Непрерывность энергообслуживания
Ограничения при обслуживании, повреждения и отказы. Жизнь промышленно развитых стран во многом зависит от непрерывности поставки электрической энергии, необходимой не только для поддержания промышленного производства и нормального состояния быта, но и для передачи информации, работы автоматических устройств, ставших необходимыми во всей деятельности человека.
Коммунальное обслуживание энергией гарантирует каждому потребителю возможность использовать мощность, в которой он нуждается, в любой момент времени (при учете возможных ограничений, предусмотренных контрактом). Однако ни оборудование, ни любая составная часть его не должны вызывать в системе аварий из-за возникновения внутренних дефектов или воздействия внешних факторов.
Способы производства, передачи и распределения электроэнергии уже достигли значительного уровня надежности. Однако есть еще резервы повышения надежности за счет введения дополнительных мер: улучшения качества и способов защиты оборудования, являющегося составной частью энергосистемы.
Дополнительные способы повышения надежности вызывают большие затраты в системе, в то время как они позволяют избежать даже малых затрат со стороны потребителей. Итак, должно существовать равновесие, отвечающее экономическому оптимуму.
Поиск этого оптимума должен исходить из требования тем большей надежности, чем большее по продолжительности и более объемное (в смысле наибольшего числа потребителей) будет отключение, вызываемое аварией. Следовательно, необходимы согласованные меры, принимаемые как. на уровне производства, так и на уровнях передачи и распределения электроэнергии.
Причины перерывов в обслуживании (в электроснабжении). Перерыв в питании вообще может быть следствием аварии оборудования, производящего, передающего или распределяющего электроэнергию.
В любом случае поврежденное устройство должно быть отключено от системы, что осуществляется автоматическим отключением выключателя под воздействием органов управления, называемых реле защиты.
В радиальных сетях отключение выключателя немедленно вызывает перерыв в электроснабжении для всех находящихся после него потребителей. В разветвленных сетях вывод из работы поврежденного устройства требует отключения уже двух выключателей, но может не вызывать перерыва в питании ни у одного из потребителей.
Следует указать явления, которые могут быть причинами перерывов в питании. В первую очередь это авария в сети —ненормальная работа передающей сети, которая приводит к отключению некоторых выключателей или под действием аппаратуры защиты, или по команде диспетчера. Такая ненормальная работа может быть следствием выпадения из синхронизма генераторов, питающих сеть (систему), в связи с повреждением или перегрузкой линий, которые отключаются под воздействием защищающих аппаратов. Это вызывает во всей системе явление, подобное «развалу карточного домика», — «развал системы».
Еще одной возможной причиной перерыва в питании является повреждение (отказ) в системе производства (электроэнергии). Оно может возникнуть в том случае, если потребляемая мощность превосходит мощность, производимую всеми работающими генераторными группами. Установленная мощность этих групп (общая мощность всех используемых групп) определяется приблизительно на 5 лет вперед, поскольку сооружение новых станций требует примерно такого же срока. Она рассчитывается с учетом прогнозирования будущей нагрузки, которую определяют с помощью вероятного значения и среднеквадратичного отклонения (статистическое распределение, соответствующее закону Гаусса). Чтобы быть готовым к приему такой нагрузки, рассматривают так называемую «располагаемую мощность электростанций». При этом принимаются во внимание интенсивность отказов, определяемая по данным эксплуатации, и метеорологические условия, особенно влияющие на производство электроэнергии ГЭС; можно также оперировать с «вероятностной установленной мощностью» и среднеквадратичным отклонением от нее. Комбинация случайностей потребления и производства позволяет оценивать вероятность обеспечения поставки энергии в течение всего года и, в частности, во время часов пиковой нагрузки.
Иногда определяют обеспечение поставки энергии в условиях, зависящих от состояния уровня воды (условиях, аналогичных тем, которые имеют место, когда в течение 20 лет случаются две сухие зимы, а потребление превышает вероятность, равную 75%). Очень трудно реально оценить опасность повреждения, принимаемую при таких условиях расчета. В общем случае принимают, что авария может произойти один раз в 30 лет. На практике во Франции ряд лет не было случаев такого рода аварий, хотя опасность возникновения была в трудные зимы 1963— 1964 гг., когда во многих европейских странах происходили неполадки в системах производства электроэнергии.
Продолжительности перерывов в электроснабжении и провалы напряжения. В зависимости от причин перерывы в электроснабжении имеют различные длительности.
Если отказ системы производства не может быть устранен с помощью повторного запуска в работу станций (когда оборудование работает с перегрузкой) при общем понижении напряжения или с помощью вспомогательных средств, например подключением связей с соседними странами, то тогда необходимо учесть возможность перерывов в питании длительностью в один или несколько часов.
Однако в этом случае надо будет сделать выбор между потребителями, которых придется отключить, и потребителями, которых необходимо продолжать снабжать энергией.
