Механизмы воздействия квазипостоянных геоиндуцированных токов на электрические сети

МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ  
КВАЗИПОСТОЯННЫХ  
ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ  
НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
Монография 
Инфра-Инженерия 
Москва - Вологда 
2018 

Издание не подлежит маркировке  
ФЗ 
УДК 621.314.2 
ББК 31.261.8 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 
№ 436-ФЗ 
  В 22 
Авторы: 
В. В. Вахнина, А. А. Кувшинов, В. А. Шаповалов, В. Н. Кузнецов 
В. Д. Селемир, В. И. Карелин, В. В. Горохов 
В 22  Механизмы воздействия квазипостоянных геоиндуцированных токов  
на электрические сети: монография / В. В. Вахнина, А. А. Кувшинов,  
В. А. Шаповалов, В. Н. Кузнецов, В. Д. Селемир, В. И. Карелин, В. В. Горохов. - М.: Инфра-Инженерия, 2018. - 256 с. 
ISBN 978-5-9729-0250-7 
Рассмотрено влияние геомагнитных возмущений на работу электрических сетей 
и их элементов. Дан анализ источников возникновения и особенностей распространения квазипостоянных геоиндуцированных токов, всесторонне исследовано их воздействие на силовые трансформаторы. Произведено компьютерное моделирование одностороннего насыщения силовых трансформаторов. Предложена геоэлектрическая гипотеза возникновения и развития аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. 
Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся эксплуатацией и проектированием электрических станций, подстанций и сетей, а также аспирантов и магистрантов электроэнергетических и электротехнических специальностей. 
‹ Вахнина В. В., Кувшинов А. А., Шаповалов В. А., Кузнецов В. Н., 
Селемир В. Д., Карелин В. И., Горохов В. В., авторы, 2018 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2018 
ISBN 978-5-9729-0250-7 
2

СОДЕРЖАНИЕ 
Введение  ................................................................................................................... 6 
ГЛАВА 1. Источники квазипостоянных геоиндуцированных токов  
........ 11 
1.1. Магнитосферно-ионосферные источники  .................................................... 11 
1.1.1. Геомагнитные бури  .............................................................................. 11 
1.1.2. Ядерные взрывы  ................................................................................... 13 
1.2. Литосферные источники  
................................................................................. 19 
1.3. Атмосферные источники  ................................................................................ 23 
ГЛАВА 2. Распространение геоиндуцированных токов 
в сложной системообразующей электрической сети  ................. 31 
2.1. Основные приближения аналитического исследования  
геоиндуцированных токов  
............................................................................. 31 
2.2. Пространственная модель электрической сети  
............................................ 33 
2.3. Геоиндуцированные токи в электрической сети радиальной  
конфигурации  .................................................................................................. 34 
2.4. Геоиндуцированные токи в электрической сети магистральной 
конфигурации  .................................................................................................. 39 
2.5. Геоиндуцированные токи в электрической сети кольцевой 
конфигурации  .................................................................................................. 47 
2.6. Критерии уязвимости электрической сети к геомагнитным  
возмущениям  ................................................................................................... 50 
ГЛАВА 3. Компьютерное моделирование одностороннего насыщения  
силовых трансформаторов  ............................................................. 59 
3.1. Основные конструктивные схемы магнитных систем силовых  
трансформаторов  
............................................................................................. 59 
3.2. Краткая характеристика программы расчета магнитных полей  ................ 62 
3.3. Моделирование магнитного поля силовых трансформаторов 
при одностороннем насыщении  .................................................................... 65 
3.4. Математическая модель силового трансформатора  
с учетом насыщения магнитной системы  
..................................................... 76 
3.5. Моделирование однополярных токов намагничивания  
.............................. 82 
ГЛАВА 4. Механизм воздействия геоиндуцированных токов  
на силовые трансформаторы  ......................................................... 87 
4.1. Анализ характеристики намагничивания электротехнической стали  
с учетом области технического насыщения  
................................................. 87 
4.2. Потокосцепление обмоток высокого напряжения силового  
трансформатора при геомагнитных возмущениях  ...................................... 90 
4.3. Особенности воздействия геоиндуцированных токов на силовые  
трансформаторы со стержневой конструкцией магнитной системы  ........ 93 
3

