Содержание к диссертации
Введение
1 Воздействие геомагнитных бурь на системы электроснабжения
1.1 Причины возникновения аварийных ситуаций в системах электроснабжения
1.2 Основные параметры и механизм протекания геомагнитной бури 14
1.3 Анализ влияния геоиндуцированных токов на электрооборудование систем электроснабжения
1.4 Постановка цели и задач исследования 30
Вывод по главе 1 33
2 Разработка методики расчета геоиндуцированного тока с учетом конфигурации системы электроснабжения
2.1 Основные положения при разработке методики расчета геоиндуцированного тока в системе электроснабжения
2.2 Расчет геоиндуцированного тока на прямолинейном участке системы электроснабжения
2.3 Расчет геоиндуцированных токов в электрической сети радиальной конфигурации
2.4 Расчет геоиндуцированных токов в электрической сети магистральной конфигурации
2.5 Расчет геоиндуцированных токов в электрической сети кольцевой конфигурации
Выводы по главе 2 59
3 Влияние пространственного расположения объектов системы электроснабжения
3.1 Оценка величины ЭДС геоэлектрического поля от пространственного расположения объектов СЭС на местности
3.2 Разработка алгоритма для расчета функционирования системы электроснабжения при геомагнитных бурях
3.3 Модели элементов системы электроснабжения для расчета их функционирования при геомагнитных бурях
3.4 Программная реализация расчета геоиндуцированных токов в СЭС с учетом пространственного расположения объектов на местности и направления вектора напряженности геоэлектрического поля
Вывод по главе 3 91
4 Разработка системы мониторинга токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов при геомагнитных бурях
4.1 Определение основных условий проведения мониторинга геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов
4.2 Разработка общей модели и комплекса технических средств системы мониторинга геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов
4.3 Разработка программных средств по обработке сигналов в системе мониторинга геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов
4.4 Апробация разработанной системы мониторинга геоиндуцированных токов на Жигулевской ГЭС
Выводы по главе 4 113
Заключение 114
Список использованных источников 116
Список сокращений
- Анализ влияния геоиндуцированных токов на электрооборудование систем электроснабжения
- Расчет геоиндуцированных токов в электрической сети радиальной конфигурации
- Модели элементов системы электроснабжения для расчета их функционирования при геомагнитных бурях
- Разработка общей модели и комплекса технических средств системы мониторинга геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современные системы электроснабжения (СЭС) становятся все более сложными и взаимосвязанными, длина высоковольтных воздушных линий электропередач (ЛЭП) увеличивается, они становятся сильно загруженными. Рост спроса на электроэнергию и дерегулирование привели к тому, что СЭС эксплуатируются на пределе своих возможностей и становятся более уязвимыми к внешним возмущениям, в том числе и к геомагнитным бурям (ГМБ).
Во время геомагнитных бурь в протяженных электрических сетях возникают геоиндуцированные токи (ГИТ), протекающие через заземленные обмотки силовых трансформаторов (СТ) и провода воздушных линий электропередач. Частота ГИТ находится в пределах (0,0001ч-0,1) Гц, т.е. во много раз меньше номинальной частоты (50 или 60 Гц) напряжения электрической сети.
При ГМБ происходит насыщение магнитной системы силовых трансформаторов, что приводит к многократному возрастанию несинусоидальных токов намагничивания. Это опасно как для силовых трансформаторов, поскольку возникает дополнительный нагрев конструктивных элементов, изоляции, масла, так и для режима систем электроснабжения, поскольку увеличение тока намагничивания вызывает увеличение потребления реактивной мощности силовыми трансформаторами. Возникающий дефицит реактивной мощности приводит к снижению напряжения, к снижению запаса устойчивости и пропускной способности ЛЭП.
Многие системные аварии в электрических сетях различных стран спровоцированы дефицитом реактивной мощности и последующим снижением напряжения по всей электрической сети. Следует отметить, что за последние 15 лет из баланса Единой энергетической системы России выведены компенсирующие устройства с суммарной установленной мощностью свыше 50 Гвар. Поэтому в сложившихся условиях, опасность могут представлять не только интенсивные ГИТ, способные непосредственно повредить силовые трансформаторы, но и менее интенсивные ГИТ, недостаточные для повреждения силовых трансформаторов, но достаточные для создания дефицита реактивной мощности, способного спровоцировать развитие системной аварии или крупного технологического нарушения в СЭС с отключением большого объема потребителей.
