Влияние геоиндуцированных токов на функционирование однофазных силовых автотрансформаторов систем электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Самолина Ольга Владимировна

• Самолина Ольга Владимировна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Самолина Ольга Владимировна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ВОЗДЕЙСТВИЕ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ НА 13 СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И

АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Механизм возникновения и протекания геоиндуцированных 13 токов в системах электроснабжения

1.2 Проблемы систем электроснабжения при воздействии 23 геоиндуцированных токов

1.3 Анализ конструкции магнитной системы трансформаторного 30 оборудования

1.4 Постановка цели и задач исследования 34 Выводы

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИЛОВОГО 37 АВТОТРАНСФОРМАТОРА В ПРИСУТСТВИИ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ

2.1 Конструктивные особенности силовых автотрансформаторов

2.2 Математическая модель однофазного силового 44 автотрансформатора при одновременном намагничивании магнитопровода переменным и геоиндуцированным током

2.3 Математическая модель магнитной цепи однофазного силового 54 автотрансформатора при одновременном намагничивании магнитопровода переменным и геоиндуцированным током

Выводы

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАМАГНИЧИВАНИЯ 60 МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ОДНОФАЗНОГО СИЛОВОГО АВТОТРАНСФОРМАТОРА

3.1 Анализ характеристики намагничивания электротехнической

стали

с учетом области технического насыщения

3.2 Основные характеристики однофазного силового 66 автотрансформатора

3.3 Определение параметров магнитного поля однофазного силового 73 автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220

3.4 Моделирование тока намагничивания однофазного силового 89 автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220

Выводы

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ НА МАГНИТНУЮ СИСТЕМУ СИЛОВЫХ АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ

4.1 Особенности воздействия постоянных токов 94 на силовые автотрансформаторы и трансформаторы

с учетом конструкции магнитопровода

4.2 Определение диапазонов геоиндуцированных токов, 102 оказывающих «сильное» и «слабое» воздействие на параметры силовых автотрансформаторов и трансформаторов

4.3 Разработка критерия оценки интенсивности воздействия 107 геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы

систем электроснабжения во время геомагнитных бурь Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние геоиндуцированных токов на функционирование однофазных силовых автотрансформаторов систем электроснабжения»

Актуальность темы

В системах электроснабжения (СЭС) на протяженных магистральных линиях широко используется трансформаторное оборудование. Распространенным видом трансформаторного оборудования напряжением 500 кВ и выше являются силовые автотрансформаторы, связывающие сети разных классов напряжения. По данным на 2015 г. в России силовые автотрансформаторы класса напряжения 500 кВ составляют более 60% от суммарной установленной мощности трансформаторного оборудования.

Анализ причин возникновения ненормальных и аварийных режимов в СЭС показывает, что примерно в 15% случаях причиной являются геомагнитные бури (ГМБ). В период геомагнитных бурь в заземленных нейтралях силовых трансформаторов и автотрансформаторов начинает протекать геоиндуцированный ток (ГИТ). Поскольку ГИТ имеет очень низкую частоту по отношению к частоте переменного тока электрической сети (от 0,001 до 0,1 Гц), то его воздействие на системы электроснабжения аналогично воздействию постоянного тока, причем в первую очередь влияние будет проявляться на силовые трансформаторы и автотрансформаторы.

В силовых трансформаторах и автотрансформаторах при протекании ГИТ происходит насыщение магнитной системы, приводящее к возрастанию несинусоидальных токов намагничивания, сильному искажению тока в обмотках, дополнительному нагреву обмоток, магнитопровода, масла, конструкционных элементов. Однако, в большинстве крупных системных аварий, произошедших вследствие мощных геомагнитных бурь, разрушающему воздействию подверглись в первую очередь силовые автотрансформаторы.

Насыщение магнитной системы силовых автотрансформаторов и трансформаторов приводит к нарушению нормального функционирования системы электроснабжения. При эксплуатации СЭС насыщение магнитной

системы силовых трансформаторов и автотрансформаторов возможно по следующим причинам:

1. Включение силового трансформатора и автотрансформатора в режим холостого хода;

2. Перевозбуждение трансформатора и автотрансформатора при повышении напряжения на первичной обмотке и номинальной частоте или при понижении частоты и номинальном напряжении;

3. Короткое замыкание во внешней системе электроснабжения, подключенной к вторичной обмотке силового трансформатора или автотрансформатора;

4. Одновременное намагничивание магнитной системы силового трансформатора и автотрансформатора переменным и постоянным магнитными полями.

Процессы насыщения магнитной системы силовых трансформаторов описаны в работах зарубежных и отечественных ученых. Однако не изученным остается вопрос исследования процессов в нелинейной магнитной цепи однофазных силовых автотрансформаторов, входящих в систему электроснабжения, когда по обмоткам одновременно протекают переменный и геоиндуцированный токи. Это особенно актуально при анализе режимов работы систем электроснабжения в периоды геомагнитных бурь, вызванных возмущениями космической погоды.

Для обеспечения нормального функционирования систем электроснабжения необходима разработка методов оценки степени влияния ГИТ на возможность и глубину насыщения магнитной системы однофазных силовых автотрансформаторов. В настоящее время не существует методов, способных прогнозировать возникновение геомагнитных бурь и оценивать динамику процессов при их возникновениях в системах электроснабжения и влияние на электроснабжение потребителей. Сложность и высокая стоимость работ по натурному эксперименту в реальной СЭС делают актуальным развитие методов математического моделирования процессов, возникающих в системах

электроснабжения в период геомагнитных бурь. Математическое моделирование позволит описать режим насыщения магнитных систем силовых автотрансформаторов с учетом одновременного протекания по обмотке переменного и геоиндуцированного тока, определить опасные величины ГИТ и разработать критерий оценки интенсивности воздействия геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы систем электроснабжения в период геомагнитных бурь.

Обоснование разработанности темы - вопросам влияния геомагнитных бурь на системы электроснабжения посвящены работы зарубежных и российских ученых Albertson V.D., Boteler D.H., Bush C.K., Elovaara J., Kappenman J.G., Key A.J., Kielen B., Lahtinen M., Pirjola R., Pulkkinen A., Walling, R.A., Бабаева Э.С., Белова А.В., Вахниной В.В., Кузнецова В.Г., Гершенгорна А.И. и др. Процессы насыщения магнитной системы силовых трансформаторов описаны в работах Бамдаса А.М., Дружинина В.В., Лейтеса Л.В., Розенблата М.А., Копылова И.П. Определение параметров силового трансформатора с насыщенной магнитной системой экспериментальным путем дано Засыпкиным М.С. и Зихерманом М.Х. Поведение ферромагнитных материалов при одновременном намагничивании переменным и постоянным магнитными полями рассмотрено Кифером И.И. Вахниной В.В. разработаны общие подходы к моделированию процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями.

Целью исследования является разработка методики расчета функционирования однофазных силовых автотрансформаторов системы электроснабжения при воздействии геоиндуцированных токов.

Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель силового автотрансформатора систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной

системы переменным и постоянным магнитными полями во время геомагнитных бурь.

2. Исследовать влияние геоиндуцированных токов на насыщение магнитной системы силовых автотрансформаторов во время геомагнитных бурь с учетом нелинейности кривой намагничивания материала сердечника.

3. Разработать алгоритм моделирования процесса насыщения магнитной системы силовых автотрансформаторов во время геомагнитных бурь.

4. Разработать методику расчета тока намагничивания силовых автотрансформаторов при протекании геоиндуцированного тока по заземленной обмотке высокого напряжения с учетом насыщения магнитопровода.

5. Исследовать интенсивность воздействия геомагнитных бурь на насыщение магнитной системы силовых автотрансформаторов системы электроснабжения.

6. Разработать критерий оценки интенсивности воздействия геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы систем электроснабжения во время геомагнитных бурь.

Объект исследования - однофазные силовые автотрансформаторы системы электроснабжения.

Предмет исследования - режимы работы однофазного силового автотрансформатора системы электроснабжения при геомагнитных бурях.

Методы исследования. В процессе выполнения диссертационного исследования использованы методы теоретических основ электротехники, математического моделирования силовых трансформаторов и автотрансформаторов систем электроснабжения с применением аппарата линейной алгебры, функций комплексного переменного и дифференциальных уравнений, теории электрических и магнитных цепей. Компьютерное моделирование выполнено с помощью программных комплексов Wolfram Mathematica 11, FEMM 4.2.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые разработана математическая модель однофазного силового автотрансформатора для моделирования процессов в системах электроснабжения в период геомагнитных бурь, отличающаяся введением нелинейного дифференциального индуктивного сопротивления ветви намагничивания.

2. Разработана методика расчета тока намагничивания, которая отражает механизм формирования однополупериодной кривой тока намагничивания однофазного силового автотрансформатора при воздействии геоиндуцированных токов, протекающих в обмотке высокого напряжения при геомагнитных бурях с учетом насыщения магнитопровода.

3. Для оценки интенсивности воздействия геомагнитных бурь на трансформаторное оборудование систем электроснабжение введено понятие коэффициента интенсивности геоиндуцированного тока ^Гит, который характеризует степень намагничивания конструктивных элементов силовых трансформаторов и автотрансформаторов при воздействии геоиндуцированного тока.

Выносимые на защиту научные положения и научная новизна результатов работы соответствуют п. 1, 4 паспорта специальности 05.09.03.

Достоверность полученных в работе научных результатов обеспечивается разработкой математических моделей на основе корректного применения фундаментальных законов электротехники, теории электрических и магнитных цепей, использованием общепринятых допущений и апробированных пакетов компьютерного моделирования.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Разработанная математическая модель однофазного силового автотрансформатора с учетом насыщения магнитной системы в период геомагнитных бурь при одновременном протекании по заземленной обмотке высокого напряжения переменного и геоиндуцированного токов.

2. Разработанный алгоритм моделирования процессов насыщения однофазного силового автотрансформатора при воздействии геоиндуцированных токов.

3. Установленные диапазоны значений геоиндуцированных токов: 0<1ГИТ<2 А; /ГИТ>2 А, позволяющие классифицировать их воздействие на однофазные силовые автотрансформаторы с броневой магнитной системой как «слабое» и «сильное».

4. Разработанный критерий оценки интенсивности воздействия геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы и трансформаторы, позволяющий оценить степень насыщения магнитной системы трансформаторного оборудования СЭС во время геомагнитных бурь.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Установленные диапазоны значений геоиндуцированных токов могут быть использованы для оценки «безопасного» и «опасного» воздействия геомагнитных бурь на силовые трансформаторы и автотрансформаторы систем электроснабжения с учетом конструкции их магнитной системы.

2. Разработанный критерий оценки интенсивности воздействия геоиндуцированных токов на силовые трансформаторы и автотрансформаторы может быть использован для анализа степени насыщения магнитной системы трансформаторного оборудования систем электроснабжения, а также разработки рекомендаций к проектированию и эксплуатации СЭС, позволяющих снизить отрицательное влияние геомагнитных бурь на электрооборудование электрических сетей и обеспечить электромагнитную совместимость потребителей с системой электроснабжения.

3. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе направления подготовки магистров 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» кафедры «Электроснабжение и электротехника» ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет».

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы в рамках научно-исследовательских работ и госбюджетных тем ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», связанных с моделированием функционирования систем электроснабжения при геомагнитных бурях. Результаты диссертационного

исследования внедрены в филиале ПАО «РусГидро» - «Жигулевская ГЭС», о чем получен акт внедрения, а также используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет» в дисциплинах «Проектирование и оптимизация систем электроснабжения», «Современные технологии моделирования в электроэнергетике», «Устойчивость систем электроснабжения», «Расчетно-экспериментальные исследования динамики систем

электроснабжения» направления подготовки магистров 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы.

Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: VII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, 2014); Международной научно-практической конференции «Комплексные проблемы техносферной безопасности» (Воронеж, 2014); ХLV и ХLVI Международных научно-практических конференциях «Федоровские чтения» (Москва, 2015, 2016); Всероссийской научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2016, Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства диагностики электроэнергетического и электротехнического оборудования, средств и систем автоматики» (Салават, 2016) и на научных семинарах института энергетики и электротехники Тольяттинского государственного университета.

Отдельные результаты исследований использовались в отчетах о научно -исследовательской работе.

Публикации. По теме исследования опубликовано 13 работ из них 5 работ в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем составляет 129 печатных страниц, в том числе 14 таблиц и 42 иллюстрации.

Во введении изложена актуальность темы диссертационной работы, определены задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрен механизм возникновения и протекания геоиндуцированных токов в системах электроснабжения во время геомагнитных бурь. Выявлены проблемы, возникающие в СЭС при воздействии геоиндуцированных токов. Установлено, что наиболее подвержены воздействию геоиндуцированных токов силовые автотрансформаторы вследствие конструкции магнитной системы, а также из-за большой протяженности высоковольтных воздушных линий электропередач, связывающих их с системой электроснабжения. Обоснована необходимость разработки методики расчета намагничивания магнитной системы силового автотрансформатора геоиндуцированными токами в период геомагнитных возмущений. В заключение главы детализируются задачи исследования, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе обосновано, что квазипостоянный геоиндуцированный ток частотой от 0,001 до 0,01 Гц по отношению к частоте переменного тока электрической сети можно принять постоянным. Разработана математическая модель однофазного силового автотрансформатора с учетом насыщения магнитопровода геоиндуцированными токами во время геомагнитных бурь. Для учета насыщения магнитопровода однофазного силового автотрансформатора при одновременном намагничивании переменным и постоянным магнитными полями введено понятие дифференциального индуктивного сопротивления ветви намагничивания и разработан алгоритм моделирования процесса насыщения магнитной системы силовых автотрансформаторов во время геомагнитных бурь.

