ANALYSIS OF THE LAW DISCRIBUTED ELECTRICAL POWER SUPPLY METHODS

Селиванов К.В.

ORCID: 0000-0003-2938-5621, Кандидат технических наук, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

АНАЛИЗ СПОСОБОВ МАЛОГО РАСПРЕДЕЛЕННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Аннотация

Приведена классификация зон электроснабжения и их градация по обеспеченности топливо-энергетическими ресурсами. Обоснована необходимость повышения эффективности энергоснабжения и увеличения электрификации изолированных зон электропотребления. Проведен анализ различных способов электроснабжения удаленных потребителей. Установлена низкая эффективность электрификации малых удаленных потребителей способом прокладки линий электропередач. Приведен расчет, построен график зависимости возможной протяженности линий электропередач от передаваемой мощности. Представлены альтернативные виды малой распределенной энергетики: солнечная энергетика, биоэнергетика, ветровые и приливные электростанции. Сделано заключение о превалирующей распространенности дизельных электростанций для электропитания потребителей электроэнергии в удаленных изолированных зонах. Приведены положительные качества дизельных электрогенераторов и проблемы, требующие решения для повышения эффективности их эксплуатации.

Ключевые слова: электроснабжение, зоны электроснабжения, линии электропередач, малая распределенная энергетика, дизельные электростанции, качество электроснабжения, электрификация.

Selivanov K.V.

ORCID: 0000-0003-2938-5621, PhD in Engineering, Bauman Moscow State Technical University

ANALYSIS OF THE LAW DISCRIBUTED ELECTRICAL POWER SUPPLY METHODS

Abstract

Classification of electrical power supply zones and their gradation by fuel and energy resources availability are given. Need for energy efficiency enhancement in insulated power consumption zones is proven. Analysis of various methods of power supply to remote consumers has been performed. Low efficiency of small remote consumers’ electrification by means of electrical power lines laying is established. The calculation is given; the diagram of probable power line length dependence on transmitted power is built. Alternative types of low distributed power production such as photovoltaics, bioenergetics, wind and tidal power plants are described. The conclusion on prevailing popularity of diesel power plants for electrical power supply to electrical power consumers in remote insulated zones is made. Advantages of diesel power generating units and challenging problems which should be solved for the purposes of operational efficiency enhancement are given.

Keywords: electrical power supply, electrical power supply zones, electric power lines, low distributed power production, diesel power plants, electrical power supply quality, electrification.

Энергоснабжение в целом можно назвать кровеносной системой народного хозяйства и экономики России. Основной частью энергоснабжения является электрификация, значимость которой сложно переоценить для населения страны и народного хозяйства. Большая площадь государства, малая населенность некоторых областей и наличие удаленных промышленных и ресурсодобывающих предприятий, проблемы генерации и передачи электроэнергии оставляют проблему электрификации актуальной и в настоящий момент.

На данный момент существует разделение электроснабжения по централизации на три зоны:

• экономически развитая зона централизованного (объединенного) электроснабжения;
• зоны, не принадлежащие к общей системы электроснабжения с крупным собственным централизованными энергоузлом;
• изолированные зоны с небольшими энергоузлами и (или) собственными источниками малой распределенной энергетики.

Предметом исследования данной статьи являются проблемы электроснабжения изолированных зон с небольшими энергоузлами и малой распределенной электроэнергетикой. К данной группе потребителей электроэнергии относятся малонаселенные области, удаленные и малые предприятия различных отраслей народного хозяйства, находящиеся в изолированных зонах. Географическое расположение потребителей данного вида – преимущественно Дальний Восток, Сибирь и районы Севера. В областях с высокой и средней плотностью населения также существуют предприятия, изолированные от центрального электроснабжения, примером можно привести лесозаготовительные предприятия. Причиной изоляции является их значительная удаленность от населенных пунктов и распыленная география лесозаготовок.

Существует градация изолированных зон электропотребления [1] по степени обеспеченности топливо-энергетическими ресурсами (ТЭР):

1. Зоны, обладающие собственными крупными ТЭР, их освоенными месторождениями, и способные самостоятельно обеспечивать свою потребность в электроэнергии (Xaнты-Мансийский, Ненецкий и Ямало-Ненецкий автономные округа, Республика Коми, Мурманская и Тюменская области и др.);
2. Зоны, не имеющие собственных крупных ТЭР, но хорошо обеспеченные ими за счет развитой инфраструктуры, крупных линий электропередач (ЛЭП) из донорских смежных областей;
3. Зоны с отсутствием собственных ТЭР и затрудненной их доставкой в необходимых объемах.

