Надежность электрооборудования и систем электроснабжения

Москва
Горячая линия – Телеком
2015

УДК 621.31-192 
ББК 31.19 
   В19 

Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор кафедры «Общей, теоретической 
физики и методики преподавания физики» Рязанского государственного 
университета имени С.А.Есенина  А. С. Красников; канд. техн. наук, доцент 
Рязанского института (филиала) Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ)  В. Ф. Гнидо  

Васильева Т. Н. 
В19          Надежность электрооборудования и систем электроснабжения. – 
М.: Горячая линия – Телеком, 2015. – 152 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0468-2. 
Рассмотрены вопросы надежности электрооборудования и систем 
электроснабжения, основные термины и определения теории надежности, 
элементы математических методов планирования, обработки и анализа 
результатов эксперимента.  Изложены методы расчета надежности систем 
электроснабжения, дано технико-экономическое обоснование ее повышения для электрооборудования и систем электроснабжения.

Для специалистов, занимающихся эксплуатацией, наладкой электроустановок и электротехнического оборудования, будет полезна для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника», магистерской программе «Силовая электроника 
и электроэнергетика», «Электроснабжение», слушателей курсов повышения квалификации по вопросам электроснабжения. 

ББК 31.19 

 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

 
Научное издание 

 

Васильева Татьяна Николаевна 

Надежность электрооборудования и систем электроснабжения

Монография 

Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  О. В. Карповой 

 

Подписано в печать  15.11.2014.  Формат 6088/16. Уч. изд. л. 9,5.   
Тираж 1000 экз. (1-й завод 500 экз.) 

 
ISBN 978-5-9912-0468-2                                              ©  Т. Н. Васильева, 2014, 2015 
©  Издательство «Горячая линия – Телеком», 2015

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия — незаменимый компонент быта современного человека. Работа большинства бытовых приборов основана
на ее использовании. Любой человек часто сталкивается с неудобствами, вызванными перебоями в подаче ему электроэнергии, когда
из-за её отсутствия в сети нет возможности пользоваться домашним
электрооборудованием. Население испытывает серьезные неудобства. Перебои в электроснабжении бытовым и коммунальным потребителям, кроме морального ущерба, наносят и значительный материальный ущерб. Однако для промышленных предприятий ущерб
от отказа электрооборудования намного больше и исчисляется огромными суммами денег.
Основными потребителями электрической энергии являются заводы и фабрики, а остановка их из-за перебоев в электроснабжении
и прекращении подачи электроэнергии нарушает технологический
процесс производства продукции.
Качественные изменения современных промышленных предприятий, в частности комплексно электрифицированные производства
со сложным технологическим процессом и увеличенной энерговооруженностью предъявляют повышенные требования к электроснабжению [6].
Важнейшим технико-экономическим показателем электрической
системы является безотказность в работе при различных внешних
ситуациях.
Потребители электрической энергии в России разбросаны на большой территории. Электроэнергетическая система в 2013 г. имела
линии электропередачи напряжением 0,38. . . 1140 кВ протяженностью 3,2 млн км. Из них линии электрические линии напряжением
6...10 кВ — 1184 тыс. км, напряжением 0,38 кВ — 826 тыс. км, [4, 5,
79]. Электрические сети включают около 500 тыс. трансформаторных пунктов напряжением 35. . . 6/0,4 кВ. Протяженность некоторых
отходящих кабельных и воздушных линий напряжением 6. . . 10 кВ
достигает 50. . . 70 км.
Причинами перебоев в подаче электроэнергии потребителям являются отказы электрооборудования, возникающие из-за воздействия на линии электропередачи негативных физических факторов,
таких как погодные катаклизмы (сильные ветры, ураганы, смерчи,

Введение

низкие температуры, обильные снегопады, сопровождающиеся ветрами, ледяные дожди), вандализм (хищение проводов, цветного металла из электроустановок, на удаленных территориях стрельба из
охотничьих ружей по изоляторам линий электропередачи), низкий
профессионализм при эксплуатации (отсутствие специального образования у работников, особенно в сельской местности, не своевременное прохождение повышения квалификации) и много других.
Большая протяженность линий электропередачи увеличивает
вероятность их повреждений, так как повышает трудоемкость обслуживания. Надежность системы электроснабжения зависит от слаженности и качества работы ее элементов.
Для бесперебойного снабжения электроэнергией потребителей
создают резерв на электростанциях, объединяют высоковольтные
линии электропередачи в единую систему и проводят другие мероприятия.
С целью повышения надёжности электроснабжения и экономичности производства электроэнергии, стабилизации её качества электрическая система подразумевает использование современных, высокоинформативных средств контроля и управления генерирующими источниками, интеграцию источников возобновляемой энергии,
распределенной генерации и накопителей электроэнергии, интернеттехнологий.
Для обеспечения надёжности и оперативной управляемости электроснабжением создают активно-адаптивные электрические сети на
основе мониторинга режимов и управления ими; автоматизированные (цифровые) подстанции с эффективным электротехническим
оборудованием, оснащённые современными средствами и системами диагностики, мониторинга, релейной защиты и автоматики, управления на основе информационных и компьютерных технологий;
используют новые средства и технологии, внедряют распределённые системы автоматики и защиты на микропроцессорной основе;
внедряют оборудование, создаваемое по нанотехнологии: высоко- и
низкотемпературные сверхпроводники, композиционные материалы
с уникальными свойствами, высокоэффективные электрические накопители энергии.
Надёжность электроснабжения потребителей поддерживают информацией о текущем состоянии оборудования, организацией адаптивной реакции системы в режиме реального времени на различные
повреждения, обеспечивая тем самым энергоэффективность и устойчивость функционирования систем.
Силовые управляемые устройства активно-адаптивных сетей относят к технологии управляемых систем электропередачи перемен

