УДК 621.316 ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ СХЕМ ГОРОДСКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ДЛЯ ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ВТОРОЙ И ТРЕТЬЕЙ КАТЕГОРИЙ Докт. техн. наук, проф. КОРОТКЕВИЧ М. А., канд. техн. наук. СТАРЖИНСКИЙ А. Л. Белорусский национальный технический университет Схемы городской электрической сети должны обеспечивать электро- снабжение коммунально-бытовых потребителей с заданной Правилами устройства электроустановок степенью надежности. Основной схемой рас- пределительной городской электрической сети для электроснабжения по- требителей первой категории служит двухлучевая схема с двусторонним питанием с автоматическим вводом резерва (АВР) на напряжении 0,38 кВ двухтрансформаторных подстанций при условии подключения взаимно резервируемых линий 6–20 кВ к разным независимым источникам питания. Для обеспечения надежного электроснабжения потребителей второй категории схемы сети имеют резервные элементы, которые вводятся в ра- боту (после повреждения основных элементов) оперативным персоналом. При этом может быть непосредственное резервирование линий напряже- нием 6–20 кВ, трансформаторов и линий 0,38 кВ, а также взаимное резер- вирование отдельных элементов сети (трансформаторов через сеть 0,38 кВ, резервирование линий 6–20 кВ и трансформаторов через сеть 0,38 кВ). Городские электрические сети для питания потребителей третьей кате- гории выполняются по радиальным нерезервируемым линиям напряже- нием 6–20 и 0,38 кВ, а также по петлевым резервируемым линиям напря- жением 6–20 кВ с целью обеспечения двустороннего питания каждой трансформаторной подстанции и радиальным нерезервируемым линиям напряжением 0,38 кВ к потребителям. Системы электроснабжения ответственных потребителей городской электрической сети имеют, как правило, иерархическую структуру, которая предполагает, что отключение любого элемента или группы элементов про- изводится одним коммутационным аппаратом, и в схеме нет нормально включенных поперечных связей. Поэтому электроснабжение любого узла в любой момент времени возможно лишь от одного из нескольких источни- ков питания по единственному пути. Выбор этого пути определяется дейст- виями противоаварийной автоматики и оперативного персонала. Отказы системы электроснабжения какой-либо из секций или групп секций насту- пают при разрыве всех возможных путей: рабочих, резервных и аварийных. Дадим количественную оценку уровня надежности схемам электроснабже- ния потребителей второй и третьей категорий. В качестве такого критерия примем коэффициент неготовности схемы нести нагрузку из-за внезапных отказов ее элементов. Программа REISS, разработанная в Санкт-Петербургском государст- венном техническом университете на кафедре «Электрические станции», полностью автоматизирует процесс анализа схемы и вычисление показате- 12 лей структурной надежности иерархических систем электроснабжения. Программа предназначена для вычисления частоты и длительности пере- рывов электроснабжения одновременно произвольного количества входя- щих в систему электроснабжения потребителей, а также коэффициента не- готовности данных потребителей в отношении такого события [1]. Реализованная в программе модель анализа структурной надежности системы электроснабжения позволяет вычислять частоты λ и длительно- сти Т погашений потребителей в нормальном режиме и в режимах аварий- ного простоя оборудования систем резервного и рабочего электроснабже- ния c учетом повреждений оборудования системы электроснабжения, воз- можности отказов в срабатывании устройств релейной защиты (РЗ) и ком- мутационной аппаратуры (КА) при отключении коротких замыканий, а также отказов в переключении на резервное электроснабжение из-за от- казов в срабатывании АВР и коммутационных аппаратов вводов рабочего и резервного питания. Значения λ и Т в общем виде определяются по вы- ражениям [1]: 1 λ λ( ); k k   (1) 1 ( )λ( ),λ kT T k  k (2) где λ(k) и Т(k) – соответственно частоты и длительности смоделированных аварий k-го вида, приводящих к расчетному погашению: λ( ) ( , )λ( , ) ( , ); s k q k j k m Q k s  (3) о.