Влияние геомагнитных возмущений в приполярных районах на режим передачи реактивной мощности по воздушной линии

Введение. Многолетние наблю-дения отмечают около 2500 гео -магнитных возмущений, идентифи-цируемых как «магнитная буря» и «сильная магнитная буря» в течение 11-летнего цикла солнечной активности [1-4]. Геомагнитные возмущения вызывают протекание геоиндуцированных токов (ГИТ) в заземленных обмотках высокого напряжения (ВН) силовых трансформаторов электрических сетей с номинальным напряжением 110 кВ и выше. Под воздействием ГИТ режим перемагничивания электротехнической стали силовых трансформаторов с бронестержневой и броневой конструкцией магнитной системы смещается в область технического насыщения [5,6]. Возникает одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора. В результате ток намагничивания приобретает практически однополярную форму и многократно превышает номинальный ток холостого хода [7]. Мощность намагничивания силового трансформатора также многократно возрастает, оказывая существенное влияние на баланс реактивных мощностей в воздушных линиях электропередачи [8,9]. В частности, ГИТ, вызванные в электроэнергетической системе Hydro-Quebec

Канады геомагнитной бурей 22 октября 1999 г., послужили причиной увеличения потерь реактивной мощности с последующим развитием лавины напряжений [10,11].

Таким образом, задача исследования механизмов влияния ГИТ, вызванных геомагнитными возмущениями, на режимы передачи реактивной мощности по воздушной линии является актуальной, причем особую актуальность данная задача приобретает для высокоширотных линий электропередачи.

Расчетная схема межсистемной электропередачи. Расчетная схема (а) и схема замещения (б) межсистемной воздушной линии (ВЛ), связывающей две электроэнергетические системы ЭЭС₁ и ЭЭС₂, показаны на рис.1. Нейтрали обмоток высокого напряжения(ВН)силовыхтрансформаторов Т1 и Т2 заземлены. Геомагнитные возмущения инициируют возникновение на поверхности земли квазипостоянного ге-оэлектрического поля и соответственно разности потенциалов между заземляющими устройствами нейтралей обмоток ВН силовых трансформаторов Т1 и Т2 , которая учитывается в расчетной схеме источником квазипостоянной ЭДС (е_ГИТ на рис.1,а).

U 2

ЭЭС ₁

х Т 1

х _Л

х Т 2

ЭЭС ₂

х µ 1

X

µ 2

б)

Рисунок 1 – Расчетная схема (а) и схема замещения (б) межсистемной ВЛ.

Под воздействием квазипостоянной ЭДС по обмоткам ВН силовых трансформаторов Т₁ и Т₂ и фазным проводам ВЛ протекают ГИТ по контуру, показанному на рис.1,а.

На рис. 1,б представлена схема замещения, в которой силовые трансформаторы Т1 , Т2 представлены упрощенной Г-образ-ной схемой замещения, для количественных оценок вариаций режима передачи реактивной мощности под воздействием ГИТ. На схеме замещения использованы следующие обозначения:

: - - индуктивное сопротивление фазных проводов ВЛ;

• - индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания силовых трансформаторов Т 1 , Т2 соответственно;

• * ... 1 ■ v . - индуктивное со -противление намагничивания силовых трансформаторов Т₁ , Т₂ соответственно;

^:, - напряжения на шинах ЭЭС 1 и ЭЭС₂ соответственно.

Потери активной мощности в фазных проводах ВЛ и силовыхтрансформато-рах Т1, Т2 не учитываются. ГИТ, протекая по заземленным обмоткам ВН, вызывают одностороннее насыщение магнитных систем силовых трансформаторов Т1 и Т2. Данное обстоятельство обуславливает уязвимость рассматриваемой ВЛ к воздействию ГИТ, результатом которого является многократное уменьшение индуктивных сопротивлений хр1, хр2 ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т1 и Т2 из-за существенной нелинейности основной кривой намагничивания электротехнической стали магнитной си- стемы [12]. Именно изменение индуктивных сопротивлений ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т1 и Т2 является фактором, определяющим существенное влияние ГИТ на режимные параметры электропередачи.

Потоки реактивной мощности по межсистемной воздушной линии. Комплексы токов электрических сетей

ЭЭС 1 ( | ) ЭЭС₂ (I • ) определяются системой уравнений

где 'и- комплекс собственной проводимости ветви ЭЭС 1 при отсутствии источника напряжения;

.- •••• - комплекс собственной проводимости ветви ЭЭС2 при отсутствии источника напряжения;

ф - комплекс взаимной проводимости ветвей ЭЭС 1 и ЭЭС₂.

