Актуальные проблемы надежности и качества электроснабжения электроустановок зданий и сооружений
Г.Н. Яковлев,
Эксперт. Руководитель секции «Электроустановки зданий и сооружений» при Комитете ГД по энергетике
В начале 19 века были открыты законы трехфазного электромагнитного вращающегося поля в электрических машинах, которые предопределили развитие трехфазного переменного тока как приоритетного направления развития электротехники: генерация — передача — потребление.
Заслуги трехфазного тока в развитии промышленности бесспорны. В общем объеме потребления электроэнергии однофазная нагрузка в 60-е годы составляла проценты от общего объема потребления электроэнергии, что не могло существенно влиять на потери электроэнергии. Тем более, что однофазная являлась чисто активной нагрузкой.
Нормативная и техническая литература описывает все расчеты нагрузок и потерь электроэнергии для симметричных и линейных режимов работы элементов электроснабжения предприятий, зданий и сооружений. Но в настоящее время реальные электротехнические соотношения токов и напряжений резко отличаются от классического режима линейной трехфазной электроустановки и представляют собою полный спектр гармонических составляющих токов и напряжений до 40-й гармоники и выше. Это относится и к несимметричному протеканию токов в линиях.
По данным исследований французских инженеров-электриков, потери в трансформаторах при протекании несинусоидальных и несимметричных токов возрастают до 20% сверх нормативных значений, что приводит к снижению пропускной способности силовых трансформаторов до 30%.
Проблема не ограничивается только силовыми трансформаторами. В кабельных и воздушных линиях также появились потери от поперечных сил взаимодействия фазных проводников при протекании несимметричных токов. Из тех же источников известно, что при токах с коэффициентами искажения до 50% действующие значения тока возрастают до 15%, а потери на нагрев в элементах сети до 23%. При коэффициенте искажения 100% — действующее значение тока возрастает до 40%, а джоулевые потери (на нагрев) — до 100%(!)
Таким образом, одной из причин роста потерь электроэнергии является развитие нелинейного, в подавляющем большинстве, однофазного потребителя электроэнергии. В основном это городской потребитель с преобразовательной техникой — дома, офисы, учреждения образования, культуры, управления, торговля, малый бизнес и пр.
Сегодня в электрической сети потребителя столицы доля однофазной нелинейной нагрузки составляет до 70%. Для электроснабжения такой однофазной нагрузки применение трехфазных трансформаторов и трехфазных линий электропередач приводит к резкому росту потерь электроэнергии в элементах схемы электроснабжения: силовых трансформаторах, линиях электропередач, во внутридомовых сетях. Кроме того, это приводит также к повышению износа оборудования, сокращению срока службы оборудования и снижению уровня электробезопасности.
В разных странах эти проблемы решаются по-разному. Это и ограничение ввоза в страну приемников электроэнергии, искажающих рабочие токи (это характерно для бытовой, офисной техники, энергосберегающих светильников), фильтрацией токов потребителей электроэнергии, применением однофазных трансформаторов (заземленная нейтраль в сетях 6-20 кВ), симметрированием нагрузок в линиях и трансформаторах, финансовыми санкциями за внесение искажения в общую сеть электроснабжения, компенсацией реактивной мощности и т.п.
В странах Северной Америки, Индокитае, Европе сети среднего напряжения 6-20 кВ работают с заземленной нейтралью, что позволяет для электроснабжения однофазной нагрузки широко применять однофазные трансформаторы. Одновременно ведется строгий контроль за искажением рабочего тока. При этом следует помнить о том, что измерительная техника, прежде всего, счетчики, трансформаторы тока и напряжения выпускаются также на частоту 50 герц.
В США для любого уровня напряжения искажения тока допускается до 5%. При искажениях до 10% наступают финансовые штрафы через тариф на электроэнергию, при искажениях тока свыше 10% штраф увеличивается кратно. В США фактические и нормативные потери в сетях составляют 5-7%.
