Перспективные средства энергоэффективного управления электрическими сетями объектов ЖКХ и их безопасной эксплуатации

142
Энергоэффективность это не только современная государственная политика России, но и мировая тенденция. Президент РАН академик В.Е. Фортов в интервью «Российской газете» о проекте «Умные сети» сказал: «Сейчас это бум в мировой электротехнике. Такие системы в 2–3 раза снижают потери в электрических сетях, многократно повышают их надежность, позволяют легко адаптировать возобновляемые источники энергии».

При выполнении работ по реконструкции технологической базы российской электроэнергетики также поставлен вопрос построения нового облика как клиенто- и социально ориентированной системообразующей инфраструктуры страны. Данная структура получила название интеллектуальной электроэнергетической системы с  активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС).

ИЭС ААС — это энергосистема нового поколения, основанная на мультиагентном принципе управления ее функционированием и развитием. Цель ИЭС ААС — обеспечение эффективного использования всех видов ресурсов (природных, социально-производственных и человеческих) для надежного, качественного и эффективного энергоснабжения потребителей энергии за счет гибкого взаимодействия ее субъектов (всех видов генерации, электрических сетей и потребителей) на основе современных технологических средств и единой интеллектуальной системы управления.

Читайте также: Инженерные сети: распределение обязанностей и ответственности

Переход от действующей энергосистемы к ИЭС ААС требует использования современных подходов не только при применении нового оборудования и технологий в силовой части энергосистемы, но и создания и освоения принципиально новых систем управления электроэнергетической системой.

Очевидно, что совершенствование функционирования электроэнергетики, повышение качества и надежности электроснабжения потребителей в современных условиях возможно лишь при условии инновационного развития отрасли на основе достижений фундаментальной науки, создания и внедрения новых эффективных, более надежных и долговечных материалов, оборудования и технологий, глубокого и всестороннего диагностирования, аудита и мониторинга состояния оборудования, энергообъектов, систем управления.

Умные сети могут включать различные наборы «умных» компонентов — от счетчиков до автоматов повторного включения-либо отдельные элементы, повышающие эффективность и устойчивость энергосистемы и делающие сети «умными» в  какой-то их части. Наиболее важными технологиями являются:

1. Улучшенные системы управления распределением электроэнергии:

  • система контроля и сбора данных;
  • системы управления распределением электроэнергии;
  • системы анализа и управления отключениями (определение места поломки).

2. Улучшенные компоненты передающих и распределительных сетей:

  • автоматы повторного включения (линий, трансформаторов, сборных шин), которые фактически делают возможным «самовосстановление» сети после кратковременной потери напряжения;
  • средства управления накопителями;
  • регуляторы напряжения, выключатели нагрузки, синфазные мониторы и др.

Одним из элементов ИЭС ААС являются бесконтактные углеродные токоограничители — БУТ.

Средства автоматической защиты электрических сетей

В различных областях экономики страны, в т. ч. в ЖКХ, решаются задачи повышения энергоэффективности и энергосбережения, кроме того, в современной «бытовой» электроэнергетике достаточно актуален и вопрос повышения безопасности эксплуатации электрических приборов. Поэтому резерв совершенствования функционирования электроэнергетики, повышения качества и надежности электроснабжения необходимо искать в повышении эффективности борьбы с токовыми перегрузками, короткими замыканиями и защите людей и бытовых приборов от негативного влияния нештатных ситуаций в электрическом хозяйстве.

Защита от токовых перегрузок и токов короткого замыкания (КЗ) на объектах ЖКХ осуществляется автоматическими выключателями. При этом важно иметь наиболее высокую скорость их срабатывания в связи с тем, что короткие замыкания в электросетях приводят к пожароопасным ситуациям. Борьба с токами КЗ является одной из ключевых задач в электрических сетях, так как нагрев в короткозамкнутой сети прямо пропорционален времени, необходимому для срабатывания штатного ограничителя тока. Время существования короткого замыкания до отключения его высоковольтным выключателем может превышать 1 с, и все оборудование энергосистемы в этот период времени подвержено воздействию токов КЗ. При этом в функции даже самых быстродействующих выключателей не входит задача ограничения токов КЗ.

