CC BY
164
УДК 621.315.1:51-37:550.385.4
РАСЧЕТ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЯХ
© 2012 В.В. Вахнина, Д.А. Кретов, В.А. Кузнецов
Тольяттинский государственный университет
Поступила в редакцию 10.09.2012
Разработан метод расчета геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях в высоковольтных линиях электропередач систем электроснабжения. Выполнена оценка величины геоиндуцированных токов в линиях электропередач класса напряжений 110 330 кВ при разных уровнях напряженности геоэлектрического поля. Показано, что величина геоиндуцированных токов в системах электроснабжения может быть соизмерима с рабочими токами линий электропередач.
Ключевые слова: геоиндуцированные токи; геомагнитные бури; высоковольтная линия электропередач.
Геомагнитные бури (ГМБ) возбуждают вариации геомагнитного поля Земли, что индуцирует поверхностные потенциалы Земли - геоэлектрические поля с амплитудой E =6-10 В/км, а отдельных случаях до 15 В/км, частотой f = 0,1 -0,001 Гц, которые в протяженных заземленных системах создают геоиндуцированные токи (ГИТ). Поскольку ГИТ не трансформируются силовыми трансформаторами (СТ) их называют квазипостоянными токами.
При выполнении системы электроснабжения (СЭС) с эффективно или глухозаземленными нейтралями силовых трансформаторов и, если при этом, точек заземления не менее двух, то в этих случаях в длинных линиях электропередач (ЛЭП) протекают ГИТ до нескольких десятков и даже сотен ампер на фазу, влияя на работу систем электроснабжения [1].
Примером воздействия ГИТ на систему электроснабжения является системная авария во время геомагнитной бури 13 марта 1989 года. Во время этой ГМБ в электроэнергетической системе восточного побережья США вышли из строя автотрансформатор 500/138 кВ мощностью 350 МВА и группы однофазных повышающих трансформаторов 18/500 кВ. В автотрансформаторе наблюдались: перегрев, вызвавший изменение окраски бака в нескольких местах, увеличение содержания гармоник в токе обмотки низкого напряжения с 2 до 9% и усиление шума, создаваемого автотрансформатором, на 10-15 дБ [2].
Вахнина Вера Васильевна, кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой «Электроснабжение и электротехника». E-mail: [email protected] Кретов Дмитрий Алексеевич, аспирант кафедры «Электроснабжение и электротехника». E-mail: [email protected]
Кузнецов Виталий Александрович, аспирант кафедры «Электроснабжение и электротехника». E-mail: [email protected]
Следует отметить, что современные СЭС более восприимчивы к геомагнитным бурям, чем их локальные предшественники из-за больших географических площадей, которые они занимают, а также из-за их взаимосвязанности и насыщенности электронным оборудованием. В связи с этим актуальным является разработка методов расчета ГИТ для оценки уязвимости современных систем электроснабжения при геомагнитных бурях.
Оценим амплитуды ГИТ в высоковольтных линиях электропередач систем электроснабжения при геомагнитных бурях. На рис. 1 представлен прямолинейный участок линии электропередач ЛЭП длиной I между двумя трансформаторными подстанциями. Трансформаторы Т1 и Т2 подстанций имеют заземления в точках А и В. Возникающая между этими точками ЭДС Е=Ех*1, обусловленная напряженностью геоэлектрического поля, генерирует геоиндуцированные токи.
Геоэлектрическое поле рассчитывается исходя из наблюдаемых вариаций изменений геомагнитного поля и геофизических данных о глубинной электропроводности данного региона (модели проводимости). Для расчета используется стандартная методика перехода от временных рядов к Фурье - образам (частотно-фазовым характеристикам) [3]:
Т1 ЛЭП Т2
е
Рис. 1. Протекание ГИТ по обмоткам высокого напряжения трансформаторов и высоковольтной линии электропередач СЭС
Физика и электроника
E ХИ =
z(w) ■ By (о>)
М0 '
(1)
R _ R ■ 1.
лла oa ' 1 м
R _ R ■ 1.