Сказанное выше определяет актуальность темы диссертационной работы.
Объектом исследования является система электроснабжения.
Предметом исследования являются режимы работы системы электроснабжения при воздействии геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях различной интенсивности.
Цель работы – обнаружение геоиндуцированных токов и их мониторинг в системе электроснабжения для адекватной оценки степени опасности геомагнитных бурь различной интенсивности на режимы конкретной электрической сети.
Задачи исследования:
-
Разработать методику расчета геоиндуцированных токов в сложной электрической сети в периоды геомагнитной активности;
-
Выполнить анализ влияния конфигурации СЭС на распределение геоиндуцированных токов в электрической сети;
-
Исследовать влияние пространственного расположения объектов СЭС на местности и направления вектора напряженности геоэлектрического поля на величины геоиндуцированных токов в электрической сети;
-
Разработать алгоритм и программные средства для расчета геоиндуцированных токов в системе электроснабжения;
-
Разработать систему мониторинга геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов во время геомагнитных бурь.
Методы и средства исследований. При решении поставленных в
диссертации задач использованы: основные положения теоретических
основ электротехники, методы математического анализа, методы
современного компьютерного моделирования систем электроснабжения
(MATLAB с пакетом расширения Simulink), преобразование Фурье и
Вейвлет-преобразование. Для проведения экспериментальных
исследований использовались современные приборы для визуального контроля, оцифровки и записи физических величин. При выполнении работы использовались труды российских и зарубежных ученых, а также материалы научно-технических конференций и семинаров.
На защиту выносятся:
-
Результаты расчетов геоиндуцированных токов в системе электроснабжения различной конфигурации по разработанной методике, позволяющие выявить силовые трансформаторы, наиболее подверженные негативному влиянию геомагнитных бурь.
-
Компьютерные математические модели для исследования влияния пространственного расположения объектов СЭС на местности и направления вектора напряженности геоэлектрического поля на величины геоиндуцированных токов в электрической сети.
3. Рекомендации по построению системы мониторинга
геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов.
Научная новизна работы.
-
Показано, что степень уязвимости электрической сети к воздействию геомагнитных бурь может характеризовать относительная величина эквивалентного расстояния между трансформаторными подстанциями СЭС.
-
Доказано, что конфигурация СЭС влияет на распределение геоиндуцированных токов в ветвях сложной электрической сети.
-
Разработана комплексная методика расчета геоиндуцированных токов в системе электроснабжения с учетом пространственного расположение объектов СЭС на местности, величины и направления вектора напряженности геоэлектрического поля в программном продукте MATLAB. Новизна разработанных программных средств подтверждена 3 свидетельствами о регистрации компьютерных программ для ЭВМ.
-
Предложена и обоснована конфигурация системы регистрации геоиндуцированных токов, которая позволяет отслеживать и реагировать на появление квазипостоянной составляющей тока в цепи глухозаземленной нейтрали силового трансформатора при геомагнитных бурях.
Практическая ценность работы.
-
Разработан комплекс программ для определения ГИТ в ветвях системы электроснабжения при геомагнитных бурях различной интенсивности.
-
Разработанные методики определения геоиндуцированных токов в электрических сетях различной конфигурации позволят адекватно оценить степень опасности геомагнитных бурь различной интенсивности для силовых трансформаторов и конкретной СЭС и разработать мероприятия и нормативные документы для повышения надежности ее функционирования при геомагнитных бурях.