В третьей главе проведен анализ характеристики намагничивания электротехнической стали применяемой для мощных автотрансформаторов с учетом области технического насыщения. Определены основные параметры однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220, необходимые для моделирования процесса насыщения магнитной системы с

учетом одновременного протекания по заземленной обмотке высокого напряжения переменного и геоиндуцированного токов. Разработана методика расчета тока намагничивания, которая отражает механизм формирования однополупериодной кривой тока намагничивания однофазного силового автотрансформатора при воздействии геоиндуцированных токов, протекающих в обмотке высокого напряжения при геомагнитных бурях. В результате моделирования процессов насыщения магнитной системы установлено, что максимальные значения токов намагничивания в присутствии постоянного тока многократно превосходят паспортное значение тока холостого хода 1х = 3,26 А исследуемого однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН -267000/500/220.

В четвертой главе выполнен анализ особенностей воздействия геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы и трансформаторы с учетом конструкции магнитопровода. Определен диапазон геоиндуцированных токов, оказывающих «сильное» и «слабое» воздействие на силовые автотрансформаторы и трансформаторы, разработан критерий оценки интенсивности воздействия геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы и трансформаторы систем электроснабжения во время геомагнитных бурь. При моделировании функционирования систем электроснабжения в период геомагнитных бурь показано, что коэффициент интенсивности геоиндуцированного тока кГИТ для однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220 с броневой магнитной системой может быть задан ^ГИТ=1.

В заключении изложены основные выводы и результаты работы.

В приложении приведены акты о внедрении результатов работы.

1 ВОЗДЕЙСТВИЕ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ НА СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Механизм возникновения и протекания геоиндуцированных токов

в системах электроснабжения

Регулярные суточные вариации магнитного поля создаются, в основном, изменениями токов в ионосфере Земли из-за изменения освещенности ионосферы Солнцем в течение суток. Нерегулярные вариации магнитного поля создаются вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, изменениями внутри магнитосферы, взаимодействием магнитосферы и ионосферы. Солнечный ветер - поток ионизированных частиц, истекающий из солнечной короны со скоростью 300 - 1200 км/с (у Земли около 400 км/с) в окружающее космическое пространство. Солнечный ветер деформирует магнитосферы планет, порождает полярные сияния и радиационные пояса планет. Усиление солнечного ветра происходит во время вспышек на Солнце. Мощная солнечная вспышка сопровождается испусканием большого количества ускоренных частиц - солнечных космических лучей. Самые энергичные из них (108-109 эВ) начинают приходить к Земле спустя 10 мин. после максимума вспышки. Повышенный поток солнечных космических лучей у Земли может наблюдаться несколько десятков часов. Вторжение солнечных космических лучей в ионосферу полярных широт вызывает дополнительную её ионизацию и ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Вспышка генерирует мощную ударную волну и выбрасывает в межпланетное пространство облако плазмы. Двигаясь со скоростью свыше 100 км/с, ударная волна и облако плазмы за 1,5-2 суток достигают Земли, вызывая при этом резкие изменения магнитного поля, т.е. магнитную бурю, усиление полярных сияний,

возмущения ионосферы. Имеются данные о том, что через 2-4 суток после магнитной бури происходит заметная перестройка барического поля тропосферы. Это приводит к увеличению неустойчивости атмосферы, нарушению характера циркуляции воздуха (в частности, усиливается циклоногенез).

Для описания вариаций магнитного поля Земли, вызванных солнечной активностью, используются индексы геомагнитной активности [38, 49, 97]. К-индекс - это отклонение магнитного поля Земли от нормы в течение трехчасового интервала. Индекс был введен Дж. Бартельсом в 1938 г. и представляет собой значения от 0 до 9 для каждого трехчасового интервала (0-3, 3-6, 6-9 и т.д.) мирового времени. Кр-индекс - это планетарный индекс. Кр-индекс вычисляется как среднее значение К-индексов, определенных на 13 геомагнитных обсерваториях, расположенных между 44 и 60 градусами северной и южной геомагнитных широт. Его диапазон также от 0 до 9. Качественно состояние магнитного поля в зависимости от Кр-индекса можно приблизительно охарактеризовать следующим образом: Кр <= 2 - спокойное; Кр = 2, 3 -слабовозмущенное; Кр = 4 - возмущенное; Кр = 5, 6 - магнитная буря; Кр >= 7 - сильная магнитная буря.

В последнее время вместо Кр индекса часто употребляется Ар-индекс. Ар-индекс определяется в единицах напряженности магнитного поля - нанотеслах (нТл). Применяется также О-индекс, который характеризует интенсивность геомагнитного шторма по воздействию вариаций магнитного поля Земли на людей, животных, электротехнику, связь, навигацию и т.д. Градации G-индекса -от G1 до G5, т.е. от слабого возмущения магнитного поля Земли до экстремального. В соответствии с [117] принимается:

-00 - Кр<5 - без шторма (геомагнитная обстановка от спокойной до возмущенной, наблюдаются полярные сияния в высоких ( > 65°) широтах);

- 01 - Кр= 5 - слабый (незначительные сбои в работе энергосистем, обычные пути миграций животных могут быть изменены);

- G2 - ^=6 - средний (в энергосистемах, расположенных в высоких широтах, могут происходить сбои напряжения, длительный геомагнитный шторм может вызвать неполадки на трансформаторных подстанциях);

- G3 - ^=7 - умеренный (возникновение перенапряжений в промышленной электросети, ложные срабатывания автоматики, кратковременные сбои GPS-навигации и низкочастотной радионавигации, перебои коротковолновой связи, полярное сияние может наблюдаться на широте Риги, Москвы);

- G4 - ^=8 - сильный (широкомасштабное возникновение перенапряжений в промышленной электросети, повсеместное ложное срабатывание защитных систем, коротковолновая связь неустойчива, GPS-навигация ухудшается на несколько часов, средневолновая радионавигация отсутствует, северное сияние наблюдается на широте Минска);

- G5 - ^=9 - очень сильный (могут возникнуть повсеместные проблемы с регулировкой напряжения промышленной электросети и проблемы в работе защитных систем, энергосистемы могут полностью выйти из строя или отключиться; трансформаторные подстанции могут быть выведены из строя, наведенные токи могут достигать сотен ампер, коротковолновая связь может отсутствовать повсеместно в течение одного-двух дней, GPS-навигация может отсутствовать несколько дней, средневолновая радионавигация может отсутствовать часами, полярное сияние наблюдается на широтах Варшавы, Гомеля).

При наличии протяженной заземленной системы проводников возбуждаемое геомагнитной бурей (ГМБ) геоэлектрическое поле создает в ней почти постоянный (квазипостоянный ток) частотой от 0,001 Гц до 0,1 Гц, который принято называть геоиндуцированным током [87, 119, 120, 122, 124].

Активные исследования воздействия геоиндуцированных токов на технологические системы проводятся более 40 лет в различных странах. В то же время задача защиты от негативных воздействий геомагнитных возмущений не решена окончательно.

