Смягчение воздействия геомагнитных штормов на электроэнергетическую систему

Развитие арктических регионов России невозможно без соответствующего развития электроэнергетики, сопровождающегося вводом новых протяженных линий электропередачи. Все это приводит к ее большей подверженности геомагнитным воздействиям. За рубежом этой проблеме уделяют значительное внимание [1–4]. Известны аналогичные исследования и в России, например, на Кольском п-ове [5], на Камчатке [6], в Сибири [7] и других областях [8, 9]. Такие исследования тем более важны из-за смещения северного магнитного полюса в сторону России, что увеличивает вероятность геомагнитного воздействия на северные электроэнергетические системы (ЭЭС) [10].

Как отмечалось в ряде работ, например [8, 10–12], при вероятности воздействия геомагнитно индуцированных токов (ГИТ) на ЭЭС должны быть приняты меры по его смягчению. В зависимости от уровня влияния и возможностей ЭЭС такие меры включают:

• –    оценку вероятности воздействия ГИТ на ЭЭС конкретного региона;

• –    определение уровней предупреждения о событиях, вызывающих ГИТ;

• –    оперативные контроль и управление системой по предупреждению;

• –    выбор устройств измерения ГИТ и мест их расположения;

• –    выбор способов, устройств и мест их размещения для смягчения воздействия ГИТ на ЭЭС.

Необходимость последних двух пунктов определяется результатами по первым двум позициям.

Наиболее неопределенным является первый пункт мер. Из-за сравнительно небольшого ряда наблюдений, а также множества факторов, влияющих на возникновение и величину ГИТ в конкретном регионе, такая оценка довольно сложна и не репрезентативна [13–15]. Более представительна выборка измерений векторов напряженности магнитного поля региона и ГИТ непосредственно в заземленных нейтралях высоковольтных трансформаторов (автотрансформаторов), на их основе можно оценить необходимость и уровень смягчения воздействия ГИТ.

В качестве важной меры по смягчению влияния ГИТ на энергосистему на начальном этапе решения такой задачи представляются оперативные действия в ожидании приближающегося солнечного шторма. Для этого необходимо предупредить диспетчеров об этом приближении. В ряде стран диспетчерам электроэнергетических систем рассылаются предупреждения Национальным агентством океанографии и атмосферы (National Oceanographic and Atmospheric Administration – NOAA) и другими подобными агентствами об угрозе шторма [1]. Ранние признаки возникновения солнечного шторма можно получить от спутника ACE¹, размещенного в точке Лагранжа² L ‐ 1, которая находится на расстоянии более 1 млн. км от Земли, за 14–96 час. до того, как его влияние проявится на Земле. Оповещения непосредственно на диспетчерских пунктах обычно получают за 30 мин до начала геомагнитного шторма.

Оперативные действия являются наиболее простым, быстрым и дешевым способом смягчения воздействия ГИТ на систему. К ним следует отнести:

• –    поддержание устойчивости системы по напряжению и сохранение работоспособности трансформаторов;

• –    ввод источников реактивных мощностей (ИРМ) системы для компенсации роста потребления реактивной мощности и увеличения гармонических составляющих, а также по возможности ограничение реактивной нагрузки потребителей либо вводом у них ИРМ, либо ограничением потребления активной мощности;

  – снижение напряжений системы переключением РПН трансформаторов для снижения потребляемой ими, а также компенсируемой батареями конденсаторов реактивной мощности.

Уровни ограничений в зависимости от ожидаемого балла шторма просчитываются заранее. В работе [16] рассмотрен подход к оценке пропускной способности межсистемной связи в зависимости от типа и характеристик объектов, участвующих в такой передаче (уровень напряжения, длина линии, тип сердечника трансформаторов по концам линии, уровень возмущенности геомагнитного поля и др.). Авторы отметили, что отношение индуктивного сопротивления линии к индуктивному сопротивлению короткого замыкания силового трансформатора хЛ/хТ сильно влияет на пропускную способность связи. Так, для “коротких” электропередач, у которых хЛ/хТ мало (меньше 1), возможно снижение предела передаваемой мощности на 10.7 ■ 35.6 %. Для “длинных” электропередач, у которых хЛ/хТ большое, возможно снижение предела передаваемой мощности на 22.5 ■ 63.8 %.

Следующая мера – выбор устройств измерения ГИТ и мест их расположения. Датчики тока, устанавливаемые в нейтрали трансформатора для измерения ГИТ, основаны на использовании эффекта Холла, который обнаружен в 1879 г. американским физиком Эдвином Гербертом Холлом. Эффект Холла вызывается силой Лоренца3, которая действует на подвижные носители электрических зарядов в проводнике, когда они находятся в магнитном поле, перпендикулярном направлению тока.

