автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка основ теории функционирования систем электроснабжения потребителей при воздействии геоиндуцированных токов

На правах рукописи

ВАХНИНА Вера Васильевна

РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕОРИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ГЕ ОИНДУЦШ'О ВАННЫХ ТОКОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 о АПР 2013

Москва, 2013

005052306

005052306

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий»

Научный консультант: Кудрин Борис Иванович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Ершов Михаил Сергеевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина», зав. кафедрой «Теоретическая электротехника и электрификация нефтяной и газовой промышленности»

Белашов Василий Юрьевич доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», Институт физики, профессор кафедры «Радиофизика»

Козярук Анатолий Евтихиевич

доктор технических наук, профессор,

НМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург,

зав. кафедрой «Электротехника, электроэнергетика,

электромеханика»

Ведущая организация ФГУП «РФЯЦ - ВНИИЭФ», г. Саров

Защита состоится «14» июня 2013 года в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория М-611.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат диссертации разослан « #П> 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

кандидат технических наук, доцент

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Функционирование современных систем электроснабжения (СЭС) связано с существенными трудностями из-за сложности структуры генерирующих мощностей и основной электрической сети, многообразия их работы, необходимости учета требований надежности и бесперебойности электроснабжения потребителей, сильных внешних технологических и экономических связей, неопределенности будущих условий развития СЭС, риска возможных экстремальных условий в развитии системы и других важных факторов. Все это приводит к тому, что современные СЭС становятся более уязвимыми к внешним возмущениям, в том числе и геомагнитным бурям (ГМБ).

Во время геомагнитной бури вариации геомагнитного поля индуцируют на поверхности Земли медленно меняющееся электрическое поле. Горизонтальная компонента геоэлектрического поля характеризуется напряженностью 1 - 20 В/км и временем изменения от 10 с до 30 мин; вектор напряженности этого поля преимущественно ориентирован по меридиану. Между заземленными точками нейтралей силовых трансформаторов подстанций СЭС возникает ЭДС. На протяженных линиях электропередач (ЛЭП) 400 - 500 км ЭДС может достигать нескольких киловольт, и по электрическим сетям циркулирует квазипостоянный ток, который принято называть геоиндуцированным током (ГИТ). Вследствие насыщения магнитной системы силовых трансформаторов (CT) возрастают несинусоидальные намагничивающие токи, которые также циркулируют по электрической сети. В результате в СЭС увеличивается потребление реактивной мощности и снижается пропускная способность сети, происходит падение напряжения, появляются высшие гармонические составляющие тока й напряжения, возможны ложные срабатывания релейной защиты и автоматики, и, как следствие, нарушение нормальной работы потребителей.

Известно, что из-за геомагнитных бурь были отключения или выходы из строя СЭС: в Финляндии (1982, 1986 г.г.); Швеции (1982, 1986, 1991, 2003 г.г.); США и Канаде (1958, 1980, 1989, 1991, 1994, 2003 г.г.); Англии (1989 г.); Дании (2003 г.), ЮАР (2003 г.). Наиболее крупные и тяжелые аварии в СЭС наблюдались в 22 (1989 г.) и 23 (2003 г.) пиках солнечной активности. Пик следующей геомагнитной активности ожидается в 2013 - 2014 г.г.

Анализ работ Albertson V.D., Boteler D.H., Bush C.K., Elovaara J., Kappenman J.G., KeyA.J., Kielen В., Lahtinen M., Piijola R., Pulkkinen A., Walling, R.A., Гершенгорна А.И., Бабаева Э.С., Кузнецова В.Г., Белова A.B. и др. показал, что геомагнитные бури оказывают существенное влияние на системы генерации и передачи электроэнергии. Однако следует отметить, что вопросы исследования влияния геомагнитных бурь на системы распределения и потребления СЭС остаются открытыми. Их решение позволит разработать технические требования к построению и параметрам систем электроснабжения для снижения негативного влияния геоиндуцированных токов на потребители.

Территория России находится в средних и высоких широтах и подвержена воздействию геомагнитных бурь. Парковый ресурс действующего электрооборудования в российской энергетике выработан примерно на 80%,

оборудование электрических станций и линий электропередач изношено примерно на 50%, что приводит к росту аварийности даже без учета воздействия геомагнитных бурь. В России до настоящего времени вопросу влияния геомагнитных бурь на функционирование систем электроснабжения с разработкой мер по их защите не уделялось должного внимания. В связи с этим разработка адекватных моделей систем электроснабжения потребителей и проведение расчетно-теоретических исследований их режимов работы при геомагнитных бурях являются актуальными.

Целью работы является разработка методологических подходов и соответствующих математических моделей и методов для установления закономерностей влияния геоиндуцированных токов, возникающих при геомагнитных бурях, на электроснабжение потребителей и направленных на повышение эффективности их функционирования.

В соответствии с указанной целью поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Исследование проблем электроснабжения потребителей, возникающих при воздействии геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях.

2. Разработка концепции моделирования процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями.

3. Разработка методологических подходов к расчету дополнительных потерь активной мощности и превышению температуры бака и обмоток силовых трансформаторов главных понизительных подстанций (i IUI) при протекании в системе электроснабжения геоиндуцированных токов.

4. Разработка критериев обеспечения нормального функционирования силовых трансформаторов 11111 потребителей при геомагнитных бурях.

5. Разработка методов анализа электромагнитной совместимости по несинусоидальности напряжения высоковольтной электродвигательной нагрузки в системе электроснабжения при геомагнитных бурях.

6. Разработка алгоритмов, принципов моделирования систем электроснабжения потребителей, а также практических рекомендаций для расчета геоиндуцированных токов, мгновенных значений токов и напряжений в элементах системы электроснабжения, а также показателей качества по несинусоидальности напряжения на шинах питания высоковольтных электродвигателей при геомагнитных бурях.

7. Разработка принципов построения систем электроснабжения для обеспечения эффективного функционирования по несинусоидальности напряжения высоковольтных электродвигателей с учетом влияния интенсивности геомагнитных бурь и параметров системы электроснабжения.

Методология исследований и методы исследования, поставленных в диссертации задач, разработаны на основе анализа и синтеза математических моделей систем электроснабжения с применением аппарата линейной алгебры, функций комплексного переменного и дифференциальных уравнений, преобразования Фурье, теории электрических цепей, теории электромеханических

систем и методов компьютерного моделирования систем электроснабжения потребителей.

Научная новизна исследований заключается в том, что:

1. Впервые исследованы проблемы электроснабжения потребителей, возникающие при воздействии геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях, и установлены технические требования к принципам построения систем электроснабжения, позволяющие снизить влияние ГИТ на потребители.

2. Разработана концепция моделирования процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями и выполнено математическое обоснование нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от величины и времени протекания геоиндуцированного тока по заземленным обмоткам.

3. Разработана методология расчета тепловых процессов и температуры наиболее нагретой точки бака и обмоток силовых трансформаторов ГПП систем электроснабжения при протекании геоиндуцированных токов по заземленным обмоткам.

4. Установлены критерии для предельного времени протекания и допустимых уровней геоиндуцированных токов в заземленных обмотках высокого напряжения силовых трансформаторов ГПП, определяющие их нагрузочную способность для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей при геомагнитных бурях.

5. Разработаны принципы моделирования несинусоидальных режимов работы систем электроснабжения с высоковольтной электродвигательной нагрузкой при геомагнитных бурях различной интенсивности.

6. Разработаны методы определения геоиндуцированных токов с учетом географического расположения элементов СЭС на карте местности и установлено их влияние на режимы работы силовых трансформаторов и высоковольтных электродвигателей.

7. Разработаны методы расчета несинусоидальности тока и напряжения с учетом интенсивности геомагнитных бурь и параметров системы электроснабжения, что позволило разработать условия обеспечения электромагнитной совместимости электродвигательной нагрузки 6...10 кВ на шинах их питания.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены адекватностью и корректностью применения в работе основных законов электротехники, методов анализа и подтверждаются сопоставительными вычислительными экспериментами на базе специализированных компьютерных программ, прошедших полномасштабную опытную проверку, сопоставлением результатов компьютерного моделирования с экспериментальными и статистическими данными по воздействию геоиндуцированных токов на электрооборудование СЭС.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная математическая модель силового трансформатора с учетом нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от геоиндуцированного тока для учета насыщения магнитной системы при моделировании режимов работы систем электроснабжения при геомагнитных бурях.

2. Теоретическое обоснование влияния геоиндуцированных токов на дополнительные потери активной мощности и температуру бака и обмоток силовых трансформаторов.

3. Методы расчета допустимой длительности воздействия и допустимых значений геоиндуцированных токов в зависимости от нагрузочной способности силовых трансформаторов ГПП СЭС и интенсивности геомагнитных бурь.

4. Методы расчета несинусоидальности тока и напряжения систем электроснабжения потребителей в присутствии геоиндуцированных токов с учетом интенсивности геоэлектрического поля и параметров СЭС.

5. Алгоритмы, принципы моделирования режимов работы систем электроснабжения потребителей при геомагнитных бурях различной интенсивности и направлении вектора напряженности геоэлектрического поля.

6. Методы определения допустимых параметров и принципы построения СЭС для обеспечения эффективного функционирования по несинусоидальности напряжения высоковольтных электродвигателей при геомагнитных бурях.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Разработанные математические модели силовых трансформаторов позволят учитывать насыщение магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения и достоверно определять амплитудные и действующие значения несинусоидальных токов намагничивания и полных рабочих токов при протекании геоиндуцированных токов по заземленным обмоткам силовых трансформаторов.

2. Разработанные методы расчета максимальных удельных дополнительных потерь активной мощности и температуры наиболее нагретой точки бака от координат на стенках бака силовых трансформаторов позволят определять области максимального нагрева бака и организовать мониторинг их теплового состояния. В качестве датчиков температуры рекомендуется использовать оптоволоконные температурные сенсоры.

3. Установленные критерии допустимой нагрузочной способности силовых трансформаторов 110/10...6 кВ ГПП от величины геоиндуцированного тока позволят обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей во время геомагнитных бурь.

4. Разработанные математические модели позволят на этапе проектирования, эксплуатации и реконструкции систем электроснабжения определять необходимые параметры и принципы построения СЭС, обеспечивающие снижение негативного влияния геомагнитных бурь на потребители.

5. Разработанные методы расчета несинусоидальности напряжения на шинах ВН силовых трансформаторов и потребителей во время геомагнитных бурь различной интенсивности позволят расчетным путем определять условия электромагнитной совместимости высоковольтных электродвигателей с системой электроснабжения и не допускать нарушений требований ГОСТ Р 54149 - 2010 на качество электроэнергии.

6. Разработанные рекомендации по снижению негативного влияния геомагнитных бурь на электроснабжение потребителей позволят обеспечить безаварийное . функционирование силовых трансформаторов ГПП и электромагнитную совместимость высоковольтных электродвигателей с системой электроснабжения ро несинусоидальности напряжения.

!

7. Результаты проведенных исследований и разработанных технических решений дают необходимый материал для обоснованного инженерного выбора решений по обеспечению эффективного функционирования СЭС потребителей при геомагнитных бурях.

Реализация результатов работы. По теме диссертационной работы выполнено более 15 научно-исследовательских работ, из них 3 по госбюджетным программам и госзаданию МО РФ по темам: «Разработка теоретических основ возникновения аномальных режимов в системах электроснабжения с изолированной нейтралью»; «Разработка расчетно-теоретической модели системы электроснабжения города при ее функционировании в нормальных, аварийных и несимметричных режимах работы»; «Моделирование региональных электроэнергосистем с учетом рационального распределения мощностей и предотвращения масштабных отключений при геомагнитных бурях» под научным руководством автора.

В филиале ОАО «МРСК Волги» - «Самарские распределительные сети» и ОАО «КуйбышевАзот» на основе разработанных критериев допустимой нагрузочной способности силовых трансформаторов от величины геоиндуцированных токов установлена предельная нагрузочная способность силовых трансформаторов подстанций при различной интенсивности и длительности геомагнитных бурь; при проектировании, эксплуатации и реконструкции электрических сетей используются разработанные технические требования к принципам построения систем электроснабжения для снижения влияния геоиндуцированных токов на электрооборудование электрических сетей и обеспечения электромагнитной совместимости потребителей с системой электроснабжения.

Положения диссертационной работы и ее материалы, нашедшие отражение в учебном пособии «Исследования асинхронного двигателя по уравнениям обобщенной электрической машины» и монографии «Моделирование режимов работы силовых трансформаторов систем электроснабжения при геомагнитных бурях», используются в учебном процессе Тольятгинского государственного университета в дисциплинах «Проектирование и оптимизация систем электроснабжения», «Компьютерное моделирование систем электроснабжения», «Устойчивость систем электроснабжения», «Расчетно-экспериментальные исследования динамики систем электроснабжения».