-
Предложены рекомендации по построению системы мониторинга геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов СЭС, обеспечивающие регистрацию квазипостоянных составляющих токов при геомагнитных бурях.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы:
- филиалом ОАО «Межрегиональная сетевая компания Волги» –
«Самарские распределительные сети», Жигулевское ПО для выявления
силовых трансформаторов, наиболее подверженных воздействию
геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях различной
интенсивности;
филиалом ОАО «РусГидро» - «Жигулевская ГЭС» для регистрации ГИТ при геомагнитных бурях;
при выполнении работ в соответствии с госбюджетной программой и госзаданием Минобрнауки РФ в 2011–2013 г.г. «Разработка расчетно-теоретической модели системы электроснабжения города при ее функционировании в нормальных, аварийных и несимметричных режимах работы» (2011 г.), «Моделирование региональных электроэнергосистем с учетом рационального распределения мощностей и предотвращения масштабных отключений при геомагнитных бурях» (2012 – 2013 г.г.);
в учебном процессе кафедры «Электроснабжение и электротехника» Тольяттинского государственного университета при чтении курсов лекций по дисциплинам «Устойчивость систем электроснабжения», «Компьютерное моделирование систем электроснабжения», «Расчетно-экспериментальные исследования динамики систем электроснабжения» для студентов, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы доложены на следующих научных мероприятиях:
на V, VI и VII Международных молодежных научных конференциях
«Тинчуринские чтения» (Казань, 2010, 2011, 2012 г.г.); Всероссийском
научно-практическом семинаре «Энергосбережение на предприятиях
промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (Салават,
2010 г.); II Международной научно – технической конференции студентов,
магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность
производственных процессов» (Тольятти, 2012 г.); ХL Всероссийской
научно-практической конференции (с международным участием)
«Федоровские чтения – 2012» (Москва, 2012 г.); III и IV Международных научно-технических конференциях «Энергетика глазами молодежи» (Екатеринбург, 2012 г.; Новочеркасск, 2013 г.); IV Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборостроение в ХХI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2013 г.); III Всероссийской научно – технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2014 г.).
Публикации. По теме диссертационного исследования
опубликовано 23 научных труда (3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ; 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ; 17 статей в сборниках научных трудов, материалах конференций и семинаров).
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 130 стр. основного текста, списка литературы из 113 наименований, 3 приложений на 16 стр., 48 рисунков и 10 таблиц.
Анализ влияния геоиндуцированных токов на электрооборудование систем электроснабжения
Геомагнитные бури возникают при воздействии потоков солнечного ветра с магнитосферой Земли. Геомагнитная буря - это возмущение геомагнитного поля Земли длительностью от нескольких часов до нескольких суток.
Механизм протекания ГМБ можно представить следующим образом: Солнце излучает в межпланетное пространство поток ионизированных частиц -электронов, протонов и ядер гелия, который называется солнечным ветром. Солнечный ветер, достигая магнитосферу и ионосферу Земли, начинает их ионизировать. Солнечный ветер не доходит до поверхности Земли, но быстрые частицы вызывают сильные токи в земной атмосфере, тем самым приводя к возмущению геоэлектрическое поле Земли.
Геомагнитные бури подразделяют на три типа[2, 34]: 1. Сильные геомагнитные бури с внезапным началом. Считается, что они порождаются потоками частиц, выбрасываемых во время солнечных вспышек, и происходят, как правило, в периоды максимума солнечной активности. 2. Рекуррентные бури. Они имеют тенденцию к повторению через 27 суток, то есть через период обращения Солнца вокруг собственной оси. Причиной этого явления является крупные солнечные пятна, которые не теряют свои силы в течение нескольких месяцев. При каждом новом пересечении центрального меридиана Солнца их воздействие на магнитосферу Земли усиливается, что и приводит к геомагнитному возмущению. Данные бури имеют место быть на фазе спада 11-летнего цикла солнечной активности. 3. Слабые геомагнитные бури не имеют никакой периодичности и формируются под влиянием вариаций солнечного ветра.
ГМБ характеризуется резким повышением или понижением горизонтального Н-элемента геомагнитного поля почти одновременно на всей поверхности Земли. Развитие геомагнитной бури характеризуется тремя этапами (рисунок 1.1): 1 - начальной фазой (внезапное увеличение и уменьшение амплитуды Н-элемента геомагнитного поля, амплитуда возрастает от 20-30 нТл до нескольких сотен нТл за 100 - 300 с); 2 - главная фаза (уменьшение амплитуды Н-элемента геомагнитного поля, длится от нескольких часов до нескольких дней); 3 - фаза восстановления (медленное восстановление Н-элемента до значения, которое было перед началом геомагнитной бури).
Вариации (флуктуации) геомагнитного поля создаются струями ионосферных токов силой в миллионы Ампер - электроджетов (электроструй), которые возникают в полярных и авроральных широтах при изменениях в магнитосферной токовой цепи.
