CC BY
1715 ИННОВАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА ДЛЯ АРКТИКИ
УДК 621. 315.051.025: 621.316.1.016.025 DOI:10.24411/2658-4255-2020-10081
ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ПРИПОЛЯРНЫХ РАЙОНАХ НА РЕЖИМ ПЕРЕДАЧИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПО ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ
А.А. Кувшинов1, В.В. Вахнина1, А.Ю. Хренников2, А.Н. Черненко1
1 ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», Тольятти, Россия
2 АО «Научно-технический Центр Федеральной сетевой компании ЕЭС»
И Ak2390@inbox.ru, AlekseiKuvshinov@yandex.ru, vvvahnina@yandex.ru
Получены аналитические выражения для определения реактивной мощности в начале и в конце межсистемной воздушной линии с учетом параметров ветвей намагничивания силовых трансформаторов, позволяющие учитывать интенсивность воздействия геомагнитных возмущений на режимы электропередачи. Показано, что увеличение интенсивности геоиндуцированных токов способно полностью нарушить транзит реактивной мощности из-за многократного увеличения мощности намагничивания силовых трансформаторов в результате одностороннего насыщения магнитных систем. Приведен численный пример, иллюстрирующий возможность прекращения транзита реактивной мощности при достаточно интенсивных геомагнитных возмущениях.
Ключевые слова: воздушная линия, силовой трансформатор, геоиндуцированные токи, реактивная мощность.
INFLUENCE OF GEOMAGNETIC DISTURBANCES IN THE POLAR REGIONS ON THE REACTIVE POWER TRANSMISSION MODE ON THE AIRLINE
Aleksey A. Kuvshinov1, Vera V. Vakhnina1, Alexander Yu. Khrennikov2, Aleksey N. Chernenko1
1 Togliatti State University, Togliatti, Russia
2 Research and Development Center at Federal Grid Company of United Energy System, Moscow, Russia
Analytical expressions are obtained for determining reactive power at the beginning and at the end of an intersystem overhead line, taking into account the parameters of the magnetization branches of power transformers, which allow one to take into account the intensity of the influence of geomagnetic disturbances on power transmission modes. It is shown that an increase in the intensity of geo-induced currents can completely disrupt the transit of reactive power due to the multiple increase in the magnetization power of power transformers as a result of one-sided saturation of magnetic systems. A numerical example is given illustrating the possibility of terminating the transit of reactive power with sufficiently intense geomagnetic disturbances.
Keywords: overhead line, power transformer, geo-induced currents, reactive power.
Статья получена: 11.11.2019 Принята к публикации:04.12.2019 Опубликована онлайн: 26.03.2020
Введение. Многолетние наблюдения отмечают около 2500 геомагнитных возмущений, идентифицируемых как «магнитная буря» и «сильная магнитная буря» в течение 11-летнего цикла солнечной активности [1-4]. Геомагнитные возмущения вызывают протекание геоиндуцированных токов (ГИТ) в заземленных обмотках высокого напряжения (ВН)силовых трансформаторов электрических сетей с номинальным напряжением 110 кВ и выше. Под воздействием ГИТ режим перемагничи-вания электротехнической стали силовых трансформаторов с бронестержневой и броневой конструкцией магнитной системы смещается в область технического насыщения [5,6]. Возникает одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора. В результате ток намагничивания приобретает практически однополярную форму и многократно превышает номинальный ток холостого хода [7]. Мощность намагничивания силового трансформатора также многократно возрастает, оказывая существенное влияние на баланс реактивных мощностей в воздушных линиях электропередачи [8,9]. В частности, ГИТ, вызванные в электроэнергетической системе Hydro-Quebec
ээс! U
Канады геомагнитной бурей 22 октября 1999 г., послужили причиной увеличения потерь реактивной мощности с последующим развитием лавины напряжений [10,11].
Таким образом,задача исследования механизмов влияния ГИТ, вызванных геомагнитными возмущениями, на режимы передачи реактивной мощности по воздушной линии является актуальной, причем особую актуальность данная задача приобретает для высокоширотных линий электропередачи.
Расчетная схема межсистемной электропередачи. Расчетная схема (а) и схема замещения (б) межсистемной воздушной линии (ВЛ), связывающей две электроэнергетические системы ЭЭС1 и ЭЭС2, показаны на рис.1. Нейтрали обмоток высокого напряжения(ВН) силовых трансформаторов Т1 и Т2 заземлены. Геомагнитные возмущения инициируют возникновение на поверхности земли квазипостоянного геоэлектрического поля и соответственно разности потенциалов между заземляющими устройствами нейтралей обмоток ВН силовых трансформаторов Т1 и Т2, которая учитывается в расчетной схеме источником квазипостоянной ЭДС (еГИТ на рис.1,а).