Результаты исследований и разработок, обобщенных в диссертации, послужили основой для создания в Тольяттинском государственном университете НОЦ «Моделирование устройств и систем в электротехнике и электроэнергетике», в состав которого входит научно-исследовательская лаборатория НИЛ-3 «Моделирование электрофизических процессов», научным руководителем которых является автор диссертации.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: на V Международной научно - практической конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, 2005 г.), Central European VI Conference «Numeral Methods and Computer Systems in Automatic Control and Electrical Engineering» (Czestochowa

University of Technology, Polska, 2005 г.), VII Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2006 г.); V Всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии» (Нижний Новгород, 2006 г.); I и II Международных научно-технических конференциях «Энергетика и Энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006 г., 2007 г.); I и II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2004 г., 2007 г.); VI Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2008 г.); 9th international conference Politechnika Czestochowska konferencje «Prognozove w Elektroenegetyce» (Czestochowska, 2008 г.); III, ГУ Международных научно-технических конференциях «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009 г., 2012 г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергосбережение на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (Салават, 2009 г., 2010 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» Энерго-2010, Энерго-2012 (Москва, 2010 г., 2012 г.); XIL Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Федоровские чтения - 2011» (Москва, 2011г.); III Международной научно-технической конференции «Энергетика глазами молодежи» (Екатеринбург, 2012 г.); III Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: инновации в технических, естественных, математических и гуманитарных науках» (Москва, 2012 г.); Международной заочной научно-практической конференции «Физико-математические науки и информационные технологии» (Новосибирск, 2012 г.); XL Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Федоровские чтения - 2012» (Москва, 2012 г.), а также докладывались и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тольяттинского государственного университета и Национального исследовательского университета «МЭИ».

Публикации. Результаты работы опубликованы в 41 работе, в том числе в научно-технических журналах из перечня ВАК РФ «Известия высших учебных заведений. Электромеханика», «Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики», «Вектор науки Тольяттинского государственного университета», «Промышленная энергетика» и др., а также в сборниках научных работ, материалах конференций и семинаров, получены 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, опубликована 1 монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка сокращений, изложенных на 358 стр. основного текста, списка литературы из 264 наименований, 3 приложений на 21 стр., 170 рисунков и 30 таблиц.

4

Í

2 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы исследования и сформулированы цель и научные задачи исследования, научная новизна и теоретическая и практическая ценность работы, приведены методология исследований и методы исследования и положения, выносимые на защиту, сведения о реализации результатов работы, апробации и публикации основных результатов диссертации, а также структура и объем работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния общей теории и возникающих на практике проблем электроснабжения потребителей при воздействии геоиндуцированных токов. Показано, что причинами тяжелых системных аварий, функционального нарушения и накопления дефектов электрооборудования систем электроснабжения являются геомагнитные бури. Отмечается, что наиболее интенсивно воздействие геомагнитных бурь на системы электроснабжения проявляются для высоких широт как Северного, так и Южного полушарий (СЭС Канады, США, Англии, Скандинавских стран и т.д.), где эти воздействия чаще всего имеют место из-за больших и импульсивных геомагнитных возмущений. Однако имеются доказательства того, что геомагнитные бури оказывают негативное влияние на системы электроснабжения в средних и низких широтах (СЭС Бразилии, Южной Африки, Японии, Китая, Азербайджана).

Геомагнитные бури возбуждают вариации геомагнитного поля Земли, что индуцирует поверхностные потенциалы Земли (ППЗ). Изменения во времени ППЗ носят сложный характер - на фоне относительно медленных изменений наблюдаются кратковременные импульсы высокой амплитуды. Характерная продолжительность импульсов составляет 10 - 100 с при общей длительности ППЗ в несколько минут.

Отмечается, что первым свидетельством о влиянии геомагнитных бурь на технические системы явилась регистрация геоиндуцированных токов. В протяженных заземленных проводящих объектах и системах: трубопроводах, кабельных и воздушных линиях электропередачи, линиях связи, железных дорогах -возбуждаемое геомагнитной бурей геоэлектрическое поле создает квазипостоянный (геоиндуцированный) ток.

При выполнении системы электроснабжения с эффективно или глухозаземленными нейтралями силовых трансформаторов (рисунок 1) и, если при этом, точек заземления не менее двух, то в этом случае в заземленных обмотках СТ и фазах ЛЭП протекают геоиндуцированные токи до нескольких десятков и даже сотен ампер на фазу, влияя на работу систем электроснабжения. Величины геоиндуцированных токов, протекающих в системах электроснабжения, определяются скоростью изменения и размерами области распространения геомагнитного поля при геомагнитной буре; длиной и связанностью линий электропередач; географическим расположением точек, в которых СЭС контактирует с земной поверхностью.

Т1

10

лэп

Т2

Рисунок 1 - Схема проникновения ГИТ в нейтраль силового трансформатора при У -схеме включения трех фаз с заземленной нейтралью

Выполнен обзор статистических данных о наведении геоиндуцированных токов в нейтралях силовых трансформаторов систем генерации и передачи электроэнергии США, Канады, Финляндии, Англии, Швеции, Японии и т.д. Выполненный анализ воздействия геомагнитных бурь на режимы работы электротехнических комплексов и нарушение электроснабжения потребителей показал, что основное воздействие ГИТ на СЭС заключается в насыщении магнитной системы силовых трансформаторов, что приводит к увеличению тока намагничивания и искажению кривых тока и напряжения, нагреву конструктивных элементов силовых трансформаторов, увеличению потребления реактивной мощности силовыми трансформаторами и, как следствие, к снижению напряжения, суммарной генерируемой в энергосистеме активной мощности, запаса устойчивости и пропускной способности линий электропередачи и т.д. Выполненный анализ позволяет сделать вывод, что до настоящего времени вопросы исследования влияния геомагнитных бурь на режимы работы систем распределения и потребления СЭС практически не рассматривались.

В соответствии с целью диссертационной работы сформулированы задачи исследования, решение которых позволяет реализовать основную идею работы -разработку основ теории и условий обеспечения эффективных режимов функционирования систем электроснабжения потребителей при воздействии геоиндуцированных токов.

Во второй главе разработана концепция моделирования процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при геомагнитных бурях.

При геомагнитных бурях по обмоткам силовых трансформаторов СЭС одновременно протекают переменный и квазипостоянный (геондуцированный) токи, вызывая насыщение магнитной системы и сдвиг рабочего линейного режима силового трансформатора в нелинейную часть гистерезиса. Четные гармоники напряженности поля, появляющиеся при намагничивании ферромагнитного материала сердечника силового трансформатора переменным и постоянным магнитными полями при геомагнитных бурях, вызывают дополнительное подмапшчивающее действие, усиливающее при совпадении направлений полей влияние- постоянной составляющей напряженности поля на магнитную

проницаемость для переменной составляющей поля.

Для исследования характера зависимости индуктивности обмотки силового трансформатора от протекающего по ней тока намагничивания разработаны модели первичной обмотки силового трансформатора с бесконечным ферромагнитным сердечником и с бесконечным ферромагнитным сердечником и цилиндрической магнитной оболочкой при одновременном намагничивании переменным и постоянным магнитными полями. Обмотка в моделях заменена круговым поверхностным током I, текущим по круговой ленте.

В свободном пространстве (ферромагнитный сердечник отсутствует) система уравнений в цилиндрической системе координат (г,<р,г) для компонент А^

векторного потенциала А модели обмотки с бесконечным ферромагнитным сердечником имеет вид:

Ар1 = (Лг)со*(сЬ)сгА, (Г<гх),

О

= {[С,/,«» + ВК^)]со1(.Л2), (г, < г < г0),

о

Ля = \С1 + (г>Гц).

(1)

где /, и К, - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода первого порядка; коэффициенты С, (Я) и С2(Л) определяются из условия на границе г = г0; коэффициенты А (Л) и В (Л) определяются из условия на границе г =гг

Система уравнений для компонент А9 векторного потенциала А модели обмотки с бесконечным ферромагнитным сердечником и цилиндрической магнитной оболочкой имеет вид:

Аг1 ~ ^А11(Аг)со5(,Лг)(1Л, (г <г,),

о

= ][с,/,(Яг) + вк,(Яг) + £>/,(^о^сИ, (П <г<га),

с

= + + (г0<г<гг), (2)

о

Аг3 = (Лг) + Н,(Лг)]яи(Яг)^, (г2 <г<г3),

О

во

= \вк, (Лг)со*(Л*)М, (г > г,),

о

где коэффициенты А(Л), В(Л), £)(Л), Е(Л), Р(Л), 6(2) определяются из условий на границе: г = г,, г = гг, г = гг.

В результате выполненного моделирования установлено, что при одновременном намагничивании переменным и постоянным магнитными полями ферромагнитного сердечника силового трансформатора зависимость индуктивности обмотки от протекающего в ней тока намагничивания Щй) нелинейна.

Нелинейность зависимости Щ) обусловлена нелинейностью магнитных характеристик материала ферромагнитного сердечника. При больших значениях намагничивающих токов отличия в индуктивностях в моделях с цилиндрической магнитной оболочкой и без оболочки незначительны, что связано с насыщением цилиндрической магнитной оболочки и уменьшением её магнитной проницаемости.

С учетом полученных зависимостей разработана модель ветви намагничивания силового трансформатора при геомагнитных бурях. Установлено, взаимная индуктивность ветви намагничивания силового трансформатора связана зависимостью магнитной проницаемости сердечника силового трансформатора от тока намагничивания:

= (3)

где м>1 - число витков заземленной обмотки; 5 - площадь поперечного сечения сердечника; 1ср - средняя длина магнитной линии; к - эмпирический коэффициент, зависящий от конструкции силового трансформатора.

Функция м=/(—'о('пл■)) определяется из кривой намагничивания В = /(Я)

для используемого материала магнитной системы силового трансформатора и величиной тока намагничивания, который является функцией от ГИТ. Расчет взаимной индуктивности М(ггит) и тока намагничивания реализован с помощью математического пакета МАТЬАВ. Для расчета взаимной индуктивности М{1ГИТ) и тока намагничивания силовых трансформаторов должны быть заданы: конструктивные параметры силового трансформатора; параметры петли магнитного гистерезиса стали магнитной системы силового трансформатора для моделирования кривой намагничивания Я = /(Я); параметры схемы замещения СЭС; параметры импульса напряженности геоэлектрического поля Е(Х,У).

В результате выполненных расчетов для силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 со схемой соединения обмоток Ун/Д/Д с конструктивными параметрами = 640; 5 = 0,2862 м2; /ср= 3,47 м; к = 0,465 получена зависимость максимальных значений тока намагничивания от величины ГИТ, при которых за счет действия сильного внешнего постоянного поля происходит смещение рабочей точки на кривой В = /(Я) в область намагничивания до насыщения магнитной системы силового трансформатора (рисунок 2). Увеличение геоиндуцированного тока в заземленной обмотке высокого напряжения (ВН) приводит к резкому возрастанию тока намагничивания силового трансформатора, и, соответственно, к уменьшению времени, при котором наступает процесс насыщения магнитной системы.

Увеличение тока намагничивания при протекании ГИТ в обмотке ВН силового трансформатора вызывает нелинейное увеличение магнитного потока Ф и потокосцепления ц/, при этом магнитная проницаемость стали магнитной системы уменьшается в десятки раз, что приводит к резкому снижению взаимной индуктивности при намагничивании магнитной системы постоянным магнитным

полем. Дальнейшее увеличение ГИТ приводит к намагничиванию магнитной *

I

системы, магнитная проницаемость стали магнитной системы падает почти до единицы и практически не меняется, взаимная индуктивность ветви намагничивания также практически не меняется, наступает насыщение стали магнитной системы (рисунок 3).

Рисунок 2 - Зависимость максимальных значений тока намагничивания силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 от величины геоиндуцированного тока

М,Гн 250 200

О

15

20

25 ¿тгА

Рисунок 3 - Зависимость М(¡гит) при смещении рабочей точки на кривой намагничивания в область намагничивания до насыщения магнитной системы силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3

Смещение рабочей точки силового трансформатора на нелинейную часть характеристики намагничивания приводит к искажению кривой тока намагничивания и появлению высших гармонических составляющих. Линейчатые спектры гармонических составляющих тока намагничивания силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 при ГИТ величиной 5, 10, 15 А для момента времени t- 4 с приведены на рисунке 4. В спектре гармонических составляющих тока намагничивания присутствуют гармоники четного и нечетного порядков, при различных значениях ГИТ их амплитуды соизмеримы.

1о(п)Ло(1), %

11гит = 5 А

®.1гит = 10 А

■ 1гит- 15 А

100 90 80 70 60 50 -40 30 20 -

10 I III

о М 4Д1|1 М ■рЖИЦр.ИЖ'Р ВВ ВВД.Д м.И-^

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12 13 14 15 16 17 18 19 20 и

Рисунок 4 - Линейчатые спектры гармонических составляющих тока намагничивания силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 при различных

значениях ГИТ для ? = 4 с

В результате выполненных расчетов получено, что в зависимости от уровня постоянного подмагничивания магнитной системы силового трансформатора геоиндуцированным током возможны следующие характерные эффекты.