При меньшей токовой перегрузке время реакции автомата, по сравнению с временем реакции на ток короткого замыкания, увеличивается. Если в квартире на одном из направлений стоит автомат с номиналом 16, А, то при токе перегрузки в интервале от 100 до 200, А автомат должен отключиться. За время нарастания тока идет нагрев потребителей, а также при размыкании цепи механическими контактами с током такой величины возникает дуга в самом автоматическом выключателе.

И даже в штатных режимах работы энергосистемы серьезной проблемой являются помехи и «шум» в электросетях, в немалой степени обусловленные «дребезгом» контактов при работе инерционных релейных автоматических выключателей — ограничителей тока.

Другим устройством, используемым на объектах ЖКХ, предназначенным для предотвращения поражения электрическим током, является устройства защитного отключения (УЗО). УЗО это быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке. Данное устройство отключит потребителя от питающей сети, если произойдет утечка тока на заземляющий проводник РЕ («землю»).

Для справки

Защитный проводник РЕ — проводник, применяемый для каких-либо защитных мер от поражения электрическим током в случае повреждения и для соединения открытых проводящих частей:

— с другими проводящими частями;

— со сторонними проводящими частями;

— с заземлителями, заземляющим проводником или заземленной токоведущей частью.

ГОСТ 30331.1–95, ГОСТ Р 50571.1–93

Таким образом, УЗО защищает человека от поражения электрическим током, например, при повреждении изоляции на сетевом проводе стиральной машины. В этой ситуации на корпусе агрегата появляется потенциал сети. Причем это даже не поломка, машина продолжает работать, но уже становится источником повышенной опасности: если человек прикоснется одновременно и к корпусу машины, и к водопроводной трубе, он через себя замкнет электрическую цепь, а сила тока в 100 мА уже смертельна для него.

В устройстве УЗО есть ряд узлов, которые вносят свой вклад во временную задержку, а также опять, как и у автоматических выключателей, присутствуют механические детали отключения: дифференциальный трансформатор тока, пусковой орган, который выполняется на чувствительных реле или электронных компонентах. Если ток превышает установленное значение, то срабатывает пусковой орган, который воздействует на исполнительный механизм, включающий силовую контактную группу с механизмом привода. Исполнительный механизм состоит из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкающих электрическую цепь. Вот это нагромождение механических деталей и увеличивает время срабатывания УЗО, а также вносит искажения в сеть и снижает надежность системы в целом.

Кроме электромеханических устройств используются также электронные УЗО, в которых вместо чувствительного магнитоэлектрического элемента используют устройство сравнения, например компаратор. Однако для питания электронной схемы нужен свой встроенный блок питания. Разностный ток имеет очень малую величину, следовательно, его нужно усиливать и преобразовывать до необходимого для компаратора значения. Все это понижает общую надежность устройства даже по сравнению с электромеханическим аналогом.

Время срабатывания УЗО составляет 0,2 с, а это значит, что при частоте сети 50 Гц человек почувствует порядка 10 периодов переменного тока, а при определенной амплитуде это может быть очень опасным.

И наконец, в быту применяются еще дифференциальные автоматические выключатели, которые представляют собой автоматические выключатели, объединенные с УЗО. Но и у них есть недостатки.

Во-первых, цена — трехфазные модели известных зарубежных производителей имеют стоимость порядка 100 Евро.

Во-вторых, для работы встроенного УЗО необходимо электрическое питание блока дифференциальной защиты. Это питание берется именно с ввода аппарата. То есть для срабатывания дифференциальной защиты дифференциального автомата необходимо, чтобы в сети было напряжение. Это значит, что в порядке должны быть и нулевой, и фазный рабочие проводники. При этом если отсутствует фаза, то и току утечки взяться неоткуда. Иное дело, если оборван ноль. В таком случае фазовое напряжение может стать причиной утечки, а встроенное УЗО уже не сработает по причине отсутствия электропитания. Чтобы подобное явление было исключено, некоторые дифференциальные автоматы имеют в своем составе блок защиты от обрыва нулевого проводника, который по своей сути является реле напряжения, чьи контакты работают на размыкание. То есть опять эти пресловутые механические контакты.

