Исследование влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов в составе ЭЭС
|
Введение 4
1 Анализ проблем, возникающих при воздействии геоиндуцированных токов
на ЭЭС. Расчет геоиндуцированных токов 6
1.1 Общее представление о проблемах, возникающих при воздействии
геоиндуцированных токов на ЭЭС 6
1.2 Механизм протекания геоиндуцированных токов через заземленные
нейтрали трансформаторов 9
1.3 Анализ негативных последствий влияния геоиндуцированных токов на
работу силовых трансформаторов 13
1.4 Анализ проблем, возникающих при воздействии геоиндуцированных
токов на ЭЭС 18
1.4.1 Анализ поведения системы в условиях возрастания потребления
реактивной мощности 18
1.4.2 Тепловое воздействие на трансформаторы 19
1.4.3 Уязвимость оборудования ЭЭС к появлению гармоник 21
1.4.5 Гибкие (адаптивные) системы передачи электроэнергии
переменным током (FACTS) 22
1.5 Расчет геоиндуцированных токов 23
1.5.1 Схема расчета геоиндуцированных токов 23
1.5.2 Данные наблюдений за магнитным полем Земли 24
1.5.3 Данные об удельной проводимости верхних слоев Земли 25
1.5.4 Расчет индуцированного геоэлектрического поля 28
1.5.5 Сведения о структуре и элементах ЭЭС 29
1.5.6 Расчет ГИТ 30
1.5.7 Расчет индуцированного геоэлектрического поля 33
1.5.8 Расчет ГИТ 38
1.5.9 Метод узловых потенциалов 39
1.5.10 Матрично-топологический метод 41
2 Моделирование влияния геоиндуктированных токов на режимы работы
силового трансформатора 46
2.1 Схема моделирования влияния геоиндуктированных токов на режимы
работы силового трансформатора 46
2.2 Математическая модель магнитной системы силового трансформатора 47
2.2.1 Нахождение магнитной индукции и магнитных потоков 47
2.2.2 Метод конечных элементов 50
2.2.3 Метод магнитных цепей 55
2.3 Задание кривой намагничивания и её производной 60
3 Реактивная мощность и высшие гармоники 68
3.1 Реактивная мощность 68
3.2 Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока
намагничивания при воздействии ГИТ 73
Заключение 79
Список используемых источников 81
1 Анализ проблем, возникающих при воздействии геоиндуцированных токов
на ЭЭС. Расчет геоиндуцированных токов 6
1.1 Общее представление о проблемах, возникающих при воздействии
геоиндуцированных токов на ЭЭС 6
1.2 Механизм протекания геоиндуцированных токов через заземленные
нейтрали трансформаторов 9
1.3 Анализ негативных последствий влияния геоиндуцированных токов на
работу силовых трансформаторов 13
1.4 Анализ проблем, возникающих при воздействии геоиндуцированных
токов на ЭЭС 18
1.4.1 Анализ поведения системы в условиях возрастания потребления
реактивной мощности 18
1.4.2 Тепловое воздействие на трансформаторы 19
1.4.3 Уязвимость оборудования ЭЭС к появлению гармоник 21
1.4.5 Гибкие (адаптивные) системы передачи электроэнергии
переменным током (FACTS) 22
1.5 Расчет геоиндуцированных токов 23
1.5.1 Схема расчета геоиндуцированных токов 23
1.5.2 Данные наблюдений за магнитным полем Земли 24
1.5.3 Данные об удельной проводимости верхних слоев Земли 25
1.5.4 Расчет индуцированного геоэлектрического поля 28
1.5.5 Сведения о структуре и элементах ЭЭС 29
1.5.6 Расчет ГИТ 30
1.5.7 Расчет индуцированного геоэлектрического поля 33
1.5.8 Расчет ГИТ 38
1.5.9 Метод узловых потенциалов 39
1.5.10 Матрично-топологический метод 41
2 Моделирование влияния геоиндуктированных токов на режимы работы
силового трансформатора 46
2.1 Схема моделирования влияния геоиндуктированных токов на режимы
работы силового трансформатора 46
2.2 Математическая модель магнитной системы силового трансформатора 47
2.2.1 Нахождение магнитной индукции и магнитных потоков 47
2.2.2 Метод конечных элементов 50
2.2.3 Метод магнитных цепей 55
2.3 Задание кривой намагничивания и её производной 60
3 Реактивная мощность и высшие гармоники 68
3.1 Реактивная мощность 68
3.2 Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока
намагничивания при воздействии ГИТ 73
Заключение 79
Список используемых источников 81
«В периоды геомагнитных бурь (ГМБ) в протяженных электрических сетях возникают геоиндуцированные токи (ГИТ), протекающие через заземленные обмотки силовых трансформаторов и провода воздушных линий электропередач. Мониторинг ГИТ осуществляется в электрических сетях многих стран, в частности более 20 лет в США, Канаде и Финляндии. Наблюдаемые значения ГИТ в нейтралях силовых трансформаторов в годы со средней геомагнитной активностью достигают 100 А и более, а в годы с высокой геомагнитной активностью могут превышать 200 А. В предположении симметрии электрической сети значения ГИТ при сильных геомагнитных бурях в фазных проводах линий электропередач могут превышать 67 А и быть сопоставимы с их рабочими токами» [23].
