Влияние геоиндуцированных токов на функционирование однофазных силовых автотрансформаторов систем электроснабжения Самолина Ольга Владимировна

Содержание к диссертации

Введение

1 Воздействие геоиндуцированных токов на силовые трансформаторы и автотрансформаторы систем электроснабжения

1.1 Механизм возникновения и протекания геоиндуцированных токов в системах электроснабжения

1.2 Проблемы систем электроснабжения при воздействии геоиндуцированных токов

1.3 Анализ конструкции магнитной системы трансформаторного оборудования

1.4 Постановка цели и задач исследования 34

Выводы 35

2 Математическая модель силового автотрансформатора в присутствии геоиндуцированных токов

2.1 Конструктивные особенности силовых автотрансформаторов 37

2.2 Математическая модель однофазного силового автотрансформатора при одновременном намагничивании магнитопровода переменным и геоиндуцированным током

2.3 Математическая модель магнитной цепи однофазного силового автотрансформатора при одновременном намагничивании магнитопровода переменным и геоиндуцированным током Выводы 59

3 Исследование процесса намагничивания магнитной системы однофазного силового автотрансформатора

3.1 Анализ характеристики намагничивания электротехнической стали с учетом области технического насыщения

3.2 Основные характеристики однофазного силового автотрансформатора

3.3 Определение параметров магнитного поля однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220

3.4 Моделирование тока намагничивания однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220 Выводы 92

4 Разработка методов оценки воздействия геоиндуцированных токов на магнитную систему силовых автотрансформаторов

4.1 Особенности воздействия постоянных токов 94

на силовые автотрансформаторы и трансформаторы с учетом конструкции магнитопровода

4.2 Определение диапазонов геоиндуцированных токов, оказывающих «сильное» и «слабое» воздействие на параметры силовых автотрансформаторов и трансформаторов

4.3 Разработка критерия оценки интенсивности воздействия геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы систем электроснабжения во время геомагнитных бурь

Выводы 111

Заключение 113

Список литературы

• Проблемы систем электроснабжения при воздействии геоиндуцированных токов
• Математическая модель однофазного силового автотрансформатора при одновременном намагничивании магнитопровода переменным и геоиндуцированным током
• Определение параметров магнитного поля однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220
• Определение диапазонов геоиндуцированных токов, оказывающих «сильное» и «слабое» воздействие на параметры силовых автотрансформаторов и трансформаторов

Введение к работе

Актуальность темы

В системах электроснабжения (СЭС) на протяженных магистральных
линиях широко используется трансформаторное оборудование.

Распространенным видом трансформаторного оборудования напряжением 500 кВ и выше являются силовые автотрансформаторы, связывающие сети разных классов напряжения. По данным на 2015 г., в России силовые автотрансформаторы класса напряжения 500 кВ составляют более 60 % от суммарной установленной мощности трансформаторного оборудования.

Анализ причин возникновения ненормальных и аварийных режимов в
СЭС показывает, что примерно в 15 % случаях причиной являются
геомагнитные бури (ГМБ). В период геомагнитных бурь в заземленных
нейтралях силовых трансформаторов и автотрансформаторов начинает
протекать геоиндуцированный ток (ГИТ). Поскольку ГИТ имеет очень
низкую частоту по отношению к частоте переменного тока электрической
сети (от 0,001 до 0,1 Гц), его воздействие на системы электроснабжения
аналогично воздействию постоянного тока, причем в первую очередь
влияние будет проявляться на силовые трансформаторы и

автотрансформаторы.

В силовых трансформаторах и автотрансформаторах при протекании
ГИТ происходит насыщение магнитной системы, приводящее к возрастанию
несинусоидальных токов намагничивания, сильному искажению тока в
обмотках, дополнительному нагреву обмоток, магнитопровода, масла,
конструкционных элементов. Однако в большинстве крупных системных
аварий, произошедших вследствие мощных геомагнитных бурь,

разрушающему воздействию подверглись в первую очередь силовые автотрансформаторы.

Для обеспечения нормального функционирования систем

электроснабжения необходима разработка методов оценки степени влияния ГИТ на возможность и глубину насыщения магнитной системы однофазных силовых автотрансформаторов. В настоящее время не существует методов, способных прогнозировать возникновение геомагнитных бурь и оценивать динамику процессов при их возникновениях в системах электроснабжения и влияние на электроснабжение потребителей. Сложность и высокая стоимость работ по натурному эксперименту в реальной СЭС делают актуальным развитие методов математического моделирования процессов, возникающих в системах электроснабжения в период геомагнитных бурь. Математическое моделирование позволит описать режим насыщения магнитных систем силовых автотрансформаторов с учетом одновременного протекания по обмотке переменного и геоиндуцированного тока, определить опасные величины ГИТ и разработать критерий оценки интенсивности воздействия геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы систем электроснабжения в период геомагнитных бурь.

Обоснование разработанности темы. Вопросам влияния

геомагнитных бурь на системы электроснабжения посвящены работы
зарубежных и российских ученых 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., Бабаева Э.С., Белова А.В., Вахниной В.В.,
Кузнецова В.Г., Гершенгорна А.И. и др. Процессы насыщения магнитной
системы силовых трансформаторов описаны в работах Бамдаса А.М.,
Дружинина В.В., Лейтеса Л.В., Розенблата М.А., Копылова И.П.
Определение параметров силового трансформатора с насыщенной
магнитной системой экспериментальным путем дано Засыпкиным М.С. и
Зихерманом М.Х. Поведение ферромагнитных материалов при

одновременном намагничивании переменным и постоянным магнитными полями рассмотрено Кифером И.И. Общие подходы к моделированию процессов насыщения магнитной системы силовых трансформаторов систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями разработаны Вахниной В.В.