Во-первых, весьма сложен прогноз появления геомагнитных бурь во времени; во-вторых, разнообразно проявление эффектов геомагнитной бури в пространстве; в-третьих, каждая технологическая система откликается на магнитосферные возмущения по-своему. Требуется, с одной стороны, глобальный, планетарный подход к исследованию явления, а с другой стороны, необходимо изучение процессов развития и действия ГИТ в конкретных системах с различной их локализацией.

Следует отметить, что до настоящего времени на территории России регулярная регистрация ГИТ проводилась только на Кольском полуострове усилиями сотрудников Полярного геофизического института и Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН [5, 6, 36]. Исследования воздействия геомагнитных бурь на оборудование энергосистем ведутся с 1986 г. С ноября 2003 г. на ряде подстанций (ПС) энергосистемы Северо-Запада проводятся измерения ГИТ в нейтралях силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

В марте 2011 г. начаты работы по проекту European Risk for Geomagnetically Induced Currents (EURISGIC) [95], направленному на оценку риска воздействия геомагнитных возмущений на европейские энергетические системы. Проект получил финансовую поддержку Европейского союза. Координатором проекта выступает Финский метеорологический институт, в консорциум исполнителей входят исследователи Швеции, Великобритании, Венгрии, России и США. Проект предусматривает решение двух основных задач:

• по полученным ранее данным установить статистическую связь между уровнем планетарных геомагнитных возмущений и нарушениями в работе европейских энергосистем за предыдущий солнечный цикл;

• на основе текущих измерений параметров солнечного ветра, регистрации геомагнитных возмущений и ГИТ в энергосетях создать прототип системы прогноза геомагнитной опасности для технологических, в первую очередь энергетических, систем в Европе.

В соответствии с рабочей программой проекта создана система регистрации воздействия магнитосферных возмущений на энергосистему Карелии и Кольского полуострова. Измеряемым параметром является почти постоянный ток, протекающий в глухозаземленной нейтрали автотрансформатора и линии электропередачи (ЛЭП) во время геомагнитных возмущений.

Для исследования выбраны ПС «Лоухи», «Кондопога», «Титан» и «Выходной» на магистральной линии 330 кВ и ПС «Ревда» на линии 110 кВ, на которых установлены датчики тока (рисунок 1.1). Такой выбор точек измерения позволяет при развитии магнитосферного возмущения исследовать распределение ГИТ по широте на магистральной линии, ориентированной с юга на север, а также регистрировать ГИТ в линии, направленной с запада на восток.

Рисунок 1.1 - Схема расположения точек измерения ГИТ и магнитного поля

Кроме того, на схеме показаны места установки устройств регистрации ГИТ в Финляндии в нейтралях автотрансформаторов на ПС «Пирттикоски» (Pirttikoski), «Юлликкала» (УШШ) и «Раума» (Rauma), а также на магистральном газопроводе «Мантсала» (МПз1), для которых доступна база архивных данных за период с 1999 по 2006 годы. В Мекриярви (Мекгут) и Ивало (1уа1о) расположены обсерватории Финского метеорологического института, которые представляют данные о вариациях магнитного поля. В 2012 г. в систему мониторинга ГИТ включена геомагнитная станция, расположенная в с. Ловозеро.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Самолина Ольга Владимировна, 2017 год

- -

1166

Рисунок 2.5 - Сечение верхних (5,6) и нижних (7,8) ярм магнитопровода силового автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220

Расчет параметров активного сечения, занятого только сталью проводится с учетом коэффициента заполнения пакетов сталью кп, который равен отношению

сечения чистой стали (без изоляции) ко всему сечению пакета [53, 65].

Для листовой стали с толщиной листов 0,35 мм и двукратной лакировкой в качестве изоляции берётся коэффициент заполнения пакетов сталью равный кп = 0,92 [72]. Площади сечений стержней и ярма силового автотрансформатора

АОДЦТН - 267000/500/220 представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Площади сечений стержней и ярма силового автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220

Сечение Активная площадь, мм 2

Стержень 1 и стержень 2 989 055 =2-494 528

Боковое ярмо 3 532 984

Боковое ярмо 4 493 295

Верхнее (5,6) и нижнее (7,8) ярмо 503 185

Особенности конструкции магнитной системы однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220 и расположения обмоток использованы при разработке математической модели силового автотрансформатора, для проведения исследования одновременного намагничивания магнитопровода переменным и геоиндуцированным током.

2.2 Математическая модель однофазного силового автотрансформатора при одновременном намагничивании магнитопровода переменным и

геоиндуцированным током

При составлении математической модели однофазного силового автотрансформатора с учетом одновременного намагничивания магнитопровода переменным и геоиндуцированным током и определении ее параметров приняты следующие общепринятые допущения, позволяющие упростить расчеты [48, 72]:

- длина пути потоков рассеяния обмоток принимается равной высоте окна магнитной системы силового автотрансформатора (длине стержня);

- РПН автотрансформатора установлен в нулевом положении, то есть регулировочная обмотка не учитывается в модели;

- магнитный поток между стержнями магнитной системы протекает в пределах ярм;

- суммарная ширина немагнитных зазоров между стержнями и ярмами магнитной системы определяется паспортным значением тока холостого хода силового автотрансформатора;

- потери на гистерезис и вихревые токи в стали магнитной системы не учитываются.

Также следует отметить, известные подходы к расчету воздействия ГИТ на электрические системы используют в качестве исходных данных параметры горизонтальной компоненты геоэлектрического поля на поверхности земли [88,

119, 130], которую считают неизменной по величине и направлению в пределах области, занимаемой рассматриваемой электрической сетью, т.е. геоэлектрическое поле предполагается потенциальным, что позволяет применять законы линейных электрических цепей с активным сопротивлением, где источником является геоэлектрическое поле в данный момент времени, и квазипостоянный геоиндуцированный ток можно принять постоянным [111, 118, 121]. Поэтому в работе рассмотрены процессы намагничивания магнитопровода однофазного силового автотрансформатора при одновременном протекании по его заземленным обмоткам переменного и постоянного токов.

Схема включения обмоток исследуемого однофазного силового автотрансформатора представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Схема включения обмоток понижающего двухобмоточного

силового автотрансформатора

На схеме (рисунок 2.6): обмотка 1 - общая обмотка, обмотка 2 -последовательная. Входное высокое напряжение и подается на обмотки 1 и 2,

включенные последовательно и согласно. По второму закону Кирхгофа

г

и - и + = 0, и =и - . Выходное низкое напряжение и снимается с общей обмотки 1 и приближенно равно напряжению обмотки 1 и 1. Ток I = /2, а

г

комплексный вторичный ток I =-/1 +12 =-/1 +1.

