Состояние сельских электрических сетей, результаты исследований компании «Бастион»
05-02-2025
Россия — большая и разнообразная страна. В ней присутствуют многие климатические зоны и разные жизненные уклады. Также в ней, как и в других больших странах, наблюдается и разнообразие состояния инфраструктуры. В этой статье мы поговорим об электрических сетях, которые, как и любая другая инфраструктура, показывают многообразие видов и форм: новые, старые, городские, сельские. Где-то внутри этих границ находятся сети коттеджных посёлков, пригородов, садоводческих товариществ и т.п. Сельским сетям мы будем уделять больше внимания, поскольку они демонстрируют, по-видимому, наибольшее разнообразие свойств. Факторы, описываемые ниже, в значительной степени применимы и к садовым товариществам, причём как загородным, так и находящимся в пределах городской черты.
Исследование этого разнообразия — постоянная работа, начатая нами в 2023 году и продолжающаяся до сих пор. Данные приходят как от наших партнёров, конечных клиентов, так и накапливаются в автоматическом режиме с помощью самописцев, осуществляющих непрерывный мониторинг.
Причины запуска исследований
Компания «Бастион» производит много различного силового оборудования, опирающегося на «коммунальные» электрические сети: стабилизаторы напряжения, источники бесперебойного питания и тому подобное. Нам, очевидно, необходимо понимать, в каких условиях работает производимое оборудование. На первом шаге мы попытались отыскать такую информацию в профильных вузах и сетевых компаниях. Однако, к нашему удивлению, какой-либо конкретики найти не удавалось: в вузах нам сказали, что тематика «не слишком перспективна», на ней не защитишь диссертаций, а сетевые компании озабочены несколько другими масштабами. Общие соображения, что может там происходить понятны ad hoc, но явных примеров и статистики никто сообщить не смог. Обидно, что о «последней миле» все забыли!
Большая часть графиков, приведённых ниже, получены по данным самописцев на восточной ветви, ТРП-250, ВЛ 10 кВ Синявская-2.
Деревенское электричество
Деревня испытывает, наверное, максимальное влияние неблагополучных факторов, которые могут присутствовать в электрических сетях. Такие сети почти всегда воздушные, провода старые, неизолированные. Соответственно, линии подвержены влиянию погодных факторов: кратковременных — порывы ветра, ураганы, и долговременных — коррозии, которая эффективно повышает сопротивление проводов. Конечно, проникновение СИПа неуклонно растёт, но оно ещё далеко от нормального. И наконец, как линейная часть (провода), так и трансформатор были рассчитаны на условную «лампочку Ильича», радиоточку, телевизор с холодильником... Плюс-минус...
Современный образ жизни создаёт другой профиль потребления — освещения много (хоть оно теперь и диодное), более чем один телевизор, кондиционеры, холодильники, электрочайники — страшная вещь, вообще-то, с точки зрения энергопотребления — и прочее, и прочее. Есть ещё один нюанс: активное деревенское домохозяйство потребляет больше энергии, чем городская квартира, поскольку жизнь на земле требует пилить, сверлить, точить, сваривать, качать воду для полива, обогревать утят, цыплят и так далее и тому подобное.
Изображение из источника
Отсутствие изоляции и погода приводят к периодическим замыканиям, подгораниям проводов, разнообразию переходных процессов. В копилку попадает и всякое «кривое» и самопальное оборудование, например, старые сварочные аппараты переменного тока (как на изображении выше, хоть мы видели и хуже), различные моторчики, обвешанные конденсаторами и т. п. Жители села, равно как и жители садовых товариществ, также организовывают на своих участках малые производства, профиль потребления которых вряд ли соответствует жизни на земле, даже очень активной.
В-третьих, деревенские энергетики нередко не утруждают себя задачей равномерного распределения нагрузки от домохозяйств по фазам — по разным причинам: лень, нет времени, различные трудности. Например, поскольку для подключения на столбе приходится добираться до верхних проводов четырёхпроводки, а проще подключиться на нижние (фаза и ноль). Часто проводов может быть куда больше, а последние годы на те же столбы подвешен ещё и оптический кабель Интернета со своими креплениями, муфтами и т. п. Есть и объективные причины — нагрузка может меняться со временем и сменой хозяев домовладения. Из-за этого практически всегда наблюдается перекос на фазах: в одном домохозяйстве постоянно пониженное напряжение, в соседнем — постоянно повышенное. В городе население большое, перепады сглаживаются статистикой, на земле перекосы просматриваются отчётливо.
