Дать сравнительную оценку схемы распределительного устройства подстанции с одной и двумя системами сборных шин. А именно, определить живучесть подстанции в динамическом и статическом режимах.

      В работе даны формулы для сравнительной оценки подстанции с одной и двумя системами сборных шин в динамическом и статическом режимах.

      В работе дана методика расчетов, которая позволяет выбрать оптимальные с точки зрения живучести и надежности типы подстанций.

      На подстанциях 110 - 220 кВ схема с двумя системами сборных шин с обходной системой шин - одна из наиболее распространенных в России и Украине [9, 10]. Статистика свидетельствует [11, 12], что использование схемы с двумя, а не с одной секционированной системой сборных шин заметно ухудшает надежность электроснабжения потребителей. В распределительном устройстве подстанции желательно иметь одну секционированную систему сборных шин. Переходить к схеме с двумя системами сборных шин следует лишь при наличии схемных или иного рода ограничений, например, режимных, о чем уже говорилось в работах [13, 4] и др.
      Данный факт нередко игнорируется представителями эксплуатации. Заказчики проектов электроустановок диктуют свои условия проектировщикам. Эксплуатационный персонал заинтересован в наименьшей длительности отключения потребителей и настаивает на использовании действительно более гибкой схемы с двумя, а не с одной системами сборных шин, что позволяет быстро восстанавливать электроснабжение потребителей при нарушении ее нормального функционирования. [14] Однако, как показывает аварийная статистика [11], сама эта схема и является причиной большого числа аварий.
      При разработке технико-экономических обоснований к сооружению подстанций имеется потребность в детальном анализе схем с учетом конкретной специфики. В настоящей работе приведена сравнительная оценка живучести упомянутых схем в статическом и динамическом режимах применительно к открытому РУ (ОРУ) 110 кВ подстанции Южная (Курскэнерго). Его параметры являются типичными для вторичной стороны (иначе - среднего напряжения) крупных системных подстанций [1], поэтому приводимые далее характеристики и соотношения будут полезными для принятия решений при эксплуатации и проектировании электроустановок.

      Для определения живучести подстанции в работе рассматриваются следующие виды отказов элементов схемы: отказ типа «короткое замыкание», отказ типа «обрыв цепи» и отказ в срабатывании (скрытый отказ).
      Все остальные отказы, которые встречались в СЭС промышленных предприятий Украины, появлялись на порядок реже отобранных и поэтому в расчетах не учитывались. [15]
      Перечисленные виды отказов следует относить к следующим типам электрооборудования:
      1. Отказ типа «короткое замыкание». Такой вид отказа может происходить во всех элементах схемы, через которые проходит ток нагрузки в нормальном режиме работы. Короткие замыкания (КЗ) в таких элементах отключаются основной релейной защитой, в зоне действия которой находится рассматриваемый элемент сети, либо резервной с выдержкой времени. Перекрытие изоляции в самом защитном коммутационном аппарате в этих расчетах не учитываем, так как такие повреждения встречаются на порядок реже, чем КЗ в защищаемых этими коммутационными аппаратами элементах сети.
      2. Для защитных коммутационных аппаратов учитываются два вида отказов:
      а) отказ выключателя типа «обрыв цепи». К таким отказам будем относить ложные и излишние отключения выключателей в результате действия релейной защиты, которые ликвидируются с помощью ручного переключения (т.е. без средств автоматики), а также автоматические отключения выключателей в результате повреждений во вторичных цепях релейной защиты;
      б) отказ выключателя в срабатывании. Эти отказы выявляются в результате профилактических осмотров выключателей: привода, катушки отключения, дугогасительной камеры, контактной системы, оценивается возможность перекрытия изоляции при внешних и внутренних перенапряжениях, проверяются пути утечки тока. Производится осмотр релейных защит, контактов самих реле, проверяются уставки защит, оперативные цепи питания, работа устройства автоматического повторного включения (АПВ), устройства автоматического ввода резерва (АВР) и т.д.
