ДИАГНОСТИКА ДЕСТРУКТИВНОГО ПРОЯВЛЕНИЯ ГЕОМАГНИТНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Сероветников Андрей Сергеевич

• Сероветников Андрей Сергеевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Сероветников Андрей Сергеевич

1.1. Солнечно-земные связи. Возникновение геомагнитно-индуцированных токов

1.2. Электроэнергетические системы, как приемник геомагнитно-индуцированных токов

1.3. Существующие подходы к мониторингу геомагнитно-индуцированных токов в техногенных системах

1.4. Высшие гармоники в энергетических системах

1.5. Измерение тока в нейтрали электросети

1.6. Выводы по главе

Глава 2. Мониторинг геомагнитно-индуцированных токов и спектральный анализ процессов в энергетических системах

2.1. Высшие гармоники напряжения, как индикатор геомагнитно-индуцированных токов

2.2. Реализация подхода

2.3. Результаты апробации предлагаемого подхода на базе электросети Камчатского края. Развитие сети наблюдения

2.4. Сопоставление уровня высших гармоник напряжения с вариациями магнитного поля Земли

2.5. Анализ источников собственных гармоник сети

2.6. Выводы по главе

Глава 3. Моделирование взаимосвязи геомагнитно-индуцированных токов с высшими гармониками напряжения

3.1. Существующие подходы к моделированию ГИТ

3.2. Моделирование трансформатора в условиях протекания ГИТ по его обмоткам

3.3. Моделирование геомагнитно-индуцированных токов на участке электросети

3.4. Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ДИАГНОСТИКА ДЕСТРУКТИВНОГО ПРОЯВЛЕНИЯ ГЕОМАГНИТНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ»

Введение

Актуальность темы и степень ее разработанности. Геомагнитно-индуцированные токи (ГИТ) начали изучаться во второй половине 19 века после того как они были зафиксированы в межконтинентальной телеграфной линии [1]. Эти токи проявляются в любых проводниках расположенных на Земле, будь то линии электропередачи, или газопроводы [2]. Их источником является токовая струя, протекающая в ионосфере на высотах 80-110 километров, интенсивность которой зависит от солнечной активности. Такая зависимость обусловлена солнечно-земными связями. Токовую струю часто называют электроджетом [3,

4].

13 марта 1989 года в провинции Квебек, Канада произошла наиболее крупная в XX веке авария в электрических сетях, в результате которой электроснабжение провинции отсутствовало в течение 9 часов, а последствия устранялись несколько недель. Как было установлено, причиной аварии стало значительное увеличение геомагнитно-индуцированных токов, как следствие усиления электроджета во время магнитной бури. В результате наведения геомагнитно-индуцированных токов в линиях электропередач и последующего протеканиях их через нулевые провода силовых трансформаторов, последние перешли в нелинейный режим, что увеличило уровень гармоник. В свою очередь, увеличение гармоник ухудшило электродинамические параметры диэлектриков входящих в состав трансформаторов, привело к их локальному перегреву, пробою и выходу из строя трансформаторов, при эксплуатационных параметрах соответствующих норме.

Естественно, что такая крупная авария резко увеличила интенсивность исследований эффектов геомагнитно-индуцированных токов в электрических системах. Были созданы национальные службы мониторинга ГИТ в США [5, 6, 7], Канаде, Великобритании, Швеции, Финляндии, Норвегии [8] и т.д. В 2007

году в США был выпущен документ С-15 регламентирующий действия операторов электроэнергетических систем в условиях геомагнитных возмущений [9]. Описание Квебекской аварии и последующих работ, направленных на уменьшение риска проявления геомагнитно-индуцированных токов в системе электроснабжения провинции Квебек было дано в работах [10, 11, 12]. Авторы работы [13] провели сравнительный анализ событий в Канаде и случая регистрации ГИТ в электросети Новозеландской энергокомпании Transpower NewZeland Ltd. Данное событие показало, что подобные явления могут наблюдаться на значительно более низких широтах.

Большая теоретическая и экспериментальная работа по моделированию геомагнитно-индуцированных токов в техногенных системах была проведена A. Viljanen , R. Pirjola, D.H. Boteler и др. в период с 1998 года по настоящее время [14, 15, 16, 1, 17, 18, 19], часть полученных результатов используется в данной работе. Большой вклад в исследование и моделирование процессов влияния ГИТ на системы электроснабжения сделали Вахнина В.В. и Черненко А.Н. [20, 21, 22], Сушко В.А. и Косых Д.А. [23, 24, 25].

Тем не менее в нашей стране этой проблеме должного внимания не

уделяется, следовательно, рассчитывать на проведение мониторинга

геомагнитно- индуцированных токов на уровне и по методологии стран Запада,

не приходится. При этом, проводимые в США исследования показывают, что

расчетные потери для электроэнергетики и экономики могут быть огромными

[26]. Так же необходимо учитывать существенное обстоятельство, а именно то,

что со времени Квебекской аварии кардинально изменился характер

потребителей электрической энергии - произошло насыщение сетей

нелинейными потребителями [27, 28], что существенно увеличивает вероятность

деструктивного проявления геомагнитно-индуцированных токов. В настоящее

время в России мониторинг ГИТ осуществляется лишь на Кольском полуострове

в рамках европейского проекта EURISGIC. Авторы [29] подчеркивают

необходимость рассмотрения данного природного явления как национальной

5

угрозы. Следовательно, задача создания недорогого в реализации метода контроля проявления геомагнитно-индуцированных токов в электрических сетях, является актуальной.