ЭЭС! и T т2 u 2 ээс^
0-^О
^ГИГ
ГИТ
е-
ЭЭСj
О
-ПТГЧ.
х
X т
м!
б)
X 7"
1Л ЛТ 2
_nnn__nnr\.
X
м2
и2 ЭЭСС
в
Рисунок 1 - Расчетная схема (а) и схема замещения (б) межсистемной ВЛ.
Под воздействием квазипостоянной ЭДС по обмоткам ВН силовых трансформаторов Т7 и Т2 и фазным проводам ВЛ протекают ГИТ по контуру, показанному на рис.1,а.
На рис. 1,б представлена схема замещения, в которой силовые трансформаторы Т7 ,Т2 представлены упрощенной Г-образ-ной схемой замещения, для количественных оценок вариаций режима передачи реактивной мощности под воздействием ГИТ. На схеме замещения использованы следующие обозначения:
- индуктивное сопротивление фазных проводов ВЛ;
* - индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания силовых трансформаторов Т7 ,Т2 соответственно;
А а 1 *хи1 индуктивное сопротивление намагничивания силовых трансформаторов Т7, Т2 соответственно;
йх, и2 - напряжения на шинах ЭЭС1 и ЭЭС2 соответственно.
Потери активной мощности в фазных проводах ВЛ и силовых трансформаторах Т7, Т2 не учитываются. ГИТ, протекая по заземленным обмоткам ВН, вызывают одностороннее насыщение магнитных систем силовых трансформаторов Т7 и Т2. Данное обстоятельство обуславливает уязвимость рассматриваемой ВЛ к воздействию ГИТ, результатом которого является многократное уменьшение индуктивных сопротивлений х хм2 ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т7 и Т2 из-за существенной нелинейности основной кривой намагничивания электротехнической стали магнитной си-
стемы [12]. Именно изменение индуктивных сопротивлений ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т7 и Т2 является фактором, определяющим существенное влияние ГИТ на режимные параметры электропередачи.
Потоки реактивной мощности по межсистемной воздушной линии.
Комплексы токов электрических сетей ■ ■
ЭЭЦ (ЭЭС, (Г2) определяются системой уравнений
Ii=Ui-Yn-Ua-Yn 1г =Ui Y21-U1-Y31
0)
где Уп - комплекс собственной проводимости ветви ЭЭС1 при отсутствии источника напряжения; ■ ■
и^! Y 22 - комплекс собственной проводимости ветви ЭЭС2 при отсутствии
источника напряжения; ■ ■
их" Yl-^ - комплекс взаимной проводимости ветвей ЭЭС1 и ЭЭС2.
Комплексы собственных и взаимной проводимостей будут определяться выражениями
а модули собственных и взаимной проводимостей - выражениями
где
Анализ выражений (2) позволяет заключить, что собственные у11 , у22 и взаимная у12, проводимости межсистемной электропередачи также зависят от величины ГИТ. Поэтому в условиях геомагнитных возмущений поддержания неизменными напряжений Ц = const , U2 = const на шинах ЭЭС1, ЭЭС2 недостаточно, как показывает выражение (1), для
сохранения неизменными комплексовто-■ »
ков Iif Г; и следовательно режима передачи активной и реактивной мощности по межсистемной электропередаче. На рис.2 представлены кривые, показывающие характер изменения эквивалентного индуктивного сопротивления ветвей
намагничивания силовых трансформаторов Т] и Т2 в зависимости от глубины насыщения магнитных систем под воздействием ГИТ, которая определяется величиной фазового угла насыщения.
В качестве количественного критерия глубины насыщения магнитной системы силового трансформатора использована величина фазового угла насыщения [(р ), определяющего продолжительность од-нополярных бросков тока намагничивания на периоде напряжения при воздействии ГИТ [8]. С помощью выражений (1) можно определить величину реактивной мощности, выдаваемой ЭЭС1
и величину реактивной мощности, поступающую в ЭЭС2
где - угол между векторами напряжений ЭЭС1 и ЭЭС2.