4.4. Особенности воздействия геоиндуцированных токов  
на силовые трансформаторы с бронестержневой конструкцией  
магнитной системы  ......................................................................................... 95 
4.5. Кусочно-линейная аппроксимация характеристики  
намагничивания силового трансформатора  
при воздействии геоиндуцированных токов  
................................................ 98 
4.6. Мгновенные значения тока намагничивания  
при одностороннем насыщении силового трансформатора  
..................... 101 
4.7. Гармонический состав тока намагничивания  
при одностороннем насыщении силового трансформатора  
..................... 103 
4.8. Составляющие мощности намагничивания  
при одностороннем насыщении силового трансформатора  
..................... 108 
4.9. Влияние геоиндуцированных токов на индуктивное сопротивление ветви  
намагничивания силового трансформатора  ............................................... 113 
 
ГЛАВА 5. Тепловые процессы в силовых трансформаторах  
при воздействии геоиндуцированных токов   
............................ 117 
5.1. Моделирование тепловых процессов в баке трансформатора  ................. 117 
5.2. Моделирование тепловых процессов в обмотках трансформатора  
......... 137 
5.3. Допустимая перегрузочная способность силовых  
трансформаторов  
........................................................................................... 148 
 
ГЛАВА 6. Модуляция режимных параметров межсистемной  
электропередачи геоиндуцированными токами  ...................... 153 
6.1. Схема замещения межсистемной электропередачи  
с учетом математической модели геоиндуцированных токов   ................ 153 
6.2. Модуляция параметров ветви намагничивания силового трансформатора  
на периоде сетевого напряжения  
................................................................. 158 
6.3. Модуляция параметров ветви намагничивания силового трансформатора 
на периоде геомагнитных возмущений  ...................................................... 160 
6.4. Влияние геомагнитных возмущений на величину взаимного  
и собственных сопротивлений межсистемной электропередачи  ............ 163 
6.5. Особенности режимов передачи активной и реактивной мощности  
в условиях геомагнитных возмущений  ...................................................... 171 
6.6. Модуляция напряжений в начале и в конце межсистемной линии  
электропередачи  
............................................................................................ 179 
6.7. Параметрическая модуляция пропускной способности межсистемной  
электропередачи под воздействием геомагнитных возмущений  ............ 186 
 
ГЛАВА 7. Геоэлектрическая гипотеза возникновения  
и развития аварии на Саяно-Шушенской ГЭС  
........................ 192 
7.1. Аварии на высоконапорных ГЭС в сейсмоактивных районах  ................. 192 
7.2. Сейсмическая активность в районе Саяно-Шушенской ГЭС  
в день аварии  ................................................................................................. 193 
4


7.3. Анализ результатов регистрации аномальных особенностей  
в работе гидроагрегатов  ............................................................................... 195 
7.4. Моделирование воздействия геоэлектрического источника  
на функционирование Саяно-Шушенской ГЭС  ........................................ 198 
7.5. Особенности функционирования синхронного генератора  
с учетом высших гармоник тока .................................................................. 215 
7.6. Оценка дополнительных моментов синхронного генератора  
при воздействии геоиндуцированных токов  
.............................................. 222 
7.7. Вероятный сценарий развития аварии на Саяно-Шушенской ГЭС  
......... 237 
Заключение  .......................................................................................................... 243 
Литература  
........................................................................................................... 247
5

