Украинская энергосистема подверглась двум, принципиально разным, ударным кампаниям (осень 2022 – весна 2023 («Суровикинская») и весна 2024 – настоящее время), но в обоих случаях украинские энергетики прописывали одно основное лекарство – «веерные» отключения потребителей.
У этого механизма, однако, в этих двух кампаниях всё-таки разные цели: в «Суровикинской» отключениями тупо резали нагрузку, чтобы компенсировать недостаток генерации и перегрузки в сетях 110-330 кВ, а в текущей ими ещё и пытаются маневрировать (точнее – как раз удержать маневрирование в рамках возможностей существующей генерации). Но об этом в следующей статье.
«Веерное» отключение – это плановое выключение части потребителей (обычно – жилые кварталы) на ПС 35 – 110 (150) кВ с целью изменения графика нагрузки: как общего уменьшения потребления (особенно – пиковой нагрузки), так и его перераспределения с целью более равномерного потребления электроэнергии. Как это работает?
Предположим, что у некоторой ПС 110/10 кВ есть три группы бытовых потребителей с примерно равным суточным потреблением и пиковой нагрузкой.
Все три графика (и суммарный) имеют ярко выраженный вид бытовой нагрузки: очень низкое потребление ночью, утренний и вечерний пики (вечерний – побольше и попродолжительнее) и значительное падение потребления днём. Интересующие нас параметры – это максимум потребления (на графике – 300 кВт) и диапазон маневрирования (разница между максимумом и минимумом – 285 кВт).
Наша задача – уменьшить и пик потребления (на него просто не хватает генерирующих мощностей) и диапазон (потому что и с маневрирующими мощностями проблемы). Для этого отключаем все три группы по графику 4 часа через 4 часа со сдвигом в 2 часа. В результате (график справа) получаем следующие изменения суммарного графика: максимум – 230 кВт, диапазон – 205 кВт, при этом ещё и общее потребление ощутимо падает. Т.е. поставленную задачу мы худо-бедно решаем.
К тому же, помимо плановых отключений имеются ещё и аварийные, с помощью которых пик потребления могут сбить ещё ниже. Собственно, в графиках отключений их и закладывают.
Однако в современных условиях (вообще современных, а украинских – в особенности) эффективность "веерных" отключений находится под угрозой – из-за широкого применения аккумуляторов (естественно, размер угрозы зависит от количества и ёмкости применяемых устройств). Вообще, потребителей можно разделить на следующие группы в зависимости от того, как они приспосабливаются к отключениям электроэнергии:
1) Часть потребителей, которые, собственно, к бытовым (т.е. жителям) не относятся – это общедомовые нужды (освещение, лифты) или общегородские (то же самое освещение дворов). Это самая предсказуемая группа потребителей, при обратном включении электроэнергии отклонение нагрузки от обычного состояния невелико (пожалуй, что лифтами могут пользоваться немного чаще);
2) Потребители, не имеющие возможности каких-либо серьёзных средств по защите от отключений электроэнергии (думаю, что таких большинство), т.е. те, кто электроэнергию запасает с помощью маломощных накопителей типа телефонных пауэрбанков или безперебойников. Они тоже достаточно предсказуемы, но активно участвуют в дальнейших перегрузках сети (см. ниже);
3) Потребители, использующие аккумуляторы значительной ёмкости, сравнимой с среднесуточным потреблением (т.е. позволяющие пережить несколько часов отключения вообще без снижения энергопотребления). Эта группа представляет самую большую проблему для электросетей, т.к. при обратном включении их потребление значительно возрастает – помимо обычной нагрузки ещё и начинает заряжаться аккумулятор;
Скорее всего, таковых будет не так уж и много, с другой стороны, информации о пожарах подобных установок уже хватает.
4) Самые продвинутые потребители, рассчитывающие на альтернативные источники электроэнергии (бензо- и дизель-генераторы, ГПУ, СЭС и ВЭС). Это более-менее зажиточные обладатели домов плюс мелкий/средний бизнес. С точки зрения энергосистемы их поведение аналогично п.2 (естественно, что-то энергозатратное лучше запускать от более дешёвого централизованного электроснабжения), уровень же комфорта получше, чем у п.3.
Стоит отметить, что при большом количестве аварийных отключений подобные потребители вообще могут перейти в основном на собственную генерацию.
