Анализ существующих требований и направлений повышения надёжности электроснабжения животноводческих предприятий с учётом особенностей и сезонности технологического процесса

В настоящее время обеспечение надёжного энергоснабжения животноводческих комплексов является одной из актуальных задач. Недоотпуск электроэнергии может привести к значительному ущербу по причине возникновения массового брака, а в некоторых случаях – гибели животных. Проекты животноводческих зданий и сооружений должны разрабатываться по ограниченному типоразмерному ряду с целью максимальной унификации и индустриализации строительства. Так в [1] для предприятий по производству молока приняты следующие мощности: - для племенных ферм на 400, 800 и 1200 коров; - для товарных ферм на 400, 800, 1200, 1600 и 2000 коров. Для предприятий мясного направления установлены следующие мощности: - для племенных ферм на 400 и 600 коров; - для товарных ферм на 600, 800, 1200, 1800 коров. С учётом особенностей комплексов по количеству голов, их конструкции, определяются и требования к надёжности электроснабжения данных объектов.

Существующий ряд требований к надёжности электроснабжения предприятий прописаны в ПУЭ. По надежности электроснабжения потребители разделяются на три категории в зависимости от вида и значения ущерба, который возникает при перерывах в электроснабжении [2].

В сельском хозяйстве принято относить к первой категории по надёжности электроснабжения: помещения инкубаторов с электрическим обогревом; трехфазные асинхронные электродвигатели, нагревательное оборудование (электродные нагреватели, электроводонагреватели, установки диэлектрического и индукционного нагрева), оборудование для освещения и облучения. В отдельную группу необходимо выделить электронное оборудование систем управления [3].

В животноводстве к первой категории относятся фермы и комплексы: по производству молока на 400 коров; выращиванию и откорму молодняка КРС на 5 тыс. голов в год и более; откорму КРС на 5 тыс. голов в год и более; выращиванию нетелей на 3 тыс. скотомест и более; выращиванию и откорму на 12 тыс. свиней в год и более [4].

В птицеводстве к первой категории относят птицефабрики: по производству яиц с содержанием 100 тыс. курнесушек и более; мясного направления по выращиванию 1 млн. бройлеров в год и более; выращиванию племенного стада кур на 25 тыс. голов и более, а также гусей, уток и индеек - 10 тыс. голов и более [5].

Ко второй категория относят: установки по обработке молока, животноводческие и птицеводческие фермы, системы вентиляции, силовые трансформаторы, коммутационные и защитные аппараты, распределительные устройства, провода и кабели, водоснабжения для их нужд и др. [3].

К этой категории также относятся: животноводческие и птицеводческие фермы меньшей производительности, чем указанная для потребителей первой категории; тепличные комбинаты и рассадные комплексы; кормоприготовительные заводы и отдельные цехи с механизированным приготовлением и раздачей кормов; картофелехранилища вместимостью более 500 т с холодоснабжением и активной вентиляцией; холодильники для хранения фруктов вместимостью более 600 т; инкубационные цехи рыбоводческих хозяйств и ферм [4].

К третьей категории относят остальных потребителей, не подпадающих под первую и вторую категории [3].

Следует учесть, что данные требования не всегда учитывают современный уровень технологического процесса на сельскохозяйственных предприятиях. К примеру, в роботизированных фермах применяются микроконтроллерное и компьютерное оборудование, которое после перерыва в электроснабжении требует дополнительного времени на его отладку, настройку. В таких случаях при продолжительном времени отказа питания приходиться перезапускать весь технологический процесс [6]. На роботизированных фермах, как правило, не предусмотрено персонала и оборудования, чтобы провести такие технологические процессы, как дойка и уборка навоза, вручную.

Материалы и методы исследования

В работе применялись методы литературного обзора, теории надёжности, методы определения ущерба. Материалами исследования являлись работы в области надёжности электроснабжения.

Результаты и обсуждение.

Вопросы обеспечения надёжности электроснабжения были рассмотрены в работах Афанасьева В.В. [7], Берхане А.М. [8], Стребкова Д.С. [9], Белова С.И. [10], Зуль [11] и многих других учёных.