      Формула для определения частоты появления цепочечных аварий, которые могут происходить при КЗ в защищаемом элементе сети и отказе в срабатывании ряда защитных коммутационных аппаратов, через которые прошел сквозной аварийный ток, имеет вид [16]:
          ,                     (1)
где j - параметр потока независимых КЗ в j-том элементе сети;
   s.i - параметр потока отказов в срабатывании і-того защитного коммутационного аппарата. Здесь индекс s указывает на то, что учитывается поток отказов в срабатывании і-того защитного коммутационного аппарата;
   i - интервал времени между профилактическими осмотрами системы отключения і-того защитного коммутационного аппарата вместе с его релейной защитой или системы АВР;
   m – число защитных коммутационных аппаратов, через которые прошел сквозной аварийный ток, при этом действие их основной релейной защиты обязательно или число секционных коммутационных аппаратов с АВР, отказавших во включении;
   n – число единиц электрооборудования, получающих электроэнергию от данного узла нагрузки.
      Данная формула справедлива при выполнении условия: интервалы времени между появлениями КЗ в элементе сети и интервалы времени между отказами в срабатывании защитных коммутационных аппаратов не противоречат экспоненциальным функциям распределения вероятности с параметрами соответственно, j и s.i, кроме этого, соблюдается условие:
                               (2)
      В том случае, если это условие не соблюдается, тогда основную характеристику узла нагрузки можно определить пользуясь системами уравнений [17]
                                     (3)
          (A)=P(t)A                      (4)
                         (5)
где
      - вектор-столбец;
      - фундаментальная матрица;
      Q – матрица получается из матрицы интенсивностей переходов Pk с помощью исключения поглащающего состояния (последней строки и последнего столбца);
      k – число событий участвующих в формировании аварии;
      - вектор-столбец, у которого все элементы равны 1;
      - вектор-строка;
      - вектор-строка;
      A=(Pk-I); I - единичная матрица;
      - вектор-столбец;
      - вектор-столбец;
     i, i - скорость переходов i-того элемента из безотказного состояния в отказавшее, соответственно (i=1,2,…,k).
      Система уравнений (4) решается при условии:            Р1(0)=1; Р2(0)= Р3(0)=…= Р2k(0)=0.
      Наиболее часто живучесть узлов нагрузки определяется при совпадении в пространстве и времени двух или трех случайных событий, имеющих различные частоты появления и длительности существования.
      При выполнении условия (2) и если , то формула для определения вероятности появления в пространстве и времени трех случайных событий будет иметь вид:
      - вектор-столбец;                      (6)
      В работе разработан принцип построения схем замещения «минимальных сечений» для оценки сложных аварийных ситуаций, а также методика сбора и обработки необходимой статистической информации, используя ежегодные отчеты энергосистемы [18,19,20,21,22,23,24].
      При выводе формулы для определения вероятности появления цепочечных аварий были приняты следующие допущения: устройства защиты могут выходить из строя только тогда, когда они находятся в режиме ожидания. Если к моменту возникновения повреждения в сети, на которое должна реагировать релейная защита, она находилась в исправном состоянии, то маловероятно, чтобы защита вышла из строя, находясь в режиме тревоги.
      Отказы в схемах РЗ и приводе выключателя выявляются и устраняются только в результате профилактических проверок. Предполагается, что проверки РЗ и привода выключателя абсолютно надежные.
      Под отказом в срабатывании защитного коммутационного аппарата будем понимать тот из них, который приводит к отказу в отключении поврежденного элемента сети при КЗ в зоне действия его релейной защиты [25].
      В том случае, если сроки профилактики систем отключения защитных коммутационных аппаратов будут одинаковы (т.е. ), тогда формула для определения частоты появления цепочечных аварий примет вид:
                                (7)
      Вероятность появления каскадной аварии Q(t) в течение времени t можно определить следующим образом:
                                (8)
      Для оценки надежности схем систем электроснабжения (СЭС) широкое распространение получили элементные методы расчетов надежности. В этих методах предполагается, что СЭС состоит из самостоятельных (в смысле анализа надежности) элементов, исключаются из рассмотрения функциональные зависимости между параметрами отдельных элементов устройства [26].
      Рассматриваемые современные СЭС состоят из элементов: линии электропередачи, трансформаторы, выключатели, отделители, разъединители, автоматические выключатели и т.д. Под узлом схемы понимаются физические пункты СЭС, которые непосредственно связаны не менее чем с тремя направлениями передачи энергии, т.е. обычно это сборные шины или секции распределительных устройств и т.д. [27]. Для СЭС в работе [26] введены понятия: отказ типа «обрыв цепи» и отказ типа «короткое замыкание» («КЗ»).
      В работе [27] обосновано, что не целесообразно делить отказы, которым подвергается электрооборудование в процессе эксплуатации более чем на три вида.
