Какие меры по энергосбережению применяются на подстанциях?

Модернизация устаревшего оборудования подстанций для повышения эффективности

Выявите устаревшие активы с высокими потерями: трансформаторы, коммутационное оборудование и реакторы, вызывающие паразитные потери в диапазоне 12–18 %

Более старые подстанции, как правило, оснащены всевозможным устаревшим оборудованием — трансформаторами, коммутационной аппаратурой и реакторами, — которое просто «пожирает» электроэнергию. Эти старые компоненты фактически теряют около 12–18 % всей энергии, потребляемой подстанцией, особенно когда они находятся в режиме ожидания и не выполняют никаких функций. Трансформаторы с изношенными магнитопроводами теряют больше мощности из-за проблем с намагничиванием и так называемых вихревых токов. Состояние коммутационной аппаратуры также ухудшается со временем: контактные поверхности покрываются окислами, сопротивление возрастает, что приводит к перегреву. Реакторы тоже работают неэффективно, поскольку их магнитные поля уже недостаточно хорошо взаимодействуют друг с другом. Чтобы выявить такие проблемы на ранней стадии, техники обычно используют тепловизоры для обнаружения перегретых участков, проводят испытания на частичные разряды для оценки состояния изоляции и устанавливают высокоточные счётчики для точного измерения объёмов потерь. Такой комплексный процесс диагностики помогает бригадам по техническому обслуживанию определить, какие именно элементы требуют первоочередного внимания. Благодаря этому можно устранить наиболее значимые источники потерь без необходимости полной замены всего оборудования, что позволяет сэкономить средства и одновременно сократить объёмы бесполезно расходуемой электроэнергии.

Отдавайте предпочтение модернизации с высоким эффектом: трансформаторы на аморфном металле и вакуумные выключатели значительно снижают потери холостого хода и коммутационные потери

Сосредоточьте усилия по модернизации на тех областях, где достигается максимальный эффект от вложений с точки зрения повышения энергоэффективности. Два наиболее выдающихся варианта — трансформаторы с аморфным металлическим сердечником и вакуумные выключатели. Аморфные трансформаторы работают иначе, поскольку их сердечники изготавливаются из некристаллических сплавов вместо обычной стали. Такая конструкция снижает так называемые холостые потери примерно на две трети по сравнению с традиционными моделями, что означает меньшие потери энергии, когда системы не находятся в активном режиме работы. Вакуумные выключатели также являются прорывным решением: они заменяют воздух или масло, используемые для гашения электрической дуги при коммутационных операциях. Они прерывают ток значительно быстрее и чище, сокращая коммутационные потери примерно на 40 %. При принятии решений об инвестициях в первую очередь проанализируйте графики нагрузки и выполните базовые расчёты затрат. Например, замена устаревших силовых трансформаторов на первичных подстанциях зачастую позволяет экономить более 10 000 долларов США ежегодно только на расходах на электроэнергию. Помимо повышения эффективности, такие модернизации обычно увеличивают межремонтный ресурс оборудования, сокращают необходимость в техническом обслуживании и помогают энергоснабжающим организациям достигать экологических целей за счёт простого снижения потребления электроэнергии подстанциями в режиме ожидания.

Внедрение технического обслуживания по состоянию для минимизации потерь энергии на подстанции

Замена графиков технического обслуживания, основанных на времени, на мониторинг с использованием датчиков: тепловизионный контроль, регистрация частичных разрядов и газовый анализ масла (DGA) продлевают срок службы оборудования и снижают холостые потери до 22%

Переход от планового технического обслуживания к мониторингу состояния позволяет сократить потери энергии и продлить срок службы оборудования. Тепловизионный контроль позволяет отслеживать трансформаторы на предмет аномального повышения температуры до того, как ситуация выйдет из-под контроля. Датчики частичных разрядов выявляют проблемы с изоляцией в коммутационном оборудовании и проходных изоляторах на самой ранней стадии. Также применяется анализ растворённых газов (DGA), который контролирует маслонаполненное оборудование, выявляя ранние признаки таких явлений, как электрическая дуга, перегрев или коронный разряд, по содержанию таких газов, как водород, метан и этилен. Когда эти датчики фиксируют отклонения, превышающие заданные пороговые значения, техническое обслуживание выполняется исключительно по мере необходимости. Благодаря такому подходу срок службы оборудования увеличивается примерно на 15–20 лет. Экономия также существенно возрастает: предприятия могут сократить паразитные потери холостого хода примерно на 22 %, что означает более высокую эффективность работы систем даже при начале выхода из строя отдельных компонентов. Согласно исследованию, проведённому в 2023 году Институтом Понемона, это позволяет ежегодно экономить около 740 000 долларов США только за счёт снижения затрат на энергию.