И, наконец, имеется совсем неприятная особенность — воровство электроэнергии. Для наших целей было бы «удобнее», если бы оно размазывалось равномерно по году, однако пик приходится на переходные времена года — осень и весну. Причём, осенью воровство практикуется куда сильнее. Неофициальное объяснение этому приводится такое, что воровать электроэнергию гораздо проще, чем газ и при наступлении холодов таким образом осуществляется «экономия».
Замечания по поводу ГОСТов
В настоящее время на территории Российской Федерации «нормальными» могут считаться два значения напряжения в сети переменного тока частотой 50 герц. Действующий ГОСТ 29322-2014 стандартизирует напряжение 230 вольт для однофазной сети и 400 вольт для трёхфазной. Допустимыми считаются отклонения ±10% по напряжению.
Однако длительное время, со времён СССР, устанавливался «пониженный» стандарт со значениями, соответственно, 220 вольт и 380 вольт, эти значения также допустимы. Причины повышения напряжения в новой редакции ГОСТ связаны как раз с ростом потребления электроэнергии. Современные подстанции должны следовать последней редакции ГОСТ 29322 и выдавать 230 вольт. Итак, получаем, что «среднедопустимый» диапазон простирается от 198 до 253 вольт.
Также ГОСТ 29322-2014 оперирует понятием используемого напряжения, выбираемого таким образом, чтобы учесть длину линии до пользователя. Этот фактор нередко не берётся во внимание, в то время как он может оказывать значительное влияние на пользователя, особенно в случае слабых электросетей (см. ниже).
Требования соответствия качества электроэнергии по частоте описаны в ГОСТ 54149-2010 и более подробно обсуждаются далее.
Результаты наблюдений
Проиллюстрируем упомянутые выше особенности сельского электричества. Первый график показывает типичную ситуацию с перекосом фаз.
Заметно, что напряжение на фазе L1 систематически ниже остальных. Линия, к которой подключён регистратор, L1 как раз и находится на нижнем проводе столба; второй нижний провод несёт ноль. Фазы L2 и L3 — сверху и энергетику неудобно «изгибаться» вокруг L1, чтобы до них добраться. Очевидно, что картина на масштабе месяцев будет подвижной. Отметим, что максимальное значение амплитуды на L3, равное 377.45 вольта, соответствует RMS напряжения на этой фазе, примерно равному 267 вольт, в то время как для L1 это 144 вольта (амплитуда 203.5). То есть в момент наблюдения домохозяйства «плавали» в интервале от 144 до 267 вольт, в зависимости от того, куда и как были подключены.
Рассмотрим теперь сезонность. Первый из графиков показывает статистику наблюдений с февраля по ноябрь 2024 года. Видно, что средние значения RMS, в принципе, более или менее укладываются в требования ГОСТ (линия на рисунке) и даже среднеквадратичное отклонение (тёмная зона) находится в разумных пределах.
Правда, интервал от минимального до максимального (светлая зона) может быть значительным. Статистика закладывается в ГОСТ, ею оперируют Россети, но конечному потребителю это не помогает, поскольку при «мгновенных» отклонениях ему грозит, как минимум, неисправность оборудования, а, как максимум, пожар.
Уход минимальных значений сетевого напряжения в ноль в мае и июне 2024 года обусловлен высокими температурами на юге России в конце весны — начале лета, когда электросетевое хозяйство не справлялось с нагрузками. На графике не показаны наблюдения ранее февраля 2024г., поскольку до этого времени их систематика не была ещё окончательно установлена — добавлять такие данные на общий график было бы некорректно.
Для наглядной демонстрации изменений напряжений в течение нескольких месяцев выше приведены усреднённые суточные значения по трём фазам. Период охватывает зиму, весну и лето 2024 года. Ярко выражен перекос фаз: L3 сильно отличается от L1 и L2 зимой, затем все три плавно эволюционируют и стабилизируются. Отметим также, что стабилизация происходит на повышенных значениях напряжения в сети, около 240 вольт — сельская линия вовсе не обязательно характерна «просаженным» напряжением. Более правильная формулировка будет такой — может выходить за пределы ГОСТ в обе стороны с преобладанием пониженных напряжений.
Наблюдая такие сезонные колебания вокруг «эталонного» напряжения 220 вольт (см. выше), можно предположить, что энергетики должны были бы регулировать количество энергии, «закачанное» в сети по аналогии с тем, как это делает Межрегионгаз, однако подобная операция для электроэнергии куда сложнее, чем для газа: в последнем случае имеются буферные газохранилища, проблема же хранения электроэнергии в значительных объёмах никем не решена до сих пор, балансировка энергосистем является очень непростой задачей. Отметим, что осень 2024 года была тихой с малым количеством дождей и колебаний, видных весной этого года не наблюдалось.