Введение
5

ного тока.
Устройства из новых композиционных материалов и
вновь разрабатываемые технологии используют также в устройствах
ограничения токов короткого замыкания и линиях электропередачи
постоянного и переменного тока.
В электроснабжении многие вопросы еще недостаточно разработаны и нуждаются в соответствующем уточнении. Статистические
данные об уровне надежности различных типов эксплуатируемых
электрических систем являются неполными и не отражают фактическое состояние, особенно на фоне совершенствования конструкций оборудования, появления новых материалов, изменения климата
и т. д. Проблема надежности систем электроснабжения охватывает
широкий круг вопросов, отражающих проектирование, технологию
производства и их эксплуатацию.
В настоящее время возникли объективные требования к развитию электроснабжения на новой технологической основе, учитывающей развитие новейших промышленных производств.
Целью монографии «Надежность электрооборудования и систем электроснабжения» является ознакомление специалистов, проектирующих, производящих и эксплуатирующих электрооборудование в системе электроснабжения, с вопросами теории надежности
в их конкретном приложении, методами и средствами повышения
качества и надежности электроснабжения.
В книге систематизировано изложение методов расчета надежности систем электроснабжения, что представляет определенный интерес для преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных
заведений. Изложенный материал будет полезен при самостоятельном проведении анализа надежности электроснабжения. Систематизация нормативного материала облегчит его изучение и использование в качестве учебного пособия по дисциплине «Надежность систем
электроснабжения», включенной в рабочие программы по направлению подготовки бакалавров 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электроснабжение», «Электрооборудование и
электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений», а также по направлению подготовки магистров 11.04.04 «Электроника и
наноэлектроника» по профилю «Силовая электроника и электроэнергетика».

ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Анализ работы электроснабжающих
предприятий

Для повышения надежности системы электроснабжения и перспектив ее развития необходимо разработать, выбрать и осуществить
технические и организационные мероприятия. Для этого в процессе обеспечения потребителей электрической энергией проводят наблюдения за работой электрооборудования линий электропередачи
и оборудования подстанций.
При эксплуатации собирают полную
информацию об их работоспособности. Полученные данные анализируют и обрабатывают.
На основании этого строят работу всех
служб электроснабжающего предприятия, формируют материальнотехническую базу.
Проблема повышения надежности электрических сетей в системе электроснабжения затрагивает широкий круг вопросов, связанные с решением обеспечения работоспособности эксплуатируемого
электрооборудования. Это обусловило необходимость рассмотрения
методов решения некоторых проблем на анализе работы электроснабжающих предприятий Рязанского региона в разных временных
уровнях.
Основными показателями работы любого предприятия, занимающегося обеспечением потребителей электрической энергией, являются параметры технического оснащения и экономические показатели.
Техническое оснащение характеризует совокупность кабельных
и воздушных линии электропередачи с помещениями и сооружениями, в которых установлены силовые трансформаторы, высоко- и низковольтное вспомогательное электрооборудование, предназначенные
для обеспечения покупки, распределения и реализации электричес