Тонкая пластина полупроводника пересекается вдоль током управления I упр. (рис.1). Магнитный поток В генерирует силу Лоренца F Л , перпендикулярно направлению подвижных носителей заря-

Рис.1. Иллюстрация параметров эффекта Холла. Fig. 1. Illustration of the Hall Effect parameters.

дов, которые и образуют ток. Происходит изменение числа носителей зарядов на обоих концах пластины, и создается разность потенциалов, которая является напряжением Холла U Х .

Датчики тока на эффекте Холла делятся на датчики прямого усиления и компенсационные. В первых магнитная индукция В и напряжение Холла U Х создаются измеряемым первичным током I 1 . Ток управления I упр. создается стабилизированным источником тока, рис.2.

В пределах линейной области цикла гистерезиса сердечника магнитная индукция В пропорциональна I 1 . Следовательно, и напряжение Холла U Х пропорционально магнитной индукции.

Рис. 2. Датчик прямого усиления на эффекте Холла. Fig. 2. The sensor of direct amplifying on the Hall Effect.

Достоинство такого датчика в простоте и относительной дешевизне. Недостатки связаны с невысокой точностью, определяемой гистерезисом сердечника потерями в материале сердечника и температурной зависимостью.

При требовании более высокой точности используются датчики компенсационного типа, выполняемые со 100%-ной обратной связью (их также называют датчиками с нулевым потоком). Цепь компенсации позволяет существенно повысить характеристики датчика тока на эффекте Холла.

В то время как датчики прямого усиления дают напряжение U вых ., пропорциональное напряжению Холла U X , компенсационные датчики обеспечивают выходной ток, пропорциональный U X , который действует как сигнал обратной связи, чтобы cком-пенсировать магнитное поле B , создаваемое первичным током I 1 , магнитным полем B к , создаваемым выходным током I к (рис. 3). Выходной ток намного меньше I 1 , потому что катушка на сердечнике содержит N к витков и предназначена для генерирования магнитного потока (в ампер-витках), по величине равного В , но противоположного направления.

Рис. 3. Компенсационный датчик на эффекте Холла. Fig. 3. The compensation sensor on the Hall Effect.

Таким образом, система действует при нулевом магнитном потоке в сердечнике. Достоинством этого датчика является более высокая точность при меньшей зависимости от магнитных свойств и температуры сердечника. Недостаток датчика – его более высокая стоимость.

Примером промышленной реализации датчика геомагнитно индуцированных токов может служить трансформатор постоянного тока GIC-4 фирмы Dynamic Ratings (рисунки 4 и 5), устанавливаемый в заземленной нейтрали силового трансформатора (автотрансформатора) и имеющий следующие характеристики (таблица) [17]. Различают устройства

Рис. 4. Промышленный трансформатор тока GIC-4 для измерения ГИТ в заземленной нейтрали силового трансформатора.

Fig.4. The industrial GIC-4 current transformer for GIC measurement in the grounded neutral of the power transformer.

Рис. 5. Размеры трансформатора GIC-4.

Fig. 5. GIC-4 transformer sizes.

Спецификация на датчик GIC-4 Specification for sensor GIC-4

Диапазон измерений точно грубо	± 45 А постоянного тока ± 360 А постоянного тока
Выходной сигнал	Две жилы, 4-20 мА
Блок питания	24 В
Погрешности	± 1% при t = 0-50 oC ± 2% при t = –40-+85 oC
Корпус	Ультрафиолетостойкий
Модификации сердечника	Сплошной или с разделением

GIC-4-F – со сплошным и GIC-4-S – с разъемным сердечником. В зависимости от уровня рабочих токов они делятся на L – -45 ~ 45 А постоянного тока, и H – -360 ~ 360 А постоянного тока. Розничная стоимость устройства примерно $3000. Имеются и другие образцы, например, ECLIPSE HECT фирмы Advanced Power Technologies [18].

И наконец, последняя мера – выбор способов, устройств и мест их размещения для смягчения воздействия ГИТ на ЭЭС. К настоящему времени известен ряд технических способов снижения ГИТ. К сравнительно простым относится продольная емкостная компенсация на протяженных воздушных линиях, обеспечивающая разрыв цепи по постоянному току. Сюда же следует отнести включение резистора в несколько Ом в заземляемую нейтраль силового трансформатора (автотрансформатора), причем такой резистор можно перемыкать, если в ближайшее время геомагнитных штормов не ожидается. Схема одного из вариантов такого устройства представлена на рис. 6 [11]. Модуль конденсаторов CB с токоограничивающими предохранителями FV и резистором R выполняет функцию ограничения ГИТ. Параллельно модулю установлены искровой разрядник F и вакуумный выключатель QFс функцией шунтирования модуля. Управление перемычкой QF может выполняться как вручную, по сообщению о приближении шторма, так и автоматически, по измерению величины ГИТ.

