Обзор состояния и перспективных направлений развития сельских электрических сетей 0,4 кВ

Современное развитие сельского хозяйства предъявляет повышенные требования к надежности и качеству электроснабжения. Сельские электрические сети 0,4 кВ, как правило, характеризуются большой протяженностью линий, устаревшими технологиями и высокой степенью износа оборудования. Существующие конфигурации сетей не обеспечивают требуемый уровень надежности и энергоэффективности, что приводит к перерывам в электроснабжении, снижению качества электроэнергии и увеличению потерь.

В последние годы наблюдается повышенный интерес к внедрению технологий Smart Grid в распределительные сети, в том числе и в сельской местности. Однако, вопросы адаптации и применения этих технологий к специфическим условиям сельских электрических сетей 0,4 кВ требуют дальнейшего изучения и разработки.

Цель работы заключается в анализе состояния сельских электрических сетей 0,4 кВ, выявлении проблем и определении перспективных направлений их развития для повышения надежности и энергоэффективности электроснабжения.

Материалы и методы исследования

Сельские электрические сети (СЭС) имеют малую единичную мощность и рассредоточенность потребителей, в связи с чем линии электропередач в сельской местности обладают большой протяженностью. По большей части, электроснабжение сельских потребителей электроэнергии осуществляется по сетям напряжением 0,4 кВ. При этом линии электропередачи (ЛЭП) являются самым ненадежным элементом сельских систем электроснабжения из-за их большой протяженности и влияния на них большого числа различных внешних воздействий. Около 90% отключений в сельских сетях приходятся на долю ЛЭП [8].

Существенным недостатком сельских распределительных электрических сетей низкого напряжения можно считать их конфигурацию, не имеющую возможностей управления. Можно сказать, что на данный момент СЭС в большей степени устарели. Они не справляются с современной нагрузкой и не соответствуют требуемым показателям надежности и качества электроэнергии, поскольку были спроектированы в 60-70 годах прошлого века. При проектировании и строительстве систем электроснабжения в сельской местности исходили при расчётах из установленной мощности на каждое подворье 1,3 кВт. Современные бытовые условия жизни требуют увеличения потребления электрической мощности в среднем в пять раз. В большинстве своем сельские линии электроснабжения 0,4 кВ не соответствуют требуемой по ПУЭ протяженности до конечного потребителя в 500 м, выполнены голыми алюминиевыми проводами и имеют недостаточное сечение провода для современного потребителя, что приводит к большим потерям и ухудшению качества электроэнергии.

Результаты и обсуждение

По информации на 2023 год в Орловской области по нормам ПУЭ по допустимой протяженности до наиболее удаленной точки в 500 метров соответствует лишь половина сельских линий 0,4 кВ.

Рисунок 1- Протяженность воздушных линий электропередачи 0,4 кВ до наиболее удаленной точки, в метрах [3, 17]

Общая протяженность линий электропередачи – 340,632 км. Из них, голые неизолированные провода составляют 212,032 км от общей протяженности линии, 120,462 км от общей протяженности линии составляют СИП, а протяженность кабелей, используемых для монтажа выводов из коммутационных аппаратов до опорных изоляторов распределительных устройств 0,4 кВ трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ, составляет 8,138 км.

2.3%

35.4’<

62,3%

“Голые неизолированные провода

“ Самонесущие изолированные провода

■ Кабели

Рисунок 2 - Типы проводов в сельских распределительных сетях 0,4 кВ [17]

В линиях сельской местности распространены голые алюминиевые провода сечением 25 мм2 и 35 мм2, которые составляют по 43% от общей протяженности анализируемых линий, соответственно. Согласно пункту 2.4.13 правил устройства электроустановок на ВЛ 0,4 кВ должны применяться самонесущие изолированные провода (СИП) [3].

Сельские электрические сети характерны наличием большого количества потребителей 3 категории, имеющих однофазное исполнение, вызывающее несимметрию напряжений линии. Неравномерное использование электрооборудования в каждом доме, приводит к неравномерной нагрузке на фазах, что неизбежно ведёт к перекосам фазного напряжения, тем самым резко уменьшает качество электроэнергии в сети. Жителям, чьи дома расположены ближе к началу линии, падение напряжения не очень заметны, но для тех жителей, чьи дома расположены ближе к средине, а особенно, в конце линии, провалы напряжения могут отразиться некорректной работой электроприборов и даже выходом их из строя [12].

