В.Э. Воротницкий, И.В. Жеженко, Г.Г. Трофимов. Повышение энергетической эффективности электрических сетей

Электросетевой комплекс / РЭЭ №4, 2017

Повышение энергетической эффективности электрических сетей

Валерий Воротницкий, Игорь Жежеленко, Герман Трофимов

Международный опыт повышения энергетической эффективности электрических сетей свидетельствует о существовании в промышленно развитых странах общих подходов к решению этой важнейшей общемировой проблемы, которая с каждым годом становится все более актуальной.

Главный научный сотрудник АО «НТЦ ФСК ЕЭС», д.т.н., профессор

Валерий Эдуардович Воротницкий

Заведующий кафедрой Приазовского Государственного технического университета, д.т.н., профессор

Игорь Владимирович Жежеленко

Профессор кафедры Алматинского Университета энергетики и связи, д.т.н.

Герман Геннадьевич Трофимов

Эти подходы находят отражение в международных и национальных нормативно-правовых актах и стандартах, отраслевых нормах, государственной и технической политике, регламентах и правилах и основываются на следующих основных принципах:

  • энергетическая эффективность должна обеспечиваться не любыми, а технико-экономически обоснованными средствами;
  • энергетическая эффективность передачи и распределения электроэнергии должна ограничиваться не только энергосбережением в электрических сетях, но также улучшением экономических показателей, в первую очередь, снижением стоимости услуг и ограничений подключения потребителей к электрическим сетям, а также повышением качества электроэнергии и надежности электроснабжения;
  • энергетическая эффективность решающим образом зависит от заинтересованного и квалифицированного участия персонала электросетевых компаний, в первую очередь, руководства этих компаний;
  • повышение энергетической эффективности – долгосрочная капиталоемкая задача, успешное решение которой должно основываться на:
    • четкой, ясной и понятной стратегии развития электросетевой компании; технической, инновационной, энергетической и экономической политиках управления, модернизации и развитии, как производственных активов, так и человеческих ресурсов;
    • выстраивании долгосрочных отношений с субъектами оптового и розничного рынков электроэнергии, производителями оборудования, подрядными, проектными и научно-исследовательскими организациями и потребителями;
    • государственной поддержке повышения энергоэффективности, в первую очередь в части нормативно-методического обеспечения, стандартизации деятельности, совершенствования тарифной политики и экономического стимулирования;
    • изучении, анализе, обобщении и распространении передового отечественного и зарубежного опыта.

В 2015 году только в сетях ПАО «Россети» фактические потери составили 9,64% от отпуска электроэнергии в сеть или в абсолютном исчислении – 76893,2 млн кВт•ч, в том числе в электрических сетях ПАО «ФСК ЕЭС» – 4,74% или 23478,1 млн кВт•ч, в распределительном комплексе – 8,47% или 53415,1 млн кВт•ч. Если к этим потерям прибавить потери в электрических сетях, не входящих в ПАО «Россети», а также в территориальных сетевых организациях, которых насчитывается около 3500, и прочих сетях, оказывающих услуги по передаче электроэнергии, суммарная величина потерь электроэнергии в электрических сетях России в целом оценивается в размере около 120 млрд кВт•ч в год или около 12% от отпуска электроэнергии в эти сети.

Если учесть потери электроэнергии в электрических сетях, не входящих в ПАО «Россети», сетях промышленных предприятий, ОАО «РЖД» и других, оказывающих услуги по передаче электроэнергии своим субъектам, то суммарные потери могут вырасти еще на 5÷10 млрд кВт•ч. При этом относительные потери в электрических сетях России вырастут до 12–14% от произведенной электроэнергии, а от отпуска в сеть – до 13–15% вместо 10%, фигурирующих в российских данных Международного энергетического агентства.

Для сравнения отметим, что относительные потери электроэнергии в электрических сетях Китая составляют около 6%. Величина относительных потерь электроэнергии в электрических сетях промышленно развитых стран мира (по данным Международного энергетического агентства) находится в пределах 4–7%: в Германии – 4%, Японии и Франции – 5%, Австрии, США – 6%, Италии и Швейцарии – 7%. Эти страны относятся к странам с высоким внутренним валовым продуктом (ВВП) по паритету покупательной способности (ППС) на душу населения, превышающим 50 тыс. долл. США. В странах с ВВП по ППС ниже 10 тыс. долл. США – в Молдове, Индии, Судане, Замбии, Албании, относительные потери в сетях составляют 21–25%, а в Камбодже и Непале с ВВП 2,6–2,8 тыс. долл. США потери в сетях – 28–34%. Таким образом, в электрических сетях России фактические потери приблизительно в 2,5–3 раза выше, чем в электрических сетях промышленно развитых стран.

