электрической энергии установленным требованиям на центры питания, входящие в первую очередь планов-графиков. В Московской энергосистеме реализуются проекты по устранению дефицита реактивной мощности за счет установки в 2006 году секционированных БСК в наиболее проблемных ПО НАПРЯЖЕНИЮ узлах ( ПС Кубинка, Можайск, Слобода, Грибово ). Реализация поручений Реализация поручений приказа РАО ЕЭС «России» от – это, прежде всего: контроль и оценка состояния уровней напряжения в распределительных сетях, позволяющий увидеть в целом картину обеспечения статической устойчивости по напряжению систем электроснабжения и, соответственно, устойчивости нагрузки потребителей; удовлетворение потребителей по качеству электрической энергии и надежности электроснабжения; снижение потерь и улучшение технико-экономических показателей систем электроснабжения, т.е. улучшение результатов бизнеса электросетевых компаний. КОНКРЕТНЫЕ ШАГИ ПО УСТРАНИЕНИЮ ПОНИЖЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ: 8

Нормализация напряжения в распределительных электрических сетях – это не только взаимосвязь процессов повышения надежности и социального имиджа электросетевых компаний, но и повышение технико- экономической эффективности сетевого бизнеса. Потери активной мощности определяются по формуле, кВт: Δ P = 3 × I 2 × r × 10 3 При этом важно понимать, что электротехнические исследования и расчеты показывают следующую приблизительную зависимость для режима пониженного напряжения в распределительной сети между уровнем напряжения и потерями - повышение напряжения в сети на 5 % снижает потери мощности на 10 % и наоборот. Поэтому для уменьшения потерь важно снизить величину полного тока, что и достигается снижением потоков реактивной мощности в распределительных сетях за счет ее компенсации у потребителя или на ПС, расположенных вблизи от потребителя. где: I – полный ток нагрузки, А; r – сопротивление, Ом. т.е. потери зависят от квадрата тока нагрузки, а величина тока, в свою очередь зависит от полной мощности, при этом чем выше Q, тем выше I 9

Потери в электрических сетях Уменьшение потерь активной электроэнергии, обусловленных перетоками реактивных мощностей, является реальной эксплуатационной технологией энергосбережения в электрических сетях. Эффективное экономическое регулирование реактивных перетоков является одной из наиважнейших проблем Российской электроэнергетики. Снижение потерь по Холдингу на 1% только за счет компенсации реактивной мощности на шинах нагрузок высвободит для потребителей же 1600 МВт, на 2 % МВт и т.д. Поэтому с потерями надо бороться вооружившись знаниями, замерами, формулами и расчетами, схемно-режимными мерами и улучшением баланса реактивной мощности. Исходной точкой данной работы должно являться признание факта повсеместной загрузки линий электропередачи распределительных сетей потоками реактивной мощности в диапазоне 60-80% от величины активной мощности (в ряде случаев более 100%). 10

СУЩЕСТВУЕТ ОГРАНИЧЕНИЕ КОКУРЕНТНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РЫНКА СИСТЕМНЫХ УСЛУГ В ЧАСТИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ШР или УШР БСК Реактивная мощность не должна поставляться потребителю по сетям! Q P УШР + БСК илиСК БСК T 15/110Г T 110/10T 10/0,4 из этого следует вывод: 11

В недавнем историческом прошлом необходимая и достаточная по техническим соображениям реактивная мощность в ЕЭС России составляла 0,6 кВар на 1 кВт суммарной активной нагрузки, а реальные значения коэффициентов мощности составляли сos φ (tg φ) на шинах 6-10 составляли 0,93 (0,4). В современных же сложившихся условиях общее потребление реактивной мощности Q потр приближенно оценивается в размере 1 кВар на 1 кВт суммарного потребления (нагрузки) активной мощности Р нагр. 12

Субъекты баланса реактивной мощности, их источники реактивной мощности и средства ее компенсации Электростанции. Источники Q : синхронные генераторы – Q (L,C), асинхронизированные генераторы – Q (L,C), шунтирующие реакторы – Q L Подстанции ЕНЭС. Источники компенсации Q : шунтирующие реакторы – Q L, управляемые шунтирующие реакторы – Q L, синхронные компенсаторы – Q (L,C) Объекты добычи и транспорта нефти и газа. Насосные водоканалов. Источники компенсации Q : шунтирующие реакторы – Q L, управляемые шунтирующие реакторы – Q L, синхронные двигатели – Q (L,C), синхронные компенсаторы – Q (L,C), батареи статических конденсаторов – Q C Населенные пункты. Источники компенсации Q: батареи статических компенсаторов – Q C крупных модульных потребителей (насосные, очистные, крупные офисы, торговые, спортивные и развлекательные центры, подстанции электрофицированного транспорта). Промышленные потребители. Источники компенсации Q : батареи статических компенсаторов – Q C, синхронные двигатели – Q C, генераторы блокстанций – Q (L,C) Подстанции РСК. Источники компенсации Q : шунтирующие реакторы – Q L, управляемые шунтирующие реакторы – Q L, синхронные компенсаторы – Q (L,C), батареи статических конденсаторов – Q C Сельскохозяйственные потребители. Источники компенсации Q : батареи статических компенсаторов – Q C, зарядная мощность незагруженных линий электропередачи – Q C Высоковольтные линии электропередачи. Источники компенсации Q : зарядная мощность линий электропередачи – Q C Мелкомоторное производство. Источники компенсации Q : батареи статических компенсаторов – Q C, синхронные двигатели – Q C 13