1. При значениях ГИТ меньше 2 А или малом времени их протекания по заземленной обмотке силового трансформатора в кривой намагничивающего тока наряду с 3, 5, 7-й гармониками появляются четные гармоники. В токе намагничивания из-за смещения рабочей точки с оси симметрии появляется постоянная составляющая тока.

2. Эффект однополупериодного выпрямления намагничивающего тока силового трансформатора, когда перемагничивание сердечника переменным напряжением симметрично относительно точки излома характеристики В = /(Я). В этом случае максимальна генерация токов высших гармоник. Смещение рабочей точки трансформатора в нелинейную часть характеристики намагничивания (в зону намагничивания) приводит к искажению формы кривой тока намагничивания - к однополупериодной несимметрии и появлению постоянной и высших гармонических составляющих.

3. Эффект «потери» сердечника силового трансформатора, когда подмагничивание геоиндуцированным током настолько интенсивно, что перемагничивание сердечника переменным напряжением полностью смещается в область технического насыщения на пологий участок характеристики # = /(#), который характеризуется индукцией насыщения В,. В этом случае относительная магнитная проницаемость стали сердечника близка к единице, взаимная индуктивность ветви намагничивания практически не меняется при возрастании ГИТ, но потребление реактивной мощности максимально на перемагничивание сердечника силового трансформатора.

Для определения значительно возрастающих амплитудных и действующих значений несинусоидальных токов намагничивания при насыщении магнитной системы силовых трансформаторов при геомагнитных бурях в математическую

модель силового трансформатора введена нелинейная зависимость взаимной индуктивности ветви намагничивания от величины геоиндуцированного тока, протекающего по заземленным обмоткам. Математическая модель однофазного двухобмоточного трансформатора при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями имеет следующий вид:

где г, - активное сопротивление первичной обмотки; г2' = к*2 ■ гг - приведённое активное сопротивление вторичной обмотки; - индуктивность рассеяния первичной обмотки; 1!л = • - приведённая индуктивность рассеяния вторичной обмотки; ки =м>1/м>2 - коэффициент трансформации; м>! - число витков первичной обмотки; у)2 — число витков вторичной обмотки; к, - мгновенное значение напряжения первичной обмотки; и'г - мгновенное значение приведённого напряжения вторичной обмотки; г, — мгновенное значение тока первичной обмотки; ¡2 - мгновенное значение приведенного тока вторичной обмотки; Мгит =М(1ГИТ) -взаимная индуктивность ветви намагничивания в присутствии ГИТ; ¿0(, - реактивная составляющая намагничивающего тока.

Т-образная схема замещения для однофазного двухобмоточного силового трансформатора, учитывающая нелинейность ветви намагничивания при протекании ГИТ и соответствующая математической модели (3), приведена на рисунке 5.

г0 - активное сопротивление ветви намагничивания; /0а - активная составляющая намагничивающего тока Рисунок 5 - Т-образная схема замещения однофазного двухобмоточного силового трансформатора при одновременном намагничивании переменным и постоянным

магнитным полями

Математические модели для однофазного трёхобмоточного, трехфазных двухобмоточных и трехобмоточных силовых трансформаторов или автотрансформаторов аналогичны (3).

Таким образом, разработанные математические модели силовых трансформаторов и автотрансформаторов отличаются от принятых моделей для расчета симметричных режимов введением нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от геоиндуцированного тока для учета насыщения магнитной системы при моделирования процессов в СЭС при

(3)

, , , , (Ц и*0в

- щ = ту2 +1,1 -2. + Мгит —А

геомагнитных бурях. Разработанные математические модели силовых трансформаторов и автотрансформаторов позволят исследовать и оценивать негативное влияние ГИТ на системы электроснабжения при геомагнитных бурях

В третьей главе разработаны методологические подходы к расчету тепловых процессов и температуры наиболее нагретой точки обмоток и бака силовых трансформаторов ГПП при протекании геоиндуцированных токов по заземленным обмоткам.

Задача расчета дополнительных потерь активной мощности в баке силового трансформатора от вихревых токов при ГМБ решена на основе применения теории плоских волн и линеаризации свойств стали. Расчет потерь мощности сводится к нахождению распределения тангенциальных составляющих напряженностей магнитного поля у поверхности бака и соответственно дополнительных удельных потерь активной мощности в баке для каждой и-ой гармонической составляющей тока намагничивания, интегрированию этих потерь по поверхности бака. Полные дополнительные потери активной мощности в стенках бака

¡¡^ (4)

где - результирующие удельные дополнительные потери активной мощности для каждой поверхности N х, Nу, N,, определяются как сумма удельных

дополнительных потерь от каждой гармоники п; Б{х,ул} - площади поверхностей.

Полные дополнительные потери активной мощности в баке силового трансформатора определяются суммированием активных потерь для всех стенок бака.

Если принять, что глубина проникновения магнитного поля 6=дк {¿к -толщина слоя стенки бака) и в течение исследуемого промежутка времени теплообмен в баке несущественен, то скорость изменения температуры стенки бака силового трансформатора ¿0/А за счет увеличения удельных дополнительных потерь Фот'''1 от полей рассеяния за время действия ГИТ Л без учета теплообмена в баке определяется по формуле

~ (5)

а с-рстап

где с - удельная теплоемкость конструкционной стали; ра - удельный вес конструкционной стали.

Следовательно, максимальные значения скорости изменения температуры сйЭ/Л для поверхностей бака Nх> Nу, Nг определяются максимальными

значениями удельных дополнительных потерь на отдельных стенках бака.

Зная максимальные значения скорости изменения температуры ¿В!Ж и время действия геоиндуцированного тока на систему электроснабжения, температура наиболее нагретой точки (ННТ) стенки бака может быть определена по формуле

© = ©8+Д©£г>1(+Д©, (6)

где ©а - температура окружающей среды; Лв£В„ - превышение температуры поверхности бака над температурой воздуха при номинальном режиме работы; Д© -

прирост температуры поверхности бака, соответствующий скорости изменения температуры стенки бака за время действия ГИТ Л.

Для анализа тепловых процессов в обмотках и баке силовых трансформаторов выполнено компьютерное моделирование импульса геоиндуцированного тока, протекающего по заземленной обмотке ВН силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 при типичном изменении напряженности геоэлектрического поля с амплитудой Е(х,у) = 6 В/км. В результате моделирования получено, что наибольшее значение ГИТ составляет 15,4 А в момент времени 1290 с, среднее значение ГИТ за время действия импульса геоэлектрического поля - 8,07 А (рисунок 6).

силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 при геомагнитной буре

Разработанные методы расчета максимальных удельных дополнительных потерь активной мощности и определения температуры наиболее нагретой точки бака от координат на стенке бака позволили определить области максимального нагрева бака силовых трансформаторов. Для силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 построено характерное топографическое изображение удельных потерь на трёх стенках бака. Получено, что наибольшие значения удельных дополнительных потерь активной мощности приходятся на две области на боковых стенках = 992 Вт/м2. Максимумы удельных дополнительных потерь активной мощности смещены по вертикали от центра стенки на гшах = ±0,65 м. Максимальные значения удельных дополнительных потерь активной мощности на фронтальной стенке бака - = 657 Вт/м2, на верхней стенке бака - р^ = 343 Вт/м2.

В результате выполненных расчетов установлено, что без учета процессов теплообмена скорость изменения температуры наиболее нагретой точки стенки бака силового трансформатора зависит от величины и времени действия геоиндуцированного тока, протекающего по его обмоткам. Для исследуемого силового трансформатора максимальный прирост температуры наиболее нагретой точки бака за время действия ГИТ 1370 с при несрабатывании газовой защиты может составить Д©=182°С, т.е. превысить предельно допустимое значение температуры, установленное ГОСТ.

Учет процессов теплообмена - конвекции и лучеиспускания при протекании геоиндуцированных токов по обмоткам силового трансформатора позволил уточнить прирост температуры наиболее нагретой точки бака силового трансформатора. В расчетной модели рассматривалось вертикальное расположение теплоотдающей поверхности - стенок бака силового трансформатора, так как при

горизонтальном расположении движение масла имеет иной характер и зависит от радиального размера. Результаты расчетов по исследованию процессов теплообмена бака для силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 при воздействии ГИТ с максимальным значением 15,4 А приведены на рисунке 7. Зависимости прироста температуры бака в наиболее нагретой точке при теплообмене бака с воздухом и с маслом от времени воздействия импульса ГИТ для ряда максимальных значений ГИТ приведены на рисунке 8. Д0,° С 4®°с

Рисунок 7 - Зависимости прироста Рисунок 8 - Зависимости прироста

температуры бака CT в наиболее нагретой температуры бака в наиболее нагретой точке точке от времени воздействия ГИТ (1 - при теплообмене бака с воздухом и с маслом

теплообмен отсутствует; 2 - присутствует от времени воздействия ГИТ с максимальным только теплообмен с воздухом; 3 - значением 1гит = 15 А (1), 25 А (2), 38 А (3),

присутствует теплообмен и с воздухом, и с 45 А (4); 75 А (5); 115 А (б)

маслом)

С учетом рассчитанного значения превышения температуры стенки бака над температурой воздуха при отсутствии ГИТ Д©^ =44° С и ограничений превышения температуры ННТ стенки бака над температурой воздуха А® „рБВ) = 70° С при ©в1=40°С и Л®ярБВ1=90°С при ®вл = 20° С установлены зависимости предельного времени протекания ГИТ по обмотке ВН силового трансформатора от величины ГИТ (рисунок 9).

100 'гнтпр.А

Рисунок 9 - Зависимости предельно допустимого времени протекания ГИТ по обмотке ВН силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 от величины ГИТ

Таким образом, на основании ограничений по превышению температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха определены критерии для предельного времени протекания ГИТ по обмоткам силового трансформатора от величины ГИТ, которые носят нелинейный характер. При достижении предельно допустимого значения превышения температуры стенки бака силового трансформатора в наиболее нагретой точке, установленного ГОСТ, силовой трансформатор должен быть отключен газовой защитой во избежание выхода его из строя.

При геомагнитных бурях в обмотках силовых трансформаторов следует учитывать не только основные и добавочные потери при номинальном режиме работы, но и дополнительные добавочные потери от вихревых токов и дополнительные основные потери, вызванные увеличением рабочего тока в обмотках силового трансформатора за счет протекания ГИТ и резкого возрастания тока намагничивания, которые могут нагреть металлические элементы конструкции и токоведущие части или локальные участки этих элементов выше предельной температуры и вызвать интенсивное газообразование.

Расчёт добавочных потерь от вихревых токов и соответствующих значений скорости нарастания температуры в обмотках силового трансформатора выполнен с учетом вклада магнитных полей от каждой и-й гармонической составляющей тока намагничивания. Расчеты выполнены на примере силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3, причем в расчетной модели силового трансформатора обмотки НН1 и НН2 заменены одной обмоткой НН высотой кт +кИ1 = й„, толщиной ¿т = йиг = аи и средним радиусом гт = гН1 = гн.

Расчет и оценка добавочных потерь в обмотке от вихревых токов при воздействии ГИТ выполнены по выражению для относительных значений:

^ =7^ = *-' +77■/.« +Аз '¿«Х,). (?)

вил,И 1)1 И=1

где Ах, А2, Аз - расчетные коэффициенты, определяются параметрами обмоток СТ; /„ - действующее значение рабочего тока обмотки при номинальной нагрузке СТ при отсутствии ГИТ; /0(]) и /0(л) - действующие значения 1-й и и-й гармонических составляющих тока намагничивания; „ = Ах1] - добавочные потери в обмотке от вихревых токов при номинальной нагрузке СТ при отсутствии ГИТ; к, -коэффициент загрузки силового трансформатора.

Из выражения (7) следует, добавочные потери в обмотке от вихревых токов при воздействии ГИТ состоят из двух составляющих

■^вшг! ~ Рейх Т*еих > (8)

где Рт = к)Ртл1 - добавочные потери в обмотке силового трансформатора при отсутствии ГИТ; Р^ - дополнительные добавочные потери в обмотке силового трансформатора, вызванные протеканием ГИТ:

(9)

Л1 А\ л-1

Дополнительные добавочные потери в обмотке силового трансформатора от вихревых токов при воздействии ГИТ определяются значениями 1-й и и-й

гармонических составляющих тока намагничивания, которые в свою очередь зависят от величины ГИТ, и коэффициентом загрузки силового трансформатора.