В России в жилых домах фактическое искажение формы тока достигает 30% и более. Встречаются потребители электроэнергии с искажением тока до 90%, при этом расчетные потери в сети составляют 9-12%, а фактические выше, возможно, и в разы.
Для сокращения потерь электроэнергии нужен строгий контроль за потребителями электроэнергии, включая офисно-бытовую технику с тем, чтобы рабочий ток имел максимальную форму синусоиды. Все это требует уточнения и расширения нормативной базы в виде стандартов, регламентирующих требования к показателям качества электроэнергии ввозимой электротехнической продукции и оборудования как бытового, так и производственного назначения.
Также необходимо активно внедрять схемы локализации потребления электроэнергии за счет малой энергетики гидроресурсов, нетрадиционных источников: энергии солнца, ветра, биотоплива, а также переход на постоянный ток в системах освещения улиц городов и поселков с применением накопителей электроэнергии с комбинированной схемой электроснабжения. Эти схемы более надежны и живучи из-за отсутствия протяженных линий и центров питания. Современные технологии позволяют накапливать электроэнергию в так называемых накопителях электроэнергии постоянного тока до 100 МВт/час и более.
На сегодняшний день очевидно, что нормативно-правовая база в электроэнергетике отстает от событий, которые в ней происходят.
Многие присутствующие противоречия на рынке электроэнергетики возникли, в том числе и из Федерального закона № 261-ФЗ. Например, при снижении потребления электроэнергии за счет применения энергоэффективных мероприятий у потребителя, снижаются доходы генерирующих компаний, электросетевого предприятия и энергосбытовой компании ровно на столько, на сколько достигнуто снижение потребления электроэнергии у потребителя.
Сбытовым компаниям это не выгодно. На границе балансовой принадлежности электрохозяйства интересы сторон противоположные. Сбытовые компании не готовы к снижению достигнутых финансово-экономических показателей. Снижение потребления электроэнергии по итогам энергетического обследования происходит достаточно быстро, а выход на нового потребителя с подключением его к электрическим сетям, вводом в эксплуатацию — процесс долгий. В связи с этим компенсации сбытовым компаниям практически достигнуть не удается. Это также является одной из причин роста тарифов на электроэнергию.
Межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» практически не дает систему оценки норм качества электроэнергии в электроустановках зданий и в электроэнергетике в целом.
Определение электрической энергии: «Электрическая энергия — энергия электромагнитного поля, поступающая в нагрузку (приемник Э.Э.) за промежуток времени от t1 до t2»*. Единица измерения электроэнергии — кВт-час. Обозначение — W.
В показателях качества электроэнергии в п. 5 указанного ГОСТ 13109-97 из восьми нормативных показателей семь относятся к напряжению и одно требование — к частоте. Таким образом, по ГОСТ 131090-97 оценить нормы качества электроэнергии невозможно, потому что электроэнергия без тока не существует. По этой же причине не работает ст. 541 «Качество электроэнергии Гражданского кодекса Российской Федерации».
По ГОСТ 13109-97 электроэнергия соответствует требованиям показателей качества, но в самом стандарте нет показателей качества электроэнергии.
Содержание стандарта и название явно конфликтуют. Оценка электроэнергии по показателям качества только через напряжение приводит к ложным выводам и к безудержному росту потерь электроэнергии как при ее потреблении, так и ее транспортировке. Следствием этого является рост тарифов на электроэнергию. Следует помнить: электроэнергия — это ток с напряжением и одновременное взаимодействие переменных электрического и магнитного полей.
На сегодняшний день при достаточно больших искажениях рабочего тока, достигающих до 80%, оценить нормы качества электроэнергии практически невозможно по причине их отсутствия. Действующие стандарты ГОСТ Р 53333-2008, ГОСТ Р 51317.4.30-2008, ГОСТ Р 51317.4.7-2008 еще больше запутывают ситуацию с оценкой состояния норм показателей качества электрической энергии на отечественном рынке.
