При строительстве распределительных сетей в Москве сейчас сделали серьезную ставку на напряжение 20 кВ. По сравнению с сетями 6/10 кВ, решения на 20 кВ позволяют передавать большую мощность, имеют более высокую надежность, обладают лучшими экономическими показателями. Тем не менее в российских регионах данный тип распределительных сетей встречается крайне редко. В этой статье мы разберемся, почему сложилась такая ситуация и есть ли в России перспективы у сетей 20 кВ за пределами столицы.
В России большинство распределительных электрических сетей имеют рабочие напряжения 6; 10 и 35 кВ. При этом решения на 6 кВ считаются морально устаревшими, напряжение 35 кВ рекомендовано для распределительных сетей в труднодоступных районах, а 10 кВ — самый массовый вариант для построения распределительных сетей в крупных городах.
В распределительных сетях на 6 и 10 кВ в нашей стране, как правило, используется схема с изолированной нейтралью. Данная схема, по современным меркам, имеет целый ряд недостатков, но на заре электрификации она была наилучшим вариантом. Из-за большого количества установленного оборудования на 6/10 кВ полностью отказаться от нее пока нет возможности.
Сети с изолированной нейтралью обычно используют соединение обмоток трансформатора на стороне 6/10 кВ по схеме «треугольник», что позволяет упростить его конструкцию. Другое преимущество — при однофазном коротком замыкании на землю (ОКЗ) сеть с изолированной нейтралью сохраняет работоспособность, лишь повышается напряжение на изоляторах. Это позволяло обходиться без сложных систем автоматики. Персонал подстанции, поняв по показаниям приборов, что на линии, возможно, произошло ОКЗ, проводит измерения, а также осуществляет визуальный осмотр линии. Запас прочности изоляторов позволяет растянуть эти мероприятия на несколько дней.
В таких сетях при ОКЗ через точку соприкосновения фазного провода с землей потечет ток не более 30 А, что намного меньше тока, передаваемого по линии. Причем значение тока утечки на землю нестабильно, оно зависит от множества факторов. Поэтому в сетях с изолированной нейтралью диагностировать в полностью автоматическом режиме ОКЗ со 100% точностью практически невозможно. Это сдерживает цифровизацию управления такими сетями. К тому же в условиях современного мегаполиса длительная утечка тока в почву недопустима, поскольку создает угрозу безопасности людей и разрушает элементы инфраструктуры.
Принцип работы сетей 20 кВ
Чем больше напряжение в линии, тем большую мощность можно по ней передать и тем больше дальность передачи электроэнергии без промежуточных трансформаторов. Но, с другой стороны, повышение напряжения приводит к удорожанию системы. В сетях 20 кВ благодаря применению некоторых технических решений удалось повысить напряжение вдвое относительно сетей 10 кВ при минимальном увеличении стоимости решения.
При включении трансформатора по схеме «треугольник» фазное напряжение в линии электропередачи будет равно линейному. Если же мы перейдем к схеме соединения обмоток «звезда», то фазное напряжение будет в √3 ≈ 1,73 раза меньше линейного. Именно схема включения обмоток трансформатора «звезда» применяется в подавляющем большинстве систем на 20 кВ.
При такой схеме включения, если линейное напряжение составляет 20 кВ, то фазное составит 11,6 кВ, что сопоставимо со значением фазного напряжения в сетях 10 кВ с изолированной нейтралью. Данное обстоятельство позволяет использовать для сетей 20 кВ кабели и провода практически такой же конструкции, что и в сетях 10 кВ, применять в оборудовании многое из ранее разработанных для 10 кВ решений. Наконец, персонал, уже имеющий опыт работы с оборудованием на 10 кВ, очень просто переучить на оборудование 20 кВ.
Первичная обмотка в трансформаторе, понижающая напряжение магистральной сети (110 кВ и выше) до напряжения распределительной сети, всегда включена по схеме «звезда». Мощный трансформатор, у которого одна из обмоток соединяется по схеме «звезда», а другая — по схеме «треугольник», гораздо проще в производстве, чем трансформатор, обе обмотки которого соединяются «звездой». Кроме этого, трансформаторы, подключаемые по схеме «звезда»-«звезда», должны устанавливаться в системе 20 кВ и на подстанциях, обеспечивающих понижение напряжения до 400/230 В для конечных потребителей. Собственно, освоение серийного производства таких трансформаторов и стало основной технической проблемой при переходе к напряжению 20 кВ. И она была успешно решена.