Неэлектрифицированные изолированные зоны имеют высокую промышленную значимость, на их территории расположены такие важные отрасли народного хозяйства, как предприятия аграрного комплекса (сельскохозяйственные угодья, области активного земледелия, скотоводства, оленеводства и пушного звероводства, рыболовства и охотничьего промысла) и сырьевого сектора (добыча руды, драгметаллов, углеводородов и лесозаготовки).

Обеспечение надежного и качественного электро- и энергоснабжения малых удаленных поселений и производственных областей, распыленных по территории России в настоящий момент, является технической и экономической проблемой.

Одним из вариантов решения этой проблемы может быть их подключение к централизованным источникам электроэнергии путем строительства линий электропередач (ЛЭП) небольшой мощности или с помощью использования электроэнергии, полученной из альтернативных источников.

Возможность строительства ЛЭП к потребителю электроэнергии определяется двумя наиболее важными критериями – установленная мощность объекта электрификации и его удаленность от ближайшего пункта присоединения к централизованной ЛЭП.

Существует параметр, определенный ГОСТ Р 54149-2010 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», на допустимое колебание напряжения в линиях электропередач, которое должно быть в пределах ±5%. Отклонение напряжения относительно оптимального значения может быть выражено формулой [2,3]

  (1)

где:

ΔU – отклонение напряжения относительно номинального значения, %;

P – мощность передачи, кВт;

l – длина линии электропередач, м;

c – коэффициент, характеризующий потерю напряжения в линии электропередачи;

S – сечение провода, мм²;

U – номинальное напряжение в линии электропередачи, В;

γ – удельная проводимость материала провода, сим (м/(Оммм²)).

Минимальное сечение проводника (провода) в ЛЭП невысокой мощности (до 160 кВт) чаще определяется фактором механической прочности. Прочностные характеристики ЛЭП должны противостоять механическим повреждениям и нагрузкам, создаваемым ветром, снегом и обледенением. Минимально удовлетворяющим нагрузочным характеристикам является провод с сечением не ниже S = 16 мм². Линии электропередач с проводами данного сечения рассчитаны на передаваемую мощность до 160 кВт. Общепринятым является выполнение ЛЭП малой мощности в сельской или малонаселенной пересеченной местности из алюминиевого провода, удельная проводимость которого γ = 32,2 Сим (м/(Оммм²)).

Определяющим фактором строительства ЛЭП от места подключения до потребителей можно определить по формуле

  (2)

Зависимость возможной протяженности линий электропередач с данными показателями от предаваемой мощности представлена на графике (рис. 1).

Из графика видно, что использование более высокого распределительного напряжения позволяет увеличить протяженность ЛЭП при одинаковой нагрузке и сечении проводника. К сожалению, бесконечное увеличение напряжения не представляется возможным; так, при 36 кВ линию с нагрузкой в 250 кВт и теми же характеристиками возможно протянуть на 125 км, однако в этом случае ЛЭП будут работать с низким коэффициентом загрузки, в режимах, близких к режиму холостого хода.

Для большинства электропотребителей в зонах отсутствия ТЭР и слаборазвитой инфраструктуры электрификация с помощью строительства ЛЭП нецелесообразна ввиду дороговизны строительства и последующей эксплуатации ЛЭП.

Рис. 1 – Протяженность линий электропередач в зависимости от передаваемой мощности

 

Альтернативой строительства ЛЭП является использование малой распределенной электроэнергетики (МРЭ). МРЭ получила широкое распространение в изолированных зонах электроснабжения со сложной географией. В настоящий момент МРЭ включает порядка 50 000 тыс. электростанций, чья общая мощность составляет 17 млн. кВт.  Общая генерация электростанций МРЭ составляет 5% вырабатываемой электроэнергии в стране [4].