Затягивание решения проблем по установлению норм показателей качества электроэнергии может привести к тому, что ровно половина выработанной электроэнергии будет расходоваться на покрытие потерь при ее транспортировке и потреблении.
Учитывая мировую практику, электроснабжение электроустановок низкоэтажного строительства необходимо поэтапно выводить на электрические сети 10-20 кВ с заземленной нейтралью. Дальнейшие объяснения того, что в России сети 6-20 кВ традиционно работают с изолированной нейтралью.
Нет и анализа работы силовых трансформаторов с 11-й группой соединения обмоток при несимметричных и несинусоидальных токах. Какой величины и какой формы течет циркуляционный ток в треугольнике трансформатора, практически неизвестно. Возникновение его — это следствие пренебрежения показателями качества электроэнергии в электроустановках потребителей. Циркуляционный ток является индикатором роста потерь электроэнергии, неблагополучия в электроэнергетике в целом. В Москве таких трансформаторов более 50 тысяч единиц. А сколько в целом по стране — остается под вопросом.
Для перехода на заземление нейтрали сетей 6-20 кВ нужно пройти через пилотные проекты, чтобы разработать нормативную документацию и технологические линии для производства оборудования и монтажные технологии.
Из вышеприведенного можно сделать выводы, что:
- для определения качества электроэнергии необходимо определиться с состоянием нормативной базы, возможно, с выходом на комплекс стандартов;
- для рассмотрения режима работы нейтрали в сетях 6-20 кВ необходимо в рамках общероссийского технического семинара с участием специалистов, инженеров и ученых провести широкое обсуждение актуальности этой темы, а также ряд технических семинаров по принципиально новым техническим решениям по определению фактических потерь электроэнергии и разработке эффективных мер по их снижению;
- для развития электроэнергетики, прежде всего, для малых городов и поселений разработать как приоритетное направление принципиальные подходы по организации локализации выработки и потребления электроэнергии с применением нетрадиционных источников электроэнергии.
_______
* Электротехническая энциклопедия, том 4, Москва: Издательский дом МЭИ, 2010.
Эксперт. Руководитель секции «Электроустановки зданий и сооружений» при Комитете ГД по энергетике
В начале 19 века были открыты законы трехфазного электромагнитного вращающегося поля в электрических машинах, которые предопределили развитие трехфазного переменного тока как приоритетного направления развития электротехники: генерация — передача — потребление.
Заслуги трехфазного тока в развитии промышленности бесспорны. В общем объеме потребления электроэнергии однофазная нагрузка в 60-е годы составляла проценты от общего объема потребления электроэнергии, что не могло существенно влиять на потери электроэнергии. Тем более, что однофазная являлась чисто активной нагрузкой.
Нормативная и техническая литература описывает все расчеты нагрузок и потерь электроэнергии для симметричных и линейных режимов работы элементов электроснабжения предприятий, зданий и сооружений. Но в настоящее время реальные электротехнические соотношения токов и напряжений резко отличаются от классического режима линейной трехфазной электроустановки и представляют собою полный спектр гармонических составляющих токов и напряжений до 40-й гармоники и выше. Это относится и к несимметричному протеканию токов в линиях.
По данным исследований французских инженеров-электриков, потери в трансформаторах при протекании несинусоидальных и несимметричных токов возрастают до 20% сверх нормативных значений, что приводит к снижению пропускной способности силовых трансформаторов до 30%.
Проблема не ограничивается только силовыми трансформаторами. В кабельных и воздушных линиях также появились потери от поперечных сил взаимодействия фазных проводников при протекании несимметричных токов. Из тех же источников известно, что при токах с коэффициентами искажения до 50% действующие значения тока возрастают до 15%, а потери на нагрев в элементах сети до 23%. При коэффициенте искажения 100% — действующее значение тока возрастает до 40%, а джоулевые потери (на нагрев) — до 100%(!)