В третьих, в случае изменения тока нагрузки (динамическая нагрузка), что происходит в наше время все чаще, так как используются электрические приборы все большей мощности (блоки питания компьютера, плазменные телевизоры, холодильники, электрические чайники, ванны-джакузи, электрические котлы и т. п.), дифференциальный автомат начнет отключаться по перегрузке и его придется сменить на рассчитанный на больший номинальный ток. Также придется подстраиваться к изменению динамической нагрузки и в ситуациях, например, когда на этаж приходят три фазы, а квартир там четыре — к одной фазе будут подключены, например, две однокомнатные квартиры. А в однокомнатной, как и в соседней трехкомнатной, находятся и холодильник, и телевизор, и приблизительно такой же ряд мощных бытовых приборов, а значит, и ток в этой фазе будет почти в два раза большим.

В соответствии с требованиями ПУЭ дифференциальные автоматы, так же как и УЗО, рекомендуются к установке в сетях, имеющих в своем составе защитный нулевой проводник РЕ. В случае отсутствия защитного заземления сама защита от токов утечки может оказаться недостаточно эффективной и не спасти человека от поражения электрическим током.

Таким образом, исходя из наличия потерь в электросетях и проблем с безопасной эксплуатацией современных сетей как для пользователей, так и для оборудования самой сети, необходима разработка новых типов токоограничителей с высоким быстродействием, малыми габаритами, отсутствием пожароопасных электрической искры и дуги, а также снижения помех в сети за счет исключения «дребезга» контактов токоограничителей. Кроме того, перспективные токоограничители должны соответствовать концепции умных сетей, т. е. обладать своеобразным «интеллектом», самостоятельно, без вмешательства оператора не только отключаться при достижении током критического для цепи значения, но и включаться при восстановлении параметров сети.

Разработка бесконтактных углеродных токоограничителей в России

Бесконтактные углеродные токоограничители (БУТ) представляют собой электронные устройства, в которых отсутствуют какие-либо механические контакты, биметаллические пластины и тому подобные аксессуары, традиционные для обычных выключателей, что исключает образование дуги и «дребезга» и повышает соответственно пожаробезопасность и помехозащищенность электрических сетей. Кроме того, БУТ позволяет снизить в 200 раз тепловую нагрузку на элементы цепи, а также повысить быстродействие УЗО из-за исключения реле, пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов.

Принцип действия бесконтактных переключателей-ограничителей тока основан на эффекте переключения, обнаруженного в углеродных пленках. Отключение БУТ происходит из-за резкого уменьшения длины пробега носителей тока и их квантовой локализации внутри нанокристаллов графита.

Основной технологией получения углеродных пленок, используемых в качестве бесконтактных токоограничителей, является химическое осаждение из газовой фазы (CVD). Данная технология широко используется в промышленности и легко адаптируется к условиям массового производства. Предусмотрена возможность оптимизации параметров CVD процесса для получения нанографитовых (НГ) пленок нужной структуры, толщины, шероховатости поверхности, типа подложки.

Другой принципиально важной технологией является вакуумное осаждение металлических токовводов на поверхность НГ пленки с применением метода литографии, возможно, даже нанолитографии. Данные технологии в настоящее время достаточно хорошо отработаны при производстве интегральных схем и печатных плат.

В результате получаются тонкие (~1 мкм) наноструктурированные углеродные пленки, нанесенные на кварцевую подложку с размерами в плане 0,5×1 кв. см. Данные размеры могут быть уменьшены до микронных масштабов без ущерба для работоспособности БУТ. Переключение из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким (в 100 раз большим, т. е. практически изолятор) сопротивлением происходит за время порядка 100 мкс, что как минимум в сотни раз быстрее по сравнению с традиционными выключателями-автоматами, используемыми ныне в бытовых электросетях. Столь высокое быстродействие существенно снижает опасность поражения электрическим током и пожароопасность в бытовых и промышленных электрических сетях.