Стандартизация критических испытаний: ежегодная проверка сопротивления контактов и чистоты SF6 предотвращает в среднем рост потерь нагрузки на 7,4 %

Регулярные ежегодные проверки играют решающую роль для обеспечения энергоэффективности электрических систем. Две наиболее важные проверки — это измерение сопротивления контактов в автоматических выключателях и контроль чистоты газа SF6 в газоизолированных распределительных устройствах. Когда сопротивление контактов возрастает вследствие таких факторов, как окисление, нарушение соосности или обычный износ, возникают неприятные потери, пропорциональные квадрату тока (I²R). Увеличение всего на 10 % может привести к ежегодным потерям порядка 3,2 млн Вт·ч на каждый выключатель. С другой стороны, если чистота газа SF6 падает ниже «волшебной» отметки в 99 %, диэлектрическая прочность значительно снижается. В результате для гашения дуги требуется до 40 % больше энергии, что приводит к повышению рабочих напряжений и увеличению реактивных потерь по всей системе. Обязательное проведение этих испытаний и ведение соответствующей документации позволяют избежать типичного роста технических потерь на 7,4 %, наблюдаемого на подстанциях без надлежащего мониторинга. Раннее устранение неисправностей также позволяет экономить средства: за пять лет на объектах могут быть потеряны более 220 тыс. долларов США из-за неэффективного расхода энергии. Кроме того, поддержание надёжных запасов по регулированию напряжения становится значительно проще — а это абсолютно критически важный фактор для обеспечения стабильности всей энергосистемы в периоды пиковых нагрузок.

Внедрение интеллектуальной автоматизации подстанций для оптимизации энергопотребления в реальном времени

Модернизация систем управления: контроллеры на периферии, соответствующие стандарту IEC 61850, обеспечивают динамическую оптимизацию реактивной мощности (+27 % эффективности)

Управление на старых подстанциях основывается на фиксированных настройках конденсаторных батарей и медленно реагирующих устройствам регулирования напряжения (РПН), что приводит к постоянным проблемам с реактивной мощностью при изменении нагрузки. При модернизации до соответствующих стандарту IEC 61850 контроллеров «на краю сети» ситуация кардинально меняется: они способны принимать решения практически мгновенно непосредственно в месте генерации данных. Эти современные устройства получают актуальные данные о уровнях напряжения, токе и температуре, чтобы корректировать компенсацию реактивной мощности по мере необходимости. По сути, они включают и отключают конденсаторы, а также регулируют положение РПН трансформаторов в зависимости от реальной ситуации в режиме реального времени. На практике полевые испытания показали снижение потерь, обусловленных реактивной мощностью, примерно на 27 % по сравнению со старыми статическими системами, а также улучшение стабильности напряжения в пределах ±1,5 % вместо прежнего диапазона ±3 %. В чём заключается ценность такого решения? Оно предотвращает излишнюю работу реле при провалах или всплесках напряжения и исключает дорогостоящие проблемы перегрузки линий электропередачи, особенно в часы пиковой нагрузки. Достаточно ознакомиться с любым региональным анализом состояния электросети, чтобы понять: системы, оставшиеся без модернизации, сталкиваются с серьёзными рисками — технические потери могут достигать 15 %.

Интеграция аналитики на основе ИИ: прогнозирование неисправностей снижает количество аварийных сбросов энергии и незапланированных отключений на 31 % (IEEE PES 2024)

Традиционные системы SCADA просто не справляются с задачей выявления постепенно развивающихся проблем, которые в конечном итоге приводят к отказам оборудования. Это зачастую приводит к аварийным остановкам и так называемому «сбросу энергии», при котором электростанции вынуждены снижать объёмы производства лишь для поддержания баланса в энергосети. Новые инструменты аналитики на основе ИИ объединяют самые разнообразные источники информации — включая архивные данные об эксплуатационных показателях, текущие измерения температуры, сигналы частичных разрядов, а также местные погодные условия. Такие системы способны выявлять предупреждающие признаки таких проблем, как повреждение обмоток, проникновение влаги в проходные изоляторы или деградация масла в трансформаторах. Алгоритмы машинного обучения позволяют обнаруживать неисправности за две–три недели до фактического отказа, предоставляя операторам время для устранения проблем до того, как они перерастут в кризисные ситуации. Согласно исследованию, опубликованному в прошлом году Обществом по вопросам электроэнергетики и энергетики IEEE, такие передовые системы снижают количество случаев сброса энергии и незапланированных отключений примерно на 31 %. На типичной подстанции мощностью 500 МВт это означает ежегодное восстановление порядка пяти гигаватт-часов энергии и избежание дорогостоящих штрафов за нарушение баланса в сети. Раннее вмешательство также обеспечивает долгосрочную экономию: срок службы трансформаторов увеличивается примерно на четыре года по сравнению с обычным, поскольку операторы могут устранять локальные перегревы и другие дефекты задолго до того, как они станут настолько серьёзными, что потребуется полная замена.

Часто задаваемые вопросы

В: Что такое паразитные потери на подстанциях?

О: Паразитные потери — это потери энергии, обусловленные неэффективной работой оборудования при простое подстанций. Устаревшее оборудование может давать до 18 % таких потерь.

В: Почему трансформаторы с аморфным металлом более эффективны?

О: В сердечниках трансформаторов с аморфным металлом используются некристаллические сплавы, что снижает холостые потери примерно на две трети по сравнению с традиционными моделями.

В: Как аналитика на основе ИИ выгодна для подстанций?

О: Аналитика на основе ИИ обеспечивает прогнозирование неисправностей, сокращая количество незапланированных отключений и аварийных сбросов энергии за счёт выявления проблем за несколько недель до их возникновения, тем самым предотвращая кризисные ситуации.