CC BY
88
УДК 620.9 (470.21)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ
Б.В. Ефимов, Б.Г. Баранник, А.Н. Данилин, В.А. Минин,
Ю.М. Невретдинов, В.Н. Селиванов
Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
Аннотация
Статья содержит краткий очерк истории энергетических исследований на Кольском п-ове. На сегодняшний день Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН является ведущей научной организацией на Кольском п-ове, специализирующейся на выполнении фундаментальных исследований и прикладных разработок в области комплексных физико-технических и технико-экономических проблем энергетики. Ключевые слова:
энергетические исследования, Кольский научный центр, Центр физико-технических проблем энергетики Севера.
Практическое освоение природных богатств Мурманской области еще в 1930-е гг. потребовало создания развитой энергетической базы. За прошедшие десятилетия в Мурманской области создана мощная по региональным масштабам Кольская электроэнергетическая система, в состав которой в настоящее время входят 17 гидроэлектростанций, ряд тепловых электрических станций, Кольская АЭС, а также развернутая сеть теплоснабжающих предприятий, включающих ТЭЦ и котельные.
Начало выполнению энергетических исследований на Кольском п-ове было положено в послевоенные годы. Уже тогда в регионе функционировала Кольская научно-исследовательская база АН СССР, основной целью которой являлось содействие развитию производительных сил Мурманской области. В 1950 г. база была реорганизована в Кольский филиал АН СССР, в его состав вошли 4 научные подразделения, в том числе и Отдел гидроэнергетики. В то время в Кольскую энергетическую систему входило всего несколько относительно небольших гидроэлектростанций. Наиболее рациональным путем развития энергетики Мурманской области тогда считалось максимально возможное освоение местных ресурсов, а это практически полностью было связано с использованием стока многочисленных, но не очень больших рек Кольского п-ова. Поэтому изучение гидроэнергетических ресурсов региона, разработка научно-технических рекомендаций и предложений для обоснования строительства новых ГЭС в условиях Заполярья были главными направлениями в деятельности Отдела гидроэнергетики.
Первые годы Отдел возглавлял заслуженный деятель науки и техники Карельской АССР к.т.н. Сергей Владимирович Григорьев. Широкие физико-географические исследования рек и озёр Кольского п-ова, проводимые им в интересах географической науки, гидрологии и гидроэнергетики, определили деятельность Отдела на большой период времени. Были составлены каталоги рек и озер Мурманской области (К.Н. Балашов, Т.И. Белокоскова, В.В. Богданов, И.Т. Изотова, Д.И. Коваленко), усовершенствована методика учета гидроэнергетических ресурсов малых рек и составлен гидроэнергетический кадастр, содержащий оценку мощности 550 рек Мурманского гидрографического района (П.И. Марков).
Применительно к условиям Мурманской области на базе уже имевшегося опыта гидроэнергетического строительства на Кольском п-ове были сформулированы принципы дальнейшего рационального энергетического использования крупных и средних рек региона (Воронья, Териберка, Восточная лица, Харловка, Рында, Йоканьга и др.). С учётом исследований и рекомендаций Отдела гидроэнергетики осуществлено проектирование и строительство ГЭС на реках Воронья (Серебрянский каскад) и Териберка (Териберский каскад).
В конце 1950-х - начале 1960-х гг. интенсивное развитие народного хозяйства Мурманской области выдвинуло новые задачи по теплофикации промышленных предприятий и городов, а также по строительству и вводу в эксплуатацию мощной тепловой электростанции - Кировской ГРЭС. Это привело к усложнению энергетического хозяйства региона и потребовало дальнейшего расширения научных исследований. Поэтому Отдел включился в комплексную научно-исследовательскую работу по оптимизации топливно-энергетического баланса Мурманской и соседних областей,
координируемую Северо-Западным отделением Научного совета по комплексным проблемам энергетики Академии наук СССР. В начале 1960-х гг. был разработан прогноз энергопотребления Мурманской области на перспективу до 1970 г.