«Неполадки в сетях» вызываются главным образом отключениями длительностью от 10 до 20 мин, но иногда и значительно большей длительности. Так, авария в ночь с 9 на 10 ноября 1965 г. погрузила во тьму Нью-Йорк на 13 часов . Можно отметить, что, вообще говоря, продолжительность таких аварий тем больше,чем больше протяженность сети, которую они поражают, что, в частности, связано с большим числом переключений, необходимых для восстановления нормальной работы.
Аварии, происходящие на оборудовании передающих сетей, не вызывают в общем случае перерывов в питании. И все же если авария произошла на важном оборудовании (трансформаторе или выключателе) крупной подстанции, то некоторые нагрузки могут оставаться без электроэнергии в течение нескольких часов.
В распределительных сетях перерывы в питании, вызываемые авариями, могут длиться несколько часов. Многие являются «переходящими» авариями и устраняются сами собой в течение некоторого, обычно непродолжительного (от нескольких секунд до минут), времени (пробой изолятора из-за удара молнии без выхода его из строя, короткие замыкания, созданные птицами или пучками соломы, ветвями деревьев, зацепившимися за провода линий, и т. д.).
Перерывы, необходимые для проведения профилактических работ или усиления сетей, могут длиться несколько часов. Эти работы производят в то время, когда ущерб от них минимален, предупреждая об этом потребителей и принимая соответствующие меры. Пытаются уменьшить длительность перерывов, вводя работы под напряжением, Что является обычной практикой в таких странах, как США и СССР, где они проводятся на всех уровнях напряжений—от низких до 750 кВ.
Стремление к уменьшению перерывов в питании приводит к таким коммутациям (переключениям, отключениям и включениям), при которых допускаются непродолжительные изменения напряжения в системе при резко изменяющихся амплитудах: от нескольких процентов до 100% (от ранее существующего напряжения). Эти изменения называют провалами напряжения.
Не существует точного разграничения между провалом напряжения с амплитудой, близкой к 100%, и перерывом питания. Термин «провал напряжения» употребляется при перерывах подачи напряжения, которые
длятся не более нескольких секунд; имеются потребители электроэнергии, чувствительные к таким провалам напряжения.
Экономическая оценка перерывов в питании. Средства, которые необходимо затратить для уменьшения перерывов питания, могут быть оправданы только в том случае, если их можно сопоставить со стоимостью последствий перерывов питания. Стоимость последствий включает в себя, не только величину убытка, получаемого организацией, распределяющей электроэнергию, в случае перебоя в ее подаче. Здесь необходимо учитывать на уровне национальной экономики и стоимость перерывов в питании, соответствующую общим их последствиям в сети и у потребителей.
Последствия перерывов питания зависят от четырех факторов:
отключаемой мощности (потребляемой мощности непосредственно перед отключением);
длительности отключения;
частоты отключения (коэффициента вероятности их повторного появления);
природы отключенной нагрузки.
Перерыв в питании ведет к тем большим экономическим последствиям, чем больше отключенная мощность Р и время t перерыва. В первом приближении принимают, что стоимость отключения пропорциональна произведению этих двух факторов:
где % —единичная стоимость отключения; Эоткл — недоотпущенная из-за отключения энергия.
При отсутствии отключения поставляемая энергия отличалась бы от энергии Эоткл в связи с изменениями мощности во времени.
Полагают, что влияние частоты отключений учитывается в достаточной степени суммированием за рассматриваемый период Т (месяц или год) значений недоотпущенной энергии Эоткл:
(5.1)
Суммирование значений Эоткл является только приближением, неизбежным при современном состоянии знаний о последствиях перерывов в питании. Недоотпущенную энергию целесообразно отнести к годовой потребляемой энергии Эпотр Вводят также значение средней годовой мощности PQp.год. такое, что
8760Рср ГОД Эпотр
Отношение Э0Ткд к Рср год имеет размерность времени, которое называют эквивалентным годовым временем отключения 9;
(5.2)
Иногда применяют месячное эквивалентное время отключения. Порядок величин. В сетях Э де Ф
для потребителей, снабжающихся от передающих и питающих сетей
(основные отрасли промышленности, электротяга, подстанции, питающие распределительные сети), 0п,п. = 10-^30 мин в год;
для потребителей, присоединенных к сети СН (промышленные потребители), 0сн =300 мин в год в среднем;
для потребителей, питающихся от сетей НН, 0НН =600 мин в год в среднем.
Единичная стоимость /0 [см. (5.1)], очевидно, зависит от природы отключенной нагрузки; ее оценка необходима, чтобы ввести стоимость перерывов питания в оценки стоимости необходимого оборудования сетей. Принимается, что среднее значение ее /0 = 1 франк на один недоотпущенный киловатт-час.
Это значение лучше всего отвечает сельским сетям. Можно также сделать дифференциацию между сетями НН и сетями СН, где эта величина принимается большей (возможно, вдвое большей).