ллв лob ' 1'
R _ R ■ 1
ллс ^оа '1'
(2)
где R0A R0BR0C- активные погонные сопротивления фаз ЛЭП.
Активное сопротивление грунта:
r3 _ r3o ■ а (3)
где R30 - активное погонное (удельное) сопротивление грунта.
Полную схему замещения (рис. 2,а) необходимо использовать для расчета постоянных составляющих токов фазных обмоток трансформаторов Т1, Т2 и фаз ЛЭП в условиях заметной несимметрии (более 10-15%) активных сопротивлений обмоток ВН и фазных проводов линии электропередачи. Однако специальные конструктивные мероприятия, такие как транспозиция проводов, обеспечивают фазную симметрию активных сопротивлений. В этих условиях полная схема заме-
где Ву (с) - напряженность геомагнитного поля;
- импеданс цепи протекания ГИТ; /- магнитная постоянная; с - угловая частота.
Электромагнитные и геометрические параметры проводников высоковольтных линий электропередач могут сильно различаться, что оказывает влияние на частотные характеристики результирующих электрических полей и ГИТ. Поэтому расчет ГИТ по геоэлектрическому полю зависит от конкретной конфигурации СЭС.
Для периодов более 1 - 10 с (т.е. частоты ниже 1 - 0,1 Гц) амплитуда и фаза электрического поля в проводниках совпадает с характеристиками невозмущенного электрического поля, что позволяет применять законы линейных электрических цепей с активным сопротивлением, где источником является рассчитанное геоэлектрическое поле в данный момент времени, и использовать модели с дискретным заземлением [3].
Эквивалентная схема замещения представлена на рис. 2,а. Здесь ЯТ1А, ЯТ1В ЯТ1С - сопротивления постоянному току (активные сопротивления) обмоток высокого напряжения трехфазного повышающего трансформатора Т1; ЯЛА, ЯЛВ, Ялс - сопротивления постоянному току (активные сопротивления) фаз воздушной ЛЭП; ЯТ2А, ЯПВ Япс - сопротивления постоянному току (активные сопротивления) обмоток высокого напряжения трехфазного понижающего трансформатора Т2; ЯЗУ - сопротивления заземляющих устройств; ЯЗ - активное сопротивление грунта.
Активные сопротивления фаз воздушной ЛЭП определяются как
L
k
б)
I
1 4
1фс
1 -1
Е
J
Рис. 2. Схема замещения участка СЭС при протекании ГИТ
щения существенно упрощается к виду, изображенному на рис. 2,б, где
п _ п | п | п .
а Лт1а ла т 2 а '
пв ~ пт1в 1 плв 1 пт 2в . (4)
п _ п I п I п
с т1С лс т 2 с ■
Суммарное сопротивление для контура протекания геоиндуцированных токов:
Я _ ~А-J-- + 2Кзу + r3 ■
(5)
Используя эквивалентную схему, значение ГИТ в нейтрали силового трансформатора можно определить как
Е ■ I
х
ТТ' (6)
1гит
Если ЛЭП состоит из нескольких участков, то
{ E х (l )dl
I,
Я
(7)
где Ех (I) - напряженность геоэлектрического поля, наведенная в грунте на участке йI.
Учитывая, что ЛЭП состоит из прямолинейных участков, формулу (7) можно записать в виде:
ZE. cosa.l
I II
I _ -
Я
(8)
Таблица 1. Характеристики высоковольтных ЛЭП и геоиндуцированные токи при напряженностях геоэлектрического поля Е=3 В/км; Е=6 В/км; Е=10 В/км; Е=15 В/км
(передаваемая мощность 125000 кВА)
Классы Марка Длина Рабочий ГИТ в фазе 1ф (А) при
ЛЭП, кВ провода ЛЭП, км ток в фазе Е=3 В/км Е=6 В /км Е=10 В /км Е = 15 В /км
(А)
110 АС-185 25-80 627,6 15,5- 30,9- 51,7- 77,5-
17,4 34,7 57,9 86,8
220 АС -400 100-400 313,8 30,6- 61,3- 102,2-123,9 153,2-185,8
37,2 74,3
330 АС -240 130-700 209,2 33,7- 67,5- 112,4-154,9 168,6-232,3
46,5 92,9
где Ег - значение напряженности геоэлектрического поля на г-ом прямолинейном участке ЛЭП; аг -угол ориентации г-ого участка ЛЭП относительно направления силовой линии геоэлектрического поля; I - длина г ого прямолинейного участка ЛЭП; п - количество прямолинейных участков ЛЭП.