В течение нескольких лет сначала Отделом гидроэнергетики, а затем коллективом созданной на его базе в составе Горно-металлургического института КФАН СССР лаборатории энергетики и комплексных водохозяйственных проблем проводилась большая работа по изучению режимов отопления для районов Севера (А.П. Панин, Т.И. Белокоскова, И.Т. Изотова, Л.К. Власов). Тогда же группой комплексных водохозяйственных проблем (Г.В.Беляева, В.В. Чижиков, Д.Г. Воробьёва, Н.Н. Чижикова и др.) в течение нескольких лет были проведены комплексные исследования крупнейшего водоема Мурманской области - оз. Имандры. Проблема состояла в сильном загрязнении озера промышленными выбросами горно-обогатительных комбинатов “Апатит”, “Североникель” и Оленегорского ГОКа, Кировской ГРЭС и других промышленных предприятий. Были разработаны предложения по уменьшению загрязнения озера, восстановлению его рыбохозяйственного значения и расширению использования озера в рекреационных целях.
Развитие энергетики края изменяло задачи энергетического подразделения КФАН СССР, менялась его структура. В 1973 г. лаборатория энергетики и комплексных водохозяйственных проблем Горного института была преобразована в самостоятельное подразделение при Президиуме Кольского филиала АН СССР - Отдел энергетики, который возглавил доктор технических наук, профессор Игорь Родионович Степанов. За Отделом были закреплены следующие основные направления исследований:
■ исследование перспектив развития энергетического хозяйства Мурманской области и соседних районов;
■ разработка эффективных методов использования гидроэнергетических ресурсов, энергии ветра и морских приливов;
■ создание научных основ рационального использования и охраны водных ресурсов.
Научно-методическое руководство деятельностью Отдела осуществлялось Отделением физикотехнических проблем энергетики АН СССР (ОФТПЭ АН СССР). Планирование и проведение научноисследовательской работы Отдела велось в соответствии с указанными направлениями и в увязке с проблемами, выдвигаемыми и разрабатываемыми названным Отделением. Штат Отдела в то время насчитывал 23 сотрудника, в том числе 1 - д.т.н., 8 - м.н.с., 3 инженера, 11 чел. - лаборанты и технический персонал.
В 1970-е гг. Отделом был выполнен ряд важных научных исследований. Разработан прогноз развития потребности народного хозяйства Мурманской области в энергоносителях на 1976-1990 гг. и показаны возможные варианты формирования топливно-энергетического баланса региона на указанный период. Выполнен технико-экономический доклад по реконструкции теплоснабжения города Кировска от Кировской ГРЭС (И.Р. Степанов, Б.Г. Баранник). Перспективность такого предложения подтверждается в настоящее время при прокладке теплопровода большого диаметра от Апатитской ТЭЦ до Кировска.
На основании обработки многолетних рядов наблюдений за скоростью ветра оценен потенциал ветровой энергии и разработан ветроэнергетический кадастр Европейского Севера СССР (В.А. Минин). На побережье Баренцева моря в пос. Дальние Зеленцы создан ветроэнергетический полигон, позволяющий проводить исследование работы ветроэнергетических установок при высоких скоростях ветра и в экстремальных климатических условиях Арктики (Е.И. Куклин, В.А. Минин).
Разработана уточненная схема энергетического использования объединенного стока рек Восточная Лица, Харловка и Рында, разработаны практические рекомендации по гидротехническому строительству на этих реках (Г.С. Дмитриев).
В 1982 г. в Отделе энергетики были проведены структурные изменения и образованы три лаборатории: лаборатория комплексных проблем энергетики Севера (зав. лаб. д.т.н. И.Р. Степанов); лаборатория комплексных электрофизических и электроэнергетических проблем (зав. лаб. к.т.н. И.М. Зархи); лаборатория атомной энергетики (зав. лаб. к.ф.-м.н. В.А. Наумов). Первая из названных лабораторий продолжила исследования в направлении дальнейшего совершенствования энергетического хозяйства региона. Был разработан прогноз развития топливно-энергетического комплекса Мурманской области на 1986-2005 гг. и выявлены благоприятные предпосылки для газификации Мурманской области и Республики Карелия от месторождений природного газа на шельфе Баренцева моря (И.Р.Степанов, Б.Г. Баранник). Выполнено обоснование по созданию опытно-
промышленной ветроэлектрической станции (ВЭС) мощностью 1 тыс. кВт на берегу Баренцева моря в районе пос. Дальние Зеленцы, а также ветроэнергетического комплекса мощностью 100 МВт в районе действующих гидроэлектростанций Серебрянского каскада (Е.И. Куклин, В.А. Минин). Проведено исследование перспектив применения гидроаккумулирующих станций на Европейском Севере СССР, предложены площадки для сооружения ГАЭС (Г.С. Дмитриев).
