Магнитосферные воздействия

В предыдущих публикациях («Новости ЭлектроТехники» № 1(79), № 2(80) 2013) Валентин Александрович Сушко и Дмитрий Анатольевич Косых рассказали о значимости космической погоды для человеческой цивилизации, рассмотрели ее влияние на электроэнергетическое оборудование, а также начали рассказ о том, как можно противостоять разрушительному влиянию геомагнитных возмущений на энергосистемы.
Сегодня наши чебоксарские авторы рассматривают шаги, которые уже предприняты для решения этой проблемы в Америке, а также обращают внимание на российскую действительность.

Валентин Сушко, доцент кафедры ТОЭ и РЗА, Чувашский ГУ	Дмитрий Косых, руководитель отдела разработки устройств, ОАО «ВНИИР»
г. Чебоксары

ГЕОМАГНИТНЫЕ ШТОРМЫ
Способы уменьшения воздействия на электроэнергетические системы

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИТ

За 20 лет в США была проделана большая работа по моделированию геомагнитных индуцированных токов (ГИТ) в электроэнергетических системах (ЭЭС) при геомагнитных штормах (ГМШ). Однако эту работу нельзя признать достаточной, т.к. при экстремальных ГМШ нестабильность напряжения обостряется отказами РЗА.

Целью моделирования является обеспечение правильной работы ЭЭС и защита силового оборудования ЭЭС (трансформаторов (ТР), генераторов, конденсаторных батарей (КБ)). Для этого необходимо:

• знать величины ГИТ при ГМШ и распределение их в ЭЭС;
• определить степень насыщения ТР, дефицит реактивной мощности в ЭЭС, вызванный ГИТ;
• вычислить значения гармоник, вызванных ГИТ;
• оценить работу оборудования.

При вычислении ГИТ, ЭЭС напряжением 220 кВ и выше моделируется как однофазная нагрузка (т.к. ГИТ – это токи нулевой последовательности частотой ниже 1 Гц) активными сопротивлениями проводов ЛЭП, обмоток ТР, соединенных в «звезду» (с учетом их температуры), сопротивлениями заземления нейтралей ТР. При моделировании учитываются также гальванически связанные сопротивления других видов оборудования. Реакторы поперечной компенсации и КБ при моделировании не принимаются во внимание, т.к. активное сопротивление обмоток первых существенно больше активного сопротивления ТР, а сопротивление КБ ГИТ бесконечно большое.

Геоэлектрические поля на поверхности Земли и ГИТ в ЛЭП рассчитываются в реальном времени, если известно изменение во времени индукции магнитного поля Земли, или по среднему значению геоэлектрического потенциала для данного района ЭЭС для конкретного случая ГМШ, или для 10-летнего или 100-летнего сценария ГМШ.

При расчете учитываются географические координаты начала и конца ЛЭП. Вычисляются отдельно токи ГИТx для направления электрического поля на север и ГИТy для направления электрического поля на восток. Если электрическое поле можно считать однородным, то максимальный ток в ЛЭП определяется выражением:

.

При однополупериодном насыщении ТР сопротивление намагничивания ТР становится маленьким, и он поглощает больше активной и реактивной мощности, чем до насыщения. Количество поглощаемой ТР реактивной мощности пропорционально потокосцеплению обмотки, а также конфигурации стального сердечника (однофазный, трехфазный трехстержневой и др.).

Значительное количество приблизительных соотношений между ГИТ и потерей реактивной мощности описано в публикациях IEEE.

Используя такие соотношения и значения ГИТ, можно моделировать в реальном времени ГИТ и потоки реактивной мощности, что важно для понимания ситуации системным оператором, а также для оценки вероятных максимальных сценариев.

Сложность оценки работы оборудования во время ГМШ под воздействием ГИТ заключается в том, что способность оборудования, например ТР, противостоять ГИТ не может быть обобщена, т.к. эффекты зависят от особенностей проекта и строительства ТР и изменения во времени ГИТ.

Кроме того, нет никаких стандартов тестирования для оценки противостояния оборудования воздействию ГИТ. Создание таких стандартов IEC необходимо в будущем, хотя испытательное оборудование будет достаточно дорогим.

УСТРОЙСТВА УМЕНЬШЕНИЯ ГИТ

Для контроля за возникновением ГИТ в ЭЭС должны быть установлены мониторы величин ГИТ и гармоник на постоянной основе. Мониторы – ключевой источник информации в реальном времени для системных операторов. Для контроля перетоков ГИТ в ЭЭС и измерения гармоник (второй и пятой) мониторы должны быть установлены в необходимых контрольных местах в ЭЭС. Необходимо также контролировать перетоки активной, реактивной мощности и напряжения на ключевых ТР.

Контроль ГИТ следует осуществлять датчиком постоянного тока на эффекте Холла с выходным преобразователем и реле ГИТ, включенным в нейтраль ТР и соединенным с компьютером подстанции. Для контроля гармоник может использоваться микропроцессорная защита ТР. Визуализация события ГМШ для оператора должна включать в себя: потоки ГИТ, гармоники, изменения реактивной мощности, повышение температуры ТР.

