Энергосберегающее оборудование и материалы

Введение

Обострение дефицита энергоресурсов — одна из наиболее актуальных проблем мирового масштаба в среднесрочной перспективе.
Удовлетворить непрерывно увеличивающуюся потребность в электрической энергии на уровне отдельно взятой страны, можно двумя способами: либо, пока позволяют природные ресурсы, наращивать добычу нефти, газа, угля и т.д., строить новые объекты электрогенерации, этот путь является заведомо тупиковым в силу ограниченности запасов. Либо сосредоточиться на повышении эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, энергосбережении, разработке и повсеместном внедрении ресурсосберегающих технологий. Второй путь представляется более эффективным в долгосрочной перспективе [7].
Если говорить о российском рынке энергопотребления, то он характеризуется низкой энергоэффективностью. В России газ является самым дешевым и, на сегодняшний день, наиболее широко используемым видом топлива. В структуре потребления первичных энергоносителей в российской экономике доля газа превышает половину. Такой перекос в российском топливном балансе делает реальной угрозу энергетической безопасности страны, так как из-за дешевизны газа практически не развивается производство и потребление других видов топлива — мазута, торфа, угля. А низкая цена на газ не располагает к рачительному использованию этого природного ресурса.
В России имеется большой недоиспользуемый потенциал энергосбережения, экономический эффект от которого, сопоставим с приростом производства всех первичных энергетических ресурсов.