Характеристики надежности систем электроснабжения
7

кой энергии. К нему также относят материально-техническое обеспечение бесперебойной передачи электрической энергии.
Экономические параметры являются основными показателями
работы электроснабжающих предприятий.
Они включают в себя
количество и стоимость покупаемой от энергосистемы и от других
сетей электрической энергии, объемы реализации и потерь при транспортировании её потребителям.
Экономическое состояние важно для финансирования формирования материальной, производственной, технической базы и перспективного развития электроснабжающего предприятия. Её во многом определяет вся текущая работа, в частности организация инженерной службы, учёт ремонтных, аварийных и послеаварийных режимов функционирования электрооборудования, использование рациональных систем технического обслуживания и ремонта. Эффективная и бесперебойная работа системы электроснабжения зависит
от профессионального кадрового обеспечения, подготовки специалистов, повышения их квалификации, проверки знаний работников
в объеме, обязательном для выполнения данной работы (должности), и имеющих группу по электробезопасности, предусмотренную
правилами охраны труда при эксплуатации электроустановок.
Электроснабжающие предприятия большинства регионов России интенсивно развиваются и постоянно увеличивают объемы реализованной электрической энергии. Рост происходит в результате
ввода в эксплуатацию новых предприятий малого бизнеса, таких как
магазины, киоски, сервисные центры, больницы, поликлиники, массажные салоны, фитнес-клубы, рекламные агентства и т. п. В эксплуатацию вводят промышленные предприятия, заводы автомобильные, химические, стекольные, переработки нефти, газа и крупные
торговые центры.
Улучшается благосостояние населения: строят
многоэтажные дома с квартирами улучшенной планировки, коттеджи, загородные дома, используют большое количество разнообразных видов бытовой техники.
Так, в Рязанской области электроснабжающие предприятия с
1994 по 2013 годы на 38,2 % (в год на 3,8 %) увеличили количество покупаемой электрической энергии, а рост реализации её составил 2,5 % от достигнутого уровня за каждый предшествующий
год (рис. 1). Незначительные снижения были в 2003, 2006, 2008 и
2011 годы.
Вместе с увеличением купли и продажи электрической энергии
возросли и её потери. В 2000 г. рост потерь составил около 20 %, а в
2003 г. превысил 30 % (рис. 2). Это произошло из-за использования
в электроустановках устаревшего электрооборудования, электротех

Г л а в а 1

Рис. 1. Потребление электрической мощности (по отношению к 2000 г.)

нических изделий и материалов, не соответствующих требованиям
новых государственных стандартов или техническим условиям, утвержденным в установленном порядке, параметрам сети или установки, режимам работы, условиям окружающей среды.
В период, когда увеличивались объемы потерь электроэнергии,
продолжалось использование устаревшего основного электрического оборудования. К тому же нарушались договорные обязательства
между электроснабжающим предприятием и потребителями, ликвидировались многие организации, значительно снижалась платежеспособность населения.
Потребители умышленно отказывались
от платежа за потребленную электрическую энергию вследствие их
безнаказанности, так как отсутствовали юридические инструменты
взыскания задолженностей, учащались случаи несанкционированного потребления электрической энергии, открытого ее хищения. При
этом произошло увеличение как коммерческой составляющей потери
электрической энергии, так и технологического ее расхода.

Рис. 2. Потери электрической энергии

Характеристики надежности систем электроснабжения
9

Рис. 3. Прирост установленной мощности силовых трансформаторов

На эксплуатируемых подстанциях меняют силовые трансформаторы малой мощности. Строят новые подстанции с трансформаторами большей единичной мощностью. С 1999 г. выросли их мощности
(рис. 3). Суммарная установленная мощность силовых трансформаторов возросла на 35...40 %. В период с 1994 по 1999 годы рост был
5,5 % (1 % в год). Начиная с 2000 г., прирост мощности составил
50 % (больше 4 % в год).
С 1994 г. уменьшается соотношение объема реализованной электрической энергии к установленной мощности силовых трансформаторов (около 9 %) [70] (рис. 4). Уменьшение этого соотношения
происходило до 2002 г., а с 2003 г. происходил незначительный его
рост. Изменение объема реализации электрической энергии к установленной мощности силовых трансформаторов, находящихся в эксплуатации, по годам позволяет оценить эффективность их использования. Такое изменение соотношения по годам свидетельствует о
снижении количества кВтч реализуемой электроэнергии на каждый
кВА установленной мощности силового трансформатора и ежегодном уменьшении коэффициента их загрузки.
На 24 % возросла протяженность эксплуатируемых кабельных
линий электропередачи (рис. 5).
Сеть их интенсивно строилась с
2000 г. За период 2006–2013 г. прирост составил 25 % (больше 4 %
в год). При этом рост протяженности линий напряжением 6...10 кВ
незначительный (1,5 %) и уступает темпам строительства кабельных
линий напряжением 0,4 кВ, увеличение которых составляет 56 % от
общей протяженности их в 1994 г. (3,8 % ежегодно).
Ежегодно на каждый километр протяженности кабельных линий объем реализованной электрической энергии (кВтч) уменьшает

Г л а в а 1

Рис. 4. Изменение соотношения объема реализации электрической энергии и
установленной мощности силовых трансформаторов ( %)

Рис. 5. Протяженность вводимых кабельных линий по годам в % к 1940 г.

ся. Соотношение объема реализации энергии к протяженности кабельных линий электропередачи снижается на 2 %.
Протяженность воздушных линий электропередачи, находящихся в эксплуатации, с 1994 по 2013 годы возросла на 9,7 %. Интенсивное увеличение их наблюдается с 1999 года. Протяженность воздушных линий напряжением 6...10 кВ вводимых за год уменьшилась на
33 %, а напряжением 0,4 кВ возросла на 21 %. Этому способствовало увеличение количества потребителей. Кроме того, расширилась
территория их расположения.
Другим показателем, характеризующим эффективность работы электроснабжающего предприятия, является соотношение объема реализации электрической энергии к протяженности воздушных