CC BY
102
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ
УДК 621.311
Б.В.Ефимов, В.Н.Селиванов
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ КОЛЬСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
Аннотация
Дан краткий обзор научно-исследовательских работ, выполняемых в Кольском научном центре и направленных на исследование функционирования электрических сетей в условиях природных и техногенных воздействий в Арктической зоне России.
Ключевые слова:
Арктическая зона России, геоиндуктированный ток, молниезащита, сопротивление заземления, наведенное напряжение, электрические сети.
B.V.Efimov, V.N.Selivanov
SURVEY OF EXTERNAL IMPACTS ON ELECTRIC GRID OF KOLA POWER SYSTEM
Abstract
The article deals with the research works carried out in the Kola Science Centre to study electric networks under natural and man-made impacts in the Arctic zone of Russia.
Keywords:
Russian Arctic zone, geomagnetically induced currents, lightning protection, grounding impedance, induced voltage, electrical grid.
В Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года [1] перечисляются ключевые факторы, оказывающие влияние на социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации:
а) экстремальные природно-климатические условия;
б) очаговый характер промышленно-хозяйственного освоения территорий и низкая плотность населения;
в) удаленность от основных промышленных центров, высокая ресурсоемкость и зависимость хозяйственной деятельности и жизнеобеспечения населения от поставок из других регионов России топлива, продовольствия и товаров первой необходимости;
г) низкая устойчивость экологических систем, определяющих биологическое равновесие и климат Земли, и их зависимость даже от незначительных антропогенных воздействий.
Для Арктической зоны характерны экстремальные природные условия: низкие в течение всего года температуры, длительные полярная ночь и полярный день, частые магнитные бури, сильные ветры и метели, плотные туманы, однообразные арктические пустыни и тундры, вечная мерзлота; высокая, значительно опережающая среднемировую динамика изменений климата в последние десятилетия. Природная экстремальность усиливается негативным действием социально-экономических факторов - транспортной недоступностью, высокими производственными издержками и стоимостью жизни, малыми
34
размерами экономики и тенденциями к ее монополизации, изолированностью и дисперсностью расселения [2].
Перечисленные факторы также необходимо учитывать при формировании подхода к решению специфических проблем электроэнергетики в Арктической зоне. Как справедливо отмечено в [3], «практически все проблемы Арктической зоны фокусируются в эффекте «северного удорожания» в его экстремальной арктической форме», и они должны решаться в рамках общей государственной региональной политики России с учетом территориальных особенностей региона.
ЦФТПЭС КНЦ РАН входит в состав регионального научного центра, потому направления научной деятельности ориентированы на выполнение фундаментальных научных исследований и прикладных разработок с учетом специфики региона. Они включают, среди прочего, исследование проблем надежного и эффективного электроснабжения потребителей в условиях Севера. Одним из направлений нашей деятельности является разработка методов повышения надежности систем транспорта энергии в условиях влияния внешних электромагнитных воздействий в Арктической зоне России, включая:
- исследования влияния геомагнитных возмущений в высоких широтах на объекты электроэнергетики;
- разработку новых методов диагностики и компьютерного моделирования заземляющих устройств объектов электроэнергетики на Крайнем Севере;
- исследование грозоупорности подстанций и воздушных линий (ВЛ) Кольской энергосистемы;
- разработку рекомендаций по повышению безопасности работ под наведенным напряжением на отключенных линиях электропередач с высоким сопротивлением заземления в месте проведения ремонтных работ.
В данной статье рассмотрены исключительно физико-технические аспекты «арктической» электроэнергетики. Несомненно, они обусловлены, в первую очередь, специфическими природно-климатическими условиями в Арктической зоне, но похожие проблемы можно обнаружить и в других регионах России. Так, проблемы молниезащиты при низкой проводимости грунта характерны и для горных регионов юга России, а наведенное напряжение является опасным фактором независимо от региона.
В статье дан краткий обзор научно-исследовательских работ, выполняемых в Кольском научном центре и направленных на исследование функционирования электрических сетей в условиях природных и техногенных воздействий в Арктической зоне России. Перечисленные в каждом разделе пункты исследовательского плана в перспективе должны стать содержанием комплексной работы, подводящей итог многолетней деятельности ЦФТПЭС КНЦ РАН.
