Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Доступ для подписчиков

Защита силовых трансформаторов от токов геомагнитной индукции (по материалам СИГРЭ-2024) Часть 2

А. А. Кувшинов, В. В. Вахнина, А. Ю. Хренников

Аннотация


Показано, что геомагнитные бури представляют реальную угрозу для электроэнергетических систем не только Арктической зоны России, но и территорий средних широт в связи с многолетним природным трендом смещения магнитного полюса с территории Канады в направлении российского сектора Арктики. Определены основные недостатки известных систем резистивного заземления нейтрали силового трансформатора для защиты от воздействия геоиндуцированных токов, заключающиеся в необходимости использования дополнительного разнородного электрооборудования для защиты заземляющего резистора от токов однофазных коротких замыканий и изоляции нейтрали от перенапряжений. Предложены количественные критерии, позволяющие выбирать сопротивление заземляющего резистора, обеспечивающее ограничение геоиндуцированных токов до безопасного для силового трансформатора уровня, не вызывающее насыщение магнитной системы. Сформулированы требования к системе резистивно-тиристорного заземления нейтрали силового трансформатора с учетом ограничений, накладываемых нормативными документами на заземляющие устройства. Разработана система резистивно-тиристорного заземления нейтрали с автоматическим переходом в режим резистивного заземления при насыщении магнитной системы под воздействием геоиндуцированных токов и возвратом в режим глухозаземленной нейтрали после прекращения геомагнитной бури. Представлены результаты полевых испытаний канала мониторинга геоиндущированных токов в нейтрали силового трансформатора 135 МВА 500/13,8 кВ ГЭС в период геомагнитной бури.

DOI: 10.71527/EP.BE.2025.09.321


Ключевые слова


электроэнергетическая система, приполярные районы, геоиндуцированный ток, силовой трансформатор, резистивно-тиристорное заземление нейтрали.

Полный текст:

PDF

Литература


Geomagnetically Induced Currents in the Finnish High-Voltage Power System // Finnish Meteorological Institute. Reports. 2000. 2000:2.

Сахаров Я. А., Селиванов В. Н., Билин В. А., Николаев В. Г. Экстремальные величины геоиндуктированных токов в региональной энергосистеме // Physics of Auroral Phenomena, Proc. XLII Annual Seminar, Apatity. 2019. С. 5 – 56.

Воробьев В. Г. Геоиндуцированные токи и их связь с положением западной электроструи и границами авроральных высыпаний / В. Г. Воробьев, Я. А. Сахаров, О. И. Ягодкина и др. // Тр. Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 5, Вып. 4. С. 16 – 28.

Boteler D. H., Pirjola R,, Trichtchenko L. On calculating the electric and magnetic fields produced in technological systems at the Earth’s surface by a «wide» electrojet // Journal of Atmospheric and SolarTerrestrial Physics. 2000. 62. P. 1311 – 1315.

Сивоконь В. П., Сероветников А. С., Писарев А. В. Высшие гармоники как индикатор геомагнитноиндуцированных токов // Электро. 2011. № 3. С. 30 – 345.

Lahtinen M., Pirjola R. Currents produced in earthed conductor networks by geomagnetically-induced electric fields // Annales Geophysicae. 1995.6. No 4. P. 479 – 484.

Viljanen A., Nevanlinna H., Pajunp K., Pulkkinen, A. Time derivative of the horizontal geomagnetic field as an activity indicator // Annales Geophysicae. 2001. No. 19. P. 1107 – 1118.

Карташев И. И, Нгуен Динь Дык. Влияние характеристик намагничивания трансформатора на спектр генерируемых им высших гармоник // Вестник МЭИ. 2007. № 1. С. 56 – 63.

Pirjola R. Electromagnetic induction in the earth by a plane wave or by fields of line currents harmonic in time and space // Geophysica. Vol. 18. No. 1 – 2. P. 1 – 161.

Pirjola R., Viljanen A. Complex image method for calculating electric and magnetic fields produced by an auroral electrojet of finite length // Annales Geophysicae. 1998. No. 16. P. 1434 – 1444.