Из приведенных цифр видно, что имеется достаточно тесная связь потерь электроэнергии в электрических сетях различных стран не только с особенностями самих электрических сетей и их режимами, но и с экономикой этих стран. В странах с более развитой экономикой, как правило, выше техническая культура производства, передачи и распределения электроэнергии, используются более современные системы управления режимами работы электрических сетей, контроля и учета электроэнергии, в них живут и работают более платежеспособные и дисциплинированные потребители, действует четкая нормативно-правовая база и система тарифного регулирования. Однако простое сравнение относительных потерь электроэнергии в электрических сетях России и зарубежных электрических сетях без анализа этих потерь в сопоставимых условиях по протяженности сетей, по их структуре, их загрузке, режимам работы и т.п. не всегда корректно. К сожалению, такой анализ в настоящее время никем не проводится, хотя был бы весьма полезным для изучения и применения передового опыта.

По минимальным экспертным оценкам, потенциал снижения потерь электроэнергии в электрических сетях России составляет 20–25 млрд кВт•ч в год. Практическая реализация такого потенциала – комплексная задача, требующая значительных совместных усилий персонала электросетевых организаций, энергосбытов и потребителей электроэнергии. Она должна решаться непрерывно с учетом накопленного опыта и анализа лучших международных и отечественных практик. За многие годы эти практики выработали стандартный порядок действий (этапов) в разработке и реализации программ энергосбережения: постановка целей и задач энергосбережения, энергетические обследования, расчет и анализ, выбор и реализация энергосберегающих мероприятий; контроль результатов внедрения и действия по дальнейшему улучшению этих результатов.

Высокий уровень технических потерь в электрических сетях связан с низким уровнем компенсации реактивной мощности, 70-процентным физическим и моральным износом сети, с явно недостаточным использованием средств оптимизации режимов работы и регулирования напряжения, но первую очередь, с нерешенностью проблем с качеством электрической энергии (КЭЭ).

В настоящее время нет необходимости доказывать значимость проблемы КЭЭ. Так же, как и проблема энергоресурсосбережения она относится к числу важнейших проблем современной электроэнергетики и является частью проблемы повышения энергоэффективности электрических сетей.

Непрерывный рост установленной мощности нелинейных, несимметричных и резкопеременных нагрузок не всегда сопровождался своевременным внедрением решений, направленных на коррекцию КЭЭ, даже в промышленно развитых странах Западной Европы. Так, в распределительных сетях Швейцарии напряжением 230/400 В за период 1979–1991 гг. содержание высших гармоник (ВГ) возросло на 30%.

Особенно значительное влияние на энергоэффективность оказывает несинусоидальность напряжения, которая обусловлена интенсивным внедрением различного рода нелинейных нагрузок, подключаемых к электрическим сетям различного напряжения в последнее десятилетие. Это вызывает искажение (нормально синусоидальной) формы напряжения или тока не только у самого потребителя, но и во внешней сети. В случае превышения нормируемых уровней эти электромагнитные помехи могут не только привести к нарушению помехоустойчивости технических средств (в частности, устройств микропроцессорной релейной защиты) в энергосистеме, на электростанциях и подстанциях, но и повлиять на технологический процесс в системах электроснабжения. Электромагнитные помехи вызывают сбои и нарушения в работе цепей управления, ухудшают работу устройств автоматики, в значительной степени приводят к увеличению общего эффективного тока в фазовых и, в особенности, в нейтральных проводах элементов самой сети и в электрооборудовании. За счет них возрастают потери в сети, снижается коэффициент мощности, вызывая увеличение нагрева и перегрева всего электрооборудования и приводя к ускоренному старению изоляции не только силовых трансформаторов энергосистемы, но и всех электрических аппаратов электрических сетей.

В конечном итоге это приводит не только к ухудшению надежности изоляции электрооборудования и в отдельных случаях к быстрому выходу его из строя, но и к ухудшению экономических показателей энергетической эффективности электрических сетей. Другие показатели качества электрической энергии также оказывают влияние на энергоэффективность передачи электроэнергии по электрическим сетям, на надежность и экономические показатели электрооборудования сети и в конечном итоге влияют на условия их работы.

Снижение КЭЭ приводит не только к значительному снижению энергетической эффективности электрических сетей за счет увеличения потерь активной и реактивной мощности и электроэнергии, но и к снижению срока службы электрооборудования, а, следовательно, и к увеличению капитальных вложений в электрические сети, нарушению условий нормального функционирования энергетической системы.