К нейтрали трансформатора

QS

QF

QS I

FV

Рис. 6. Схема устройства ограничения ГИТ в нейтрали трансформатора.

Fig. 6. The GIC restriction device scheme in transformer neutral.

Более сложный способ предложен в работе [19]. В нейтраль трансформатора вводится переключающее устройство ограничения на основе вы- соковольтной силовой электроники. Причем частота переключений и рабочий цикл выбраны по компромиссу между эффективностью метода в период шторма и обнаружением токов к.з. при отсутствии штормов, т.е. период включения устройства позволяет правильно срабатывать защитам от замыкания на землю, а отключения – ограничить ГИТ. Схема устройства приведена на рис. 7. Здесь штриховкой обведен постоянный обходной маршрут, параллельный переключающему устройству ограничения ГИТ. Выключатели QF1 и QF2 скоординированы так, чтобы ток короткого замыкания не попадал в устройство, которое вводится в работу при появлении ГИТ. В его отсутствие выключатель QF1 отключен, а QF2 включен. Частота переключений, определенная авторами в сети 60 Гц, составляет 1.2 кГц при скважности 0.25.

К нейтрали тран TA1

ПереключающееIjrT I Ъ устройство ограничения ГИТ

Детектор ГИТ

QF1

TA3

QF2

Рис. 7. Предложенная схема ослабления ГИТ.

Fig. 7. The proposed GIC mitigation scheme.

Очевидно, что смягчение воздействия ГИТ требует дополнительных устройств, а следовательно, и капитальных вложений. Для оптимизации решения этой задачи используется программа оптимального размещения устройств блокировки ГИТ(УБГ) [20]. Программой минимизируется стоимость размещения таких устройств при обеспечении заданных пределов по напряжению в узлах энергосистемы и реактивной мощности по максимуму генерации. Функция стоимости определена как взвешенная сумма общего количества устройств блокировки. Следовательно, решается проблема оптимизации:

минимум C(x) = 5L?=1WjXiWyL(0 к при условии ^ > Ц^ ё = 1,2, • • •, m

где cto – функция стоимости, n – общее количество трансформаторов – кандидатов для установки УБГ; x – n-размерный двоичный вектор, представляющий решение проблемы; xi – i-й элемент x, указывающий установлен ли УБГ на i-м трансформаторе; l-T; – напряжение i-го узла; Цтцп – минимальный допустимый уровень напряжения; ■m – число узлов системы; F/5 i – активная/реактивная мощность, сгенерированная i-м генератором; ^?пт/^?т:лл – минимальная/максимальная активная мощность, которую может произвести i-й генератор, Qmin/Qmcx – минимальная/максимальная реактивная мощность, которую может произвести i-й генератор, и p – число генераторов энергосистемы. Трансформаторы, как предполагается, работают на различных уровнях напряжения. Стоимость установки УБГ на трансформаторе для каждого уровня напряжения варьируется и рассчитывается для использования функции, возвращающей весовой коэффициент w (О , соответствующий высоковольтной стороне i-го трансформатора. Расчет падения напряжения учитывает направление геомагнитного поля. Численные результаты на тестовой модели IEEE со 118 узлами показали зависимость числа УБГ от максимального уровня геоэлектрического поля. Так, при максимуме в 2 В/км УБГ не требуется, а при максимуме в 12 В/км необходимо установить устройства на все трансформаторы с заземленной нейтралью, кроме одного.

Заключение

Необходимость смягчения или ограничения ГИТ существенно связана с серьезностью его воздействия на элементы и режимы ЭЭС (нагрев силовых трансформаторов, уровень гармоник, влияние на работу релейной защиты, рост потребления реактивной мощности и другие факторы).

На современном этапе эта работа важна в связи с особым вниманием к развитию Севера России, обеспечению его электроэнергетикой, с одной стороны, и смещению магнитного полюса в сторону России, с другой.

Чтобы оценить опасность ГИТ на объектах ЭЭС северных регионов России, необходимо провести на них мониторинг уровней таких токов, используя достаточно простые средства измерения на эффекте Холла, позволяющие отслеживать значения ГИТ при геомагнитных штормах. Оценка даст возможность выявить наиболее опасные в отношении ГИТ регионы, где затем следует определить места, устройства и способы ограничения геоинду-цированных токов.

Известные способы смягчения влияния этих токов в зависимости от их уровней делятся на оперативные и с использованием дополнительных устройств смягчения. Выбор и установка последних определяются как максимальной ожидаемой величиной ГИТ, так и минимизацией затрат на эти устройства.

Работа выполнена при поддержке гранта УрО РАН № 15-15-27-44.