Электроэнергетический комплекс в условиях климатических изменений: перспективы повышения надежности

Обеспечение энергетической  безопасности в настоящее время – одна из ключевых стратегических задач для нашей страны, от решения которой во многом зависит устойчивость работы промышленных предприятий и уровень жизни населения.  Российская энергетическая система России (ЕЭС России) представляет собой крупнейшую в мире совокупность объектов по производству, передаче и распределению электроэнергии и энергопринимающих установок потребителей, имеющую централизованное оперативно-диспетчерского управления.  Суммарная установленная мощность ЕЭС России около 246 тыс. МВт, общая протяженность сетей порядка 2,3 млн км, количество подстанций около 502 тыс. шт.

Надежность электроснабжения потребителей является определяющим фактором при реализации мер адаптации инфраструктуры городов и населения к аномальным метеорологическим явлениям. Однако, сам электроэнергетический комплекс также уязвим к климатическим воздействиям в связи со значительной протяженностью и наличием значительного количества элементов, подверженных влиянию метеорологических факторов.

Энергетическая стратегия РФ рассматривает развитие энергетики на период до 2030 года без учета возможных изменений климата на территории России. При этом многочисленные исследования показывают, что климатические факторы вносят существенный вклад в структуру отключений линий электропередачи и, как правило, приводят к обрыву проводов, падению опор, а также воздействуют на электроустановки, подключенные к линии.

Не редко аварии по причине неблагоприятных метеорологических факторов проявляются массово и требуют значительных экономических затрат на их ликвидацию. Помимо этого, воздушные линии электропередачи располагаются в разных климатических зонах, что усложняет принятие стандартных величин при проектировании и универсальных мер по повышению надежности электроснабжения на всей территории Российской Федерации.

Соответственно, для того чтобы обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей необходимо анализировать данные об аварийности в конкретном регионе, которые во многом определяются как техническим состоянием воздушных линий электропередач, так и интенсивностью и характером климатических воздействий.

В настоящее время данные о количестве технологических нарушений формируются на основе актов расследования причин аварий на объектах электроэнергетики. На основе этого Минэнерго в рамках контроля ежегодно формирует статистику количества аварий на объектах генерации и электрических сетях, что позволяет оценить динамику технологических нарушений и в дальнейшем при необходимости выработать управленческие решения для поддержания уровня надежности на оптимальном уровне. За последние 10 лет в ЕЭС России сохраняется тенденция снижения общего количества зарегистрированных аварий, но суммарная мощность отключенных потребителей остается на прежнем уровне – следовательно можно говорить, что аварий стало меньше, но они стали масштабней.

Для определения причин отключений воздушных линий электропередачи и разработки рекомендаций по повышению надежности, необходимо иметь представление о наиболее уязвимых элементах составных частей ВЛ, приводящих к сбоям в энергосистеме.

На основании отчетной документации АО «Системный оператор ЕЭС» было выявлено, что на долю линий электропередачи приходится около 73% всех повреждений в электросетях на единицу эксплуатируемого оборудования, что делает их наименее надежным элементом системы.

Рисунок 1 – Структура аварийности электросетевого комплекса по элементам (объектам)

Установлено, что значительное число технологических нарушений является следствием повреждения проводов и изоляторов. 14% случаев отказов связано с повреждением элементов опор.

Однако необходимо отметить, что разрушения опор имеют наиболее тяжелые последствия и приводят к большим затратам, связанным с восстановлением ВЛ и недоотпуском электроэнергии. Процентное соотношение отказов по элементам ВЛ приведены в таблице 1. Для сравнения представлена статистика зарубежных стран, из которой можно сделать вывод, что структура отказов по элементам имеет свою специфику в разных энергосистемах.  

Таблица 1 – Процентное соотношение отказов по элементам воздушных линий электропередачи

Анализ аварийности за последние 10 лет на воздушных линиях электропередачи (как наиболее уязвимых элементах, вследствие широкой пространственной рассредоточенности и высокой степени физического износа) в России показал, что в структуре коренных причин технологических нарушений по данным ПАО «Россети» доля внешних природных воздействий имеет тенденцию к увеличению.  Имеющиеся данные показывают (рис.1), что средняя доля технологических нарушений за период 2013-2022 гг. по причине воздействия климатических факторов составила для России – 43%. Такой тренд является закономерным, в первую очередь, вследствие снижения конструктивных и эксплуатационных причин аварий за счет технологического и цифрового перевооружения электросетей, и во-вторых, увеличения частоты, интенсивности и продолжительности опасных погодных явлений, в результате нарастающих процессов изменения климата.

Разработка мероприятий по минимизации негативного воздействия климатических факторов на линии электропередачи является приоритетной задачей в контексте повышения надежности и качества энергоснабжения потребителей.  Воздушные линии электропередачи, как было отмечено ранее, располагаются в разных климатических зонах и подвержены множеству природных воздействий, доминирующим из которых являются ветровые нагрузки различной интенсивности.

Рисунок 2 – Распределение долей технологических нарушений по причинам их возникновения в России

В настоящее время, в России, основополагающим нормативно-техническим документом в электроэнергетике, содержащим ряд обязательных требований по защите ВЛ от воздействия климатических факторов, является ПУЭ-7. Однако, отсутствие в нем полноценного алгоритма выбора рекомендаций по повышению надежности действующих воздушных линий электропередачи от воздействия таких нагрузок выдвигает задачу разработки такого алгоритма и перечня мероприятий.

Вопросы влияния климата на различные сектора городского хозяйства и экономики мегаполисов принимают всё большие масштабы и в силу изменений климато-метеорологических условий нарушается приспособленность как объектов техносферы. Следует отметить, что согласно ПП РФ №3183-р от 25.12.2019 г. субъектами должны быть разработаны и утверждены региональные планы по адаптации к климатических изменения.  Приказом МЭР №267 от 13.05.2021 г. утверждены методические рекомендации по оценке климатических рисков, ранжированию адаптационных мероприятий и формированию планов адаптации к изменению климата.

Однако отсутствующий методологический подход с количественными зависимостями по оценке климатических рисков для различной инфраструктуры городского хозяйства делает процесс выявления ключевых рисков затруднительным.

В Национальном исследовательском университете «МЭИ» на протяжении последних лет проводятся масштабные исследования в этой области. При реализации проекта «Разработка цифрового модуля по оценке аварийности объектов электросетевого комплекса в результате влияния природных факторов в условиях климатических изменений» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2022-2024 гг. по направлению «Климатическая трансформация энергетики» осуществляется разработка информационно-аналитического обеспечения и имитационной модели по оценке аварийности объектов электросетевого комплекса в результате влияния природных факторов в условиях климатических изменений, позволяющего произвести оценку последствий и надежности объектов электросетевого хозяйства в прогнозируемых условиях.

Основой указанного информационно-аналитического обеспечения являются оценка и прогнозирование изменений климата и их последствий, что также коррелирует с концептуальным подходом Национального плана мероприятий адаптации к изменениям климата (Распоряжение Правительства РФ от 25 декабря 2019 г. № 3183-р), одной из задач которого является климатическое обслуживание - информационно-аналитическое обеспечение адаптации (в том числе, упреждающей адаптации) экономики страны к текущему и ожидаемым состояниям климатической системы.

Очевидно, что при рассмотрении тренда развития энергетики на перспективу, потребуются значительные материальные ресурсы по внедрению адаптационных мероприятий, связанных с наблюдаемыми и будущими изменениями, в том числе в таком климатически зависимом секторе экономике как электроэнергетика.

Фото на обложке: Usplash /  Jerry Wang