Расчет геоиндуцированных токов в высоковольтных линиях электропередач систем электроснабжения при геомагнитных бурях

Следует отметить, что современные СЭС более восприимчивы к геомагнитным бурям, чем их локальные предшественники из-за больших географических площадей, которые они занимают, а также из-за их взаимосвязанности и насыщенности электронным оборудованием. В связи с этим актуальным является разработка методов расчета ГИТ для оценки уязвимости современных систем электроснабжения при геомагнитных бурях.

Оценим амплитуды ГИТ в высоковольтных линиях электропередач систем электроснабжения при геомагнитных бурях. На рис. 1 представлен прямолинейный участок линии электропередач ЛЭП длиной l между двумя трансформаторными подстанциями. Трансформаторы Т1 и Т2 подстанций имеют заземления в точках А и В. Возникающая между этими точками ЭДС E=E_x . l , обусловленная напряженностью геоэлектричес-кого поля, генерирует геоиндуцированные токи.

Геоэлектрическое поле рассчитывается исходя из наблюдаемых вариаций изменений геомагнитного поля и геофизических данных о глубинной электропроводности данного региона (модели проводимости). Для расчета используется стандартная методика перехода от временных рядов к Фурье – образам (частотно-фазовым характеристикам) [3]:

Рис. 1. Протекание ГИТ по обмоткам высокого напряжения трансформаторов и высоковольтной линии электропередач СЭС v , x zto • By to E x(^) = --------" ,

Д о

где B _y ( to ) - напряженность геомагнитного поля; z( to ) - импеданс цепи протекания ГИТ; Д 0 - магнитная постоянная; to - угловая частота.

Электромагнитные и геометрические параметры проводников высоковольтных линий электропередач могут сильно различаться, что оказывает влияние на частотные характеристики результирующих электрических полей и ГИТ. Поэтому расчет ГИТ по геоэлектрическому полю зависит от конкретной конфигурации СЭС.

Для периодов более 1 – 10 с (т.е. частоты ниже 1 – 0,1 Гц) амплитуда и фаза электрического поля в проводниках совпадает с характеристиками невозмущенного электрического поля, что позволяет применять законы линейных электрических цепей с активным сопротивлением, где источником является рассчитанное геоэлектрическое поле в данный момент времени, и использовать модели с дискретным заземлением [3].

Эквивалентная схема замещения представлена на рис. 2, а . Здесь R_Т1А , R_Т1В R_Т1С – сопротивления постоянному току (активные сопротивления) обмоток высокого напряжения трехфазного повышающего трансформатора Т1; R_ЛА , R_ЛВ , R_ЛС – сопротивления постоянному току (активные сопротивления) фаз воздушной ЛЭП; R_Т2А , R_Т2В R_Т2С – сопротивления постоянному току (активные сопротивления) обмоток высокого напряжения трехфазного понижающего трансформатора Т2; R_ЗУ – сопротивления заземляющих устройств; R_З – активное сопротивление грунта.

Активные сопротивления фаз воздушной ЛЭП определяются как

R лA = R o, • 1 ;

^R ЛB R OB • ¹ ;

^R BC ^— R OC • ¹ ,

где R_0A R_0В R_0С – активные погонные сопротивления фаз ЛЭП.

Активное сопротивление грунта:

R 3 = R 30 • 1 , (3) где R_З0 – активное погонное (удельное) сопротивление грунта.

Полную схему замещения (рис. 2, а ) необходимо использовать для расчета постоянных составляющих токов фазных обмоток трансформаторов Т1, Т2 и фаз ЛЭП в условиях заметной несиммет-рии (более 10-15%) активных сопротивлений обмоток ВН и фазных проводов линии электропередачи. Однако специальные конструктивные мероприятия, такие как транспозиция проводов, обеспечивают фазную симметрию активных сопротивлений. В этих условиях полная схема заме-

Рис. 2. Схема замещения участка СЭС при протекании ГИТ

щения существенно упрощается к виду, изображенному на рис. 2, б , где

R  = R    4- R4- R

RA ^RT 1 A ^{+ R}ЛА ⁺ RT 2 A ’

R  = R    4- R4- R

^RB ^RT 1 B ' RЛВ  ' ^RT 2 B ;

RC

= R 4- R

^RT 1 C ^ ^RЛС

+ ^RT 2 C .