Интенсивность и частота геомагнитных бурь зависит от цикла солнечной активности - 11 лет, который напрямую зависит от периодичности смены полярностей магнитного поля Солнца (около 22 лет). Чаще всего вспышки на Солнце происходят вблизи максимума 11-летнего цикла солнечной активности, поэтому сильные геомагнитные бури наблюдаются с такой же периодичностью [43, 48, 87]. В середине 2008 г. начался 24-й цикл, и в настоящее время наблюдается повышение солнечной активности, что может привести к серьезным нарушениям, сбоям в работе и авариям в технических системах, в том числе и системах электроснабжения. На рисунке 2.1 приведены 23-й и 24-й циклы солнечной активности. Красная линия на рисунке 1.2 показывает прогнозируемые значения Ар - индекса; синяя линия показывает зарегистрированные значения солнечной активности.
Рисунок 1.2 - 23 и 24 циклы солнечной активности Для описания регулярных суточных вариаций магнитного поля Земли применяются классические индексы геомагнитной активности, которые являются количественной мерой геомагнитной активности. Классические индексы геомагнитной активности делятся на три основные группы.
Локальные индексы геомагнитной активности. Данные индексы определяются и рассчитываются по данным одной обсерватории. Основными локальными индексами геомагнитной активности для обсерватории являются [41,66]: - С-индекс - характеризует возмущенность геомагнитного поля в течение суток по магнитограмме определенной обсерватории; - К-индекс - квазилогарифмический индекс, вычисляемый по данным конкретной обсерватории за трех часовой интервал времени. Предложен и введен в 1939 г. Дж. Бартельсом. Шкала для вычисления определена по данным геомагнитной бури 16 апреля 1938 г. іС-индекс вычисляется непосредственно на обсерваториях один раз за десять дней (за декаду) по изменениям горизонтальных D и Н-элементов геомагнитного поля; - і -индекс - стандартизированный іС-индекс, который учитывает среднесуточные и сезонные вариации геомагнитного поля, а также географические координаты обсерватории, і -индекс определяют по таблицам соответствия для каждой обсерватории, которые получены на основании статистической обработки магнитометрических данных этих обсерваторий за период с 1943 по 1948 г.г. 2. Планетарные и региональные индексы геомагнитной активности. Данные индексы характеризуют планетарные возмущения магнитного поля Земли в целом или только в северном (южном) полушарии: - -индекс - усредненный планетарный индекс, описывающий колебания горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в целом. Рассчитывается данный индекс за каждые три часа магнитометрами, как среднее значение і -индексов 13 обсерваторий; - -индекс определяется в единицах магнитного поля (нТл) и представляет среднее значение наиболее возмущенного горизонтального элемента вариации геомагнитного поля (D или Н) в трехчасовом интервале времени, соответствующее данному -индексу; - іи-индекс - геомагнитный индекс, характеризующий возмущения магнитного поля Земли в северном полушарии. Данный индекс рассчитывается на девяти обсерваториях в субавроральной зоне северного полушария;
Индексы геомагнитной активности, отражающие интенсивность магнитных возмущений. Данные индексы созданы для изучения закономерностей между процессами на Земле и геомагнитной активностью за п-й промежуток времени. Эти индексы характеризуют амплитуду возмущения за 3-часовой и за 24-часовой промежуток:
Расчет геоиндуцированных токов в электрической сети радиальной конфигурации
Ау - алгебраические дополнения, которые получают из главного определителя путем вычеркивания /-й строки и у-го столбца, а также умножения полученного результата на (-1)/+J, причем для линейных цепей Ау= Д,г (/=1,...,п; Анализ выражений (2.26) позволяет установить, что наибольшие по величине геоиндуцированные токи будут протекать в нейтралях силовых трансформаторов Г/ и Тп трансформаторных подстанций верхнего уровня, через которые осуществляется питание магистральной электрической сети. Более «слабым» воздействиям подвергаются силовые трансформаторы Т2 и Tn_i, а «внутренние» силовые трансформаторы Т3,...,Тп_2, не связанные воздушными линиями электропередач непосредственно с силовыми трансформаторами ТП верхнего уровня, воздействию ГИТ практически не подвергаются. Поэтому в защите от воздействия ГИТ в магистральных электрических сетях в первую очередь нуждаются силовые трансформаторы Г/ и Тп трансформаторных подстанций верхнего уровня.