Особенности рынка услуг по реактивной мощности и поддержанию напряжения заключаются в том, что он безусловно РЕГУЛИРУЕМЫЙ! Генерируемая генераторами реактивная мощность передается в высоковольтные электрические сети. В отличие от активной мощности реактивная мощность для потребителей не должна поставляться по линиям электропередачи высокого напряжения, так как это значительно увеличивает потери в сети и снижает пропускную способность ВЛ. По техническим и экономическим соображениям передача реактивной мощности и по распределительным сетям нецелесообразна, так как это приводит к ограничению пропускной способности электрических сетей и значительным потерям в них. Регулирование напряжения в системе электроснабжения осуществляется изменением коэффициентов трансформации трансформаторов, реакторами, синхронными компенсаторами, батареями статических конденсаторов и т.п. Распределительная сеть не должна быть загружена реактивной мощностью! Но правильнее, если нехватку реактивной мощности потребитель компенсирует собственными источниками реактивной мощности. Это выгодно всем: потребителям, электросетевым компаниям, ЕНЭС России и экономике России! 6 Потребитель реактивную мощность МОЖЕТ покупать (но дорого!), причем только у своей электроснабжающей организации. 6 Только этот сегмент рынка реактивной мощности может быть конкурентным с точки зрения экономической и технической конкуренции по принципу «купить или иметь свое», но и то выбор варианта будет ограниченным и во многом зависеть от загруженности подводящей электрической сети! 14

Пример компенсации реактивной мощности До компенсации: P = 30 МВт, Q = 20 Мвар. Нагрузка: P = 10,17 МВт, Q = 4,26 Мвар. Нагрузка: P = 6,50 МВт, Q = 5,99 Мвар. Нагрузка: P = 7,81 МВт, Q = 4,68 Мвар. После компенсации: P = 27,01 МВт, Q = 2,80 Мвар. Размещение компенсирующих устройств ПС 110/10 кВПоселокКолхозЗавод Q ск = 10 МварQ бск = 2 Мвар Q бск = 4 Мвар До компенсации: P = 28,16 МВт, Q = 19,10 Мвар. После компенсации : P = 26,04 МВт, Q = 3,41 Мвар. I до = 180 А I после = 136 А I до = 728 А I после = 706 А I до = 613 А I после =430 А I до = 610 А I после = 588 А Снижение тока на 25% Снижение тока на 30% Снижение тока на 3% Снижение тока на 4% 15

«Реактивная мощность» и нормативные документы Предельное значения коэффициентов реактивной мощности tg φ для 110 кВ не более 0,5, для 35 кВ – 0,4, 6-20 кВ – 0,4, 0,4 кВ – 0,35. «Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергоприемников (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах оказания услуг по передаче электрической энергии (договорах электроснабжения)». Приказ Минтопэнерго 49 от года определяет порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для энергопринимающих устройств. 16

Правила недискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг (в редакции Постановления Правительства РФ от ): Потребители должны соблюдать значения соотношения (тангенса) потребления реактивной и активной мощности, определенной в договоре в соответствии с порядком, утвержденным Минпромэнерго РФ. Указанные характеристики определяются: сетевой организацией для потребителей услуг, присоединенным к электрическим сетям напряжением 35 кВ и выше; сетевой организацией совместно с СО для потребителей услуг, присоединенных к электрическим сетям напряжением выше 35 кВ. При отклонении потребителя от установленных договором значений соотношения в результате участия в регулировании реактивной мощности по согласованию с сетевой организацией он оплачивает услуги по передаче электрической энергии, в том числе в составе конечного тарифа (цены) на электрическую энергию, поставляемую ему по договору энергоснабжения с учетом понижающего коэффициента, устанавливаемого в соответствии с методическими указаниями, утверждаемыми ФСТ РФ. В случае несоблюдения потребителем услуг установленных договором значений соотношения потребления активной и реактивной мощности, кроме случаев, когда это явилось следствием выполнения диспетчерских команд или распоряжений субъекта оперативно-диспетчерского управления либо осуществлять по соглашению сторон, он устанавливает и обслуживает устройства, обеспечивающие регулирование реактивной мощности, либо оплачивает услуги по передаче электрической энергии, в том числе в составе конечного тарифа (цены) на электрическую энергию, поставляемую ему по договору электроснабжения, с учетом соответствующего повышающего коэффициента. Убытки, возникающие у сетевой организации или третьих лиц в связи с нарушением установленных значений соотношения потребления активной и реактивной мощности, возмещаются лицом, допустившим такое нарушение, в соответствии с гражданским законодательством РФ 17