Сравнивая (3) и (4), видно, что ЭЭС1 выдает, а ЭЭС2 потребляет реактивную мощность, т.е. знаки 01 и 02 противоположны.
-iao
1 ло
1 20
100
30
-ft (же)
20
* Y // (эк^
* - JC
<Р.
гр
ZO
40
60
80
■100
1?()
140
160
1 ВО
Рисунок 2 - Зависимость эквивалентного индуктивного сопротивления (ветви намагничивания одного силового трансформатора и двух однотипных силовых трансформаторов )
от фазового угла насыщения магнитной системы.
Тогда потери реактивной мощности в индуктивных сопротивлениях электропередачи будут определяться алгебраической
суммой
(5)
т.е. при
U21-yu>U2
У 22 потери по-
крываются за счет реактивном мощности
33CV а при и^ ■ уп < и2 ■ у22 потери покрываются за счет потребления реактивной мощности из ЭЭС2.
Анализ полученных выражений позволяет отметить, что неизменные значения режимных параметров Uj = const, U2 — const, S = const) не обеспечат в условиях геомагнитных возмущений сохранение режима передачи реактивной мощности.
На рис. 3 представлены энергетические диаграммы баланса реактивных мощностей электропередачи при отсутствии и при различных уровнях геомагнитных возмущений и соответственно ГИТ. Энер-
гетические диаграммы построены для случая работы ВЛ в натуральном режиме, когда мощность магнитного поля линии равна мощности электрического поля = (?эл), т-е- линия не потребляют и не генерируют реактивную мощность. При отсутствии геомагнитных возмущений /ГИТ = 0, реактивной мощности 01 ЭЭС1, определяемой выражением (3), достаточно для создания мощности намагничивания силовых трансформаторов ТтТ2,
О ¿а ('гит) б,;2 (* гит) с о от в етст в е н н о и выдачи реактивной мощности 02 в приемную ЭЭС2.
По мере увеличения ГИТ возрастает мощность намагничивания силовых трансформаторов Т7, Т2 настолько, что наступает равенство
т.е. вся реактивная мощность ЭЭС1 расходуется только на покрытие мощности намагничивания. В приемную ЭЭС, реактивная мощность не отдается, т.е. = О (рис.3,б).
ээс1
t/l _1_
и _±
ВЛ
1
Л1
Т,
О
О - О
О
ЭЭС1
Qk
11
<?,л0гит >
Ом
ю
—V— 11
ЭЭС,
а
.71
1 1
ВЛ
JT2
и;
Q-Q*
Оы=<2эл
(^гит.-1
ЭЭС',
а
Рисунок 3 -Энергетические диаграммы потоков реактивной мощности в электропередаче при:
а)'гиТ=_0;
б)[гИТ~1 ГИТ7 '
В) '1ГИТ~1 ГИТ2 ГИТ1
РОССИЙСКАЯ АРКТИКА 1(8)/2020
При дальнейшем увеличении ГИТ возможно увеличение мощности намагничивания силового трансформатора Т1 до
уровня (рис.3,в)
Q,лíbпт) = Q\■
В этом случае для поддержания уровня напряжения и2 в конце линии мощность намагничивания силового трансформатора Т2 должна покрываться потреблением реактивной мощности из приемной ЭЭС, т.е.
которая должна обладать соответствующим резервом реактивной мощности.
На рис.4 представлены графики изменения суммарной мощности намагничивания силовых трансформаторов Т7 Т2 (кривая 1), реактивной мощности, выдаваемой ЭЭС1 (кривая 2) и потребляемой, а затем и выдаваемой ЭЭС2 (кривая 3) в зависимости от интенсивности геомагнитных возмущений, возрастание которой вызывает увеличение фазового угла насыщения (Р) магнитных систем силовых трансформаторов Тг Т2. Зависимости построены с помощью выражений (3), (4) и (5) для слабо загруженной (Р*2 = 0,1347) и сравнительно «короткой» линии электропередачи, которая имеет следующие параметры
х*п = Х*Т2 = 0,08;х*л = х*[2 = 174.64 \ х*л = 0;0506 (50а/).
Рисунок 4 - Энергетические характеристики электропередачи при воздействии ГИТ (1 - суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов; 2 - реактивная мощность, выдаваемая ЭЭС1; 3 - реактивная мощность, выдаваемая в (потребляемая из) ЭЭС2).