Расчет и оценка основных потерь силовых трансформаторов при воздействии ГИТ выполнены по выражению для относительных значений:

¿и. = +±[1ггиг+гк,1„ -/0(1) (Ю)

СО!,Н И \ Я=т1 /

где 1гит ~ действующее значение геоиндуцированного тока в обмотке силового трансформатора; Ртх - основные потери в обмотке, вызванные рабочим током, равным номинальному току /„ силового трансформатора при отсутствии ГИТ.

Из выражения (10) следует, что основные потери в обмотке силового трансформатора при протекании ГИТ состоят из двух составляющих:

(П)

где Р„„ = к]Р0Сва - основные потери в обмотке силового трансформатора при отсутствии ГИТ; РК11 - дополнительные основные потери в обмотке силового трансформатора, вызванные протеканием ГИТ:

=?ос, +2*,/о(1). +'оо,. +£/£*)■ (12)

Дополнительные основные потери в обмотке силового трансформатора при геомагнитных бурях определяются значением ГИТ, значениями 1-й и п-й гармонических составляющих тока намагничивания и коэффициентом загрузки силового трансформатора.

Соответственно, для расчета потерь в обмотках силовых трансформаторов при геомагнитных бурях следует использовать формулы: для обмотки ВН

РцбмЪ = Рца + Рцсн + + Лпа > (13)

для обмотки НН

(14)

суммарные потери для обмоток ВН и НН

РоВмЪ ~ Рцбм!. + РсбмИ ~ Рцс«I + РцснХ + Рцих! + Ртх£ • (15)

В работе показано, что при протекании ГИТ по обмотке ВН силового трансформатора происходит увеличение дополнительных основных и добавочных потерь, причем дополнительные основные потери превышают дополнительные добавочные потери в зависимости от коэффициента загрузки в 4 - 4,8 раза.

Превышение температуры наиболее надетой точки обмотки над температурой окружающей СТ среды (воздуха) определяется по выражению:

Д0 ^ = Д©^ ■ +Ц. . , (16)

где „ - превышение наибольшей температуры масла в баке над температурой окружающей среды при номинальной нагрузке; - превышение средней

температуры обмотки над средней температурой масла в обмотке при номинальной >

/

нагрузке; а - отношение потерь холостого хода к потерям короткого замыкания; т - коэффициент, зависящий от системы охлаждения СТ; kl B - коэффициент

загрузки обмотки ВН силового трансформатора.

На основании ограничений для предельных превышений температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой окружающего воздуха A<3W,=100°C при @В1 = 40°С и AQ„pHlfT2 = 120°С при 0„=2О°С С учетом (16) установлены допустимые уровни геоиндуцированных токов в обмотке ВН силовых трансформаторов ТРДН и ТРДЦН напряжением 115/10,5/10,5 и 115/6,3/6,3 и мощностями 25...80 MB А, устанавливаемых на ГПП промышленных предприятий и городов, от коэффициента загрузки. На рисунке 10 приведены зависимости допустимых геоиндуцированных токов в обмотке ВН силовых трансформаторов типа ТРДН и ТРДЦН от коэффициента загрузки при температуре окружающего

Рисунок 10 - Допустимые уровни геоиндуцированных токов в обмотке ВН при различной нагрузке силовых трансформаторов типа ТРДН и ТРДЦН

Таким образом, установленные критерии допустимых значений ГИТ при различной нагрузке позволяют определить нагрузочную способность силовых трансформаторов типов ТРДН и ТРДЦН напряжением 115/10,5/10,5 и 115/6,3/6,3 при геомагнитных бурях различной интенсивности. С уменьшением номинальной мощности силового трансформатора снижается предельно возможная перегрузка силового трансформатора при геомагнитных бурях. Увеличение нагрузочной способности силовых трансформаторов выше установленных значений при геомагнитных бурях может привести к перегреву обмоток силового трансформатора и срабатыванию газовой защиты силового трансформатора на отключение, что приведет к нарушению электроснабжения потребителей СЭС.

В четвертой главе разработаны принципы моделирования несинусоидальных режимов работы систем электроснабжения с высоковольтной электродвигательной нагрузкой при намагничивании магнитной системы силовых трансформаторов ГПП СЭС геоиндуцированными токами. Насыщение магнитной системы силового трансформатора ГПП в присутствии геоиндуцированных токов вызывает снижение

величины и нарушение синусоидальности напряжения питания распределительной сети 6... 10 кВ. При этом можно выделить две составляющие потерь напряжения питания распределительной сети (РС). Первая составляющая не нарушает синусоидальности напряжения питания РС и обусловлена увеличением реактивной мощности намагничивания магнитной системы силового трансформатора ГПП. Вторая составляющая нарушает синусоидальность напряжения питания РС и обусловлена гармоническими составляющими намагничивающего тока.

При анализе влияния геоиндуцированных токов на режимы работы систем электроснабжения наибольший интерес представляет высоковольтная электродвигательная нагрузка, особенно синхронные двигатели (СД) с прямым включением в электрическую сеть, т.к. в условиях ухудшения качества напряжения питания может произойти нарушение их статической и динамической устойчивости.

Для определения характера изменения высших гармоник и напряжения в распределительной сети 6... 10 кВ при геомагнитных бурях все элементы СЭС -питающая линия электропередач (ЛЭП) 110...220 кВ, силовой трансформатор ГПП, кабельные линии 6... 10 кВ рассмотрены в виде схем замещения для высших гармоник. Контур намагничивания силового трансформатора учтен введением

со

источника гармонических составляющих 1т намагничивающего тока. Для

л-О

анализа токов высших гармоник, протекающих в статорных обмотках СД при намагничивании магнитной системы силового трансформатора ГПП геоиндуцированными токами, получено выражение для среднего эквивалентного комплексного сопротивления синхронного электродвигателя для п-й гармоники:

= д«г-,<»> (17)

где = + 0,5 • + ), х„.т = хф) + 0,5 • (хЩй) + ) - средние

эквивалентные активное и реактивное сопротивления СД по двум осям для п-й гармоники; Л(„}, ха{п) - активное и индуктивное сопротивления рассеяния статорной

обмотки СД для п-й гармоники; ЛШп) = 2 ; = 2 *чм--суммарные

активные сопротивления параллельных ветвей схемы замещения СД для п-й гармоники по продольной и поперечной осям; = 2 -;

хы») ~' 2 — - суммарные реактивные сопротивления параллельных ветвей

схемы замещения СД для п-й гармоники по продольной и поперечной осям; 8щ») =8/м +Вщ*)~> ЬЩг1) = + ¿>/(„) + ЬЩп) - суммарные активная и реактивная проводимости параллельных ветвей схемы замещения СД по продольной оси для п-й гармоники; = + ¿>1?(л) - суммарная реактивная проводимость параллельных

ветвей схемы замещения СД по поперечной оси для п-й гармоники. «

I

Для анализа высших гармонических тока в статорных обмотках СД были рассмотрены следующие схемы электроснабжения высоковольтных электродвигателей (ЭД): через шины НН ГПП предприятий (с силовым двухобмоточным трансформатором; с силовым трансформатором с расщепленными обмотками; с силовым трехобмоточным трансформатором) или через распределительные подстанции 6.. .10 кВ.

В случае питания высоковольтных СД от шин низкого напряжения 6...10 кВ ГПП предприятия с трансформаторами с расщепленными обмотками ток л-й гармоники, протекающий в обмотке статора СД, подключенного к секциям шин (CIII) I с, можно записать в виде

(18)

ток п-й гармоники в обмотке статора СД, подключенного к секциям шин II с - в виде

/вд(»Ь = К- в-н ■ К С2А- К ДЩ)-1, (19)

где Кв-н - комплексный коэффициент деления п-й гармоники намагничивающего тока силового трансформатора между сторонами ВН и НН; КС1_2, КС7Л — комплексные коэффициенты деления п-й гармоники намагничивающего тока СТ

между расщепленными обмотками НН1 - НН2, причем Kc\-i+Kci-\ =1; Кдщ, Кдип - комплексные коэффициенты деления п-й гармоники намагничивающего тока силового трансформатора между обмоткой СД и поперечной емкостной проводимостью питающего кабеля 6... 10 кВ.

Установлены требования к схемным решениям и параметрам систем электроснабжения при геомагнитных бурях, обеспечивающие снижение влияния ГИТ на потребители, в том числе и высоковольтные СД.

1. При выполнении ЛЭП 110...220 кВ полностью кабельной линией или воздушной линией с кабельной вставкой при входе на ГПП для большинства гармонических составляющих будет выполняться условие Кв,и <<1. В этом случае на сторону НН силового трансформатора проникает лишь незначительная часть соответствующей гармоники п намагничивающего тока (в среднем около 5%). Это объясняется существенным шунтирующим эффектом, который оказывает поперечная емкостная проводимость кабельной линии КЛ 110...220.

Однако может найтись такая резонансная гармоника пр, при которой коэффициент деления Кв_и существенно возрастет и будет стремиться к 1. Резонансный контур, образованный емкостью кабельной линии КЛ 110...220 кВ и индуктивностью фазного провода воздушной линии ВЛ 110...220 кВ, является своеобразным фильтром с большим входным сопротивлением для пр гармоники намагничивающего тока. Поэтому ток пр гармоники практически полностью «стекает» на сторону НН силового трансформатора ГПП. Так же возможно заметное увеличение значения коэффициента Кв.и для ряда «околорезонансных» гармоник. Таким образом, кабельная линия или вставка со стороны ВН силового трансформатора ГПП может служить естественной защитой от высших гармоник

намагничивающего тока в случае воздействия геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях для потребителей, включая и СД, на стороне НН.

2. Для всех гармоник намагничивающего тока силового трансформатора ГПП значения модуля комплексного коэффициента деления Кс^2 ~ 0,5. Некоторая несимметрия возможна различием параметров кабельных линий КЛ 6... 10 кВ, питающих СД от секций шин I с и II с. Таким образом, электроснабжение высоковольтных СД через трансформатор с расщепленными обмотками или трехобмоточный трансформатор ослабляет действие гармоник намагничивающего тока силового трансформатора в два раза.

3. Коэффициенты деления Km¡) и Кд(:1) определяются протяженностью кабельных линий КЛ 6... 10 кВ. В этой связи возможны резонансные явления в диапазоне частот наиболее значимых гармоник намагничивающего тока. При этом, чем протяженней будет кабельная линия КЛ 6... 10 кВ, тем ниже порядок резонансной гармоники и соответственно выше уровень воздействия на СД.

Расчеты, выполненные для различных схем электроснабжения высоковольтных ЭД, позволили определить условия, при которых коэффициенты деления Кв_„ и Kc¡_2 (КС2_]) могут принимать максимальное значение Кв_„ =1,

^1-2=1(^2-1=1). а коэффициенты деления Кят, Кдт многократно превысят единичное значение, т.е. Кдт » 1, Кдт» 1.

1. Питание силового трансформатора ГПП осуществляется только от воздушной линии ВЛ 110...220 кВ. При отсутствии шунтирующего действия поперечной емкостной проводимости кабельной линии 110...220 кВ Ьс1 (Ьс1ъ0) высшие гармоники намагничивающего тока силового трансформатора ГПП будут «стекать» на сторону НН, а коэффициент деления соответственно примет максимальное значение »1,0. Критическая длина воздушной линии 1Ю...220кВ определяется параметрами СЭС и может быть определена из выражения

/«»SS- fä;qm в20,3 км, (20)

V*o+'o

где - среднее эквивалентное сопротивления СД по двум осям на частоте

основной гармоники (я=1); г0, х0 - погонные параметры воздушной линии ВЛ 110...220 кВ.

2. Питание СД осуществляется только от одной секции шин, I с или II с. Такая ситуация возможна при проведении ремонтных работ, при аварийном отключении одной из секций НН силового трансформатора. Также такой вариант возможен при электроснабжении высоковольтных СД от ГПП с двухобмоточным трансформатором или от одной секции шин 6 или 10 кВ трехобмоточного трансформатора. В этом случае коэффициенты деления КС1_2 = 1, КС2_, = 0 или

кс\-2 = ксг-\ = 1» т-е- • гармонические составляющие тока намагничивания полностью передаются на сторону НН.

3. Длина кабельной линии КЛ 6... 10 кВ достаточно большая для возникновения резонансных явлений между поперечной емкостной проводимостью КЛ 6... 10 кВ и индуктивной составляющей эквивалентного комплексного

4

i

сопротивления СД в области частот гармоник п>2 намагничивающего тока силового трансформатора.

Критическая длина кабельной линии КЛ6...10кВ, при которой наступают резонансные явления непосредственно в статорных обмотках СД, определяется по выражению:

1 Xj"'m - 1 (21)

где Ьл - погонная емкостная проводимость KJI 6... 10 кВ; xd.,m, Rd.,m - реактивная и активная составляющие эквивалентного комплексного сопротивления СД на частоте основной гармоники (и= 1).