Широкое распространение в МРЭ получили дизельные электростанции (ДЭС) благодаря большому диапазону вырабатываемой мощности от 2кВт до 2,5МВт; в зависимости от необходимого объема электропотребления выбирается ДЭС соответствующей мощности. Малый удельный расход топлива на единицу вырабатываемой энергии и распространенность дизельного топлива увеличивают рентабельность вырабатываемой электроэнергии данным методом. К преимуществам ДЭС перед другими альтернативными источниками электроэнергии можно отнести высокий ресурс работы (в среднем до 40 000 моточасов непрерывной работы), высокую мобильность, простоту монтажа и эксплуатации, высокую надежность и ремонтопригодность.

Несмотря на значительный срок успешной службы, ДЭС имеют ряд недостатков и трудностей при эксплуатации, от успеха решения которых зависит эффективность дальнейшего применения указанного метода электрогенерации. Высокая степень изношенности парка эксплуатируемых генераторов и отсутствие возможности компенсации неравномерности электропотребления значительно снижают КПД данного способа электрогенерации. Совокупность получаемого невысокого КПД работы ДЭС и все время повышающаяся цена на дизельное топливо и логистические затраты его поставок, возникающие при обеспечении их работы, еще больше поднимают себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии.

В настоящий момент себестоимость 1 Вт генерируемого ДЭС превышает тарифную стоимость электроэнергии для физических лиц. Более высокие расценки на электроэнергию для промышленных потребителей не компенсируют сложившуюся ситуацию, ввиду чего данная отрасль является дотационной со стороны государства.

Рост и развитие любой дотационной отрасли народного хозяйства напрямую зависят от фактического состояния экономики государства, спонсирующего данную отрасль, что пагубно влияет на развитие отрасли и исключает положительное влияние открытого рынка.

Попытки решить возникающие трудности при эксплуатации ДЭС нашли себя в разработках альтернативных способов получения электроэнергии и их применении в качестве генерирующих средств малой распределенной энергетики. К наиболее распространенным альтернативным источникам электроэнергии можно отнести солнечные батареи, малые гидрогенераторные станции на горных реках, ветровые электрогенераторы, электрогенерирующие станции приливов и отливов, генераторы на биотопливе и прочие. Большого распространения и существенной доли в общем количестве генерируемой электроэнергии ни один из вышеперечисленных способов не получил.

Основным недостатком большинства способов генерации альтернативной электроэнергетики является необходимость привязки электрических станций к источникам выработки электроэнергии. Так, если ДЭС можно легко транспортировать к месту непосредственного электропотребления, а топливо доставлять туда же, то ветровые, приливные, гидрогенерирующие и другие виды электрогенерации могут располагаться только в определенных местах, которые, как правило, своим местоположением удалены от потребителя электроэнергии. Вырабатываемая ими мощность не постоянна и зависит от внешних факторов.

Лишены недостатков привязки к местности и могут вырабатывать необходимую мощность способы альтернативной электроэнергетики на основе использования различных видов биотоплив. Самым распространенным из способов генерации электроэнергии с использованием биотоплив является электрогенератор, работающий на биотопливе. Обычно используют в качестве биотоплива дизельное топливо с присадкой в 5-35% растительной составляющей, например, рапсового масла, однако встречаются варианты с использованием 100% растительного биотоплива.

Использование и производство различных смесей биотоплив являются нерентабельными при современной цене на нефть в области 50$. Также существует моральный аспект данной проблемы, заключающийся в том, что, когда в некоторых областях Земли существует голод, приходится засаживать огромные площади рапсовыми культурами, которые истощают земли и делают их непригодными в течение нескольких следующих лет для земледелия и производства сельскохозяйственной продукции. Также процесс производства топлива на рапсовом масле или топлива с добавлением рапсового масла трудоемок и технически сложен. Отдельно стоит отметить, что использование биотоплив требует адаптации двигателей и имеет побочные отрицательные эффекты, не присущие дизельному и бензиновому топливу в чистом виде [5].

В части преобразования солнечной энергии в электроэнергию опыт зарубежных стран показал, что в настоящий момент использование солнечных батарей в качестве генераторов электроэнергии неэффективно и в данный момент нерентабельно, в некоторых случаях солнечные батареи, выработав свой срок эксплуатации и будучи демонтированными или замененными на новые, за время эксплуатации не компенсировали своей себестоимости в пересчете затраченных средств на эквивалент выработанной электроэнергии. Несмотря на убыточность солнечной электроэнергетики, в настоящий момент ряд выдающихся ученных, среди которых нобелевский лауреат Жорес Алферов, считают, что будущее электроэнергетики как раз в преобразовании энергии Солнца. Солнечная энергетика будет развиваться и со временем станет основной, уже сегодня ее рекордный коэффициент полезной мощности составляет 40%, в начале исследований по получению электроэнергии из солнечной энергии в 1954 году КПД составлял 6%. В настоящий момент в России доля получаемой электроэнергии по средствам преобразования солнечной энергетики исчезающе мала.