Представленные численные значения приведены к номинальным параметрам силовых трансформаторов. Индуктивные
момента возрастающая мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1,
сопротивления ветвей намагничивания
Х^-.А'^ , силовых трансформаторов Т1, Т2 указаны для режима нормального пе-ремагничивания магнитных систем при отсутствии геомагнитных возмущений (/'ГИТ = 0 ). Как видно, по мере увеличения гИт и соответственно фазового угла насыщения магнитной системы силовых трансформаторов Т, Т2 многократно возрастает суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов Тг Т7[кривая 1) отзначения =0.008 при <р = 0гр-до значения £?%=1,ОпРи <р = 84гр., т.е. фактически До значения номинальной мощности силового трансформатора [13, 14].
Дальнейшее увеличение интенсивности ГИТ и фазового угла насыщения отзначения = 84гр. до значения (р = 120ср. сопровождается еще более резким увеличением суммарной мощности намагничивания, вплоть до значения
= 3.2 , т.е. почти трехкратного значения номинальной мощности силового трансформатора. При <р>120ср. суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов возрастает только на 6%.
Увеличение суммарной мощности намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 при возрастании интенсивности геомагнитных возмущений вызывает увеличение потребляемой из ЭЭС1 реактивной мощности (кривая 2) и уменьшение реактивной мощности, поступающей в ЭЭС2 (кривая 3). Наконец, при <р = выдача реактивной мощно-
сти в ЭЭС2 прекращается и практически вся реактивная мощность, выдаваемая ЭЭС1, расходуется на покрытие мощности намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 и только - 19% на покрытие потерь реактивной мощности в продольных индуктивных сопротивлениях межсистемной электропередачи. Данная ситуация соответствует энергетической диаграмме, изображенной на рис.3,6. При <р = 50гр. реактивная мощность начинает потребляться и из ЭЭС,. С этого
Т2, а также и потери реактивной мощности в продольных индуктивных сопротивлениях электропередачи начинает покрываться за счет потребления реактивной мощности как из ЭЭС1, так и из ЭЭС2 (см. также энергетическую диаграмму на
рис.3,в). В частности, при (р=\80ср. суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 на - 60% покрывается потреблением реактивной мощности из ЭЭС1 и на - 40% потреблением реактивной мощности из ЭЭС2. Однако это возможно только при наличии соответствующих резервов реактивной мощности. В противном случае геомагнитные возмущения при достаточной интенсивности способны инициировать развитие аварийной ситуации типа «лавина напряжения».
Заключение. В неразветвленной схеме передачи электроэнергии поток реактивной мощности в приемную систему существенно зависит от интенсивности геомагнитных возмущений, поскольку увеличение ГИТ способно вызвать многократное увеличение мощности намагничивания силовых трансформаторов повышающей и понижающей подстанций до значений достигающих и даже превышающих собственную номинальную мощность. По мере увеличения ГИТ уменьшается пропускная способность воздушной линии, а поток реактивной мощности в приемную систему уменьшается вплоть до полного прекращения и последующей инверсии направления передачи.
РОССИЙСКАЯ АРКТИКА 1(8)/2020 Список литературы:
1. Заболотная Н.А. Индексы геомагнитной активности. - Справочное пособие. Изд. 2-е, пере-раб., М.: Издательство ЛКИ, 2007, 88с.
2. Тертышников А.В. Возможные коррективы опасных гелиогеофизических явлений. - Гели-огеофизические исследования, выпуск 5, 2013, с.34-42.
3. Messerotti M. The NOAA Space Weather Scale tables. -COST Action 724, Athens, 11 October, 2005, p.1-4.
4. NOAA Space Weather Scales [Электронный ресурс]. URL: http://www.swpc.noaa.gov/sites/ default/files/images/NOAAscales.pdf (дата обращения: 21.11.2016).
5. Coles R.L., Thompson K., Jansen van Beek G. A Comparison between the Rate of Change in the Geomagnetic Field and the Geomagnetically Induced Currents in a Power Transmission System. - Proceedings: Geomagnetically Induced Currents Conference, TR-100450, Electric Power Research Institute. Palo Alto. California, 1992.
6. Kappenman J.G., Albertson V.D. Bracing for the Geomagnetic Storm. - IEEE Spectrum, 1990, 28, №3.
7. Takasu N., Oshi T., Miyawaki F., Saito S., Fujiwara Y. An Experimental Analysis of Excitation of Transformers by Geomagnetically Induced Currents. - IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, Vol. 9, №2.
