CC BY
94
5. Кучумов Л.А., Баташов А.И. О возможности глубокого ограничения токов короткого замыкания в системах электроснабжения с тремя источниками питания / Ленингр. полит. ин-т, 1981. 14 с. Библиогр. 7 назв. Деп. в Информэнерго 29.06.81, N° 914.
6. Кучумов Л.А., Баташов А.И. Эффективный способ ограничения токов короткого замыкания в системах электроснабжения с токоограничивающими устройствами в нейтралях источников питания / Иркутский гос. ун-т, Вост.-Сиб. технол. ин-т. Иркутск; Улан-Удэ, 1984. 30 с. Библиогр. 6 назв. Деп. в Информэнерго 17.12.84, № 1673.
Сведения об авторах
Веселов Анатолий Евгеньевич,
доцент кафедры «Электроэнергетики и электротехники» КФ ПетрГУ, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, ул.Энергетическая, д. 19
Ярошевич Вера Васильевна,
младший научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: yaroshevich@ien.kolasc.net.ru
Токарева Евгения Александровна,
младший научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А
Фастий Галина Прохоровна,
научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: fastiy@ien.kolasc.net. т
УДК 621.311
В.Н.Селиванов, М.Б.Баранник, А.Н.Данилин, В.В.Колобов, Я.А.Сахаров ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА ГАРМОНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ТОКОВ В НЕЙТРАЛЯХ АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ*
Аннотация
Представлены результаты регистрации геоиндуктированных токов в нейтралях автотрансформаторов энергосистемы Северо-Запада. Анализ осциллограмм токов в нейтралях некоторых типов автотрансформаторов демонстрирует значительное повышение уровня гармоник при протекании по обмоткам квазипостоянных токов.
Ключевые слова:
магнитные бури, геоиндуктированные токи, трехфазный автотрансформатор, гармоники тока нейтрали.
Работа выполнена при финансовой поддержке Европейского союза (проект 260330 в рамках программы FP7).
V.N.Selivanov, M.B.Barannik, A.N.Danilin, V.V.Kolobov, Ya.A.Sakharov A STUDY OF AUTOTRANSFORMER NEUTRAL HARMONIC CURRENTS UNDER GEOMAGNETIC DISTURBANCE CONDITIONS
Abstract
The monitoring results to show the effects of GIC on neutral harmonic currents in the Northwest of Russia power system autotransformers are presented. The analysis of the neutral current waveforms in some types of autotransformers shows a significant increase in the harmonic levels when quasi-DC current flows in the windings.
Keywords:
geomagnetic storms, geomagnetically induced currents, three phase multi-legged autotransformer, neutral harmonic currents.
Мировой опыт показывает, что геомагнитные бури (ГМБ) являются причиной тяжелых аварий, функциональных нарушений и ускоренного старения и накопления дефектов электрооборудования магистральных электроэнергосистем [i]. Основным негативным фактором воздействия ГМБ является генерирование геоиндуктированных токов (ГИТ), протекающих в нулевой последовательности протяженных линий через заземленные нейтрали трансформаторов и вызывающих насыщение стали сердечников. Это приводит к многократному возрастанию токов намагничивания, что, в свою очередь, приводит к нарушениям симметрии передачи энергии по фазам, появлению высших гармоник, перегреву стали сердечников, резкому росту вибраций и, в конечном итоге, к ускоренному старению изоляции силовых трансформаторов и нарушениям электроснабжения. Аналогично воздействуют ГМБ на трансформаторы тока.
Геоиндуктированные токи возникают в результате появления разности потенциалов в удаленных точках на поверхности Земли во время геомагнитных бурь. При характерной частоте от 0.001 до 0.1 Гц амплитуда ГИТ может достигать 200 А. В случае протекания такого квазипостоянного тока в протяженной электрической сети с трансформаторами или автотрансформаторами с глухозаземленной нейтралью, кривая намагничивания трансформаторов может сместиться, что приведет к полупериодному насыщению сердечника. В результате этого явления происходит увеличение тока намагничивания и рост содержания гармоник в сети. Увеличение тока намагничивания может вызвать увеличение реактивной нагрузки трансформатора и значительное падение напряжения в сети. Генерирование высших гармоник насыщенным трансформатором приводит к перегрузке емкостных элементов энергооборудования и может вызвать ложные срабатывания систем релейной защиты и автоматики. В итоге, при наиболее опасных геомагнитных возмущениях в некоторых энергосистемах возможно возникновение серьезных аварий, подобных тем, что произошли в конце прошлого века в пик геомагнитной активности в северных районах США и Канады. Кроме того, из-за увеличения потоков рассеяния и добавочных потерь в трансформаторе возможен локальный перегрев обмоток и элементов конструкции, приводящий к повышению газовыделения и деградации изоляции. Таким образом, геомагнитное воздействие носит кумулятивный эффект, снижая срок службы трансформатора.
Для оценки вероятного ущерба в конкретной электрической сети важно знать, каков уровень гармоник, генерируемых установленным в сети трансформатором при насыщении ГИТ. Система мониторинга, развиваемая в энергосистеме Северо-Запада России сотрудниками ЦФТПЭС КНЦ РАН в течение 8 лет [2], позволяет проводить регистрацию квазипостоянных токов в нейтралях автотрансформаторов, а также контролировать содержание гармоник в сети. Записываются следующие составляющие
полного тока: квазипостоянная составляющая (диапазон частот 0-5 Гц), несущая информацию непосредственно о ГИТ, и амплитудные значения токов первой, второй и третьей гармоники сети, полученные интегрированием на временном интервале 0.1 с, которые позволяют оценить изменение гармонического состава полного тока в нейтрали при протекании ГИТ значительной амплитуды. Кроме того, регистрируются мгновенные значения токов, протекающих в нейтралях при различного рода переходных процессах, например, коммутациях, коротких замыканиях или грозовых воздействиях. Кривая тока содержит 256 точек при частоте дискретизации 14400 Гц, т.е. можно получить сигнал длительностью 18 мс (почти период промышленной частоты).
С 2007 г. Солнце демонстрировало крайне низкую активность. В настоящий момент идет второй год роста солнечной активности, начавшегося на стыке 2009 и 2010 гг. после очень длительного минимума. В 2011 и в начале 2012 г. произошло несколько значимых гелиомагнитных событий, вызвавших сильные геомагнитные бури на Земле. Анализ данных, полученных от систем регистрации ГИТ с пяти подстанций энергосистемы Северо-Запада, позволяет нам выявить степень влияния этих событий на трансформаторы и автотрансформаторы различной конструкции и мощности.
26 сентября 2011 г. на Земле начался магнитный шторм: амплитуда колебаний магнитного поля достигла девятого класса по 10-балльной шкале и держалась на этом уровне около 6 часов. По сочетанию амплитуды и продолжительности возмущений данное событие стало наиболее крупным из наблюдавшихся в предшествующие 5 лет. На рисунке 1 представлены суточные вариации магнитного поля Земли (МПЗ), зарегистрированные в этот день магнитной обсерваторией Ивало (Финляндия). В периоды слабовозмущенного МПЗ вариации составляют несколько десятков нТл, а во время сильных магнитных бурь они достигают значений сотен и тысяч нТл.
кии 400 0 ІУАВу 1 ІУД Бг /
І
т
[ И Г
1200 1Й0П
1УД_Вх
3 б 9 12 15 18 21 24
Время, иТ 2011-09-26 00:00 ... 2011-00-26 24:00
Рис.1. Вариации МПЗ во время бури 26.09.2011 г. по данным обсерватории Ивало
На величину ГИТ, индуцируемых в нейтралях силовых трансформаторов, влияют не сами вариации МПЗ, а, в соответствии с законом электромагнитной индукции, производные магнитного поля по времени, причем основной вклад вносят горизонтальные компоненты магнитного поля. На рисунке 2 показаны графики производных X-, У- и 2-компонент МПЗ, построенные по вышеприведенным данным. По абсолютному значению производной МПЗ данная буря соответствует бурям конца 1990-х гг., которые вызвали серьезные нарушения в энергосистемах США и Канады [3], однако длительность ее значительно меньше, соответственно, кумулятивный эффект был, вероятно, незначительным.
600
400
200
0
-200
-400
-600
300
200
100
0
-100
-200
-300
ІІ
' ьМ
"■ рТР*'"""-| ' 1
V 1
і .1,1
ты
'ГГ 11 41 'Iі 1
1 1
1 р
300
200
100
0
-100
-200
-300
7. - комг
■+Т 1 ¥Т
1 1
6 9 12 15 15
Время, ит 2011-09-26 00:00 ... 201149-26 24:00
21
24
Рис.2. Производные компонент МПЗ во время бури 26.09.2011 г. по данным обсерватории Ивало
В этот день токи в нейтралях регистрировались на трех станциях: Ревда, Лоухи и Кондопога. В Ревде регистратор ГИТ установлен в нейтрали трансформатора типа ТДН 110/6 кВ мощностью 10 МВА, в Кондопоге - в нейтрали автотрансформатора типа АТДЦТН 330/220 кВ мощностью 240 МВА, в Лоухах - в нейтрали автотрансформатора 330/110/10 кВ мощностью 125 МВА производства французской фирмы Лгеуа. У последнего автотрансформатора, по всей видимости, пятистержневой магнитопровод в отличие от трехстержневых трансформаторов отечественного производства. Это обстоятельство является определяющим при анализе полученных результатов.
На рисунке 3 показаны кривые ГИТ, зарегистрированных в течение суток в нейтралях трансформаторов указанных подстанций. Максимальные значения токов на разных станциях близки, а с учетом мощности трансформаторов можно было бы ожидать, что воздействие ГИТ будет максимальным для трансформатора в Ревде мощностью 10 МВА. Однако результаты измерений, приведенные в табл.1, показывают, что максимальные искажения формы тока нейтрали во время ГМБ возникают в пятистержневом трансформаторе, установленном на подстанции в Лоухах. В трехстержневых трансформаторах искажения практически отсутствуют. Как показали исследования [4-6], наиболее восприимчивы к воздействию ГИТ трехфазные группы однофазных трансформаторов (условный коэффициент - 1), затем следуют пятистержневые трехфазные трансформаторы (0.33), а трехфазные трансформаторы с трехстержневым магнитопроводом практически не подвержены воздействию ГИТ (коэффициент равен 0). На основе этих исследований, а также из опыта эксплуатации в работе [7], был даже сделан вывод о том, что в настоящий момент для энергосистемы Финляндии ГИТ не представляют существенной опасности, так как в системных связях установлены только трехстержневые трансформаторы.
Реї їда
1 и
г
ііррі I»-
г
Лоухи
і у
Іаід... *|||
’ '"т ' ИИ" ^
п
Кондопога
А* 1 Г
1ИГІГ4*
1 1
9 0 3 б 9 12 15 18 21 24
Время, 11Т 2011-09-26 00:00 ... 2011-09-26 24:00
Рис.3. Геоиндуктированные токи, вызванные геомагнитной бурей 26.09.2011 г.
Таблица 1
Амплитуды гармоник тока нейтрали автотрансформаторов (в числителе дроби - ток в периоды отсутствия геомагнитных возмущений, в знаменателе - максимальный ток во время ГМБ 26 сентября 2011 г.)
Станция
ГИТ, А Ток 1-й гарм., А Ток 2-й гарм., А Ток 3-й гарм., А
Ревда
Лоухи
Кондопога
5
6 9
0.8/
0.8
0.05/
'0.1
0.05/
0.05
0.05/
0.5/
0.8/
0.8
0.02/
0.2
0.3/
'0.3
На рисунке 4 представлены кривые гармоник тока в нейтрали автотрансформатора на подстанции Лоухи в течении часа, когда ГИТ достиг максимального значения. Ток первой гармоники, который обусловлен несимметрией нагрузок в сети, не изменился. Содержание второй гармоники выросло в 20 раз из-за смещения кривой намагничивания в результате насыщения сердечника постоянным током ГИТ. Третья гармоника, имеющая нулевую последовательность, также выросла почти в 20 раз и превысила по амплитуде ток первой гармоники. Естественно, в фазных токах содержание третьей гармоники не столь высоко, но, тем не менее, в течение нескольких минут эта величина составляла единицы процентов от первой гармоники фазного тока.
Постоянная составляющая
І 0
2 1 га
I
5 0.5
О
10
7.5 5
2.5
Первая гармоника
Вторая гармоника
Третья гармоника
1
~—} Л /V
19 Время,иТ 2011-09-26 19:00 ...2011-09-26 20:00 20
Рис.4. Амплитуды гармоник тока в нейтрали автотрансформатора на подстанции Лоухи
Значительный рост искажений в кривой тока нейтрали привел к запуску блока записи переходных процессов в устройстве регистрации ГИТ на подстанции Лоухи. Этот блок срабатывает по условию превышения некоторого порогового значения производной от тока нейтрали в данный момент времени. За все время регистрации (почти год) такое событие произошло только один раз - 26 сентября 2011 г. в 19:39:49 ЦТ (± 1 с), т.е., судя по рис.4., в максимум ГИТ положительной полярности. На рисунке 5 показана кривая мгновенных значений полного тока в нейтрали автотрансформатора.
Рис.5. Кривая мгновенного значения тока в нейтрали автотрансформатора на подстанции Лоухи
Как упоминалось выше, промежуток времени записи составляет чуть меньше периода промышленной частоты (256 точек с частотой дискретизации 14400 Гц или около 18 мс), что позволяет провести разложение сигнала в ряд Фурье. На рисунках 6 и 7 представлены спектры зарегистрированного сигнала.
10
<
Номер гармоники тока нейтрали
Рис. 6. Амплитудочастотная характеристика тока в нейтрали
■3.14 -----------------
0123456789 10
Номер гармоники тока нейтрали
Рис. 7. Фазочастотная характеристика тока в нейтрали
Соотношение гармоник мгновенного сигнала совпадает с соотношением интегральных значений в табл.2, однако теперь видно, что существенный вклад в полный ток нейтрали вносят также 6-я и 9-я гармоники (а также остальные кратные трем гармоники. Например, 12-я и 18-я гармоники по уровню сравнимы со 2-й).
Таблица 2
Амплитуды гармоник тока нейтрали автотрансформаторов (в числителе дроби - ток в периоды отсутствия геомагнитных возмущений, в знаменателе - максимальный ток во время ГМБ 25 октября 2011 г.)
Станция ГИТ, А Ток 1-й гарм., А Ток 2-й гарм., А Ток 3-й гарм., А
Выходной 21 4/ 0.05/ 0.3/
/4 /0.05 /0.3
Лоухи 9 V /5 °-°/ о
Кондопога 35 0.8/ 0.02/ 0.3/
/1.3 /0.2 /0.8
Магнитная буря 26 сентября 2011 г. взята в качестве примера только по той причине, что вызванный ею ГИТ запустил процесс записи сигнала, представленного на рис. 5. Величина самого геоиндуктированного тока, зарегистрированного в этот день на станциях Кольского п-ва и Карелии, была умеренной. Впоследствии были бури, вызвавшие гораздо большие токи.
Например, 25 октября 2011 г. были зарегистрированы следующие максимальные значения ГИТ, А: на станции в Выходном - 21, в Лоухах - 9, в Кондопоге - 35. В таблице 2 приведены данные, аналогичные табл.1.
Из данных таблицы видно, что в Лоухах ситуация практически повторилась, резко выросло содержание второй и третьей гармоник. Автотрансформатор в Выходном никак не отреагировал на протекание постоянного тока по обмоткам (на самом деле, отмечено даже некоторое снижение уровней второй и третьей гармоник в пике ГИТ). В Кондопоге наблюдался самый высокий уровень ГИТ (видимо, авроральный овал был смещен к югу), уровень гармоник в токе нейтрали несколько повысился, причем в большей степени это касается первой и второй гармоники, т.е. в основном искажения вызваны смещением кривой намагничивания постоянным током. Тем не менее, абсолютные значения токов гармоник меньше, чем в Лоухах, и это на трансформаторе, в 2 раза более мощном. Во время экстремальных ГМБ в энергосистеме могут развиваться ГИТ в десятки ампер (в 1989 г. были зарегистрированы токи до 400 А). Необходимо заранее смоделировать, как будет развиваться в этом случае ситуация на подстанции в Лоухах, иначе есть вероятность возникновения аварии, которая приведет к разрыву транзита электроэнергии из Кольской энергосистемы.
Литература
1. Гершенгорн А.И. Воздействие геомагнитных токов на электрооборудование энергосистем // Электрические станции. 1993. № 6. С. 54-63.
2. Разработка системы измерения геоиндуктированных токов на Северо-Западе России для проекта EURISGIC / М.Б.Баранник, А.Вильянен, А.Н.Данилин, Ю.В.Катькалов, В.В.Колобов, П.И.Прокопчук, Я.А.Сахаров, В.Н.Селиванов // Труды Кольского научного центра РАН. Вып.3: Энергетика. 2011. С. 120-125.
3. Larose D. The Hydro-Quebec system blackout of March 13, 1989 // IEEE Special Publication 90TH0291-5 PWR, Effects of Solar-Geomagnetic Disturbances on Power Systems, 1989. P. 10-13.
4. Ringlee R.J., Stewart J.R. Geomagnetic effects on power systems // IEEE Power Engineering Review. 1989. V.9, № 7. P. 6-9.
5. An experimental analysis of DC excitation of transformers by geomagnetically induced currents / N.Takasu, T.Oshi, F.Miyawaki, S.Saito, Y.Fujiwara // IEEE Trans on Power Delivery. 1994. V.9, № 2. P. 1173-1179.
6. Price P.R. Geomagnetically induced current effects on transformers // IEEE Trans on Power Delivery. 2002. V.17, № 4. P. 1002-1008.
7. Elovaara J. Finnish experiences with Grid effects of GIC’s // Astrophysics and Space Science Library. 2007. V. 344. P. 311-326.
Сведения об авторах
Селиванов Василий Николаевич,
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
Баранник Максим Борисович,
ведущий инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru
Данилин Аркадий Николаевич,
заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: danilin@ien.kolasc.net.ru
Колобов Виталий Валентинович,
старший научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А
Сахаров Ярослав Алексеевич,
заведующий лабораторией геофизических наблюдений Полярного геофизического института КНЦ РАН, к.ф.-м.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.26А Эл. почта: sakharov@pgia.ru
УДК 621.311
Е.Д.Терещенко, М.Б.Баранник, В.Ф.Григорьев, В.В.Ивонин, В.В.Колобов,А.Н.Миличенко, П.И.Прокопчук, В.Н.Селиванов
РАЗРАБОТКА СОГЛАСУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА СТАЦИОНАРНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНО НИЗКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА*
Аннотация
Представлены результаты работ по разработке и созданию согласующего устройства продольной компенсации для экспериментального образца мощного стационарного источника электромагнитного излучения экстремально низкочастотного диапазона, использующего в качестве излучающей антенны линию электропередач. Приведены расчетно-теоретические обоснования выбора схемотехнического решения и элементной базы согласующего устройства.
Ключевые слова:
КНЧ-генераторы, линии электропередачи, согласующее устройство, продольная компенсация.
E.D.Tereshchenko, M.B.Barannik, V.F.Grigorjev, V.V.Ivonin, V.V.Kolobov, A.N.Milichenko, P.I.Prokopchuk, V.N.Selivanov
DEVELOPMENT OF MATCHING UNIT FOR STATIONARY EXTREMELY LOW FREQUENCY TRANSMITTER
Abstract
The results of development and construction of series capacitive compensation unit for stationary extremely low frequency transmitter for industrial power line, used as antenna, are presented. Aspects of electronic circuit design and selection of electronic components are given.
Keywords:
ultra low frequency transmitters, power lines, matching unit, series capacitive compensation.
* Работа выполнена в рамках государственного контракта Министерства образования и науки Российской Федерации № 16.515.12.5012 «Разработка метода электромагнитного
картирования в высоких широтах с использованием мощного контролируемого источника экстремально низкочастотного диапазона».
