Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

РАСЧЕТ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЯХ

Вахнина В.В. 1 Кузнецов В.А. 1 Кретов Д.А. 1 Козуб А.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет»
В статье представлена разработанная методика расчета геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях в высоковольтных линиях электропередач систем электроснабжения. Протекание геоиндуцированных токов в линиях электропередач может привести к насыщению магнитной системы силовых трансформаторов, срабатыванию систем релейной защиты и автоматики и отключению линий электропередач. Для расчета величин геоиндуцированного тока был использован прямолинейный участок линии электропередачи между двумя трансформаторными подстанциями. Проведена оценка полученных величин геоиндуцированных токов в линиях электропередач класса напряжений 110 – 330 кВ при разных уровнях напряженности геоэлектрического поля, с помощью которой установлено, что значения геоиндуцированных токов в системах электроснабжения могут быть сопоставимы с рабочими токами линий электропередач. Разработанная методика может быть применена на практике для оценки величин геоиндуцированных токов в линиях электропередач и влияния их на работу систем электроснабжения.
Геоиндуцированные токи; геомагнитные бури; высоковольтная линия электропередач.
1. Карякин Р. Н. Заземляющие устройства электроустановок. – М.: Энергосервис, 2006. – 520 с.
2. 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.
3. Kappenman, J. G. Geomagnetic storms and Their Impact on Power Systems // IEEE Power Engineering Review. – May 1996. – pp. 5-8.
4. Pirjola R. Effect of series capacitors, neutral point reactor, autotransformers and overhead shield wires on geomagnetically induced currents (GIC) in electric power transmission systems // Annales geophyscae. – 1985. – pp.479 – 484.
5. 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.

Геомагнитные бури (ГМБ) возбуждают вариации геомагнитного поля Земли, что индуцирует поверхностные потенциалы Земли – геоэлектрические поля с амплитудой E =6-10 В/км, а в 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 [2].

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 [3,4].

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 методики 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 l между двумя трансформаторными подстанциями. Трансформаторы Т1 и Т2 подстанций имеют заземления в точках А и В. Возникающая между этими точками ЭДС E=Ex·l, обусловленная напряженностью геоэлектрического поля, генерирует геоиндуцированные токи.

Рис. 1. Протекание ГИТ по обмоткам высокого напряжения трансформаторов и высоковольтной линии электропередач СЭС

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) [5]:

, (1)

где ; – напряженность геомагнитного поля при направлении силовых линий поля вдоль осей x или y; – импеданс цепи протекания ГИТ; μ0 – магнитная постоянная; ω – 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 RТ1А, RТ1В RТ1С – сопротивления постоянному току (активные сопротивления) обмоток высокого напряжения трехфазного повышающего трансформатора Т1; RЛА, RЛВ, RЛС – сопротивления постоянному току (активные сопротивления) фаз воздушной ЛЭП; RТ2А, RТ2В RТ2С – сопротивления постоянному току (активные сопротивления) обмоток высокого напряжения трехфазного понижающего трансформатора Т2; RЗУ – сопротивления заземляющих устройств; RЗ – активное сопротивление грунта.

Активные сопротивления фаз воздушной ЛЭП определяются как:

(2)

где R0A R0В R0С – активные погонные сопротивления фаз ЛЭП.

Активное сопротивление грунта:

(3)

где RЗ0 – 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 замещения существенно упрощается к виду, изображенному на рис. 2,б, где:

(4)

а)б)

Рис. 2. Схема замещения участка СЭС при протекании ГИТ (а – полная схема замещения; б – упрощенная схема замещения)

Суммарное сопротивление для контура протекания геоиндуцированных токов:

(5)

Используя эквивалентную схему, значение ГИТ в нейтрали силового трансформатора можно определить как:

(6)

Если ЛЭП состоит из нескольких участков, то

(7)

где – напряженность геоэлектрического поля, наведенная в грунте на участке dl, – суммарное сопротивление контура протекания геоиндуцированных токов.

Учитывая, что ЛЭП состоит из прямолинейных участков, формулу (7) можно записать в виде:

(8)

где Еi – значение напряженности геоэлектрического поля на i-ом прямолинейном участке ЛЭП; αi – угол ориентации i-ого участка ЛЭП относительно направления силовой линии геоэлектрического поля; li – длина i‑ого прямолинейного участка ЛЭП; n – 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 геоиндуцированных 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 RЗУ = 0,5 Ом, RЗ0 = 0,048 Ом/км [1].

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 ЛЭП, кВ

Марка провода

Длина ЛЭП, км

Рабочий ток в фазе (А)

ГИТ в фазе Iф (А) при

Е=3 В/км

Е=6 В/км

Е=10 В/км

Е=15 В/км

110

АС-185

25-80

627,6

15,5-17,4

30,9-34,7

51,7-57,9

77,5- 86,8

220

АС-400

100-400

313,8

30,6-37,2

61,3-74,3

102,2-123,9

153,2-185,8

330

АС-240

130-700

209,2

33,7-46,5

67,5-92,9

112,4-154,9

168,6-232,3

Как видно из табл. 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 высоковольтных 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.

Выводы

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.

Рецензенты:

Кувшинов Алексей Алексеевич, д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры «Электроснабжение и электротехника», ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», г. Тольятти.

Шакурский Виктор Константинович, д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение и электротехника», ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», г. Тольятти.


Библиографическая ссылка

Вахнина В.В., Кузнецов В.А., Кретов Д.А., Козуб А.А. РАСЧЕТ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЯХ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8598 (дата обращения: 26.05.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252