Установлено, критическая длина кабельной линии KJI 6 кВ находится в диапазоне =(2,9 +804) км, критическая длина кабельной линии КЛ 10 кВ - в диапазоне /=(2,66-920) км. При /ет =1№кр ш резонансные явления наступают на частоте гармоники намагничивающего тока; при 'к„ч,т»<'йт <1кл*р ш возможны

резонансные явления на частоте нескольких гармоник намагничивающего тока силового трансформатора, при этом коэффициенты деления кдт «Кдт я 1,0; при практически не реальном, но теоретически возможном случае, когда /яг1И1?т,

резонансные явления будут наблюдаться на частоте всех гармонических составляющих намагничивающего тока силового трансформатора, в этом случае коэффициенты деления Кди)»\, Кдт»1.

Таким образом, наиболее тяжелые последствия для высоковольтных СД наступят в том случае, когда рассмотренные выше условия будут действовать одновременно. В результате высшие гармоники намагничивающего тока силового трансформатора ПШ практически полностью протекают по статорным обмоткам

СД.

В пятой главе разработаны методы расчета геоиндуцированных токов в системе электроснабжения в зависимости от интенсивности и направления вектора распространения геоэлектрического поля при геомагнитной буре и выполнена их компьютерная реализация в расчетной модели СЭС.

В работе показано, что при расчете геоиндуцированных токов в системе электроснабжения применимы законы линейных электрических цепей с активным сопротивлением, где источником является рассчитанное геоэлектрическое поле в данный момент времени, и модели с дискретным заземлением. Если ЛЭП состоит из N¡ прямолинейных участков, то

ж

¿¡Е, cosa,/,

г = м__(22)

■•ГИГ D ' V '

К1

где E¡ - значение напряженности геоэлектрического поля на г'-м прямолинейном участке ЛЭП; а, - угол ориентации г'-го участка ЛЭП относительно направления силовой линии геоэлектрического поля; /,• - длина г-го прямолинейного участка

ЛЭП; - суммарное сопротивление для контура протекания геоиндуцированных токов.

В результате расчетов получено, что с увеличением класса напряжения линии электропередачи, напряженности геоэлектрического поля значения геоиндуцированных токов в линиях электропередач растут. Данное обстоятельство связано с увеличением длин, потоков передаваемых мощностей, уменьшением погонного сопротивления высоковольтных ЛЭП при увеличении их класса. Значения ГИТ при сильных геомагнитных бурях в линиях электропередач могут быть сопоставимы с их рабочими токами в фазе.

При применении многоузловых моделей при расчете ГИТ возникают трудности с определением углов ориентации а, для каждого прямолинейного г'-го участка ЛЭП относительно направления силовой линии геоэлектрического поля. Поэтому для расчета геоиндуцированных токов в СЭС при геомагнитных бурях необходимо задавать матрицу потенциалов геоэлектрического поля в узловых точках расчетной модели Цу. Для этого следует определять географические координаты - расположение объектов СЭС на карте местности. Применение координатной привязки объектов СЭС к географической карте местности позволило учесть влияние направления распространения геоэлектрического поля на величины разностей потенциалов между объектами СЭС и геоиндуцированных токов в ЛЭП. Расчеты показали, что большие значения разностей потенциалов и геоиндуцированных токов наблюдаются при совпадении направлений расположения объектов СЭС на географической карте местности и вектора напряженности геоэлектрического поля.

Разработанный метод расчета геоиндуцированных токов реализован в пакете расширения БтиИпк системы МАНАВ с применением модернизированных стандартных блоков, имеющихся в библиотеке 8т1Ро\уег8уз1етз. Модернизация стандартных блоков, имеющихся в библиотеке SimPowerSystems, позволила моделировать процессы насыщения силовых трансформаторов при геомагнитных бурях и определять достоверные значения токов намагничивания, геоиндуцированные токи, мгновенные значения токов и напряжений в элементах СЭС, а также выполнять их гармонический анализ для оценки влияния геомагнитных бурь на электроснабжение потребителей и устанавливать критерии допустимых значений ГИТ и параметров СЭС при геомагнитных бурях.

Для оценки влияния ГИТ на электроснабжение потребителей разработана модель системы электроснабжения городского округа Тольятти, которая является частью энергосистемы Самарской обл. Характерные черты СЭС г.о. Тольятти присущи для любой мощной СЭС: наличие крупных источников питания -тепловые электростанции и гидроэлектростанция (ЭС); наличие межсистемных и внутрисистемных линий связи напряжением 110, 220 и 500 кВ и крупных узловых трансформаторных подстанций (ТП) с классами напряжений 500/220/110, 220/110/10 кВ. В модели СЭС учтены подстанции для электроснабжения промышленной и городской нагрузки с классами напряжений 220/10, 110/10, 110/6,3 кВ. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы ЭС и ТП СЭС выполнены с заземленными нейтралями. В СЭС г.о. Тольятти присутствует большое количество длинных ЛЭП всех классов напряжений, ориентированных в основном в

направлении запад - восток. Поэтому при интенсивной геомагнитной буре и при совпадении направления распространения геоэлектрического поля с направлением расположения объектов СЭС на географической карте местности возможны значительные по величине геоиндуцированные токи в нейтралях и заземленных обмотках СТ и фазных проводах ЛЭП, которые могут привести к нарушению электроснабжения потребителей. Координатная привязка базовых объектов СЭС к географической карте местности приведена на рисунке 11. Изменение напряженности геоэлектрического поля при геомагнитной буре в расчетной модели принято типичным с максимальными значениями 6, 10, 15, 20 В/км. Направление горизонтальной компоненты напряженности геоэлектрического поля Ем при компьютерном моделировании принято запад - восток и показано на рисунке 11.

* ЗЙЙг* 1 "ФЧЙ'ВКз»*1 ИШВШйШшгг®

вЮШЙШ

Рисунок 11 - Координатная географическая привязка базовых объектов, входящих в СЭС г.о. к географической карте местности

В расчетной модели принято: воздействие импульса напряженности геоэлектрического поля на СЭС начинается с начала расчета модели. До 370 с и после 1740 с величина индуцированного геоэлектрическим полем напряжения между заземлителями подстанций СЭС не превышает 14 В. Поэтому расчет режимов работы СЭС при геомагнитных бурях выполнен с 370 с по 1740 с.

Расчеты выполнены для двух подстанций: ГПП-70 (подстанция «КуйбышевАзот»), электроснабжение которой осуществляется от «короткой» линии В Л 110 кВ длиной 11,47 км, и «Елховка», электроснабжение которой осуществляется от «длинной» линии В Л 110 кВ длиной 54,4 км. На подстанциях установлены силовые трансформаторы типа ТРДН-63000/115/6,3/6,3. Основной нагрузкой подстанций являются высоковольтные синхронные двигатели.

На рисунках 12 и 13 приведены результаты компьютерного моделирования при различных интенсивностях геоэлектрического поля - геоиндуцированные токи в фазе обмотки ВН и осциллограммы токов намагничивания силового

трансформатора Т1 подстанции «Елховка». Форма кривой геоиндуцированного тока в обмотке ВН силового трансформатора Т1 повторяет форму кривой импульса геоэлектрического поля, максимальная величина ГИТ определяется максимальным значением напряженности геоэлектрического поля Е(лу) и составляет от 15,4 А для Е(х,у) = 6 В/км до 82,6 А для Е(Х,у) = 20 В/км. При Е(Х:У) = 6 В/км амплитудные значения тока намагничивания достигают значений 151 А, Е(х,у) = 20 В/км - 645 А. Кривая тока намагничивания сильно искажена, наблюдается эффект однополупериодной

Рисунок 12 - Геоиндуцированные токи в фазе обмотки ВН силового трансформатора Т1 подстанции «Елховка»

■ Е В/хм Я ЕЫОВЛш Я ЕЧВВЛш 1 ..... .......... .........

( :1 У......

1

! I 1

-;-1—-1 1

1гв" 1280.01 1200.02 1280.03 1 260.04 1290.06 I, С

Рисунок 13 - Осциллограммы тока намагничивания силового трансформатора Т1

подстанции «Елховка»

Полученные результаты компьютерного моделирования находятся в хорошем качественном согласии со статистическими данными по воздействию ГИТ на системы электроснабжения.

В шестой главе рассмотрены условия обеспечения эффективного функционирования по несинусоидальности напряжения для высоковольтных

электродвигателей при геомагнитных бурях. Показано, что параметры источника высших гармоник в СЭС при воздействии ГИТ, которым является контур намагничивания силового трансформатора, зависят от величины ГИТ, определяемого параметрами СЭС и параметрами геоэлектрического поля, и не зависят от коэффициента загрузки силового трансформатора.

В диссертации исследовалось влияние параметров СЭС, например длин воздушных ЛЭП 110...220 кВ, коэффициента загрузки силового трансформатора и интенсивности геоэлектрического поля на несинусоидальность тока и напряжения на шинах ВН и шинах потребителей силовых трансформаторов ГПП.

На рисунках 14 и 15 приведены результаты компьютерного моделирования в виде осциллограмм тока и линейчатых спектров гармонических составляющих тока обмотки НН силового трансформатора Т1 ТРДН-63 000/115/6,3/6,3 подстанции «Елховка» для момента времени 1290 с при различных интенсивностях

подстанции «Елховка»

Рисунок 15 - Линейчатые спектры гармонических составляющих тока обмотки НН силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 ГПП «Елховка»

В кривой тока отсутствуют постоянная и кратные 3-м гармонические составляющие. При Е^ = 6 В/км 2-я, 4-я и 5-я гармонические составляющие тока составляют соответственно 2; 2,1; 2,4 % и при Еш = 20 В/км - соответственно 4,9; 2,5 и 3,8 %. Полный коэффициент гармоник тока в обмотке НН силового трансформатора при интенсивностях геоэлектрического поля Еы = 6 - 20 В/км составляет К1(п) = 3,37 - 6,67 %.

На рисунках 16 и 17 приведены результаты компьютерного моделирования в виде осциллограмм напряжения и линейчатых спектров гармонических составляющих напряжения обмотки НН силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 подстанции «Елховка» для момента времени 1290 с при различных интенсивностях геоэлектрического поля. Кривые напряжения обмотки НН силового трансформатора искажены значительно.

Рисунок 16 - Осциллограммы напряжения обмотки НН силового трансформатора

Т1 подстанции «Елховка»

КЕ-бВ/км

■ Е=10В/км И Е-15 В/км Е=20 В'кк

.мл

_5___б 7 а 9 10 II 12 13 14 15 16

Рисунок 17 - Линейчатые спектры гармонических составляющих напряжения обмотки НН силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 ГПП «Елховка»

Полный коэффициент гармоник напряжения обмотки НН силового трансформатора при интенсивностях геоэлектрического поля %у; = 6 - 20 В/км соответственно составляет Ки(п) = 16,0 - 22,29 % и превышает предельное значение Кщп) = 8%, нормируемое ГОСТ Р 54149-2010. Линейчатые спектры показывают, что

отсутствуют гармонические составляющие кратные 3-м, однако четные и нечетные гармонические составляющие превышают значения, нормируемые ГОСТ Р 541492010 для сетей напряжением 6 кВ.

Расчеты показали, увеличение длин высоковольтных воздушных ЛЭП 110...220 кВ и напряженности геоэлектрического поля и в меньшей степени снижение коэффициента загрузки силового трансформатора приводят к усилению высших гармонических тока и напряжения на шинах ВН силового трансформатора ГПП и шинах питания потребителей.

Высшие гармонические составляющие, присутствующие во временных зависимостях токов статорных обмоток СД приводят к дополнительным потерям мощности, к появлению дополнительных составляющих электромагнитного момента, к ухудшению и даже нарушению статической устойчивости. Наиболее опасны для СД дополнительные потери мощности, вызывающие увеличение температуры изоляции, особенно в пазовой части статорных обмоток в период ГМБ. В диссертации исследованы высшие гармонические тока в статорных обмотках СД, подключенных к шинам НН подстанции «Елховка», питаемой от «длинной» ВЛ, и для сравнения - шинам НН ГПП «КуйбышевАзот», питаемой от «короткой» ВЛ 110 кВ. При питании СД от ГПП «КуйбышевАзот» величина дополнительных потерь составит ДРЛ(л) s 136 + 146 Вт. Таким образом, в случае питания ГПП «короткой» линией В Л 110 кВ дополнительные потери от высших гармоник намагничивающего тока не способны сколько-нибудь существенно снизить коэффициент полезного действия СД. В условиях питания от «длинной» линии ВЛ 110кВ - подстанции «Елховка» - уровень высших гармоник тока в статорных обмотках СД многократно возрастает (особенно 2-я, 4-я и 5-я гармоники). В результате возрастают и дополнительные потери мощности в СД от высших гармоник тока, достигая уровня &РД„ =25,7 - 27,5 кВт (11 - 12% от потерь мощности в номинальном режиме).

Однако, когда = 1, Кс^= \ (КС2_, =1), Кдт«Кдт« 1,0, и, если эти условия выполняются одновременно, для СД могут наступить наиболее тяжелые последствия. В результате высшие гармоники намагничивающего силового трансформатора Т1 практически полностью протекают по статорным обмоткам СД, т.е.

