Министерство Энергетики

Допустимые токовые нагрузки можно и нужно посчитать заново

Андрей ЛЯНЗБЕРГ
Заместитель начальника отдела электрических режимов Департамента оперативно-технологического управления ПАО «ФСК ЕЭС», к. т. н.
e-mail: Lyanzberg-av@fsk-ees.ru

Василий КАПУСТИН
Главный эксперт отдела электрических режимов Департамента оперативно-технологического управления ПАО «ФСК ЕЭС»
e-mail: Kapustin-va@fsk-ees.ru

A. LYANZBERG
Deputy Head of the Electric Modes Division
of the Department of Operational and Technological Management FGC UES, CES
e-mail: Lyanzberg-av@fsk-ees.ru

V. KAPUSTIN
Chief Expert of the Electric Modes Division of the Department of Operational and Technological Management FGC UES
e-mail: Kapustin-va@fsk-ees.ru

Аннотация. В статье рассмотрены проблемы, связанные с устаревшими требованиями к стандартизации допустимых токовых нагрузок основного электротехнического оборудования подстанций и проводов линий электропередач. Описан возможный положительный эффект при актуализации данных требований. Приведено описание уже реализованных решений по направлению. Даны предложения по развитию нормативных требований с учётом технических ограничений.
Ключевые слова: допустимые нагрузки, воздушные линии электропередач, оборудование подстанции, нормативные требования, цифровизация.

Abstract. The article discusses the existing problems associated with outdated requirements for the standardization of main substation equipment and overhead lines conductor admissible current capacities. A possible positive effect is described when updating these requirements. A description of already implemented solutions in the power energy area is given. Suggestions for the development of regulatory requirements are given, taking into account engineering constraints.
Keywords: admissible capacities, overhead lines, substation equipment, regulatory requirements, digitalization.

Электроэнергетическая отрасль переживает этап активного развития и внедрения цифровых технологий в процессы организации получения, передачи, распределения и преобразования электроэнергии. В условиях прогрессивного развития и внедрения автоматизированных цифровых систем и программных комплексов целесообразно рассмотреть возможность актуализации и совершенствования нормативных документов, регламентирующих, в частности, требования к эксплуатации основного электроэнергетического оборудования.
Первым документом, утвердившим обновлённые подходы, стал приказ Минэнерго РФ «Об утверждении требований к перегрузочной способности трансформаторов и автотрансформаторов, установленных на объектах электроэнергетики» [1] от февраля 2019 года, в котором перегрузочная способность трансформаторов и автотрансформаторов зависит от целого ряда факторов: технического состояния, срока эксплуатации, температуры охлаждающей среды, длительности и величины перегрузки.
В статье рассматривается вопрос развития регламентирующих документов, определяющих допустимые токовые нагрузки воздушных линий электропередач и электросетевого оборудования, актуализация которых позволит сделать еще один шаг в сторону цифровизации отрасли.

Ретроспектива, настоящее и будущее

На текущий момент допустимые токовые нагрузки типовых проводов воздушных линий электропередач регламентируются правилами устройства электроустановок. В данном документе допустимые токовые нагрузки по проводам определены при зафиксированных условиях (за исключением температуры наружного воздуха) и рассчитаны, исходя из недопустимости длительного нагрева проводов воздушных линий свыше 70 °C. Для каждого значения температуры наружного воздуха допустимая токовая нагрузка проводов представляется одним числом, не зависящим от других факторов. Превышение же этой величины даже на несколько десятых процентов недопустимо как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации, независимо от длительности такой перегрузки.
При этом в ГОСТе указано, что длительно допустимая температура сталеалюминиевых проводов в процессе эксплуатации не должна превышать 90 °C. На основании этого можно сделать вывод о возможности повышения значений допустимых токовых нагрузок, указанных в правилах, обеспечив при этом контроль соответствия требованиям в части допустимых расстояний от провода до земли, препятствий и пересечений.