Если OLI = а2= ... = ап = к/2 (L 3=0), т.е. когда направление геоэлектрического поля перпендикулярно трассам воздушных линий электропередач BJIj,... ,ВЛ„.!, то магистральная электрическая сеть не будет подвергаться воздействию ГИТ при любой интенсивности геомагнитной бури.
На рисунке 2.9 приведена расчетная схема электрической сети кольцевой конфигурации с двухсторонним питанием от генераторов (77, Г2), образованной воздушными линиями ВЛі,...,ВЛп+к, которые связывают силовые трансформаторы Zj, Tn трансформаторных подстанций верхнего уровня с силовыми трансформаторами T2,...,Tn-i и Tn+1,...,Tn+k ТП нижнего уровня [51]. Обмотки ВН всех силовых трансформаторов электрической сети имеют глухозаземленную нейтраль. - Расчетная схема кольцевой электрической сети На рисунке 2.10 представлена схема замещения для расчета ГИТ в рассматриваемой электрической сети, активные сопротивления которой определяются выражениями (2.25), а источники напряжения Ег создают ЭДС на поверхности Земли только между заземлителями силовых трансформаторов Tt и Ti+i, связанных между собой воздушной линией электропередачи BJIt.
Согласно принятому ранее допущению о потенциальности геоэлектрического поля на поверхности Земли, должно выполняться равенство: {El+E2+... + En_l)-{En+En+l+... + En+k)=0. (2.31) Уравнение (2.31) необходимо учитывать при расчете ГИТ в кольцевой электрической сети для корректного выбора направления ЭДС источников постоянного напряжения, моделирующих разности потенциалов заземляющих устройств силовых трансформаторов. Направление каждого контурного тока /;- на схеме замещения на рисунке 2.10 принято совпадающим с направлением соответствующей ЭДС источника напряжения Et, а величина сопротивлений RT(ij определяется с помощью выражений (2.25). R/П Л2 R/lfn-2/ R/Kn-V Рисунок 2.10 - Схема замещения для расчета ГИТ в кольцевой электрической сети Величина ГИТ в нейтрали каждого силового трансформатора будет определяться уравнениями вида (2.26) при соответствующем изменении индексации:
Как видно, в силовых трансформаторах T2,...,Tn-i и Тп+1,...,Тп+к ТП нижнего уровня токи в глухозаземленных нейтралях 2 --- 7лч;«-і) и 7лч +) 7лч +) определяются разностью соответствующих контурных токов. В глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов Г/ и Тп ТП верхнего уровня контурные токи складываются. Поэтому наиболее сильному воздействию ГИТ будут подвергаться силовые трансформаторы ТП верхнего уровня, нормальное функционирование которых оказывает непосредственное влияние на пропускную способность кольцевой электрической сети. Следовательно, силовые трансформаторы ТП верхнего уровня нуждаются в защите от воздействия геоиндуцированных токов в первую очередь.
Кольцевую электрическую сеть можно рассматривать как результат объединения двух магистральных сетей с односторонним питанием от Г1 и Г2: - первая магистральная сеть образована силовым трансформатором Т1 ТП верхнего уровня, силовыми трансформаторами Т2,...,Тп_х ТП нижнего уровня, воздушными линиями электропередач ВЛ1,...,ВЛп_1 и характеризуется величиной L 3l, определяемой выражением (2.13) при j = \,...,(п-\); - вторая магистральная сеть образована силовым трансформатором Тп ТП верхнего уровня, силовыми трансформаторами Тп+1,...,Тп+к ТП нижнего уровня, воздушными линиями электропередач ВЛп,...,ВЛп+к и характеризуется величиной ГЭ2, определяемой выражением (2.13) при j = n,...,(n + k). Следует отметить, что в и определяется наибольшей из величин (Zgi или Z 32). В наиболее неблагоприятном случае z 31 = z32 = l, когДа все воздушные линии электропередач ВЛ1,...,ВЛп_1 и ВЛп,...,ВЛп+к имеют одинаковое направление, совпадающее с направлением геоэлектрического поля, максимально возможному воздействию ГИТ подвергаются силовые трансформаторы Тх и Тп ТП верхнего уровня. В нейтрали силового трансформатора Тх с учетом выражений (2.32) суммируются ГИТ фазных проводов воздушных линий электропередач ВЛ\,...,ВЛп_х. В нейтрали силового трансформатора Тп суммируются ГИТ фазных проводов воздушных линий электропередач ВЛп,..., ВЛп+к.
