Технико-экономическое обоснование применения устройства секционирования МКС-2-3В в электрической сети 0,4 кВ

Введение.

Сельские электрические сети 0,4 кВ на протяжении длительного периода времени характеризуются низкими надёжностью электроснабжения и защищённостью от токов однофазных коротких замыканий.

Например, в Орловской области в настоящее время воздушные линии электропередачи 0,4 кВ в среднем характеризуются 1447 аварийными отключениями в год [1], что приводит к потоку отказов 7,04-13,36 год-1/100∙км [2]. Данные особенности приводят к перерывам в электроснабжении потребителей более 72 часов в год. Одной из причин высокой аварийности электрических сетей 0,4 кВ является завышенная протяжённость, которая на примере Орловской области составляет в среднем 985 метров [3], что практически в 2 раза превышает рекомендуемую протяжённость согласно Правилам устройства электроустановок. Также ещё одним фактором, обуславливающим низкую надёжность электроснабжения, является недостаточное использование самонесущих изолированных проводов, доля которых на воздушных линиях электропередачи 0,4 кВ на примере Орловской области составляет 32% [4]. Ещё одной проблемой сельских электрических сетей 0,4 кВ является низкая защищённость от токов однофазного короткого замыкания. Проблема обусловлена завышенной протяжённостью электрических сетей 0,4 кВ, низкой мощностью используемых силовых трансформаторов со средним значением 160 кВА на примере Орловского региона [5], а также устаревшими типами защитных коммутационных аппаратов с долей современных автоматических выключателей с микропроцессорным расцепителем не более 5% [6].

Отмеченные факторы приводят к тому, что время срабатывания защитного коммутационного аппарата значительно превышает установленное требованиями Правил устройства электроустановок по причине низкого значения тока аварийного режима. При этом однофазные короткие замыкания являются одними из наиболее часто встречаемых видов повреждений в электрических сетях 0,4 кВ. Они возникают по причине схлёстывания фазного и нулевого проводов. В ходе аварийных отключений в электрических сетях 0,4 кВ филиала ПАО «Россети Центр»- «Орелэнерго» за 2018-2023 годы было выявлено, что схлёстывание проводов, вызванное падение деревьев и веток, а также гололёдно-ветровыми нагрузками, стало причиной 14% аварийных отключений от общего количества [7]. При этом на примере анализа 10458 аварийных отключений электрических сетей 0,4 кВ за 10 лет в Польше было выявлено, что схлёстывание проводов является причиной 15% перерывов в электроснабжении [8].

Комплексным техническим решением указанных проблем является сетевое секционирование линий электропередачи 0,4 кВ. Впервые этот способ был предложен Спеваковым П.И. в конце 1930-ых [9]. Он заключается в установке в рассечку проводов электрической сети 0,4 кВ автоматических выключателей и плавких предохранителей, позволяющих сократить зону действия защитного коммутационного аппарата, установленного на вводе линии электропередачи 0,4 кВ.

В последние годы учёными Южно-Уральского государственного университета Ершовым А.М., Валеевым Р.Г. и Сидоровым А.И. усовершенствована концепция построения защиты сельских электрических сетей напряжением 0,4 кВ, заключающаяся в использовании секционирующих предохранителей по протяжённости воздушной линии электропередачи 0,4 кВ [10, 11].

Более современным техническим решением, предложенным Виноградовой А.В., является секционирующий пункт, который позволяет осуществлять функции защиты и автоматики в сельских электрических сетях 0,4 кВ [12]. Устройство было внедрено в промышленную эксплуатацию в филиале ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» в 2016 году [13]. Коммутационным аппаратом в секционирующем пункте, который обеспечивает включение и отключение электрической сети 0,4 кВ, является вакуумный контактор [14]. Управление секционирующим пунктом осуществляется микроконтроллерным блоком управления, в том числе, производящим измерение параметров электрической сети 0,4 кВ [15]. Для выбора места установки секционирующих пунктов в электрической сети 0,4 кВ разработаны методики, которые учитывают эффекты от повышения защищённости электрической сети 0,4 кВ от однофазных КЗ и надёжности электроснабжения потребителей [16, 17]. Предложены технические решения по способам крепления секционирующего пункта на опорах сельской электрической сети 0,4 кВ [18]. Также осуществлено техникоэкономическое обоснование использования устройства на примере электрической сети 0,4 кВ с производственными сельскохозяйственными потребителями [19].

