Новини на електротехниката № 2(80), Магнитосферни ефекти

Магнитосферни въздействия

Аналитичен преглед за влиянието на космическото време върху съвременната цивилизация [1] привлече вниманието на професионалната общност. За България, както и за много други страни по света, подобряването на безопасността на съвременните технологични системи, които са чувствителни към въздействието на геомагнитните смущения, е спешна необходимост. Единната система за непрекъсната регистрация и прогнозиране на геоиндуцирани течения ще помогне за успешното решаване на този проблем. Системата е организирана от специалисти от Колския научен център на БАН. В своята статия те представят накратко данните, получени в подстанциите на главните електрически мрежи на Северозапада и ни позволяват да проучим ефекта от геомагнитните смущения върху ключови елементи на енергийната система.

ГЕОМАГНИТНИ БУРИ Проучване на въздействията върху електроенергийната система на Карелия и Колския полуостров

Борис Ефимов, доктор на техническите науки,Ярослав Сахаров, д-р,Василий Селиванов, д-р Колски научен център на Българската академия на науките, Апатити

Статията на В. Сушко и Д. Косих [1] може да се счита за продължение на поредица от рецензии на А.И. Гершенхорн [2–4]. Като цяло трябва да се признае, че за разлика от Европа и Северна Америка, където този проблем се занимава непрекъснато, в България интересът към геомагнитните бури (GMB) (или както ги наричат още геомагнитни бури) има същия периодичен характер като слънчевата активност, но с известно „фазово закъснение“.

Последният изблик на активност беше отбелязан след хелиомагнитните събития от 2003 г. [5]. Сегашният 24-ти цикъл на слънчева активност обаче се очаква да бъде доста спокоенЧелябинският метеорит ни дава основание да си припомним и други видове космическа заплаха за човечеството, но отново апостериори (лат. a posteriori, буквално - от следното, т.е. знания, придобити от опит).

Друго явление има завидно постоянство - проблемът с финансирането на научни изследвания за въздействието на геомагнитните бури върху електроенергийните съоръжения. Енергийните компании вероятно смятат този проблем за твърде академичен и далеч от задачите на текущата експлоатация (всъщност „къде е Слънцето и къде е автотрансформаторът?“). Научните фондове, напротив, не смятат изследванията в тази област за фундаментални и съветват да се обърнат към енергетиците.

АНАЛИЗИ И ПРОГНОЗИ

Активни изследвания на въздействието на геоиндуцираните течения (GIC) върху технологичните системи се провеждат повече от 40 години в различни страни. В същото време проблемът със защитата от негативните ефекти на геомагнитните смущения не е окончателно решен.

Първо, прогнозирането на появата на магнитни бури във времето е много сложно; второ, проявлението на ефектите на бурята в космоса е разнообразно; трето, всяка технологична система реагира на магнитосферните смущения по свой начин.

От една страна е необходим глобален, планетарен подход към изследването на феномена, а от друга е необходимо да се изследват процесите на развитие и функциониране на GIC в конкретни системи с тяхната различна локализация.

Световният опит показва, че ГМБ са причина за тежки аварии, функционални нарушения и ускорено натрупване на дефекти и стареене на електрообзавеждането на основните енергийни системи. Основният отрицателен фактор на въздействие на HMB е генерирането на PCG, протичащ в нулевата последователност от удължени линии през заземените неутрали на трансформаторите и причиняващ насищане на стомана.ядра.

GIC възникват в резултат на появата на потенциална разлика в отдалечени точки на земната повърхност. При характерна честота от 0,001 до 0,1 Hz, амплитудата на PCG може да достигне 200 A. В случай на такъв квазипостоянен ток, протичащ в разширена електрическа мрежа с твърдо заземен неутрал с трансформатори или автотрансформатори, кривата на намагнитване на трансформаторите може да се измести, което ще доведе до полупериодно насищане на сърцевината. Това ще доведе до многократно увеличаване на токовете на намагнитване, което от своя страна ще доведе до нарушаване на симетрията във фазовия пренос на енергия, до появата на по-високи хармоници, прегряване на стоманените сърцевини, рязко увеличаване на вибрациите и в крайна сметка до ускорено стареене на изолацията на силови трансформатори и прекъсвания на захранването. HMB действат по подобен начин върху токови трансформатори.

В резултат на това при най-опасните геомагнитни смущения в някои енергийни системи могат да възникнат сериозни аварии, подобни на тези, които се случиха в края на миналия век в пика на геомагнитната активност в северните райони на Съединените щати и Канада. В допълнение, поради увеличаването на потоците на утечки и допълнителните загуби в трансформатора, е възможно локално прегряване на намотките и структурните елементи, което води до увеличаване на емисиите на газ и влошаване на изолацията. По този начин геомагнитният ефект е кумулативен, намалявайки експлоатационния живот на трансформатора.

МЕЖДУНАРОДНА АКЦИЯ

с помощта на предварително получени данни да се установи статистическа връзка между нивото на планетарните геомагнитни смущения и смущенията в работата на европейските енергийни системи за предходния слънчев цикъл;
въз основа на текущи измервания на параметрите на слънчевия вятър, регистриране на геомагнитни смущения и GIC в електрически мрежи, създаване на прототип на система за прогнозиранехелиогеомагнитна опасност за технологичните, предимно енергийни, системи в Европа.