Одним из технологических аспектов обеспечения надежности электроэнергетических систем приводимом в монографии, подготовленной с участием ученых Института систем энергетики им. Мелентьева СО РАН, является обеспечение надежности функционирования электроэнергетических систем при экстремальных природных возмущениях, к которым относятся гелиогеомагнитные процессы [30], что является дополнительным аргументом в пользу актуальности данной работы.

Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках НИР по заданию Министерства образования и науки Российской федерации «Исследование дестабилизирующих факторов энергосистемы» регистрационный номер ГГЭК-2.2.1.2 [31, 32, 33]. Материалы диссертации соответствуют требованиям постановления правительства РФ № 1715-р «Об энергетической стратегии на период до 2030» [34] и №511-р «О стратегии развития электросетевого комплекса Российской Федерации» [35].

Цель диссертационной работы.

Основной целью работы является разработка нового способа мониторинга деструктивных проявлений геомагнитно-индуцированных токов в электрических сетях.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих конкретных задач:

1. Исследование механизма возникновения и протекания геомагнитно-индуцированных токов в электроэнергетических системах, которое предполагает: • Оценку влияния ГИТ на спектральный состав напряжения сети.

• Исследование связи процессов проявляющихся в высших гармониках напряжения в электросети с возмущениями магнитного поля Земли.

2. Разработку способа регистрации и мониторинга ГИТ в электросетях, основанного на анализе гармонического состава напряжения сети.

3. Апробацию предложенного подхода на базе электросети Камчатского края, для чего требуется организация долговременной сети пунктов наблюдения, с целью сбора и анализа данных о вариациях гармоник напряжения сети и состоянии геомагнитного поля.

4. Математическое моделирование исследуемых процессов, которое включает в себя:

• Создание математической модели силового трансформатора в условиях протекания по его обмоткам ГИТ и изучения особенностей спектрального состава тока намагничивания.

• Анализ топологических особенностей изучаемой электросети и их влияния на механизм возникновения и протекания в них ГИТ.

• Создание модели геомагнитно-индуцированных токов в магистрали г. Петропавловск-Камчатский - п. Рыбачий и сопоставлении результатов моделирования с наблюдаемыми процессами.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются геомагнитные факторы устойчивости электроэнергетических систем. Предметом исследования являются высшие гармоники напряжения сети как индикатор проявления геомагнитно-индуцированных токов в электроэнергетических системах, а также математические модели элементов ЭЭС в условиях влияния на них ГИТ.

Методы исследований.

В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные с использованием методов теоретических основ

электротехники, теории ЭЭС, вычислительной математики, прикладного пакета программ для инженерных и научных расчетов в среде Windows «MathCAD», прикладного пакета программ для спектрального анализа сигнала в среде Windows «SpectraLAB». Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в комплексном исследовании проявлений вариаций магнитного поля Земли в спектральном составе напряжения сети, путем разработки нового подхода к мониторингу ГИТ, используемого при организации долговременной сети пунктов наблюдения и создании на этой основе математической модели геомагнитно-индуцированных токов в электросети Камчатского края.

Практическая ценность.

Практическая ценность работы заключается в реализации долгосрочных наблюдений ГИТ с использованием разработанного подхода. Анализ вариаций высших гармоник напряжения может служить основой для создания систем защиты элементов электросети от деструктивных проявлений ГИТ. Предлагаемый подход позволяет выделить участки электросети наиболее подверженные риску воздействия геомагнитно-индуцированных токов. Поскольку гармонический анализ напряжения является одним из элементов оценки качества электроэнергии, результаты долговременных наблюдений могут быть использованы электросетевыми организациями для анализа состояния сети и процессов происходящих в ней.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ мониторинга ГИТ на основе оценки вариаций высших гармоник сети.

2. Результаты апробации предложенного способа в локальной электросети Камчатского края.

3. Модель ГИТ в ЭЭС Камчатского края.

Личный вклад.

Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач, методология их решения, разработка и реализация способа мониторинга ГИТ разработаны и получены автором самостоятельно.

Достоверность результатов подтверждается корректным применением для теоретических выводов математического аппарата; качественным совпадением полученных результатов моделирования с результатами наблюдения. В ходе работы использовались труды российских и зарубежных ученых, а так же материалы конференций и семинаров.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на VI международной конференции «Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений» (Петропавловск-Камчатский: ИКИР ДВО РАН 2013).

Глава 1. Проблема геомагнитно-индуцированных токов в электроэнергетических системах и анализ существующих методов их оценки

1.1. Солнечно-земные связи. Возникновение геомагнитно-индуцированных

токов.

Геомагнитно-индуцированные токи являются следствием вариаций тока в электроджете. Их величина определяется мощностью процессов происходящих в магнитосфере [36]. Магнитосфера представляет собой полость, образовавшуюся в сверхзвуковом потоке плазмы солнечного ветра, как следствие его взаимодействия с магнитным полем Земли, рисунок 1. В случае идеальной проводимости, магнитосфера недоступна для внешней плазмы солнечного ветра, который в этом случае может изменить только форму плазмопаузы.

Рисунок 1. Взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли.

В том случае, когда в межпланетном магнитном поле присутствует компонента, параллельная земному магнитному диполю, в области соприкосновения противоположно направленных межпланетного и земного магнитных полей происходит нарушение условий идеальной проводимости плазмы и как следствие во внутреннюю магнитосферу попадает плазма солнечного ветра и переносимая им энергия [37]. В зависимости от количества и скорости поступления энергии возможны три варианта реакции магнитосферы.

