Введение к работе
Актуальность темы исследования. Функционирование современных систем электроснабжения (СЭС) связано с существенными трудностями из-за сложности структуры генерирующих мощностей и основной электрической сети, многообразия их работы, необходимости учета требований надежности и бесперебойности электроснабжения потребителей, сильных внешних технологических и экономических связей, неопределенности будущих условий развития СЭС, риска возможных экстремальных условий в развитии системы и других важных факторов. Все это приводит к тому, что современные СЭС становятся более уязвимыми к внешним возмущениям, в том числе и геомагнитным бурям (ГМБ).
Во время геомагнитной бури вариации геомагнитного поля индуцируют на поверхности Земли медленно меняющееся электрическое поле. Горизонтальная компонента геоэлектрического поля характеризуется напряженностью 1 – 20 В/км и временем изменения от 10 с до 30 мин; вектор напряженности этого поля преимущественно ориентирован по меридиану. Между заземленными точками нейтралей силовых трансформаторов подстанций СЭС возникает ЭДС. На протяженных линиях электропередач (ЛЭП) 400 – 500 км ЭДС может достигать нескольких киловольт, и по электрическим сетям циркулирует квазипостоянный ток, который принято называть геоиндуцированным током (ГИТ). Вследствие насыщения магнитной системы силовых трансформаторов (СТ) возрастают несинусоидальные намагничивающие токи, которые также циркулируют по электрической сети. В результате в СЭС увеличивается потребление реактивной мощности и снижается пропускная способность сети, происходит падение напряжения, появляются высшие гармонические составляющие тока и напряжения, возможны ложные срабатывания релейной защиты и автоматики, и, как следствие, нарушение нормальной работы потребителей.
Известно, что из-за геомагнитных бурь были отключения или выходы из строя СЭС: в Финляндии (1982, 1986 г.г.); Швеции (1982, 1986, 1991, 2003 г.г.); США и Канаде (1958, 1980, 1989, 1991, 1994, 2003 г.г.); Англии (1989 г.); Дании (2003 г.), ЮАР (2003 г.). Наиболее крупные и тяжелые аварии в СЭС наблюдались в 22 (1989 г.) и 23 (2003 г.) пиках солнечной активности. Пик следующей геомагнитной активности ожидается в 2013 – 2014 г.г.
Анализ работ Albertson V.D., Boteler D.H., Bush C.K., Elovaara J., Kappenman J.G., Key A.J., Kielen B., Lahtinen M., Pirjola R., Pulkkinen A., Walling, R.A., Гершенгорна А.И., Бабаева Э.С., Кузнецова В.Г., Белова А.В. и др. показал, что геомагнитные бури оказывают существенное влияние на системы генерации и передачи электроэнергии. Однако следует отметить, что вопросы исследования влияния геомагнитных бурь на системы распределения и потребления СЭС остаются открытыми. Их решение позволит разработать технические требования к построению и параметрам систем электроснабжения для снижения негативного влияния геоиндуцированных токов на потребители.
Территория России находится в средних и высоких широтах и подвержена воздействию геомагнитных бурь. 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 воздействия геомагнитных бурь. В России до настоящего времени вопросу влияния геомагнитных бурь на функционирование систем электроснабжения с разработкой мер по их защите не уделялось должного внимания. В связи с этим разработка адекватных моделей систем электроснабжения потребителей и проведение расчетно-теоретических исследований их режимов работы при геомагнитных бурях являются актуальными.
Целью работы является разработка методологических подходов и соответствующих математических моделей и методов для установления закономерностей влияния геоиндуцированных токов, возникающих при геомагнитных бурях, на электроснабжение потребителей и направленных на повышение эффективности их функционирования.
В соответствии с указанной целью поставлены и решены следующие научные задачи:
1. Исследование проблем электроснабжения потребителей, возникающих при воздействии геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях.
2. Разработка концепции моделирования процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями.
3. Разработка методологических подходов к расчету дополнительных потерь активной мощности и превышению температуры бака и обмоток силовых трансформаторов главных понизительных подстанций (ГПП) при протекании в системе электроснабжения геоиндуцированных токов.
4. Разработка критериев обеспечения нормального функционирования силовых трансформаторов ГПП потребителей при геомагнитных бурях.
5. Разработка методов анализа электромагнитной совместимости по несинусоидальности напряжения высоковольтной электродвигательной нагрузки в системе электроснабжения при геомагнитных бурях.
6. Разработка алгоритмов, принципов моделирования систем электроснабжения потребителей, а также практических рекомендаций для расчета геоиндуцированных токов, мгновенных значений токов и напряжений в элементах системы электроснабжения, а также показателей качества по несинусоидальности напряжения на шинах питания высоковольтных электродвигателей при геомагнитных бурях.