Таким образом, одной из причин роста потерь электроэнергии является развитие нелинейного, в подавляющем большинстве, однофазного потребителя электроэнергии. В основном это городской потребитель с преобразовательной техникой — дома, офисы, учреждения образования, культуры, управления, торговля, малый бизнес и пр.
Сегодня в электрической сети потребителя столицы доля однофазной нелинейной нагрузки составляет до 70%. Для электроснабжения такой однофазной нагрузки применение трехфазных трансформаторов и трехфазных линий электропередач приводит к резкому росту потерь электроэнергии в элементах схемы электроснабжения: силовых трансформаторах, линиях электропередач, во внутридомовых сетях. Кроме того, это приводит также к повышению износа оборудования, сокращению срока службы оборудования и снижению уровня электробезопасности.
В разных странах эти проблемы решаются по-разному. Это и ограничение ввоза в страну приемников электроэнергии, искажающих рабочие токи (это характерно для бытовой, офисной техники, энергосберегающих светильников), фильтрацией токов потребителей электроэнергии, применением однофазных трансформаторов (заземленная нейтраль в сетях 6-20 кВ), симметрированием нагрузок в линиях и трансформаторах, финансовыми санкциями за внесение искажения в общую сеть электроснабжения, компенсацией реактивной мощности и т.п.
В странах Северной Америки, Индокитае, Европе сети среднего напряжения 6-20 кВ работают с заземленной нейтралью, что позволяет для электроснабжения однофазной нагрузки широко применять однофазные трансформаторы. Одновременно ведется строгий контроль за искажением рабочего тока. При этом следует помнить о том, что измерительная техника, прежде всего, счетчики, трансформаторы тока и напряжения выпускаются также на частоту 50 герц.
В США для любого уровня напряжения искажения тока допускается до 5%. При искажениях до 10% наступают финансовые штрафы через тариф на электроэнергию, при искажениях тока свыше 10% штраф увеличивается кратно. В США фактические и нормативные потери в сетях составляют 5-7%.
В России в жилых домах фактическое искажение формы тока достигает 30% и более. Встречаются потребители электроэнергии с искажением тока до 90%, при этом расчетные потери в сети составляют 9-12%, а фактические выше, возможно, и в разы.
Для сокращения потерь электроэнергии нужен строгий контроль за потребителями электроэнергии, включая офисно-бытовую технику с тем, чтобы рабочий ток имел максимальную форму синусоиды. Все это требует уточнения и расширения нормативной базы в виде стандартов, регламентирующих требования к показателям качества электроэнергии ввозимой электротехнической продукции и оборудования как бытового, так и производственного назначения.
Также необходимо активно внедрять схемы локализации потребления электроэнергии за счет малой энергетики гидроресурсов, нетрадиционных источников: энергии солнца, ветра, биотоплива, а также переход на постоянный ток в системах освещения улиц городов и поселков с применением накопителей электроэнергии с комбинированной схемой электроснабжения. Эти схемы более надежны и живучи из-за отсутствия протяженных линий и центров питания. Современные технологии позволяют накапливать электроэнергию в так называемых накопителях электроэнергии постоянного тока до 100 МВт/час и более.
На сегодняшний день очевидно, что нормативно-правовая база в электроэнергетике отстает от событий, которые в ней происходят.
Многие присутствующие противоречия на рынке электроэнергетики возникли, в том числе и из Федерального закона № 261-ФЗ. Например, при снижении потребления электроэнергии за счет применения энергоэффективных мероприятий у потребителя, снижаются доходы генерирующих компаний, электросетевого предприятия и энергосбытовой компании ровно на столько, на сколько достигнуто снижение потребления электроэнергии у потребителя.
Сбытовым компаниям это не выгодно. На границе балансовой принадлежности электрохозяйства интересы сторон противоположные. Сбытовые компании не готовы к снижению достигнутых финансово-экономических показателей. Снижение потребления электроэнергии по итогам энергетического обследования происходит достаточно быстро, а выход на нового потребителя с подключением его к электрическим сетям, вводом в эксплуатацию — процесс долгий. В связи с этим компенсации сбытовым компаниям практически достигнуть не удается. Это также является одной из причин роста тарифов на электроэнергию.
Межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» практически не дает систему оценки норм качества электроэнергии в электроустановках зданий и в электроэнергетике в целом.
Определение электрической энергии: «Электрическая энергия — энергия электромагнитного поля, поступающая в нагрузку (приемник Э.Э.) за промежуток времени от t1 до t2»*. Единица измерения электроэнергии — кВт-час. Обозначение — W.
В показателях качества электроэнергии в п. 5 указанного ГОСТ 13109-97 из восьми нормативных показателей семь относятся к напряжению и одно требование — к частоте. Таким образом, по ГОСТ 131090-97 оценить нормы качества электроэнергии невозможно, потому что электроэнергия без тока не существует. По этой же причине не работает ст. 541 «Качество электроэнергии Гражданского кодекса Российской Федерации».
По ГОСТ 13109-97 электроэнергия соответствует требованиям показателей качества, но в самом стандарте нет показателей качества электроэнергии.
Содержание стандарта и название явно конфликтуют. Оценка электроэнергии по показателям качества только через напряжение приводит к ложным выводам и к безудержному росту потерь электроэнергии как при ее потреблении, так и ее транспортировке. Следствием этого является рост тарифов на электроэнергию. Следует помнить: электроэнергия — это ток с напряжением и одновременное взаимодействие переменных электрического и магнитного полей.
На сегодняшний день при достаточно больших искажениях рабочего тока, достигающих до 80%, оценить нормы качества электроэнергии практически невозможно по причине их отсутствия. Действующие стандарты ГОСТ Р 53333-2008, ГОСТ Р 51317.4.30-2008, ГОСТ Р 51317.4.7-2008 еще больше запутывают ситуацию с оценкой состояния норм показателей качества электрической энергии на отечественном рынке.
Затягивание решения проблем по установлению норм показателей качества электроэнергии может привести к тому, что ровно половина выработанной электроэнергии будет расходоваться на покрытие потерь при ее транспортировке и потреблении.
Учитывая мировую практику, электроснабжение электроустановок низкоэтажного строительства необходимо поэтапно выводить на электрические сети 10-20 кВ с заземленной нейтралью. Дальнейшие объяснения того, что в России сети 6-20 кВ традиционно работают с изолированной нейтралью.
Нет и анализа работы силовых трансформаторов с 11-й группой соединения обмоток при несимметричных и несинусоидальных токах. Какой величины и какой формы течет циркуляционный ток в треугольнике трансформатора, практически неизвестно. Возникновение его — это следствие пренебрежения показателями качества электроэнергии в электроустановках потребителей. Циркуляционный ток является индикатором роста потерь электроэнергии, неблагополучия в электроэнергетике в целом. В Москве таких трансформаторов более 50 тысяч единиц. А сколько в целом по стране — остается под вопросом.
Для перехода на заземление нейтрали сетей 6-20 кВ нужно пройти через пилотные проекты, чтобы разработать нормативную документацию и технологические линии для производства оборудования и монтажные технологии.
Из вышеприведенного можно сделать выводы, что:
- для определения качества электроэнергии необходимо определиться с состоянием нормативной базы, возможно, с выходом на комплекс стандартов;
- для рассмотрения режима работы нейтрали в сетях 6-20 кВ необходимо в рамках общероссийского технического семинара с участием специалистов, инженеров и ученых провести широкое обсуждение актуальности этой темы, а также ряд технических семинаров по принципиально новым техническим решениям по определению фактических потерь электроэнергии и разработке эффективных мер по их снижению;
- для развития электроэнергетики, прежде всего, для малых городов и поселений разработать как приоритетное направление принципиальные подходы по организации локализации выработки и потребления электроэнергии с применением нетрадиционных источников электроэнергии.
_______
* Электротехническая энциклопедия, том 4, Москва: Издательский дом МЭИ, 2010.
- admin от