Под руководством ИМ Зархи в Отделе были развернуты электрофизические работы. К началу 1980-х гг. накопился большой объем данных опыта эксплуатации высоковольтных сетей в специфических климатических и грунтовых условиях Кольского п-ова. В частности, на фоне вполне приемлемой общей надежности работы линий электропередачи и подстанций, выявилась повышенная аварийность из-за воздействия атмосферных перенапряжений, то есть ударов молнии в элементы энергосистем. Оказалось, что при проектировании электрических сетей в северных регионах нельзя напрямую использовать опыт работы аналогичных сетей в средней полосе. Например, число среднегодовых отключений линий электропередачи на Кольском п-ове и в Карелии намного превышает соответствующие данные по Поволжью и даже Крыму (рис. 1). И это при десяти грозовых часах в год в районе городов Апатиты и Кировск по сравнению с шестьюдесятью грозовыми часами в год в Крыму.
Именно относительно слабая грозовая активность послужила обоснованием для отказа от тросовой защиты ряда системообразующих линий по всей длине, сооружения двухцепных линий, отходящих от Кольской атомной электростанции, необязательности выполнения положений нормативных документов в части требований к заземлениям опор линий. По инициативе руководства Колэнерго и при поддержке головного проектировщика сетей института «Энергосетьпроект» в Отделе энергетики были начаты масштабные исследования физикотехнических проблем повышения надежности работы электроэнергетических сетей (эти проблемы не потеряли актуальности до настоящего времени). Обобщение результатов исследований 1980-х гг. позволило разработать предложения по изменению основного документа, регламентирующего проектирование
электрических сетей (Правила устройства электроустановок) в части защиты подстанций 35-330 кВ от перенапряжений в условиях высокого удельного сопротивления грунта, характерного для Кольского п-ова. В целях расширения электрофизических исследований были созданы полевые высоковольтные стенды и полигон напряжением до 1 млн вольт (рис. 2). На них проводились экспериментальные исследования, направленные на изучение электромагнитных переходных процессов в электрических сетях и линиях связи при низкой проводимости грунта. На базе экспериментальных исследований, выполненных на высоковольтном стенде, была предложена математическая модель грозозащитных заземлений, разработаны алгоритм и программа расчета числа грозовых отключений ЛЭП. В совокупности они явились универсальным инструментом оптимизации средств грозозащиты в условиях плохо проводящего грунта. (И.М. Зархи, Б.В. Ефимов).
В 1984 г. лабораторией атомной энергетики было обосновано и разработано предложение по оснащению КФ АН СССР специализированным ядерным реактором «Аргус» для целей развития ядерно-физических методов анализа и контроля (В.А. Наумов). Выполнено расчетное исследование радиационной безопасности наземного и подземного вариантов исполнения АЭС, показаны существенные преимущества последнего. В 1988 г. лаборатория атомной энергетики была переведена в Г орный институт КНЦ АН СССР.
В 1990 г. на базе Отдела энергетики в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР, постановлением Президиума АН СССР и приказом по Кольскому научному центру
Рис. 1. Летний (грозовой) пик автоматических отключений линий электропередачи Центральных электрических сетей Колэнерго (по вертикали общее число отключений за 20 лет наблюдений)
был организован Институт физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра АН СССР. Была утверждена перспективная структура Института, состоящая из трех отделов и 9 лабораторий. Директором-организатором Института был назначен к.т.н. А.А. Папин. По состоянию на 1 декабря 1991 г. в Институте работали 62 человека, в том числе 1 д.т.н., проф., 11 кандидатов наук, 14 научных сотрудников, 17 инженеров. Однако создание нового института совпало с периодом кардинальных перемен в нашей стране. Уже в 1992 г. в связи с дефицитом бюджетного финансирования из структуры Института были исключены две лаборатории. В последующие годы продолжалось сокращение структурных единиц и численности Института, а в 2005 г. Институт был реорганизован в Центр, входящий в состав КНЦ РАН. С 1993 г. Институт возглавлял д.т.н. В.Р. Елохин, в 2001 г. на должность директора Института был выбран д.т.н. Б.В. Ефимов.