Так, в статье Григораш О.В. показаны графики, характеризующие отношение основных причин перерывов в электроснабжении в процентном соотношении. Автор выделяет две основные причины перерывов: несоответствие параметров качества электроэнергии требованиям потребителей (величины напряжения, частоты тока) (45%) и стихийные бедствия (37%). К менее значимым относятся: ошибка средств управления (8%), аварийные отключения (5%) и другие причины (5%) [12]. В данной статье автор рассматривается разделение потребителей на две группы:

• -    оборудование, требующее электропитания со стабильно высокими показателями качества электроэнергии, а также не допускающее перерывов в электроснабжении;

• -    оборудование, не требующее стабильно высоких показателей качества электроэнергии и допускающее кратковременный перерыв в электроснабжении, не приводящий к нарушению технологического процесса [12].

В работе [7] утверждается, что надёжность электроэнергетической системы в основном определяется отказами линий электропередачи (ЛЭП) и генерирующих мощностей, т.к. по этой причине наблюдается наибольшее время простоя оборудования. Выявлены основные факторы по длительности восстановления, влияющие на надёжность электроэнергетической системы: износ технологического оборудования ЛЭП и ГРЭС, погодные условия и человеческий фактор. Также в данной работе приведены методики расчёта надёжности электрических систем.

В работе [13] рассматривается прогнозирование отказов в сельских электрических сетях и отмечается также наибольшее влияние на надёжность электроснабжения отказов именно в ЛЭП.

В качестве показателя надежности элемента или схемы электроснабжения в работе [8] предлагается величина недоотпуска электроэнергии из-за вероятных отказов электрооборудования и элементов схемы Wb, определяемая за год по уравнению:

^ н = ^=iPi l ^=i (u>i jTij + Y^ ij t ij )

где W ij , A ij - частота отказов в год i-го элемента на j-том участке аварийная и плановая, т ^ и t ij - продолжительность одного отказа i-го элемента на j-том участке аварийная и плановая, y=0,33 - коэффициент, учитывающий меньшую тяжесть плановых отключений.

Для электроприемников второй категории установлены следующие нормативные показатели надежности: допустимая частота отказов в электроснабжении щп для специально выделенной группы электроприемников, не допускающих перерыва в электроснабжении τ более 0,5 ч: щп (т<0,5 ч) =2,5 отказа в год. К этим приемникам относятся комплексы и фермы молочного направления (системы доения коров, рабочего освящения в доильных залах, промывка молокопроводов, локального обогрева телят и т.д.); птицефермы (системы поения птиц, локального обогрева, вентиляция, инкубация яиц и вывода цыплят, цехов и т.д.) и др.

Для остальных электроприемников второй категории, выдерживающих перерыв в электроснабжении до 4 часов, частота отказов: юп (т<4 ч) =2,3 отказа в год. При продолжительности отказов до 10 часов частота отказов при мощности 120 кВт и более: WII (4ч <т<10 ч) =0,1 отказ в год. При нагрузке до 120 кВт: щп (4ч <т<10 ч) =0,2 отказов в год. Для электроприемников третьей категории: юш (т<24 ч) =3 отказа в год. В соответствии с методическими указаниями, разработан комплекс мероприятий и средств, которые должны применяться при проектировании сетей и в процессе их эксплуатации [8].

В [14] показано, что нормировать допустимое время перерывов в электроснабжении целесообразно исходя из требований к потокам отказов в сети в зависимости от класса напряжения данной сети и от её конструктивного исполнения. Так, с учётом среднестатистического потока отказов для ЛЭП 0,4 кВ, выполненных неизолированным проводом (17-29 год ^-1 на 100 км) и ЛЭП с самонесущими изолированными проводами (2,7 год ^-1 на 100 км) нормируемое допустимое время аварийных перерывов составит 0,68 ч/км·год и 0,108 ч/км·год соответственно [14].