Если скорость поступления энергии не превышает скорости стационарной диссипации энергии внутри магнитосферы, то она не изменяет своей формы и остается невозмущенной.

В том случае, когда скорость поступления энергии превышает скорость стационарной диссипации, часть энергии уходит из магнитосферы по энергетическому каналу, роль которого выполняют магнитные суббури. В результате, путем замыкания хвостового тока вдоль магнитных линий через ионосферу в области полярного овала происходит освобождение энергии, накопленной в магнитосфере. Получаемый при этом ток назвали электроджетом или электроструей. Механизм сброса излишков энергии из магнитосферы в ионосферу может функционировать в пульсирующем режиме достаточно долго, с периодичностью около 3 часов [38].

Если скорость поступления энергии в магнитосферу значительно превышает возможности её сброса в области полярного овала, развивается третий вариант, характеризующийся глобальной перестройкой токовой системы магнитосферы и ионосферы, вызывающей сильные возмущения магнитного поля на Земле. При этом основную нагрузку несёт кольцевой ток, расположенный в области геомагнитного экватора. Поэтому в отличие от магнитных суббурь, при которых возмущения магнитного поля наблюдаются в полярных областях, во время магнитных бурь поле изменяется и на низких широтах вблизи экватора. В случае сильных магнитных бурь полярные сияния могут опускаться на 20—30° к

экватору от полярных областей и наблюдаться на низких широтах [38, 39].

11

Таким образом, геомагнитная активность увеличивается в результате резких изменений в существующих токовых системах в магнитосфере и ионосфере Земли или образования новых токовых систем. Степень проявления ГИТ зависит от силы тока протекающего в естественных токовых системах. Известно, что изменение кольцевого тока во время бури значительно больше электроджета, возникающего при суббурях. Но, поскольку кольцевой ток расположен далеко от поверхности Земли, изменения магнитного поля, обусловленные им, составляют в максимуме не более 500 нТ и носят глобальный характер. Электроджет, который в отличие от кольцевого тока протекает на уровне слоя Е ионосферы, приводит к значительно большему возмущению 1000-3000 пТ и при этом носит локальный характер [38].

Для оценки энергетики процессов происходящих в магнитосфере используем материалы, приведённые в [36], рисунок 2.

Силовые линии межпланетного магнитного поля

<

Рисунок 2. Процесс переноса энергии солнечного ветра

в магнитосферу.

Передача энергии в магнитосферу от солнечного ветра наиболее благоприятна в том случае, когда межпланетное магнитное поле направлено противоположно земному, как это показано на рисунке. Часть плазмы солнечного ветра затекает в магнитосферу и формирует плазменную мантию. Диаметр хвоста при этом составляет приблизительно 30 радиусов Земли, а напряжённость магнитного поля в нём приблизительно 3 • 104 Эрстед. В этом случае в ближайшей к Земле части хвоста накапливается энергия порядка 1016 Вт. Плазма, движущаяся со скоростью V перпендикулярно магнитному полю В создаёт напряжённость электрического поля

Е~- (1)

С

Как показывают наблюдения только незначительная часть силовых линий межпланетного магнитного поля, а именно порядка ц=10% пересоединяются с силовыми линиями магнитного поля Земли. Тогда внутрь магнитосферы передаётся электрическое поле

1мВт/м, (2)

соответсвующее разности потенциалов между крайними пересоединенными линиями межпланетного магнитного поля. Тогда разность потенциалов электрического поля поперёк магнитосферы будет составлять Ауз = ЕБ3~10 ^ 100 кВ.

Полную энергию, поступающую из солнечного ветра в магнитосферу можно оценить как поток вектора Пойнтинга через площадь этой границы

Р3 « ЕВБ32 « 3 • 1011 Вт. (3)

Для определения доли энергии приходящейся собственно на плазму авторами [36] используются следующие соображения. Под действием солнечного ветра

пересоединившиеся в хвост магнитосферы магнитные линии вытягиваются, что приводит к их натяжению. В свою очередь деформация силовых линий приводит к дрейфу плазмы к Земле. Магнитные силовые линии, дрейфующие вместе с частицами плазменного слоя обтекают Землю с обеих сторон и возвращаются к дневной магнитопаузе. Темп удаления пересоединенного магнитного потока с дневной магнитопаузы в хвост магнитосферы должен равняться темпу его возвращения из хвоста на дневную магнитопаузу. Следовательно, стационарная конвекция требует равенства темпов пересоединения на дневной и ночной сторонах магнитосферы. Полный цикл конвекции при типичных параметрах солнечного ветра составляет 3-6 часов. При этом в магнитосферу в форме горячей плазмы инжектируется энергия ~1010^10п Вт. Эта энергия расходуется на высыпание частиц в область полярных сияний, джоулев нагрев ионосферы и формирование кольцевого тока. Структура токов представлена на рисунке 3 [36], время локальное.

По чдень 12

О

Полночь ^Н - Тони в ионосферу Еу»^ - Тони из ионосферы

Рисунок 3. Структура электроджета.

14

В более близком к полюсу поясе, связанном с плазменным слоем в хвосте магнитосферы, токи втекают в ионосферу на восточной стороне и вытекают из неё на западной. Область втекания и вытекания токов в первом приближении соответствует овалу полярных сияний, который образуется вследствие высыпания энергичных частиц из радиационных поясов Земли.