а при питании СД от «длинных» кабельных линий (когда > и

коэффициенты деления KW), Кд<!!) могут многократно превысить единичное значение, т.е. Кдт » 1, Кдт » 1)

/««>/ад- (24>

При соблюдении условия (23) дополнительные потери мощности в СД от высших гармоник тока превысят уровень потерь мощности в номинальном режиме примерно в 1,43 раза и достигнут ДР^, =321,7 кВт, и возможен перегрев С Д. Следует отметить, что основной вклад в образование дополнительных потерь вносят 2-я и 4-я гармоники намагничивающего тока силового трансформатора - дополнительные потери от этих гармоник составляют ДРд„ =282,9 301,2 кВт. Коэффициент

полезного действия СД от дополнительных потерь, обусловленных высшими гармоническими тока, снизится на 3,2%.

При анализе асинхронных моментов синхронного двигателя при наличии геоиндуцированных токов в системе электроснабжения установлено, что при неблагоприятном сочетании условий, когда Кв_„=\, Ка_2 = 1 (КС1.} = 1),

кдт " кдт а !>° > относительная величина асинхронного момента, обусловленная наиболее значимой 2-й гармоникой намагничивающего тока силового трансформатора, составит около М\т з 5,2%. Такое значение асинхронного момента способно оказать влияние на механическое движение ротора и нарушить устойчивую работу СД в случае номинальной нагрузки на валу в условиях пониженного напряжения питания.

Таким образом, для решения проблемы снижения влияния геоиндуцированных токов на электроснабжение потребителей рекомендуется учитывать два взаимосвязанных направления:

1- Обеспечение нормального функционирования силовых трансформаторов

11111 потребителей при геомагнитных бурях;

2. Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) электродвигательной

нагрузки 6... 10 кВ на шинах их питания при геомагнитных бурях.

_Для обеспечения нормального функционирования силовых трансформаторов

11П1 потребителей при геомагнитных бурях установлено:

1. Аварийная перегрузка силовых трансформаторов ГПП СЭС типа ТРДН и ТРДДН мощностью 25...80 МВА напряжением 115/10,5/10,5 и 115/6,3/6,3 допустима в пределах 18 - 32% при температуре окружающего воздуха &вг =20°С. Нижнее значение соответствует мощности 25 МВА, верхнее - 80 МВА. При температуре окружающего воздуха =40°С предельно допустимая нагрузка силовых трансформаторов снижается на 10 %.

2. На основании ограничений по превышению температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха определено предельное время протекания ГИТ по обмоткам силовых трансформаторов от величины ГИТ, и соответственно интенсивности ГМБ. Например, для силового трансформатора ТРДН-63000/115/6,3/6,3 при температуре окружающего воздуха ©W=20°C установлено предельно возможное время протекания 1ГИТ = 45 А - 825 с, 1ГИТ = 115 А - 100 с, т.е. увеличение ГИТ в обмотке ВН силового трансформатора в 2,55 раза приводит к снижению допустимого времени протекания ГИТ, при котором температура стенки бака над температурой воздуха достигает предельно допустимого значения, в 8,25 раз.

3. В районах с повышенной геомагнитной активностью необходимо организовать мониторинг датчиками температуры наиболее нагретых точек стенок бака, а также обмоток силовых трансформаторов для контроля их температуры при геомагнитных бурях, т.к. современные системы мониторинга силовых трансформаторов средней мощности в РФ не предусматривают контроль теплового состояния бака и обмоток силового трансформатора при геомагнитных бурях. В качестве датчиков температуры рекомендуется использовать оптоволоконные

температурные сенсоры. Определить места установки датчиков температуры на <

I

стенках бака и обмотках CT позволят разработанные методы расчета максимальных удельных дополнительных потерь активной мощности и определения температуры наиболее нагретой точки от координат на стенке бака при ГМБ.

Для обеспечения ЭМС электродвигательной нагрузки 6... 10 кВ при геомагнитных бурях выработаны требования к СЭС, обеспечивающие допустимый уровень несинусоидальности кривой напряжения на шинах их питания.

1. С целью обеспечения ЭМС электродвигательной нагрузки 6... 10 кВ с питающей сетью при геомагнитных бурях электроснабжение высоковольтных электродвигателей должно выполняться через силовые трансформаторы ГПП с расщепленными обмотками или трехобмоточные СТ. Недопустимо отключение одной секции СШ НН силовых трансформаторов ГПП при геомагнитных бурях.

2. В районах с повышенной геомагнитной активностью для удаленных ГПП с длиной воздушной линии ВЛ 110...220 kB LMgp >20,3 км рекомендуется включение

кабельных вставок. Кабельная линия или вставка со стороны ВН силового трансформатора ГПП может служить естественной защитой - фильтром от высших гармоник намагничивающего тока при геомагнитных бурях для потребителей на стороне НН ГПП, включая и СД, за счет увеличения емкостной поперечной проводимости линии электропередачи 110...220 кВ, питающей ГПП.

3. Для исключения резонансных явлений в статорных обмотках СД необходимо ограничение длины кабельных линий 6...10 кВ (не более 500 - 1000 м), питающих СД. Недопустимо электроснабжение высоковольтных электродвигателей от «длинных» кабельных линий 6... 10 кВ: Ькл6 >2,9 км, 1ет10 ¿2,66 км. При удаленном расположении потребителей от шин НН ГПП для снижения длин отдельных участков кабельных линий 6... 10 кВ следует устанавливать промежуточные РП 6,.. 10 кВ.

В зонах геомагнитной активности, а по данным специалистов Metateach Corp. большая часть СЭС России подвержена влиянию геоиндуцированных токов, необходим постоянный мониторинг геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов. Совместно с регистрацией квазипостоянных токов в нейтралях силовых трансформаторов необходим анализ сопутствующих факторов - исследование токов и напряжений в обмотках силовых трансформаторов на присутствие четных высокочастотных составляющих при ГМБ с учетом вклада и изменения параметров потребителей, чтобы отсечь составляющие техногенного характера. Для этого в аппаратную часть системы мониторинга силового трансформатора следует ввести: систему анализа спектров сигналов в нейтрали -обнаружение квазипостоянной составляющей сигнала; систему анализа спектров сигналов в обмотках ВН и НН - обнаружение четных высокочастотных составляющих сигналов при геомагнитных бурях.

Блок - схема разработанной системы измерения ГИТ в нейтрали силового трансформатора приведена на рисунке 18. В качестве датчика тока (ДГ) в разработанной системе измерения ГИТ используются токовые клещи - модель APPA39MR с частотным диапазоном от 0 до 10000 Гц, в основе работы которых лежит эффект Холла. Центр сбора данных располагается на пультовой, удаленной от места замера ГИТ на расстояние I. Для корректной оцифровки сигнала разработан блок усиления (БУ), позволяющий усилить аналоговый сигнал, поступающий с

датчика тока по экранированному кабелю ЭКС-ГВППЗ-5Е и отфильтровать его. Блок усиления имеет возможность выбора коэффициента усиления. Питание на БУ поступает по тому же кабелю с пультовой от гальванически развязанного источника питания. Усиленный и отфильтрованный сигнал с блока усиления поступает на модуль сбора и оцифровки сигнала N1-6289. За основу промышленного персонального компьютера (ПК) взята платформа РХ1 со встроенным контроллером МРХ1-8133.

ПУЛЬТОВАЯ

Рисунок 18 - Блок - схема измерения геоиндуцированного тока в нейтрали силового

трансформатора

Система регистрации ГИТ в нейтралях силовых трансформаторов при геомагнитных бурях удовлетворяет следующим условиям: непрерывное измерение в течение 24 часов и 7 дней в неделю, возможность удалённого мониторинга измерений (просмотр состояния и изменения настроек), а также удалённого сбора информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы разработаны основы теории и эффективных режимов функционирования систем электроснабжения потребителей при воздействии геоиндуцированных токов, позволяющие достигать наиболее эффективных решений целого ряда технико-экономических задач на стадии проектирования, эксплуатации и реконструкции систем электроснабжения при геомагнитных бурях.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработана концепция моделирования процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями и выполнено математическое обоснование нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от величины и времени протекания геоиндуцированного тока по заземленным обмоткам, что позволит достоверно определять амплитудные и действующие значения несинусоидальных токов намагничивания и полных рабочих токов при протекании геоиндуцированных токов по заземленным обмоткам силовых трансформаторов.

\

2. Разработаны методологические подходы к расчету тепловых процессов силовых трансформаторов при геомагнитных бурях, позволяющие определять дополнительные добавочные потери и дополнительные основные потери, и температуру наиболее нагретой точки бака и обмоток силового трансформатора, вызванных увеличением рабочего тока в обмотках за счет протекания геоиндуцированного тока и резкого возрастания несинусоидального тока намагничивания.

3. Установлены критерии предельного времени протекания и допустимых значений геоиндуцированных токов в заземленных обмотках ВН силовых трансформаторов типов ТРДН и ТРДЦН напряжением 115/10,5/10,5 и 115/6,3/6,3, применяемых на ГПП, определяющих их нагрузочную способность для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей при геомагнитных бурях.

4. Разработаны принципы моделирования несинусоидальных режимов работы систем электроснабжения с высоковольтной электродвигательной нагрузкой при намагничивании магнитной системы силовых трансформаторов ГПП СЭС геоиндуцированными токами. Доказано, что для анализа токов высших гармоник, протекающих в статорных обмотках СД при намагничивании магнитной системы силового трансформатора ГПП геоиндуцированными токами, контур намагничивания силового трансформатора может быть учтен введением источника и-х гармонических составляющих намагничивающего тока, а синхронные двигатели

средним эквивалентным комплексным сопротивлением синхронного электродвигателя для п-й гармоники.

5. Установлены технические требования к принципам построения систем электроснабжения при геомагнитных бурях, обеспечивающие снижения влияния геоиндуцированных токов на силовые трансформаторы и потребители, в том числе и высоковольтные электродвигатели: включение кабельных вставок или выполнение ЛЭП 110...220 кВ кабельными линиями; ограничение длин воздушных ЛЭП 110...220 кВ (/„„,<20,3 км); электроснабжение высоковольтных электродвигателей

через силовой трансформатор с расщепленными обмотками или трехобмоточный силовой трансформатор; ограничение длин кабельных линий 6... 10 кВ (не более 500 - 1000 м), питающих высоковольтные электродвигатели. - При удаленном расположении потребителей от шин НН ГПП для снижения длин отдельных участков кабельных линий 6... 10 кВ следует устанавливать промежуточные РП 6...10 кВ.

6. Разработаны методы расчета геоиндуцированных токов в элементах систем электроснабжения с учетом их географического расположения на карте местности, и выполнен анализ их влияния на режимы работы силовых трансформаторов и высоковольтных электродвигателей. Компьютерная реализация разработанных методов в пакете расширения Simulink системы MATLAB с применением модернизированных стандартных блоков, имеющихся в библиотеке SimPowerSystems, позволяет моделировать процессы насыщения силовых трансформаторов при геомагнитных бурях и достоверно определять токи намагничивания, геоиндуцированньге токи, мгновенные значения токов и напряжений в элементах СЭС, а также выполнять их гармонический анализ для оценки влияния геоиндуцированных токов на электроснабжение потребителей и

устанавливать критерии на допустимые значения ГИТ и параметры СЭС при геомагнитных бурях.

7. Разработаны методы расчета несинусоидальности напряжения на шинах ВН силовых трансформаторов и потребителей во время геомагнитных бурь различной интенсивности, позволяющие расчетным путем определять условия электромагнитной совместимости электродвигателей 6...10кВ с системой электроснабжения и не допускать нарушений требований ГОСТ Р 54149 - 2010 на качество электроэнергии. Показано, что интенсивность геоэлектрического поля и параметры системы электроснабжения, например, длина ЛЭП 110...220 кВ, коэффициент загрузки силового трансформатора оказывают влияние на несинусоидальность напряжения на шинах ВН ГПП и шинах питания потребителей.

8. Разработаны рекомендации по снижению влияния геомагнитных бурь на электроснабжение потребителей, сочетающие, с одной стороны, требования к обеспечению нормального функционирования силовых трансформаторов ГПП с учетом изменения их нагрузочной способности в период воздействия ГИТ, а с другой стороны, требования к обеспечению эффективного функционирования электродвигательной нагрузки 6... 10 кВ за счет схемных решений систем электроснабжения для ослабления высших гармоник тока в обмотках двигателей до безопасного уровня в период воздействия ГИТ.