Kappenman J. G. Geomagnetic Storms and Their Impact on Power Systems // IEEE Power Eng. Rev. 1996. 5.

Mohan N., Kappenman, J. G., Albertson V. D. Harmonics and switching transients in the presence of geomagnetically induced currents // IEEE transaction on power apparatus and systems. 1981. 2.

Климов В. П., Москалев А. Д. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания // Практическая силовая электроника: Науч.-техн. сб. / Под ред. Г. М. Малышкова, А. В. Лукина. М.: АОЗТ «ММП-Ирбис». 2002. Вып. 5.

Динь Дык Н. Pазработка методики исследования распространения высших гармоник в электроэнергетических системах: дис. ... канд. техн. наук, МЭИ, 2008.

Kappenman J. G. GIC Mitigation: A Neutral Bloсing/ Bypass Device to Prevent the Flow of GIC in Power Systems / J. G. Kappenman, S. R. Norr, G. A. Sweezy, et al. // IEEE PES Special Publication 90TH0357 – 4-PWR, Special Panel Session. 1990. July 17. P. 45 – 52.

Kappenman J. G. Low-Frequency Protection Concepts for the Electric Power Grid: Geomagnetically Induced Current (GIC) and E3 HEMP Mitigation. Metatech Corporation, 2010.

Craig J. Rodger. Long-Term Geomagnetically Induced Current Observations from New Zealand: Peak Current Estimates for Extreme Geomagnetic Storms / J. Graig Rodger, Mac Manus H. Daniel, Dalzell Michael, et al. // AGU publication, Space Weather. 2017.

Svalgaard Leif, Cliver Edward W., Philippe Le Sager. IHV: A new long-term geomagnetic index // Physics, Geology. Advances in Space Research, 2004.

Lakhina G. S., Alex S., Tsurutami B. T., Gonzalez W. D. Исследование исторических записей геомагнитных бурь (англ.) // Корональные выбросы и выбросы звёздных масс: материалы 226-го симпозиума Международного астрономического союза, Пекин, Китай, 13 – 17 сентября 2004 г.: Сб. Cambridge University Press, 2005. P. 3 – 13.

Yermolaev Y. I., Lodkina I. G., Nikolaeva N. S., Yermolaev M. Y. Частота возникновения экстремальных магнитных бурь // J. Geophys. Res. Space Physics. 2013. 118. P. 4760 – 4765.

Siscoe G., Crooker N. U., Clauer C. R. Dst of the Carrington storm of 1859 // Adv. Space Res. 2006. 38. 173 – 179.

Cliver E. W., Dietrich W. F. The 1859 space weather event revisited: limits of extreme activity // J. Space Weather Space Clim. 2013. 3. A31.

Carrington R. C. Description of a singular appearance seen in the Sun // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society on 1859 September 1. 20 (1). P. 13 – 15.

Clilverd T. D. G., Clarke E., Rishbeth H., Ulich T. The causes of long-term change in the aa index // Journal of Geophysical Research. 2002. 107 (A12). SSH 4-1–SSH 4-7.

Clilverd T. D. G., Clarke E., Rishbeth H., Ulich, T. The causes of long-term change in the aa index // Journal of Geophysical Research, 2002.107 (A12). SSH 4-1–SSH 4-7.

MacAlester M. H., Murtagh W. Extreme space weather impact: An emergency management perspective // Space Weather. 2014. 12. P. 530 – 537.

Lopez Crespo P. Overload effects on fatigue crack tip fields under plane stress conditions: surface and bulk analysis / P. Lopez Crespo, P. J, F. Yusof, et al. // Journal Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2013/1. Vol. 36. Issue 1. P. 75 – 84.

Knipp D. J. The May 1967 great storm and radio disruption event: Extreme space weather and extraordinary responses / D. I. Knipp, A. C. Ramsay, E. D. Beard, et al. // Space Weather. 2016. 14. P. 614 – 633.