По стоимости строительства как кабельные, так и воздушные сети на 10 и 20 кВ, при прочих равных условиях, идентичны. Разница в цене на кабели 10 кВ и 20 кВ несущественна. При серийном производстве стоимость оборудования для подстанций 20 кВ не более чем на 25% выше стоимости аналогичного оборудования для 10 кВ [1]. Но если учесть, что на одной и той же площади при напряжении 20 кВ требуется примерно вдвое меньше подстанций, чем при напряжении 10 кВ, в случае создания новых распределительных сетей дополнительные затраты на оборудование окупаются сразу же.
Повышение надежности
В сетях 20 кВ, как правило, применяется заземление нейтрали через токоограничивающий резистор. Это относительно новый способ заземления, который реализован в сетях 20 кВ потому, что не было задачи обеспечить полную совместимость с уже имеющимся оборудованием на 6/10 кВ. Исключение составляет разве что так называемая «финская» система, специально разработанная для строительства воздушных линий в регионах с высоким удельным электрическим сопротивлением почвы (вечная мерзлота, скалистый грунт). В ней применяется схема с изолированной нейтралью, а требуемая надежность обеспечивается прочным трехслойным изолирующим покрытием самонесущих проводов.
При заземлении нейтрали через резистор в случае возникновения ОКЗ на землю потечет ток в пределах от 100 до 1000 А. Это обеспечивает быстрое, четкое и однозначное срабатывание системы защиты, обесточивающей поврежденный участок линии. При наличии резервной линии энергоснабжения подстанция практически мгновенно переключается в автоматическом режиме на нее. Надежная защита от перегрузки позволяет без опасений применять кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, что и было сделано на московских сетях 20 кВ.
Нормативных документов, регулирующих сопротивление резисторов в заземлении нейтрали, в России пока не существует. При строительстве сетей 20 кВ в Москве, опираясь на зарубежный опыт и собственные исследования, решили использовать резисторы номиналом 12 Ом. Практическая эксплуатация сетей показала правильность данного выбора.
На бытовом уровне резистор кажется очень простым прибором. Но при возникновении ОКЗ через резистор в заземлении нейтрали сопротивлением 12 Ом протекает ток до 1000 А [2]. Соответственно, максимальная рассеиваемая мощность резистора должна составлять 20 МВт. Время, в течение которого резистор должен выдерживать такую мощность без возгорания или разрушения, обычно выбирается с запасом — до 10 с. Создание резисторов для заземления нейтрали — одна из сложных инженерных задач, которые пришлось решать при переходе к сетям 20 кВ.
Строительство сетей 20 кВ в Москве
Впервые в столице сеть 20 кВ была создана в порядке эксперимента в начале 2000-х годов при застройке нового жилого массива «Ходынское поле». При возведении комплекса «Москва-Сити» в 2000-х - 2020-х годах все энергоснабжение уже изначально строилось на сетях 20 кВ. Выбор такого решения диктовался необычно высокой плотностью энергопотребления, характерной для данного комплекса, с чем ранее отечественным энергетикам сталкиваться не доводилось.
Успешный опыт внедрения сетей 20 кВ привел к тому, что они в 2017 г. были включены в «Схему энергоснабжения Москвы на период до 2030 г.» На момент написания статьи действовал документ в редакции 2019 г. Согласно ему, количество соединительных подстанций на 20 кВ планируется увеличить с 36 в 2018 г. до 190 в 2030 г., а количество распределительных подстанций на то же напряжение — с 28 в 2018 г. до 228 в 2030 г. Введение санкций против России в 2022 г. пока не привело к пересмотру этих планов.