      В методиках оценки надежности схем систем электроснабжения [27,28,29], каждый элемент с точки зрения его надежности характеризуется двумя состояниями: 0 - работоспособное; 1 - неработоспособное. В общем случае число состояний такой СЭС состоящей из n элементов будет .
      При описании процессов, протекающих в такой системе, принимают ряд допущений:
      - отказ элемента приводит к обрыву той цепи, в которой он находится (отказ типа «обрыв»);
      - время работы и время восстановления элементов системы распределены в соответствии с экспоненциальным законом с параметрами: i - параметр потока отказов; i - параметр потока восстановлений, где ; i<<i; где i - номер элемента в схеме;
      - процессы отказов и восстановлений элементов системы независимы;
      - все работающие элементы находятся в работе, все отказавшие в процессе восстановления;
      - восстановление элементов неограниченное и полное;
      - в один и тот же момент времени в системе не могут произойти два или более событий, состоящих из перехода элемента из неисправного состояния в исправное и наоборот;
      - переход элемента из исправного состояния в отказавшее и их обратный переход происходит мгновенно, т.е. без затрат времени;
      - релейная защита и система отключения выключателя абсолютно надежны. Это означает, что при появлении КЗ в элементе сети, в зоне действия ближайших к месту повреждения токовых защит, оно будет отключено с вероятностью 1.
      Принятые для расчетов надежности СЭС допущения, описанные выше, позволяют получить схему замещения, совпадающую по структуре с принципиальной, с той только разницей, что каждый элемент входит в систему своим параметром потока отказов и восстановлений.
      В полученной схеме замещения выделяется вход и выход, т.е. точки, относительно которых определяется надежность электроснабжения. Все источники питания соединяются в одну точку, и эта точка принимается за абсолютно надежную (вход). В качестве выхода схемы обычно принимается наиболее удаленный узел, либо наиболее ответственный потребитель. Затем используя известные методы составления схемы минимальных сечений относительно входа и выхода [30]. Схема минимальных сечений представляет собой структуру из последовательно соединенных звеньев, состоящих из одного, двух, трех и т.д. параллельно соединенных элементов.
      Перебираются возможные варианты отказов элементов, при которых рассматриваемый узел нагрузки теряет питание. Из всех возможных вариантов «сечений» выбирают минимальные «сечения» [29].
      Каждый элемент схемы замещения характеризуется двумя параметрами: i - параметр потока отказов и i - параметр потока восстановлений, , где m – число элементов в схеме.
     Для подстанций, изображенных на рис.1, была составлена схема минимальных «сечений». Определена живучесть схем и их надежность в статическом режиме. Установлено, что живучесть схемы с одной системой шин выше в 333,36 раз по сравнению со схемой с двумя системами шин.

      1. В работе предложена формула для определения живучести узла нагрузки – совпадения в пространстве и времени трех случайных событий, имеющих различную частоту появления и длительность нахождения устройства в необнаруженном отказавшем состоянии.
      2. предложена методика расчетов живучести подстанций с одной и двумя системами сборных шин.
      3. Из рсчетов видно, что вероятность совпадения в пространстве и времени четырех случайных событий величина маловероятная и в практических расчетах ее предлагается не учитывать.
      4. Использование на подстанции распределительной сети 110-220 кВ схемы с двумя системами сборных шин по сравнению с альтернативной схемой с одной секционированной системой сборных шин примерно на порядок снижает надежность электроснабжения потребителей.
      5. В схеме с двумя система сборных шин секционирование последних повышает надежность электроснабжения потребителей.
      6. При отсутствии схемных ограничений или иного рода ограничений, например режимных, предпочтение следует отдавать схеме с одной секционированной, а не с двумя системами сборных шин.

1. Макаров С.О. Разбор элементов, составляющих боевую силу судов.// Морской сборник, 1894,№6, с.1-106.
2. Надежность систем энергетики. Терминология. М.: Наука, 1980. Вып.95 – 44с.
3. Китушин В.Г. Надежность энергетических систем. М.: высшая школа, 1984. – 256 с.
4. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. М.: Наука, 1986. – 276 с.
5. Китушин В.Г. Определение характеристик отказов системы при цепочечном развитии аварий. – Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1977, №3. с. 20-30.
6. Гук Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике: Учеб. Пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 208 с.
7. Гук Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988. – 224 с.
8. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем.: Энергоатомиздат, 1984. – 176 с.