п ( , )( ) ( , )λ( , )min ; ( , ); ( , ). 2 s t k jT k q k j k m t k m t Q k s     (4) Здесь q(k, j) – относительная длительность ремонтного простоя j-гo элемента, о. е.; λ(k, m) – частота повреждения m-го элемента схемы, 1/год; t(k, m) и t(k, j) – длительности послеаварийного восстановления m-го и j-го элементов схемы, ч; tо.п – время оперативных переключений, ч; Q(k, s) – вероятность отказа в срабатывании s-го устройства РЗ, КА или АВР. Коэффициент неготовности потребителей Кн вычисляется по выраже- нию [1] н λ . 8760 TK  (5) Подготовка исходных данных для расчета структурной надежности схемы сети сводится к нумерации элементов схемы в определенной после- довательности. Затем составляется матрица связности [В]. Здесь для каж- дого коммутационного аппарата в порядке следования их номеров записы- ваются номера примыкающих к ним узлов (источников питания, транс- форматоров, секций шин, линий и отдельных потребителей). С помощью программы REISS выполним расчет надежности городской распределительной электрической сети второй категории одного из жилых 13 микрорайонов г. Минска (рис. 1), а именно определим надежность элек- троснабжения потребителей, питающихся от шин трансформаторной под- станции напряжением 0,38 кВ (в нормальном режиме секционный выклю- чатель на распределительном пункте РП-10 кВ отключен, секционные разъединители напряжением 10 кВ и секционные рубильники напряжени- ем 0,38 кВ на трансформаторных подстанциях отключены; в случае повре- ждения питающей линии на РП-10 кВ срабатывает АВР). Также произве- дем расчет надежности схемы потребителей третьей категории при различ- ных местах разрыва питающей сети 10 кВ (рис. 2). Данные о надежности отдельных элементов, подключенных к сети на- пряжением 0,38 кВ системы электроснабжения [2–4], представлены в табл. 1. Результаты расчетов надежности схемы электроснабжения потребите- лей второй категории с вакуумными и маломасляными выключателями (рис. 1) представлены в табл. 2, а потребителей третьей категории с ва- куумными выключателями на РП-10 кВ (рис. 2) – в табл. 3. Таблица 1 Показатели надежности элементов городской электрической сети Элемент Номинальное на-пряжение Uн, кВ λi, 1/год tв, ч/отказ λпл, 1/год tпл, ч/откл. Масляные выключатели 6–10 0,01500 9,0 0,140 6,8 Вакуумные выключатели 10 0,00400 8,0 0,200 15,4 Силовые трансформаторы 6–10 0,01400 42,0 0,250 6,0 Кабельные линии на 1 км 6–10 0,00500 4,4 1,000 2,0 6–10 0,09000 2,0 0,498 15,0 Сборные шины 0,38 0,00200 0,9 0,498 15,0 Предохранители 6–10 0,02000 2,0 0,166 4,0 Автоматические выключатели 0,38 0,00130 1,3 0 0,0 Рубильники 0,38 0,00005 2,0 0,166 1,8 Таблица 2 Показатели надежности схемы электроснабжения потребителей второй категории на РП-10 кВ Показатель надежности Частота отказов λ, 1/год Длительность пога- шения потребителей Т, ч Коэффициент неготовности Кн, 10–3, о. е. Секция шин I 0,38 кВ ТП-1 0,6276/0,6496 2,2960/2,388 0,1645/0,1771 Секция шин I 0,38 кВ ТП-2 0,6276/0,6496 2,5950/2,678 0,1859/0,1986 Секция шин I 0,38 кВ ТП-3 0,6256/0,6476 2,8333/2,908 0,2023/0,2149 Примечание. Числитель – вакуумные выключатели, знаменатель – маломасляные. Таблица 3 Показатели надежности схемы электроснабжения потребителей третьей категории на РП-10 кВ Отключен разъединитель номер Показатель 1 2 3 4 5 6 Шины 0,38 кВ ТП 1 λ, 1/год 0,3185 0,4514 0,5834 0,7139 0,8459 0,9793 t, ч 3,3380 2,5610 2,1400 1,8770 1,6930 1,5580 Кн·10–3, о. е. 0,1213 0,1320 0,1425 0,1530 0,1635 0,1742 14 Шины 0,38 кВ ТП 2 λ, 1/год 0,8406 0,4514 0,5834 0,7139 0,8459 0,9793 t, ч 2,5370 2,8910 2,3950 2,0850 1,8690 1,7100 Кн·10–3, о. е. 0,2434 0,1490 0,1595 