Распределительные сети 20 кВ стали применяться и для питания новых станций Московского метрополитена. Это связано с выходом на линии новых поездов большей вместимости, оснащенных кондиционерами, а также с уменьшением временных интервалов между поездами, что привело к росту энергопотребления. В марте 2023 г. была введена в эксплуатацию Большая кольцевая линия. Как минимум 11 из 31 станции этой линии получают питание от сетей 20 кВ.
Опыт регионов
Сети 20 кВ пока не нашли применения даже в таких густонаселенных регионах, как Санкт-Петербург и Московская область. По информации из открытых источников, за пределами Москвы пока было реализовано только два проекта по созданию таких сетей.
В Ханты-Мансийском автономном округе в 2014 - 2018 г.г. было построено несколько воздушных линий электропередачи по «финской» системе для обеспечения электроснабжения удаленных районов [3]. Система 20 кВ полностью покрыла их нужды, при этом затраты на создание линии оказались в 2,5 ниже, чем для системы 35 кВ. Можно предположить, что в нынешних условиях для дальнейшего развития сети придется решать задачи импортозамещения или параллельного импорта, поскольку «финская» система подразумевает широкое использование самонесущих проводов и оборудования на подстанции, произведенных в странах Евросоюза.
В Екатеринбурге для питания нового жилого массива в 2014 г. была введена в строй подстанция «Медная» на 20 кВ. В ней были использованы технические решения, ранее успешно опробованные в Москве. О строительстве в Екатеринбурге других подстанций такого типа пока не сообщается.
Зависимость от импорта
Первые проекты сетей 20 кВ, реализованные в Москве, предусматривали использование на подстанциях оборудования от ведущих европейских производителей. Сейчас на рынке уже есть некоторые виды такого оборудования от российских производителей. Проблемы носят в основном организационный характер, в ряде случаев заниматься производством невыгодно из-за маленького рынка. Но практически все технологии, необходимые для выпуска оборудования, в России имеются.
Кроме этого, оборудование для подстанций данного стандарта выпускается в Белоруссии.
В Китае для распределительных сетей используется стандарт 24 кВ. В ряде случаев такое оборудование без проблем подходит для сетей 20 кВ. А если не подходит, то китайцы могут изготовить его вариант на 20 кВ под заказ.
Выводы
Как мы выяснили, сети 20 кВ стоят не намного дороже сетей на 10 кВ, но намного выгоднее в эксплуатации. Почему же в России их пока широко применяют только в Москве?
Дело в том, что в столице есть спрос на новые распределительные сети, а напряжение 20 кВ имеет определенные преимущества для районов с высокой плотностью населения. Не случайно в «Схеме энергоснабжения Москвы на период до 2030 г.» приоритет в строительстве такого рода подстанций отдан густонаселенным районам в пределах МКАД.
Даже если речь идет не о строительстве новой сети, а о переводе уже существующей сети 10 кВ на напряжение 20 кВ, потребуются значительные инвестиции. Придется поменять оборудование на распределительной и питающей подстанции. Пусть конструкции кабеля на 10 кВ и 20 кВ зачастую идентичны, все равно придется поменять кабели на новые, так как старые прошли испытания и были сертифицированы на напряжение 10 кВ. Окупаемость таких инвестиций в регионах под вопросом. Там целесообразно постепенно менять оборудование распределительных сетей в рамках уже существующего стандарта.
Внедрение сетей 20 кВ в регионах могут подстегнуть два фактора. Во-первых, развитие электротранспорта — электромобилей и электробусов. Во-вторых, бурное развитие отечественной промышленности для замещения продукции, не поставляемой нам из-за санкций. Тогда инвестиции в современные распределительные сети будут прибыльными.
Литература:
1. Осинцев К.А. «Оценка и обеспечение эффективности воздушных электрических сетей напряжением 20 кВ» // Электроэнергия. Передача и распределение, № 6(69), 2021 г.
2. Майоров А.В., Ширковец А.И., Валов В.Н. «Режим нейтрали и организация релейной защиты от замыканий на землю в сети 20 кВ» // Релейная защита и автоматизация, N 3, 2016 г.
3. Берлин Б.И., «Золотая середина» // Электроэнергия. Передача и распределение, № 2(29), 2015 г.