Для уменьшения потоков ГИТ может использоваться продольная емкостная компенсация на протяженных ЛЭП, как это было выполнено на пяти ЛЭП 735 кВ ЭЭС «Гидро-Квебек» после ГМШ 1989 г. Или же в нейтраль ТР может включаться резистор 2–5 Ом, который в нормальном режиме (при отсутствии предупреждения о ГМШ) шунтируется выключателем нагрузки. Такое сопротивление обычно уменьшает ГИТ в 2–5 раз, т.к. активное сопротивление петли ЛЭП и двух ТР часто составляет 1–3 Ом.

При размещении резисторов в нейтралях ТР в ЭЭС следует исключать возможные увеличения перетоков ГИТ по обходным путям через другие ЛЭП. Необходимо также разрядником защитить нейтраль ТР от перенапряжений при КЗ на землю.

В нейтрали ТР может устанавливаться конденсатор (с емкостным сопротивлением на частоте 60 Гц не более 43 Ом), но требуется обеспечить его быстродействующее шунтирование выключателем с дроссельной катушкой и резистором демпфирования в случае системных переходных процессов. При установке конденсаторов в нейтралях ТР необходимо исключить возможность феррорезонанса в сети и линейного гармонического резонанса при отказах в коммутационных схемах.

ОПЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПО СМЯГЧЕНИЮ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГИТ

Оперативное управление – самый быстрый способ уменьшения отрицательного воздействия ГИТ на системную надежность.

Необходимая информация для принятия решений может быть двух видов: немедленно доступная и доступная в будущем.

Немедленно доступная информация – это предупреждения Национального океанического и атмосферного управления (NOAA) и других агентств об угрозе ГМШ и накопленные данные в системе SCADA.

Информация, доступная в будущем, включает в себя:

• системные модели ГИТ для последующих исследований и аналитического инструмента в реальном времени;
• исследования для выявления и ликвидации системных слабых мест;
• определение необходимости установки дополнительных датчиков ГИТ и улучшение связи с ними и другими внеш-ними источниками информации;
• листинг ТР, наиболее уязвимых для ГИТ;
• пороги для принятия решений, основанные на полученной расширенной информации.

Подлежат дополнительному исследованию следующие предлагаемые учеными США выводы.

1. Уменьшение загрузки генераторного оборудования путем включения генераторов, находившихся в резерве, и селективным отключением нагрузки позволит:
   • увеличить нагрузку реактивной мощности и увеличить гармоническую нагрузку;
   • уменьшить рабочую температуру ТР, увеличивая его способность к перегрузке при насыщении ТР;
   • готовиться к непредвиденной потере передачи из-за потери ТР.
2. Разгрузка по реактивной мощности обеспечит рабочий запас в случае отключения СТК и КБ из-за воздействия на них гармоник.
3. Уменьшение системного напряжения путем регулирования возбуждения генераторов и коэффициента трансформации ТР с помощью УРПН даст возможность:
   • уменьшить рабочую индукцию ТР и потребляемую им реактивную мощность при воздействии ГИТ;
   • уменьшить нагрузку на КБ, позволяя увеличить его перегрузку по гармоникам.
4. Упреждающее отключение ТР позволит избежать их по-вреждения, а разделение ЭЭС для уменьшения воздействия ГИТ обеспечит последующее ее восстановление с учетом непродолжительности ГМШ.

Отметим, что у этого мероприятия могут быть негативные последствия при ненадежности прогноза ГМШ и отключении оборудования, не вызванном необходимостью.

По всем вопросам оперативного управления в ЭЭС при воздействии ГМШ требуются обучение и тренировки оперативного персонала.

ПЛАН РАБОТЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Североамериканским советом по надежности электроснабжения (NERC) [1] разработан план работы на 2012–2014 гг., который предусматривает:

• улучшение инструментов моделирования для проектировщиков, конструкторов, занимающихся разработкой оборудования, более устойчивого к воздействию ГМШ;
• разработку новых инструментов для системных операторов по управлению воздействиями ГМШ;
• развитие образования и информации в области ГМШ между исследователями ГМШ и промышленностью;
• разработку расширенных стандартов надежности NERC с учетом воздействия ГМШ на ЭЭС Северной Америки.

NERC совместно с научно-исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI) разработаны рекомендации, которые касаются:

• схем ЭЭС и конструкций оборудования;
• моделирования;
• ситуативного понимания и прогноза;
• аварийного уведомления и ответных действий;
• обучения и образования.

Среди организаций поддержки указаны: Министерство энергетики США, IEEE, Национальное океаническое и атмосферное управление, Служба геологической съемки, Федеральная комиссия по регулированию энергетики США, NASA, Министерство природных ресурсов Канады, Системный оператор.