Для ослабления ГИТ практически в два раза в нейтралях силовых трансформаторов Тх и Тп ТП верхнего уровня достаточно на период геомагнитных бурь разорвать «кольцо», отключив, например, воздушные линии ВЛп_х и ВЛп+к. Питание силовых трансформаторов трансформаторных подстанций нижнего уровня Т2,...,Тп_х, и Тп+1,...,Тп+к при этом не нарушится, но через нейтраль силового трансформатора Тх будет протекать ГИТ воздушной линии ВЛ,, а через нейтраль силового трансформатора Тп - ГИТ воздушной линии ВЛ„. Полная неуязвимость кольцевой электрической сети к воздействию геомагнитных бурь возможна только при ГЭ1 = Ь Э2 = 0.
Для анализа распределения ГИТ в нейтралях силовых трансформаторов электрических сетей радиальной, магистральной и кольцевой конфигурации выполнены расчеты для СЭС, образованной силовыми трансформаторами ТП верхнего уровня типа ТДЦ-250000/220 и ТП нижнего уровня - ТДЦ-80000/220, воздушными линиями электропередач 220 кВ с сечением провода 300 мм и длинами 100 км. Напряженность геоэлектрического поля на поверхности Земли принята равной 10 В/км, а направление вектора напряженности совпадает с трассой воздушной ЛЭП, связывающей СТ ТП верхнего уровня с СТ ТП нижнего уровня, и является наиболее неблагоприятным для рассматриваемых сетей. Результаты расчетов приведены в таблице 2.2.
Модели элементов системы электроснабжения для расчета их функционирования при геомагнитных бурях
Разработанная система мониторинга геоиндуцированных токов была установлена на Жигулёвской ГЭС на 5-й трансформаторной группе, выполненной тремя однофазными силовыми трансформаторами типа ОРЦ -135000/500/13,8 - 77У1 (рисунок В.1, приложение В). Силовые трансформаторы имеют схему соединения обмоток YH/A/A/A. К обмоткам НН подключены гидрогенераторы 12Г - 14Г, обмотка ВН подключена к ОРУ-500 кВ ГЭС. От ОРУ-500кВ отходят воздушные ЛЭП 500 кВ «ЖГЭС-Куйбышевская» (/ = 102,8 км), «ЖГЭС-АЗОТ» (/ = 34 км), «ЖГЭС-Вешкайма Северная» (/ = 182 км), «ЖГЭС-Вешкайма Южная» (/ = 182 км).
В нейтрали силового трансформатора в качестве датчика тока использовались электроизмерительные токовые клещи типа АРРА 39MR. Выбор токовых клещей с датчиком Холла объясняется тем, что подключение к нейтрали силового трансформатора ГЭС возможно только с помощью разборного датчика тока с бесконтактным доступом.
Данная модель токовых клещей представляет собой переносной вариант, имеет хороший диаметр захвата провода. Токовые клещи работают от батарейки типа «КРОНА» и имеют режим автовыключения, поэтому были доработаны под нужды эксперимента: питание подводилось от гальванически развязанного блока питания (постоянным напряжением 9 В), и режим «энергосбережение» был отключен. Перед запуском измерений однократно производилась установка нуля.
Расстояние между силовым трансформатором и диспетчерской на ГЭС составляет 100 метров, поэтому для корректной оцифровки сигнала, был разработан блок усиления, позволяющий усилить аналоговый сигнал, поступающий с токовых клещей по экранированному кабелю ЭКС-ГВППЗ-5Е (витая пара) и отфильтровать его. Данный усилительный блок имеет возможность выбора коэффициента усиления. Питание на БУ поступает по тому же кабелю, от гальванически развязанного источника питания, с диспетчерской.
Усиленный и отфильтрованный сигнал с блока усиления поступает на модуль сбора и оцифровки сигнала N1-6289 (National Instruments, USA), который входил в состав измерительного комплекса.
