О надежности КРУЭ

О надежности КРУЭ и коммутационных аппаратов с традиционной изоляцией

Мисриханов М.Ш.,   Мозгалев К. В.,   Шунтов А. В.

Комплектные распределительные устройства (РУ) с элегазовой изоляцией (КРУЭ) появились на мировом рынке в конце 60-х годов. С тех пор для РУ электроустановок они занимают прочные позиции в практике промышленно развитых стран. К настоящему времени накоплен обширный, более чем 30-летний опыт эксплуатации КРУЭ.
Столь быстрое и широкое внедрение КРУЭ связано главным образом с их исключительной компактностью, причем без ущерба для других технических характеристик. Это позволяет наиболее рационально решать проблему приобретения земельных участков, которая при обосновании и выборе схем электроустановок нередко является определяющей.
Стоимость ячейки КРУЭ, например 220 кВ, оценивается на мировом рынке в 0,9- 1,6 млн. дол. Учитывая площадь, занимаемую ячейкой с выключателем соответствующего класса напряжения, и стоимостные характеристики земельных участков, оказывается, что даже с экономической позиции, которая не всегда является основой при выборе площадки сооружения электроустановки, использование КРУЭ в таких случаях является наиболее предпочтительным, а иногда, как например, при сооружении РУ в стесненных условиях, и единственно возможным решением.
Так, площадь, занимаемая ячейкой с выключателем 220 кВ открытого РУ (ОРУ) с воздушной изоляцией, составляет не менее 0,1 га, а КРУЭ ведущих мировых производителей 0,0007 - 0,0011 га. Цена земли в крупных городах, например США, еще в 80-х годах находилась в диапазоне 110 - 270 млн. дол/га, в Японии - свыше 2 млрд. дол/га. Более того, в течение нескольких лет цена земли может удваиваться и данная тенденция сохраняется. Таким образом, в ряде случаев оказывается, что стоимость земли выше (и намного) затрат на электроустановку, размещаемую на ней.
В последнее время проблема приобретения земельных участков все заметнее получает в России экономическую окраску и особенно в городах. По опубликованным в 2000 г. данным минимальная экспертная цена земли в Москве - 6 млн. дол/га.
Применение КРУЭ в России до сих пор носит ограниченный характер, при том, что первая опытная ячейка КРУЭ 110 кВ была изготовлена в 1973 г. Однако ужесточение экологических требований, возрастание проблем с землеотводами и ряд других причин должны изменить такое положение.
Кроме компактности, для КРУЭ характерны высокая надежность, степень безопасности для эксплуатационного и ремонтного персонала и сейсмостойкость, простота монтажа и обслуживания, малая продолжительность подготовки площадки сооружения. Для элегазового оборудования не существует проблем наведения мощных электрических полей и слышимого шума.
Анализ показывает, что независимо от организационной структуры отрасли и форм собственности в качестве основной цели функционирования энергосистем принимают обеспечение надежного электроснабжения потребителей при наименьших затратах. Для обеспечения надежного и экономичного электроснабжения энергокомпаниям приходится договариваться об общей цели, обеспечивать взаимный обмен данными для ее достижения, устанавливать общие критерии надежности и, наконец, распределять справедливым образом выгоду от сотрудничества. При этом наиболее пристальное внимание уделяется аспектам надежности [1].
Схемы коммутации электроустановок повышенных напряжений приоритетно выделяют среди прочих схем. На то имеется веская причина. Электростанции и крупные подстанции, являясь опорными коммутационными узлами внутри- и межсистемных связей, пунктами по поддержанию требуемого качества электроэнергии, регуляторами параметров графиков нагрузки энергосистем, оказывают заметное влияние на надежность и экономичность режимов их работы. Поэтому схемы коммутации и соответствующие им конструкции РУ - важные элементы электроустановок. В этой связи представляется полезным оценить достигнутый уровень надежности КРУЭ и выявить дополнительные преимущества для более широкого использования в энергосистемах страны данного вида оборудования.