Как следует из [36], описание магнитосферы в таком виде соответствует предположению о стационарной конвекции плазмы и вмороженных в неё магнитных силовых линий. В реальности состояние магнитосферы характеризуется чрезвычайно изменчивым состоянием, что связано с трансформацией величины и направления межпланетного магнитного поля а, следовательно, и темпа передачи энергии внутрь магнитосферы. Тем не менее, это позволяет нам оценить масштабы энергетических процессов в магнитосфере.

Область втекания и вытекания продольных токов в первом приближении совпадают с овалом полярных сияний. Линейные размеры овалов соответствуют 1-20 километрам в направлении север-юг и 3-5 тысячам километров с востока на запад. По разным оценкам от 10 до 50 процентов величины продольного тока в этих областях обусловлено высыпающимися энергичными частицами с энергией

л

1-10 кэВ. Что соответствует потоку энергии 0,01-0,1 Вт/м , при максимальной

л

плотности тока 10 мкА/м . При этом полный ток, втекающий в ионосферу, оказывается равным приблизительно миллиону ампер. Ранее было показано, что разность потенциала создаваемого солнечным ветром попёрек магнитосферы составляет ~10-100 кВ. На уровне ионосферы разность потенциалов будет меньше, поэтому для оценки возьмём нижний предел 10 кВ, тогда мощность тока протекающего через систему продольных токов будет равна ~104В • 106А = 1010 Вт.

1.2. Электроэнергетические системы, как приемник геомагнитно-

индуцированных токов.

Поскольку в системах электроснабжения для передачи энергии на большие расстояния используются воздушные линии электропередач, то проникновение геомагнитно-индуцированных токов в систему в основном происходит через них. Эффективность проникновения ГИТ через линии электропередачи определяется их местонахождением относительно полярного круга, протяженностью и ориентацией относительно сторон света [40]. Понятно, что при этом необходимо учитывать геофизическую обстановку, которая определяется солнечной активностью [41, 42]. Специалисты американской компании Ме^есИ произвели расчёт областей потенциально подверженных воздействию геомагнитно-индуцированных токов, результаты которых показаны на рисунке 4 [43].

Рисунок 4. Области риска воздействия геомагнитно-индуцированных токов.

Из рисунка видно, что большая часть нашей страны подвержена влиянию

геомагнитно-индуцированных токов, не является исключением и Камчатка.

Ранее было отмечено, что эффективность проникновения геомагнитно-

индуцированных токов в электрические сети зависит, в том числе от их

протяжённости. Поэтому в качестве справки целесообразно привести данные о

16

протяжённости линии электропередач в нашей стране по различным классам напряжения [44], рисунок 5.

Рисунок 5. Протяженность линий электропередач в Российской Федерации на

различные классы напряжения.

Из сопоставления данных приведённых зарубежными и российскими специалистами [14, 15, 16, 45] можно сделать вывод о большой вероятности проявления геомагнитно-индуцированных токов в наших электрических сетях. Более того исследования проведённые в Азербайджане, который находится в значительно безопасных, нежели наша страна, условиях, с точки зрения воздействия геомагнитно-индуцированных токов (рисунок 4), показали хорошее совпадение среднего числа отказов в электросетях с солнечной активностью, рисунок 6 [46].

О CL>

® S

^ Л

СЧ M

ai эН

S ы

в а

я Я

и

О

»

1В 16 и 12 10 ! 6

2

О

F*b-2W2

Power failures data, Baku

"Barmek-Azerbaijan Electricity Network LTD « —*— Аварии Активность Солнца

л Г;!

f P 1 : /

1/ F f 1 f\J\ Li

дд| pj V

\\ Г v у

ч! и

-- - - - \

Amj-2»Î F»b-2MÎ

AuS-2M3 Fib-2W4 Calendar date

Auî-ÎWM F»b-ÎWS

Рисунок 6. Среднее число отказов в электрических сетях Азербайджана в сопоставлении с солнечной активностью.

Кроме того, результаты расследования выхода из строя 7 блочных трансформаторов в Индии показали, что аварии произошли в результате насыщения сердечников. Изучение режимов работы трансформаторов показало, что в схожих условиях они никогда не выходили из строя где бы то ни было еще. Вместе с тем, обстоятельства событий указывают на то, что причиной выхода оборудования из строя является воздействие геомагнитных процессов [47].

Частота геомагнитно-индуцированных токов мала 0,001^1 Гц и принято считать, что для сетей использующих стандарт 50 Гц они эквивалентны постоянному току [48]. В трехфазной электрической сети геомагнитно-индуцированные токи протекают через нейтраль и обмотки трансформаторов, как показано на рисунке 7 [46].

Рисунок 7. Пути протекания геомагнитно-индуцированных токов.

Такой путь протекания геомагнитно-индуцированных токов приводит к подмагничиванию магнитопроводов трансформаторов и смещению рабочей точки, как показано на рисунке 8 [49]. Подобное смещение рабочей точки приводит к искажению формы тока намагничивания, что эквивалентно появлению высших гармоник в спектре тока намагничивания. Наличие высших гармоник сети имеет целый ряд последствий для устойчивости функционирования

энергосистем [50], здесь мы отметим одну, которая сыграла ключевую роль в Квебекских событиях.

Рисунок 8. Иллюстрация смещения рабочей точки трансформатора. Тангенс угла диэлектрических потерь, который характеризует долю электромагнитной энергии рассеиваемой в виде тепла, в общем случае можно записать, как [51]

tgS

а

(4)

где а - удельная проводимость; С — - круговая частота;

£а - относительная диэлектрическая проницаемость.