Немаловажным преимуществом БУТ является его способность к автоматическому повторному включению.

От существующих инерционных автоматических выключателей типа ETIMAT и им подобных (таблица) БУТ отличается отсутствием инерционных элементов типа реле, биметаллических контактов, что увеличивает быстродействие, уменьшает пожароопасность и повышает помехозащищенность электрических сетей. БУТ способны работать при температурах до 350 °С.

Сравнение параметров продукта проекта с аналогами
Наимено-вание
модели
Стадия готовности Страна Критический
ток
Время
переклю-чения
Дуга, дребезг, искра Цена продажи, $
ETIMAT На рынке Германия 63–100 А От 2 мс 
до 1 с
Есть
Есть
10–100
БУТ Разработка Россия Сейчас — 3 А,
через 2 года — 100 А,
через 4 года — 1000 А
100 мкс Нет
Нет
10–100

Существующие на рынке решения не удовлетворяют потребностям по энергоэффективности из-за малого быстродействия, наличия электрической дуги, искры и «дребезга», которые отсутствуют в предлагаемом продукте. Все это создает весьма благоприятные перспективы активных продаж БУТ продуктов на российском и мировом рынках.

Из истории открытия эффекта и работ по созданию БУТ

Работы по исследованию наноструктурированных углеродных пленок, а также графена находятся на переднем крае современной наноэлектроники во всем мире1. Однако внимание исследователей в настоящее время в значительной мере отвлекается на изучение фуллеренов и нанотрубок. Тем не менее работы, особенно теоретические, по графитоподобным гранулярным системам, графену идут полным ходом.

В Институте ядерных исследований РАН работы с углеродными пленками ведутся со второй половины 80-х гг. прошлого века. Именно здесь в результате проведения предварительных поисковых исследований были обнаружены аномальные электромагнитные эффекты в углеродных наногранулярных пленках, такие как: скачок сопротивления на несколько порядков величины при критических токах 10–1000 мА, детектирование СВЧ-излучения, осцилляции намагниченности в магнитных полях 1–5 Т2, генерация оптического излучения во временной окрестности скачка сопротивления. Полученные результаты являются абсолютно новыми, часть из них получена впервые.

Для изучения природы и особенностей аномального электромагнетизма углеродных конденсатов были предприняты комплексные и дорогостоящие исследования в Лаборатории сверхпроводимости Университета г. Лейпцига (Германия) и Хьюстонском центре сверхпроводимости (США) с использованием СКВИД — магнитометрии, электронной микроскопии, магнитной силовой микроскопии, измерений температурных зависимостей электросопротивления и джозефсоновских сигналов. Средства для реализации перечисленных исследований на конкурсной основе были получены в качестве гранта Немецкого научного общества в 2001 г.

Имеющиеся наработки и  ноу-хау защищены патентами Российской Федерации № 2212735 и № 2420831 и более чем 30 научными публикациями и монографиями, большое количество информации о технологиях производства и дальнейшем развитии проекта — увеличении переключающих токов до 10-кА сохраняется в режиме ноу-хау и требует патентования, в т. ч. за рубежом. Имеется соглашение с ОАО «СКТБ по релейной технике» по разработке конструкторской документации и изготовлении опытного образца БУТ.

Разработка БУТ и последующее его внедрение в различных отраслях может оказаться настоящим прорывом России в области хайтека, а также создать базис для экспансии данных российских технологий на глобальном рынке. Например, по инерционным выключателям, учитывая большой износ оборудования и расширение рынка в связи с новым строительством, можно ожидать ежегодного прироста в России в размере не менее 20% (по данным http://www.iqelectro.ru).

В конечном счете в силу преимуществ БУТ по сравнению с другими типами токоограничителей (инерционными, сверхпроводящими, полупроводниковыми) будет создана новая индустрия интеллектуальных БУТ — «умных рубильников».

Результатами реализации проекта должно стать достижение следующих эффектов3:

1. Разработка, патентование, изготовление технической документации, сертификация, внедрение в производство и производство достаточного количества и необходимого ассортимента БУТ с токами отключения до 100, А для сектора ЖКХ, спецприменений (пожаро-, взрывоопасные производства) — объем рынка в России к 2025 г. составит $3 млрд, в мире — $150 млрд.