Исследование влияния геомагнитных бурь. Мировой опыт показывает, что геомагнитные бури (ГМБ) являются причиной тяжелых аварий, функциональных нарушений и ускоренного старения и накопления дефектов электрооборудования магистральных электроэнергосистем [4]. Основным негативным фактором воздействия ГМБ является генерирование геоиндуктированных токов (ГИТ), протекающих в нулевой последовательности протяженных воздушных линий через заземленные нейтрали трансформаторов и вызывающих насыщение стали сердечников.
35
ГИТ возникают в результате появления разности потенциалов в удаленных точках на поверхности Земли. 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. 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. Кроме того, геомагнитное воздействие носит кумулятивный эффект, снижая срок службы трансформатора. 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.
Выполненная ранее в Кольском научном центре РАН работа по организации непрерывной регистрации ГИТ на подстанциях магистральных электрических сетей Северо-Запада [5] не имеет аналогов в РФ, предоставляет обширный оригинальный материал, позволяющий исследовать влияние геомагнитных возмущений на трансформаторные подстанции сети, моделировать пиковые значения наведенных токов в энергосистеме при развитии экстремальных возмущений, оценивать предельные значения наведенных геоэлектрических полей в зонах повышенной электромагнитной опасности, к каковым могут быть отнесены узловые подстанции, атомные электростанции, системы железнодорожной автоматики и т.д.
В ЦФТПЭС КНЦ РАН в течение ряда лет и в настоящее время реализуется следующий план исследований:
- теоретический анализ квазистационарных воздействий, индуктированных ионосферными токами геомагнитных возмущений, на высоковольтное оборудование энергосистем северных регионов;
- разработка системы регистрации геоиндуктированных токов и создание региональной системы мониторинга воздействий геомагнитных возмущений на оборудование энергосистем Северо-Запада России;
- анализ данных многолетнего мониторинга геомагнитных воздействий на магистральные сети 330 кВ Кольской энергосистемы и их сопоставление с данными магнитосферных станций Баренц-региона;
- численное моделирование воздействия ГИТ на автотрансформаторы магистральных линий и тупиковых подстанций для оценки возможного негативного влияния на их функционирование;
- анализ эффективности технических и организационных мероприятий для уменьшения негативного воздействия геомагнитных возмущений на электроэнергетические системы.
Исследование заземляющих устройств объектов электроэнергетики.
В северных районах Ленинградской области, в Карелии и Мурманской области наблюдается повышенная аварийность оборудования подстанций, шинной и линейной изоляции из-за их поражения молнией и высокочастотных перенапряжений при коммутациях на подстанциях [6]. Граница этого явления практически совпадает с границей распространения скальных грунтов с низкой проводимостью.
36
Одним из факторов, определяющих уровень возникающих
на оборудовании перенапряжений, является величина импульсных
сопротивлений заземляющих устройств подстанций и опор линий электропередачи. При высокочастотных воздействиях (грозовых и коммутационных) по заземляющим устройствам растекаются токи, длины волн которых сопоставимы с размерами заземлителя, поэтому параметры заземлений имеют распределенный характер. Необходимо учитывать как активные, так и реактивные характеристики, причем в условиях скальных грунтов с низкой проводимостью роль реактивных параметров заземлителей значительно возрастает. Кроме того, протекание больших импульсных токов молнии с частотами в широком диапазоне от десятков до тысяч килогерц требует учета таких нелинейных эффектов, как ионизация и искрообразование в грунте, коронирование проводов, нелинейность и анизотропия сред и т.д.
По этому разделу в ЦФТПЭС КНЦ РАН в соответствии с государственным заданием выполняются следующие исследования:
- проведение теоретических и экспериментальных исследований импульсных процессов в протяженных подземных проводниках;
- разработка методов компьютерного моделирования заземляющих устройств в условиях скальных грунтов с низкой проводимостью;
- разработка генераторно-измерительного комплекса для экспериментального определения импульсных характеристик заземляющих устройств;
- разработка методик оценки уровней перенапряжений на оборудовании энергосистем с учетом импульсных характеристик заземляющих устройств.
Особенности молниезащиты на Кольском полуострове. Вопросы оптимизации грозозащиты высоковольтных сетей электроэнергосистем в Арктическом регионе России в настоящее время являются весьма актуальными. При этом можно отметить, что в целом технические решения, заложенные при проектировании линий и подстанций в экстремальных условиях Европейского Севера страны, себя оправдали. Как показывает сравнение данных по ряду энергосистем, приведенное в [7], общее число автоматических отключений воздушных линий на Кольском полуострове и в Карелии находится на уровне среднего для центральной и южной частей России.