Правила технологического присоединения энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, объектов по производству электрической энергии, а также объектов электросетевого хозяйства, принадлежащих сетевым организациям и иным лицам, к электрическим сетям, утвержденные постановлением правительства РФ от : Технические условия для технологического присоединения являются неотъемлемой часть договора об осуществлении технологического присоединения к электрическим сетям. В технических условиях должны быть указаны обоснованные требования по усилению существующей электрической сети в связи с присоединением новых мощностей …, …, ……, …, установка компенсирующих устройств для обеспечения качества электроэнергии. «Правила розничного рынка электроэнергии и мощности и порядка ограничения потребителей», утвержденные постановлением Правительства РФ от : п Если условиями договоров оказания услуг по передаче электрической энергии (энергоснабжения) предусматривается необходимость соблюдения определенного соотношения потребления активной и реактивной мощности, сторонами обеспечивается учет реактивной мощности. «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации, согласованные Минюстом: п Порядок использования источников реактивной мощности потребителей должен быть задан при заключении договоров между энергоснабжающей организацией и потребителем. При необходимости диспетчерские органы должны использовать источники реактивной мощности у потребителей для регулирования напряжения в контрольных пунктах.

РД «Инструкция по проектированию городских электрических сетей» (СО , включен в прил. 1 к приказу РАО «ЕЭС России» от : Глава 2.4. (Электрические нагрузки сетей 10(6) кВ и ЦП). Коэффициент мощности (сos φ) для линий 10(6) кВ в период максимума нагрузки принимается равным 0,92 (коэффициент реактивной мощности tg φ принимается равным 0,43). Глава 5.2. (Уровни и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности): В городских электрических сетях должны предусматриваться технические мероприятия по обеспечению качества электрической энергии согласно требованиям ГОСТ «Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения» В электрических сетях должны быть обеспечены отклонения напряжения у приемников электрической энергии, не превышающие +-5% номинального напряжения сети в нормальном режиме и +-10% в послеаварийном режиме Сети 0,38-10 кВ должны проверяться в соответствии с ГОСТ на допустимые значения размаха изменения напряжения при пуске электродвигателей, а также по условию их самозапуска Компенсация реактивной нагрузки промышленных и приравненных к ним потребителей выполняется в соответствии с действующими нормативными документами по расчетам с потребителями за компенсацию реактивной мощности и по компенсации реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятий. Компенсирующие устройства рекомендуется устанавливать непосредственно у электроприемников. Для жилых и общественных зданий компенсация реактивной нагрузки не предусматривается.

Методические указания по проектированию развития энергосистем, утвержденные приказом Минпромэнерго от : При расчетах установившихся режимов следует исходить из того, что для снижения колебаний напряжения в сетях энергосистем от работающих у потребителей мощных электроприемников (дуговые сталеплавильные печи, синхронные двигатели) и несимметрии напряжения, создаваемой тяговой нагрузкой, потребителем осуществляются расчеты и проводятся мероприятия, обеспечивающие условия выполнения требований к качеству напряжения Выбор мощности и места установки компенсирующих устройств (статических тиристорных компенсаторов и синхронных компенсаторов, батарей конденсаторов шунтовой и продольной компенсации, управляемых и неуправляемых шунтирующих реакторов и других регулируемых средств компенсации реактивной мощности) в основной и распределительной сети производится исходя из необходимости повышения пропускной способности сети в нормальных и послеаварийных режимах, условий включения линий, защиты от внутренних перенапряжений, поддержания необходимых уровней напряжения, обеспечения непрерывного быстрого регулирования напряжения Реактивные составляющие максимальных нагрузок в расчетах режимов электрической сети принимаются на основе анализа отчетных и проектных данных. Синхронные двигатели рекомендуется принимать с выдачей реактивной мощности. При отсутствии исходных данных по реактивной составляющей нагрузки коэффициент реактивной составляющей нагрузки (tg φ ) рекомендуется принимать не выше следующих значений: 6-10 кВ = 0,4, 35 кВ = 0,49, 110 кВ = 0,54, 220 кВ = 0, В целях снижения потерь мощности и электроэнергии в электрической сети рекомендуется рассматривать целесообразность установки дополнительных компенсирующих устройств, главным образом, непосредственно у потребителей на напряжении 0,4-10 кВ Применение регулируемых средств компенсации реактивной мощности (статических тиристорных компенсаторов, управляемых реакторов) на подстанциях основной сети энергосистем рассматривается при необходимости обеспечения быстрого и непрерывного регулирования напряжения.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!