«Воздействие ГИТ на электрическую сеть заключается в насыщении магнитной системы силовых трансформаторов (СТ), приводящее к много-кратному возрастанию несинусоидальных токов намагничивания. Это одинаково опасно как для силовых трансформаторов, поскольку возникает дополнительный нагрев обмоток, изоляции, масла, так и для режима электрической сети, поскольку увеличивается потребление реактивной мощности» [23].
Влияние геомагнитных возмущений, вызванных солнечной активностью, на силовые трансформаторы и электроэнергетические системы наблюдается в течение многих десятилетий и во многих частях мира. Эти события создали достаточно высокий уровень обеспокоенности в электроэнергетике, связанный с последствиями от воздействия ГИТ, протекающих в нейтралях мощных силовых трансформаторов.
Неблагоприятная ситуация возникает при протекании в электроэнергетической системе ГИТ. Эти токи попадают в ЭЭС через заземлённые нейтрали СТ, оказывая существенное влияние на работу СТ. Как показывают исследования, существенная доля аварийных отключений СТ в ЭЭС в северных широтах, может быть отнесена к отключениям в результате воздействия ГИТ.
В связи с этим возникает необходимость в проведении исследований влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов в составе ЭЭС. Поскольку опасность могут представлять не только интенсивные ГИТ, способные непосредственно повредить силовые трансформаторы, но и менее интенсивные ГИТ, достаточные для создания дефицита реактивной мощности, что может спровоцировать развитие системной аварии или крупного технологического нарушения в электрической сети с отключением большого объема потребителей, - то тема магистерской диссертации носит актуальный характер.
Итак, основными элементами ЭЭС, подверженными воздействию ГИТ, являются силовые трансформаторы и автотрансформаторы (АТ) с глухозаземлёнными нейтралями. Особенно восприимчивы к воздействию ГИТ трёх-фазные четырёх- и пятистержневые, а также однофазные СТ и АТ [5], [54].
Негативное влияние ГИТ на силовые трансформаторы помимо теплового воздействия на трансформатор вызывает появление гармоник в токе намагничивания трансформатора и возрастание потребления реактивной мощности. Воздействие ГИТ приводит к многократному возрастанию несинусоидальных токов намагничивания.
Целью магистерской диссертации является оценка негативного влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов в составе ЭЭС.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1) Анализ механизма протекания геоиндуцированных токов через заземленные нейтрали трансформаторов. Анализ негативных последствий влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов.
2) Исследование теплового режима силового трансформатора при воз-действии геоиндуцированного тока.
3) Исследование возникающих гармоник тока и реактивной мощности силового трансформатора при воздействии геоиндуцированного тока.
«Воздействие ГИТ на электрическую сеть заключается в насыщении магнитной системы силовых трансформаторов (СТ), приводящее к много-кратному возрастанию несинусоидальных токов намагничивания. Это одинаково опасно как для силовых трансформаторов, поскольку возникает дополнительный нагрев обмоток, изоляции, масла, так и для режима электрической сети, поскольку увеличивается потребление реактивной мощности» [23].
Влияние геомагнитных возмущений, вызванных солнечной активностью, на силовые трансформаторы и электроэнергетические системы наблюдается в течение многих десятилетий и во многих частях мира. Эти события создали достаточно высокий уровень обеспокоенности в электроэнергетике, связанный с последствиями от воздействия ГИТ, протекающих в нейтралях мощных силовых трансформаторов.