Сейчас целесообразно рассмотреть возможность актуализации нормативов по эксплуатации основного электроэнергетического оборудования

Кроме того, значения допустимых токовых нагрузок по проводам в правилах регламентируются при температурах наружного воздуха от –5 до +50 °C, хотя известно, что максимумы нагрузок в энергосистеме приходятся на холодное время года, когда температуры во множестве регионов России существенно ниже, чем –5 °C. В эти периоды возможно увеличить допустимые токовые нагрузки, если учесть дополнительное охлаждение провода.
Не учитывают правила и особенности конструкции линии, климатические условия региона её расположения, включая такие факторы как солнечная радиация, направление и сила ветра.
Требования к пропускной способности воздушных линий, указанные в правилах, разрабатывались более сорока лет назад. Имеющихся в наши дни исследований в области пропускной способности проводов линий электропередач достаточно для создания математических моделей, позволяющих подробно анализировать электротепловые и механические процессы, влияющие на нагрев провода, и, как следствие, его допустимую токовую нагрузку. Кроме того, существующие комплексы противоаварийной автоматики, направленные на ограничение перегрузочной способности воздушных линий, имеют возможность задания множества ступеней срабатывания в зависимости от величины тока и длительности его протекания, что позволяет минимизировать объемы управляющих воздействий и повысить надёжность электроснабжения потребителей.

Высоковольтные лэп
Источник: Zaiets Roman / Depositphotos.com

Теперь у нас есть техническая возможность задавать значение пропускной способности проводов воздушных линий не одним независимым числом, а функцией от целого ряда факторов: длительности и величины протекающего тока, климатических и конструкторских условий.
Отдельные сетевые компании уже используют у себя такие подходы. Например, в «Россетях» определение допустимых токовых нагрузок по воздушным линиям регламентировано внутренним стандартом организации [4], позволяющим определять длительные и аварийные допустимые токовые нагрузки с учетом различных факторов. Как правило, величины, рассчитанные с использованием стандарта выше величин, указанных в правилах, а отдельные значения допустимой аварийной нагрузки, наоборот, превышают значения, указанные в правилах более чем на 50 %. Для определения допустимых токовых нагрузок используется программный комплекс, позволяющий производить автоматизированный расчёт с учетом требований действующих нормативно-­технических документов. Подробный опыт применения стандарта и положительные эффекты его использования описаны в [5].
Регламентация допустимой пропускной способности высокочастотных заградителей, линейных выключателей, линейных разъединителей, кабельных вставок, токоограничивающих реакторов и иного первичного оборудования подстанций ограничивается, преимущественно, заданием типовых номинальных линеек, также представляющих собой одно значение без учёта влияющих на нагрев токоведущих частей факторов.
Исключением можно назвать ГОСТ о трансформаторах тока [6], в котором присутствует понятие «наибольший рабочий первичный ток» для трансформаторов тока с указанием на возможность его превышения. Использование данного значения как аварийно допустимого позволяет повысить пропускную способность элемента электрической сети. Однако и здесь само значение аварийной нагрузки – это лишь одно, независящее от других факторов, число (согласно ГОСТ о трансформаторах тока – 120 % от наибольшего рабочего тока).
Неизменная задача отрасли по повышению надёжности электроснабжения потребителей и наличие возможности уточнённого моделирования тепловых процессов подталкивают нас к актуализации данных по пропускной способности первичного оборудования подстанций.
На основании полученных от заводов-­изготовителей данных уже сейчас можно утверждать, что для большинства электросетевого оборудования возможна работа с ограниченным по времени превышением номинального тока без последствий для его технического состояния. При этом имеется зависимость номинальной пропускной способности от температуры окружающей среды.