1. Современное энергоэффективное оборудование для передачи и потребления электроэнергии
Сегодня энергоэффективность экономики в России уступает ведущим странам мира практически в два, три или даже четыре раза. Большая площадь территории нашей страны несколько затрудняет решение задач, связанных с повышением энергоэффективности. Именно поэтому хотелось бы выделить еще один важный аспект энергосбережения — передачу электроэнергии. Мы все привыкли к тому, что сегодня больше говорится о потреблении энергии, об энергоэффективных домах, об энергосберегающем освещении. В настоящее время необходимо сделать акцент именно на части передачи и распределения электрической энергии [11].
Начнем с особенностей формирования электроэнергетических систем. В настоящее время выделяется несколько направлений. Крупное направление, которое на слуху, — это интеллектуализация (в технике часто называется «автоуправляемостью»). Другими словами, необходимо иметь некий алгоритм, который позволял бы технологическому комплексу при любых технологических возмущениях — в том числе аварийных — приводить электроэнергетическую систему в нормальное состояние. Интеллектуализация электроэнергетических систем предполагает внедрение современной авторизированной системы, силовых устройств, системы гибкого управления передачей электроэнергии, а также мониторинг состояния оборудования в режиме реального времени. Основные преимущества интеллектуальных электроэнергетических систем — это их управляемость, удобство, безопасность и экологичность.
Но кроме направлений интеллектуализации, создания SmartGrid, создания технологического комплекса в этой сети, следует отметить, что перед нами по-прежнему стоит задача высокого качества электроснабжения. Сюда относятся энергоэффективность и энергосбережение, то есть снижение потерь электроэнергии от генерации к потребителю.
SmartGrid предполагает создание саморегулирующейся электроэнергетической системы, которая, обладая всей текущей информацией о состоянии сети и потреблении, будет распределять текущие энергетические ресурсы, полученные как от промышленных производителей, так и от частных пользователей [1]. При этом излишек энергоресурсов будет накапливаться в специальных хранилищах и использоваться в периоды пиковых нагрузок. Иначе говоря, энергетическую систему будущего можно рассматривать как одноранговую сеть, весьма похожую на Интернет, в которой потребители наравне с поставщиками электроэнергии станут активными участниками процесса распределения и потребления электроэнергии. Как и в Интернете, повышение эффективности работы всей системы осуществляется за счёт децентрализации функций генерации и управления потоками электроэнергии и информации в энергетической системе, а также благодаря снижению затрат на организацию системы передачи электроэнергии, оперативного устранения неисправностей и возможности передачи электроэнергии и информации в двух направлениях.
Сегодня концепция SmartGrid рассматривается во многих странах в качестве начала масштабного перехода к возобновляемым источникам энергии (ВИЗ) в лице солнца, ветра и воды, хотя сам подход к этой концепции может несколько отличаться [7]. Повсеместное аккумулирование излишков энергии может стать драйвером роста водородной энергетики и электротранспорта. К примеру, Калифорния намерена к 2020г. генерировать 12000 МВт с помощью ВИЗ на местных электростанциях. По данным Pike Research, к этому времени региональным драйвером SmartGrid станет Китай, а общемировой объём соответствующего рынка составит свыше 70 млрд долларов США. Но, правда, надо ещё уметь создавать такие аккумуляторы и перенаправлять потоки электроэнергии.
Кроме того, необходимо напомнить, что сегодня в электроэнергетические системы внедряются новые информационные технологии, возникают радикально новые технологии. К таким технологиям можно отнести, например, электроэнергетические устройства, использующие принцип высокотемпературной сверхпроводимости. Напомним, что сверхпроводимость была открыта еще в начале XX века, а высокотемпературная сверхпроводимость — в 1986 году. Однако новый переворот, связанный с появлением сверхпроводников второго поколения, произошел всего лет 5 назад. И сегодня можно уже говорить о реальной электроэнергетике, базирующейся на высокотемпературной сверхпроводимости, которая в свою очередь, поможет решать проблемы энергоэффективности.
Снижение потерь в электроэнергетике включает несколько составляющих [5]. Во-первых, это создание регламентирующих документов, которые определяют порядок работы и требования. Во-вторых, это создание новых систем контроля и учета электроэнергии, передаваемой потребителю. Наконец, существует возможность за счёт правильного построения сетей снизить потери и повысить энергоэффективность электроэнергетических систем.
Но есть и еще один важнейший фактор — это технологические потери в самом оборудовании. Основные потери — речь идет о потерях порядка 100 миллиардах киловатт-часов в год — это, в первую очередь, нагрузочные потери, связанные с нагреванием проводников. Во-вторых, это потери в трансформаторе, которые составляют почти треть от всех технологических потерь. Потери на собственные нужды также весьма значительны: речь идет о нескольких процентах или о десятках миллиардов киловатт-часов в год, что эквивалентно мощности не одной электростанции. Снизить эти потери — это значит не строить дополнительные электростанции.
Именно по этим направлениям сегодня ведутся работы по формированию и внедрению новых технологий. На линиях электропередач мы можем получить общую экономию порядка 20 миллиардов киловатт-часов, в трансформаторном и реакторном оборудовании — около 15 миллиардов киловатт-часов в год, на собственных нуждах тоже можно сэкономить несколько миллиардов киловатт-часов. За счет инноваций появляется реальная возможность снизить эти потери на 30–40 %.
Новые технические решения — прежде всего, технологии управляемых линий передач — позволяют существенно снизить нагрузочные потери. Появились новые системные устройства — управляемые статические тиристорные компенсаторы, фазоповоротные трансформаторы и так далее. Они обеспечивают возможность исключить перетоки для активной мощности, которые ведут к дополнительным потерям, и, соответственно, передавать только ту мощность, которая может использоваться. Кроме того, сама топология электроэнергетических систем и оптимизация систем развития перетоков мощности также позволяют снизить нагрузочные потери, чтобы не перегонять транзитную мощность от одного узла электроэнергетической системы к другому [1].
Еще один важный момент — состояние линий электропередач и подстройка нагрузочного режима. Раньше все системы соответствовали некоему проекту, и на этих расчетах строилась работа. Теперь существует возможность видеть реальный режим, подстраивать его и тем самым уменьшать потери. Можно изменить параметры сети и улучшить технический климат, который обеспечит снижение потерь. Следующий аспект — оптимизация плотности тока. Понятие эффективной плотности тока базировалась на достаточно старых технологиях. Появление новых материалов и новых технических решений позволяет по-новому смотреть на плотность тока — это еще один хороший инструмент снижения потерь [2].
Если говорить о нагрузочных потерях, нельзя не вспомнить о появлении высокотемпературных сверхпроводников

