Обновление электрических сетей – это одно из приоритетных направлений в развитии российской энергетики. К сожалению, на сегодняшний день состояние сетей нельзя считать удовлетворительным. Количество сетей 10–35 кВ со сроком эксплуатации более 25 лет составляет не менее 60%, а в ряде регионов России этот показатель приближается к 80%. Многие сети устарели морально и физически. Основными недостатками устаревших электрических сетей являются: износ несущих конструкций, высокие технические потери, несоответствие сечений проводов существующим нагрузкам. Для возможности присоединения новых потребителей и ввода в работу новых генерирующих мощностей требуется строительство новых сетей, которые располагаются вдоль существующих. Одним из путей решения проблемы является вместо используемых повсеместно традиционных напряжений 6–10 кВ применение 20 кВ [1].
ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ
На сегодняшний день существует достаточно обширный опыт применения распределительных сетей более высокого напряжения. В качестве примера можно привести такие страны, как Франция (20 кВ), Германия (20 кВ), Япония (22 кВ), Болгария (22 кВ), Чехия (22 кВ), Словакия (22 кВ) и т. д. [2].
В Европе существует два основных подхода к системам напряжений: английский (0,4/11/33/66/132/275/400 кВ) и немецкий (0,4/10/35/110/220/400 кВ).
Великобритания. В системе среднего напряжения электрической сети Лондона исторически получили развитие сети 6,6 и 11 кВ. В новых районах города напряжение 6,6 кВ не применяется, и оно сохранилось только в центральной части Лондона.
Германия. В сетях Берлина, Мюнхена, Дюссельдорфа, Кёльна и других крупных городов в течение многих десятилетий использовались несколько номинальных напряжений в диапазоне 5–25 кВ.
Франция. В центральных районах Парижа с большой плотностью застройки используют подстанции глубокого ввода с вторичным напряжением 20 кВ.
США. Примером такого решения может служить электроснабжение крупнейшего в мире здания (106 этажей, 442 м), расположенного в деловом районе Чикаго. Питание электрической нагрузки выполнено от ПС 138/12,5 кВ 200 МВ∙А, расположенной в подвальных этажах. Разводка линий по этажам выполнена кабелем 12,5 мм2 . Кроме того, начиная с 1970-х гг. в распределительных сетях США часто используются кабельные линии взамен ВЛ в жилых районах городов преимущественно с одно- и двухэтажной застройкой. Такие системы электроснабжения получили название Underground residential distribution (URD). Система URD предусматривает, как правило, установку отдельного ТП у каждого абонента. В питающей сети используются кабели с номинальным напряжением 3–25 кВ [3].
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕТЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 20 КВ В РОССИИ
В нашей стране 20 кВ было введено в стандарт еще в начале 1960-х гг., однако исторически широкого применения не получило. Отечественной энергетике были ближе напряжения 6, 10 и 35 кВ. На сегодняшний момент существуют примеры применения сетей напряжением 20 кВ в России.
С 1972 г. (44 года) в эксплуатации Восточных электрических сетей Иркутской электросетевой компании (ОАО «ИЭСК») находится ВЛ 20 кВ «Жигалово-Чикан» на деревянных опорах. Протяженность линии составляет 46 км с отпайками. Провод АС-50, АС-25. Количество присоединенных КТП – 15 шт., их суммарная трансформаторная мощность – 4796 кВ∙А. Передаваемая мощность во время зимнего максимума 2016 г. составила 1,19 МВт. Линия запитана от трансформатора 110/20 кВ ПС «Жигалово».
Постановлением правительства Москвы от 14 декабря 2010 г. № 1067ПП «О схеме электроснабжения города Москвы на период до 2020 года (распределительные сети напряжением 6–10–20 кВ)» реализовано строительство кабельных сетей 20 кВ в районах Москва-Сити и Ходынского поля.
В 2014 г. энергетики Югорской региональной электросетевой компании («ЮРЭСК») сообщили о реализации уникального проекта – окончании строительства 32-километровой линии напряжением 20 кВ «Березово–Пугоры» (Березовский район Ханты-Мансийского автономного округа). Линия была построена по уникальной скандинавской технологии. Для этого в поселке Березово, рядом с подстанцией «Березово», был построен переходной пункт 6/20 кВ и понизительная подстанции 20/0,4 кВ мощностью 100 кВА в д. Пугоры [4].
ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ЗАТРАТЫ И ЗАТРАТЫ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ
Сравнивая инвестиционные затраты на строительство одного км линии электропередачи 10, 20 и 35 кВ на железобетонных опорах с проводом АС70, можно отметить, что строительство ВЛ 20 кВ обходится более чем 2,5 раза дешевле 1 км участка такой же длинны ВЛ 35 кВ. Если сравнивать с аналогичным участком ВЛ 10, цена выше на 7–10 % из-за стоимости изоляции. Аналогичные линии 10 и 20 кВ, построенные на деревянных опорах, имеют еще меньшую разницу в стоимости.
