Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2023, T. 508, № 1, стр. 64-67

Во время геомагнитных бурь (ГМБ) в земной коре возникают геоиндуцируемые токи (ГИТ), которые втекают в глухозаземленные нейтрали силовых трансформаторов (СТ) и вызывают их подмагничивание. В результате чего происходит значительное увеличение тока намагничивания СТ, рост потребляемой ими реактивной мощности, генерация высших гармоник, недопустимый нагрев элементов конструкции СТ [1–9]. Указанные факторы могут являться причиной повреждения мощного оборудования, сбоев в работе систем релейной защиты (РЗ) и автоматики и вызывать крупные системные аварии.

Негативные воздействия ГИТ на электроэнергетические системы (ЭЭС) с высоким экономическим ущербом неоднократно происходили во время сильных магнитных бурь, преимущественно в высокоширотных районах [4–6]. В этой связи многие промышленно развитые страны предпринимают значительные усилия, направленные на защиту или снижение тяжести последствий от негативных воздействий космической погоды и других электромагнитных факторов на свою критическую инфраструктуру.

Актуальность повышения надежности электроснабжения не только в высокоширотных областях связана с тем, что с ростом интенсивности ГМБ области максимального воздействия смещаются в направлении низких широт. При сильных ГМБ максимальное воздействие ожидается на магнитных широтах 40°–60° [10], куда попадает энергонасыщенная часть территории России.

Для расчета режимов работы Объединенной энергетической системы (ОЭС) Центра России при воздействии ГИТ разработана ее модель, включающая наиболее мощные объекты (электрические станции, трансформаторные подстанции) и линии электропередачи (ЛЭП), образующие электрическую сеть с номинальным напряжением 500 и 750 кВ (рис. 1). В модель входят 10 электростанций, 31 подстанция, 12 ЛЭП 750 кВ и 61 ЛЭП 500 кВ. Связь со смежными ОЭС осуществляется через подстанции: три выхода 750 кВ и шесть – 500 кВ.

Рис. 1.

Расположение объектов модели ОЭС Центра.

Исходные данные по параметрам индуцируемого при ГМБ геоэлектрического поля взяты из американского стандарта [11], что обусловлено отсутствием отечественной нормативной документации, касающейся вопросов воздействия ГМБ на ЭЭС.

Ввиду сложности решаемой задачи для исследования воздействия ГМБ на ЭЭС выделен ряд наиболее существенных эффектов – изменение реактивной мощности и температуры элементов конструкции СТ при их подмагничивании, а также работа РЗ ЛЭП. Исходя из этого, была развита методология моделирования (рис. 2), заключающаяся в следующем.

Рис. 2.

Блок-схема расчетного моделирования воздействия ГИТ на ЭЭС. $\vec {E}$_ГМБ – напряженность электрического поля на поверхности земли при ГМБ; u₀ – импульс напряжения, индуцируемый между объектами; i₀ – ток подмагничивания трансформатора; N_об, N_л, N_т – соответственно, номера объектов (электростанции или подстанции), линий электропередачи, трансформаторов на объекте; ΔQ_п – потери реактивной мощности, вызванные подмагничиванием трансформатора.

Интегрирование вектора напряженности геоэлектрического поля вдоль трасс ЛЭП дает вариации напряжения между заземляющими устройствами СТ. Для каждого силового трансформатора проводятся расчеты величины тока подмагничивания i₀, вычисляется временная зависимость потерь реактивной мощности ΔQ_п, вызванная насыщением магнитных систем СТ [12]. Результаты определения ΔQ_п на объектах (Q-модель) являются исходными данными для расчета “утяжеленных” (послеаварийных) установившихся режимов и оценки нагрева элементов конструкции СТ.

Расчеты исходного и последующих утяжеленных режимов проводятся с использованием соответствующей модели (U-модель), построенной с учетом полных схем замещения электроэнергетических объектов. При этом на стороне высокого напряжения СТ подключается дополнительная, вызванная ГИТ, изменяющаяся во времени реактивная нагрузка. Затем рассчитываются действующие значения напряжений на шинах объектов и согласно нормативным требованиям [13] оценивается степень влияния воздействий ГИТ на модель ОЭС Центра.

Эффект форсировки возбуждения генераторов электростанций моделировался путем увеличения перед началом расчетов на 50% уровня вырабатываемой ими реактивной мощности по сравнению с номинальным.

При моделировании работы систем РЗ, а именно III ступени дистанционной защиты, было принято, что характеристика ее срабатывания для всех линий соответствует характеристике, реализованной в шкафу защиты типа ШЭ2710-521.

Также выполнялись расчеты температуры наиболее нагретой точки СТ – прессующей (стяжной) пластины при его намагничивании [9]. При этом полагалось, что параметры тепловой модели СТ такие же, как у однофазного мощностью 167 МВ⋅А напряжением 400 кВ из [14].

В результате моделирования получено, что максимальная суммарная потеря реактивной мощности в силовых трансформаторах ОЭС Центра из-за воздействия ГИТ составляет 20% от ее суммарной генерации. Наиболее тяжелому воздействию подвергается подстанция ПС20, где относительные потери реактивной мощности составили 66%. Заметное снижение напряжения происходит на подстанциях ПС9, ПС18, ПС19, ПС23, ПС25. На остальных объектах сохраняется номинальный уровень напряжения.

Учет работы РЗ устанавливает каскадное отключение, как минимум, девяти ЛЭП 500 кВ: Л6, Л22–Л24, Л31, Л34, Л40, Л44, Л45 в течение 30 с.

Наибольшему тепловому воздействию подвержены СТ подстанций ПС18 и ПС20: на ПС20 максимальной перепад температур составил 92 К, а на ПС18 – 67 К. В этом случае возникает вероятность пробоя изоляции СТ или срабатывания его газовой защиты: на ПС20 – при температуре масла θ_м > 88°С, а на ПС18 – при θ_м > 113°С [15].

Таким образом, проведенное моделирование воздействия геомагнитной бури на ОЭС Центра России свидетельствует о высокой вероятности развития крупной системной аварии и возможном выходе из строя некоторых силовых трансформаторов. При этом с учетом используемых допущений по воздействующим факторам геомагнитной бури и параметрам модели ОЭС Центра данный результат, по-видимому, следует рассматривать как оптимистичный.