Усовершенствованными версиями секционирующего пункта, которые учитывают особенности конфигурации электрической сети 0,4 кВ, являются мультиконтактные коммутационные системы, например, типа МКС-2-3В [20, 21].

В рамках данной концепции в июне 2023 года в филиале ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» было внедрено устройство МКС-2-3В, предназначенное для секционирования линии электропередачи 0,4 кВ с отпайкой. Внешний вид разработанного устройства в ходе опытно-промышленной эксплуатации в ноябре 2023 года представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Устройство секционирования линий электропередачи 0,4 кВ МКС-2-3В в ходе опытно-промышленной эксплуатации.

Устройство разработано в рамках гранта от Фонда содействия инновациям по договору №17749ГУ/2022 от 13 мая 2022 года и является аналогом реклоузера для электрических сетей 0,4 кВ. На разработанное устройство получен патент РФ №2802722. Устройство МКС-2-3В содержит 2 низковольтных вакуумных контактора для секционирования магистрального участка и отпайки, так как 90% сельских электрических сетей 0,4 кВ имеют одну отпайку в точке разветвления линии [4]. Управление контакторами осуществляется микроконтроллерным блоком, который с использованием датчиков тока и напряжения обеспечивает мониторинг фазных напряжений, фазных токов и токов в нейтральных проводах в точке установки устройства МКС-2-3В. Данные электрические параметры в совокупности с положением вакуумных контакторов передаются в центр управления сетями с использованием SCADA-системы ОИК «СИСТЕЛ». Это позволяет диспетчеру электросетевой компании непрерывно получать данные о состоянии электрической сети и обеспечивать, при необходимости, управление её конфигурацией за счёт включения или отключения контакторов устройства.

Произведём технико-экономическое обоснование его использования.

Цель работы заключается в технико-экономическом обосновании использования устройства секционирования МКС-2-3В на примере электрической сети 0,4 кВ Орловской области, обеспечивающей электроснабжение коммунально-бытовых сельскохозяйственных потребителей.

Материалы и методы исследования.

Технико-экономическое обоснование использования устройства секционирования было реализовано с использованием методики расчёта надёжности электроснабжения с использованием теории сложения и умножения вероятностей, рассмотренной в работах [22, 23, 24].

Устройство секционирования МКС-2-3В было установлено на опору №7 в электрическую сеть 0,4 кВ с диспетчерским наименованием ВЛ 0,4 кВ №1 КТП 10/0,4 кВ Кул-5-3, обслуживаемую филиалом ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго». Поопорная схема электрической сети 0,4 кВ с указанием характеристик потребителей представлена на рисунке 2. Характеристики потребителей были определены с использованием программного обеспечения «Пирамида-Сети», предназначенного для автоматизированного учёта электроэнергии на объектах электросетевых компаний. С использованием программного комплекса «Аварийность» были получены сведения о продолжительности 12 аварийных и 24 плановых отключениях рассматриваемой электрической сети 0,4 кВ за 5 лет. Данные сведения были использованы для определения показателей надёжности участков воздушных линий электропередачи 0,4 кВ.

Рисунок 2 - Поопорная схема электрической сети 0,4 кВ, в которой установлено устройство секционирования МКС-2-3В.