National Research Council. Severe Space Weather Events — Understanding Societal and Economic Impacts: A Workshop Report. Washington, DC: The National Academies Press, 2008.

National Science and Technology Council. National Space Weather Strategy. White House Off. of Sci. and Technol. Policy, Washington, DC, 2015.

Oughton E. Helios Solar Storm Scenario; Cambridge Risk Framework Series; Centre. for Risk Studies / E. Oughton, J. Copic, A. Skelton, et al., Cambridge, UK: University of Cambridge, 2016.

Oughton E. J. Quantifying the daily economic impact of extreme space weather due to failure in electricity transmission infrastructure / E. J. Oughton, A. Skelton, R. B. Horne // Space Weather. 2017. 15. P. 65 – 83.

Lloyd’s. Solar storm risk to the North American electric grid: A Lloyds space weather study, Retrieved from http://www.lloyds.com/~/media/Lloyds/Reports/Emerging%20Risk%20Reports/ Solar%20Storm%20Risk%20to%20the%20North%20American %20Electric%20Grid.pdf.

Viljanen A. Relation of Geomagnetically induced currents and local geomagnetic variations // IEEE Transactions on Power Delivery. 1998. 13(4). P. 1285 – 1290.

Viljanen A., Nevanlinna H., Pajunpää K., Pulkkinen A. Time derivative of the horizontal geomagnetic field as an activity indicator, 2001.

Mäakinen T. Geomagnetically induced currents in the Finnish power transmission system // Finn. Meteorol. Inst. Geophys. Publ. 1993.

Mac Manus D. H. Long term geomagnetically induced current observations in New Zealand: Earth return corrections and geomagnetic field driver / D. H. Mac Manus, C. J. Rodger, M. Dalzell, et al. // Space Weather. 2017. 15. P. 1020 – 1038.

Cagniard L. Basic theory of the magnetotelluric method of geophysical prospecting // Geophysics. 1953. 18(3), Р. 605 – 635.

Hutchins T. R., Overbye T. J. The effect of geomagnetic disturbances on the electric grid and appropriate mitigation strategies // North American Power Symposium (NAPS), 2011.

Cannon P. Extreme Space Weather: Impacts on Engineered Systems and Infrastructure / P. Cannon, M, Angling, L. Barclay, et al. London: Royal Academy of Engineering, 2013.

Love J. J. Credible occurrence probabilities for extreme geophysical events: Earthquakes, volcanic eruptions, magnetic storms // Geophysical Research Letters. 2012, 39(10).

Riley P. On the probability of occurrence of extreme space weather events // Space Weather. 10. 2012.

Riley P., Love J. J. Extreme geomagnetic storms: Probabilistic forecasts and their uncertainties // Space Weather. 2016. 15. P. 53 – 64.

Love J. J., Coďsson P. The geomagnetic blitz of September 1941 // Eos. 97. 2016.

Berryman K. R., Major earthquakes occur regularly on an isolated plate boundary fault / K. R. Berryman, U. A. Cochran, K. Clark, et al. // Science, 2012. 336(6089). P. 1690 – 1693.

European Risk from Geomagnetically Induced Currents. European Union Framework Seven consortium project, 2913.

Beck C. The international E-pro™ report: International electric grid protection, Electric Infrastructure Security Council, EIS Council, Washington, DC, September 2013.

Wik M. Calculation of geomagnetically induced currents in the 400 kV power grid in southern Sweden // M. Wik,, Viljanen A., R. Pirjola, et al. // Space Weather. 2008. 6. S07005.

Fiori R. A. D., Boteler D. H., Gillies, D. M. Assessment of GIC risk due to geomagnetic sudden commencements and identification of the current systems responsible // Space Weather. 2014. 12. P. 76 – 91.

Kappenman J. G. The evolving vulnerability of electric power grids // Space Weather. 2004. 2. S01004.

Wik M. Space weather events in July 1982 and October 2003 and the effects of geomagnetically induced currents on Swedish technical systems / M. Wik, R. Pirjola, H. Lundstedt, et al. // Annales de Geophysique. 2009. No. 27(4). P. 1775 – 1787.