Для ТП 10/0,4 кВ время перерывов 1,9 ч/год [15] соответствует потоку отказов 31,6 год ^-1 на 100 шт. оборудования ТП при среднем времени восстановления 6 ч. Это время можно принять за нормируемое допустимое время аварийных перерывов, связанных с отказами оборудования ТП 10/0,4 кВ [14].

Для ЛЭП 10 кВ поток отказов составляет в среднем 25 год ^-1 на 100 км. Допустимое время перерывов при этом составит 1 ч/год при среднем времени восстановления 4 ч [14].

Тогда, например, для сети 0,4 кВ, состоящей из одной ЛЭП 0,4 кВ длиной 1 км, выполненной изолированным проводом и питаемой от ТП 10/0,4 кВ по линии 10 кВ длиной 1 км допустимое время аварийных перерывов составит 0,108+1,9+1 = 3,08 ч/год [14].

В работе [16] рассмотрено влияние секционирования на показатели надёжности, в том числе на время перерывов в электроснабжении.

В статье [17] были предложены различные способы для повышения надежности, устойчивости, а следовательно, и эффективности электроснабжения, выбор которых или одного из них определяется для каждого конкретного объекта в зависимости от условий его функционирования, значимости производства, уровня возможного ущерба при перерывах в электроснабжении, состояния действующей системы электроснабжения и возможных направлений ее модернизации. К таким способам повышения надежности электроснабжения сельских объектов можно отнести:

• •    совершенствование системы электроснабжения и сетевого хозяйства;

• •    для ответственных производств, где перерывы в электроснабжении наносят значительный ущерб, дополнительная установка системы резервного электроснабжения на базе автономного источника - дизельной электростанции, ветро-солнечной установки с аккумуляцией энергии и другими источниками;

• •    организация системы самообеспечения электроэнергией, вырабатываемой автономной установкой, использующей местные энергоресурсы, отходы сельхозпроизводства, возобновляемые энергоресурсы;

• •    сооружение или переоборудование имеющихся котельных для автономного энергообеспечения электроэнергией и теплом сельхозобъектов [17].

Эти способы являются обобщёнными и не учитывают сезонности технологического процесса на животноводческих предприятиях.

Проанализировав имеющиеся работы по обеспечению надёжности электроснабжения было выявлено, что основной задачей всех мероприятий по обеспечению надёжного энергоснабжения животноводческих предприятий является обеспечение бесперебойного энергоснабжения, что обусловлено технологическими особенностями животноводческой отрасли. Для обеспечения надёжности энергоснабжения животноводческих предприятий зачастую предлагают применять нетрадиционные источники энергии [17] [18]. Однако, нетрадиционные источники электроэнергии не способны поддерживать постоянную выработку электроэнергии и возникает вопрос способности вырабатывать достаточное количество электроэнергии в нужный момент, а именно в моменты отказа. В зависимости от регионов количество вырабатываемой электроэнергии нетрадиционными способами значительно разнятся.

Также некоторые авторы, в качестве одной из основных причин, сдерживающих применение нетрадиционных источников питания, отмечают низкое качество вырабатываемой электроэнергии, что обусловлено неравномерностью её выработки, например, при использовании ветрогенераторов [19]. Данные работы также не рассматривают обеспечение надёжности электроснабжения с точки зрения сезонности.

Учитывая вышесказанное, мы можем вывести некоторые факторы, влияющие на надёжность энергоснабжения:

• 1)    Состояние питающей сети (ЛЭП, ГРЭС, КТП, ТП и т.д.)

• 2)    Износ технологического оборудования

• 3)    Погодные условия

• 4)    Человеческий фактор

• 5)    Средства управления

• 6)    Загруженность питающей сети

• 7)    Количество эксплуатируемого оборудования

• 8)    Условия эксплуатации электрооборудования

В монографии [20] указаны следующие показатели надёжности электроснабжения потребителей:

• 1)    частота отказов;

• 2)    средняя длительность отказа;

• 3)    математическое ожидание недоотпуска электроэнергии за расчетный период;

• 4)    средний ущерб от недоотпуска электроэнергии;