Суммарное сопротивление для контура протекания геоиндуцированных токов:

R. + Rr + Rc„

Rz = ——3B---- + 2R3y + R3.

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

E • 1

х

I ^ГИТ D .                (6)

^R X

Если ЛЭП состоит из нескольких участков, то

₌ j E , ( 1 )d1

I ГИТ ^_    _D ,

^R X

где E ( 1 ) - напряженность геоэлектрического поля, наведенная в грунте на участке dl .

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

n

Z E_t cos a i 1 i

I = ^^^-,          (8)

R x

Таблица 1. Характеристики высоковольтных ЛЭП и геоиндуцированные токи при напряженностях геоэлектрического поля Е=3 В/км; Е=6 В/км; Е=10 В/км; Е=15 В/км (передаваемая мощность 125000 кВА)

Классы ЛЭП, кВ	Марка провода	Длина ЛЭП, км	Рабочий ток в фазе (А)	ГИТ в фазе I ф (А) при
				Е=3 В/км	Е=6 В/км	Е=10 В/км	Е=15 В/км
110	АС-185	25-80	627,6	15,5 17,4	30,9 34,7	51,7 57,9	77,5 86,8
220	АС-400	100-400	313,8	30,637,2	61,374,3	102,2-123,9	153,2-185,8
330	АС-240	130-700	209,2	33,7 46,5	67,5 92,9	112,4-154,9	168,6-232,3

где Е_i – значение напряженности геоэлектрическо-го поля на i -ом прямолинейном участке ЛЭП; а . -угол ориентации i -ого участка ЛЭП относительно направления силовой линии геоэлектрического поля; l_i – длина i ого прямолинейного участка ЛЭП; n – количество прямолинейных участков ЛЭП.

Таким образом, величина геоиндуцированных токов, наведенных в высоковольтных линиях электропередач при геомагнитных бурях, определяется следующими основными параметрами:

• 1.    скоростью изменения геомагнитного поля при геомагнитной буре и размерами области распространения геомагнитного поля;

• 2.    сопротивлением грунта, сопротивлением заземления;

• 3.    длиной и связанностью линий электропередач;

• 4.    географическим расположением точек, в которых СЭС контактирует с земной поверхностью.

В табл. 1 приведены расчетные значения гео-индуцированных токов в фазах ЛЭП для различных классов напряжений при геомагнитной буре с напряженностью геоэлектрического поля: Е =1 В/км; 3 В/км; 15 В/км. В расчетах принято R_ЗУ = 0,5 Ом, R_З0 = 0,048 Ом/км [4].

Как видно из таб.1, с увеличением класса напряжения линии электропередачи, напряженности геоэлектрического поля геомагнитных бурь значения геоиндуцированных токов в высоковольтных линиях электропередач растут. Данное обстоятельство связано с увеличением длин и уменьшением погонного сопротивления высоковольт- ных ЛЭП. Расчетные значения ГИТ при сильных геомагнитных бурях в линиях электропередач могут быть сопоставимы с их рабочими токами в фазе и, очевидно, привести к насыщению магнитной системы силовых трансформаторов, срабатыванию систем релейной защиты и автоматики и отключению линий электропередач.

Разработанный метод позволяет рассчитывать величины геоиндуцированных токов в высоковольтных линиях электропередач в зависимости от конфигурации и параметров схемы замещения системы электроснабжения, а также углов ориентации участков ЛЭП относительно направления силовых линий геоэлектрического поля. Оценка величин ГИТ в линиях электропередач разного класса напряжений позволит исследовать устойчивость систем электроснабжения при геомагнитных бурях различной интенсивности.