8. Вахнина В.В., Кувшинов А.А., Черненко А.Н. Влияние геомагнитной активности на мощность намагничивания силовых трансформаторов электрических сетей. - Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2016, №2.
9. Вахнина В.В. Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения промышленных предприятий : учебное пособие. - Тольятти, Изд-во ТГУ, 2011.
10. Kappenman J.G. Advanced Geomagnetic Storm Forecasting: A Risk Management Tool for Electric Power Operations. - IEEE Transactions on Plasma Science, Special Issue on Space Plasmas, 2000, Vol. 28, №6.
11. Boteller D.H. Effects of geomagnetically inducec current in B. C. Hydro 500 kV - System. - IEEE Trans. On Power Delivery, 1989, 4, №1, р. 818-823.
12. Кувшинов А.А., Вахнина В.В., Селемир В.Д., Карелин В.И. Пропускная способность межсистемных электропередач в условиях геомагнитной активности. - Электричество, 2016, №9.
13. Хренников А.Ю. Высоковольтное электротехническое оборудование в электроэнергетических системах: диагностика, дефекты, повреждаемость, мониторинг. Учебное пособие, Магистратура — М. : ИНФРА-М, 2019- 186с., ил.
14. Khrennikov A.Yu., Kuvshinov A.A., Shkuropat I.A. Providing Reliable Operation of Electric Networks// Nova science publishers, New York, 2019, USA, p. 308, ISBN: 978-1-53615-422-1 https:// n ovapublishers.com/shop/providing-reliable-operation-of-electric-networks/
References:
1. Zabolotnaya N.A. Indices of geomagnetic activity. - Reference manual. Ed. 2nd, revised., M.: Publishing house LKI, 2007, 88 pp.
2. Tertyshnikov A.V. Possible corrections of dangerous heliogeophysical phenomena. -Heliogeophysical research, issue 5, 2013, p. 34-42.
3. Messerotti M. The NOAA Space Weather Scale tables. -COST Action 724, Athens, October 11, 2005, p.1-4.
4. NOAA Space Weather Scales [Electronic resource]. URL: http://www.swpc.noaa.gov/sites/default/files/ images/NOAAscales.pdf (accessed: 11.21.2016).
5. Coles R. L., Thompson K., Jansen van Beek G. A Comparison between the Rate of Change in the Geomagnetic Field and the Geomagnetically Induced Currents in a Power Transmission System. - Proceedings: Geomagnetically Induced Currents Conference, TR-100450, Electric Power Research Institute. Palo Alto. California, 1992.
6. Kappenman J.G., Albertson V.D. Bracing for the Geomagnetic Storm. - IEEE Spectrum, 1990, 28, No. 3.
7. Takasu N., Oshi T., Miyawaki F., Saito S., Fujiwara Y. An Experimental Analysis of Excitation of Transformers by Geomagnetically Induced Currents. - IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, Vol. 9, No. 2.
8. Vakhnina V.V., Kuvshinov A.A., Chernenko A.N. The effect of geomagnetic activity on the magnetization power of power transformers in electric networks. - Electro. Electrical Engineering, Electric Power Industry, Electrical Engineering Industry, 2016, No. 2.
9. Vakhnina V.V. Reactive Power Compensation in Power Supply Systems of Industrial Enterprises: A Training Manual. - Tolyatti, TSU Publishing House, 2011.
10. Kappenman J.G. Advanced Geomagnetic Storm Forecasting: A Risk Management Tool for Electric Power Operations. - IEEE Transactions on Plasma Science, Specia Issue on Space Plasmas, 2000, Vol. 28, No. 6.
11. Boteller D.H. Effects of geomagnetically inducec current in B. C. Hydro 500 kV - System. - IEEE Trans. On Power Delivery, 1989, 4, No. 1, p. 818-823.
12. Kuvshinov A.A., Vakhnina V.V., Selemir V.D., Karelin V.I. The capacity of intersystem power transmission in conditions of geomagnetic activity. - Electricity, 2016, No. 9.
13. Khrennikov A.Yu. High-voltage electrical equipment in electric power systems: diagnostics, defects, damage, monitoring. Textbook, Master's program - M.: INFRA-M, 2019 - 186p., Ill.
14. Khrennikov A.Yu., Kuvshinov A.A., Shkuropat I.A. Providing Reliable Operation of Electric Networks // Nova science publishers, New York, 2019, USA, p. 308, ISBN: 978-1-53615-422-1 https:// novapublishers.com/shop/providing-reliable-operation-of-electric-networks/