Из анализа выражения следует, что при неизменных а и £а увеличение частоты, что характерно для высших гармоник, приведёт к ухудшению диэлектрических свойств материалов входящих в состав электроустановок и следовательно к увеличению тепловых потерь. В свою очередь, нагрев материала ухудшает его диэлектрические свойства, создаётся положительная обратная связь, что в конце концов приводит к пробою диэлектрика и выходу из строя электроустановки, что собственно наблюдалось в квебекских событиях. Авторами работы [52]

выполнено исследование тепловой нагрузки на трансформатор в условиях воздействия на него ГИТ.

1.3. Существующие подходы к мониторингу геомагнитно-индуцированных

токов в техногенных системах.

В странах Запада подход к мониторингу геомагнитно-индуцированных токов основан на комплексной оценке его последствий для различных техногенных систем, таких как нефте и газопроводы, линии электропередач, магистральные линии связи и т.д. Поэтому при моделировании обычно используют данные сети магнитометров, которые позволяют определить параметры эквивалентного ионосферного источника [18, 14]. С учётом свойств подстилающей поверхности вычисляется электрическое поле. На следующем шаге, исходя из топологии и электродинамических свойств технологической системы, вычисляется геомагнитно-индуцированный ток. В качестве иллюстрации результатов применения подобного подхода, приведём данные Swedish Institute of Space Physic, рисунок 9 [53].

Рисунок 9. Пример оценки геомагнитно-индуцированных токов.

Два нижних графика показывают индекс магнитной активности и скорость солнечного ветра по данным спутников ACE и SOHO, что позволяет проследить динамику параметров солнечного ветра.

В электрических сетях задача мониторинга значительно упрощается, поскольку есть возможность измерить ток в нейтрале, в которой, как было показано ранее, протекают геомагнитно-индуцированные токи. Поэтому в электрических системах, как правило, используются два графика: собственно величина геомагнитно-индуцированных токов и производная от магнитной индукции, рисунок 10 [49].

< о

-10 -15

к ■^Л^-гЧ.

V

1600 17:00 18500 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Пне ЛепудИте Л к МигппцагУ!

_ О

I

-5

I -АУи^К-'—

_1_

1&00 17:00 18500 19:00 20:00 21:00

инь:

22:00 23:00

Рисунок 10. Графики суточных вариаций ГИТ и магнитной индукции в

Финляндии.

Если оценить возможность применения этого подхода в наших условиях, можно прийти к выводу, что использование магнитных данных вполне реально. Что касается непосредственного измерения ГИТ в сетях, то такое маловероятно, поскольку включение внешних систем в существующие сети вызывает проблемы экономического и административного порядка.

1.4. Высшие гармоники в энергетических системах.

Исходя из вышесказанного, необходим иной подход к решению проблемы мониторинга геомагнитно-индуцированных токов в электрических сетях. Анализ ситуации, повлекшей катастрофические последствия в Канаде, привёл к установлению определённой последовательности в развитии событий, которые отмечались ранее, а именно: попав через линии электропередач в систему энергоснабжения, геомагнитно-индуцированные токи протекают через нейтраль и обмотки силовых трансформаторов. Но основное их отличие от промышленного тока заключается в частоте - она меньше герца. У промышленного тока частота

50 Гц в нашей стране и 60 Гц в США, т.е. геомагнитно-индуцированный ток, по сравнению с промышленным, практически является постоянным. При протекании такого тока через трансформатор происходит подмагничивание сердечника и при достаточно большой величине тока переход его в нелинейный режим. Этот переход приводит к увеличению уровня высших гармоник сети, они в свою очередь ухудшают диэлектрические свойства изоляционных материалов входящих в состав трансформатора. Вследствие увеличения диэлектрических потерь происходит локальный перегрев, последующий виток ухудшения диэлектрических свойств и, в конце концов, выход из строя трансформатора без всяких видимых причин.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сероветников Андрей Сергеевич, 2016 год

Список литературы

1. Boteler D.H., R.J. Pirjola, and H. Nevanlinna The effects of geomagnetic disturbances on electrical systems at the earth's surface // Advances in Space Research. — 1998. — Т. 22. — C. 17-27.

2. Effects of Geomagnetic Disturbances on the Bulk Power System: 2012 Special Reliability Assessment Interim Report //www.nerc.com.

3. Maurer H., Theile B. Parameters of the auroral electrojet from magnetic variations along a meridian // Journal of Geophysics. — 1978. — 44. — C. 415-426.

4. McNish A. G. Heights of electric currents near the auroral zone // Terrestrial Magnetism. — 1938. — 43. — P. 67-75.

5. Solar Shield // Community Coordinated Modeling Center. — http://ccmc.gsfc.nasa.gov/Solar_Shield/Solar_Shield.html.

6. NSWP // The National Space Weather Program. — http://www.nswp.gov/.

7. LWS // Living With a Star program. — http://lws.gsfc.nasa.gov/index.html.

8. EURISGIC // European Risk From Geomagneticaly Induced Currents. — http://www.eurisgic.eu/.

9. Document C-15 "Procedures for Solar Magnetic Disturbances which Affect Electric Power Systems" revised January 11 2007 : Northeast Power Coordination Council. — New York : NY.

10. G.Blais P.Metsa Operating the Hydro-Quebec grid under magnetic storm conditions since the storm of 13 March 1989 // . In Solar-Terrestrial Predictions IV, Proceedings of a Workshop at Ottawa, Department of Commerce. — 1994. — C. 108-130.