ИЗСЛЕДВАНИЯ В България

В съответствие с работната програма на проекта създадохме система за регистриране на въздействието на магнитосферните смущения върху енергийната система на Карелия и Колския полуостров. Измереният параметър е почти постоянен ток, протичащ в заземената неутрала на автотрансформатора, който е свързан към PCG в електропреносната линия (TL). На фиг. 1 е показана схема на електропреносна линия и обозначени подстанции, на които са монтирани датчици за ток. За изследването бяха избрани подстанциите Loukhi, Kondopoga, Titan и Vykhodnoy на главната линия 330 kV и подстанция Revda на линия 110 kV. Такъв избор на точки за измерване позволява по време на развитието на магнитосферно смущение да се изследва разпределението на GIC по ширина на главната линия, ориентирана от юг на север, както и да се записва GIC в линия, насочена от запад на изток.

Фиг. 1. Разположение на точките за измерване на PCG и магнитното поле

В допълнение, диаграмата показва местата за инсталиране на устройствата за регистрация на GIT във Финландия в неутралите на автотрансформаторите в подстанциите Pirttikoski (Pirttikoski), Yllikkala (Yllikkl) и Rauma (Rauma), както и в главния газопровод Mantsala (Mntsl), за които архивната база данни е достъпна за периода от 1999 до 2006 г. Mekrijrvi и Ivalo са дом на обсерваториите на Финландския метеорологичен институт, които предоставят данни за вариациите на магнитното поле. През 2012 г. системата за мониторинг на ГИТ включва геомагнитна станция, разположена в селото. Ловозеро.

Системата използва сензори за ток и локална система за събиране на първична информация, специално проектирана за такива измервания [11]. Местната система събирапървична обработка, подготовка и предаване на данни по интернет канал към центъра за събиране на данни. За организиране на интернет канал се използва устройство за предаване на данни, базирано на GSM терминал.

Центърът за събиране на данни се намира на сървъра на Полярния геофизичен институт и представлява софтуерно-хардуерен комплекс, предназначен да получава, съхранява, обработва и представя данни от GIT измервания. Софтуерът на комплекса включва: ftp-сървър, СУБД (специализирана система за управление на база данни), набор от програми за обработка на измервателни данни и уеб-сървър. В събирателния център данните преминават процедура по подготовка и трансформация, която включва три етапа. На първия етап данните, получени от събирателните станции, се импортират в база данни (БД) без предварителна обработка. На втория етап данните се извличат от базата данни с последваща обработка, която включва филтриране, понижаване на честотата на сигнала (от 10 Hz до едноминутни стойности), корекция на базовата линия и др.

На фиг. Фигура 2 показва графика на стойностите на Kp-index за три дни според сайта на българската космическа обсерватория ТЕСИС (http://www.tesis.lebedev.ru/info/tesis_20121001.php).

GIT в този ден бяха регистрирани във всичките пет подстанции: в Кондопога текущата стойност достигна 5 A, в Loukha - 18,5 A, в Titan - 4 A, в Revda - 3,5 A, в Vykhodnoy - 24 A. автотрансформатори, които са инсталирани на други подстанции.

На фиг. 3 показва запис на амплитудата на PCG в неутралата на този автотрансформатор. Амплитуда в 00:13:35 UTCдостигна 18,5 A.

Значително увеличение на изкривяванията в кривата на неутралния ток доведе до пускането на устройство за запис на преходни процеси в устройството за регистрация на PCG в подстанция Loukhi. Този блок се задейства от условието за превишаване на определена прагова стойност на производната на неутралния ток в даден момент. Блокът за запис на преходни процеси записа кривата на неутралния ток в 04:13:43 московско време, показана на фиг. 4.

Фиг. 4. Крива на неутралния ток в подстанция "Loukhi"

Интервалът от време на запис е малко по-малък от периода на честотата на мощността (256 точки с честота на дискретизация 14400 Hz или около 18 ms), което позволява сигналът да бъде разложен в серия на Фурие. Неутралният ток е доминиран от третия хармоник, който е свързан с насищането на сърцевината всяка трета от периода при текущите максимуми на всяка от фазите. Кривата на тока е сумата от постоянния компонент, създаден от PCG (в момента той беше около 17 A), първия хармоник на индустриалната честота от 50 Hz (5,5 A) и по-високите хармоници, най-големият от които е третият (7 A).

По този начин PCG действа като ток на отклонение, причинявайки магнетизиране на ядрото на автотрансформатора и повишаване на нивото на хармониците, което може да причини както релейна защита, така и нагряване на трансформатора. Необходимо е предварително да се симулира как ще се развие ситуацията в подстанция Loukhi в този случай, в противен случай има вероятност от авария, която ще доведе до прекъсване на транзита на електроенергия от енергийната система на Кола.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работата, извършена в Колския научен център на Руската академия на науките по организирането на непрекъснат запис на GIT в подстанции на главните електрически мрежи на Северозапада, няма аналози в Руската федерация, представлява обширен оригинален материал, който позволява:

изследвайте влияниетогеомагнитни смущения на трансформаторни подстанции от мрежата;
да симулира пиковите стойности на индуцирани токове в електроенергийната система по време на развитието на екстремни смущения;
оценете граничните стойности на индуцирани геоелектрични полета в зони с повишена електромагнитна опасност, които могат да включват възлови подстанции, атомни електроцентрали, системи за железопътна автоматизация и др.

В момента спешна задача за подобряване на безопасността на функциониране на технологични системи в България, подложени на геомагнитни смущения, е разработването и създаването на Единна система за непрекъснато записване и прогнозиране на GIC, както и разработването на методи и защитни устройства.