Практические преимущества нового подхода

Токовая нагрузка линий электропередач и электросетевого оборудования напряжением 110 кВ и выше является одной из ключевых характеристик электроэнергетического режима Единой энергетической системы. В задачи сетевых компаний входит корректное определение допустимого уровня токовых нагрузок сетей для различных условий.
Подготовленная информация о допустимых токовых нагрузках оборудования направляется в диспетчерские сетевых компаний для планирования и ведения электроэнергетического режима, а также в проектные организации для разработки схем и программ перспективного развития электроэнергетики и иных документов. Соответственно, чем выше будут направленные значения, тем меньшие ограничения, как генерации, так и потребителей, возможны при ведении режима. Снижаются и ожидаемые капитальные затраты на развитие сети для обеспечения возможности передачи электроэнергии в будущем.
От допустимых токовых нагрузок зависит эффективность использования основного электроэнергетического оборудования, а, значит, и прибыль сетевых организаций и станций. Пропускная способность является одним из факторов определения возможности технологического присоединения новых потребителей и производителей электроэнергии, увеличения мощности существующих. Поэтому многие сетевые компании заинтересованы в повышении пропускной способности существующих электрических сетей за счет полного использования возможностей оборудования, без снижения ресурса и надежности. С другой стороны, необходимо помнить, что избыточное повышение пропускной способности основного оборудования неизбежно приведет к ухудшению технического состояния, увеличению количества выводов в ремонт, выходу из работы и технологическим нарушениям.

Правила не учитывают и особенности конструкции линии электропередач, климатические условия региона её расположения, включая такие факторы как солнечная радиация, направление и сила ветра

В соответствии с правилами технологического функционирования электроэнергетических систем [7], характеристики шин и ошиновки распределительного устройства, измерительных трансформаторов тока и других электросетевых элементов не должны ограничивать допустимые токовые нагрузки любых присоединенных к распределительному устройству линий электропередач. До ввода в действия этих правил такой принцип применялся, но не был обязательным, поэтому фактически в составе энергосистем функционируют линии, пропускная способность которых ограничена допустимой токовой нагрузкой оборудования подстанций. До полного выполнения требований пройдет значительный промежуток времени, так как замена и модернизация электросетевого хозяйства требует больших материальных и временных затрат. Однако уже сейчас, с учетом имеющегося опыта эксплуатации, можно утверждать, что возможно повысить допустимые токовые нагрузки некоторых элементов без их замены.
В энергосистеме России не редки случаи, когда допустимая токовая нагрузка элементов сети является ограничивающим критерием для максимально допустимых перетоков активной мощности в контролируемых сечениях.
В соответствии с правилами надежности энергосистем [8], при определении максимально допустимых перетоков активной мощности в контролируемых сечениях учитываются следующие критерии:
1)  в послеаварийных режимах после нормативных возмущений токовая нагрузка линий электропередач и электросетевого оборудования не должна превышать аварийно допустимой в течение 20 минут токовой нагрузки;
2)  в нормальном режиме токовая нагрузка линий электропередач и электросетевого оборудования не должна превышать допустимой (с учетом допустимой величины и длительности перегрузки).
Исходя из формулировок, применение повышенных допустимых токовых нагрузок для двух указанных требований может повысить реальную пропускную способность контролируемых сечений энергосистем. Для этого необходимо располагать данными о возможностях перегрузки оборудования подстанций и линий электропередач на 20 минут, а также об их корреляции с температурой окружающей среды.
В ближайшем будущем расширенным зависимостям допустимых токовых нагрузок сетевого оборудования от времени перегрузки, её величины и погодных факторов можно найти реальное применение, влияющее на надежность электроснабжения потребителей. Например, включение параметров перегрузки в автоматику позволит минимизировать объём отключений. В данном случае, автоматика будет не сразу отключать потребителя при превышении номинального значения пропускной способности оборудования, а выдерживать определённое время в зависимости от величины перегрузки. За это время режим может измениться как естественным образом (прохождение пика нагрузки) так и оперативными действиями диспетчерского персонала, не связанными с ограничением потребителей.

Рис. 1

В качестве наглядного примера преимущества описанного подхода рассмотрим представленную на рисунке 1 условную схему энергорайона. Электроснабжение потребителей осуществляется по сети 110 кВ от ПС 220 кВ ПС‑1, на которой установлено два автотрансформатора 220/110 кВ номинальной мощностью 200 МВА. Питание ПС 220 кВ ПС‑1 осуществляется через ВЛ 220 кВ Энергосистема – ПС‑1 № 1, № 2. Один из автотрансформаторов (АТ‑2) питающей подстанции выведен в ремонт.
Величины допустимой токовой нагрузки элементов электрической сети, которые могут ограничивать пропускную способность электропередачи, представлены в таблице 1.
Возможная аварийная ситуация, связанная с отключением ВЛ 220 кВ Энергосистема – ПС‑1 № 2, приведена на рисунке 2.
В послеаварийном режиме после отключения ВЛ 220 кВ Энергосистема – ПС‑1 № 2, АТ‑1 загружен на 92 % (637 А при допустимом значении 694 А) от аварийно допустимой токовой нагрузки при 25 °C, допустимой на 20 минут в соответствии с [1]. При этом трансформатор тока на ПС 220 кВ ПС‑1 загружен на 101 % (637 А при наибольшем рабочем первичном токе 630 А).