Неблагоприятная ситуация возникает при протекании в электроэнергетической системе ГИТ. Эти токи попадают в ЭЭС через заземлённые нейтрали СТ, оказывая существенное влияние на работу СТ. Как показывают исследования, существенная доля аварийных отключений СТ в ЭЭС в северных широтах, может быть отнесена к отключениям в результате воздействия ГИТ.
В связи с этим возникает необходимость в проведении исследований влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов в составе ЭЭС. Поскольку опасность могут представлять не только интенсивные ГИТ, способные непосредственно повредить силовые трансформаторы, но и менее интенсивные ГИТ, достаточные для создания дефицита реактивной мощности, что может спровоцировать развитие системной аварии или крупного технологического нарушения в электрической сети с отключением большого объема потребителей, - то тема магистерской диссертации носит актуальный характер.
Итак, основными элементами ЭЭС, подверженными воздействию ГИТ, являются силовые трансформаторы и автотрансформаторы (АТ) с глухозаземлёнными нейтралями. Особенно восприимчивы к воздействию ГИТ трёх-фазные четырёх- и пятистержневые, а также однофазные СТ и АТ [5], [54].
Негативное влияние ГИТ на силовые трансформаторы помимо теплового воздействия на трансформатор вызывает появление гармоник в токе намагничивания трансформатора и возрастание потребления реактивной мощности. Воздействие ГИТ приводит к многократному возрастанию несинусоидальных токов намагничивания.
Целью магистерской диссертации является оценка негативного влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов в составе ЭЭС.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1) Анализ механизма протекания геоиндуцированных токов через заземленные нейтрали трансформаторов. Анализ негативных последствий влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов.
2) Исследование теплового режима силового трансформатора при воз-действии геоиндуцированного тока.
3) Исследование возникающих гармоник тока и реактивной мощности силового трансформатора при воздействии геоиндуцированного тока.
В результате выполнения магистерской диссертации проведена оценка негативного влияния геоиндуцированных токов на работу силовых транс-форматоров в составе ЭЭС. Выполнены:1) Анализ механизма протекания геоиндуцированных токов через заземленные нейтрали трансформаторов. Анализ негативных последствий влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов; 2) Исследование теплового режима силового трансформатора при воздействии геоиндуцированного тока; 3) Исследование возникающих гармоник тока и реактивной мощности силового трансформатора при воздействии геоиндуцированного тока.
В разделе 1 рассмотрены проблемы, возникающие при воздействии геоиндуцированных токов на электроэнергетические системы. Выявлены негативные последствия насыщения силовых трансформаторов и автотрансформаторов с глухозаземленными нейтралями. Рассмотрен механизм протекания геоиндуцированных токов через заземленные нейтрали трансформаторов. Установлена связь насыщения с изменением теплового режима транс-форматоров, с явлением дефицита реактивной мощности в ЭЭС, с появлением гармоник и ложными срабатываниями аппаратуры, в частности, реле. Рассмотрены этапы расчета ГИТ: геофизический и инженерный электроэнергетический. Приведена зависимость волнового сопротивления от частоты геомагнитного поля и удельной проводимости верхних слоев Земли. Предложена методика расчета ГИТ с помощью матрично-топологического метода.
В разделе 2 рассмотрены вопросы моделирования воздействия геоиндуцированных токов на режимы работы силового трансформатора, оказывающих негативное влияние на работу силовых трансформаторов и электро-энергетической системы в целом. Показано, что важнейшую роль играет моделирование магнитной системы силового трансформатора, связанное с нахождением магнитной индукции и магнитных потоков. Проведен анализ проблем, возникающих при задании кривой f(H) намагничивания электро-технической стали и её производной g(H), которые необходимы для расчетов магнитных полей виде гладких функций.
В разделе 3 разработана математическая модель, которая адекватно описывает сложный профиль бака силового однофазного автотрансформатора АОДЦТН - 267000/ 500/ 220. Данная математическая модель позволяет определить тангенциальные составляющие напряженности магнитного поля рассеяния на поверхностях бака и вычислить дополнительные потери активной мощности от вихревых токов в стенках бака. Проведен гармонический анализ тока намагничивания АТ АОДЦТН - 267000/ 500/ 220 для различных значений ГИТ. Приводится таблица коэффициентов гармоник тока намагничивания при разных ГИТ. Предложены методики расчета вихревых потерь в баке и в обмотках, обусловленных действием ГИТ. Даются соответствующие графики. Проведен расчёт зависимостей превышения температуры ННТ обмотки над температурой окружающей АТ среды (воздуха) от величины ГИТ при различных нагрузках. Построены графики, позволяющие при заданных значениях ГИТ и температуры окружающего воздуха определять предельное по условиям нагрева значение коэффициента загрузки к3.