9. Разработана система мониторинга геоиндуцированных токов в нейтралях силовых трансформаторов при геомагнитных бурях, удовлетворяющая условиям: непрерывное измерение в течение 24 часов и 7 дней в неделю, возможность удалённого мониторинга измерений (просмотр состояния и изменения настроек) и удалённого сбора информации. Система мониторинга позволяет отслеживать квазипостоянную составляющую тока в нейтралях и четные высокочастотные гармонические составляющие тока и напряжения в обмотках ВН и НН силовых трансформаторов при геомагнитных бурях в реальном времени.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вахнина, В.В. Особенности питания синхронной нагрузки при воздействии геоиндуцированных токов на понизительную подстанцию / В.В. Вахнина, A.A. Кувшинов, М.С. Макеев // Промышленная энергетика. - 2013. -№4. -С. 40-47.

2. Вахнина, В.В. Влияние параметров системы электроснабжения и геоэлектрического поля на электромагнитную совместимость потребителей при геомагнитных бурях / В.В. Вахнина // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. - 2013. - № 1(23). - С. 72 - 76.

3. Вахнина, В.В. Математическая модель силового трансформатора при воздействии геомагнитных бурь на системы электроснабжения / В.В. Вахнина, Д.А. Кретов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. -2012. - № 4(22). - С. 141 -144.

4. Вахнина, В.В. Анализ статической устойчивости синхронного генератора с учетом высших гармоник тока в цепи статора / В.В. Вахнина, A.A.

Кувшинов, H.A. Лень // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2012. - № 3. - С. 51 - 59.

5. Вахнина, В.В. Влияние геоиндуцированных токов на насыщение магнитной системы силовых трансформаторов / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, В.А. Кузнецов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета.

- 2012. - № 3(21). - С. 65 - 69.

6. Вахнина, В.В. Определение допустимых уровней геоиндуцированных токов для обеспечения работоспособности силовых трансформаторов при геомагнитных бурях [Электронный ресурс] / В.В. Вахнина, Д.А. Кретов // Науковедение : интернет-журнал. - 2012. - № 3 (12). - URL : http://naukovedenie.ru/sbornikl2/12-93.pdf; свободный. - Загл. с экрана.

7. Вахнина, В.В. Тепловая нагрузка бака силового трансформатора при глубоком насыщении магнитной системы / В.В. Вахнина, В.Н. Кузнецов, В.А. Шаповалов, Д.А. Кретов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. - 2011. - № 4 (17). - С. 21 - 33.

8. Вахнина, В.В. Выявление и анализ природных и неприродных воздействий при прогнозировании величины почасового электропотребления района города - субъекта оптового рынка электрической энергии и мощности / В.В. Вахнина, П.А. Киселяускас, Э.Ф. Хафизов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2008. - № 11 -12. - С. 137 -143.

9. Вахнина, В.В. Расчет высших гармоник тока и напряжения при работе дуговой сталеплавильной печи / В.В. Вахнина, H.A. Черненко // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2006. - № 11 - 12. - С.16-19.

Ю.Вахнина, В.В. Определение частотных характеристик напряжения в системах электроснабжения при работе дуговых сталеплавильных печей / В.В. Вахнина // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. -1993.

- № 6. - С. 58-59.

П.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008611506. Модель системы электроснабжения города / В.В. Вахнина, В.Д. Селемир, В.И. Карелии, В.А. Шаповалов, В.В. Горохов. - Заявка № 2008610550; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 25.03.2008.

12.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012660528. Модель двигательной нагрузки системы электроснабжения / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев. - Заявка № 2012616731; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22.11.2012.

13.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013611831. Модель высоковольтного выключателя / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, В.А. Шаповалов. - Заявка № 2012661759; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.

14.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611832. Модель линии электропередач / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, В.А. Кузнецов. - Заявка № 2012661752; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.

15.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611833. Модель ветви намагничивания силового трансформатора / В.В.

Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, Д.А. Кретов. - Заявка № 2012661751; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.

16. Вахнина, В.В. Моделирование режимов работы силовых трансформаторов систем электроснабжения при геомагнитных бурях : монография / В .В. Вахнина. - Тольятти : Изд-во ТГУ, 2012. - 104 с.

17. Вахнина, В.В. Исследования асинхронного двигателя по уравнениям обобщенной электрической машины : учебное пособие. / В.В. Вахнина, В.А. Шаповалов, Л.И. Карковский. - Тольятти : Изд-во ТГУ, 2009. -119 с.

18. Вахнина, В.В. Тепловые процессы в силовых трансформаторах станций и подстанций при квазипостоянных токах / В.В. Вахнина, В.Д. Селемир, В.И. Карелин, В.А. Шаповалов // Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем: Энерго-2012 : труды Всероссийской научно-практической конференции. - М. : Издательский дом МЭИ, 2012.-С. 109-111.

19. Вахнина, В.В. Особенности расчета геоиндуцированных токов в системах электроснабжения / В.В. Вахнина, В.А. Кузнецов, Д.А. Кретов // Федоровские чтения - 2012 : сборник трудов ХЫ1 Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием); под общ. ред. Б.И. Кудрина, Ю.В. Матюниной. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 27 - 31.

20. Вахнина, В.В. Влияние геоиндуцированных токов на увеличение тепловых потерь в обмотках силового трансформатора от вихревых токов / В.В. Вахнина, Д.А. Кретов // Научная дискуссия: инновации в технических, естественных, математических и гуманитарных науках : материалы Ш Международной заочной научно-практической конференции : в 2 ч. - М. : Изд-во «Международный центр науки и образования», 2012. - Ч. 1. - С.39 - 46.

21. Вахнина, В.В. Влияние геомагнитных индуцированных токов на работу силовых трансформаторов / В.В. Вахнина, В.А. Кузнецов // Энергетика глазами молодежи : сборник докладов Ш Международной научно-технической конференции : в 2 т. - Екатеринбург, 2012. - Т.2. - С.351 - 354.

22. Вахнина, В.В. Моделирование ветви намагничивания силового трансформатора при геомагнитных бурях в математической среде МАТЪАВ /В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, Д.А. Кретов, В.А. Кузнецов // Физико-математические науки и информационные технологии: теория и практика : материалы Международной заочной научно-практической конференции. - Новосибирск : Изд -во «СибАК», 2012. - С. 67 - 75.

23. Вахнина, В.В. Насыщение магнитной системы силовых трансформаторов при геомагнитных бурях / В.В. Вахнина, В.А. Шаповалов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сборник трудов IV Международной научно-технической конференции : в 2 ч. - Тольятти: Изд-во ТГУ, 2012.-4.2.-С. 20-25.

24. Вахнина, В.В. Модель дифференциальной токовой защиты силового трансформатора / В.В. Вахнина, Н.А. Черненко // Проблемы электротехники, электроэнергетики и элекгротехнологии: сборник трудов IV Международной научно-технической конференции : в 2 ч. - Тольятти : Изд-во ТГУ, 2012. - 4.2. -С. 16-19.

25. Вахнина, В.В. Применение ГИС-технологий для моделирования системы электроснабжения города / В.В. Вахнина, В.А. Шаповалов, А.Н. Черненко // Федоровские чтения - 2011 : сборник трудов XLI Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием); под общ. ред. Б.И. Кудрина, Ю.В. Матюниной. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011.-С. 121-123.

26. Вахнина, В.В. Расчеты функционирования региональных электроэнергосистем при развитии аварийных ситуаций / В.В. Вахнина, В.Д. Селемир, В.И. Карелин, В.В. Горохов, В.А. Шаповалов, А.Н. Черненко // Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем: Энерго-2010 : труды Всероссийской научно-практической конференции. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 123 - 124.

27. Вахнина, В.В. Влияние грозовых перенапряжений на возникновение системных аварий в Самарской электроэнергетической системе / В.В. Вахнина, В.А. Кузнецов // Энергосбережение на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства : труды Всероссийского'научно-практического семинара. - Салават, 2010. - С. 59 - 61.

28. Вахнина, В.В. Моделирование режимов работы нелинейной дуговой нагрузки / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии : сборник трудов III Международной научно-технической конференции : в 3 ч. - Тольятти : Изд-во ТГУ, 2009. -4.1. -С.108 -110.

29. Вахнина, В.В. Математическое моделирование электрических сетей с изолированной нейтралью / В.В. Вахнина, С.С. Чертаков, А.Н. Черненко // Материалы и технологии XXI века : сборник статей VI Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2008. - С. 57 - 58.

30. Vahnina, V.V. Forecasting of electric energy urban demand with the regard for natural and human factor / V.V. Vahnina, E.F. Hafizov, P.A. Kiselyauskas // Prognozove w Elektroenegetyce : 9th international conference Politechnika Czestochowska konferencje 63, PE 2008. - P. 21 - 26.

31. Вахнина, В.В. Анализ особенностей электрических сетей с изолированной нейтралью методами математического моделирования / В.В. Вахнина, С.С. Чертаков, А.Н. Черненко // Энергетика и энергоэффективные технологии : сборник докладов II Международной научно-технической конференции. - Липецк : ЛГТУ, 2007. - С. 57 - 58.

32. Вахнина, В.В. Математическое моделирование как научно-техническое направление в электромеханике / В.В. Вахнина, В.А. Шаповалов, Л.И. Карковский // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии : труды II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. -Тольятти : ТГУ, 2007. - С. 62 - 68.

33. Вахнина, В.В. Модель системы энергоснабжения города / В.В. Вахнина // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии : труды П Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. -Тольятти : ТГУ, 2007. - С. 74 -75.

34. Вахнина, В.В. Совершенствование и повышение эффективности действия релейной защиты от замыканий на землю / В.В. Вахнина, Р.С. Томкин // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном

комплексах : сборник статей VII Международной научно-практической конференции. - Пенза, 2006. - С. 146 - 147.

35. Вахнина, В.В. Содержание высших гармоник в низковольтных сетях /

B.В. Вахнина, А.Н. Черненко // Современные промышленные технологии : материалы V Всероссийской научно-технической конференции. - Н. Новгород, 2006.-С. 19-20.

36. Вахнина, В.В. Некоторые особенности режимов работы электрических сетей с изолированной нейтралью / В.В. Вахнина, В.А. Шаповалов, А.Н. Черненко И Энергетика и Энергоэффективные технологии : материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ. - Липецк : ЛГТУ, 2006. -

C. 24 - 27.

37. Vahnina, V.V. Normalization of upper voltage harmonics on power rails of arc steel - smelting furnace / V.V. Vahnina // Numeral Methods and Computer Systems in Automatic Control and Electrical Engineering : Central European VI Conference : Monograph. - Czestochowa University of Technology, 2005. - P. 77 - 79.

38. Вахнина, В.В. Анализ динамических характеристик системы автоматического регулирования дуговых сталеплавильных печей / В.В.Вахнина // Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий : сборник статей V Международной научно - практической конференции. -Мариуполь, 2005. - С. 33 - 35.

39. Вахнина, В.В. Автоматизированные системы непрерывного контроля состояния силовых трансформаторов / В.В. Вахнина, Э.Ф. Хафизов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии : труды Всероссийской научно-технической конференции : в 2 ч. - Тольятти : Изд-во ТГУ, 2004. - 4.2. -

40. Вахнина, В.В. Определение высших гармоник тока и напряжения в точке подключения дуговой сталеплавильной печи к питающей системе электроснабжения / В.В. Вахнина, В.М. Салтыков // Наука производству. - 2003. - № 11. - С. 12 - 13.

41. Вахнина, В.В. Анализ влияния силового оборудования на изменение высших гармоник напряжения, генерируемых ДСП, в питающей системе электроснабжение / В.В. Вахнина, В.М. Салтыков // Наука, техника, образование г. Тольятти и Волжского региона : межвузовский сборник научных трудов: в 2 ч. -Тольятти: Изд-во ТЛИ, 2000. - 4.2. - С. 259 - 263.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованные в работах [2,10,16,33,37,38], написаны лично автором. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: постановка задачи и разработка математических моделей [27-31,40], разработка математических моделей и алгоритмов [11-15], методический подход, обобщения и выводы [1,39,17,18-23,32,34-36,39,41], расчетная часть [4,17,24-26].

С. 23-25.

