Новини Електротехніки № 2(80), Магнітосферні впливи

Магнітосферні дії

Аналітичний огляд, присвячений впливу космічної погоди на сучасну цивілізацію [1], привернув увагу професійної спільноти. Для України, так само як і для багатьох інших країн світу, підвищення безпеки роботи сучасних технологічних систем, чутливих до впливу геомагнітних збурень, є нагальною потребою. Успішному вирішенню цього завдання допоможе Єдина система безперервної реєстрації та прогнозування геоіндукованих струмів. Організацією системи займаються спеціалісти Кольського наукового центру української академії наук. У статті вони коротко подають дані, отримані на ПС магістральних електричних мереж Північно-Заходу і дозволяють досліджувати вплив геомагнітних збурень на ключові елементи енергосистеми.

ГЕОМАГНІТНІ ШТОРМИ Дослідження впливів на енергосистему Карелії та Кольського півострова

Борис Єфімов, д.т.н.,Ярослав Сахаров, к.ф.-м.н.,Василь Селіванов, к.т.н. Кольський науковий центр української академії наук, м. Апатити

Статтю В. Сушко та Д. Косих [1] можна вважати продовженням серії оглядів А.І. Гершенгорна [2-4]. Взагалі треба визнати, що на відміну від Європи та Північної Америки, де цією проблемою займаються постійно, в Україні інтерес до геомагнітних бур (ГМБ) (або, як їх ще називають, геомагнітних шторм) має такий же періодичний характер, як і сонячна активність, але з деяким «запізненням по фазі».

Останній сплеск активності відзначався після геліомагнітних подій 2003 [5]. Поточний 24-й цикл сонячної активності очікується досить спокійним, проте ЧелябінськийМетеорит дає нам привід нагадати і про інші види космічної загрози людству, щоправда, знову апостеріорі (лат. a posteriori, буквально - з наступного, тобто знання, отримане з досвіду).

Завидною сталістю має інше явище – проблема з фінансуванням наукових досліджень про вплив геомагнітних бур на об'єкти електроенергетики. Енергетичні компанії, ймовірно, вважають цю проблему надто академічною та далекою від завдань поточної експлуатації (справді, «де Сонце, а де автотрансформатор?»). Наукові фонди, навпаки, не вважають дослідження у цій галузі фундаментальними та радять звернутися до енергетик.

АНАЛІЗИ І ПРОГНОЗИ

Активні дослідження впливу геоіндукованих струмів (ГІТ) на технологічні системи проводяться понад 40 років у різних країнах. У той самий час завдання захисту від негативних впливів геомагнітних збурень остаточно не вирішена.

По-перше, дуже складний прогноз появи магнітних бур у часі; по-друге, різноманітний прояв ефектів бурі у просторі; по-третє, кожна технологічна система відгукується магнітосферні обурення по-своєму.

Потрібно, з одного боку, глобальний, планетарний підхід до вивчення явища, з другого боку, необхідно вивчення процесів розвитку та дії ГІТ у конкретних системах з різною їх локалізацією.

Світовий досвід показує, що ГМБ є причиною важких аварій, функціональних порушень та прискореного накопичення дефектів та старіння електрообладнання магістральних електроенергосистем. Основним негативним фактором впливу ГМБ є генерування ГІТ, що протікають у нульовій послідовності протяжних ліній через заземлені нейтралі трансформаторів і викликають насичення сталі осердя.

ГІТ виникають у результаті появи різниці потенціалів у віддалених точках на Землі. При характерній частоті від 0,001 до 0,1 Гц амплітуда ГІТ може досягати 200 А. У разі протікання такого квазіпостійного струму в протяжній електричній мережі з глухозаземленной нейтраллю з трансформаторами або автотрансформаторами, крива намагнічування трансформаторів може зміститися, що призведе до наведення. Це викличе багаторазове зростання струмів намагнічування, що у свою чергу призведе до порушень симетрії в передачі енергії по фазах, до появи вищих гармонік, перегріву стали сердечників, різкого зростання вібрацій та в кінцевому підсумку до прискореного старіння ізоляції силових трансформаторів та порушень електропостачання. Аналогічно впливають ГМБ трансформатори струму.

У результаті при найнебезпечніших геомагнітних обуреннях у деяких енергосистемах можливе виникнення серйозних аварій, подібних до тих, що сталися наприкінці минулого століття в пік геомагнітної активності в північних районах США і Канади. Крім того, через збільшення потоків розсіювання та додаткових втрат у трансформаторі можливий локальний перегрів обмоток та елементів конструкції, що призводить до підвищення газовиділення та деградації ізоляції. Таким чином, геомагнітний вплив має кумулятивний характер, знижуючи термін служби трансформатора.

МІЖНАРОДНІ ДІЇ

за отриманими раніше даними встановити статистичний зв'язок між рівнем планетарних геомагнітних збурень та порушеннями у роботі європейських енергосистем за попередній сонячний цикл;
на основі поточних вимірювань параметрів сонячного вітру, реєстрації геомагнітних збурень та ГІТ в енергомережах створити прототип системи прогнозу геліогеомагнітної небезпекидля технологічних, насамперед енергетичних, систем у Європі.