Комплексы собственных и взаимной проводимостей будут определяться выражениями

а модули собственных и взаимной проводимостей – выражениями

।  _         (^2 + \^ж))

(Y1 - ^2 - Y1 " -^Ц™^ "~ ^ " АА™)^

,   _         01 + ^^ж))

(^Y1 ^+аФ ^{+ jC}l ^эгв) + ^ ^>4™])

■  21 — ~------------------------------------------ 7

0*1 +Х2 + 2^ '^зм) +х2 -Д>(Э№))

где

Анализ выражений (2) позволяет заключить, что собственные у11 , у22 и взаимная у12, проводимости межсистемной электропередачи также зависят от величины ГИТ. Поэтому в условиях геомагнитных возмущений поддержания неизменными напряжений U1 = const , U2 = const на шинах ЭЭС1, ЭЭС2 недостаточно, как показывает выражение (1), для сохранения неизменными комплексов токов I . I и следовательно режима передачи активной и реактивной мощности по межсистемной электропередаче. На рис.2 представлены кривые, показывающие характер изменения эквивалентного индуктивного сопротивления ветвей намагничиваниясиловых трансформаторов Т1 и Т2 в зависимости от глубины насыщения магнитных систем под воздействием ГИТ, которая определяется величиной фазового угла насыщения.

В качестве количественного критерия глубины насыщения магнитной системы силового трансформатора использована величина фазового угла насыщения (  ), определяющего продолжительность однополярных бросков тока намагничивания на периоде напряжения при воздействии ГИТ [8]. С помощью выражений (1) можно определить величину реактивной мощности, выдаваемой ЭЭС1

и величину реактивной мощности, поступающую в ЭЭС2

где - угол между векторами напряжений ЭЭС 1 и ЭЭС 2 .

Сравнивая (3) и (4), видно, что ЭЭС 1 выдает, а ЭЭС₂ потребляет реактивную мощность, т.е. знаки Q 1 и Q₂ противоположны.

Рисунок 2 – Зависимость эквивалентного индуктивного сопротивления (       ) ветви намагничивания одного силового трансформатора и двух однотипных силовых трансформаторов (    )

от фазового угла насыщения магнитной системы.

Тогда потери реактивной мощности в индуктивных сопротивлениях электропередачи будут определяться алгебраической суммой

т г 2 т.е. при

1 ' __ потери по-

крываются за счет реактивной мощности ЭЭС 1 , а при Vf.y.. :V/-y_:: потери покрываются за счет потребления реактивной мощности из ЭЭС₂.

Анализ позволяет

полученных выражений отметить, что неизмен- ные значения режимных параметров (Сф = const, U2 = const, 5 = const) не обеспечат в условиях геомагнитных возмущений сохранение режима передачи реактивной мощности.

На рис. 3 представлены энергетические диаграммы баланса реактивных мощностей электропередачи при отсутствии и при различных уровнях геомагнитных возмущений и соответственно ГИТ Энер-

Q -0.. -5

Рисунок 3 – Энергетические диаграммы потоков реактивной мощности в электропередаче при:

^а)^ гит =°' ^б)[ гит ~¹ ГИТ1 ¹ в^ ГИТ ^-1 ГИТ2 >¹ ГИТ1

гетические диаграммы построены для случая работы ВЛ в натуральном режиме, когда мощность магнитного поля линии равна мощности электрического поля и не

), т.е. линия не потребляют генерируют реактивную мощность.

При отсутствии геомагнитных возмуще- ний

iГИТ = 0, реактивной мощности Q1 ЭЭС1, определяемой выражением (3), достаточно для создания мощности намагничивания силовых трансформаторов Т 1,Т2, соответственно и выдачи реактивной мощности Q2 в приемную ЭЭС2.

По мере увеличения ГИТ возрастает мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 настолько, что наступает равенство т.е. вся реактивная мощность ЭЭС1 расходуется только на покрытие мощности намагничивания. В приемную ЭЭС2 реактивная мощность не отдается, т.е.

(рис.3,б).