В городских и промышленных сетях вне всякого сомнения целесообразно принять значения /0, в несколько раз большие, чтобы учесть особую цену энергии, поставляемой городским потребителям. Для некоторых частных потребителей величина /0 может стать значительной, если всякое отключение рискует вызвать большие потери (пример: прядильные фабрики, заводы по производству материалов, для которых учитывается масса, и т. д.).
В планировании оборудования по производству электроэнергии оценивают стоимость отказа. Это понятие близко к понятию «отключение», по крайней мере тогда, когда речь идет об отказе поставки энергии. Оборудование, предусмотренное для обеспечения поставок в период большой годовой нагрузки (зимы), способно работать с некоторой максимальной мощностью (учитывая установленную мощность) и имеет резервы энергии (водохранилища сезонного регулирования, установки гидроаккумулирующие и т. д.). Когда резервуары пусты (это может случиться в конце зимы), то может возникнуть недостаток энергии, что предусматривается заранее (за несколько дней или несколько часов). Это позволяет снизить нагрузку системы за счет отключения второстепенных потребителей. Было показано, что стоимость 1 кВт • ч в случае недостатка энергии имеет меньшее значение, чем стоимость отключенного киловатт-часа. Но если вследствие неточного прогнозирования требуемая мощность превосходит располагаемую мощность, то появится недостаток мощности. Экономические последствия этого измеряются стоимостью одного недостающего киловатта. Если отнести эту стоимость к стоимости 1 кВт при недостатке по энергии, то будет получено большее значение, поскольку недостаток по мощности возникает в момент пика нагрузки.
Например, в сетях Англии, получающих в основном энергию от ТЭС (т. е. не имеющих водохранилищ), опасностью является отключение мощности, и хотя стоимость одного отключенного киловатта здесь значительно меньше, чем во Франции (около 200 франков вместо 1200), стоимость недоотпущенного киловатт-часа значительно выше (около 25 франков вместо 1).
Различные стоимости отключенного киловатт-часа однородны, т.е. все они соответствуют экономическому равновесию между капиталовложениями и годовым выигрышем за счет улучшения обслуживания, которое обеспечивается с помощью этих затрат.
Капиталовложения, необходимые для получения выигрыша от отключенного киловатт-часа в год, с одной стороны, пропорциональны действующей мощности Рср год (т. е. производимой, передаваемой или потребляемой мощности), а с другой стороны, они тем больше, чем меньше количество ежегодно отключаемых киловатт-часов; получить можно такое соотношение, при котором затраты будут обратно пропорциональны количеству отключенных киловатт-часов, которые имеют место в течение года. Получаемый при этом выигрыш за год равен ежегодным капиталовложениям, и, следовательно, должно иметь место равенство
i0= АР/Э откл,
где А — характеристическая постоянная, отражающая природу нагрузки.
Эквивалентное время отключения вводится в расчет так, что
тета = A = const. (5.3)
Порядок величин, приведенных выше как для 0, так и для /0, показывает, что их произведение в первом приближении близко к 500 и, следовательно, в среднем коэффициент А мало зависит от природы нагрузки.
Экономическая оценка перерывов питания (второе приближение)
Эквивалентное время отключения и годовая стоимость недоотпущенных киловатт-часов дают только первое приближение для оценки ущерба от перерывов питания потребителей.
Рис. 5.1. Распределение продолжительностей аварий в питающих сетях (США, 26 кВ): i — подземный кабель; 2 - воздушная линия
Этого приближения достаточно в большинстве случаев; при более точной оценке необходимо учитывать, частоту перерывов (число их за год), значимость (важность) каждого из них как по продолжительности, так и по величине отключенной мощности.
Рис. 5.1 показывает (на примере распределительных сетей напряжением 26 кВ в США), что вероятная продолжительность отключения р зависит от природы сети, она более длительна для подземных сетей, однако отключения в них происходят реже.
Рис. 5.2. Число аварий в передающей сети, последствия которых могли быть выражены в цифрах и превзошли по величине X (X — недоотпущенные мегаватт-часы)
На рис. 5.2 на примере передающей сети Э де Ф показано распределение значимости отключенной мощности. При этом необходимо учесть, что многие аварии в передающих сетях приводят только к одноразовым отключениям (см. табл. 5.1).
Анализ исследований, проводимых во Франции, в США и других странах, показывает, что перерывы в электроснабжении необходимо определять по следующим показателям:
среднегодовому числу отключений (на потребителя);
средней продолжительности отключения потребителями;
среднегодовой продолжительности отключений потребителя {равной произведению двух предыдущих величин);
средней отключенной мощности, приходящейся на каждую аварию (усреднение по числу потребителей).
Полученные статистические данные позволяют предусматривать средства (бригады и материалы), необходимые для восстановления электроснабжения, в данном случае лучше, чем в том случае, когда рассматривались лишь отключенные киловатт-часы.