Анализ практики промышленно развитых стран показывает [2] стремительную сдачу позиций масляными (баковыми), маломасляными, электромагнитными и воздушными (кроме генераторных) выключателями. Напротив, все более массовое применение получают вакуумные (напряжение до 36 кВ) и элегазовые (до и выше 36 кВ) выключатели, а также КРУЭ. Еще в 70-х годах имелась представительная информация западно-европейских фирм (производители в Великобритании, Швейцарии, Франции, ФРГ и др.) о выпускаемых воздушных выключателях для электроустановок напряжением класса 100-800 кВ. В конце 80-х годов в каталогах тех же производителей фигурировали уже, как правило, элегазовые выключатели и КРУЭ.
Для примера в табл. 1 отражена динамика структуры типов выключателей в ФРГ [3] применительно к сетям 110 кВ.
Иллюстрация типичного состава коммутационного оборудования в крупных отечественных энергосистемах приведена в табл. 2 по состоянию на 2002 г.
Как видно из данных табл. 2, доля элегазового коммутационного оборудования (баковые и колонковые элегазовые выключатели, а также КРУЭ) не превышает 2-10% общего числа установленных выключателей. По данному показателю оснащенность отечественных энергосистем рассматриваемыми типами оборудования соответствует уровню 80-х годов в промышленно развитых странах. Также следует обратить внимание на широкое (около 60%) использование в сетях 110 - 220 кВ масляных (баковых) выключателей. Их производство прекращено более 20 лет назад. Это означает, что в предстоящие годы в энергосистемах России предстоит выполнить большой объем работ по замене физически и морально изношенного коммутационного оборудования.
Сбор статистических данных по надежности КРУЭ был инициирован рабочей группой исследовательского комитета № 23 СИГРЭ [4] в начале 90-х годов. На этом работы не были оставлены. К 2000 г. ей удалось собрать и обработать данные по 50% КРУЭ, эксплуатируемых в мире (табл. 3) [5]. Под респондентом в табл. 3 понимается энергосистема (региональная, национальная), энергокомпания, штат и пр., а под средним числом присоединений - их число, присоединенное к одному КРУЭ. Из общего числа КРУЭ (табл. 3) - 43% наружной и 57% внутренней установки.
Прежде чем переходить к характеристикам надежности КРУЭ, обратим внимание на показатель среднего числа присоединений к РУ рассматриваемого класса напряжения. Число присоединений - один из важнейших факторов, учитываемых при обосновании и выборе схем коммутации. Анализ статистических данных по энергосистемам России показывает [6], что в сетях 110 кВ и выше обширного региона электроснабжения подстанция имеет на стороне высшего напряжения пять присоединений, на вторичной стороне их число удваивается. При этом соотношение между числом питающих и нагрузочных узлов равно 1:3, т.е. на один питающий узел приходится три нагрузочных.
Поясним, что сторона высшего напряжения понижающей подстанции является нагрузочным узлом в сети данного напряжения, а вторичная сторона - питающим узлом сети рассматриваемого класса напряжения. Поэтому среднее число присоединений в схемах коммутации с учетом числа и питающих, и нагрузочных узлов можно оценить так. Допустим, что в сети рассматриваемого класса напряжения есть n узлов, из них 30% питающие (0,3n). Следовательно, n - 0,3n = 0,7n - число нагрузочных узлов. Тогда среднее число присоединений к коммутационному узлу составит (10 · 0,3n + 5 · 0,7n )/n = 6,5, где 10 - среднее число присоединений к питающему узлу; 5 - то же, но к нагрузочному.

Таблица 1
Структура типов выключателей 110 кВ в ФРГ

Таблица 2
Структура типов выключателей 110 — 500 кВ в энергосистемах России

Сравнение полученного значения (6,5 присоединений) со средним числом присоединений в электроустановках напряжением класса до 300 кВ включительно (табл. 3, электроустановки массового использования, для которых должны проявляться законы больших чисел) свидетельствует об их совпадении. Надо полагать, что в электрических сетях обширных регионов в том или ином виде объективно проявляются общие принципы (закономерности) формирования их структуры и параметров.
Один из важнейших показателей надежности - параметр потока отказов ω, характеризующий частоту их возникновения, 1/год. Как известно, у восстанавливаемых элементов параметр ω определяется как плотность вероятности возникновения отказов за рассматриваемый период, т.е. ω = m/(kT), где m - число отказов наблюдаемых k элементов за время T. В табл. 4 приведены значения параметра потока отказов КРУЭ [5] с дифференциацией по ячейкам до и после 1/I 1985 г. выпуска.
За период до 31 /XII 1995 г. общее число отказов в наблюдаемых КРУЭ составило 867. Из них 20% фиксировалось в первый год эксплуатации. Несмотря на это, сохраняется общая тенденция, согласно которой при сроке службе электроустановок 20 лет и более их аварийность возрастает не менее чем в 2 раза (прослеживается на уровне и 1990, и 1995 гг.). Если принять во внимание все ячейки без учета года их выпуска, оказывается, что результирующий параметр потока отказов ячеек снизился за 5 лет с 0,0097 до 0,0075 1/год, т.е. на 30%. Вероятно, последнее связано с проводимыми работами по совершенствованию конструкций и условий технического обслуживания КРУЭ.
Далее приведено распределение отказов по элементам КРУЭ на основании [5].

Приведенная структура отказов типичная. Наиболее критичный с позиций надежности модуль КРУЭ - выключатель и его привод.
Возникавшие отказы проявлялись следующим образом:

Расследование аварий выявило следующие их первопричины.

Таблица 3
Статистическая выборка по КРУЭ

*Последняя цифра в приведенные пределы номинальных напряжений не входит.
** Общее число стран и респондентов.

Таблица 4
Значения параметра потока отказов КРУЭ
Параметр потока отказов ячейки с выключателем, 1 /год

Примечание. Последняя цифра в приведенные пределы номинальных напряжений не входит.

Как видно, основная причина отказов - вина завода-изготовителя (46,7%). Применительно к отечественным условиям дефекты производства КРУЭ составляют 9,7% общего числа отказов, а недостатки эксплуатации - 24,8% [7]. Необходимо с осторожностью относиться к сравнению приведенных данных. Отечественные КРУЭ по ряду важнейших параметров, в первую очередь, весовым и габаритным характеристикам, уступают ведущим мировым аналогам [8]. Как известно, чистота сборки КРУЭ - первостепенное требование, обеспечиваемое только в заводских условиях. Поэтому превалирующая доля отказов по вине завода-изготовителя, по нашему мнению, является более объективной оценкой.