Таблица 1. Допустимая токовая нагрузка элементов электрической сети рассматриваемого энергорайона
Рис. 2

В сложившийся схемно-­режимной ситуации в соответствии с текущими нормативами [9] работа не допустима. Недопустимая перегрузка оборудования должна устраняться незамедлительно путем дистанционного отключения потребителей в объеме, необходимом для снижения токовой нагрузки электросетевого оборудования ниже аварийно допустимого значения.
Однако, если учесть полученную от завода‑изготовителя трансформатора тока информацию о допустимости перегрузки свыше наибольшего рабочего первичного тока на 20 % без ограничения по времени (до величины 756 А), то у диспетчера появляется 20 минут для загрузки генерирующего оборудования электростанций в приемной части энергосистемы, изменения топологии электрической сети, перевода нагрузки из приемной части энергосистемы в смежные энергорайоны. Таким образом, разрешенная перегрузка трансформатора тока позволит избежать отключения нагрузки потребителей.
Аналогичное влияние может оказать любое последовательно включенное оборудование.

Вывод

Взятый на цифровизацию курс развития электроэнергетики не может ограничиваться только областью технологических процессов, параллельно с ним необходимо вносить и соответствующие им нормотворческие решения.
Логическим шагом в этой области может стать нормативное закрепление актуализированного порядка определения допустимых токовых нагрузок типовых проводов воздушных линий электропередач и основного подстанционного оборудования.
Такой подход позволит:
– уменьшить затраты на строительство и реконструкцию объектов электросетевого хозяйства при подключении новых потребителей;
– уменьшить количество режимных генераторов, что влечет за собой снижение финансовой нагрузки на конечных потребителей;
– уменьшить последствия аварийных отключений путем снижения объема отключаемой нагрузки;
– увеличить максимально допустимые перетоки активной мощности в существующих контролируемых сечениях.

Использованные источники

  1. Минэнерго России, приказ от 08.02.2019 г. №81 «Об утверждении требований к перегрузочной способности трансформаторов и автотрансформаторов, установленных на объектах электроэнергетики, и ее поддержанию и о внесении изменений в Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации, утвержденные приказом Минэнерго России от 19 июня 2003 г. №229».
  2. Министерство электротехнической промышленности СССР, ГОСТ 839-80 «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач», 1981.
  3. Минэнерго России, приказ от 20.05.2003 г. №187 «Правила устройства электроустановок. Издание седьмое».
  4. ПАО «ФСК ЕЭС», СТО 56947007-29.240.55.143-2013 «Методика расчета предельных токовых нагрузок по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимых габаритов», Москва, 2013.
  5. Шамонов Р.Г., Лянзберг А.В., Матвеев В.С. Опыт применения стандарта организации по расчету допустимых токовых нагрузок воздушных линий. «Энергия единой сети» №4 (46), август-сентябрь 2019, С. 74–82.
  6. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, приказ от 23.06.2016 г. №674-ст, ГОСТ 7746-2015 «Трансформаторы тока. Общие технические условия».
  7. Постановление Правительства Российской Федерации от 13.08.2018 г. №937 «Об утверждении Правил технологического функционирования электроэнергетических систем и о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации».
  8. Минэнерго России, приказ от 03.08.2018 г. №630 «Об утверждении требований к обеспечению надежности электроэнергетических систем, надежности и безопасности объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок «Методические указания по устойчивости энергосистем».
  9. Минэнерго России, приказ от 12.07.2018 г. № 548 «Об утверждении требований к обеспечению надежности электроэнергетических систем, надежности и безопасности объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок «Правила предотвращения развития и ликвидации нарушений нормального режима электрической части энергосистем и объектов электроэнергетики».