Проведенный анализ способов электроснабжения удаленных и изолированных электропотребителей и средств малой распределенной электроэнергетики показал, что в настоящий момент основная доля выработки электроэнергии в этом секторе приходится на ДЭС. Именно на повышение эффективности работы ДЭС, обеспечение качества генерируемой электроэнергии и надежности их работы как самого значимого производителя малой распределенной электроэнергетики необходимо сосредотачивать усилия научной мысли и промышленного производства.

Список литературы / References

1. Суржикова, О. А. Проблемы и основные направления развития электроснабжения удаленных и малонаселенных потребителей России / О. А. Суржикова // Вестник науки Сибири. – 2012. – № 3 (4). – С. 103–108.
2. ГОСТ Р 54149-2010 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
3. Сивков, А. А. Основы электроснабжения: учебное пособие / А. А. Сивков, Д. Ю. Герасимов, А. С. Сайгаш // Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 180 с.
4. Суринов, А.Е. Российский статистический ежегодник / Е. А. Сурин, Н. С. Бугакова и др. // М.: Стат.сб. / Росстат. - Р76. 2015г.  – 728 с.
5. Селиванов, К. В. Проблемы диагностирования дизелей лесозаготовительных машин работающих на биотопливе / Ю. А. Шамарин, В. И. Панферов, В. М. Корнеев // М.: Лесной вестник / Вестник Московского государственного университета леса. № 5(81). – 2011г. – с. 46-49.
6. Попель, О. С. Перспективные применения возобновляемых источников энергии – в мировой практике и в России. Научная конференция фонда Сколково.  Презентация. [Электронный ресурс]. URL: http://www.gosbook.ru/node/36164 (05.11.2014).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Surzhikova, O.A. Problemy i osnovnye napravlenija razvitija jelektrosnabzhenija udalennyh i malonaselennyh potrebitelej Rossii [Problems and main directions of development of power supply in remote and sparsely populated Russian consumers] / O.A. Surzhikova // Vestnik nauki Sibiri [Bulletin Siberia Science]. – 2012. – № 3 (4). – P. 103–108. [in Russian]
2. GOST R 54149-2010 «Normy kachestva jelektricheskoj jenergii v sistemah jelektrosnabzhenija obshhego naznachenija» [Power quality limits in public electrical systems]. [in Russian]
3. Sivkov, A.A. Osnovy jelektrosnabzhenija: uchebnoe posobie [Fundamentals of electricity: a training manual]/ A.A. Sivkov, D.Ju. Gerasimov, A.S. Sajgash; Tomskij politehnicheskij universitet. [Tomsk Polytechnic University] − Tomsk: Izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2012. – 180 P. [in Russian]
4. Surinov, A.E. Rossijskij statisticheskij ezhegodnik [Russian Statistical Yearbook] / Surin E.A., Bugakova N.S. i dr. // 2015: Stat.sb. / Rosstat. - R76 , 2015.  – 728 P.  [in Russian]
5. Selivanov, K.V. Problemy diagnostirovanija dizelej lesozagotovitel'nyh mashin rabotajushhih na biotoplive [Problems logging diagnosing diesel cars running on biofuels] / Ju.A. Shamarin, V.I. Panferov, V.M. Korneev // M.: Lesnoj vestnik [Forest Gazette] / Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa [Bulletin of Moscow State Forest University], № 5(81) – 2011. – P. 46-49. [in Russian]
6. Popel', O.S. Perspektivnye primenenija vozobnovljaemyh istochnikov jenergii – v mirovoj praktike i v Rossii [Prospective application of renewable energy sources - in the world and in Russia]. Nauchnaja konferencija fonda Skolkovo.  Prezentacija [Scientific conference Skolkovo Fund. Presentation]. (Jelektronnyj resurs) [Electronic resource] URL: http://www.gosbook.ru/node/36164 (05.11.2014).