7. Разработка принципов построения систем электроснабжения для обеспечения эффективного функционирования по несинусоидальности напряжения высоковольтных электродвигателей с учетом влияния интенсивности геомагнитных бурь и параметров системы электроснабжения.
Методология исследований и методы исследования, поставленных в диссертации задач, разработаны на основе анализа и синтеза математических моделей систем электроснабжения с применением аппарата линейной алгебры, функций комплексного переменного и дифференциальных уравнений, преобразования Фурье, теории электрических цепей, теории электромеханических систем и методов компьютерного моделирования систем электроснабжения потребителей.
Научная новизна исследований заключается в том, что:
1. Впервые исследованы проблемы электроснабжения потребителей, возникающие при воздействии геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях, и установлены технические требования к принципам построения систем электроснабжения, позволяющие снизить влияние ГИТ на потребители.
2. Разработана концепция моделирования процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями и выполнено математическое обоснование нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от величины и времени протекания геоиндуцированного тока по заземленным обмоткам.
3. Разработана методология расчета тепловых процессов и температуры наиболее нагретой точки бака и обмоток силовых трансформаторов ГПП систем электроснабжения при протекании геоиндуцированных токов по заземленным обмоткам.
4. Установлены критерии для предельного времени протекания и допустимых уровней геоиндуцированных токов в заземленных обмотках высокого напряжения силовых трансформаторов ГПП, определяющие их нагрузочную способность для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей при геомагнитных бурях.
5. Разработаны принципы моделирования несинусоидальных режимов работы систем электроснабжения с высоковольтной электродвигательной нагрузкой при геомагнитных бурях различной интенсивности.
6. Разработаны методы определения геоиндуцированных токов с учетом географического расположения элементов СЭС на карте местности и установлено их влияние на режимы работы силовых трансформаторов и высоковольтных электродвигателей.
7. Разработаны методы расчета несинусоидальности тока и напряжения с учетом интенсивности геомагнитных бурь и параметров системы электроснабжения, что позволило разработать условия обеспечения электромагнитной совместимости электродвигательной нагрузки 6…10 кВ на шинах их питания.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены адекватностью и корректностью применения в работе основных законов электротехники, методов анализа и подтверждаются сопоставительными вычислительными экспериментами на базе специализированных компьютерных программ, прошедших полномасштабную опытную проверку, сопоставлением результатов компьютерного моделирования с экспериментальными и статистическими данными по воздействию геоиндуцированных токов на электрооборудование СЭС.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработанная математическая модель силового трансформатора с учетом нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от геоиндуцированного тока для учета насыщения магнитной системы при моделировании режимов работы систем электроснабжения при геомагнитных бурях.
2. Теоретическое обоснование влияния геоиндуцированных токов на дополнительные потери активной мощности и температуру бака и обмоток силовых трансформаторов.
3. Методы расчета допустимой длительности воздействия и допустимых значений геоиндуцированных токов в зависимости от нагрузочной способности силовых трансформаторов ГПП СЭС и интенсивности геомагнитных бурь.
4. Методы расчета несинусоидальности тока и напряжения систем электроснабжения потребителей в присутствии геоиндуцированных токов с учетом интенсивности геоэлектрического поля и параметров СЭС.
5. Алгоритмы, принципы моделирования режимов работы систем электроснабжения потребителей при геомагнитных бурях различной интенсивности и направлении вектора напряженности геоэлектрического поля.
6. Методы определения допустимых параметров и принципы построения СЭС для обеспечения эффективного функционирования по несинусоидальности напряжения высоковольтных электродвигателей при геомагнитных бурях.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что:
1. Разработанные математические модели силовых трансформаторов позволят учитывать насыщение магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения и достоверно определять амплитудные и действующие значения несинусоидальных токов намагничивания и полных рабочих токов при протекании геоиндуцированных токов по заземленным обмоткам силовых трансформаторов.
2. Разработанные методы расчета максимальных удельных дополнительных потерь активной мощности и температуры наиболее нагретой точки бака от координат на стенках бака силовых трансформаторов позволят определять области максимального нагрева бака и организовать мониторинг их теплового состояния. В качестве датчиков температуры рекомендуется использовать оптоволоконные температурные сенсоры.
3. Установленные критерии допустимой нагрузочной способности силовых трансформаторов 110/10…6 кВ ГПП от величины геоиндуцированного тока позволят обеспечить бесперебойное электроснабжения потребителей во время геомагнитных бурь.
4. Разработанные математические модели позволят на этапе проектирования, эксплуатации и реконструкции систем электроснабжения определять необходимые параметры и принципы построения СЭС, обеспечивающие снижение негативного влияния геомагнитных бурь на потребители.