За более чем два десятилетия, прошедшие с момента образования Института, а затем Центра, несмотря на трудности, испытываемые в научных учреждениях в эти годы, в целом удалось сохранить работоспособный коллектив
высококвалифицированных сотрудников, выработать круг задач, важных для регионального научного подразделения, и продолжить проведение результативных исследований в тесном сотрудничестве с ведущими научными и проектными энергетическими организациями внутри страны и за рубежом.
На сегодняшний день Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН является ведущей организацией на Кольском п-ове, специализирующейся на выполнении фундаментальных научных исследований и прикладных разработок в области комплексных физикотехнических и технико-экономических проблем энергетики.
Основными направлениями научной деятельности Центра являются исследование и обоснование экологически и социально эффективных путей развития энергетики с учетом специфики региона в новых условиях хозяйствования, а также исследование проблем надежного и эффективного электроснабжения потребителей в специфических условиях Севера и применения электроэнергии в технологиях добычи и переработки минерального сырья.
Работая в контакте с органами власти и администрациями городов области, а также крупнейшими предприятиями Северо-Западного региона РФ, Центр решает важные практические задачи, касающиеся функционирования и дальнейшего развития объектов энергетики в специфических условиях Севера.
В состав Центра входят три лаборатории:
• лаборатория энергосбережения и возобновляемых источников энергии, зав. лабораторией к.т.н. В.А. Минин;
• лаборатория высоковольтной электроэнергетики и технологии, зав. лабораторией к.т.н. А.Н. Данилин;
• лаборатория надежности и эффективности оборудования энергосистем, зав. лабораторией к.т.н. Ю.М. Невретдинов.
Коллектив Центра решает широкий круг сложнейших проблем региона научного, технического и экономического характера.
Во исполнение постановления Правительства Российской Федерации, а также Решения рабочей группы по разработке предложений по вариантам развития энергетики Мурманской области в 2009 году была разработана «Концепция развития энергетики Мурманской области на период до 2015 года». Она сформирована по результатам исследований и проработок, выполненных в Центре под руководством к.т.н. Б.Г. Баранника в сотрудничестве с Институтом экономических проблем КНЦ РАН
Рис. 2. 1982 год. Первый на Кольском п-ове полевой высоковольтный стенд в 25 км от г. Апатиты. Слева направо: инж. Н.М. Кузнецов, инж.
Ю.М. Дергаев, чл. -корр. АН СССР М.В. Костенко, инж. А.В. Покровский, к.т.н. Б.В. Ефимов, к.т.н. И.М. Зархи
и рядом научно-исследовательских организаций энергетического профиля («Севзагонергосетьпроект», «Гипроспецгаз», СПбАЭП и др.). Концепция учитывает позицию администрации области, крупнейших в регионе производителей и потребителей энергии и направлена на достижение основной цели -обеспечение устойчивого социально-экономического развития области на основе эффективного, надежного и безопасного энергоснабжения при минимальных расходах ресурсов и воздействии на окружающую среду.
Совместно с Институтом систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН и сотрудниками Уральского отделения РАН выполнена «Разработка системы мониторинга энергетической безопасности России и ее регионов». Данная работа является продолжением цикла исследований по проблеме выбора и обоснования мер по обеспечению энергетической безопасности России и ее регионов. Постановлением Правительства РФ д.т.н. Леониду Дмитриевичу Криворуцкому в составе коллектива присуждена премия Правительства РФ 1999 года за создание системы мониторинга энергетической и экономической безопасности регионов России. Постановлением Правительства РФ главному научному сотруднику Института, д.т.н. Л.Д. Криворуцкому присуждена премия Правительства Российской Федерации за создание системы мониторинга энергетической и экономической безопасности регионов России.
По заданию Ассоциации предприятий Кольской коммунальной энергетики в 2003 г. была разработана «Методика расчета тарифов на тепловую энергию». Проведено изучение новейшей нормативно-правовой базы по вопросам формирования цены на тепловую энергию, выполнено обследование большинства котельных региона с целью выявления специфических конструктивных и схемотехнических решений в местных системах теплоснабжения. Разработанная методика предназначена для теплоснабжающих организаций, устанавливает порядок формирования тарифов на тепловую энергию и оплату услуг по её передаче потребителям. Она может быть использована для оперативной проверки обоснованности затрат и тарифов на тепловую энергию.
