Энергетические системы - Статистика перерывов питания и провалов напряжения

Статистические данные. Сведения об отключениях дают возможность более эффективно определить пути и средства улучшения условий поставки электроэнергии. Основные сведения можно получить с помощью статистических данных о четырех показателях:
об отключениях:
средней продолжительности;
величины отключенной мощности (отключенных киловатт-часов) при каждом отключении;
среднего числа отключенных потребителей на одно отключение;
числа отключений в среднем за год;
общей длительности в среднем за год;
отключенных киловатт-часов в среднем за год;
о причинах:
внешних (атмосферных условиях, авариях и т.д.);
внутренних (аварии оборудования: генераторных групп, линий и вспомогательных измерительных и управляющих средств);
о форме:
числе фаз, в которых произошла авария и которые, следовательно, отключались одновременно;
4) о природе:
самопроизвольных отключений (самоустраняющийся отказ);
после быстрого повторного включения (отключенное короткое замыкание);
после медленного повторного включения (полуустойчивый отказ);
после ремонта при устойчивом отказе;
после ремонта при возникновении повреждений перемежающегося характера.
Перерывы и недоотпущенная энергия. Статистические данные Э де Ф дают следующие средние числа аварий этого предприятия:
Воздушные линии    Среднее число отключений на 100 км линии
и на год
Передающие линии   15 аварий, из которых только одна устойчива,
но только 0,4 вызывают отключение Питающие линии    25, из которых 3 вызывают отключение
Линии среднего напряжения   От 100 до 200, вызывающих очень короткие
отключения; от 4 до 10 имеют устойчивый
отказ (длительное отключение)
Линии низкого напряжения
От 10 до 20 устойчивых отказов
В подземных сетях среднего и низкого напряжения практически все аварии приводят к устойчивому отказу. Они более редки, чем аварии с устойчивыми отказами в воздушных распределительных сетях при условии, что кабели не изношены.
Статистические данные об иностранных сетях обычно получаются при различных условиях, делающих трудным сравнение. Все же можно сказать, что частота устойчивых отказов и в них практически приблизительно одинакова.
Для уточнения последствий отключений необходимо указать годовое эквивалентное время отключения потребителей, рассчитанное для сетей Э де Ф в течение ряда лет, предшествующих этому уточнению: передающие и распределительные сети —от 5 до 20 мин; сети среднего напряжения — от 50 до 500 мин; сети низкого напряжения — от 500 до 1000 мин. При этом меньшие цифры соответствуют сетям с самой плотной нагрузкой.
Необходимо отметить, что отключение продолжительностью 5 мин в год соответствует стотысячной доле распределяемой энергии, т. е. оно очень мало. Итак, в этом случае констатируется хорошее качество поставки энергии.
Улучшение качества поставки энергии с ростом плотности нагрузки объясняется тем, что:
районы с плотной нагрузкой — это обычно районы с единичными потребителями большой мощности, для которых требуются очень надежные сети (это может быть промышленность или бытовое потребление);
сети с плотной нагрузкой требуют проведения относительно дешевых работ по улучшению их функционирования (стоимость сети возрастает примерно пропорционально квадратному корню из мощности);
имеет место корреляция между плотностями нагрузки, стоимостью одного отключенного киловатт-часа и количеством ежегодно отключаемых киловатт-часов.
Табл. 5.1 выявляет, как влияет плотность потребления на качество обслуживания бытовых потребителей:
в каждой из двух стран (во Франции и в США) в зависимости от зон расположения потребителей;
между этими двумя странами (например, плотности потребления в американских городах почти в 10 раз выше, чем во французских).
Таблица 5.1. Влияние плотности потребления на качество обслуживания

Эти цифры, естественно, только приближенны. В колонке, относящейся к Франции, цифры в скобках соответствуют отключениям для проведения ремонтных и профилактических работ; их необходимо добавить к отключениям из-за аварий, хотя они не так значительны и предусматриваются заранее в часы, более удобные для потребителей. Когда работы осуществляются под напряжением, в поставке электроэнергии получается выигрыш, равный времени проведения этих работ.
В других западноевропейских странах годовое эквивалентное время отключения имеет тот же порядок, что и во Франции, по крайней мере в городах; сети же, обслуживающие пригороды (в ФРГ) и даже сельские зоны (в Голландии), являются подземными, поэтому соответственно эквивалентные времена имеют меньший порядок.
Небезынтересно отметить, что среднегодовое потребление на одного жителя в Швеции примерно равно потреблению в США; времена отключений близки к временам отключений, приводимых в табл. 5.1 для США, и даже, возможно, немного меньше.