На этом фоне резко выделяются удельное число (на 100 км линии в год при фактическом числе грозовых часов) и доля грозовых отключений. По удельному числу этих отключений северные энергосистемы примерно в четыре раза превосходят электрические сети, расположенные в районах с гораздо большей грозовой активностью. Доля грозовых отключений системообразующих ЛЭП 330 кВ составляет в среднем за год 50-55%, а в грозовые месяцы ряда лет доходит до 90-95%. В то же время, например в Крыму, эта доля составляет 25%. И это при среднем числе грозовых часов вдоль трасс ЛЭП на Кольском полуострове - 7, против 60-80 часов в южных районах.
Причина низкой грозоупорности северных сетей известна [8]. Это недостаточный учет влияния аномально высокого удельного сопротивления грунта. Подходы ВЛ к подстанциям проектировались по тем же методикам, что и для районов средней полосы. В частности, при расчете форм фронтов волн, набегающих на подстанцию, учитывалось действие только импульсной короны. Не учитывалось влияние параллельных проводов, дискретных
37
заземлений грозозащитных тросов на опорах, импульсный характер сопротивления заземления опор и т.д.
Проблема грозозащиты оборудования открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций, к которым приходят воздушные линии электропередачи, также не теряет своей актуальности, так как появляются новые защитные аппараты и подходы к организации молниезащиты. Ориентированные на массовое применение, эти подходы зачастую не учитывают специфики молниезащиты в условиях аномально высокого удельного сопротивления грунта.
Для решения проблемы молниезащиты в Кольской энергосистеме в ЦФТПЭС КНЦ РАН выполняются теоретические и экспериментальные исследования, включающие в себя следующие этапы:
- анализ грозовой повреждаемости высоковольтного оборудования подстанций и проблемы обеспечения надежности его эксплуатации в условиях Арктической зоны;
- теоретические исследования грозоупорности линий и подстанций в районах с высоким удельным сопротивлением грунта с учетом импульсных сопротивлений заземлителей оборудования подстанций и опор линий электропередачи;
- выполнение численных и натурных экспериментальных исследований волновых процессов в воздушных линиях, на шинах и заземлителях подстанций;
- разработку рекомендаций для повышения надежности грозозащиты воздушных линий и подстанционного оборудования в условиях высокого удельного сопротивления грунта.
Исследование наведенных напряжений. Проблема опасных напряжений, наведенных на отключенной и выведенной в ремонт воздушной линии, не является специфичной для Кольского полуострова, но она обостряется невозможностью обеспечить на рабочем месте такое заземление, чтобы уровень наведенного напряжения снизился до безопасного [9]. В данном случае речь идет о стационарном сопротивлении заземляющего устройства опоры линии электропередачи (или другого искусственного заземлителя). Как показывают расчеты и экспериментальные исследования, сопротивление заземлителя на рабочем месте должно составлять единицы Ом. Только в этом случае, при условии, что ремонтируемая ВЛ заземлена в концевых РУ, можно снизить уровень наведенного напряжения ниже значения 25 В. В условиях нашего региона это практически невыполнимая задача. Многочисленные измерения сопротивлений опор ВЛ дают значения десятки и сотни Ом, и только в случае, если опора соединена грозотросом с заземляющим устройством близ расположенной подстанции, можно ожидать достаточно низкого значения сопротивления (и это при условии, что сама подстанция имеет такое низкое сопротивление, а это так далеко не всегда!).
Специфика грунтов с высоким удельным сопротивлением проявляется также в большей глубине проникновения обратного тока в землю, что обеспечивает большие значения магнитного момента и, как следствие, более высокие значения наведенных напряжений. Это особенно актуально, когда наведенные напряжения на ВЛ создаются проходящей рядом электрифицированной железной дорогой [10].
38
По этому разделу реализуется следующий план исследований:
- анализ рекомендаций и требований нормативных документов, относящихся к обеспечению безопасности работы ремонтного персонала при наличии наведенных напряжений;
- разработка алгоритма и программы расчета наведенных напряжений и токов в воздушной линии, основанных на вычислении поля горизонтального диполя через его векторный потенциал;
- проведение экспериментальных исследований для верификации результатов численного моделирования;
- разработка мероприятий по повышению безопасности ремонтных работ под наведенным напряжением.