В 1997-1998 гг. в ходе выполнения международного научно-технического проекта «Kola Wind» («Кольский ветер»), включенного в Европейскую программу по неядерной энергетике JOULE Ш был разработан Атлас ветра Кольского п-ова, который пополнил Атлас Европы (European Wind Atlas). Выполненные исследования заложили основы для международного научно-технического сотрудничества в области освоения высокопотенциальных ветроэнергетических ресурсов Евро-Арктического региона. В 2001-2008 гг. Григорий Сергеевич Дмитриев был вице-президентом Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA).
В рамках многолетнего научно-технического сотрудничества с норвежским обществом охраны природы (Norges Naturvernforbundet), направленного на развитие ветроэнергетики в Баренц-регионе, в 2001 г. вблизи гостиницы «Огни Мурманска» на высоте около 200 м над уровнем моря была установлена демонстрационная ветроэнергетическая установка (ВЭУ) мощностью 200 кВт (рис. 3). С ноября 2001 г. ветроустановка участвует в энергоснабжении гостиничного комплекса «Огни Мурманска», работает параллельно с городской электрической сетью. Сооружение данной ВЭУ положило начало промышленному освоению ветроэнергетических ресурсов региона и последовательному развитию системной ветроэнергетики на Кольском п-ове.
В 2004 г. сотрудники Центра приняли участие в разработке Концепции использования ветровой энергии в России. В Концепции содержится оценка ресурсов ветровой энергии по наиболее перспективным регионам России, обоснование направлений и масштабов развития ветроэнергетики на перспективу до 2020 года, а также соображения по мерам нормативного, законодательного и административного обеспечения развития ветроэнергетики. Выполненные исследования получили продолжение и на региональном уровне. В 2008 году по заказу администрации региона была разработана комплексная долгосрочная целевая Программа «Развитие нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в
Рис. 3. Осмотр аэродинамической тормозной системы ветроустановки (высота 30 м)
Мурманской области» на 2009-2015 годы, направленная на диверсификацию приходной части топливно-энергетического баланса Мурманской области, повышение энергетической безопасности региона и снижение его зависимости от внешних поставок топлива. Программа предусматривает развитие системной и автономной ветроэнергетики, приливной и малой гидроэнергетики, использование отходов лесной, деревообрабатывающей промышленности и сельскохозяйственного производства.
К настоящему времени в ЦФТПЭС КНЦ РАН сложилась научная школа по направлению «Техника высоких напряжений», работа которой охватывает широкий спектр теоретических и экспериментальных проблем высоковольтной электроэнергетики, электрофизики и электротехники. За последние годы выполнен целый ряд комплексных теоретических и экспериментальных исследований электромагнитной совместимости высоковольтных энергетических сетей с техносферой и биосферой в условиях роста доли оборудования, выработавшего плановый ресурс, повышения требований к безопасности работы персонала энергосистем и снижения уровней допустимых напряженностей электрических и магнитных полей для населения, по анализу электромагнитных полей и наведенных напряжений на неоднородных по длине отключенных линиях электропередачи.
В ЦФТПЭС КНЦ РАН совместно с Санкт-Петербургским государственным политехническим университетом в течение ряда лет развивается теория распространения волн атмосферных перенапряжений в многопроводных линиях и схемах замещения подстанций с целью уточнения деформации фронтов. Получены новые результаты по анализу физики распространения грозовых волн при произвольном числе коронирующих проводов линии. Экспериментально исследованы локальные сопротивления заземляющих устройств в местах установки защитного и основного оборудования ряда действующих подстанций 110-330 кВ Кольской энергосистемы. Разработаны методики определения структуры и расчета параметров схем замещения заземлений оборудования подстанций в нано- и микросекундном диапазоне времен. В уточненных схемах замещения проведены расчеты надежности грозозащиты подстанций. Показано, что при учете всех влияющих факторов расчетная надежность может изменяться на порядки по отношению к оценкам, сделанным по стандартным методикам, которые использовались при разработке нормативных документов по грозозащите подстанций.