0,1700 0,1805 0,1912 Шины 0,38 кВ ТП 3 λ, 1/год 0,7087 0,7087 0,5834 0,7139 0,8459 0,9793 t, ч 2,6730 2,6740 2,6440 2,2890 2,0410 1,8580 Кн·10–3, о. е. 0,2163 0,2163 0,1761 0,1865 0,1971 0,2077 Шины 0,38 кВ ТП 4 λ, 1/год 0,5782 0,5782 0,5781 0,7139 0,8459 0,9793 t, ч 2,8770 2,8770 2,8770 2,4850 2,2070 2,0010 Кн·10–3, о. е. 0,1899 0,1899 0,1899 0,2025 0,2131 0,2237 Шины 0,38 кВ ТП 5 λ, 1/год 0,4442 0,4442 0,4442 0,4442 0,8439 0,9773 t, ч 3,2050 3,2050 3,2050 3,2060 2,3820 2,1520 Кн·10–3, о. е. 0,1625 0,1625 0,1625 0,1625 0,2294 0,2401 Шины 0,38 кВ ТП 6 λ, 1/год 0,3108 0,3108 0,3108 0,3108 0,3107 0,9773 t, ч 3,7960 3,7960 3,7960 3,7960 3,7970 2,3060 Кн 10–3, о. е. 0,1347 0,1347 0,1347 0,1347 0,1347 0,2573 Как видно из табл. 2 (рис. 1), при установке маломасляных и вакуумных выключателей на РП наиболее удаленная трансформаторная подстанция имеет самый высокий коэффициент неготовности, который больше соот- ветствующего коэффициента неготовности ближайшей трансформаторной подстанции в 1,21 и 1,23 раза соответственно. Применение вакуумных вы- ключателей на РП вместо маломасляных приводит к несущественному снижению коэффициента неготовности (в 1,06–1,07 раза), что объясняется учетом надежности работы автоматического ввода резерва на распредели- тельном пункте напряжением 10 кВ. Из табл. 3 (рис. 2) видно, что надежность потребителей, питающихся от шин трансформаторной подстанции напряжением 0,38 кВ, значительно (в 1,2–1,9 раза) изменяется при изменении точки разрыва сети напряжени- ем 10 кВ (точки 1–6). Наиболее целесообразная, с точки зрения струк- турной надежности точка разрыва сети для схемы рис. 2, – это точка под номером 3. Здесь при разрыве сети напряжением 10 кВ от каждой секции РП-10 кВ питается равное количество однотрансформаторных подстанций. В этом случае схема рис. 2 сопоставима по надежности со схемой рис. 1, обеспечивающей электроснабжение потребителей второй категории. Комплексный подход к определению наилучшей точки разрыва сети напряжением 10 кВ состоит в учете минимума дисконтированных затрат, а также максимума надежности электроснабжения и минимума емкостных токов замыкания на землю, который предполагает использование метода многоцелевой оптимизации [4, 5]. В Ы В О Д Ы Схемы городской электрической сети для электроснабжения потреби- телей второй и третьей категорий в определенных случаях имеют близкие по значению показатели надежности, так как оснащены автоматическими отключающими аппаратами только в центрах питания и работают в разом- кнутом режиме. 15 Наименее надежно питание потребителей от более удаленных трансфор- маторных подстанций. Коэффициент неготовности схемы нести нагрузку (для петлевой линии сети от места ее нормального разрыва) увеличивается с удалением трансформаторной подстанции от источника питания. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Э л е м е н т ы САПР электрической части АЭС на персональных компьютерах / А. К. Черновец [и др.]. – СПб.: Санкт-Петербург. гос. техн. ун-т, 1992. – 89 с. 2. Э л е к т р о т е х н и ч е с к и й справочник: в 3 т. / редкол.: И. И. Орлов (гл. ред.) [и др.]. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – T. 3, кн. 1: Производство и распределение электри- ческой энергии. – 880 с. 3. Г у к, Ю. Б. Теория и расчет надежности систем электроснабжения / Ю. Б. Гук; под. ред. Р. Я. Федосенко. – М.: Энергия, 1970. – 117 с. 4. К о р о т к е в и ч, М. А. Соотношение показателей надежности питающей городской электрической сети напряжением 6–10 кВ и системы глубокого ввода // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики / М. А. Короткевич. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2005. – Вып. 55. – С. 52–59. 5. К о р о т к е в и ч, М. А. Эксплуатация электрических сетей / М. А. Короткевич. – Минск: Вышэйш. шк., 2005. – 364 с. Представлена кафедрой электрических систем Поступила 29.06.2012 16