11. Allen J., Frank L., Sauer H. Effects of the March 1989 solar activity // EOS Trans. AGU. — 1989. — 70.

12. Cucchi G., Ponder J. Summary of March 13, 1989 geomagnetic storm effects // press. Dalas T&D Conference. — 1991.

13. Beland J., Small K. Space Weather Effects on Power Transmission Systems: The Cases of Hydro-Québec and Transpower New Zealand Ltd // NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. — 2005. — 176. — P. 287-299.

14. R.Pirjola A.Vinjanen Complex image method for calculating electric and magnetic fields produced by an auroral electrojet of finite length. // Ann. Geophisicae 16. — 1998. — C. 1434-1444.

15. D.H.Boteler R.Pirjola, L.Trichtchenko On calculating the electric and magnetic fields produced in technological systems at the Earth's surface by a "wide" electrojet // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. — 2000. — C. 1311-1315.

16. R.Pirjola D.H.Boteler Calculation methods of the electric and magnetic fields at the Earth's surface produced by a line current // RADIO SCIENCE. — 2002. — Т. №3. — 10.1029/2001RS002576.

17. Lahtinen M. R. Pirjola Currents produced in earthed conductor networks by geomagnetically-induced electric fields // Annales Geophysicae. — 1995. — Т. 4. — C. 479-484.

18. Viljanen A., Nevanlinna, H., Pajunpaa, K., and Pulkkinen, A. Time derivative of the horizontal geomagnetic field as an activity indicator // Annales Geophysicae. — 2001. — Т. 19. — C. 1107-1118.

19. Boteler D. H., Pirjola R. J. The complex image method for calculating the magnetic and electric at the surface of the Earth by the auroral electrojet // Geophysical Journal International. — 1998. — 132. — C. 31-40.

20. Вахнина В. В. Моделирование режимов работы силовых трансформаторов систем электроснабжения при геомагнитных бурях. — Тольятти : Тольяттинский государственный университет, 2012. — 103 c.

21. Вахнина В. В., Черненко А. Н., Кузнецов В. А. Влияние геоиндуцированных токов на насыщение магнитной системы силовых трансформаторов // вектор науки Тольяттинского Государственного Университета. — 2012. — 3. — C. 65-69.

139

22. Вахнина В. В., Кретов Д. А. Математическая модель силового трансформатора при воздействии геомагнитных бурь на системы электроснабжения // вектор науки Тольяттинского Государственного Университета . — 2012. — 4 (22). — C. 141-144.

23. Сушко В. А., Косых Д. А. Геомагнитные штормы. Угроза для электроэнергетических систем // Новости ЭлектроТехники. — 2013. — 1 (79). — C. 26-30.

24. Сушко В. А., Косых Д. А. Геомагнитные штормы. Влияние на электроэнергетические системы и меры противодействия // Новости ЭлектроТехники. — 2013. — № 2(80). — C. 26-29.

25. Сушко В.А., Косых Д.А. Геомагнитные штормы. Способы уменьшения воздействия на электроэнергетические системы // Новости ЭлектроТехники. — 2013. — 3 (81). — C. 24-26.

26. Events Severe Space Weather - Understanding Societal and Economic Impacts: Workshop Report. . — Washington, D.C. : The National Academies Press // www.nap .edu/catalog/12507.html.

27. Кобелев А. В., Зыбин А. А. Современные проблемы высших гармоник в городских системах электроснабжения // Вестник ТГТУ. — 2011. — Т. 17, 1. — C. 181-191.

28. Кобелев А. В., Кочергин С. В., Бакулин А. В., Хребтов Н. А., Павлинов В. В. Анализ высших гармоник напряжения и тока при использовании компактных люминесцентных ламп // Университет им. В.И. Вернадского. — 2011. — 3(34). — C. 374-377.

29. Сушко В.А. Косых Д.А. Геомагнитные штормы. Угроза национальной безопасности России // Новости ЭлектроТехники. — 2013. — 4 (82). — C. 25-28.

30. Воропай Н. И., Ковалев Г. Ф., Кучеров Ю. Н. Концепция обеспечения надежности в электроэнергетике. — М. : ООО ИД "Энергия", 2013. — 304 c.

140

31. Сивоконь В. П., Сероветников А. С. Исследование дестабилизирующих факторов энергосистемы : Заключительный отчет о выполнении НИР по заданию минобрнауки РФ / Камчатский Государственный университет им. Витуса Беринга. — Петропавловск-Камчатский, 2011. — регистрационный номер 01201052393, С. 73.

32. Сивоконь В. П., Писарев А. В., Сероветников А. С. Исследование дестабилизирующих факторов энергосистемы : Промежуточный отчет о выполнении НИР по заданию минобрнауки РФ / Камчатский Государственный университет им. Витуса Беринга. — Петропавловск-Камчатский, 2010. — регистрационный номер 01201052393, С. 85.

33. Сивоконь В. П., Сероветников А. С. Исследование влияния природных и антропогенных факторов на устойчивость функционирования техногенных систем : Отчет о выполнении НИР по заданию минобрнауки РФ / Камчатский Государственный университет им. Витуса Беринга. — Петропавловск-Камчатский, 2012. — регистрационный номер ГГЭК-2.2.1.2, С. 121.

34. Об энергетической стратегии России на период до 2030 года: УТВЕРЖДЕНА распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р.