Поток отказов, w ₀ , год^-1/100^км, был определён с использованием формулы (1):

^ 0

n_a в •100 ^ уч

где пав - среднеарифметическое значение количества аварийных отключений ВЛ рассматриваемого класса напряжения, ед.;

1 уч -протяженность участка ВЛ, км.

Среднее время восстановления Т вуч^лэП , ч, характеризует время обнаружения и устранения отказа и определяется по формуле (2):

^ i=i ^r i

1 Вуч^ЛЭП =   ~  , где r – число отказов системы за определенный период, ед.;

τ – время восстановления после i-ого отказа, ч.

Среднее число преднамеренных (плановых) отключений на участок ВЛ, т ^ , год^-1, определяется по формуле (3):

S ^ пл т ; =---- ,

^лет где nпл – общее количество плановых отключений ВЛ за рассматриваемый промежуток времени, ед.;

N лет – рассматриваемый промежуток времени, ед.

Среднее время простоя электрической сети при преднамеренных отключениях Т р^ , ч, определяется по формуле (4):

У ^р £ i=i £ i

Тр1        р , где p – число простоев системы за определенный период, ед.;

t– время i-ого планового простоя, ч.

Вероятность безотказной работы элемента электрической сети 0,4 кВ Р б_езотк , о.е., была определена с использованием формулы (5):

8760—Ш

Рбезотк =  8760 , где 8760 – число часов работы элемента электрической сети 0,4 кВ;

m – число часов простоя в год, ч.

Вероятность отказа Р _отк , о.е., была определена с использованием формулы (6):

Р отк Р безотк

-1

Показатели, рассчитываемые по формулам (5) и (6) были определены как для аварийных, так и для плановых отключений.

Время перерыва в электроснабжении, Т _пер , ч, вызванного как аварийными, так и плановыми отключениями, определяется по формуле (7):

Т пер = Р отк • 8760.

Для участков линии при отказе в любой их точке, ущерб от аварийных перерывов

У авуч^ , руб./год, определяется по формуле (8):

У авуч1 ^у _аво^ ^ уч1 У ав0

^Р МучС ^ МучС ^ пер ав учг

,

где y 0ав - удельный ущерб, рублей/кВт·ч. По данным СТО 56947007-29.240.01.271-2019 [25] ущерб от недоотпуска электроэнергии в распределительных электрических сетях 0,4 кВ по состоянию на март 2025 года составляет 161,22 рубля за кВт∙ч;

ΔW учi – недоотпуск электроэнергии по рассматриваемому участку сети, кВт∙ч/год;

Р Мучi – максимальная нагрузка потребителей, подключенных к рассматриваемому участку сети, кВт;

Т Мучi – время использования максимальной нагрузки для потребителей, подключенных к рассматриваемому участку сети, ч;

Т пер ав учi – время аварийного перерыва в электроснабжении по рассматриваемому участку сети, ч.

Аналогичным образом определяется ущерб от плановых перерывов в электроснабжении с учётом времени простоя участка сети и удельного ущерба от преднамеренного отключения.

Дополнительно от использования устройства эффекты будут получены электросетевыми компаниями. Так, эффект от сокращения неоплаты электроэнергии ввиду недоотпуска электроэнергии Э ноээ , руб./год, определяется по формуле (9):

Э ноЭЭ = AW Heg • Т у ,                                 (9)

где ΔWнед – разница между объёмами недоотпущенной электроэнергии по сравниваемым схемам, кВт·ч/год;

Т у – тариф на услугу по передаче электроэнергии, 2,38 руб./кВт·ч по состоянию на март 2025 года для Орловского региона [26].

^£Иущерб отк.сх1     -^Т пер.ав.сх^ ' У устр отк ^{(руб./год)}

где ΣТ пер.ав.схi - суммарное время аварийных перерывов в электроснабжении (ч/год) для рассматриваемой схемы, полученное суммированием времени аварийных перерывов по группам потребителей. Учитываются только аварийные перерывы, так как именно они связаны с неплановыми выездами и затратами для служб электросетевой компании;

У устр отк - удельный ущерб от устранения отключений, по состоянию на март 2025 года среднее удельное значение расходов на устранение отключения для ЛЭП 0,4 кВ составляет 2995,36 рублей.