Следует добавить, что в южных частях России зима нередко может походить на осень северных регионов нашей страны, поэтому зимнее успокоение в этих случаях может не происходить; успокоение зимой наступает, когда погода становится стабильно холодной, вместо дождей с ветрами и замыканиями начинает идти снег, электричества для обогрева перестаёт хватать, а воровство снижается.
Кратковременные и не слишком сильные просадки напряжения довольно типичны (см. ниже) и уверенно сглаживаются.
Давайте посмотрим теперь на гармонический состав. Больших и систематически однородных исследований в этом направлении мы ещё не проводили, поэтому не располагаем уверенной статистикой отклонений от ГОСТа 54149-2010 (данные присутствуют, но необходимо настроить конвейер автоматизированного анализа), но проиллюстрировать ситуацию можем. Согласно ГОСТу, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0.38 кВ составляет 8%, а предельно допустимое – 12%. Также в ГОСТе приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например, для 3-й гармоники это 5%, для 5-й гармоники – 6.0%, для 7-й гармоники – 5% и т.д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5, 7 порядка.
Ниже показаны фурье-спектры двух сигналов, снятых в феврале и апреле 2024 г.
В первом случае коэффициент THD показывает, что сигнал в сети попадает в требования ГОСТа, хоть и не самым идеальным образом. Во втором — беда, которая объясняется включением старой, собранной на коленке неизвестно кем, когда и из каких деталей бетономешалки у соседа автора этой статьи. Стройка в сельской местности — перманентное состояние.
Далее поговорим о «зверинце» различных эффектов, периодически обнаруживаемых в сети. Самый очевидный, о котором шла речь выше — ветер. Осциллограмма выше иллюстрирует влияние порывов ветра скоростью около 15 м/с. По-видимому, фазы L1 и L3 начало замыкать на землю, это привело к сильному перекосу, и фаза L2 «скакнула» до более чем 550 вольт в амплитуде!
Нарушение фазы, показанное ниже на L3, есть следствие работы коммутатора (реклоузера), переключившего L3 на другой источник. По крайней мере такая корреляция представляется нам наиболее вероятной, принимая во внимание обстоятельства наблюдения и сообщения Россетей о проводимых в тот момент работах.
Ровные синусоиды, построенные поверх L3, являются аппроксимацией амплитуды и фазы. Точной причины произошедшего в ситуации, представленной ниже, установить не удалось.
В накопленной базе данных находится также довольно обширный набор и других примеров искажения формы сигнала.
Альтернативные источники электропитания
Сельская местность предоставляет широкие возможности по организации альтернативных способов электропитания домохозяйств: бензиновые/дизельные/газовые генераторы, малые солнечные и ветровые установки; при подходящих условиях возможна даже установка микро-гидроэлектростанций, что практиковалось ещё во времена СССР. Обсуждение солнечных, ветряных и гидроустановок выходит за пределы данной статьи, тема требует аккуратного и всестороннего обсуждения — очень много нюансов. Материал для такого обсуждения у нас есть — отдельная статья планируется. Несмотря на то, что практика установки оборудования альтернативной энергетики постепенно расширяется, на селе чаще всего используется генератор с двигателем внутреннего сгорания. В подавляющем числе случаев топливом для него служит бензин, реже дизель и совсем редко природный газ — нужно вносить изменения в проект, прокладывать отдельную линию и т. п.
Генератор запускают при отключениях коммунальной сети, время работы обычно не превышает нескольких часов, хотя эта статистика может сильно меняться в зависимости от географии. Для нашей точки наблюдений данные приведены ниже.
Они показывают, что за интервал наблюдений (2017-2024 годы) генераторы почти всегда работают не более чем 4-5 часов, на левом графике дано распределение времени работы генератора. На правом — распределение включений по месяцам: включения сконцентрированы и сдвинуты на осень, что, очевидно, коррелирует с тем, что обсуждалось выше.
Соответственно, домохозяйства в данном конкретном географическом районе могут сделать для себя вывод, что расходовать деньги на генератор острой необходимости нет — полдня они могут потерпеть и обойтись источниками бесперебойного питания, через которые подключены конкретные (важные) потребители, например, газовый котёл. Однако, если необходимо обеспечить питание большей нагрузке, то о генераторе всё же подумать стоит. Обзор того, что можно найти в деревне, мы сделать не можем, но сделаем замечание относительно частоты.
Очевидно, что ГОСТ 54149-2010 к малым генераторам неприменим и на выходе частота может сильно плавать, как на приведённых графиках для бензогенератора Elemax 6500. При этом напряжение на выходе всегда находится в пределах 220±5 вольт. Зелёная линия — частота в коммунальной сети, показывает идеальное соответствие ГОСТ.