. Сегодня в мире реализуются уже десятки, даже сотни проектов с использованием кабеля на основе высокотемпературных сверхпроводников, где потери снижены, по крайней мере, в несколько раз.
Снижение потерь в трансформаторах — это вторая крупная задача. Здесь важны такие технологии, как использование аморфных структурированных сталей для магнитопровода, применение сверхпроводящих трансформаторов, оптимизация схемы конструкции трансформаторов, использование сухих интеллектуальных трансформаторов, которые снабжены системами, обеспечивающими контроль состояния трансформатора в режиме онлайн.
Хорошим примером новых технологий, появившихся за последние 10–15 лет, является применение силиконовых изоляторов, которые обладают свойством гидрофобности. Гидрофобные материалы обеспечивают резкое снижение утечек по поверхности ізолятора [5].
Теперь пришло время поговорить о потреблении энергии. Мы знаем, что большая доля потерь (около 50 %) выпадает на потребление энергии электроприводом. Электроприводы бывают разные — провода в трамвае, транспорте, в метро, в высоковольтном оборудовании. Однако существуют технические решения, которые позволяют сократить эти потери. Одна из разработок — частотно-регулируемый электропривод, который должен стать основным энергоэффективным электроприводом в промышленности, транспорте и в других отраслях.
Появилась тенденция заменять газовые выключатели на вакуумные. Одной из причин этого стало то, что мощность привода для вакуумной техники в 2–3 раза меньше, чем для любой другой коммутационной техники или газовой техники. Таким образом, инновационные электротехнологии могут дать экономию в миллиардах киловатт-часов и общую экономию в миллиардах рублей в год.
Теперь несколько слов о сверхпроводниках. В сверхпроводящем кабеле потери почти на порядок ниже, чем потери, которые имеются в обычных кабелях. Сегодня в России начинают внедряться эти технологии, встроенные первые линии, находящиеся в опытной эксплуатации. В ближайшие 10-30 лет эта технология будет постепенно завоевывать рынок. У нас исчезнут трансформаторы в городе, потому что с помощью этих кабелей, пропускная способность которых очень велика, можно будет передавать большую мощность. На генераторном напряжении можно будет построить всю сеть мегаполиса. Отсутствие трансформаторов означает отсутствие мощности, которая теряется в трансформаторе. Сегодня такие проекты, обеспечивающие радикальное снижение потерь в энергосистемах, реализуются в разных странах мира, и за ними будущее.
Сегодня при выборе источника освещения, мы постепенно переходим к светодиоду, который позволяет получить при той же потребляемой электроэнергии существенно большее освещение. И эта техника уже внедряется, это техника потребителя, прежде всего.
Проанализируем существующую деятельность в сфере инновационных решений отечественных электросетевых компаний на примере ПАО «Россети» (распределительные сети) и ПАО «ФСК ЕЭС» для того, что оценить роль инноваций в их развитии [7]. Основные характеристики их инновационных программ приведены в таблице 1.
Таблица 1- Основные характеристики инновационных программ ПАО «Россети» и ПАО «ФСК ЕЭС»
Показатели ПАО «Россети» ПАО «ФСК ЕЭС»
Технологические решения
Цифровая подстанция + +
Создание ФИЦ электротехнического оборудования в РФ +
Инфраструктура зарядки электромобилей +
Цифровое проектирование
+
Энергоэффективность и снижение потерь
+
Интеллектуальные системы учета электроэнергии и повышение качества обслуживания / Удаленное управление + +
Качество электроэнергии
+
Развитие системы управления производственными активами и надежностью + +
Информационное сопровождение жизненного цикла объектов электрической сети +
Композитные материалы и сверхпроводимость
+
Управленческие решения
Информационное обеспечение / Совершенствование системы управления инновационной деятельностью + +
Разработка и обновление нормативной базы
+
Развитие системы разработки и внедрения инноваций + +
Создание высокопроизводительных рабочих мест / Адаптация + +
Коммерциализация инновационных технологий и защита интеллектуальной собственности
+
Развитие механизмов инвестирования в инновации сфере + +
Целевые программы компании
Энергосбережение и повышение энергоэффективности + +
Реализация экологической политики + +
Импортозамещение и локализация производств
+
Развитие кадров
+

Стоимостные характеристики инновационных программ приведены в таблице 2.
Таблица 2- Стоимостные характеристики инновационных программ ПАО «Россети» и ПАО «ФСК ЕЭС»
Показатели Стоимость, млн. руб.

ПАО «Россети» (распределительные сети) ПАО «ФСК ЕЭС»

2016 2017 2018 Тпр, % 2016 2017 2018 Тпр, %
Цифровая подстанция 237,94 724,53 560,87 135,7 221,74 188,34 411,81 85,7
Цифровое проектирование 2237,1 3865,4 3236,5 44,7 95,50 126,39 34,00 -64,4
Энергоэффективность и снижение потерь - - - - 73,50 61,45 10,26 -86,04
Качество электроэнергии - - - - 504,84 342,85 309,10 -38,8
Управление активами и надежностью - - - - 169,71 394,00 231,00 36,1
Новые материалы 1278,5 1249,1 1554,4 21,6 107,62 173,91 141,84 31,8
Удаленное управление и безопасность 564,51 809,23 944,11 67,2 324,50 352,00 543,00 67,3
Система разработки и внедрения инноваций 306,61 454,31 182,06 -40,6 - - - -
Итого, включая:
технологические;
управленческие 4624,7 7102,6 6477,9 40,1 1497,4
1473,2
24,2 1638,9
1607,2
31,7 1681
1655,9
25,1 12,3
12,4
3,7