По результатам выполнения научно-исследовательских работ по теме: «Разработка средств сетевого секционирования и резервирования линий электропередачи для модернизации сельских электрических сетей 0,4 кВ»в рамках гранта от Фонда содействия инновациям по договору по договору №17749ГУ/2022 от «13» мая 2022 года было выявлено, что рыночная стоимость устройства секционирования составляет 150.000 рублей.

Инвестиционные издержки для внедрения устройства секционирования МКС-2-3В в электрическую сеть 0,4 кВ, £ И _инв._п._МКс_-2-3В , руб., определяются формуле (11):

Z И инв.п.МКС-2-3В = Ц МКС-2-3В + ТЗ МКС-2-3В + ^ММКС-2-3В , ⁽¹¹⁾

^где Ц МКС-2 _-3в — рыночная стоимость устройства секционирования, руб.;

ТЗ МКС-2_-3В — транспортные затраты на доставку устройства МКС-2-3В, руб.;

М _МКс_-2-3В — затраты на монтаж устройства секционирования МКС-2-3В, руб.

Эксплуатационные издержки, Э, руб./год, при внедрении устройства МКС-2-3В определяются формуле (12) [27]:

Э =А + Т =

^£ И инв.п.МКС—2—3В^,Д Д%

+

^ И инв.п.МКС—2—3В '^^'Р%

,

где А - амортизационные отчисления, руб.;

Т- стоимость текущего ремонта, руб.;

На% - норма амортизационных отчислений, которая составляет 3,5%;

Нтр% - норма отчислений на текущий ремонт, составляет 2,9%.

Дисконтированный срок окупаемости устройства МКС-2-3В Г)РР мкс _-2-3 в , лет, определяется по формуле (13) [27]:

i

^ ^РР мкс-2-3В = Z t=o^(pt ^{— p}t ) TTyV — ^ ^nr , (A +

Et – экономия за год, руб.;

Ct – текущие расходы в период времени n, руб., т.е. затраты на эксплуатацию, определённые по формуле (12);

i – ставка дисконта, равная 0,1;

Inv – инвестиции в проект, руб.

Рассмотрим результаты, полученные в ходе технико-экономического обоснования устройства секционирования МКС-2-3В.

Результаты и обсуждение

Показатели надёжности элементов электрической сети 0,4 кВ, определённые по выше приведённым формулам представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Показатели надёжности элементов электрической сети 0,4 кВ.

Показатель	Участок №1 (опоры №1-№7)	Участок №2 (опоры №7-№13/2)	Участок №3 (№7-№5/13)	ТП 10/0,4 кВ	Устройство МКС-2-3В
ω 0 , год-1/100 км / год-1/100 шт	103,5	103,5	103,5	0,016	0,05
Т восст , ч	2,92	2,92	2,92	50	1
Длина, км / количество, шт.	0,68	0,84	0,8	1	1
Т пер ав учi, ч	2,06	2,54	2,42	0.8	0,05
Т плучi, ч	16,8	16,8	16,8	1,5	1,43
Т плi	3,5	3,5	3,5	1,5	1,09
m i , 1/год	4,8	4,8	4,8	0,25	0,33
Р безотк ав учi	0,999765	0,99971	0,999724	0,99991	0,999986
Р безотк пл учi	0,998082	0,998082	0,998082	0,99983	0,99988
Р отк ав учi	0,000235	0,00029	0,000276	0,00009	0,000014
Р отк пл учi	0,001918	0,001918	0,001918	0,00017	0,00012

При установке устройства секционирования МКС-2-3В на опору №7 оно делит электрическую сеть 0,4 кВ на следующие участки: магистральный участок до точки установки устройства протяжённостью 680 метров, магистральный участок после установки устройства протяжённостью 840 метров, отпайку от магистрального участка протяжённостью 800 метров.