Передаваемая мощность определяется по формуле:
где: I – ток, длительно допустимый;
U – номинальное напряжение линии;
– коэффициент мощности (0,95).
В табл. 1 приведены удельные затраты на 1 кВт передаваемой мощности.
Если сравнивать стоимость трансформаторов 110/35, 110/10 и 110/20, то разница будет неощутима или незначительна. Но распределительные пункты и КТП все еще являются уникальным оборудованием, и поэтому стоимость комплектных трансформаторных подстанций равна по напряжению 35 и 20 кВ, тогда как 10/0,4 почти в три раза дешевле, табл. 2.
Затраты на эксплуатацию новых линий незначительно отличаются друг от друга.
ПЕРЕДАВАЕМАЯ МОЩНОСТЬ
Это очень важный аргумент, особенно в условиях современного увеличения потребления электроэнергии, причем как в промышленности, так и в быту. Объяснить это можно на простом примере: согласно ПУЭ допустимый длительный ток для сталеалюминиевого провода марки АС сечением 70 мм2 равен 265 А. Из этого делаем вывод: воздушная линия напряжением 20 кВ сечением 70 мм2 способна передать мощность, равную 8710,55 кВт, в то время как напряжением 10 кВ – только 4355,28 кВт [2].
На рис. 1 приведено соотношение между стоимостью 1 км ВЛ и передаваемой мощностью.
ПОТЕРИ В СЕТЯХ
Потери электроэнергии – один из важнейших экономических показателей электросетевого предприятия. Их величина отражает техническое состояние и уровень эксплуатации всех передаточных устройств, состояние систем учета и метрологическое обеспечение парка измерительных приборов, эффективность энергосбытовой деятельности.
Нагрузочные потери электроэнергии в линии определяют по формуле:
где: I – максимальная токовая нагрузка;
R0 – сопротивление линии;
l – длина линии;
Т – число часов использования нагрузки.
Выполнен анализ удельных потерь мощности и электроэнергии в проводе АС-120 для номинального напряжения 10 и 20 кВ. Результаты анализа показывают, что потери электроэнергии в оборудовании 20 кВ в 2,7 раза меньше, чем в оборудовании 10 кВ.
Величину падения напряжения в линии определяют по формуле:
где: P = S ⋅cosϕ – активная мощность;
R0 – активное удельное сопротивление линии;
l – протяженность линии;
– реактивная мощность;
X0 – индуктивное удельное сопротивление линии;
Uном – номинальное напряжение линии.
Выбор напряжения сетей на этапе проектирования зависит от передаваемой мощности и падения напряжения при передаче на необходимое расстояние. В табл. 3–6 приведены падения напряжения в % для провода АС-120 для линий разного класса напряжений в зависимости от протяженности сети.
Преимущество сетей 20 кВ — это снижение потерь электроэнергии и напряжения на передачу. Сечение проводов воздушных ЛЭП выбирает ся по экономической плотности тока j э (А/мм2) и проверяется по допустимому току. Однако в современных условиях с изменившимися ценами на электротехническое оборудование и с ростом тарифов на электроэнергию рекомендованные в ПУЭ значения j э (А/мм2) уже не являются экономичными, так как не соответствуют минимуму ежегодных затрат. Поэтому при выборе сечения проводов воздушных ЛЭП следует руководствоваться техническими требованиями и в первую очередь допустимой токовой нагрузкой. В этом случае для одной и той же мощности нагрузки сечение проводов на 10 и 20 кВ будут отличаться в 2–3 раза (F10 > F20), тогда отношение потерь мощности ∆P10 при напряжении 10 кВ и ∆P20 при напряжении 20 кВ:
– будет находиться в пределах (1,3– 1,6), то есть потери мощности при напряжении 20 кВ будут в 1,5 раза меньше, чем при 10 кВ [2].
ВЫВОДЫ
Можно сделать вывод, что электрические сети напряжением 20 кВ могут успешно применяться как при передаче большой мощности в зонах плотной городской застройки, так и для электроснабжения потребителей, удаленных на значительные расстояния от центров питания.
Характерной особенностью сельских сетей, особенно расположенных в Сибири, является низкая плотность, концентрация потребителей, большие расстояния, малая потребляемая мощность.
Сравнительно невысокая стоимость строительства сетей 20 кВ позволит повысить качество напряжения, тем самым повысить уровень жизни населения отдаленных уголков России.
В табл. 8 представлена ниша сетей 20 кВ.