ВВЕДЕНИЕ 
 
Проектирование и эксплуатация электроэнергетического оборудования, 
электрических сетей высокого напряжения осуществляется с учетом климатических факторов внешней среды, под которыми понимаются температура, 
влажность и давление воздуха (высота над уровнем моря), дождь, ветер, пыль, 
соляной туман, иней, содержание в воздухе коррозионно-активных агентов, 
смены температур, солнечное излучение и др.  
В соответствии с ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 16350-70 поверхность земного 
шара разделена на ряд макроклиматических районов, различных с точки зрения 
воздействия климатических факторов на технические изделия. В частности, 
различают макроклиматические районы с умеренным климатом (климатическое 
исполнение изделий категории У), с умеренным и холодным климатом (климатическое исполнение изделий категории УХЛ), с влажным тропическим климатом (климатическое исполнение изделий категории ТВ), с сухим тропическим 
климатом (климатическое исполнение изделий категории ТС). Для электрических сетей высокого напряжения дополнительно осуществляется районирование климатических условий территории нашей страны по скоростному напору 
ветра, толщине гололедных образований, грозовой активности, интенсивности 
пляски проводов. 
С развитием и усложнением топологии электрических сетей в связи с увеличением количества электростанций и трансформаторных подстанций, протяженности воздушных линий (ВЛ) электропередачи, расширением географической зоны размещения электроэнергетических объектов возрастает влияние 
еще одного фактора внешней среды, а именно космической погоды, одним из 
проявлений которой являются геомагнитная активность.  
Геомагнитная активность характеризует степень возмущенности геомагнитного поля за определенный промежуток времени при взаимодействии солнечного ветра (потока плазмы, испускаемого Солнцем) с магнитосферой Земли. 
В качестве количественной меры такого взаимодействия используют индексы 
геомагнитной активности, которые характеризуют интенсивность геомагнитной 
возмущенности на локальной территории, на всей Земле, от конкретных источников, например, авроральных электроджетов [36]. 
Для оценки возможного воздействия геомагнитных возмущений на технические системы наиболее часто используют планетарный индекс 
Р
К , который 
характеризует возмущенность геомагнитного поля в трехчасовом интервале  
и выражается в баллах от 0 до 9. Вербально состояние геомагнитного поля в зависимости от значения индекса Кр характеризуется как спокойное (Кр d 2), слабовозмущенное (Кр = 2; 3), возмущенное (Кр = 4), магнитная буря (Кр = 5; 6), 
сильная магнитная буря (Кр t 7) [116]. 
Впервые нарушение работы электрической сети при магнитной буре зафиксировано 24 марта 1940 года. Тогда на нескольких подстанциях северовостока США вышли из строя силовые трансформаторы и было частично прекращено электроснабжение в нескольких штатах. С тех пор подобные аварии 
6 


периодически происходят в странах с развитыми электросетями. Так последствиями магнитной бури 13-14 марта 1989 года были: отключение пяти ВЛ 
энергосистемы Гидро-Квебек (Канада) общей мощностью 9 ГВт; выход из 
строя генератора и отключение трансформаторов на атомной электростанции 
Салем Юнит и повреждение 2 трансформаторов мощностью по 240 МВт 
(США); отключение ВЛ 400 кВ/400 МВт (Швеция).  
Большой экономический ущерб инициировал за рубежом работы по изучению влияния геомагнитных возмущений на функционирование электрических 
сетей. В частности, в США национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) в 2009 г. принята классификация параметров 
космической погоды и возможных воздействий на технические системы 
[77, 116], в том числе на электрическую сеть. В таблице В.1 представлены критерии возмущенности геомагнитного поля (
Р
К -индекс и среднее количество 
геомагнитных возмущений в течение 11-летнего цикла солнечной активности) 
и возможные инициируемые в электрической сети эффекты по классификации 
«NOAA Space Weather». 
Т а б л и ц а  В.1 
Возможные эффекты в электрической сети  
при геомагнитных возмущениях 
Возможное воздействие на электрическую 
сеть 
Индекс  
Кр 
Количество  
геомагнитных 
возмущений 
9 
4 
Возможны разрушения электрической сети 
и повреждения трансформаторов 
8 
100 
Возможны проблемы со стабильностью  
напряжения, частичные разрушения  
электрической сети и отключение защитных  
систем 
7 
200 
Необходима коррекция напряжения, ложные  
срабатывания релейной защиты, высокий  
«газ в масле» силовых трансформаторов 
6 
600 
Воздействие на высокоширотные сети 
5 
1700 
Слабые флуктуации в электрические сети 
Как видно, геомагнитные возмущения в зависимости от интенсивности 
способны оказать существенное влияние на режимы работы электрической сети, вплоть до развития системных аварий и повреждения силовых трансформаторов. Это объясняется тем, что геомагнитные возмущения генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли (теллурические токи), а на поверхности квазипостоянные электрические потенциалы, 
обычно несколько вольт на километр [95, 107]. Между точками заземления 
нейтралей обмоток высокого напряжения (ВН) силовых трансформаторов возникает разность потенциалов, которая вызывает в фазных проводах ВЛ с низким омическим сопротивлением протекание квазипостоянных геоиндуцированных токов (ГИТ).  
7 