2. Разработка, патентование, изготовление технической документации, сертификация, внедрение в производство и производство достаточного количества и необходимого ассортимента БУТ с токами отключения до 1000, А для промышленности, РЖД, ВПК, энергосетей — объем этого рынка в России к 2025 г. составит $25 млрд.

3. Разработка, патентование, изготовление технической документации, сертификация, внедрение в производство и производство достаточного количества и необходимого ассортимента БУТ (матричной структуры) с токами отключения до  10-кА для мощных энергетических сетей.

4. Захват 70–80% рынка, принадлежащего в настоящее время сверхпроводящим токоограничителям и оборудованию, объем которого в 2020 г. составит $240 млрд.

Основные риски проекта сосредоточены в технологической плоскости. Для минимизации этих рисков необходимо завершение НИОКР по повышению токов, увеличению кратности переключения, вариации технологии осаждения пленки для получения плоской однородной поверхности, а также условий охлаждения БУТ во время работы.

Что касается последующих за минимизацией технологических рисков с помощью НИОКР работ по коммерциализации продуктов БУТ, то имеется большое количество заинтересованных частных структур, венчурных компаний и институтов развития, готовых как на полное финансирование отдельных стадий проекта, так и на их софинансирование. Вот неполный список этих структур: ATOM & PARTNERNS, Физтех Венчурс, Технопарк Якутия, Венчурная компания Якутия, УК Лидер, Waarde Capital, International Center of Innovation Development, FinEX Plus, УК «Сбережения и инвестиции» плюс 10–15 бизнес-ангелов. Как правило, объем финансирования на второй стадии проектов — производство — составляет (50–100)X, где Х — финансирование НИОКР.

К сведению

Бизнес-ангел — это инвестор, который профессионально занимается вложением собственных средств в различные инновационные разработки, проекты и молодые компании, внедряющие новшества в производство, бизнес и другие сферы жизни.

Термин впервые был использован в Силиконовой долине как синоним частных венчурных инвесторов, которые вкладывают средства в инновационные IT-проекты с высокой степенью риска.

В дальнейшем возможна организация производства на малых инновационных предприятиях, а для этого необходим набор персонала из числа выпускников МИФИ, МФТИ, МВТУ им.  Н.Э. Баумана. На одну установку нужно 1–2 человека. Общее количество установок будет зависеть от необходимого объема. На одной установке за смену можно изготовить до 100 элементов. Далее на эти элементы нужно осадить металлические токовводы, которые производятся в требуемом количестве также на одной установке. Управлять вакуумной установкой осаждения должен 1 человек, кроме того, необходим специалист по технологии литографии — для грамотной прорисовки и нанесения токовводов на пленки. Элементы охлаждения являются навесными, и их можно закупать отдельно.

Подобные предприятия соответствуют понятию новых производственных технологий, являющихся одним из ведущих трендов в современном мире и характеризующихся как комплекс процессов проектирования и изготовления на современном технологическом уровне кастомизированных (индивидуализированных) материальных объектов различной сложности, стоимость которых сопоставима со стоимостью товаров массового производства. А продукция является хорошим примером опережающего импортозамещения. То есть мы не изготавливаем товары, которые уже есть на рынке, а идем на шаг впереди.

За рубежом осуществляется мощная государственная поддержка внедрения технологий Smart grids в целом, но проектов по созданию БУТ на текущий момент времени нет.

США пошли по пути полупроводниковых выключателей, при этом восхищает время, которое они планируют для реализации своего проекта. Научно-исследовательский институт электроэнергетики объявил о начале проекта по созданию высоковольтного полупроводникового бесконтактного токоограничивающего выключателя (ПБТВ) и его внедрению в массовое производство. К недостаткам рассмотренной схемы токоограничения относится необходимость управляющего сигнала на включение и выключение, выдаваемого соответствующим блоком управления. Стоимость разработки и изготовления опытного образца ПБТВ оценивается примерно в $400–500 тыс., а время его реализации составит 2–3 года.