Исходя из анализа 12 аварийных и 24 плановых отключений рассматриваемой электрической сети 0,4 кВ за 5 лет было выявлено, что поток отказов участков сети составляет 103,5 год-1/100 км. Среднее число преднамеренных отключений в год составляет 4,8 год-1. Среднее время аварийного перерыва в электроснабжении составляет 2,92 часа, а планового обслуживания – 3,5 часа. С учётом данных показателей были определены вероятности безотказной работы участков электрической сети 0,4 кВ и время перерывов в электроснабжении как для радиальной схемы, так и схемы с устройством секционирования МКС-2-3В. Так, время аварийных перерывов в электроснабжении для участков электрической сети 0,4 кВ при использовании устройства секционирования МКС-2-3В составляет от 2,865,45 часов, а плановых – 16,53-18,3 часов. В свою очередь, для радиальной сети время аварийных перерывов в электроснабжении составляет 7,82 часа, а плановых – 51,9 часов. Дополнительно, были определены аварийные перерывы в электроснабжении потребителей при использовании функции АПВ на устройстве секционирования МКС-2-3В. Они составили 1,8-3,4 часов для участков электрической сети 0,4 кВ.

Результаты расчёта ущербов с использованием формул (8)-(10) при использовании разных схем представлены в таблице 2. Рассчитанные ущербы являются составляющими стимулирующих издержек, их сумма по каждому варианту является суммой стимулирующих издержек по нему.

Таблица 2 - Результаты расчёта для рассматриваемой схемы электрической сети 0,4 кВ, запитанной от ТП 10/0,4 кВ Кул-5-3.

Ущерб	Радиальная схема	Схема с устройством МКС-2-3В	Схема с устройством МКС-2-3В и функцией АПВ
Ущерб от недоотпуска, руб./год	42690	17170	15027
Ущерб устранения отключений, руб./год	70810	40857	27318
Ущерб от неоплаты, руб./год	1114	404	379
Суммарный ущерб (стимулизующие издержки), руб./год	114614	58431	42724

Исходя из результатов, представленных в таблице 2, следует, что экономический эффект при использовании устройства МКС-2-3В в рассматриваемой электрической сети 0,4 кВ составляет 56.183 рубля в год, при этом за счёт использовании функции АПВ возможно добиться экономического эффекта в 71.890 рублей в год.

С использованием формулы (11) было определено, что суммарные инвестиции для внедрения устройства секционирования в электрическую сеть 0,4 кВ составляют 217.500 рублей. При этом, согласно результатам расчёта, реализованным с использованием формулы (12), годовые эксплуатационные издержки составляют 13.651 рублей в год. Исходя из данных значений, по формуле (13) было выявлено, что дисконтированный срок окупаемости устройства МКС-2-3В составит 5-8 лет в зависимости от использования функции АПВ.

Выводы.

В работе было произведено технико-экономическое обоснование использования устройства секционирования МКС-2-3В на примере электрической сети 0,4 кВ Орловского района. Капитальные вложения для внедрения устройства МКС-2-3В составляют 217.500 рублей, при этом ежегодные эксплуатационные издержки составляют 13.651 рублей в год. За счёт сокращения ущербов от перерыва в электроснабжении, ущербов от неоплаты за электроэнергию потребителями ввиду недоотпуска, ущербов от устранения последствий аварийных отключений персоналов электросетевых организаций удастся добиться годового экономического эффекта в 56.183-71.890 рублей в год в зависимости от использования функции АПВ. При использовании устройства МКС-2-3В удастся добиться сокращения аварийных перерывов в электроснабжении с 7,82 часов в год, характерных для радиальной схемы, до 1,8-5,45 часов в год, а плановых с 51,9 часов в год до 16,53-18,3 часов в год.