Мониторинг ГИТ осуществляется в электрических сетях многих стран,  
в частности, в США, Канаде и Финляндии на протяжении более 20 лет. Частота 
ГИТ обычно находится в пределах (0,001y0,1) Гц [68, 121], т. е. во много раз 
меньше номинальной частоты (50 или 60 Гц) напряжения электрической сети,  
а 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 [94, 102, 111]. В последнее время предпринимаются попытки регистрации ГИТ и в электрических 
сетях нашей страны [68, 69]. 
Величина ГИТ может оказаться вполне соизмеримой с рабочими токами 
обмоток ВН и достаточной для одностороннего насыщения магнитной системы 
силовых трансформаторов. Результатом становится протекание практически 
однополярного тока намагничивания и эмиссия в примыкающую электрическую сеть гармонических составляющих тока намагничивания как нечетных 
(3, 5, 7, 9 и т. д.), так и четных (2, 4, 6, 8 и т. д.) порядков [20, 69]. Следует добавить, что 2-я и 4-я гармоники вполне соизмеримы с основной гармоникой тока 
намагничивания [24, 128]. Многократно возрастает амплитуда и основной гармоники тока 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 [120]. 
Многие системные аварии в электрических сетях различных стран спровоцированы именно дефицитом реактивной мощности и последующим прогрессирующим снижением напряжения по всей электрической сети. В частности, 
одной из причин возникновения системной аварии после отключения подстанции «Чагино» в мае 2005 года указан недостаток реактивной мощности, приведший к снижению напряжения в южной части Московской электрической сети [45]. Следует добавить, что за последние время из баланса электрических сетей России выведены компенсирующие устройства с суммарной установленной 
мощностью свыше 50 Гвар [54]. 
Территория России находится в средних и высоких широтах и подвержена 
воздействию внезапных изменений космической погоды. Парковый ресурс действующего электрооборудования в российской энергетике выработан примерно 
на 80, оборудование электрических станций и линий электропередач изношено примерно на 50, что приводит к росту аварийности даже без учета фактора 
космической погоды [3, 71]. В сложившихся условиях опасность могут представлять не только интенсивные ГИТ, способные непосредственно повредить 
силовые трансформаторы, но и менее интенсивные ГИТ, достаточные для создания дефицита реактивной мощности, способного спровоцировать развитие 
системной аварии или крупного технологического нарушения в электрической 
сети с отключением большого объема потребителей.  
Поэтому необходимы адекватная оценка причин возникновения, закономерностей распространения, степени влияния интенсивности ГИТ на возможность  
и глубину одностороннего насыщения магнитной системы, тепловой режим  
8 


и допустимую загрузку силовых трансформаторов, параметры режима функционирования электрической сети, возможность инициирования аварийных процессов. Систематизированному освещению перечисленных вопросов и объяснению 
ряда эффектов, указанных в таблице В.1, которые практически отсутствуют в отечественной литературе, отвечает структура построения данной монографии. 
В первой главе рассмотрены наиболее мощные техногенные и природные 
источники квазипостоянных токов в электрических сетях ² геомагнитные бури, 
ядерные взрывы, грозовая активность и литосферные источники. Впервые показано, что возникающие в преддверии землетрясений литосферные источники 
способны возбуждать протекание в фазных проводах ВЛ значительных квазипостоянных токов. Дело в том, что геоэлектрические поля, возбуждаемые литосферными источниками, также лежат в низкочастотной области и имеют амплитуды, сравнимые с регистрируемыми при геомагнитных бурях. Возникновение 
геоэлектрических источников связано с преобразованием энергии механических 
деформаций земной коры в энергию электростатического поля в зонах геологических разломов и сдвигов. Геоэлектрические процессы сопровождаются комплексом природных явлений, например, сейсмической активностью, при которых происходит генерация низкочастотных электрических полей. 
 Во второй главе  исследованы закономерности распределения квазипостоянных ГИТ между нейтралями отдельных силовых трансформаторов в электрических сетях типовых топологий. Предложены пространственная модель, 
позволяющая учесть географическое расположение силовых трансформаторов 
при расчете ГИТ,  и количественные критерии уязвимости электрических сетей 
к воздействию геомагнитных возмущений в зависимости от доминирующей 
ориентации ВЛ относительно направления геоэлектрического поля на поверхности земли. Приведены численные примеры распределения ГИТ в электрических сетях радиальной, магистральной и кольцевой топологий для различных 
вариантов пространственного расположения силовых трансформаторов, характеризуемых различной величиной относительной электрической длины сети.  
В третьей главе представлены результаты компьютерного моделирования  
с использованием программного продукта FEMM 4.2 магнитного поля силовых 
трансформаторов с различным исполнением магнитной системы. Визуализированы картины магнитного поля в стержнях и ярмах магнитной системы. Представлены зависимости средних значений магнитной индукции постоянного 
магнитного поля в поперечном сечении стержня от ГИТ для силового трансформатора ТРДН-63000/110  со стержневым магнитопроводом, силового трансформатора ТДЦ-400000/220 с бронестержневым магнитопроводом и силово- 
го однофазного автотрансформатора АОДЦТН-267000/500/220 с броневым 
магнитопроводом. Разработана математическая модель трехфазного силового 
трансформатора, позволяющая моделировать несимметричные токи намагничивания с учетом одностороннего насыщения магнитной системы под воздействием ГИТ. 
В четвертой главе исследовано влияние ГИТ силовые трансформаторы со 
стержневой и бронестержневой конструкцией магнитной системы и обмотками 
9 