При дальнейшем увеличении ГИТ возможно увеличение мощности намагничивания силового трансформатора Т₁ до уровня (рис.3,в)

^д Отт) = 51 •

В этом случае для поддержания уровня напряжения U₂ в конце линии мощность намагничивания силового трансформатора Т₂ должна покрываться потреблением реактивной мощности из приемной ЭЭС, т.е.

которая должна обладать соответствующим резервом реактивной мощности.

На рис.4 представлены графики изменения суммарной мощности намагничивания силовых трансформаторов Т₁, Т₂ (кривая 1), реактивной мощности, выдаваемой ЭЭС 1 (кривая 2) и потребляемой, а затем и выдаваемой ЭЭС₂ (кривая 3) в зависимости от интенсивности геомагнитных возмущений, возрастание которой вызывает увеличение фазового угла насыщения ( ) магнитных систем силовых трансформаторов Т1, Т₂ . Зависимости построены с помощью выражений (3), (4) и (5) для слабо загруженной ( P * ₂ = 0,1347) и сравнительно «короткой» линии электропередачи, которая имеет следующие параметры

хл = хг2 = 0.08 ;x*i = х*2 =174,64; х^ = 0.0506 (50mv)

Рисунок 4 – Энергетические характеристики электропередачи при воздействии ГИТ (1 – суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов; 2 – реактивная мощность, выдаваемая ЭЭС1; 3 – реактивная мощность, выдаваемая в (потребляемая из) ЭЭС2).

Представленные численные значения приведены к номинальным параметрам силовых трансформаторов. Индуктивные сопротивления ветвей намагничивания , силовых трансформаторов Т1, Т2 указаны для режима нормального перемагничивания магнитных систем при отсутствии геомагнитных возмущений (iГИТ = 0 ). Как видно, по мере увеличения ГИТ и соответственно фазового угла насыщения магнитной системы силовых трансформаторов Т1, Т2 многократно возрастает суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 (кривая 1) от значения               пр 1и 2

до значения q _ ^ у.) при с = Г-к'У., т.е. фактически до значения номинальной мощности силового трансформатора [13,14].

Дальнейшее увеличение интенсивности ГИТ и фазового угла насыщения от значения            до значения

<да 120гр. сопровождается еще более резким увеличением суммарной мощности намагничивания, вплоть до значения

- = ?._ , т.е. почти трехкратного значения номинальной мощности силового трансформатора. При Г ■ _ 12 ОДл суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов возрастает только на 6%.

Увеличение суммарной мощности намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 при возрастании интенсивности геомагнитных возмущений вызывает увеличение потребляемой из ЭЭС1 реактивной мощности (кривая 2) и уменьшение реактивной мощности, поступающей в ЭЭС2 (кривая 3). Наконец, при ,^ _£ 5::v?;.. выдача реактивной мощности в ЭЭС2 прекращается и практически вся реактивная мощность, выдаваемая ЭЭС1, расходуется на покрытие мощности намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 и только ≈ 19% на покрытие потерь реактивной мощности в продольных индуктивных сопротивлениях межсистемной электропередачи. Данная ситуация соответствует энергетической диаграмме, изображенной на рис.3,б. При реактивная мощность начинает потребляться и из ЭЭС2. С этого момента возрастающая мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2, а также и потери реактивной мощности в продольных индуктивных сопротивлениях электропередачи начинает покрываться за счет потребления реактивной мощности как из ЭЭС1, так и из ЭЭС2 (см. также энергетическую диаграмму на рис.3,в). В частности, при д - 18 Одр. суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 на ≈ 60% покрывается потреблением реактивной мощности из ЭЭС1 и на ~ 40% потреблением реактивной мощности из ЭЭС2. Однако это возможно только при наличии соответствующих резервов реактивной мощности. В противном случае геомагнитные возмущения при достаточной интенсивности способны инициировать развитие аварийной ситуации типа«лавинанапря-жения».

Заключение. В неразветвленной схеме передачи электроэнергии поток реактивной мощности в приемную систему существенно зависит от интенсивности геомагнитных возмущений, поскольку увеличение ГИТ способно вызвать многократное увеличение мощности намагничивания силовых трансформаторов повышающей и понижающей подстанций до значений достигающих и даже превышающих собственную номинальную мощность. По мере увеличения ГИТуменьша-ется пропускная способность воздушной линии, а поток реактивной мощности в приемную систему уменьшается вплоть до полного прекращения и последующей инверсии направления передачи.