Для Т-образной схемы замещения однофазного двухобмоточного силового автотрансформатора комплексные уравнения с учетом [48] записываются аналогично комплексным уравнениям для однофазного двухобмоточного силового трансформатора:

11 +1 о * о = Ц. 1,

к211 о * о +12 * 2 + Ц 2 = 0, (2.1)

11 + к2112 = 10,

где , * 2 - полные комплексные сопротивления обмоток 1 и 2; * 0 - полное комплексное сопротивление ветви намагничивания;

- комплексный ток обмотки 1 силового автотрансформатора; ¿2 - комплексный ток обмотки 2 силового автотрансформатора; /0 - комплексный ток намагничивания, отнесенный к числу витков обмотки 1;

—

к21 =— - коэффициент трансформации между обмотками 2 и 1;

—1

к = — = 1+к21 - коэффициент трансформации силового автотрансформатора —1

(— = — + — - общее число витков обмоток силового автотрансформатора, — -число витков общей обмотки 1, — - число витков последовательной обмотки 2).

<

К уравнениям (2.1) следует добавить уравнения, связывающие токи I , I с токами I, Г, напряжения иь и 2 с напряжениями и, и_ а также уравнение, связывающее и_ и Г через комплексное сопротивление нагрузки г :

и_ = и I = 12,

г

I =-11 +12,

(2.2)

г г

и = II .

Преобразование системы уравнений (2.1), исключением из нее и 1,и2,1ь12,и , с учетом уравнений (2.2), позволит получить:

(/ -1 _) 2 +1 2 = 2/ - -\ -0 -0--

к / 2 + /2 + 2/'-и = 0, 21 -0 -0--2 -- -

/ -/'+ к / = / . - - 21 - -0

(2.3)

Из третьего уравнения системы (2.3) можно выразить /_:

I = (1+к21 )1 -10 = Ы -1

(2.4)

Выражение для /_ подставляется в первые два уравнения системы (2.3):

- Г к21 - + (1 + к21)-Н-п + 2 + -1-. = 0

|-(?2 + (1 + к21)-)+í к21.

"0 -1

- 2 I/ = и.

(2.5)

0 -;-0 -

0

С учетом к = 1+к21 система уравнений (2.5) принимает вид:

к1Л2 + кг\/-[^ + 2 + г] I = 0, 21 -1 1-0 -1 -^-0 (2.6) ъг + к /+[к2120 - /0 = и.

Си ст е ма к о м пле кс ных уравнений для понижающего однофазного силового автотрансформатора получается подставлением в (2.6) значений полных комплексных сопротивлений обмоток 1 и 2 силового автотрансформатора 21 = г + ]хх и = г2 + ]х2, полного комплексного сопротивления ветви

намагничивания 2 0 = г0 + и полного комплексного сопротивления нагрузки

2 = г+]х:

(к21 - г + к - г)- 1+у(к21 - х + к - х)- 1 -(г0 + г + г)-10 - у(х0 + х + х)10 = 0,

(г2 + к - г)-1 + у(х2 + к - х)-1 + (к21 - г - г)-10 + у(к21 - х0 - х)-10 = Ц, (2.7)

где г - активное сопротивление общей обмотки 1; г - активное сопротивление последовательной обмотки 2; г - активное сопротивление ветви намагничивания, учитывающее магнитные потери;

г - активное сопротивление нагрузки; х - индуктивное сопротивление общей обмотки 1;

х - индуктивное сопротивление последовательной обмотки 2;

х - индуктивное сопротивление ветви намагничивания, приведенное к

числу витков обмотки 1;

х - индуктивное сопротивление нагрузки.

Дифференциальные уравнения для исследования работы понижающего однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220 получены на основе комплексных уравнений (2.7). Система дифференциальных уравнений составлена с использованием нормированного времени т = ю-^ (где I- время,

<

со = 2ц[ - циклическая частота, / = 50 Гц - частота переменного тока):

(к21 • Х1 + к •Х)-^-(х0 + Х1 + Х)- + (к21г1 + к •Г)-1-(г0 + Г1 + Г) 10 = 0

(х2 + к •Х)-+(к21 ^ Х0 - 4 +(г2 + кГ\1 + (к21 ^ Г0 - Г\ 10 = и(т). ( )

Уравнения (2.8) представляют собой систему из двух дифференциальных уравнений первого порядка относительно двух неизвестных функций времени /(г) и / (г). Решение системы дифференциальных уравнений (2.8) позволяет

определить ток /' (г) из выражения:

/' (г) = к •/(г) - /0(г).

Система (2.8) может рассматриваться как линейная в случае, если считать индуктивное сопротивление ветви намагничивания постоянной величиной х0=свт1, и как нелинейная в случае перехода силового автотрансформатора в режим насыщения, в частности, при наличии подмагничивающих постоянных токов I.

Линейный случай в установившемся режиме дает то же решение, что и система линейных алгебраических уравнений для векторных величин, что будет использовано для решения дифференциальных уравнений. Следует отметить, что в отличие от векторных уравнений систему дифференциальных уравнений (2.8)

можно использовать для исследования не только установившихся режимов, но и переходных процессов.

Для учета насыщения магнитной системы силового автотрансформатора в силу нелинейности кривой намагничивания материала сердечника силового автотрансформатора (индуктивные сопротивления рассеяния обмоток 1 и 2 силового автотрансформатора х1 и х2 практически от насыщения не зависят [53])

введено нелинейное дифференциальное индуктивное сопротивление ветви

л

намагничивания х0, величина которого зависит от тока 10:

х = ( 0 •>

(л ^

= / (»0 +1),

V У

(2.9)

л

где 10 - суммарный ток намагничивания силового автотрансформатора,

определяется как сумма тока намагничивания » и подмагничивающего постоянного тока I:

л

I = I +1; 0 0

(2.10)

Э.д.с. электромагнитной индукции е0 в ветви намагничивания определяется

потокосцеплением ^:

0

е = ^= А \ (211)

е° а" 0 аг (211)

Л £

При I=const, производная = ; дифференциальная индуктивность

_ _

ветви намагничивания:

А =

а^

Л

а»0

(2.12)

дифференциальное индуктивное сопротивление:

х0 = сЬ0. (2.13)

л

Потокосцепление ¥ = ¥ (^) определяется магнитным потоком Ф ,

силовые линии которого пронизывают поперечное сечение стержня магнитопровода, по формуле [45]:

w • Ф = w • 5 • Вр, (2.14)

где 5 - площадь поперечного сечения стержня магнитопровода;

Вср - среднее значение магнитной индукции в поперечном сечении стержня

магнитопровода при одновременном протекании по обмоткам силового автотрансформатора переменного и постоянного тока.

В соответствии с формулами (2.12) - (2.14) дифференциальное индуктивное сопротивление ветви намагничивания:

авс

х = соЬп =с-= с w • 5 ср

0 0 Л л ■ (2.15)

а / 0 а / 0

Для исследования процессов одновременного намагничивания магнитной системы однофазного силового автотрансформатора переменным и постоянным

магнитными полями система дифференциальных уравнений (2.8) примет следующий вид:

(к21 - х: + к - х)

Л

_г

л

_г

_т

л

( \_10 х + х + х)- ~ 0 1 _т л

_г0

+ (к21 - г + к - г)- г- (г0 + г + г)-г0 = 0,

(х2 + к - х)-+ (к21- х0- х)-+ (г2 + к - г )-'л +(к21- г0-г )-/л 0 =

(2.16)

л

где г - суммарный ток, протекающий по последовательной обмотке силового автотрансформатора, определяется как сумма тока последовательной обмотки 2 и подмагничивающего постоянного тока I:

л

г = г +1.