Причины перерывов питания.

Общее число отключений или аварий в сетях зависит от функций и типа сетей: ± 10% для передающих сетей, вдвое (и даже больше) в распределительных сетях.
Распределение этих аварий в зависимости от причин для передающих сетей Франции показывает табл. 5.2.
Относительное значение некоторых причин аварии сильно зависит от природы тех районов, по которым проходят сети, и, следовательно, различно в разных странах.
Таблица 5.2. Причины аварий в передающих сетях Э де Ф (150-225-400 кВ)

Это, в частности, относится к авариям* вызываемым грозой (в зависимости от среднегодового числа грозовых дней в году), туманом, а также ветром (в таких странах, подверженных ураганам, как США).
Для распределительных сетей нет статистических данных, классифицированных в зависимости от причин аварий. Эти сети пересекают наиболее густонаселенные районы (по сравнению с передающими сетями), следовательно, они подвержены воздействию многочисленных причин. В частности, большое число коротких замыканий вызывается замыканиями через ветви деревьев и авариями, создаваемыми птицами. Другими причинами коротких замыканий, относящимися к сфере человеческой деятельности, являются строительные машины и автомашины всех видов, набросы посторонних предметов на провода и т. д. Распределительные сети менее подвержены воздействию гроз, но в некоторых зонах они подвержены воздействию снега или гололеда, особенно в горных районах.

Рис. 5.3. Среднее (по месяцам) распределение аварий в сетях:
передающие сети (по отношению к числу аварий); сети среднего напряжения (по отношению к средней продолжительности отключения) на одного потребителя
При радиальной структуре сетей техническое обслуживание и ремонт требуют, чтобы напряжение на них было отключено, т. е. чтобы не было перерывов в подаче электроэнергии. Отключения, связанные с проведением работ, имеют такое же значение, как и отключения из-за аварий.
Дисперсия аварий во времени делает очевидным значение таких причин, как грозы, конденсация влаги на изоляторах, и подчеркивает этим различия между передающими и распределительными сетями.
Рис. 5.3 позволяет сравнить среднее распределение по месяцам в течение года аварий в передающих сетях (150—230 и 400 кВ) и в сетях СН Э де Ф, хотя критерии, используемые для этого сравнения, не одни и те же.

Рис 5.4. Распределение по часам аварий в передающих линиях в 1960 г.

Можно отметить, что в передающих сетях число аварий в июне и августе растет в связи с грозами, а число аварий зимой уменьшается. В некоторых сетях СН выпадание снега и образование гололеда в зимнее время вызывает столько же аварий, сколько грозы летом. Этот вывод верен только в целом для всех сетей Э де Ф, поскольку и сети СН в той или иной мере (в зависимости от района) подвержены воздействию гололеда и гроз.
Рис. 5.4 дает распределение причин по часам для общего количества аварий, происшедших на линиях передающих сетей Э де Ф в течение одного года. При этом заметно преобладание аварий из-за ударов молний, особенно в послеполуденное время,  и значение конденсации, которая вызывает «утренние аварии» , долгое время считавшиеся загадочными.
Рис. 5.5, относящийся к сети долины Эльзаса, дает комбинацию двух распределений. Из рисунка видно, что зимние аварии редки и что ночь (от 23 ч. до 5 ч.) является спокойным периодом). Эта вторая констатация (в противоположность предыдущей) является достаточно общей для распределительных сетей СН и НН.

Рис. 5.5. Пример диаграммы распределения (по дням года и часам дня) аварий, имевших место в одной из линий СН Каждая точка дает день и час аварии

Распределение причин по форме и природе.