35. О стратегии развития электросетевого комплекса Российской Федерации: УТВЕРЖДЕНА распоряжением Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2013 г. № 511-р.

36. Прохоров А.М. Абашидзе И.В. Физика космоса // Сов. энциклопедия. — 2-е изд., перераб. и доп.—М., 1986.

37. Беленькая Е. С. Магнитосферы планет обладающих собственным магнитным полем // Успехи физических наук. — 2009. — Т. 179, 8. — С. 809-835.

38. Акасофу С. И., Чепмен С. Солнечно-земная физика.. — М. : Мир, 1974.

39. Арыков А. А. Токовые системы геомагнитной бури. — Апатиты : КНЦ РАН, 1999. — 74 c.

40. Bozoki B. The effects of GIC on protective relaying // IEEE Trans. Power Delivery. — 1996. — 11. — P. 725-739.

41. Anderson C.W., Lanzerotti L.J., Maclennan C.G. Outage of the L-4 system and the geomagnetic disturbances of August 4, 1972 // Bell Syst. Tech. J.. — 1974. — 53. — P. 1917-1837.

42. Boteler D. H., Jansen van Beek G. Mapping the March 13, 1989 magnetic storm and its effect across N. America // Proc. Solar-Terrestrial Prediction Workshop. — 1993. — 3. — C. 57-70.

43. Kappenman J G Advanced Geomagnetic Storm Forecasting // American Association for the Advancement of Science. — Metatech Corporation, 2000.

44. Вариводов В.Н. Компактные высоковольтные линии электропередачи // Электро. — 2006. — Т. №2. — C. 2-6.

45. Пономарёв Е.А. Механизмы магнитосферных суббурь.. — М : Наука, 1985.

46. E.S.Babayev.et.al. An influence of solar and geomagnetic activity on honey bees and world honey production // Physical-mathematical sciences. — Transactions of the Baku State University, 2006.

47. Александров Г. Н. Особенности магнитного поля трансформаторов под нагрузкой // Электричество. — 2003. — 5.

48. Pirjola R. Effect of series capacitors, neutral point reactor, autotransformers and overhead shield wires on geomagnetically induced currents (GIC) in electric power transmission systems // Annales geophyscae. — 1985. — P. 479 - 484.

49. A. Pulkkinen Geomagnetic induction during highly disturbed space weather conditions: studies of ground effects // Academic dissertation in physics. — Helsinki : Finnish Meteorological Institute, 2003.

50. Григорьев О. Петухов В., Соколов В. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ. = // www.tesla.ru.

51. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. — Москва : Связь, 1973.

52. Вахнина В. В., Кузнецов В. Н., Шаповалов В. А. Тепловая нагрузка бака силового трансформатора при глубоком насыщении магнитной системы // Вектор науки Тольятинского Государственного университета. — 2011. — 4(18).

53. Project ESA Space Weather Pilot Real-time forecast service for geomagnetically induced currents // Swedish Institute of Space Physics (IRF) and Finnish Meteorological Institute (FMI). — http://www.lund.irf.se/gicpilot/gicforecast/index.html.

54. Капустин В.М. Лопухин А.А. Компьютеры и трехфазная электрическая сеть // Современные технологии автоматизации - СТА. — 1997.

55. Центр электромагнитной безопасности Влияние нелинейных электропотребителей на условия эксплуатации электроустановок зданий // KOLAN KVM ATEN. — Режим доступа: http://www.colan.ru/support/artview.php?idx=233.

56. Бирюлин В.И. Ларин О.М., Рыбалкин О.М. Генерация высших гармоник тока и напряжения газоразрядными лампами при регулировании питающего напряжения. // Электро. — 2006. — C. 11-14.

57. Гуревич В.И. Энергобезопасна ли релейная защита? // Компоненты и технологии. — 2010. — C. 6-8.

58. Гуревич В.И. Проблема электромагнитных воздействий на микропроцессорные устройства релейной защиты. // Компоненты и технологии. — 2010. — C. 46-51.

59. Хвостов В. С. Электрические машины постоянного тока: учеб. для электротехн. специальностей вузов. — М. : Высш. шк, 1988. — 528 c.

60. Бабич В.И. Задачи и методы обследования электрооборудования // Энергоэффективность: опыт, проблемы, решения. — 2003.

61. Жежеленко И В, Саенко Ю Л Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. — Москва : Энергоатомиздат, 2000.

62. Вахнина В. В., Кретов Д. А. Определение допустимых уровней геоиндуцированных токов для обеспечения работоспособности силовых трансформаторов при геомагнитных бурях // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». — 2012. — 4. — C. 1-7.

63. TrueRMS Истинное среднеквадратическое значение // Контрольно-измерительные приборы и системы. —

http: //www.kipi s .ru/info/index .php?ELEMENT_ID=50187.

64. ООО "Солис-С" Научно-производственная фирма // Приборы для технического, коммерческого контроля показателей качества электроэнергии. — http://ppke.ru/.

65. Музыка М.М. Сковпень С.М.,Черевко А.И. АНАЛИЗАТОР КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ // Электро. — 2005. — C. 27-29.

66. Вахнина В. В., Кузнецов В. А. Разработка системы мониторинга геоиндуцированных токов в нейтралях силовых трансформаторов при геомагнитных бурях // Вектор науки Тольяттинского Государственного Университета. — 2013. — 2 (24). — C. 108-111.

67. Динь-Дык Н. Разработка методики исследования распространения высших гармоник в электроэнергетических системах // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. — МЭИ, 2008.