За основу промышленного ПК взята платформа PXI (National Instruments, USA). Крейт PXI-1062Q с контроллером N1 PXI - 8133 - данная платформа позволяет работать в промышленном диапазоне температур, время работы 24 часа 7 дней в неделю, управляется операционной системой Windows ХР.
Прикладная программа сбора и обработки данных написана в программной среде Labview 8.6 (National Instruments, USA) с дополнением пакета Signal Express 8.0 (National Instruments, USA). Модуль сбора и оцифровки сигнала N1-6289 позволяет проводить оцифровку одновременно 32 аналоговых сигналов с частотой дискретизации 1,8М S/s и с амплитудой входного аналогового сигнала +/-10В, что соответствует требованию эксперимента. Также все оцифрованные данные формируются в файлы с количеством 3,5 млн. точек и записываются на внешний жёсткий USB диск (WD, 500 Гбайт).
Питание измерительного комплекса, находящегося в диспетчерской, осуществлялось от сети 220 В. Для непрерывной работы и для предотвращения отключения комплекса во время перепадов напряжения или сбоя сети, вся измерительная система была подключена к сети 220 В через источник бесперебойного питания ИБП Smart-UPS 1000 (компании АРС).
Для удалённого мониторинга и управления системой сбора данных в системе регистрации используется утилита LogMeln, позволяющая управлять удалённым рабочим столом промышленного ПК с любого компьютера подключённого к сети интернет. В качестве канала связи для подключения к сети интернет безальтернативно выбрана беспроводная связь по протоколу GPRS/EGDE. В качестве приёма/передатчика используется промышленный модем MultiModem MTCBA-G (MultiTech Systems, Великобритания).
Для определения количественного состава высших гармоник тока и напряжения в обмотках силового трансформатора использовались анализаторы количества и показателей качества электрической энергии AR.5M испанской фирмы «CIRCUTOR». Ввиду ограниченной, нерасширяемой памяти прибора AR.5M и большого расстояния между измерительными трансформаторами тока и напряжения на сторонах НН и ВН исследовался только гармонический состав напряжения на стороне НН силового трансформатора в цепи гидрогенератора
Измерения проводились на стороне 13,8 кВ в цепях вторичного напряжения измерительного трансформатора напряжения 1ТН-5Б типа НОМ-15 в обмотке НН (цепь статорной обмотки гидрогенератора 12Г) и в нейтрали силового трансформатора, т.е. в эксперименте использовали две точки учета.
Разработка общей модели и комплекса технических средств системы мониторинга геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов
Для удалённого мониторинга и управления системой сбора данных в системе регистрации используется модуль управления и передачи данных 6, позволяющий управлять удалённым рабочим столом промышленного ПК с любого компьютера, подключённого к сети интернет. Таким образом, по сети интернет можно управлять настройкой измерений (запускать/останавливать оцифровку сигнала, изменять частоту дискретизации и путь сохранения файла, условия запуска и т.д.) и передавать данные.
Предлагается изменить существующую систему измерения и контроля тока и напряжения обмоток силового трансформатора: оставить существующие системы измерений, релейной защиты и автоматики и ввести новые (например, анализ спектра сигналов токов и напряжений обмоток, тока в глухозаземленной нейтрали - на обнаружение высокочастотных четных составляющих тока и напряжения в обмотках ВН и НН силового трансформатора, низкочастотной квазипостоянной составляющей сигнала тока в нейтрали СТ при геомагнитных бурях). При этом увеличивается быстродействие системы релейной защиты и автоматики на возникновение аварийных ситуаций в системе электроснабжения при геомагнитных бурях.
Система сбора и обработки информации с датчиков тока и напряжения представляет собой модульные системы, расположенные непосредственно у каждого СТ или в месте информационных выводов с датчиков СТ. Например, для обеспечения полного контроля тока обмоток и нейтрали, напряжения обмоток ВН и НН двухобмоточного силового трансформатора необходимо 13 модулей измерения и контроля (рисунок 4.2).