высокого напряжения с заземленной нейтралью. Обоснована допустимость кусочно-линейной аппроксимации с одной точкой излома характеристики намагничивания силового трансформатора при анализе одностороннего насыщения 
магнитной системы под воздействием ГИТ, вытекающая из ярко выраженного 
«вентильного» характера основной кривой намагничивания холоднокатаной 
электротехнической стали в диапазоне значений (0 · 3 000) А/м напряженности 
магнитного поля. Показано, что силовые трансформаторы с бронестержневой 
конструкцией магнитной системы во много раз восприимчивее к воздействию 
геомагнитной активности, чем силовые трансформаторы со стержневой конструкцией магнитной системы. Полная мощность намагничивания силового 
трансформатора с бронестержневой конструкцией магнитной системы в условиях геомагнитной активности многократно возрастает и образуется из двух 
составляющих, одна из которых ² реактивная мощность намагничивания ²  
обусловлена основной гармоникой тока намагничивания, а другая ² мощность 
искажения ² высшими гармониками тока намагничивания.  
В пятой главе рассмотрено влияние ГИТ на тепловой режим работы силового трансформатора. Получены зависимости превышения температуры наиболее нагретой точки силового трансформатора от величины ГИТ при различных 
значениях коэффициента загрузки. Установлены предельные значения ГИТ, 
при которых эксплуатация силовых трансформаторов в нагрузочном режиме 
становится невозможной. 
В шестой главе исследован механизм влияния геомагнитных возмущений 
на пропускную способность межсистемной электропередачи, в основе которого 
лежит модуляция индуктивных сопротивлений намагничивания силовых 
трансформаторов ГИТ. Определен предел передаваемой мощности межсистемной электропередачи с учетом индуктивностей намагничивания силовых 
трансформаторов, который изменяется в сторону уменьшения по мере усиления 
геомагнитной активности. 
Исследованы механизмы влияния интенсивности ГИТ на вариации напряжений в узлах электрической сети. Показано, что поток реактивной мощности  
в приемную систему при увеличении ГИТ уменьшается вплоть до полного прекращения и последующей инверсии направления передачи, что служит причиной вариаций напряжений в начале и конце межсистемной электропередачи.  
В седьмой главе приведены результаты анализа и моделирования аварии, 
происшедшей 17 августа 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС. Авария может 
быть объяснена без привлечения предположений о технической неисправности 
силового и измерительного оборудования, систем автоматики или неверных 
действиях персонала. Показано, что наиболее вероятная причина аварии ² 
воздействие ГИТ, возбуждаемого природным геоэлектрическим литосферным 
источником, на главные трансформаторы Саяно-Шушенской ГЭС.  
Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся эксплуатацией и проектированием электрических станций, подстанций и сетей, а также аспирантов и магистрантов электроэнергетических и электротехнических специальностей вузов. 
10