(2.17)

В матричной форме записи система (2.16) примет вид:

л

_ Т л А - _Т+В - Т = и, _т

(2.18)

где А, В - квадратные матрицы индуктивных и активных сопротивлений;

л

Т, и - матрицы столбцов токов и напряжений. Для силового автотрансформатора:

А:

к - х + к - х -(х + х + х)

21 1 V 0 1 '

х + к - х к - х х

2 21 0

В

к - г + к - г -(г 21 1 V

г + к - г к - г - г 2 21 0

г + г + г 01

л

л Т

л г

л г

_ 0 ^

"0"

, и =

м

(2.19)

(2.20)

<

Матричное уравнение (2.18) решено с нулевыми начальными условиями для

Л Л

токов 1,10

Л Л I (0) = I о(0) = 0.

Ток намагничивания / определяется по выражению:

(2.21)

л

10 = 10 "1 • (2.22)

Разработанная математическая модель однофазного силового автотрансформатора позволяет исследовать процессы, происходящие в силовом автотрансформаторе при одновременном протекании по его обмоткам переменного и постоянного тока.

Следует отметить, что в режиме холостого хода дифференциальное индуктивное сопротивление ветви намагничивания [53]:

х ® х , л. х

0 0х ' (2.23)

где хох - дифференциальное индуктивное сопротивление общего числа витков w силового автотрансформатора в режиме холостого хода (сопротивление нагрузки равно бесконечности).

2.3 Математическая модель магнитной цепи однофазного силового автотрансформатора при одновременном намагничивании переменным и

геоиндуцированным током

Для анализа влияния насыщения магнитной системы однофазного силового автотрансформатора на величину дифференциального индуктивного сопротивления х в режиме холостого хода при одновременном протекании по

0 X

его обмоткам 1 и 2 переменного и постоянного токов, составлена схема магнитной цепи однофазного силового автотрансформатора, которая представлена на рисунке 2.7. При этом обмотка низкого напряжения в схеме магнитной цепи не учитывается и на рисунке 2.7 не показана.

Рисунок 2.7 - Схема магнитной цепи для однофазного двухобмоточного силового

понижающего автотрансформатора

Для схемы магнитной цепи (рисунок 2.7) с учетом (2.23) получено дифференциальное индуктивное сопротивление ветви намагничивания однофазного силового автотрансформатора большой мощности:

х «х = х + х , (2.24)

0 0 х 1х 2 х 4 '

где х и х - индуктивные сопротивления обмоток силового

автотрансформатора в режиме холостого хода, связанные с магнитными потоками соответственно первой и второй рамы двухрамного несимметричного магнитопровода.

В общем случае, в нелинейной системе дифференциальное индуктивное сопротивление обмоток в режиме холостого хода, связанное с к -й рамой несимметричного магнитопровода, определяется по формуле [8]:

хх =^к = »7Т = ^(Нк), (2.25)

г 0 _ г 0

где А, - соответственно индуктивность и потокосцепление к -ой рамы

двухрамного магнитопровода;

^ - площадь поперечного сечения стержней к - ой рамы магнитопровода;

g(Нк) = к - производная магнитной индукции по напряженности

_Нк

магнитного поля в стержнях к - ой рамы магнитопровода; к = 1,2 - номер рамы.

Функция g(Н) = _В описывает производную магнитной индукции по

напряжённости и задаётся производной кривой намагничивания стали сердечника. В линейном случае (отсутствует насыщение магнитной системы)

величина ёБ/ёИ является константой, а в нелинейном - функцией g(И), зависящей от напряженности магнитного поля.

/ Л

При введении обозначения ёИк/ё /0 = И]к , формула (2.25) принимает вид:

Хх = ^^(Ик И. (2.26)

Магнитная цепь, замещающая магнитную систему силового автотрансформатора (рисунок 2.7), содержит узлы а, а', Ь, Ь', с, с', ё, ё' и ветви 1,2,3,4,5,6,7,8. В силу симметрии сердечника силового АТ относительно горизонтальной плоскости напряженности магнитного поля в ветвях 5, 7 и 6, 8 равны (И5 = Н, И6 = Н), поэтому неизвестными являются только 6 напряженностей Их,И2,...,И6. Положительные направления магнитных потоков

л Л

ф,ф,...,Ф6, тока /0 и намагничивающей силы (МДС) F = w• /0 показаны на

рисунке 2.7. Обход контура I совпадает с положительным направлением магнитного потока ф, а обход контура II с положительным направлением

магнитного потока ф.

Для определения магнитного поля в стержнях магнитопровода получены уравнения по законам Кирхгофа для магнитной цепи однофазного силового автотрансформатора, представленной на рисунке 2.7. Для узлов а,Ь,с и ё по первому закону Кирхгофа:

ф1 = ф; с

ф = ф; ё

Ф = ф;

Ф6 = ф4.

(2.27)

Для контуров I и II по второму закону Кирхгофа:

+ 2И515 + ИЪ1Ъ = ^; И А + ^¿6 + И,4/4 = F,

(2.28)

где ^, /2 ,.../6 - длины соответствующих ветвей магнитной цепи. Магнитные потоки Ф. можно выразить через напряженности Н.:

Ф = ^Вр = • /(Нг), (2.29)

где г = 1,2,3,4,5,6 - номера ветвей; 3 - площади поперечного сечения ветвей;

В - средние значения магнитных индукций магнитного поля в

соответствующих ветвях;

функция В = / (Н) описывает нелинейную зависимость между индукцией и напряженностью магнитного поля в стали сердечника и задаётся кривой намагничивания электротехнической стали.

С учётом (2.29) получена система из 6 нелинейных алгебраических уравнений для нахождения Щ, Н2 ,...,Н6:

' Нх/х + 2 Н/5 + = ^,

Н2/2 + 2Нб/б + Н4/4 = ^, ^ (Н1) - ^ (Н 5) = 0,

<

3з/(Н 3) - £5/(Н 5) = 0,

3 2/(Н 2) - 3 ^^ (Н б) = 0,

. 3 4/(Н 4) - 3 б/(Н б) = 0.