Исправные и вышедшие на режим генераторы выдают частоту, близкую к 50 герцам, но, очевидно, не строго 50, что отчётливо показывают графики. В процессе старта и прогрева двигателя частота может очень сильно колебаться. На верхнем графике отражена ситуация, когда дроссельная заслонка двигателя после старта не была прикрыта, что приводило к сильной нестабильности оборотов двигателя и, следовательно, частоты.
Понятно, что в случае пониженного напряжения на генераторе у хозяина домовладения может возникнуть желание поставить после него стабилизатор. В этом случае необходимо быть аккуратным, поскольку при пониженном напряжении он «потянет» из генератора больший ток (см. обсуждение выше) и далее либо сработает защита по току на стабилизаторе, либо на генераторе, либо последний просто заглохнет. Иначе говоря, генератор должен обеспечивать избыточную мощность по отношению к нагрузке. Какую — зависит от нагрузки, генератора и стабилизатора.
Результаты подобного эксперимента показаны на графике ниже, где отчётливо видна «борьба» между генератором и стабилизатором. Линии показывают напряжение на входе и выходе стабилизатора, то есть в линиях, идущих от генератора к стабилизатору и от стабилизатора на нагрузку. На первом графике нагрузка ниже пороговой, включается стабилизатор — всё в порядке. В случае, если нагрузка повышается, напряжение в линии падает, стабилизатор пытается его выравнивать, спускается всё ниже и ниже по ступеням стабилизации, упирается в защиту и отключается. При этом генератор сам также начинает выравнивать выходное напряжение (у этой модели есть такой функционал). Как видно, делает он это куда медленнее, чем стабилизатор.
Способы решения проблем
Очевидно, что все 100% описанных проблем решить одно домохозяйство не в силах: невозможно сразу заменить все проводные линии и питающие трансформаторы. Эта работа Россетями проводится, локальных улучшений становится больше, но ввиду масштаба работ ожидать скорого решения всех проблем не следует.
Стандартный набор домохозяйства мог бы включать в себя стабилизатор напряжения, бензиновый генератор и локальные источники бесперебойного питания, через которые подключен, как правило, газовый котёл — потребление его, вместе с насосом, невелико и «киловатника» в этом случае вполне хватает.
Что касается стабилизаторов, то обычно потребитель ищет модель, которая способна «делать 220» из как можно более низкого напряжения. Встречаются «хотелки» иметь стабилизатор от 45 вольт. Но нужно понимать, что законы физики обмануть нельзя: чтобы извлечь из сети ту же самую мощность при понижении напряжения, приходится повышать ток (мощность = напряжение ✕ ток). Последний же нельзя повышать бесконечно.
Во-первых, потому что входной ток ограничивает автомат или даже прибор учёта. Первый отключит домохозяйство от сети, второй просто сгорит (если поменять автомат на больший ток). В последнее время также энергетики устанавливают ограничители мощности, не позволяющие «вытянуть» из линии больше заданного. В деревнях, правда, это распространено не столь сильно, как в садоводческих товариществах. Практика, по-видимому, будет распространяться.
Во-вторых, если преодолеть упомянутые выше «трудности», сама проводная линия до домохозяйства в какой-то момент также перестанет пропускать ток: её сопротивление не позволит. Подобный случай наблюдался нами в Бердянске, где потребитель с совсем «древней» линией, ведущей к его домохозяйству, постепенно повышал извлекаемую мощность (с помощью индукционной плиты). Ток, «высасываемый» стабилизатором из линии, превысил пороговое значение, напряжение в линии начало падать, заставляя стабилизатор переходить на следующие, более низкие ступени, что приводило к ещё большему росту тока и ещё большему падению напряжения. В какой-то момент сработала защита, стабилизатор отключился, продемонстрировав потребителю работу закона сохранения энергии.
Купировать наблюдаемые перекосы фаз (в случае, если в домохозяйстве есть все три) можно, поставив стабилизаторы на каждую из них: электрики при строительстве обычно разводят фазы по разным частям домовладения. Такое решение представляется не самым оптимальным в случае, когда домохозяйство не потребляет слишком много: освещение сейчас диодное, холодильники/кондиционеры могут быть инверторными (через постоянный ток) и т. п. Возможно, имеет смысл питаться от одной фазы, поставив на вход реле контроля фаз, позволяющее выбирать наиболее оптимальную в данный момент.
Защитить от быстропериодических процессов (ветер, «кривое» оборудование у соседей и т. п.) может только источник бесперебойного питания с двойным преобразованием. Часть этих проблем может решить и стабилизатор напряжения, если его алгоритмы позволяют оперативно реагировать на колебания напряжения и вовремя переключать ступени стабилизации.
Автор статьи: Сергей Олегович Наумов, директор по инновациям компании «Бастион»