В тесном взаимодействии с региональными энергетическими предприятиями разработаны и внедрены в практику проектирования и эксплуатации энергосистем методики, алгоритмы и программные средства для анализа многолетнего опыта эксплуатации и надежности работы воздушных высоковольтных линий электропередачи (ВЛ). На основе численных исследований и экспериментов (в лабораторных условиях и в действующей электрической сети) научно обоснована и реализуется система мероприятий по повышению надежности работы этих ВЛ с учетом специфики Севера.
Представляет интерес серия разработок Центра, выполненных силами лаборатории высоковольтной электроэнергии и технологии (рук. к.т.н. А.Н. Данилин). Разработан и испытан в действующих высоковольтных сетях помехоустойчивый аналого-цифровой комплекс для исследования импульсных и высокочастотных перенапряжений на оборудовании подстанций, устойчиво работающий в сильных электрических и магнитных полях, в том числе в зоне искровых разрядов. Разработанный генераторно-измерительный комплекс используется при исследованиях высокочастотных перенапряжений на подстанциях Кольской энергосистемы с целью разработки рекомендаций по защите высоковольтного оборудования и вторичных цепей. Разработанные устройства и методика измерений позволяют проводить широкий круг исследований нестационарных процессов в высоковольтных сетях и оценивать значения воздействий на силовые, измерительные и защитные аппараты энергосистем и вторичные цепи.
Создана новая методика и высоковольтная аппаратура для исследования параметров и уровня защищенности основного оборудования подстанций высших классов напряжения от грозовых и внутренних высокочастотных перенапряжений. Определяемые по этой методике локальные импульсные сопротивления заземлителей защитных аппаратов позволяют уточнить значения остающегося напряжения грозового импульса на изоляции основного оборудования. Методика и аппаратура также позволяют определять причины возникновения опасных высокочастотных перенапряжений во вторичных цепях при коммутациях на подстанциях и определять сопротивления заземлителей опор линии электропередачи (ЛЭП) без снятия грозозащитного троса.
На основе разработанной сотрудниками Центра теории защиты от высокочастотных перенапряжений было изготовлено и испытано в лабораторных условиях опытное продольное защитное устройство. Показано, что амплитуда высокочастотных напряжений может быть снижена на 40%, а затухание увеличено более чем в 10 раз. В результате было спроектировано устройство защиты изоляции оборудования подстанций 330 кВ от высокочастотных напряжений при коммутациях ненагруженных шин разъединителями под рабочим напряжением, создан его макет и проведены опытно-промышленные испытания на одной из подстанций Кольской энергосистемы (рис. 4).
Впервые выполнены комплексные теоретические и экспериментальные исследования развития атмосферных
перенапряжений на шинах и заземляющем устройстве действующей подстанции 330 кВ при набегании электромагнитного импульса с линии электропередачи.
Доказана необходимость учета импульсных характеристик сопротивления заземления защитных аппаратов при анализе надежности грозозащиты подстанционного оборудования в условиях высокого
удельного сопротивления грунта. Разработаны и запатентованы метод и устройство систематической диагностики нелинейных ограничителей
перенапряжений (ОПН) под рабочим напряжением в процессе текущей
эксплуатации. Устройство диагностики
позволяет оценивать гармонический состав напряжения сети в месте установки ОПН и выбирать критериальную частоту гармоники тока через нелинейный варистор, по которой определяется активная составляющая тока через него и даётся диагностическая оценка состояния ОПН. Выполненные измерения позволяют оценить состояние ОПН и выявить элементы, в которых начались процессы ускоренной деградации, которые могут привести к аварии на подстанции. Разработанные метод и устройство внедряются в энергосистемах по всей России в качестве индикаторного устройства диагностики ОПН.
Выполнены комплексные исследования влияния железнодорожных тяговых сетей на переменном токе на линии электропередач энергосистемы, позволившие определить распределение обратных токов между рельсовыми путями и землей, зависящее от электрических параметров грунта. Выполненные измерения позволили разработать математическую модель электромагнитной связи контуров токов железной дороги и высоковольтных линий, определить уровень наведенных напряжений на линиях и разработать рекомендации по защите персонала энергосистемы, производящего ремонты на линиях.