Уровень автоматизации и цифровизации сельских электрических сетей номинальных классов напряжения 0,4, 6, 10, 35 кВ остается по-прежнему очень низким. Схемы электроснабжения в сети номинального напряжения 0,4 кВ по большей части тупиковые радиальные, радиальные с отпайками. Основным источником электроэнергии сельских сетей 0,4 кВ служат трансформаторные пункты 10/0,4 кВ, источник питания, как правило, один, сетевое резервирование отсутствует. Схемы электроснабжения сельских потребителей с несколькими источниками в большинстве случаев отсутствуют. Такие обстоятельства приводят к снижению надежности электроснабжения объектов сельского хозяйства, ухудшению показателей качества электрической энергии, увеличению времени восстановления электроснабжения, возникновению ущерба от недоотпуска. Так, перерывы в электроснабжении часто превышают 72 ч в год, отклонение напряжения на вводах превышает 5 % более чем в 50 % случаев измерений по обращениям потребителей [13].

К категории сельских относится большое число разнообразных потребителей электрической энергии, таких как: жилые одноквартирные дома, включающие в себя осветительные и бытовые электроприёмники; административные здания (медпункты, школы, клубы, магазины); производственные потребители хозяйств (животноводческие фермы, зерноочистительные пункты, теплицы, хранилища сельскохозяйственной продукции, мельницы, гаражи, ремонтные цеха и объединения по ремонту техники); предприятия агропромышленного комплекса (хлебоприёмные пункты, предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции). Электроснабжение данных потребителей имеет свои особенности. Плотность электрических нагрузок сельских районов низкая. Она составляет 5...10 кВт/км2. В отдельных случаях может достичь 15…20 кВт/км2 [10, 12].

Правилами устройства электротехнических установок все электроприемники подразделяются на три категории, каждая из которых характеризуется своими требованиями в отношении надежности электроснабжения.

Самые высокие требования предъявляются к надежности электроснабжения потребителей 1 категории. К ним относятся крупные молочные фермы и комплексы на 400 голов и более, откормочные предприятия с годовым откормом на 12 тыс. свиней и более, 5тыс. крупного рогатого скота, птицефабрики с более чем 100 тыс. кур-несушек и др. На этих предприятиях не допускается даже кратковременных перерывов, поэтому они должны иметь независимое питание по второй линии электропередачи с автоматическим включением резерва [10, 12].

К потребителям второй категории относятся животноводческие и птицеводческие фермы с меньшей производственной мощностью, чем указано для потребителей 1 категории; тепличные комбинаты и рассадные комплексы; кормоприготовительные заводы; картофелехранилища емкостью более 500 т с холодоснабжением и активной вентиляцией; холодильники для хранения фруктов емкостью более 600 т и т.п. Для потребителей второй категории допускаются перерывы в электроснабжении на время включения резервного питания дежурным персоналом. Такие потребители, как правило, должны обеспечиваться сетевым резервом [10].

Потребителями третьей категории являются все остальные сельскохозяйственные потребители. Правилами устройства электроустановок перерыв в электроснабжении потребителей третьей категории допускается на время выполнения ремонта, но не более одних суток [7, 9, 10].

Наряду с надежностью электроснабжения большое влияние на сельскохозяйственное производство оказывает качество электроэнергии, получаемой потребителем. Требования к показателям качества электроэнергии (ПКЭ) установлены следующими нормативными документами – приказ МЭ №690 и ГОСТ 32144-2013.

К показателям качества электрической энергии относятся: отклонение частоты; отклонения напряжения; колебания напряжения; доза фликера; несинусоидальность напряжения; несимметрия напряжений в трехфазных системах; провалы напряжения; перенапряжения [6].

В условиях постоянно растущего потребления электрической энергии важнейшей задачей является ее рациональное распределение и использование. Управление конфигурацией электрических сетей - это комплекс мер, реализуемых оперативным персоналом с использованием систем релейной защиты и автоматики, а также средств дистанционного управления, направленных на целенаправленное изменение режимов работы и состояния оборудования. Основная задача данного процесса – поддержание заданных параметров надежности, качества и непрерывности электроснабжения [13].

Управления конфигурацией СЭС включает в себя следующие ключевые элементы:

• -    Мультиконтактные коммутационные системы (МКС) - коммутационные аппараты с несколькими независимыми контактными группами, устанавливаемые в распределительных сетях для секционирования и резервирования. Они автоматически изменяют конфигурацию сети при перегрузках или авариях, управляются по командам оператора, секционируют сеть для локализации повреждений и перераспределяют нагрузку. Оснащение МКС устройствами мониторинга, учёта, контроля и управления обеспечивает сбор данных о режимах работы и обмен информацией с центром управления.