5. Разработанные методы расчета несинусоидальности напряжения на шинах ВН силовых трансформаторов и потребителей во время геомагнитных бурь различной интенсивности, позволят расчетным путем определять условия электромагнитной совместимости высоковольтных электродвигателей с системой электроснабжения и не допускать нарушений требований ГОСТ Р 54149 – 2010 на качество электроэнергии.
6. Разработанные рекомендации по снижению негативного влияния геомагнитных бурь на электроснабжение потребителей позволят обеспечить безаварийное функционирование силовых трансформаторов ГПП и электромагнитную совместимость высоковольтных электродвигателей с системой электроснабжения по несинусоидальности напряжения.
7. Результаты проведенных исследований разработанных технических решений дают необходимый материал для обоснованного инженерного выбора решений по обеспечению эффективного функционирования СЭС потребителей при геомагнитных бурях.
Реализация результатов работы. По теме диссертационной работы выполнено более 15 научно-исследовательских работ, из них 3 по госбюджетным программам и госзаданию МО РФ по темам: «Разработка теоретических основ возникновения аномальных режимов в системах электроснабжения с изолированной нейтралью»; «Разработка расчетно-теоретической модели системы электроснабжения города при ее функционировании в нормальных, аварийных и несимметричных режимах работы»; «Моделирование региональных электроэнергосистем с учетом рационального распределения мощностей и предотвращения масштабных отключений при геомагнитных бурях» под научным руководством автора.
В филиале ОАО «МРСК Волги» – «Самарские распределительные сети» и ОАО «КуйбышевАзот» на основе разработанных критериев допустимой нагрузочной способности силовых трансформаторов от величины геоиндуцированных токов установлена предельная нагрузочная способность силовых трансформаторов подстанций при различной интенсивности и длительности геомагнитных бурь; при проектировании, эксплуатации и реконструкции электрических сетей используются разработанные технические требования к принципам построения систем электроснабжения для снижения влияния геоиндуцированных токов на электрооборудование электрических сетей и обеспечения электромагнитной совместимости потребителей с системой электроснабжения.
Положения диссертационной работы и ее материалы, нашедшие отражение в учебном пособии «Исследования асинхронного двигателя по уравнениям обобщенной электрической машины» и монографии «Моделирование режимов работы силовых трансформаторов систем электроснабжения при геомагнитных бурях», используются в учебном процессе Тольяттинского государственного университета в дисциплинах «Проектирование и оптимизация систем электроснабжения», «Компьютерное моделирование систем электроснабжения», «Устойчивость систем электроснабжения», «Расчетно-экспериментальные исследования динамики систем электроснабжения».
Результаты исследований и разработок, обобщенных в диссертации, послужили основой для создания в Тольяттинском государственном университете НОЦ «Моделирование устройств и систем в электротехнике и электроэнергетике», в состав которого входит научно-исследовательская лаборатория НИЛ-3 «Моделирование электрофизических процессов», научным руководителем которых является автор диссертации.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: на V международной научно – практической конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, 2005 г.), Central European VI Conference «Numeral Methods and Computer Systems in Automatic Control and Electrical Engineering» (Czestochowa University of Technology, Polska, 2005 г.), VII международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2006 г.); V Всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии» (Нижний Новгород, 2006 г.); I и II Международных научно-технических конференциях «Энергетика и Энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006 г., 2007 г.); I и II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2004 г., 2007 г.); VI Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2008 г.); 9th international conference Politechnika Czestochowska konferencje «Prognozove w Elektroenegetyce» (Czestochowska, 2008 г.); III, IV Международных научно-технических конференциях «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009 г., 2012 г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергосбережение на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (Салават, 2009 г., 2010 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» Энерго-2010, Энерго-2012 (Москва, 2010 г., 2012 г.); ХIL Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Федоровские чтения – 2011» (Москва, 2011 г.); III Международной научно-технической конференции «Энергетика глазами молодежи» (Екатеринбург, 2012 г.); III Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: инновации в технических, естественных, математических и гуманитарных науках» (Москва, 2012 г.); Международной заочной научно-практической конференции «Физико-математические науки и информационные технологии» (Новосибирск, 2012 г.); ХL Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Федоровские чтения – 2012» (Москва, 2012 г.), а также докладывались и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тольяттинского государственного университета и Национально-исследовательского университета «МЭИ».
Публикации. Результаты работы опубликованы в 41 работе, в том числе в научно-технических журналах из перечня ВАК РФ «Известия высших учебных заведений. Электромеханика», «Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики», «Вектор науки Тольяттинского государственного университета», «Промышленная энергетика» и др., а также в сборниках научных работ, материалах конференций и семинаров, получены 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, опубликована 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка сокращений, изложенных на 358 стр. основного текста, списка литературы из 264 наименований, 3 приложений на 21 стр., 170 рисунков и 30 таблиц.