Таким образом, величина геоиндуцированных токов, наведенных в высоковольтных линиях электропередач при геомагнитных бурях, определяется следующими основными параметрами:
1. скоростью изменения геомагнитного поля при геомагнитной буре и размерами области распространения геомагнитного поля;
2. сопротивлением грунта, сопротивлением заземления;
3. длиной и связанностью линий электропередач;
4. географическим расположением точек, в которых СЭС контактирует с земной поверхностью.
В табл. 1 приведены расчетные значения гео-индуцированных токов в фазах ЛЭП для различных классов напряжений при геомагнитной буре с напряженностью геоэлектрического поля: Е=1 В/км; 3 В/км; 15 В/км. В расчетах принято ЯЗУ = 0,5 Ом, ЯЗ0 = 0,048 Ом/км [4].
Как видно из таб.1, с увеличением класса напряжения линии электропередачи, напряженности геоэлектрического поля геомагнитных бурь значения геоиндуцированных токов в высоковольтных линиях электропередач растут. Данное обстоятельство связано с увеличением длин и уменьшением погонного сопротивления высоковольт-
ных ЛЭП. Расчетные значения ГИТ при сильных геомагнитных бурях в линиях электропередач могут быть сопоставимы с их рабочими токами в фазе и, очевидно, привести к насыщению магнитной системы силовых трансформаторов, срабатыванию систем релейной защиты и автоматики и отключению линий электропередач.
Разработанный метод позволяет рассчитывать величины геоиндуцированных токов в высоковольтных линиях электропередач в зависимости от конфигурации и параметров схемы замещения системы электроснабжения, а также углов ориентации участков ЛЭП относительно направления силовых линий геоэлектрического поля. Оценка величин ГИТ в линиях электропередач разного класса напряжений позволит исследовать устойчивость систем электроснабжения при геомагнитных бурях различной интенсивности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Beamish D., Clark T.D.G., Clarke Е., Thomson A.W. Geomagnetically induced currents in the UK: geomagnetic variations and surface electric field // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2002. № 64. рр. 1779-1792.
2. Kappenman J.G. Geomagnetic storms and Their Impact on Power Systems// IEEE Power Engineering Review. May 1996. Pp. 5-8.
3. Pirjola R. Review on the calculation of surface electric and magnetic fields and of geomagnetically induced currents in ground-based technological systems// Surveys in geophysics. 2002. № 23. Pp. 71 - 90.
4. Карякин Р.Н. Заземляющие устройства электроустановок. М.: Энергосервис, 2006. 520 с.
CALCULATION OF GEO INDUCED CURRENTS IN HIGH-VOLTAGE POWER LINES OF ELECTRICITY SUPPLY SYSTEMS AT GEOMAGNETIC STORMS
© 2012 V.V. Vahnina, D.A. Kretov, V.A. Kuznetsov
Togliatti State University
A method for calculating geo induced currents at geomagnetic storms in the high-voltage power lines of electricity supply systems was developed. The estimation of the value geo induced currents in power lines voltage class 110 - 330 kW at different levels of intensity of geoelectrical field. Showing, that the magnitude of geo induced currents in power systems can be comparable with operating currents of high-voltage power lines. Keywords: geo induced currents, geomagnetic storms, high-voltage power lines.
Vera Vakhnina, Candidate of Technics, Associate Professor, Head at the Power and Electrical Engineering Department. E-mail: V. [email protected]
Dmitriy Kretov, Graduate Student at the Power and Electrical Engineering Department. E-mail: [email protected] Vitaly Kuznetsov, Graduate Student at the Power and Electrical Engineering Department. E-mail: [email protected]