• -    Комплекс систем контроля и управления, включающий в себя систему контроля оборудования, отслеживающую состояние элементов сети, и систему мониторинга, собирающую данные о состоянии сети, режимах работы, надежности и качестве электроэнергии. Система учета фиксирует потребление электроэнергии, перерывы в электроснабжении и работу оборудования, а система управления обеспечивает централизованное управление всеми элементами сети [5, 8].

• -    Базы данных, хранящие и организующие информацию о потребителях, оборудовании, надежности, качестве электроэнергии и технологических присоединениях, служа основой для анализа, прогнозирования и принятия решений [5, 8].

• -    Система диспетчеризации, или Центр диспетчерского управления (ЦДУ). Является центральным пунктом управления сетью, собирающим и анализирующим данные, выдающим команды управления и предоставляющим информацию персоналу. ЦДУ включает блок управления сетью (БУС), средства отображения информации, средства связи и диспетчеров с автоматизированными рабочими местами. В ЦДУ используется искусственный интеллект для прогнозирования отказов, нагрузок и ущерба, а также для управления конфигурацией сети, качеством электроэнергии и нагрузками, и для планирования развития сети. Управление может быть автоматическим (БУС) или ручным (диспетчером) с возможностью приоритета автоматического режима [4, 8].

Центр диспетчеризации сети (ЦДС) включает в себя блок управления сетью (БУС), кроме того, средства отображения информации о режимах работы сети и состоянии оборудования (ситуации в сети), средства приёма и передачи данных, персонал, контролирующий сеть и управляющий ею (диспетчеры сети) и их автоматизированные рабочие места. Осуществляется автоматическое управление сетью с помощью БУС, а при необходимости – ручное управление, осуществляемое диспетчером, отдающим команды на переключения в сети, на управление оборудованием, регулирующим параметры режима работы сети. При этом задаётся приоритет автоматического и ручного управления на различные операции по управлению сетью. Диспетчер также может перевести управление полностью в ручной режим [5, 8].

Рисунок 3 - Структурная схема системы управления конфигурацией электрической сети [8]

Эффективное управление конфигурацией электрических сетей требует, чтобы они были спроектированы и построены на основе следующих принципов:

• -    Мониторинг и наблюдаемость: Постоянный контроль параметров работы сети и состояния её оборудования.

• -    Гибкое управление: Возможность корректировать конфигурацию сети вручную, автоматически или дистанционно.

• -    Автоматизация и управляемость: Способность управлять оборудованием сети, в том числе с использованием автоматических и дистанционных средств.

• -    Сегментируемость: Возможность выделять участки сети с распределенной генерацией, которые могут питаться от собственных источников, централизованной сети или совместно, в зависимости от ситуации.

• -    Интеллектуальность оборудования: Оснащение как оборудования сети, так и потребителей интеллектуальными системами мониторинга, контроля, учёта и управления.

• -    Экономическая интеграция: Поддержка экономических механизмов обеспечения надежности, качества электроэнергии и соблюдения нормативов по срокам технологических присоединений с помощью технических средств.

Электрические сети 0,4 кВ должны обеспечивать выполнение принципов управления их конфигурацией за счёт оснащения средствами мониторинга параметров режимов работы и состояния оборудования, средствами автоматизации и защиты, средствами секционирования и резервирования, средствами распределённой автоматизации, средствами умного учёта. Оборудование сети должно оснащаться соответствующими программными средствами, средствами связи, позволяющими объединять их в единые системы мониторинга, учёта, контроля и управления, системы диспетчеризации сети [4].

Оборудование управления конфигурацией электрических сетей 0,4 кВ позволяет активно изменять схему сети для повышения надежности, качества электроэнергии и эффективности. Оно включает в себя устройства, предназначенные для секционирования, резервирования, мониторинга и управления.

Устройства секционирования линий электропередачи 0,4 кВ: делятся на неавтоматизированные и автоматизированные. Неавтоматизированные устройства (автоматические выключатели, рубильники с предохранителями) обеспечивают защиту от удаленных однофазных коротких замыканий, секционируя линии 0,4 кВ. К автоматизированным секционирующим пунктам (СП) относятся устройства деления сети (УДС), позволяющие автоматизировать процесс секционирования. Данные устройства оснащаются средствами релейной защиты и управления с применением электромеханических реле (рис. 4), или микроконтроллерных блоков управления. Данные устройства могут оснащаться функциями автоматического повторного включения, средствами мониторинга параметров режимов работы сети, средствами технического учёта электроэнергии [5].