СОСТОЯНИЕ ДЕЛ В РОССИИ

Как указано в [2], в России до настоящего времени вопросу влияния космических факторов на функционирование ЭЭС и разработке практических мер по защите от них не уделялось должного внимания. Из отечественных научных работ можно выделить только исследования воздействия ГМШ на оборудование ЭЭС, которые ведутся в Кольском научном центре РАН с 1986 г. Вывод этих исследований: при максимуме солнечной активности проблема нештатных ситуаций, вызванных ГМШ, весьма актуальна и ее необходимо учитывать при эксплуатации протяженных токопроводящих технологических систем в приполярных областях.

Однако в РФ не только на государственном, но и на отраслевом уровне эту проблему как бы не замечают. Даже в новых «Правилах расследования причин аварий в электроэнергетике», утвержденных правительством РФ, в списке причин, подлежащих расследованию, отсутствует такая, как влияние наведенных ГИТ в ЛЭП [2].

Разработка Федеральной комплексной программы с выполнением ряда НИР и пилотных проектов для определения эффективных защитных мероприятий, направленных против воздействия ГМШ на ЭЭС, предлагаемой в [2], может оказаться недостаточной. Причина – фактический демонтаж в России системы управления надежностью Единой национальной электроэнергетической системы (ЕНЭС), которая раньше существовала в Минэнерго СССР [3] и выполняла фактически те же функции, что и NERC в США в настоящее время.

Очевидно, что необходимо восстановление этой системы управления надежностью ЕНЭС в рамках Минэнерго РФ, а также принятие ряда мер на законодательном и правительственном уровнях. В частности, для сбалансирования интересов государства, превалирующих в настоящее время частных собственников энергоактивов, а также населения РФ. Такое решение было реализовано в США после ряда системных аварий [2].

ВЫВОДЫ

1. В США разрушительное влияние ГМШ на ЭЭС признано угрозой национальной безопасности, а меры по противодействию им более 20 лет разрабатываются и реализуются NERC с участием государственных и правительственных структур США, в том числе и в рамках Закона об энерготехнической политике от 2005 г. Все мероприятия проводятся под эгидой Конгресса США.
2. Задача противодействия разрушительному влиянию ГМШ на ЭЭС является многоэтапной, последовательно реализуется в США и включает в себя:
   • создание спутниковой группировки для мониторинга состояния Солнца и околоземного космического пространства для заблаговременного (от десятков до нескольких часов) предупреждения о возможности и интенсивности ГМШ;
   • создание сети наземных станций для измерения геомагнитных данных;
   • проведение магнитотеллурического зондирования электрической проводимости коры и мантии Земли на территории страны на глубины до и более 600 км с целью расчета электрических полей в районе прохождения ЛЭП;
   • разработку методики расчета вызванных ГМШ ГИТ в ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения с заземленными нейтралями трансформаторов;
   • расчет ГИТ в ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения для 10-летних и 100-летнего расчетного сценария ГМШ с учетом географических координат начала и конца ЛЭП и с учетом координат их геомагнитной широты;
   • оценку опасности ГИТ для повреждения ТР в ЭЭС при 100-летнем сценарии ГМШ;
   • моделирование и проведение натурных испытаний по перегреву ТР под воздействием ГИТ;
   • разработку техмероприятий по уменьшению ГИТ в ЛЭП;
   • подготовку предложений по совершенствованию алгоритмов и конструированию новых устройств РЗА генераторов, ТР, ЛЭП, источников реактивной мощности, обеспечивающих правильную работу и исключение повреждения защищаемого оборудования в условиях ГМШ;
   • моделирование ЭЭС для определения величин и перетоков ГИТ, принятие рекомендаций, обучение и тренировки оперативного персонала для работы в условиях ГМШ;
   • подготовку рекомендаций для разработчиков оборудования по его совершенствованию;
   • улучшение инструментов для системных операторов по управлению воздействиями ГМШ;
   • подготовку расширенных стандартов надежности NERC с учетом воздействия ГМШ;
   • разработку рекомендаций для владельцев активов и правительственных учреждений.
3. Проводимые в США работы по противодействию разрушительному влиянию ГМШ на ЭЭС еще нельзя считать завершенными, так как расчетные потери для энергетики, экономики, а также социальные последствия при 100-летнем сценарии ГМШ остаются угрожающими национальной безопасности. Однако можно ожидать, что уже в ближайшие годы положение изменится.
4. В России до настоящего времени вопросу влияния ГМШ на функционирование ЭЭС и разработке практических мер по защите от них не уделялось должного внимания, поэтому потери для электроэнергетики, экономики и для национальной безопасности от экстремального ГМШ по 100-летнему сценарию могут оказаться очень тяжелыми. Необходимо принять срочные меры на правительственном, законодательном и отраслевом уровнях для исправления сложившейся неблагоприятной ситуации.

ЛИТЕРАТУРА

1. 2012 Special Reliability Assessment Interim Report: Effects of Geomagnetic Disturbances on the Bulk Power System. February 2012. www.nerc.com
2. Скопинчев В.А., Маркитанов Д.В. Влияние космических факторов на повреждаемость в электрических сетях // Энергетик. 2012. № 10. С. 8–11.
3. Кудрявый В.В. Системные причины аварий // Энергоэксперт. 2012. № 6. С. 20–28.