Согласно (2.26) для нахождения дифференциальных индуктивных сопротивлений требуются не сами значения напряженностей, а их производные

по току. Для получения уравнений для Нг, продифференцирована система (2.30)

Л /а

по току г 0, с учетом, что производная МДС по току dF| йц = w. В результате получена система из 6 линейных алгебраических уравнений с коэффициентами,

зависящими от напряженностей Их, И2 ,...Иб, которые предварительно находятся

Л

при заданном значении тока /0 из системы (2.30). Матричная форма уравнений для И примет вид:

АН = Р

(2.31)

где А - квадратная матрица коэффициентов:

А =

/1 0

0 и

13 0

Б1 g (И1) 0 0

о 0 g (И 3)

0 ^ g (И2) 0

0 0 0

0

/4

0 0 0

5 4 g (И 4)

2/5 0

5 5 g (И 5) - 5 5 g (И 5) 0 0

0 2/6 0 0

5б g (И б) 5б g (И б)

(2.32)

Б1

Г' - матрицы столбцы производных напряженности и

магнитодвижущей силы по току / 0:

Б' =

" И \' w

И 2 м>

И 3 И 4 , Г' = 0 0

И 5 0

_ и ' 6 _ _ 0 _

(2.33)

Разработанная математическая модель магнитной цепи однофазного силового автотрансформатора позволяет:

- определить магнитную индукцию и напряженность магнитного поля однофазного силового автотрансформатора;

- рассчитать дифференциальное индуктивное сопротивление ветви

Л

намагничивания с учетом нелинейности кривой намагничивания материала сердечника;

- исследовать влияние постоянных токов на насыщение магнитной системы однофазного силового автотрансформатора при одновременном протекании по его заземленной обмотке высокого напряжения переменного и постоянного тока.

Выводы

1. Исходя из частоты квазипостоянного геоиндуцированного тока в пределах от 0,001 до 0,1 Гц по отношению к частоте переменного тока электрической сети, для исследования процессов насыщения магнитной системы однофазного силового автотрансформатора квазипостоянный геоиндуцированный ток можно принять постоянным.

2. Для моделирования процессов насыщения однофазного силового автотрансформатора в период геомагнитных бурь разработаны математические модели электрической и магнитной цепей при условии одновременного протекания по его обмоткам переменного и постоянного тока с учетом нелинейности кривой намагничивания материала сердечника.

3. Введено понятие дифференциального индуктивного сопротивления ветви намагничивания и разработан алгоритм моделирования процессов насыщения однофазного силового автотрансформатора во время геомагнитных бурь.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАМАГНИЧИВАНИЯ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ОДНОФАЗНОГО СИЛОВОГО АВТОТРАНСФОРМАТОРА

3.1 Анализ характеристики намагничивания электротехнической стали с учетом области технического насыщения

При геомагнитных бурях дифференциальное индуктивное сопротивление ветви намагничивания силовых трансформаторов и автотрансформаторов становится нелинейной функцией геоиндуцированных токов, протекающих по заземленной обмотке высокого напряжения. Так как геомагнитные бури имеют, как правило, планетарный характер и воздействуют на большие территории, то одновременному воздействию постоянных токов в большей или меньшей степени подвергается все трансформаторное оборудование СЭС [55, 56, 66, 86, 102]. Следовательно, при анализе функционирования систем электроснабжения при ГМБ необходимо учитывать насыщение и соответственно нелинейное изменение дифференциального индуктивного сопротивления ветви намагничивания силовых трансформаторов и автотрансформаторов. Задача усложняется из-за существенной нелинейности характеристики намагничивания

электротехнической стали, которая является основной характеристикой насыщения магнитной системы СТ и АТ.

Зависимость В=/(И) магнитной индукции В от напряженности Н магнитного поля широко применяемой в отечественном трансформаторостроении для мощных автотрансформаторов холоднокатаной электротехнической стали марки 3407 представлена на рисунке 3.1 [11, 76].

В, Тл

А.

г

^ЦсьХигф)

0,5

О

5000 10000

20000

30000 н, А/м

Рисунок 3.1 - Основная кривая намагничивания холоднокатаной электротехнической стали марки 3407 с областью технического насыщения

На представленной зависимости можно отметить три характерные области:

- область I рабочих значений индукции В < 1,5 Тл, которая может быть аппроксимирована линейной функцией и характеризуется незначительной величиной напряженности магнитного поля Н < 500 А/м;

- область II колена характеристики намагничивания со значениями индукции 1,5<В < 1,95 Тл, которая характеризуется существенной нелинейностью и в которую значения индукции попадают в случае повышения напряжения в примыкающей системе электроснабжения на (10^20)% сверх номинальной величины;

- область III технического насыщения со значениями индукции В>1,95 Тл, которая также может быть аппроксимирована линейной функцией и в которой режим перемагничивания магнитной системы силового трансформатора и автотрансформатора может оказаться при протекании ГИТ по заземленным обмоткам высокого напряжения.

Рекомендуемая индукция в стержнях магнитной системы силовых трансформаторов мощностью 160 кВА и более должна составлять (1,55^1,6) Тл. В магнитных системах силовых трансформаторов и автотрансформаторов мощностью 100 МВА и более допускается индукция до 1,7 Тл [72].

Как видно из рисунка 3.1, указанные выше значения индукции находятся в начальной части области II колена основной кривой намагничивания и соответствуют номинальной величине напряжения. При этом напряженность магнитного поля в стержне магнитной системы силового трансформатора (автотрансформатора) составит от 500 А/м до1000 А/м, что и определит величину тока намагничивания и в целом тока холостого хода (активная составляющая тока холостого хода обычно не превышает 10%).

При увеличении напряжения до уровня (1,1^1,2) ином индукция в стержнях магнитной системы силового трансформатора и автотрансформатора пропорционально возрастает до значений (1,80^1,95) Тл. Соответственно и напряженность магнитного поля увеличится до значений в диапазоне 2000^5000 А/м, а ток холостого хода может увеличиться в 2^5 раз. Указанные значения магнитной индукции находятся в конечной части области II колена основной кривой намагничивания.

При геомагнитных бурях граница режима рабочего перемагничивания магнитной системы силового трансформатора и автотрансформатора под воздействием ГИТ будет смещаться из области II колена характеристики намагничивания в область III технического насыщения. Произойдет одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора и автотрансформатора. Глубина одностороннего насыщения зависит от величины геоиндуцированного тока и конструктивного исполнения магнитной системы. Следует отметить, что в указанном на рисунке 3.1 диапазоне значений напряженности магнитного поля основная кривая намагничивания В=/(Н) электротехнической стали имеет ярко выраженный «вентильный» характер. Поэтому одностороннее насыщение будет сопровождаться такой деформацией тока намагничивания, при которой доминирующей по величине становится

только одна полуволна. Возникает эффект однополупериодного выпрямления тока намагничивания.

Для качественной и количественной оценки негативных последствий изменения режима перемагничивания силовых трансформаторов и автотрансформаторов под влиянием ГИТ необходима достаточно простая и информативная модель «вентильной» характеристики намагничивания, которой может служить кусочно-линейная аппроксимация с несколькими точками излома. В случае аппроксимации с одной точкой излома области I рабочего перемагничивания и III технического насыщения аппроксимируются прямыми линиями, угол наклона которых определяется значениями относительной дифференциальной магнитной проницаемости в указанных областях, а точка пересечения (точка излома) находится в области II колена реальной кривой намагничивания (рисунок 3.1).