Рисунок 4 - Внешний вид внутри шкафа СП на электромеханических реле, установленного в Филиале ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» (п. Старцево) [5]

Устройства секционирования и резервирования: обеспечивают автоматическое включение резервного питания. К ним относятся секционирующие пункты с функцией автоматического включения резерва (СПАВР) и мультиконтактные коммутационные системы (МКС), которые позволяют гибко изменять конфигурацию сети. СПАВР представляют из себя устройства секционирования, которые, в отличие от описанных выше автоматизированных устройств секционирования (СП, УДС) могут также осуществлять функцию АВР при установке их в кольцевых линиях. Мультиконтактные коммутационные системы – это коммутационные аппараты, имеющие 2 и более контактных групп, причём управление контактными группами осуществляется независимо. Применение МКС в электрических сетях 0,4 кВ даёт возможность автоматически изменять конфигурацию сети при изменении ситуации в ней, или по заданию оператора. МКС оснащаются устройствами мониторинга, учёта, контроля и управления, позволяющими обмениваться данными с единым информационным центром сети, что, в свою очередь, даёт возможность реализовывать принципы SMART GRID [5].

Управляемые коммутационные аппараты (УКА) на трансформаторных подстанциях (ТП) – это коммутационные аппараты 0,4 кВ, оснащенные микроконтроллерными блоками управления и управляемые автоматически или дистанционно. В качестве коммутационных аппаратов используются вакуумные контакторы, магнитные пускатели или автоматические выключатели с электроприводом. УКА могут заменять или дополнять автоматические выключатели отходящих линий и ввода низкого напряжения на ТП 10/0,4 кВ, реализуя функции автоматического повторного включения (АПВ) и предотвращая обратную трансформацию при несанкционированной подаче напряжения со стороны 0,4 кВ (например, от частного генератора) [2, 5].

Вводно-учётно-распределительные устройства (ВУРУ) на вводах потребителей. В отличие от обычных вводных устройств (ВУ) и вводно-распределительных устройств (ВРУ), обеспечивают распределение электроэнергии с помощью управляемых коммутационных аппаратов, а также оснащены средствами мониторинга, контроля и учета. Актуальным является применение ВУРУ в системах электроснабжения с распределённой генерацией. Особенно в тех случаях, когда на балансе потребителей могут находиться генераторы, в том числе малой мощности, работающие на основе использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Это связано с особенностями функционирования таких систем электроснабжения, особенностями их обслуживания. При функционировании таких систем электроснабжения напряжение в электрическую сеть может быть подано как со стороны энергосистемы, так и со стороны потребительских генераторов, если у них есть договор на поставку электроэнергии в общую сеть. Особенности эксплуатации систем электроснабжения с распределённой генерацией связаны также с возможностью подачи напряжения в сеть от нескольких источников. Это повышает требования к обеспечению безопасности при обслуживании ЛЭП. Так, при обслуживании ЛЭП необходимо исключить возможность подачи напряжения в неё от всех подключенных источников электроэнергии, в том числе установленных у потребителей. Неисполнение данного требования может привести к несчастным случаям. При обслуживании ЛЭП 0,4 кВ необходимо предотвратить и подачу напряжения в неё со стороны потребителей. Рационально сделать это за счёт возможности дистанционного отключения ВУРУ во время обслуживания [5].

К прочим устройствам, позволяющим управлять конфигурацией сети, относятся устройства сезонного резервирования. Они позволяют использовать один и тот же резервный источник для разных потребителей в зависимости от времени года или суток, снижая затраты на создание систем резервирования. Принцип работы основан на задании временных интервалов и алгоритмов подключения групп потребителей к резервному источнику [16].

Оборудование управления конфигурацией решает следующие задачи: отключает поврежденные участки, предотвращает отключение неповрежденных участков, обеспечивает резервное питание, управляет загрузкой источников, сегментирует сеть для питания от распределенной генерации, поддерживает напряжение и качество электроэнергии, обеспечивает электробезопасность и наблюдаемость сети [13, 15].

Выводы

Проведенный анализ состояния сельских электрических сетей 0,4 кВ выявил ряд крити ческих проблем, связанных с устаревшим оборудованием, неоптимальной 54                  Агротехника и энергообеспечение. – 2025. – № 1 (46)

конфигурацией и недостаточным уровнем автоматизации. Значительная часть линий электропередачи не соответствует современным требованиям по протяженности и сечению проводов, что приводит к повышенным потерям и снижению качества электроэнергии. В работе определены перспективные направления развития сельских электрических сетей 0,4 кВ, основанные на внедрении интеллектуальных технологий и принципов управления конфигурацией. Предложенные решения, включающие использование мультиконтактных коммутационных систем, автоматизированных систем мониторинга и диспетчеризации, а также управляемых коммутационных аппаратов, позволяют повысить надежность, управляемость и энергоэффективность электроснабжения сельских потребителей. Теоретическое значение исследования заключается в систематизации знаний о проблемах и перспективах.