Литература
1. Об утверждении государственной программы Российской Федерации
«Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года»: постановление Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. № 366 г. Москва // Российская газета [Электронный ресурс]: сайт // Документы. - URL:
http://www.rg.ru/2014/04/24/arktika-site-dok.html (дата обращения: 24.08.2015).
2. Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года // Правительство России [Электронный ресурс]: сайт // Новости. - URL: http://government.ru/news/432/.
3. Жуков М.А. Арктическая зона России, неуловимая и ускользающая // Арктика сегодня [Электронный ресурс]: информационно-аналитический портал // Районирование Арктики. - URL: http://arcticregion.ru/index.php/ rajonirovanie-arktiki/20-arkticheskaya-zona-rossii-neulovimaya-i-uskolzayushchaya (дата обращения: 24.08.2015).
4. Геомагнитные бури - фактор риска для энергетических систем России / М.В.Костенко, О.А.Трошичев, А.Н.Данилин, Р.М.Остафийчук, Р.М.Остафийчук, М.Б.Баранник, В.Н.Селиванов // Сборник научных докладов III международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. - СПб., 1997. - С. 155-159.
5. Система регистрации геоиндуктированных токов в нейтралях силовых автотрансформаторов / М.Б.Баранник, А.Н.Данилин, Ю.В.Катькалов, В.В.Колобов, Я.А.Сахаров, В.Н.Селиванов // Приборы и техника эксперимента. - 2012. - № 1. - С. 118-123.
6. Ефимов Б.В. Особенности анализа грозоупорности линий электроперадачи при низкой проводимости грунта // Известия Академии наук. Энергетика. - 2001. - № 1. - С. 63-74.
7. Ефимов Б.В. Методы исследования развития атмосферных перенапряжений в высоковольтных линиях энергосистем Севера и разработка комплекса мер по повышению надежности их работы: дис. ... докт. техн. наук. - СПб., 1999. - 352 с.
8. Ефимов Б.В., Халилов Ф.Х, Селиванов В.Н. Грозовая повреждаемость высоковольтного оборудования подстанций и проблемы обеспечения надежности его эксплуатации в условиях грунтов с низкой проводимостью // Труды КНЦ РАН. Энергетика. - Апатиты: КнЦ РАН, 2010. - С. 9-16.
9. Ефимов Б.В., Фастий Г.П., Якубович М.В. Наведенные напряжения на воздушных линиях при неоднородных трассах сближения // Электрические станции. - 2002. - № 8. - С. 32-38.
39
10.Залесова О.В. Исследование уровня наведенного напряжения на отключенной линии электропередачи, находящейся
в зоне влияния тяговой сети железной дороги переменного тока // Вестник МГТУ. - 2014. - Т. 17, № 1. - С. 40-45.
Сведения об авторах
Ефимов Борис Васильевич,
директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: efimov@ien.kolasc.net.ru
Селиванов Василий Николаевич,
заместитель директора по науке
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
УДК 621.311
А.Н.Данилин, В.В.Ивонин
ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ПРОВОДНИКОВ В ГРУНТЕ*
Аннотация
Представлены результаты лабораторных исследований нелинейных процессов при стекании импульсных токов с электродов в увлажненный грунт, эмитирующих заземляющие устройства объектов электроэнергетики. Описаны два метода регистрации процессов искрообразования в грунте вокруг электродов. В результате получены экспериментальные данные по растеканию импульсных токов с заземлителей в лабораторных условиях с учетом искрообразования на моделях заземлителей при критических значениях напряженности электрического поля и длительностях импульсов тока сотни микросекунд.
Ключевые слова:
искрообразования в грунте, ионизация грунта, заземление, оптические исследования.
A.N.Danilin, V.V.Ivonin
OPTICAL INVESTIGATION OF HIGH-VOLTAGE PULSE PROCESSES ON THE SURFACE OF CONDUCTORS IN THE SOIL
Abstract
Experimental results of laboratory investigation of nonlinear processes in moist soil near electrode simulating grounding of electric power systems are presented. Two methods of optical recording of spark formation in the soil are developed. Investigations were carried out at voltage of 20-50 kV and current pulse duration of tens of microseconds. The critical electric field and delay of sparks beginning in soil in depending on the electrode construction, moisture and impulse duration are obtained.
Keywords:
sparking in soil, soil ionization, grounding, optical investigation.
ж
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 14-08-00573).
40