Watari S., Measurements of geomagnetically induced current in a power grid in Hokkaido, Japan / S. Watary, M. Kunitake, K. Kitamura, et al. // Space Weather. 2009. 7. S03002.

Marshall R. A., Geomagnetically induced currents in the New Zealand power network / R. A. Marshal, M, Dalzell, C. L. Waters, et. al. // Space Weather. 2012. 10. S08003.

Marshall R. A. Observations of geomagnetically induced currents in the Australian power network / R. A. Marshall, H. Gorniak, P. Wilkinson, et al. // Space Weather. 2013. 11. P. 6 – 16.

Carter B. A. Interplanetary shocks and the resulting geomagnetically induced currents at the equator / B. A. Carter, E. Yizengaw, R. Pradipta, et al. // Geophysical Research Letters. 2015. 42(16). P. 6554 – 6559.

Béland J., Small K. Space weather effects on power transmission systems: The cases of Hydro-Quйbec and Transpower New Zealand Ltd. / In I. A. Daglis (Ed.) // Effects of Space Weather on Technological Infrastructure. Netherlands: Kluwer Academic. 2004. P. 287 – 299.

Thomson A. W. P. Surface electric fields and geomagnetically induced currents in the Scottish Power grid during the 30 October 2003 geomagnetic storm / A. P. Thomson, A. J. McKay, E. Clarke, et al. // Space Weather, 2005. 3. S11002.

Mayaud P. N. Derivation, Meaning, and Use of Geomagnetic Indices: Geophysical Monograph. Washington, DC: American Geophysical Union, 1980. Vol. 22.

Beggan C. D. Prediction of extreme geomagnetically induced currents in the UK high-voltage network / C. D. Beggan, D. Beamish, A. Richards, et al.. // Space Weather. 2013. 11. P. 407 – 419.

Kelly G. S., Viljanen A., Beggan, C. D., Thomson, A. W. P. Understanding GIC in the UK and French high-voltage transmission systems during severe magnetic storms // Space Weather. 2017. 15. P. 99 – 114.

Thomson A. W., Dawson E. B., Reay S. J. Quantifying extreme behavior in geomagnetic activity// Space Weather. 2011. 9. S10001.

Girgis R. S., Ko C. D. Calculation techniques and results of effects of GIC currents as applied to two large power transformers // IEEE Transactions on Power Delivery. 1992. 7(2), P. 699 – 705.

Moodley N., Gaunt C. T. Low energy degradation triangle for power transformer health assessment // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2017. 24(1). P. 639 – 646.

Pulkkinen A., Kataoka R., Watari S., Ichiki M. Modeling geomagnetically induced currents in Hokkaido, Japan // Advances in Space Research. 2010. 46(9). P. 1087 – 1093.

Селиванов В. Н. Результаты длительных регистраций токов нейтралях силовых трансформаторов / В. Н. Селиванов, А. Н. Данилин, В. В. Колобов и др. // Тр. Кольского научного центра РАН. 2010/ (1). № 1. Вып.1. Cер. Энергетика. С. 84 – 90.

Boteler D. H. Effects of geomagnetically induced currents in the BC Hydro 500 kV system / D. H. Boteler, R. M. Shier, T. Watanabe, R. E., et al. // IEEE Transactions on Power Delivery. 1989. Vol. 4. Issue 1. P. 818 – 823.

Kappenman J. G., Albertson V. D. Bracing for the Geomagnetic Storm // IEEE Spectrum. 1990. 28. № 3. P. 27 – 33.

Overbye T. J. Integration of geomagnetic disturbance modeling into the power flow: a methogology for large-scale system studies / T. J. Overbye, T. R. Hutchins, K. Shetye, et al. // Submitted to 2012 North America Power Symposium (NAPS), September 2012, Champaign, IL

Kappenman J. Space Weather and the vulnerability of Electric Power Grids // Environmental Scinc, Engineering, 2004.