Проблема качества электроэнергии неразрывно связана с проблемой надежности электроснабжения. В ряде энергообъединений России уровень (показатель или индекс) надежности находится в диапазоне 0,84–0,985, что ниже норматива, составляющего 0,996. Согласно энергетической стратегии России до 2030 года должна быть обеспечена вероятность бездефектной работы энергосистемы России до 0,9997, что соответствует нормативам США и Франции.

Вопросы КЭЭ рассматриваются в контексте проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). ЭМС определяется, как способность электротехнического устройства удовлетворительно функционировать в его электромагнитном окружении, к которому принадлежат также другие устройства, не влияя на это окружение. Это определение применительно к СЭС предприятий оказывается неполным, ибо в круг вопросов ЭМС не включены СЭС с их особенностями усиления помех (например, в результате резонансных явлений), их деформации и даже генерирования (например, при коронных разрядах ВЛ). Таким образом, проблема КЭЭ является весьма широкой.

Экспертная оценка значения ежегодных потерь от низкого качества электроэнергии основана на известных цифрах: современное потребление электроэнергии в мире составляет примерно 20 трлн кВт•ч, потери от несоблюдения требований качества электроэнергии оцениваются величиной 500 млрд долл. Учитывая, что среднее значение тарифа на электроэнергию 0,1 долл./кВт•ч, тогда удельный ущерб, обусловленный низким качеством электроэнергии, составляет 500•109/20•1012 = 0,025 долл./кВт•ч.

Экспертные оценки, выполненные нами, позволяют представить влияние электромагнитных помех в следующих цифрах. Применительно к СНГ в ее нынешних географических пределах ущерб, связанный с влиянием помех, достигает 10–12% от всего ущерба. Примерно таков же уровень оценки влияния помех в масштабах Украины по данным 2014 года.

Для предотвращения таких последствий или их ограничения необходимо организовать комплексный процесс управления КЭЭ, разработку и внедрение методических, организационных и технических мероприятий обеспечивающих выполнение существующих стандартов, норм и правил. Эти мероприятия в первую очередь должны быть реализованы в сетях потребителей электрической энергии, так как именно системы электроснабжения потребителей являются в большинстве случаев основными виновниками ухудшения КЭЭ.

Для обеспечения КЭЭ в странах ЕС были разработаны Европейским комитетом нормализации в области электротехники (CENELEK) нормы EN 50160. В странах Северной и Южной Америки, а также в некоторых африканских странах принят американский стандарт IEEE Std 519. В России принят межгосударственный стандарт ГОСТ 32144-2013, который соответствует европейскому региональному стандарту EN 50160:2010. Он разработан на основе применения ранее существовавшего ГОСТ Р 54149-2010 и введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2014 г.

Кроме этого в различных странах существуют и дополнительные нормативные документы по экономической оценке и нормализации КЭЭ. В существующем техническом регламенте Таможенного союза ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств», утвержденном решением комиссии таможенного союза от 9 декабря 2011 года № 879, а также в других документах и стандартах по электромагнитной совместимости эти вопросы не затронуты. Установленные в настоящее время предельные значения коэффициента реактивной мощности в часы больших нагрузок свидетельствуют о некотором ужесточении требований к компенсации реактивной мощности в сравнении с ранее действовавшими нормативными документами, однако они не такие жесткие, как в промышленно развитых странах. В большинстве европейских стран величина коэффициента мощности в режиме максимальных нагрузок составляет не менее чем cos φ = 0,92–0,98 в зависимости от напряжения сети. А в распределительных сетях Германии и многих энергосистемах США поддерживается значение cos φ = 1 (tg φ = 0).

Как показывает практика, универсальным средством повышения пропускной способности электрических сетей, снижения потерь мощности и электроэнергии в них, регулирования напряжения в контрольных точках сети, снижения уровня высоких гармоник и несимметрии напряжений является компенсация реактивной мощности, внедрение различных типов фильтро-компенсирующих и симметрирующих устройств. К сожалению, по ряду причин работа по компенсации реактивной мощности в электрических сетях стран СНГ ведется явно недостаточно.

Первоочередные меры по активации работ и снижению потерь и повышению качества электроэнергии в электрических сетях:

  • разработка и внедрение шкалы повышающих и понижающих коэффициентов к тарифам на электроэнергию за компенсацию реактивной мощности и качество электроэнергии в точках общего присоединения потребителей;
  • разработка и утверждение допустимых требований к электроприемникам, содержащим нелинейную нагрузку по допустимым искажающим токам.

Хотите читать больше подобных новостей?

Подпишитесь на электронную рассылку!

Свежий выпуск РЭЭ с доставкой прямо в почтовый ящик