Заключение

Целью проекта разработки БУТ в Российской Федерации является создание к 2025 г. достаточного количества и ассортимента «умных рубильников» для создающихся отечественных энергоэффективных интеллектуальных энергетических сетей, модернизации энергетических секторов всех отраслей промышленности, в особенности таких, как ЖКХ, железнодорожный транспорт, ВПК (бортовые энергосети), радиоэлектроника (критические узлы электронных схем). Кроме того, в силу преимуществ БУТ по сравнению с другими типами токоограничителей необходимо обеспечить рекламную кампанию и экспансию БУТ на международном рынке. Можно рассчитывать на захват 70–80% рынка, принадлежащего в настоящее время сверхпроводящим токоограничителям и оборудованию, объем которого в 2020 г. составит $240 млрд.

С.Г. Лебедев,
канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ФГБУН Института ядерных исследований РАН

Н.И. Андриянов,
начальник отдела ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ

С.В. Генералова,
ст. науч. сотр. ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ


1 Novoselov K.S., et. al., Science (2004) 306, 666. Y. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer, P. Kim. Nature 438, 201 (2005). Novoselov K.S. et. al. Room-Temperature Quantum Hall Effect in Graphene Science 315, 1379 (2007).
2 Lebedev S.G. // Nucl. Instr. Meth. 2004. v. A521.S. G. Lebedev, A. S. Lebedev. «Exploration of  Josephson-Like Behavior of Thin Granular Carbon Films» Edited Collection «Superconducting Thin Films: New Research», Editor: Arnold H. Barness, Nova Science Publishers, Inc., 2008. ISBN: 978-1- 60456-307-8.
3 Лебедев С.Г. Аналитический документ «Выявление ведущих тенденций и основных факторов, определяющих развитие сферы исследований и разработок в тематической области „Энергоэффективность и энергосбережение“, с учетом планов стратегического развития и инновационного потенциала отраслей промышленности Российской Федерации в части „Разработка бесконтактных переключателей — ограничителей тока для электрических сетей“» (07.02.2000). ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ. 2014. Лебедев С.Г., Андриянов Н.И., Юркевичюс С.П., Генералова С.В. Бесконтактный углеродный переключатель — ограничитель тока как элемент системы управления электрическими сетями и их защиты в технологии smart grid. Инноватика и экспертиза. ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ. Выпуск 1 (14). 2015.


Ваша персональная подборка

    Подписка на статьи

    Чтобы не пропустить ни одной важной или интересной статьи, подпишитесь на рассылку. Это бесплатно.

    Рекомендации по теме
    Вопросы по теме

    Мероприятия

    Школа

    Проверь свои знания и приобрети новые

    Посмотреть

    Самое выгодное предложение

    Самое выгодное предложение

    Воспользуйтесь самым выгодным предложением на подписку и станьте читателем уже сейчас

    Живое общение с редакцией




    Обновлено 14.08.2017
    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВАЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ
    НАШИ ПАРТНЁРЫНАШИ ПАРТНЁРЫ




    © Актион-МЦФЭР, 2006-2017. Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-68225 от 27.12.2016. Все права защищены.

    По вопросам подписки обращайтесь по телефонам: 
    Москва: 8 (495) 775-48-44 
    Другие регионы: 8 (800) 775-48-44 

    Получите техническую поддержку: 
    по телефону: +7 (495)-937-90-82 
    e-mail: sd@mcfr.ru 

    Политика обработки персональных данных

    
    • Мы в соцсетях
    Сайт использует файлы cookie. Они позволяют узнавать вас и получать информацию о вашем пользовательском опыте. Это нужно, чтобы улучшать сайт. Если согласны, продолжайте пользоваться сайтом. Если нет – установите специальные настройки в браузере или обратитесь в техподдержку.
    ×
    Подпишитесь на бесплатные рассылки, и получайте актуальную информацию обо всех нюансах, касающихся Вашей профессии! Будьте с нами! По всем вопросам звоните на номер: +7 (800) 775-48-44