ДОСЛІДЖЕННЯ В УКАЇНІ

Відповідно до робочої програми проекту нами створено систему реєстрації впливу магнітосферних збурень на енергосистему Карелії та Кольського півострова. Вимірюваним параметром є майже постійний струм, що протікає в глухозаземленной нейтралі автотрансформатора, який пов'язаний з ГІТ лінії електропередачі (ЛЕП). На рис. 1 представлена схема ЛЕП та відзначені ПС, на яких встановлені датчики струму. Для дослідження обрано ПС «Лоухи», «Кондопога», «Титан» та «Вихідний» на магістральній лінії 330 кВ та ПС «Ревда» на лінії 110 кВ. Такий вибір точок вимірювання дозволяє при розвитку магнітосферного обурення досліджувати розподіл ГІТ по широті на магістральній лінії, орієнтованій з півдня на північ, а також реєструвати ГІТ у лінії, спрямованій із заходу на схід.

Мал. 1. Схема розташування точок вимірювання ГІТ та магнітного поля

Крім того, на схемі показані місця встановлення пристроїв реєстрації ГІТ у Фінляндії в нейтралях автотрансформаторів на ПС «Пірттікоскі» (Pirttikoski), «Юлліккала» (Yllikkl) та «Раума» (Rauma), а також на магістральному газопроводі «Мантсала» (Mntsl) , котрим доступна база архівних даних у період із 1999 по 2006 роки. У Мекріярві (Mekrijrvi) та Івало (Ivalo) розташовані обсерваторії Фінського метеорологічного інституту, які подають дані про варіації магнітного поля. У 2012 р. до системи моніторингу ГІТ включено геомагнітну станцію, розташовану в с. Ловозеро.

У системі використані датчики струму та локальна система збору первинної інформації, спеціально розроблені для таких вимірювань [11]. Локальна система виконує збирання, первинну обробку, підготовкута передачу даних через інтернет-канал до центру збору даних. Для організації інтернет-каналу використовують пристрій передачі даних, виконаний на базі GSM-терміналу.

Центр збору даних розташований на сервері Полярного геофізичного інституту і є програмно-апаратним комплексом, який призначений для прийому, зберігання, обробки та подання даних вимірювань ГІТ. У програмний склад комплексу входять: ftp-сервер, СУБД (спеціалізована система управління базами даних), комплекс програм обробки даних вимірювань і web-сервер. У центрі збору дані проходять процедуру підготовки та перетворення, яка включає три етапи. На першому етапі дані, отримані зі станцій збору, імпортуються до бази даних (БД) без попередньої обробки. На другому етапі проводиться вибірка даних з БД з подальшою обробкою, яка включає фільтрацію, зниження частоти сигналу (з 10 Гц до однохвилинних значень), корекцію базової лінії сигналу (baseline correction) і т.д.

На рис. 2 показаний графік значень Kp-індексу за три дні за даними сайту української космічної обсерваторії ТЕСІС (http://www.tesis.lebedev.ru/info/tesis_20121001.php).

ГІТ цього дня було зареєстровано на всіх п'яти ПС: на «Кондопозі» значення струму досягло 5 А, на «Лоухах» – 18,5 А, на «Титані» – 4 А, на «Ревді» – 3,5 А, на «Вихідному» – 24 А. Найцікавіші результати отримані на «Лоухах», де на новій підстанції 330 кВ встановлено автотрансформатори імпортного виробництва, що відрізняються за конструкцією від радянських та українських автотрансформаторів, які встановлені на інших ПС.

На рис. 3 показано запис амплітуди ГІТ у нейтралі цього автотрансформатора. О 04:13:35 МСК амплітуда сягнула 18,5 А.

Значне зростання спотворень у кривій струмі нейтралі призвело до запуску блоку запису перехідних процесів у пристрої реєстрації ГІТ на ПС «Лоухи». Цей блок спрацьовує за умовою перевищення деякого порогового значення похідної струму від нейтралі в даний момент часу. Блок реєстрації перехідних процесів записав криву струму нейтралі о 04:13:43 МСК, показану на рис. 4.

Мал. 4. Крива струму нейтралі на ПС «Лоухи»

Проміжок часу запису становить трохи менше періоду промислової частоти (256 пікселів з частотою дискретизації 14400 Гц або близько 18 мс), що дозволяє провести розкладання сигналу в ряд Фур'є. У струмі нейтралі переважає третя гармоніка, що пов'язано з насиченням осердя кожну третину періоду в максимумах струму кожної фази. Крива струму є сумою постійної складової, створеної ГІТ (в даний час вона становила близько 17 А), першої гармоніки промислової частоти 50 Гц (5,5 А) і вищих гармонік, найбільша з яких - третя (7 А).

Таким чином, ГІТ виступає як струм підмагнічування, викликаючи намагнічування сердечника автотрансформатора та підвищення рівня гармонік, що може спричинити як дію релейного захисту, так і нагрівання трансформатора. Необхідно заздалегідь змоделювати, як розвиватиметься у цьому випадку ситуація на ПС «Лоухи», інакше є ймовірність виникнення аварії, що призведе до розриву транзиту електроенергії з Кольської енергосистеми.

ВИСНОВОК

Виконана в Кольському науковому центрі РАН робота з організації безперервної реєстрації ГІТ на підстанціях магістральних електричних мереж Північно-Заходу не має аналогів у РФ, представляє великий оригінальний матеріал, що дозволяє:

дослідити вплив геомагнітних збурень натрансформаторні підстанції мережі;
моделювати пікові значення наведених струмів в енергосистемі у разі розвитку екстремальних збурень;
оцінювати граничні значення наведених геоелектричних полів у зонах підвищеної електромагнітної небезпеки, до яких можуть бути віднесені вузлові підстанції, атомні електростанції, системи залізничної автоматики та ін.

В даний час актуальним завданням щодо підвищення безпеки функціонування технологічних систем України, схильних до впливу геомагнітних збурень, є розробка та створення Єдиної системи безперервної реєстрації та прогнозування ГІТ, а також розробка методів та пристроїв захисту.