Теперь о печальных последствиях «веерных» отключений. С осени 2022 года на Украину идёт постоянный поток силового оборудования, в частности, силовых трансформаторов, которых ориентировочно привезли несколько тысяч. Понятное дело, что в прифронтовой полосе электрооборудование бьют (обе стороны, если что), но там таких количеств быть не может. Трансформаторов 220 кВ и выше, которым устроил армагеддон Суровикин, на Украине и в лучшие времена было несколько сотен (и заменили их совсем мало, практически несколько штук). Соответственно, речь о где-то пострадавших трансформаторах 6-10 кВ. И основная причина их страданий, скорее всего, перегрузки, вызванные как раз «веерными» отключениями.
Я осенью 2022 года уже публиковал статью про перегрузку трансформаторов (тогда ещё размах проблемы был не очевиден – она только начала проявляться), но, чтобы её не пересчитывать, повторю основные тезисы.
Для понимания того, как возникают перегрузки оборудования в нашем случае, и чем грозят, нужно представлять, как вообще выбираются мощности трансформаторного оборудования интересующего нас класса, хотя бы в общих чертах. Для примера возьмём некий абстрактный жилой дом: пять этажей, четыре подъезда, четыре квартиры на этаж, итого – 80 квартир. По старым советским нормам для домов с газовым отоплением на квартиру выделялось 1,5 кВт, с электрическим – 4 кВт. Будем считать, что отопление у нас электрическое, в таком случае, общая установленная мощность нагрузки дома должна составить 4х80=320 кВт. Однако, естественно, предположить, что вряд ли все 80 квартир будут потреблять электроэнергию в одинаковом режиме – у кого-то ночной режим работы, кто-то на даче, кто-то на удалёнке и любит вечером погулять, а поработать предпочитает ночью. Вот для учёта подобных нестыковок нагрузки вводят понятие коэффициента одновремённости или удельной расчётной электрической нагрузки (что по факту – одно и то же) – отношение совмещённой расчётной нагрузки совокупности элементов (в нашем случае это сам дом) к сумме максимальных нагрузок отдельных элементов (квартир). Этот коэффициент зависит от количества самих элементов – чем больше элементов, тем он меньше, т.е. зависимость обратно пропорциональная, в общем случае похожая на гиперболическую. В случае нашего дома его изменение можно проиллюстрировать примерно так: при расчёте этажного щитка (т.е. на 4 квартиры) этот коэффициент следует принять равным единице – 4х4=16 кВт; при расчёте подъездного (20 квартир) он уже сильно проседает, до 0,25 – 0,25*4*4*5=20 кВт; при расчёте же всего дома (80 квартир) он проседает ещё сильнее, до 0,16 – 0,16*4*4*5*4=51,2 кВт. Для дома, естественно, необходимо учитывать и общедомовую нагрузку, банально то же освещение, оно-то как раз работает, в общем, одновременно, но составляет меньшую часть, например, если мы поставим на каждом этаже и на входе в подъезд по стоваттной лампочке, то это даст всего (5+1)*4*0,1=2,4 кВт. Таким образом, если бы мы считали по максимальной установленной мощности, то нам бы пришлось ставить на трансформаторной подстанции (ТП), обслуживающий наш дом, силовой трансформатор мощностью 400 кВА. А фактически там будет стоять – 63 кВА, разница в шесть с лишним раз.
И вот теперь мы вводим веерный график отключений электроэнергии – т.е. наш дом получает электроэнергию по графику четыре через четыре. Естественно, жильцы, желающие попользоваться благами цивилизации в виде стиральных машин, телевизоров и прочих электроприборов, насядут на электросеть именно в это время. Таким образом, наш хитрый коэффициент одновремённости накрывается медным тазом: достаточно половине квартир в доме включить хотя бы половину своей максимальной нагрузки, и мы уже получаем перегрузку трансформатора – 40*4*0,5=80 кВт.
А у товарищей с аккумуляторами, как мы помним, нагрузка оказывается ещё больше.