К важнейшим показателям надёжности электроснабжения также стоит отнести время перерывов в электроснабжении [14]

В рассмотренных выше работах не рассмотрен фактор сезонности и его влияние на показатели надёжности электроснабжения. Однако, имеются работы, которые показывают важность данного критерия для обеспечения надёжности электроснабжения животноводческих предприятий. Так в работе [11] на графиках показаны кривые числа и продолжительности отказов электрооборудования в зависимости от времени (суточный график) и от месяца (годовой график). Было установлено совпадение перерывов со временем работы сельскохозяйственного оборудования. В частности, максимум отключений приходится на май – август с 8 до 16 часов. Однако в данной работе не приведена методика расчёта показателей надёжности с учётом сезонности. Такая методика приведена в работе [21], в которой на статистических данных 2018-2021 гг. подтверждаются зависимости количества отказов от сезона года и времени суток. В случае аварийных отключений это связано с сезонностью климатических условий, неравномерностью графиков нагрузки и другими факторами. В случае плановых отключений – с графиками работ в течение суток, планированием ремонтных программ и др.

В указанных выше работах мы наблюдаем рассмотрение вопросов надёжности с учётом сезонности. Но данный вопрос раскрыт в них не полностью. В частности, в работе [11] рассмотрены отказы в сельских электрических сетях, сделан вывод о том, что факторы сезонности влияют на надёжность электроснабжения, но дальше этот вопрос не раскрывается. В работе [21] имеется методика расчёта, но нет наложения прогнозных сезонных отказов на технологический процесс животноводческого комплекса.

В работе [22] также учитывается сезонность как фактор, влияющий на эксплуатационную надёжность электрооборудования. В статье рассматриваются особенности сезонной эксплуатации электрооборудования на сельскохозяйственных предприятиях и предложены четыре стратегии обеспечения эксплуатационной надёжности сельскохозяйственного электрооборудования с учётом постоянной и сезонной работы работе [22].

В работах [23], [24], [25], [26] были рассмотрены методы повышения надёжности с помощью резервирования ответственных источников питания. Также были найдены патенты способов и устройств сезонного резервирования. [27], [28], [29]. Можно говорить о том, что работа в направлении повышения надёжности с учётом факторов сезонности ведётся. Однако в этих работах также не прослеживается непосредственная связь с технологическим процессом на животноводческом предприятии. Как было отмечено в работе [30] технологический процесс на животноводческом предприятии КРС имеет ряд особенностей, связанных с сезонностью. Поэтому требуется провести исследования и выяснить влияние критерия сезонности на надёжность электроснабжения животноводческого предприятия.

Вывод

Обеспечение энергетической безопасности страны является приоритетом государственной энергетической политики Российской Федерации [31]. Для достижения этой цели необходимо обеспечить надёжное электроснабжение, в том числе животноводческих объектов, повышая не только энергетическую, но и продовольственную безопасность.

Выполненный обзор литературных источников показал, что вопросам обеспечения надёжности электроснабжения животноводческих предприятий уделяется большое внимание. Различными учёными выполнен анализ текущего состояния надёжности электроснабжения, выявлены основные показатели, сделаны предложения по их нормированию, разработаны мероприятия по повышению надёжности.

Выявлены факторы, оказывающие влияние на надёжность электроснабжения. В частности, это состояние питающей сети, износ технологического оборудования, погодные условия, человеческий фактор, средства управления, загруженность питающей сети, количество эксплуатируемого оборудования, условия эксплуатации электрооборудования. Многие из данных факторов обладают признаками сезонности.

Обзор выявил также работы, посвящённые исследованию фактора сезонности в количестве отказов в сельских электрических сетях, в которых показано, что отказы неравномерно распределены по времени года и часам суток. Имеется методика расчёта показателей надёжности с учётом сезонности.

В то же время исследование показало актуальность проведения дальнейших работ, позволяющих выявить влияние сезонности отказов в сельских электрических сетях на ущербы для животноводческих предприятий, выявить сезонность отказов во внутренних сетях предприятий, разработку оборудования сезонного резервирования электроснабжения.