Блок-схема модуля системы сбора и обработки информации с датчиков тока и напряжения силового трансформатора Основные технические характеристики модуля системы сбора и обработки информации с датчиков тока и напряжения: - микропроцессорное ядро с производительностью до 210 DIPS с частотой тактирования 168 МГц; - поддержка DSP-инструкций; - DMA-контроллер на 16 потоков с поддержкой пакетной передачи; - ART-акселератор памяти, модуль памяти до 1 Гб; - АЦП до 12 каналов с частой дискретизации до 7 Мвыб./с. Передача данных может осуществляться либо по оптическому каналу, либо по беспроводной связи, в зависимости от доступности и удалённости объекта. Все модули объединены в локальную сеть (LAN), и доступны диспетчеру подстанции (рисунок 4.4).
Осуществляя беспроводную связь с системами сбора информации, объединёнными в локальную сеть, на пульт диспетчера может поступать информация с датчиков каждого объекта (СТ). Таким образом, диспетчер может в любой момент получить информацию о состоянии каждого параметра объекта (СТ). При обнаружении нештатной ситуации система сбора и обработки данных отправит диспетчеру сигнал оповещения.
Модульная система оцифровки сигналов расширяется в зависимости от количества датчиков и имеет программируемые модули. Это позволяет настроить признак нестандартного режима работы для каждого датчика. В это же время происходит постоянная запись сигнала на сменный носитель, что позволит произвести анализ сигнала, если это необходимо. Модуль связи с пультом диспетчера представляет собой программируемый ПК. Он поддерживает соединение с пультом диспетчера ТП и осуществляет передачу оцифрованного сигнала.
Разработанная система мониторинга позволяет определять величины ГИТ в глухозаземленной нейтрали, а также высшие гармонические составляющие тока и напряжения в обмотках силового трансформатора при геомагнитных бурях. Применение такой системы регистрации на подстанциях СЭС с классом напряжения ПО кВ и выше позволит своевременно реагировать на появление в СЭС геоиндуцированных токов. Резкие изменения параметров тока и напряжения обмоток СТ - увеличение квазипостоянных токов в глухозаземленной нейтрали, превышение значений четных (2-й и 4-й) гармонических составляющих и суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения обмоток СТ значений, установленных ГОСТ Р 54149-2010 [25], должны передаваться диспетчерам трансформаторных подстанций и электростанций как штормовое оповещение для принятия мер по снижению негативного влияния геомагнитных бурь на электрооборудование систем электроснабжения.
Разработка программных средств по обработке сигналов в системе мониторинга геоиндуцированных токов в глухозаземленных нейтралях силовых трансформаторов
По завершению измерений в системе мониторинга необходимо выполнить математический анализ полученных данных, с целью обнаружения события - низкочастотного сигнала в диапазоне 0 - 0,1 Гц, амплитуда которого превышает определённый процент от амплитуды несущей частоты 50 Гц.
Обработка данных выполняется в пакете MATLAB следующим образом. Массив данных разбивается на отрезки по 1000 точек (для более быстрой обработки по алгоритму) с последующим разложением в спектр по алгоритму Фурье и Вейвлет - преобразованию [3, 20]. На рисунке 4.5 представлены контурные графики экспериментальных точек для Фурье-преобразования (а) и Вейвлет - преобразования (б).
Предложенные методы для обработки сигнала имеют как преимущества, так и недостатки. Преобразование Фурье отображает глобальные сведения о частотах исследуемого сигнала и не дает представления о локальных свойствах сигнала при быстрых временных изменениях его спектрального состава. Выходом из этой ситуации является оконное преобразование Фурье с движущейся по сигналу оконной функцией. Временной интервал сигнала разделяется на подинтервалы и преобразование выполняется последовательно для каждого подинтервала в отдельности. Тем самым осуществляется переход к частотно-временному представлению сигнала, что и было осуществлено в расчетах и представлено на рисунке 4.5,а.
Вейвлет - преобразование сигнала - это его представление в виде обобщенного ряда или интеграла Фурье по системе базисных функций. Вейвлеты локализованы как во временной, так и частотной областях. Однако при проектировании таких функций сталкиваются с принципом неопределенности, связывающим эффективные значения длительности функций и ширины их спектра. Чем точнее осуществляется локализация временного положения функции, тем шире будет становиться ее спектр, и наоборот, т.е. при построении контурного графика сигнал с одной и той же амплитудой будет выглядеть по-разному на разных частотах: на низких частотах наблюдается хорошая временная локализация, на высоких частотах спектр будет иметь расплывчатый вид, что является большим недостатком при анализе получаемого спектра (рисунок 4.5, б).