68. K.E.Huttunen, S.P.Kilpua, A.Pulkkinen Solar wind drivers of large geomagnetically induced currents during the solar cycle 23 // Space weather. — 2008. — S10002,

doi: 10.1029/2007SW000374.

69. Rostocker G. Q. Rev. Geophys. // Space Phys.. — 1972. — Vol. 10, 951.

144

70. Sugiura M., Heppner J. P. In Introduction to Space Science. — Gordon-Breach Science Publ., 1968.

71. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. — Москва : МИР, 1980.

72. Allen J. H., Abson C. C., Morris L. D. World Data Center A, Report UAG-59. — 1976.

73. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.. — М. : Стандартинформ, 2012. — C. 16.

74. Харченко М. А. Корреляционный анализ. — Воронеж: ВГУ, 2008. — 31 c.

75. Сивоконь В.П. Сероветников А.С., Писарев А.В. Высшие гармоники как индикатор геомагнитно-индуцированных токов // Электро. — 2011. — C. 44-51.

76. Арриллага Дж. и пр. Гармоники в электрических системах / перев. Брэдли Д. Боджер П.. — М : Энергоатомиздат, 1990.

77. Пек Б. Э. Моделирование работы трехфазных трансформаторов напряжения с учетом рассеяния магнитного поля // Санкт-Петербургский Государственный Университет, Физический факультет. — Санкт-Петербург, 2008.

78. Климов В.П. Москалев А.Д. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания // Практическая силовая электроника Науч.-техн. сб. / Под ред. Г.М.Малышков А.В.Лукина. — "ММП-Ирбис", 2002.

79. Климов В.П. Москалев А.Д. Способы подавления гармоник в системах электропитания. // Практическая силовая электроника. — 2003.

80. Сивоконь В. П. Электромагнитные колебания в ионосферно-магнитосферном контуре // Геомагнетизм и аэрономия. — 2011. — Т. 51, 4. — C. 1-7.

81. Hakkinen L., Pirjola R. Calculation of electric and magnetic fields due to an electrojet current system above a layered earth // Geophysica. — 1986. — 22. — C. 3144.

82. Park D. Magnetic field of horizontal current above a conducting earth // Journal of Geophysical Research. — 1973. — 78. — P. 3040-3043.

83. Kertz W. Modelle fur erdmagnetisch induzierte elektrische Strome im Untergrund // Nachr. Akad. Wiss. Gottingen, Math.-phys. Kl.. — 1954. — IIa. — P. 101-110.

84. Vodjannikov V. V., Gordienko G. I., Nechaev S. A., Sokolova O. I., Homutov S. J. Study of Geomagnetically Induced Current from Time Derivative of the Earth's Magnetic Field // PUBLS. INST. GEOPHYS. POL.. — 2007. — C-99 (398).

85. Сивоконь В.П. Сероветников А.С. Вариации спектра тока трансформатора, подверженного воздействию геомагнитно-индуцированных токов // Электро . — 2015. — №1. — C. 18-21.

86. Сивоконь В. П., Сероветников А. С. Геомагнитно-индуцированные токи в электрической сети Камчатки // Электро. — 2013. — C. 19-22.

87. Карташев И.И. Динь-Дык Н. Влияние характеристик намагничивания трансформатора на спектр генерируемых им высших гармоник. // Вестник МЭИ. — 2007. — C. 56-63.

88. R.Pirjola Electromagnetic induction in the earth by a plane wave or by fields of line currents harmonic in time and space. // Geophisica. — 1982. — Т. vol.18. — C. 1-161.

89. Сероветников А.С. Сивоконь В.П. Параметры линии электропередачи как фактор проявления геомагнитно-индуцированных токов // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. — 2015. — №1. — C. 3-6.

90. Федоров А. А., Старкова Л. Е. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий: Учеб. пособие для вузов. — М. : Энергоатомиздат, 1987. — 368 c.

91. Transmission & Distribution World // Transmission & Distribution WorldT&D World Magazine. — Режим доступа: http://tdworld.com/archive/epri-releases-results-solar-storm-activity, 1 may 2012.

Приложения

Приложение А

Рисунок 66. Сравнение вариаций гармоник сети в день магнитного возмущения (5 июня) с вариациями вертикальной

Приложение Б

Рисунок 73. Сравнение вариаций гармоник сети в день магнитного возмущения (11 июля) с вариациями производной

Рисунок 75. Сравнение вариаций гармоник сети в день магнитного возмущения (14 августа) с вариациями

Рисунок 76. Сравнение вариаций гармоник сети в день магнитного возмущения (15 августа) с вариациями

Рисунок 77. Сравнение вариаций гармоник сети в день магнитного возмущения (16 августа) с вариациями

Рисунок 82. Сравнение вариаций гармоник сети в день магнитного возмущения (26-29 сентября) с вариациями

Приложение В

Рисунок 94. Сравнения уровня гармоник в пункте наблюдения 1К с вариациями геомагнитного поля Ъ за февраль

2012.

14.00% - ив 08/12 - % гармоник Ъ Г 4000

12.00% - 3500

ас X

с а. г .1. . А * а 1 1 1 А I Л (1 1 Л 1 2500 N

»и - 2000

- 1500

Л ^ # ^ # ^ ^ # # ¿у ^ ^ ^ # ^ ^ ^ # # ^ # ^ * > > ¿Р ^ > >' > о* о* > > <3* ¿ь- с*" <§* > > > ^ > ^ Бремя