Messerotti M. The NOAA Space Weather Scale tables // COST Action 724, Athens. 11 October 2005. P. 1 – 4.

Авакян С. В., Воронин Н. А. Роль космических факторов в энергетической и экологической безопасности. Ч. 2: Вклад магнитных бурь в аварийность на больших электросетях и линиях связи // Академия энергетики. 2011. № 6 (44). С. 32 – 35.

Ляхов А. Н., Зецер Ю. И., Фуллер-Роуклл Т. Возможные последствия смещения магнитных полюсов для структуры и динамики верхней атмосферы Земли // Доклады Академии наук. 2006. Т. 409. № 5. С. 1 – 3.

Ляхов А. Н., Зецер Ю. И., Фуллер-Роуклл Т. Влияние движения магнитных полюсов Земли на структуру и динамику ионосферы и термосферы // Лекции БШФФ-2007. С. 50 – 55.

Кувшинов А. А. Вахнина В. В., Самолина О. В., Дубинин М. В. Особенности воздействия квазипостоянных токов на силовые трансформаторы систем электроснабжения // Промышленная энергетика. 2015. № 9. С.2 – 8.

Kappenman J. Industry design — GIC reduction in power grids // Electric Power Grid Vulnerability to Geomagnetic Storm. 2009.

Prijola R. Effect of interactions between stations on the calculation of geomagnetically induced currents in an electric power transmission systems // Earth Planet Space. 60. 2008. P. 743 – 751.

Prijola R. Study of effects of changes of earthing resistances on geomagnetically induced currents in an electric power transmission systems // Radio Science. 2008. Vol. 43. RS1004.

Мозгалев К. В., Неклепаев Б. Н., Шунтов А. В. Об эффективности заземления нейтралей автотрансформаторов через реактор или резистор // Электричество. 2004. № 1. С. 32 – 39.

СТО 56947007-29.240.01.221–2016. Руководство по защите электрических сетей напряжением 110 – 750 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. ПАО «ФСК ЕЭС», 2016.

Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 2003.

ГОСТ Р 58882–2020. Заземляющие устройства. Системы выравнивания потенциалов. Заземлители. Заземляющие проводники. Технические требования.

Пат. 2660481 РФ, МКИ Н02Н 9/08. Способ управления режимом заземления нейтрали силового трансформатора // А. А. Кувшинов, В. В. Вахнина, А. Н. Черненко. Заявлено 26.07.2017. Опубл. 06.07.2018. Бюл. № 19.

Крючков И. П. Короткие замыкания и несимметричные режимы электроустановок: учебное пособие для студентов вузов / И. П. Крючков, В. А. Старшинов, Ю. П. Гусев и др. М.: Издательский дом МЭИ, 2008.

ГОСТ 32144–2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

Конюхов А. В. Отечественные высоковольтные мощные фототиристоры с интегрированной самозащитой от пробоя / A. В. Конюхов, И. М. Веселова, В. А. Мартыненко и др. // Электричество. 2011. № 10. С. 5 – 11.

Куландин Р., Новотный С. Электронные компоненты для силовой электроники от ХКОАО «НЭВЗ-Союз» // Силовая электроника. 2009. № 2. С. 20 – 21.

Сабешкин А. Силовые блоки на основе тиристоров и фототиристоров для промышленных применений / А. Сабешкин, В. Мускатиньев, А. Гришанин и др. //Силовая электроника. 2020. № 1. С. 32 – 36.

Преобразователи измерительные силы тока ПИТ-УАР-Б60Ч80, ПИТ-УР-4/20-Б60Ч80. Руководство по эксплуатации ЯЛНИ.411521.025-02РЭ.

Lahtinen M., Elovaara J. GIC Occurrences and GIC Test for 400 kV System Transformer // IEEE Transactions on Power Delivery. 2002. Vol. 17. No. 2. P. 555 – 561.


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© 1998 — 2025 НТФ «Энергопрогресс»

Адрес редакции:
129090, г. Москва, ул. Щепкина, д. 8
Телефон: +7 495 234-74-21
E-mail: energetick@mail.ru