Таким образом, отметим, что в последние годы объем финансирования программ по энергосбережению явно недостаточен.
В заключение отметим, что новые технологии, связанные с передачей, распределением и потреблением электроэнергии, дают возможность снизить потери и получить заметный эффект в энергосбережении. Они оцениваются цифрой порядка 100 миллиардов кВт-часов в год. Это резерв, по которому нужно работать, и здесь у электроэнергетики РФ есть большой потенціал развития.


2. Примеры современного энергосберегающего оборудования и материалов в электроэнергетике

Интеллектуальная АСУ ТП подстанции
Рассмотрим АСУ ТП ПС на основе промышленных компьютеров «MOXA DA-681A-I-DPP» с КП «Исеть» и УСПИ «Исеть 2».
Структурная схема внедряемой АСУ ТП показана на рисунке 5.7. Программно-технический комплекс (ПТК) для АСУ ТП реализует: информационные, управляющие, сервисные функции [5]. Ведомость событий позволяет просматривать и анализировать историю событий контролируемого объекта. При этом предусмотрена фильтрация данных для просмотра:
- по времени;
- по типу события (аварии, предупреждение, квитирования оператора);
- по сигналам, их группам и др.
Для каждого события (в зависимости от типа события) указываются метка времени, название, устройство (объект), качество, значение и другая информация, формат вывода которой задается пользователем. Конфигуратор уставок является программным обеспечением АРМ релейщика. Web-технология получила широкое распространение в автоматизации производства. Некоторые клиентские приложения, такие как «АРМ оператора», «Ведомость событий», «Конфигуратор уставок» реализованы также в виде Web-интерфейса с применением технологии AJAX.
Web-сервер EKRASCADA реализует связь с оперативным и архивным сервером и обеспечивает передачу экранных форм, сигнализации, ведомостей событий и др. функционального наполнения SCADA-проекта.
Шкафы УСО типа ШЭ2608.10.011 и ШЭ2608.10.011М предназначены для ввода дискретных сигналов, данных с цифровых измерительных преобразователей (ИП) и терминалов РЗА, передачи команд управления. Они обеспечивают регистрацию событий, имеют настраиваемую логику блокировки передаваемых команд и выполняют передачу данных в системы следующего уровня. Шкафы УСО являются внешними компонентами для ПТК и могут быть включены, совместно с другими шкафами серии ШЭ2608.10.ХХХ, в комплект поставки ПТК.
Шкафы типа ШЭ2608.10.007 (006, 010) (шкафы серверного оборудования и локального сбора) предназначены для сбора, обработки, хранения и передачи информации о состоянии объектов АСУ ТП. Функциональными компонентами шкафа являются выделенные серверы:
- оперативный;
- архивный;
- сервер РЗА;
- коммуникационный сервер.
В качестве среды межсерверного обмена используется Ethernet-сеть. Коммуникационное оборудование ЛВС входит в состав шкафов.
Основные характеристики шкафов серии ШЭ2608.10:
1) номинальное напряжение питания Uпит:
- переменное, В 220±15%
- постоянное, В 220±15%
2) частота переменного напряжения питания, Гц 50±1%
3) масса, не более, кг 250
4) Состав и количество интерфейсов ввода/вывода определяется Заказчиком и может меняться относительно базовой комплектации.
5) Конструктивное исполнение шкафов обеспечивает;
- модульность;
- легкий доступ к техническим средствам, требующим замены в процессе эксплуатации;
- удобство эксплуатации;
- защиту от несанкционированного доступа.
Шкафы серии ШЭ2608.10 соответствует ТУ 4012-020-20572135-2007 с учетом требований ГОСТ 21552, ГОСТ Р МЭК 60950, ГОСТ Р 50839, ГОСТ 26329, ГОСТ Р 50948.
Программно-технические средства (ПТС) в архитектуре ПТК АСУ ТП ЭТО подразделяются на два уровня: нижний (полевой) и верхний [5].
К нижнему (полевому) уровню относятся все устройства, которые непосредственно связаны с объектом управления