9. Зотов С.Н., Неклепаев Б.Н., Шунтов Л.Н. О частоте использования типовых схем распределительных уст¬ройств повышенных напряжений подстанций. - Электрические станции, 1994, № 8.
10. Мурашко Н.В. По поводу статьи Зотова О.Н., Неклепаева Б.П., Шунтова А.В. "О частоте использования типовых схем распределительных устройств повышен¬ных напряжений подстанций". - Электрические станции, 1996, № 3.
11. Учет надежности систем сборных шин при обосно¬вании схем распределительных устройств повышенных напряжений понижающих подстанций / Корягин Ю.М., Неклепаев Б.П., Шевченко А.Т., Шунтов А.В. - Элект¬рические станции, 1993, № 12.
12. Неклепаев Б.Н., Шевченко А.Т., Шунтов А.В. О безопасности персонала при переключениях в распределительных устройствах 110—220 кВ. - Энергетик, 1994, № 5.
13. Горохов К. Америке устроили темную. Комсомольская правда в Украине, 16 августа 2003 г.
14. Балаков Ю.Н. Кузнецов В.Ф., Кучера Ю.В., Науменко Е.И., Петрова Ж.С., Шевченко А.Т., Шунтов А.В. Сравнительная оценка надежности схемы распределительного устройства подстанции с одной и с двумя системами сборных шин. – Электрические станции, 1998, №7, с.51-59.
15. Ковалев А.П. Якимишина В.В. О живучести объектов энергетики. – Промышленная энергетика, 2006, № 1, с.20-26.
16. Ковалев А.П., Чурсинов В.И., Якимишина В.В. Оценка вероятности появления цепочных аварий в энергосистемах. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ, 2004 – Вип.. 3/2004 (26) – с. 106-107.
17. Ковалев А.П. О проблемах оценки безопасности технологических объектов топливно-энергетического комплекса Украины. – Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія «Електротехніка та енергетика», Випуск 79, Донецьк, 2004, с.111-118.
18. Обзор состояния аварийности в магистральных электрических сетях за 2000 год., Национальная электроэнергетическая компания "Укрэнерго" Донбасская электроэнергетическая система., Горловка, 2001г., 9 с.
19. Обзор состояния аварийности в магистральных электрических сетях за 2001 год., Национальная электроэнергетическая компания "Укрэнерго" Донбасская электроэнергетическая система., Горловка, 2002г., 8 с.
20. Обзор состояния аварийности в магистральных электрических сетях за 2002 год., Национальная электроэнергетическая компания "Укрэнерго" Донбасская электроэнергетическая система., Горловка, 2003г., 14 с.
21. Обзор состояния аварийности в магистральных электрических сетях за 2003 год., Национальная электроэнергетическая компания "Укрэнерго" Донбасская электроэнергетическая система., Горловка, 2004г., 5 с.
22. Обзор состояния аварийности в магистральных электрических сетях за 2004 год., Национальная электроэнергетическая компания "Укрэнерго" Донбасская электроэнергетическая система., Горловка, 2005г., 5 с.
23. Обзор состояния аварийности в магистральных электрических сетях за 2005 год., Национальная электроэнергетическая компания "Укрэнерго" Донбасская электроэнергетическая система., Горловка, 2006г., 13 с.
24. Обзор состояния аварийности в магистральных электрических сетях за 2006 год., Национальная электроэнергетическая компания "Укрэнерго" Донбасская электроэнергетическая система., Горловка, 2007г., 27 с.
25. Эндрени Дж. Моделирование при расчетах надежности в электроэнергетических системах: Пер. С англ./ Под ред. Ю.И. Руденко – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 336 с.
26. Фокин Ю.А., Харченко А.М. Расчет надежности систем электроснабжения. – Электричество, 1982, №8, с.5-10.
27. Константинов Б.А., Лосев Э.А. Логико-аналитический метод расчета надежности восстанавливаемых систем электроснабжения. – Электричество, 1971, №12, с.21-25.
28. Ковалев А.П., Сердюк Л.И. Метод расчета надежности сложных схем систем электроснабжения с учетом восстановления элементов. – Электричество, 1985, №10, с.52-53.
29. Рябинин И.А. Основы теории и расчета надежности судовых электроэнергетических систем. – Л.: Судостроение, 1971. – 456с.
30. Зорин В.В., Тесленко В.В., Клеппель Ф. и др. Надежность систем электроснабжения. Киев: Высшая школа, 1984. – 215с.