А дальше начинается интересная игра в догонялки:
1) электрическая проводка выбирается аналогичным образом и тоже может не выдержать перегрузку, и тогда – перегрев изоляции и, в перспективе, короткое замыкание. Для дома плохо, возможен пожар, для трансформатора хорошо – короткое замыкание должна отсекать толпа выключателей и/или предохранителей;
2) упомянутые выключатели (предохранители) могут иметь хорошую чувствительность (т.е. способны отключить значительные токи перегрузки), а могут и не иметь. Как правило, современные автоматические выключатели не отключают оперативно (быстрее двух часов) токи, составляющие менее 1,3 от номинального;
3) состояние самого трансформатора. По нормам, масляный трансформатор (уверен, что их абсолютное большинство в сетях 10 кВ) держит перегрузку в 30 % (т.е. 1,3 раза) в течении двух часов. А дальше может и не выдержать.
У сухих трансформаторов, если таковые имеются, дела с перегрузкой ещё хуже – по нормам он держит всего 20% в течение часа.
Суровикинская кампания закончилась тысячами сгоревших трансформаторов, потери в текущей пока неизвестны. Можно, конечно, предположить, что украинские электрики учли печальный опыт и заменили сгоревшие трансформаторы на более мощные (дело там одними трансформаторами не ограничивается, но было бы желание). Но прошлой весной, подозреваю, они ждали перемоги, кофе в Ялте и контрибуций с аннексиями. Так что, скорее всего, всё осталось в тех же значениях, только новенькое, что конечно понижает вероятность проблем, но отнюдь не до нуля.
Вообще, такое впечатление, что вторая кампания оказалась для украинских энергетиков такой же неожиданностью, как и первая. Судя по тому, что распределительные сети как не были разведены по категориям потребителей, так и остались в таком же состоянии, урок впрок не пошёл.
Естественно, подобный же механизм распространяется и на сети более высокого номинала, потому что соответствующие коэффициенты одновремённости применяются и к самим ТП 10/0,4 кВ, при расчёте мощностей трансформаторов 35 и 110 (150) кВ. Но вот на их массовую перегрузку рассчитывать не стоит, во-первых, коэффициенты одновременности там более гуманные (например, для 20 ТП он всего лишь 0,7), во-вторых, распредустройства 10 кВ подстанций 35-110(150) кВ значительно более управляемы.
Тем не менее, погорельцы имеются и в этих классах напряжений.
Вот таким образом работает перегрузка сети, возникающая при «веерных» отключениях. Отмечу, что такая, «веерная», перегрузка, пожалуй, наиболее коварна, потому что при ней трансформатор легко оказывается в зоне нагрузки, где его перегрузка не определяется (и не обезвреживается) средствами защиты, но при этом может привести к фатальным последствиям.
Ещё один вид перегрузки трансформатора, условно назовём её «тепловой», может происходить из-за перебоев с теплоснабжением, включая горячую воду (что очень актуально в текущей ситуации, особенно для городов-спутников разбитых ТЭС). Как говорилось выше, удельная электрическая нагрузка на единицу жилья (квартиру или отдельный дом) зависит от вида отопления, при этом разница весьма ощутима – при электрическом отоплении нагрузка будет больше чем в два раза, чем при газовом. Естественно, при пропадании этого самого газового отопления и/или горячей воды, население будет решать проблему в первую очередь покупкой электрических эквивалентов – различных обогревателей и проточных нагревателей. Результатом будет описанный выше рост нагрузки (примерно в два раза). И будет происходить всё то же самое, что и при «веерной» перегрузке, но с возможными нюансами – ТП, имеющие подобных потребителей в большинстве, скорей всего, будут просто отключаться, т.к. нагрузка слишком сильно вырастет и вызовет срабатывание выключателей. А вот подстанция, разбавленная другой, менее восприимчивой к отсутствию газового тепла нагрузкой, рискует тоже остаться без трансформатора.
Таким образом, что вроде бы логичные меры по снижению энергопотребления, применяемые украинцами, могут как раз усугубить ситуацию – загнать нагрузку как раз в тот диапазон времени/потребления, в котором она ещё не будет устраняться средствами защиты, но уже будет сильно воздействовать на трансформаторное оборудование. Естественно, если превентивно готовить сети к такому варианту развития событий, то возникающие проблемы можно было бы нивелировать, однако, похоже, что этим никто не занимался.
Во второй части будет объяснено, как подобные графики стыкуются с имеющейся генерацией.
Подбросить автору денех или дочке на мороженое (2200 7010 7203 3027, Тинькофф, Софья).