Ранее было замечено, что форма определяется числом затронутых аварией фаз, а природа — характером аварии (переходящий или постоянный). Необходимо учитывать, что имеется большое число самоустраняющихся отказов, т. е. таких, которые самопроизвольно исчезают перед переключением и, следовательно, практически не дают перерывов питания. Доля самоустраняющихся отказов оценивается в 10—20% от общего количества отказов.
В табл. 5.3 приведены только те отказы, которые вызывали перерывы в электроснабжении независимо от продолжительности их.
Особое значение имеют для характеристик «защитных» автоматов сети следующие данные таблицы:
существенная доля однофазных отказов; это зачастую позволяет ограничивать действие автоматов только одной фазой;
большая доля самоустраняющихся отказов; т. е. отказов, исчезающих после отключения, длящегося долю секунды (отключенное короткое замыкание) или несколько секунд (полуустойчивый отказ).
Можно уточнить, что в распределительных сетях СН:
среди однофазных отключений менее 10% являются устойчивыми;
среди многофазных отключений приблизительно 20% устойчивы;
отключенные короткие замыкания менее часты в случае многофазных отключений по сравнению с однофазными.
Эти цифры могут вызвать удивление, если априори полагать, что многофазный отказ имеет более тяжелые последствия, чем однофазный.
Распределения отключений по форме и природе в других странах похожи на распределения, приведенные в табл. 5.3. И тем не менее разделение отказов на самоустраняющиеся, отключенные короткие замыкания и полуустойчивые зависит от:
структуры сетей: число «отключенных» срабатыванием выключателя потребителей наиболее велико для радиальных сетей по сравнению с замкнутыми и тем более сложнозамкнутыми сетями;
режима нейтрали: однофазная - авария может не повлечь за собой отключения, если нейтраль изолирована (от земли) или имеет компенсирующую индуктивность (катушку Петерсена); однако неповрежденные фазы не попадают под такое же повышенное напряжение, если нейтраль заземлена через активное сопротивление или напрямую;
защиты от перенапряжений: срабатывание газового разрядника создает или самоустраняющийся отказ, или отключенное короткое замыкание;
Т а б л и ц а 5.3. Приблизительное распределение перерывов в зависимости от их формы и природы

защиты от перегрузки: предохранители превращают любой малоустойчивый отказ в устойчивое отключение.
Например, в передающих сетях США (225—245 кВ) около 80% аварий составляют однофазные, несмотря на наличие грозозащитных тросов, почти все снимающие грозовые перенапряжения. Однако в США соотношения изоляции линии по отношению к земле и между- фазовая изоляция отличны от таковых во Франции.
В этих же самых передающих сетях США доля устойчивых отказов составляет около 28% против 7% во Франции; эта цифра имеет смысл только тогда, когда подчеркивает, что в США общее число аварий на 100 км линии приблизительно в десять раз меньше, чем во Франции, особенно из-за снижения аварий от грозовых перенапряжений в связи с применением грозозащитных тросов.

Провалы напряжения.

Рассмотрим только провалы напряжения, большие 10%, поскольку:
меньшие провалы напряжения трудно отличить, от простых падений напряжения, особенно если они связаны с фликкером;
только эти провалы не вызывают последствий, похожих на последствия от перерывов в питании.
Практически невозможно определить причины провалов напряжения, наблюдаемых в сетях; многие являются последствием переключений, осуществляемых в удаленной точке системы. Измерения, произведенные на сборных шинах среднего напряжения и подстанциях, питающих распределительные сети, выявили:
около 200 провалов напряжения в год в районе Парижа;
более 300 —в зонах, обслуживающих сельские зоны.
Распределение провалов напряжений в зависимости от их величины
(подстанций Парижского района) приведено ниже, %:

На основании имеющихся статистических данных нельзя сделать обобщающих выводов. Но примерное представление о них дают данные табл. 5.4.
Таблица 5.4. Распределение провалов напряжения в зависимости от их продолжительности в каждой области с относительной амплитудой

Установлено, что провалы с относительно малой величиной имеют малую продолжительность (редко более 1 с) при тем большей вероятной продолжительности, чем больше их относительная величина.
Табл. 5.4 выявляет также влияние плотности сетей, которая сильно снижает средние величины провалов напряжения.