Красноказарменная ул.,д.13

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

05201350838

Вахнина Вера Васильевна

РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕОРИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор

Кудрин Борис Иванович

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 18 ПОТРЕБИТЕЛЕЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ГЕОИНДУЦИРОВАННБ1Х ТОКОВ

1.1 Проблемы обеспечения надежности электроснабжения 18 потребителей

1.2 Основные параметры геоэлектрических полей при геомагнитных 22 бурях

1.3 Анализ воздействия геомагнитных бурь на режимы работы 33 электротехнических комплексов и нарушение электроснабжения потребителей

1.4 Постановка целей и задач исследования 47

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАСЫЩЕНИЯ 51 МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

ПРИ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЯХ

2.1 Характеристики ферромагнитных материалов, работающих 52 одновременно в переменном и постоянном магнитных полях

2.2 Модель обмотки силового трансформатора с бесконечным 58 ферромагнитным сердечником

2.3 Модель обмотки силового трансформатора с бесконечным 71 ферромагнитным сердечником и цилиндрической магнитной оболочкой

2.4 Исследование процессов насыщения силовых трансформаторов 79 при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями

2.5 Математическая модель силового трансформатора с учетом 94 нелинейности взаимной индуктивности

2.6 Выводы по 2 главе 99

3 РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАЛЬНОГО 102 ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

ГПП С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЯХ

3.1 Анализ процессов газообразования в баке силового 102 трансформатора при протекании геоиндуцированных токов по

его обмоткам

3.2 Разработка метода расчета дополнительных потерь и 109 температуры наиболее нагретой точки бака силового трансформатора от вихревых токов

3.3 Расчет удельных и полных дополнительных потерь активной 113 мощности стенок бака силового трансформатора. Определение приращения температуры наиболее нагретой точки бака

силового трансформатора без учета теплообмена

3.4 Определение приращения температуры наиболее нагретой точки 132 бака силового трансформатора с учетом теплообмена

3.5 Разработка метода расчета потерь в обмотках силовых 143 трансформаторов при протекании геоиндуцированных токов в системе электроснабжения

3.6 Определение допустимых значений геоиндуцированных токов с 157 учетом нагрузочной способности силовых трансформаторов ГПП систем электроснабжения при геомагнитных бурях

3.7 Выводы по 3 главе 164

4 ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ, 167 ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПРОТЕКАНИИ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, НА РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

4.1 Особенности расчета несинусоидальности напряжения 167

распределительной сети систем электроснабжения потребителей

в присутствии геоиндуцированных токов

4.2 Схемы замещения элементов систем электроснабжения для 176 высших гармоник

4.3 Определение допустимых параметров систем электроснабжения, 195 обеспечивающих снижение влияния геоиндуцированных токов

на высоковольтные электродвигатели

4.4 Выводы по главе 4 206

5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ 208 ВЛИЯНИЯ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ НА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

5.1 Особенности расчета геоиндуцированных токов в системах 208 электроснабжения

5.2 Реализация привязки объектов моделируемой системы 214 электроснабжения к географическим координатам. Анализ

влияния направления распространения геоэлектрического поля на величину геоиндуцированного тока

5.3 Программная реализация режимов работы систем 223 электроснабжения при геомагнитных бурях

5.4 Модели элементов системы электроснабжения в присутствии 234 геоиндуцированных токов

5.5 Моделирование режимов работы системы электроснабжения 258 городского округа Тольятти при геомагнитных бурях

5.6 Выводы по главе 5 271

6 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 273 ПО НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ПРИ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЯХ

6.1 Определение параметров источника высших гармоник - тока 273 намагничивания силового трансформатора ГПП

6.2 Нормирование допустимых уровней гармоник в точке передачи 283

электрической энергии

6.3 Расчет несинусоидальности тока и напряжения на шинах ВН и 287 НН силового трансформатора с учетом параметров геоэлектрического поля и системы электроснабжения

6.4 Анализ высших гармонических тока в статорных обмотках 298 высоковольтных синхронных двигателей при геомагнитных

бурях

6.5 Анализ асинхронных моментов синхронного двигателя 304 при протекании геоиндуцированных токов в системе электроснабжения

6.6 Разработка рекомендаций по снижению влияния геомагнитных 308 бурь на режимы работы высоковольтных электродвигателей

6.7 Организация мониторинга геоиндуцированных токов в 313 нейтралях силовых трансформаторов при геомагнитных бурях

6.8 Выводы по главе 6 324 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 326 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 329 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 331 ПРИЛОЖЕНИЕ А 359 ПРИЛОЖЕНИЕ Б 369 ПРИЛОЖЕНИЕ В 374

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Функционирование современных систем электроснабжения (СЭС) связано с существенными трудностями из-за сложности структуры генерирующих мощностей и основной электрической сети, многообразия их работы, необходимости учета требований надежности и бесперебойности электроснабжения потребителей, сильных внешних технологических и экономических связей, неопределенности будущих условий развития СЭС, риска возможных экстремальных условий в развитии системы и других важных факторов. Все это приводит к тому, что современные СЭС становятся более уязвимыми к внешним возмущениям, в том числе и геомагнитным бурям (ГМБ).

Во время геомагнитной бури вариации геомагнитного поля индуцируют на поверхности Земли медленно меняющееся электрическое поле. Горизонтальная компонента геоэлектрического поля характеризуется напряженностью 1-20 В/км и временем изменения от 10 с до 30 минут; вектор напряженности этого поля преимущественно ориентирован по меридиану. Между заземленными точками нейтралей силовых трансформаторов подстанций СЭС возникает ЭДС. На протяженных линиях электропередач (ЛЭП) 400 - 500 км ЭДС может достигать нескольких киловольт, и по электрическим сетям циркулирует квазипостоянный ток, который принято называть геоиндуцированным током (ГИТ). Вследствие насыщения магнитной системы силовых трансформаторов (СТ) возрастают несинусоидальные намагничивающие токи, которые также циркулируют по сети. В результате в СЭС увеличивается потребление реактивной мощности и снижается пропускная способность сети, происходит падение напряжения, появляются высшие гармонические составляющие тока и напряжения, возможны ложные срабатывания релейной защиты и автоматики, и, как следствие, нарушение нормальной работы потребителей.

Известно, что из-за геомагнитных бурь были отключения или выходы из строя СЭС: в Финляндии (1982, 1986 г.г.); Швеции (1982, 1986, 1991, 2003 г.г.); США и Канаде (1958, 1980, 1989, 1991, 1994, 2003 г.г.); Англии (1989 г.); Дании

(2003 г.), ЮАР (2003 г.). В СЭС Азербайджана во время сильных ГМБ в октябре 2003 г. было зарегистрировано увеличение числа отказов по сравнению с относительно спокойными днями с «обычными» техническими проблемами: срабатывание дифференциальной защиты, отказ системы заземления, ошибочные срабатывания релейной защиты и автоматики (РЗА), падения напряжения, насыщения магнитной системы силовых трансформаторов, перегрев силовых трансформаторов и т.д. Наиболее крупные и тяжелые аварии в СЭС наблюдались в 22 (1989 г.) и 23 (2003 г.) пиках солнечной активности. Пик следующей геомагнитной активности ожидается в 2013 - 2014 г.г.

Исследования показывают, что уязвимость систем электроснабжения при ГМБ в последние годы заметно увеличилась, так как линии электропередачи стали более взаимосвязанными и протяженными, рост спроса на электроэнергию и дерегулирование привели к тому, что СЭС эксплуатируются на пределе своих возможностей.

В настоящее время не существует методов, способных прогнозировать возникновение геомагнитных возмущений и оценивать динамику процессов при их возникновениях в системах электроснабжения и их влияние на электроснабжение потребителей. Натурный эксперимент в реальной системе электроснабжения в этом случае не возможен. Поэтому для исследования динамики процессов в системах электроснабжения при воздействии геоиндуцированных токов геомагнитных бурь требуется альтернативный метод -математическое моделирование, который позволит описать режимы работы элементов и систем электроснабжения в целом, выявить наиболее опасные ситуации и выработать серию превентивных мер по предотвращению негативного воздействия геомагнитных бурь на электроснабжение потребителей.

Работа выполнялась по госбюджетным программам и госзаданию Минобрнауки РФ в 2007-2013 г.г.: №0 3848 «Разработка теоретических основ возникновения аномальных режимов в системах электроснабжения с изолированной нейтралью» (2007-2009 г.г.); № 031150 «Разработка расчетно-теоретической модели системы электроснабжения города при ее

функционировании в нормальных, аварийных и несимметричных режимах работы» (2011 г.); № 031250 «Моделирование региональных электроэнергосистем с учетом рационального распределения мощностей и предотвращения масштабных отключений при геомагнитных бурях» (2012 - 2014 г.г.).

Целью работы является разработка методологических подходов и соответствующих математических моделей и методов для установления закономерностей влияния геоиндуцированных токов, возникающих при геомагнитных бурях, на электроснабжение потребителей и направленных на повышение эффективности их функционирования.

В соответствии с указанной целью поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Исследование проблем электроснабжения потребителей, возникающих при воздействии геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях.

2. Разработка концепции моделирования процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями.

3. Разработка методологических подходов к расчету дополнительных потерь активной мощности и превышению температуры бака и обмоток силовых трансформаторов главных понизительных подстанций (ГПП) при протекании в системе электроснабжения геоиндуцированных токов.

4. Разработка критериев обеспечения нормального функционирования силовых трансформаторов ГПП потребителей при геомагнитных бурях.

5. Разработка методов анализа электромагнитной совместимости по несинусоидальности напряжения высоковольтной электродвигательной нагрузки в системе электроснабжения при геомагнитных бурях.

6. Разработка алгоритмов, принципов моделирования систем электроснабжения потребителей, а также практических рекомендаций для расчета геоиндуцированных токов, мгновенных значений токов и напряжений в элементах системы электроснабжения, а также показателей качества по

несинусоидальности напряжения на шинах питания высоковольтных электродвигателей при геомагнитных бурях.

7. Разработка принципов построения систем электроснабжения для обеспечения эффективного функционирования по несинусоидальности напряжения высоковольтных электродвигателей с учетом влияния интенсивности геомагнитных бурь и параметров системы электроснабжения.

Методология исследований и методы исследования, поставленных в диссертации задач, разработаны на основе анализа и синтеза математических моделей систем электроснабжения с применением аппарата линейной алгебры, функций комплексного переменного и дифференциальных уравнений, преобразования Фурье, теории электрических цепей, теории электромеханических систем и методов компьютерного моделирования систем электроснабжения потребителей.

Научная новизна исследований заключается в том, что:

1. Впервые исследованы проблемы электроснабжения потребителей, возникающие при воздействии геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях, и установлены технические требования к принципам построения систем электроснабжения, позволяющие снизить влияние ГИТ на потребители.

2. Разработана концепция моделирования процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями и выполнено математическое обоснование нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от величины и времени протекания геоиндуцированного тока по заземленным обмоткам.

3. Разработана методология расчета тепловых процессов и температуры наиболее нагретой точки бака и обмоток силовых трансформаторов ГПП систем электроснабжения при протекании геоиндуцированных токов по заземленным обмоткам.

4. Установлены критерии для предельного времени протекания и допустимых уровней геоиндуцированных токов в заземленных обмотках

высокого напряжения силовых трансформаторов ГПП, определяющие их нагрузочную способность для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей при геомагнитных бурях.

5. Разработаны принципы моделирования несинусоидальных режимов работы систем электроснабжения с высоковольтной электродвигательной нагрузкой при геомагнитных бурях различной интенсивности.

6. Разработаны методы определения геоиндуцированных токов с учетом географического расположения элементов СЭС на карте местности и установлено их влияние на режимы работы силовых трансформаторов и высоковольтных электродвигателей.

7. Разработаны методы расчета несинусоидальности тока и напряжения с учетом интенсивности геомагнитных бурь и параметров системы электроснабжения, что позволило разработать условия обеспечения электромагнитной совместимости электродвигательной нагрузки 6... 10 кВ на шинах их питания.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены адекватностью и корректностью применения в работе основных законов электротехники, методов анализа и подтверждаются сопоставительными вычислительными экспериментами на базе специализированных компьютерных программ, прошедших полномасштабную опытную проверку, сопоставлением результатов компьютерного моделирования с экспериментальными и статистическими данными по воздействию геоиндуцированных токов на электрооборудование СЭС.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная математическая модель силового трансформатора с учетом нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от геоиндуцированного тока для учета насыщения магнитной системы при моделировании режимов работы систем электроснабжения при геомагнитных бурях.

2. Теоретическое обоснование влияния геоиндуцированных токов на дополнительные потери активной мощности и температуру бака и обмоток силовых трансформаторов.

3. Методы расчета допустимой длительности воздействия и допустимых значений геоиндуцированных токов в зависимости от нагрузочной способности силовых трансформаторов ГПП СЭС и интенсивности геомагнитных бурь.

4. Методы расчета несинусоидальности тока и напряжения систем электроснабжения потребителей в присутствии геоиндуцированных токов с учетом интенсивности геоэлектрического поля и параметров СЭС.

5. Алгоритмы, принципы моделирования режимов работы систем электроснабжения потребителей при геомагнитных бурях различной интенсивности и направлении вектора напряженности геоэлектрического поля.

6. Методы определения допустимых параметров и принципы построения СЭС для обеспечения эффективного функционирования по несинусоидальности напряжения высоковольтных электродвигателей при геомагнитных бурях.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Разработанные математические модели силовых трансформаторов позволят учитывать насыщение магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения и достоверно определять амплитудные и действующие значения несинусоидальных токов намагничивания и полных рабочих токов при протекании геоиндуцированных токов по заземленным обмоткам силовых трансформаторов.

2. Разработанные методы расчета максимальных удельных дополнительных потерь активной мощности и температуры наиболее нагретой точки бака от коо