В общем случае, относительная дифференциальная магнитная проницаемость определяется параметрами основной кривой намагничивания электротехнической стали [76]:

ЛБ ЛБ(5)

№d ктт; №d(s)

-ш'

где /иа, - относительная дифференциальная магнитная проницаемость

электротехнической стали магнитопровода в областях рабочего перемагничивания и технического насыщения соответственно; /л0 = 4 л -10 7 (Гн]м) - магнитная постоянная;

АН,ЛВ - приращения напряженности магнитного поля и магнитной индукции на участке I рабочего перемагничивания;

ЛИ(В), ЛБ(5) - приращение напряженности магнитного поля и магнитной

индукции в области III технического насыщения.

Например, для основной кривой намагничивания электротехнической стали, показанной на рисунке 3.1, значения указанных приращений составляют

AB = 1,84 Тл, 1 AB(S) = 2,0 -1,84 = 0,16 Тл,

АН = 1000 А/м ] U АН = 30000 -1000 = 29000 А/м

Тогда относительная дифференциальная магнитная проницаемость для области I рабочего перемагничивания и области III технического насыщения будет принимать значения / = 1464,2 и = 4,39 соответственно. При таком

соотношении сохраняется главная особенность реальной кривой намагничивания, связанная с формированием практически однополярного тока намагничивания.

Кусочно-линейная аппроксимация характеристики намагничивания силового автотрансформатора с одной точкой излома построена в координатах «магнитная индукция Вср - ток намагничивания /0» (рисунок 3.2). Кусочно-

линейная аппроксимация задана точкой излома (В, Is) и двумя значениями дифференциального индуктивного сопротивления ветви намагничивания -ненасыщенным (x0(d) при /0 < ) и насыщенным (x0(s) при /0 > Is). Для пояснения

процесса формирования однополярного тока намагничивания в период геомагнитных бурь необходимо ввести термин - среднее значение магнитной индукции в поперечном сечении стержня магнитопровода при протекании по обмоткам силового автотрансформатора постоянного тока - В.

В качестве координат точки излома кусочно-линейной аппроксимации характеристики намагничивания целесообразно принять паспортное значение тока холостого хода Ix силового автотрансформатора и амплитудное значение Вт магнитной индукции при номинальном напряжении. В этом случае Bs = Вт и /5 = /х. Поскольку ток холостого хода превышает величину тока намагничивания, точка излома кусочно-линейной аппроксимации оказывается в области колена

реальной характеристики намагничивания силового трансформатора и автотрансформатора.

Д, м

и/

у

Рисунок 3.2 - Качественный характер формирования однополупериодной кривой тока намагничивания при воздействии постоянного тока I

При указанном выборе ненасыщенное значение х0(А) дифференциального

индуктивного сопротивления кусочно-линейной аппроксимации будет определяться выражением:

100 и2

Х„(, )=у- . (3.1)

НОМ

Для определения насыщенного значения х дифференциального

индуктивного сопротивления необходимо учесть, что характер распределения магнитных потоков, связанных с обмоткой ВН, до и после насыщения магнитной системы силового трансформатора и автотрансформатора принципиально не изменяется. Это объясняется тем, что ток холостого хода независимо от состояния магнитной системы создает не только основной магнитный поток, который протекает в магнитопроводе, но и магнитный поток рассеяния обмотки, который замыкается в немагнитной среде.

Таким образом, кривая намагничивания холоднокатаной электротехнической стали в диапазоне (0-30000) А/м напряженности магнитного поля имеет ярко выраженный «вентильный» характер. Поэтому воздействие геоиндуцированного тока на силовые трансформаторы и автотрансформаторы сопровождается не только увеличением, но и эффектом однополупериодного выпрямления тока намагничивания.

Следует отметить, что увеличение количества точек излома кусочно-линейной аппроксимации для более точного воспроизведения колена реальной кривой намагничивания принципиально не изменит однополярный характер тока намагничивания и соответственно гармонический состав тока намагничивания, а только позволит более подробно оценить характер изменения дифференциального индуктивного сопротивления ветви намагничивания и механизм формирования однополупериодной кривой тока намагничивания под воздействием ГИТ.

3.2 Основные характеристики однофазного силового автотрансформатора

Для анализа воздействия геоиндуцированных токов на систему электроснабжения выполнено моделирование процесса намагничивания магнитной системы однофазного силового автотрансформатора АТГ2 типа АОДЦТН - 267000/500/220 подстанции «Азот» (рисунок 3.3). Автотрансформатор

АТГ2 получает питание по ВЛ 500 кВ «ЖГЭС-Азот» длиной 34 км, выполненной проводом марки АСО-500. Паспортные данные отходящих линий электропередач 220 кВ приведены в таблице 3.1

Аз - Елх. ТоАЗ- 5

110кВ

Аз - Мусорка Аз - Матюш ТоА З- 6

од $

¡с

/ |\ ' / \ /

/ I & £

1(3 1 СО 1 Ё о со ч:

Рисунок 3.3 - Электрическая схема подстанции «АЗОТ»

Таблица 3.1 - Паспортные данные отходящих линий электропередач 220 кВ подстанции «Азот»

Наименование Марка и сечение провода Длина линии, км и, го, Ом/км при 20°С Хоо, ¿о-10-6,

линии кВ 0м/км См/км

ВАЗ-3 АС0-400 36,8 220 0,075 0,420 2,7

Васильевская-2 АС-500 16,53 220 0,06 0,413 2,74

Кировская-1 АС0-400 93,4 220 0,075 0,420 2,7

Черемшан АС-300 70 220 0,029 0,308 3,6

Кинельская-1 АС0-400 120,5 220 0,075 0,420 2,7

Серноводская АС0-300 110,6 220 0,029 0,308 3,6

КС-2 АС-500 12,9 220 0,06 0,413 2,74

Расчет параметров электрической и магнитной цепи выполнен по паспортным данным исследуемого однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220 (таблица 3.2).

Таблица 3.2 - Паспортные данные однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН - 267000/500/220

Наименование параметра Значение

Номинальная мощность, МВА 267

Номинальное напряжение ВН, кВ 500/V3

Номинальное напряжение СН, кВ 230/^3

Номинальное напряжение НН, кВ 10,5

Номинальное вторичное напряжение и напряжение обмотки 1 UН = UlH, кВ 132,791

Номинальное напряжение обмотки 2 U2h , кВ 155,885

Номинальный первичный ток и ток обмотки 2 /н = /2н, А 924,92

Номинальный вторичный ток / 'н, А 2010,68

Номинальный ток обмотки 1 /1н, А 1085,76

Напряжение короткого замыкания мк, % 20,73

Ток холостого хода /х, % 0,3

Потери короткого замыкания A PK, кВт 490

Потери холостого хода A Pxx, кВт 150

Для силовых автотрансформаторов различают проходную мощность (Бпр) и типовую мощность (Бщп). Проходная мощность - мощность, передаваемая силовым автотрансформатором во вторичную сеть: