Сборник докладов - Электроэнергетика глазами молодежи 2010

Подождите немного. Документ загружается.

305

Рисунок 1 – Участок схемы городской кабельной сети на примере малого города

(в скобках указаны токи КЗ в минимальном и максимальном режимах)

Рисунок 2 – Участок схемы городской кабельной сети на примере большого города

306

Одним из способов улучшения теплового режима кабельных линий является сни-

жение времени КЗ. Уменьшить время отключения КЗ можно следующими путями:

1. Учитывая, что многофазные КЗ в кабеле не самоустраняются, автоматическое

повторное включение (АПВ) на КЛ выводят, при этом попутно добиваются снижения зна-

чения интеграла Джоуля на 50 %. Однако при этом проявляется другая проблема: уста-

новленные в качестве дополнительных защит МТЗ (основная) и токовые отсечки (ТО) с

принятым коэффициентом чувствительности 1.2 становятся неэффективными, их выводят

из действия, что вновь приводит к росту термического импульса.

2. Применять выключатели 6(10) кВ с меньшим временем отключения. При пере-

ходе к использованию выключателя со временем отключения 0,04 с вместо 0,1 с (АПВ

выведено) значение интеграл Джоуля уменьшается на несколько процентов.

3. На отходящих от РТП-6(10) кВ КЛ (далее КЛ1) применять ТО без выдержки

времени или МТЗ с обратно зависимой характеристикой срабатывания.

4. На КЛ, отходящих от центров питания ЦП (далее КЛ2), кроме МТЗ обязательно

применять ТО без выдержки времени или с небольшой выдержкой времени в сочетании с

АПВ и автоматикой ввода резерва, которые полностью или частично ликвидируют отри-

цательные последствия работы неселективных отсечек.

5. Производить замену реле на реле с более низким разбросом по току срабатыва-

ния, выполнять защиту силовых трансформаторов и отходящих от центров питания КЛ на

микропроцессорных терминалах, где реализована функция устройства резервирования от-

каза выключателей и трёхступенчатая токовая защита.

Для снижения суммарного теплового импульса предлагаем вводить ТО [5], даже

если сечение выбираемого кабеля удовлетворяет условиям термической стойкости при

отключении КЗ от действия МТЗ. Рекомендуем выбор тока срабатывания ТО производить

с учётом защиты кабелей, питающих две и более ТП с коэффициентом чувствительности

1.5, то есть ТО будет являться основной защитой КЛ.

В таблице 1 приведена карта уставок выбранных защит по двум вариантам и срав-

нительный анализ значений интеграла Джоуля для схемы на рисунке 1. Первый вариант:

на КЛ установлена МТЗ. Второй вариант: на КЛ установлены МТЗ и ТО с выдержкой

времени (I

сз

= 1260 А, t = 0,7 с), на вводе 6 кВ силового трансформатора T1 выполняется

дополнительно МТЗ первой ступени (I

сз

= 2100 А, t = 1,7 с), согласованная по чувстви-

тельности и времени срабатывания с ТО на КЛ. МТЗ второй ступени необходима для со-

гласования с МТЗ 35 кВ T1.

В таблице 2 приведена карта уставок выбранных защит по двум вариантам и срав-

нительный анализ значений интеграла Джоуля для схемы на рисунке 2. Время защиты на

вводе определено с учётом наличия защиты на секционном выключателе. Первый вари-

ант: на КЛ2 и КЛ1 установлена МТЗ. Второй вариант: на КЛ2 и КЛ1 установлены МТЗ и

ТО с выдержкой времени и без выдержки времени (соответственно), на вводе 10 кВ сило-

вого трансформатора T1 выполняется дополнительно МТЗ первой ступени, согласованная

по чувствительности и времени срабатывания с ТО на КЛ2. МТЗ второй ступени необхо-

дима для согласования с МТЗ 110 кВ T1.

Анализ данных таблиц 1–2 показывает, что выбор уставок по предложенному нами

второму варианту для КЛ предпочтительней. Несмотря на то, что в первом варианте КЛ

проходили по условиям термической стойкости и невозгорания, во втором варианте сни-

жается тепловой импульс (для рассмотренной в качестве примера схемы 2 – на 52 %) и

требуемое сечение КЛ. При этом удовлетворяются общие требования правил устройств

электроустановок, предъявляемых к устройствам релейной защиты и автоматики, снижа-

ется температура нагрева изоляции и согласно закону Вант Гоффа-Аррениуса продлевает-

ся ресурс силовых кабелей.

307

Таблица 1

Вид защиты

Первый вариант Второй вариант

Ток сраба-

тывания, А

Время сраба-

тывания, с

Интеграл

Джоуля,

сА



Ток срабатыва-

ния, А

Время сраба-

тывания, с

Интеграл

Джоуля,

сА



ТО КЛ 1260 0,7

1010 

МТЗ КЛ 450 1,5

1020 

450 1,5

103 

МТЗ 2 В2 1200 2,5

1032 

1200 2,5

1012 

МТЗ 1 В2 2100 1,7

1022 

Прохождение силовых кабелей по термической стойкости

АСБ 3×150

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×120

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×95

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

Прохождение силовых кабелей по условиям невозгорания

АСБ 3×150

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×120

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×95

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

Уменьшение

тер

, % по условиям невозгорания

Таблица 2

Вид защиты

Первый вариант Второй вариант

Ток сраба-

тывания, А

Время сраба-

тывания, с

Интеграл

Джоуля,

сА



Ток сраба-

тывания, А

Время сраба-

тывания, с

Интеграл

Джоуля,

сА



ТО КЛ1 1440 0

108,4 

МТЗ КЛ1 180

0,6 с при

сз

1017 

180

0,6 с при

сз

1045,1 

ТО КЛ2 2000 0,6

101,42 

МТЗ КЛ2 500 2,5

10156 

500 2,5

104,10 

МТЗ 2 В3 2200 3,5

10216 

2200 3,5

1067 

МТЗ 1 В3 4300 1,6

102,102 

Прохождение силовых кабелей по термической стойкости

АСБ 3×185

139

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×120

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×120

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×120

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

Прохождение силовых кабелей по условиям невозгорания

АСБ 3×185

120

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×120

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×120

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

ААШв 3×120

тер.



min

мм

, проходит

тер.



min

мм

, проходит

Уменьшение

тер

, % по условиям невозгорания

308

Таким образом, у обслуживающего персонала в городских кабельных сетях появ-

ляется возможность на этапах проектирования и эксплуатации электрической сети улуч-

шить схему электроснабжения коммунально-бытовой сферы и промышленных предпри-

ятий, увеличить надёжность электроснабжения, снизить риск электроопасных ситуаций.

Путём оптимального выбора типа защит и уставок можно добиться улучшения теплового

режима кабельных линий, снижения теплового импульса на КЛ, отходящих от ПС 35/6 кВ

на 31 %, от ПС 110/10 кВ на 52 % (для рассмотренных в качестве примера схем, представ-

ленных на рисунках 1, 2).

Анализ схем городских кабельных сетей показывает, что значение токов коротко-

го замыкания в самой дальней точке фидера не на много отличается от значения токов ко-

роткого замыкания в начале фидера, т.е. защита на вводе силового трансформатора, как

правило, резервирует действие защиты КЛ, следовательно, зона нечувствительности для

защиты ввода отсутствует (уменьшается возможность электрических травмоопасных си-

туаций).

На этапе проектирования и эксплуатации необходимо производить анализ схем го-

родской электрической сети с учётом работы защит при коротких замыканиях, рассматри-

вать существующие возможности перераспределения нагрузки и оптимизации выбора ти-

па и уставок защит с учётом ресурсосбережения изоляции силовых кабелей. Выбор мощ-

ности подключаемых трансформаторов к городским сетям необходимо производить таким

образом, чтобы исключить возможность неселективной работы защит питающих и отхо-

дящих элементов для снижения ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителю, ко-

личества оперативных переключений при поиске места повреждения.

Список использованных источников

1. Коржов А.В., Сидоров А.И., Юрченко Е.Ю., Николаевский А.Б. Математическая модель

повреждаемости изоляции силовых кабельных линий городских электрических сетей //

Электрические станции. 2008. № 8. С. 40–47.

2. Коржов А.В., Сидоров А.И., Сапожников С.Б., Шилова Г.А. Механическое действие

электродинамических усилий на изоляцию силового кабеля 6–10 кВ // Изв. ВУЗов.

Проблемы энергетики. 2009. № 11–12.

3. Циркуляр № Ц-02-98 (Э). О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока

короткого замыкания. М.: РАО «ЕЭС России». 1998.

4. Коржов А.В. Анализ причин электротравматизма в кабельных распределительных сетях

6(10) кВ // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: IV Международная

научно-практическая конференция: сб. материалов. Челябинск: «Издательский центр

ЮУрГУ». 2009. С. 155–163.

5. Коржов А.В., Сидоров А.И., Коржова О.В. Выбор уставок релейной защиты и автома-

тики в кабельных сетях 6–10 кВ с учётом теплового режима в изоляции // Промышлен-

ная энергетика. 2009. № 6. С. 46–53.

309

УЧЕТ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В ОЦЕНКАХ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Д.В. Микрюков, А.Л. Мызин

УрФУ

Понятия экономика, энергетика и экология органично и неразрывно связаны. Рост

промышленного производства, транспорта оказывает серьезное влияние на жизнь людей,

изменяет среду их обитания. Рациональное и бережное отношение к природным ресурсам,

поиск энергосберегающих технологий стали ключевыми направлениями развития цивили-

зации. Использование новых возобновляемых источников энергии, альтернативных видов

топлива являются определяющими факторами устойчивого развития общества.

Разработана методика диагностирования энергетической безопасности территорий

регионального уровня – субъектов РФ. Диагностирование состояния безопасности терри-

торий проводится на основе индикативного анализа. Сформулированы семь групп инди-

кативных показателей (индикативных блоков), по значению которых можно судить о сте-

пени действия угроз энергетической безопасности различного рода. Каждый индикатив-

ный блок характеризует определенную сторону энергетической безопасности:

1. Блок обеспеченности электрической и тепловой энергией.

2. Блок обеспеченности топливом.

3. Структурно-режимный блок.

4. Блок воспроизводства основных производственных фондов в энергетике.

5. Экологический блок.

6. Финансово-экономический блок.

7. Блок энергосбережения и энергоэффективности.

Включение экологического блока в состав индикативных отражает важность учета

этого фактора, как части энергетической безопасности. Кроме того, в составе некоторых

индикативных блоков также присутствуют индикативные показатели, значения которых в

той или иной степени характеризуют уровень экологической ситуации на территории.

Каждый блок представлен несколькими индикативными показателями, носящими

критериальный характер. Изменение показателя в сторону ухудшения свидетельствует о

возрастании негативного действия угроз безопасности, т.е. о возрастании степени кризис-

ности. Качественные различия в уровнях кризисности по каждому индикативному показа-

телю отражаются оценкой состояния территории по данному показателю. Выделены три

основных типа состояния: нормальное (Н), предкризисное (ПК) и кризисное (К). Для двух

последних типов состояния выделены по три градации углубления степени кризисности:

для предкризисных стадий – начальная (ПК1), развивающаяся (ПК2) и критическая

(ПК3),

для стадий кризиса – нестабильная (К1), угрожающая (К2) и чрезвычайная (К3).

Чтобы различать состояния кризисности для каждого индикативного показателя

(индикатора) устанавливаются его пороговые уровни, в качестве пограничных значений,

разделяющих смежные стадии кризисности. Разработана специальная методика определе-

ния индикативных пороговых уровней, значения которых для ряда индикативных показа-

телей различаются в зависимости

от условий работы систем энергетики территорий.

Значительную трудность в расчетах степени кризисности представляет то, что ин-

дикативные показатели выражены в различных единицах измерения. Между тем, требует-

ся определить кризисность территории не только по индикаторам, но и по их блокам, и

дать оценку ситуации по энергетической безопасности в целом. Для этого разработана

система нормализации индикативных показателей, благодаря которой все индикаторы вы-

310

ражаются в относительных единицах. Кроме того, разработана методика расчета нормали-

зованных оценок степени кризисности по индикативным блокам и ситуации в целом, ос-

нованная на скаляризации многокритериальной системы индикативных показателей.

Ситуация в экологическом блоке оценивалась по следующим индикативным пока-

зателям:

1. Синтетический индикативный показатель экологической приемлемости и эф-

фективности предприятий электроэнергетики, состоящий из двух частных индикаторов:

 удельные выбросы вредных веществ в атмосферу от предприятий электроэнер-

гетики на единицу площади территории, т/км

;

 удельные выбросы вредных веществ в атмосферу от тепловых электростанций

на территории на единицу произведенной ими энергии, кг/МВт.ч.

2. Синтетический индикативный показатель экологической приемлемости и эф-

фективности предприятий топливной промышленности, состоящий из двух частных ин-

дикаторов:

 удельные выбросы вредных веществ в атмосферу предприятий топливной про-

мышленности на единицу площади территории, т/км

;

 удельные выбросы в атмосферу от предприятий топливных отраслей промыш-

ленности территории на условную единицу производимого ими топлива, кг/т у.т.

Наряду с оценкой энергетической безопасности производится комплексная оценка

экономической безопасности, в которой рассматриваются 12 сфер жизнедеятельности, в

том числе сферы «Энергетическая безопасность» и «Экологическая безопасность», при-

чем оценка последней сферы производится по следующим индикативным показателям в

соответствии с вышеуказанной методологией:

1. Индикатор удельных выбросов вредных веществ в атмосферу, отходящих от

стационарных источников загрязнения.

2. Индикатор удельных сбросов загрязненных сточных вод.

Важность учета экологической составляющей очевидна: мало того, что она отдель-

ным блоком учитывается в анализе энергетической безопасности, она также обобщается в

сфере оценки экономической безопасности. Таким образом, на нижнем уровне оценки –

уровне энергетической безопасности – учитывается экологическое влияние предприятий

энергетики, которые вносят существенный вклад в загрязнение окружающей среды, и эта

оценка дополняется при непосредственном рассмотрении экономической безопасности

включением в нее загрязнения от других источников.

Приведем результаты расчета индикаторов экологического блока в рамках

оценки

энергетической безопасности на основе динамики их изменения с 2005 по 2008 гг. для ре-

гионов УрФО.

На рисунке 1 демонстрируется, что состояние большинства регионов УрФО по

синтетическому показателю экологической приемлемости и эффективности предприятий

электроэнергетики характеризуется степенью кризисности не большей, чем развивающая-

ся предкризисная (Тюменская область, ХМАО и ЯНАО – нормальное положение, Курган-

ская область

перешла в область развивающегося предкризиса в 2008 г.). Однако Сверд-

ловская и Челябинская области к 2008 г. перешли в область чрезвычайной кризисности.

По индикативному показателю удельных выбросов вредных веществ в атмосферу

от предприятий электроэнергетики наихудшее положение наблюдается в Челябинской об-

ласти – 4,42 т/км

в 2006 г. (степень чрезвычайной кризисности); хотя к 2008 г. размер

удельных выбросов снизился до 4,2 т/км

и наблюдается тенденция к дальнейшему сни-

жению, положение остается крайне тяжелым. В Свердловской области этот показатель в

2008 г. составил 2,5 т/км

, что также соответствует чрезвычайной степени кризисности.

311

Рисунок 1 – Результаты расчетов по синтетическому индикативному показателю

экологической приемлемости и эффективности предприятий электроэнергетики

для регионов УрФО

По индикатору удельных выбросов вредных веществ в атмосферу от тепловых

электростанций наихудшее положение занимают также Свердловская и Челябинская об-

ласти (2008 г. – 1,74 и 1,31 кг/МВт. ч соответственно; для сравнения – нормальная оценка

в ЯНАО 0,12 кг/МВт. ч). Тем не менее, общая ситуация в федеральном округе по данному

синтетическому показателю оценивается как предкризисная.

Из приведенного графика (рисунок 2) видно, что по показателю экологической

приемлемости и эффективности предприятий топливной промышленности ситуация в

УрФО существенно изменилась за период 2005–2008 гг. – от угрожающей кризисной (К2)

до критической предкризисной (ПК3). Этому существенно способствовало улучшение си-

туации в Курганской и Тюменской областях, особенно в ХМАО, – переход из степени уг-

рожающего кризиса на границу предкризисной зоны.

Рисунок 2 – Результаты расчетов по синтетическому индикативному показателю

экологической приемлемости и эффективности предприятий

топливной промышленности для регионов УрФО

312

Об этом улучшении говорят и индикаторы данного показателя для ХМАО: индика-

тор удельных выбросов вредных веществ в атмосферу от предприятий топливной про-

мышленности уменьшился за три года с 4,93 до 3,43 т/км

; индикатор удельных выбросов

в атмосферу от предприятий топливных отраслей промышленности – с 6,17 до 4,06 кг/т у.т.

Однако в Челябинской области оценка этого показателя ухудшилась и приблизилась к

чрезвычайной кризисной (К3) – 8,39 кг/т у.т, что отражается и на значении общего синте-

тического показателя.

Рисунок 3 – Результаты расчетов по экологическому блоку

для регионов УрФО

Таким образом, получена оценка состояния регионов УрФО по экологическому

блоку в рамках определения энергетической безопасности. Как видно из графика, приве-

денного на рисунке 3, наихудшее положение у Свердловской и Челябинской областей –

их оценки близки к чрезвычайной степени кризисности. Наилучшее же положение наблю-

дается в Курганской и Тюменской областях и в ХМАО. Однако в целом по УрФО ситуа-

ция улучшается на всем рассматриваемом промежутке времени, наблюдается переход из

кризисной зоны в предкризисную.

В итоге анализа результатов расчетов доказано, что экологические факторы вносят

существенные коррективы в представление об энергетической безопасности, а также ука-

зывают на наиболее проблемные области, где развитие объектов электроэнергетики долж-

но проходить при тщательном учете влияния их работы на окружающую среду.

Также были проанализированы результаты расчетов сферы «Экологической безо-

пасности» в рамках оценки экономической безопасности и проведено сравнение влияния

экологических факторов на оценки экономической и энергетической безопасности.

Приведем результаты расчета индикаторов экологической сферы на основе дина-

мики их изменения с 2005 по 2008 гг. для регионов УрФО (с выделением 2000 г.).

Расчеты показывают (рисунок 4), что в целом по региону ситуация нормальная,

лишь Челябинская область во время рассматриваемого периода находилась в разных ста-

диях кризисного состояния.

Как видно из графика (рисунок 5), ситуация по данному показателю в УрФО оце-

нивается как нормальная, однако вновь Челябинская область находится в кризисной зоне

на протяжении всего рассматриваемого периода, причем тенденции к улучшению не на-

блюдается. Оценка Свердловской области по данному индикативному показателю нахо-

дится в зоне развивающегося предкризиса на протяжении всего периода наблюдения.

313

Рисунок 4 – Результаты расчетов по индикатору удельных выбросов

вредных веществ в атмосферу, отходящих от стационарных

источников загрязнения для регионов УрФО

Рисунок 5 – Результаты расчетов по индикатору удельных сбросов

загрязненных сточных вод для регионов УрФО

Расчеты иллюстрируют (рисунок 6), что состояние УрФО с точки зрения оценки по

экологической сфере в рамках формирования оценки экономической безопасности харак-

теризуется как нормальное. Однако Челябинская область все так же резко выделяется

крайне высокими значениями индикаторов, что соответствует высокой степени кризисно-

сти и негативно сказывается на конечной оценке.

В данной статье были проанализированы результаты расчета оценок экологических

показателей в рамках энергетической и экономической безопасности для регионов УрФО

с учетом динамики их изменения. Сопоставление результатов показало, что при расчете

экологического блока, как части оценки энергетической безопасности, оценочные значе-

ния получились хуже, чем при расчете сферы «Экологической безопасности», как части

оценки экономической безопасности. Это говорит о том, что экологические влияние энер-

гетики на оценку ее эффективности и безопасности на данный момент сильнее, чем влия-

ние всех видов загрязнения окружающей среды на экономику в целом. Таким образом,

можно сделать вывод, что развитие энергетики требует особенно тщательного учета ре-

314

гиональных экологических факторов, так как функционирование топливно-энергети-

ческого комплекса оказывает серьезное влияние на экологическую ситуацию территорий.

Рисунок 6 – Результаты расчетов по сфере «Экологическая безопасность»

Исследование выполнялось при финансовой поддержке РГНФ (проект 10-02-

83207А/У).

Список использованных источников

1. Отраслевые и региональные проблемы формирования энергетической безопасности /

Под ред. А. А. Куклина и А. Л. Мызина. Екатеринбург: ИЭ УрО РАН, 2008. 384 с.