В разделе 4 рассмотрены вопросы реактивной мощности и гармоник. Показано, что на практике для учета влияния ГИТ на потребляемую СТ реактивную мощность можно использовать упрощенные линейные зависимости добавочной реактивной мощности от величины ГИТ. Проведены расчеты функции f(/гит) для автотрансформатора АОДЦТН - 267000/ 500/ 220 при различных ГИТ. Проанализировано влияние ГИТ на суммарный коэффициент гармонических составляющих тока намагничивания автотрансформатора АОДЦТН - 267000/ 500/ 220. В результате получена зависимость суммарного коэффициента гармонических составляющих тока намагничивания K (THD) от ГИТ. Показано, что при ГИТ в диапазоне 30-200 А в фазе суммарный коэффициент Kj (THD) лежит в пределах 140-160 %.
В разделе 1 рассмотрены проблемы, возникающие при воздействии геоиндуцированных токов на электроэнергетические системы. Выявлены негативные последствия насыщения силовых трансформаторов и автотрансформаторов с глухозаземленными нейтралями. Рассмотрен механизм протекания геоиндуцированных токов через заземленные нейтрали трансформаторов. Установлена связь насыщения с изменением теплового режима транс-форматоров, с явлением дефицита реактивной мощности в ЭЭС, с появлением гармоник и ложными срабатываниями аппаратуры, в частности, реле. Рассмотрены этапы расчета ГИТ: геофизический и инженерный электроэнергетический. Приведена зависимость волнового сопротивления от частоты геомагнитного поля и удельной проводимости верхних слоев Земли. Предложена методика расчета ГИТ с помощью матрично-топологического метода.
В разделе 2 рассмотрены вопросы моделирования воздействия геоиндуцированных токов на режимы работы силового трансформатора, оказывающих негативное влияние на работу силовых трансформаторов и электро-энергетической системы в целом. Показано, что важнейшую роль играет моделирование магнитной системы силового трансформатора, связанное с нахождением магнитной индукции и магнитных потоков. Проведен анализ проблем, возникающих при задании кривой f(H) намагничивания электро-технической стали и её производной g(H), которые необходимы для расчетов магнитных полей виде гладких функций.
В разделе 3 разработана математическая модель, которая адекватно описывает сложный профиль бака силового однофазного автотрансформатора АОДЦТН - 267000/ 500/ 220. Данная математическая модель позволяет определить тангенциальные составляющие напряженности магнитного поля рассеяния на поверхностях бака и вычислить дополнительные потери активной мощности от вихревых токов в стенках бака. Проведен гармонический анализ тока намагничивания АТ АОДЦТН - 267000/ 500/ 220 для различных значений ГИТ. Приводится таблица коэффициентов гармоник тока намагничивания при разных ГИТ. Предложены методики расчета вихревых потерь в баке и в обмотках, обусловленных действием ГИТ. Даются соответствующие графики. Проведен расчёт зависимостей превышения температуры ННТ обмотки над температурой окружающей АТ среды (воздуха) от величины ГИТ при различных нагрузках. Построены графики, позволяющие при заданных значениях ГИТ и температуры окружающего воздуха определять предельное по условиям нагрева значение коэффициента загрузки к3.
В разделе 4 рассмотрены вопросы реактивной мощности и гармоник. Показано, что на практике для учета влияния ГИТ на потребляемую СТ реактивную мощность можно использовать упрощенные линейные зависимости добавочной реактивной мощности от величины ГИТ. Проведены расчеты функции f(/гит) для автотрансформатора АОДЦТН - 267000/ 500/ 220 при различных ГИТ. Проанализировано влияние ГИТ на суммарный коэффициент гармонических составляющих тока намагничивания автотрансформатора АОДЦТН - 267000/ 500/ 220. В результате получена зависимость суммарного коэффициента гармонических составляющих тока намагничивания K (THD) от ГИТ. Показано, что при ГИТ в диапазоне 30-200 А в фазе суммарный коэффициент Kj (THD) лежит в пределах 140-160 %.