Широкий спектр проблем, относящихся к области надежности и эффективности оборудования энергосистем, охватывает деятельность лаборатории надёжности и эффективности оборудования энергосистем.
Разработана методика безопасного контроля перенапряжений и токов в действующей высоковольтной сети в широком диапазоне их длительности от крайне низкочастотных до микросекундных, которая позволяет повысить эффективность эксплуатации оборудования электрических сетей и расследования нарушений их работы.
Для обеспечения электромагнитной совместимости высоковольтных сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей, а также повышения качества электроэнергии разработана методика локализации источников искажений синусоидальности и симметрии фазных напряжений на оборудовании подстанций.
Разработана технология контроля характеристик грозовых перенапряжений в действующей высоковольтной сети, включающая безопасный метод регистрации токов в заземленных нейтралях
Рис. 4. Монтаж устройства активно-индуктивной защиты от внутренних перенапряжений на подстанции 330 кВ вблизи г. Апатиты
силовых трансформаторов и обратную интерпретацию полученных данных по импульсным передаточным функциям оборудования. Технология позволяет получить достоверную первичную информацию об интенсивности грозовой деятельности и условиях работы оборудования электроэнергетических систем.
Впервые разработана методика натурных опытов в действующей сети высокого напряжения с помощью генерирования токов и полей, безопасных для элементов и работы электрических сетей, частотного разделения генерируемых и промышленных токов и бесконтактного контроля токов в элементах сети. В действующей высоковольтной сети Кольской энергосистемы выполнены экспериментальные исследования электромагнитного влияния аварийных токов на элементы подземных магистральных линий. Получены новые экспериментальные данные о компонентах токов и напряжений в элементах подземных кабелей, в том числе в заземленных оболочках, показывающие высокую опасность аварийных токов высоковольтной сети.
Выявлены механизмы развития повреждений кабельных коммуникаций при возникновении аварийных режимов в высоковольтной сети и разработан новый подход к снижению их опасности, который предполагает комплексное ограничение токов и перенапряжений, сопровождающих срабатывания защитных устройств и перекрытия изоляции. Показана необходимость разработки защитных аппаратов нового типа на основе токоограничивающих элементов с нелинейными вольтамперными характеристиками.
На основе комплекса экспериментальных и теоретических исследований электромагнитных полей, создаваемых в грунте аварийными токами в Рис. 5. Устройство, одновременно высоковольтных сетях, существенно повышена их
ограничивающее опасные напряжения и токи электромагнитная совместимость с подземными в системах телеуправления кабельными линиями связи и телеуправления. Для
при коротких замыканиях защиты этих линий предложено новое устройство,
во влияющих высоковольтных сетях комплексно ограничивающее наведенные в рабочих
цепях напряжения и токи (рис. 5).
Выполнен анализ условий функционирования, надежности работы и путей модернизации высоковольтной системы электроснабжения крупнейшего промышленного предприятия цветной металлургии Кольского региона - комбината «Североникель».
На основе анализа результатов длительной регистрации амплитуд и гармонического состава токов гидрогенераторов выявлены принципиальные недостатки прямой схемы электроснабжения от ГЭС Мурманской области мощных потребителей с электролизными установками.
Кольский научный центр - комплексное научное учреждение, объединяющее институты и подразделения различных научных профилей, что позволяет эффективно использовать научные кадры при проведении междисциплинарных исследований.
Совместно с сотрудниками Полярного геофизического института создана система мониторинга геоиндуктированных токов в нейтралях трансформаторов системообразующих подстанций высших классов напряжения Кольской энергосистемы, предназначенная для изучения влияния геомагнитных бурь на энергосистемы Севера России. Данные длительного мониторинга служат основой для оценки устойчивости оборудования энергосистемы к геомагнитным воздействиям, разработки системы предупреждения развития аварий, вызываемых геомагнитными бурями, и разработки средств защиты от них.
В течение многих лет ведутся совместные с Геологическим институтом работы по использованию линий электропередачи Кольской энергосистемы в качестве передающих антенн крайне низкочастотного диапазона (КНЧ). Работа имеет важное прикладное значение в области глубинного зондирования земной коры и сейсмопрогнозов. С использованием многоцелевого генераторного комплекса «Энергия-1» мощностью до 100 кВт, разработанного в ЦФТПЭС КНЦ РАН, выполнен уникальный международный эксперимент «FEMCS» по глубинному тензорному
электромагнитному зондированию с двумя взаимно-ортогональными промышленными линиями электропередачи на удалениях до 750 км от источника, позволяющий в перспективе создать квазитрехмерную модель электропроводности литосферы Балтийского щита.
Затем был создан мобильный КНЧ-СНЧ генератор нового поколения «Энергия-2» мощностью до 200 кВт, предназначенный для сверхглубинного зондирования земной коры с использованием низкочастотных электромагнитных полей и промышленных ЛЭП. По своим основным параметрам генератор превосходит все отечественные и зарубежные аналоги. С использованием генератора «Энергия-2» достигнут уникальный для мировой практики результат по дальности регистрации крайне низкочастотного сигнала. В ходе проведения эксперимента «FENICS-2009» сигналы генератора зафиксированы на удалении 2150 км от излучателя в диапазоне частот 0.642-38.22 Гц.
Под руководством к.т.н. А.Ф. Усова завершен цикл многолетних исследований и издана книга «Электроимпульсная дезинтеграция материалов» - первая монографическая работа, обобщающая опыт разработки новых технологий на основе электроимпульсного способа измельчения материалов, обеспечивающего значительное повышение эффективности подготовительных процессов при обогащении руд и гидрометаллургической переработке минерального сырья, снижение энергетических затрат, способствующего полноте и комплексности использования минерального сырья. На 2-м международном Московском Салоне инноваций и инвестиций за разработку “Новые процессы и технологии на основе электроимпульсного разрушения материалов” Центр награжден Золотой медалью. Президиум Российской академии наук постановлением от 10 февраля 2004 г. присудил премию им. П.Н. Яблочкова за 2003 год авторскому коллективу в составе В.И. Курца (НИИ ВН ТПУ, г. Томск), Б.В. Сёмкина (АГТУ, г. Барнаул) и А.Ф. Усова (КНЦ РАН) за цикл монографических работ по электроимпульсному разрушению материалов. Исследования показали, что искровой канал в твердом теле в микросекундном диапазоне является высокоэффективным преобразователем электрической энергии в работу разрушения.
В Центре действует базовая кафедра «Высоковольтные электроэнергетика и электротехника», осуществляющая учебную, методическую и научно-исследовательскую работу в сотрудничестве с Кольским филиалом Петрозаводского государственного университета (КФ ПетрГУ) и Апатитским филиалом Мурманского государственного технического университета. В учебном процессе заняты практически все научные сотрудники Центра (в том числе 1 профессор по кафедре электроэнергетики и электротехники), которые читают более 30 курсов лекций студентам дневной и заочной форм обучения в КФ ПетрГУ и АФ МГТУ. Под руководством сотрудников Центра готовятся дипломные проекты выпускников. За десять последних лет подготовлено более 1 тыс. инженеров-электриков, что во многом способствовало решению проблемы дефицита молодых специалистов-высоковольтников на всем Кольском п-ове. Все аспиранты и 10 научных сотрудников Центра - выпускники КФ ПетрГУ.
Сведения об авторах
Ефимов Борис Васильевич - д.т.н., профессор, директор ЦФТПЭС; e-mail: efimov@ien.kolasc.net.ru
Баранник Борис Григорьевич - к.т.н., старший научный сотрудник; e-mail: barannik@ien.kolasc.net.ru
Данилин Аркадий Николаевич - к.т.н., старший научный сотрудник, зав. лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии; e-mail: danilin@ien.kolasc.net.ru
Минин Валерий Андреевич - к.т.н., старший научный сотрудник, зам. директора по научной работе, зав. лабораторией энергосбережения и возобновляемых источников энергии; e-mail: minin@ien.kolasc.net.ru
Невретдинов ЮрийМасумович - к.т.н., старший научный сотрудник, зав. лабораторией надежности и эффективности оборудования энергосистем; e-mail: postmast@ien.kolasc.net.ru Селиванов Василий Николаевич - к.т.н., ученый секретарь, ведущий научный сотрудник, к.т.н.; e-mail: selivanov@ien.kolasc.net.ru