Целью исследования является разработка методики расчета функционирования однофазных силовых автотрансформаторов системы электроснабжения при воздействии геоиндуцированных токов.

Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель силового автотрансформатора систем электроснабжения при одновременном намагничивании магнитной системы переменным и постоянным магнитными полями во время геомагнитных бурь.

2. Исследовать влияние геоиндуцированных токов на насыщение магнитной системы силовых автотрансформаторов во время геомагнитных бурь с учетом нелинейности кривой намагничивания материала сердечника.

3. Разработать алгоритм моделирования процесса насыщения магнитной системы силовых автотрансформаторов во время геомагнитных бурь.

4. Разработать методику расчета тока намагничивания силовых автотрансформаторов при протекании геоиндуцированного тока по заземленной обмотке высокого напряжения с учетом насыщения магнитопровода.

5. Исследовать интенсивность воздействия геомагнитных бурь на насыщение магнитной системы силовых автотрансформаторов системы электроснабжения.

6. Разработать критерий оценки интенсивности воздействия геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы систем электроснабжения во время геомагнитных бурь.

Объект исследования – однофазные силовые автотрансформаторы системы электроснабжения.

Предмет исследования – режимы работы однофазного силового автотрансформатора системы электроснабжения при геомагнитных бурях.

Методы исследования. В процессе выполнения диссертационного
исследования использованы методы теоретических основ электротехники,
математического моделирования силовых трансформаторов и

автотрансформаторов систем электроснабжения с применением аппарата
линейной алгебры, функций комплексного переменного и

дифференциальных уравнений, теории электрических и магнитных цепей. Компьютерное моделирование выполнено с помощью программных комплексов Wolfram Mathematica 11, FEMM 4.2.

Научная новизна работы состоит в следующем:

7. Впервые разработана математическая модель однофазного силового автотрансформатора для моделирования процессов в системах электроснабжения в период геомагнитных бурь, отличающаяся введением нелинейного дифференциального индуктивного сопротивления ветви намагничивания.

8. Разработана методика расчета тока намагничивания, которая отражает механизм формирования однополупериодной кривой тока намагничивания однофазного силового автотрансформатора при воздействии геоиндуцированных токов, протекающих в обмотке высокого напряжения при геомагнитных бурях с учетом насыщения магнитопровода.

9. Для оценки интенсивности воздействия геомагнитных бурь на трансформаторное оборудование систем электроснабжение введено понятие коэффициента интенсивности геоиндуцированного тока k_ГИТ, который характеризует степень намагничивания конструктивных элементов силовых трансформаторов и автотрансформаторов при воздействии геоиндуцированного тока.

Выносимые на защиту научные положения и научная новизна результатов работы соответствуют п. 1, 4 паспорта специальности 05.09.03.

Достоверность полученных в работе научных результатов

обеспечивается разработкой математических моделей на основе корректного
применения фундаментальных законов электротехники, теории

электрических и магнитных цепей, использованием общепринятых допущений и апробированных пакетов компьютерного моделирования.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

10. Разработанная математическая модель однофазного силового автотрансформатора с учетом насыщения магнитной системы в период геомагнитных бурь при одновременном протекании по заземленной обмотке высокого напряжения переменного и геоиндуцированного токов.

11. Разработанный алгоритм моделирования процессов насыщения однофазного силового автотрансформатора при воздействии геоиндуцированных токов.

12. Установленные диапазоны значений геоиндуцированных токов: 0<I_ГИТ2 А; I_ГИТ>2 А, позволяющие классифицировать их воздействие на однофазные силовые автотрансформаторы с броневой магнитной системой как «слабое» и «сильное».

4. Разработанный критерий оценки интенсивности воздействия
геоиндуцированных токов на силовые автотрансформаторы и

трансформаторы, позволяющий оценить степень насыщения магнитной системы трансформаторного оборудования СЭС во время геомагнитных бурь.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

13. Установленные диапазоны значений геоиндуцированных токов могут быть использованы для оценки «безопасного» и «опасного» воздействия геомагнитных бурь на силовые трансформаторы и автотрансформаторы систем электроснабжения с учетом конструкции их магнитной системы.

14. Разработанный критерий оценки интенсивности воздействия геоиндуцированных токов на силовые трансформаторы и автотрансформаторы может быть использован для анализа степени насыщения магнитной системы трансформаторного оборудования систем электроснабжения, а также разработки рекомендаций к проектированию и эксплуатации СЭС, позволяющих снизить отрицательное влияние геомагнитных бурь на электрооборудование электрических сетей и обеспечить электромагнитную совместимость потребителей с системой электроснабжения.

15. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе направления подготовки магистров 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» кафедры «Электроснабжение и электротехника» ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет».

Реализация результатов работы

Результаты исследований использованы в рамках научно-

исследовательских работ и госбюджетных тем ФГБОУ ВО «Тольяттинский
государственный университет», связанных с моделированием

функционирования систем электроснабжения при геомагнитных бурях.
Результаты диссертационного исследования внедрены в филиале ПАО
«РусГидро» – «Жигулевская ГЭС», а также используются в учебном
процессе ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет» в
дисциплинах «Проектирование и оптимизация систем электроснабжения»,
«Современные технологии моделирования в электроэнергетике»,

«Устойчивость систем электроснабжения», «Расчетно-экспериментальные исследования динамики систем электроснабжения» направления подготовки магистров 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы. Основные результаты докладывались и
обсуждались на следующих конференциях и семинарах: VII Всероссийской
научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы,
перспективы» (Оренбург, 2014); Международной научно-практической
конференции «Комплексные проблемы техносферной безопасности»
(Воронеж, 2014); ХLV и ХLVI Международных научно-практических
конференциях «Федоровские чтения» (Москва, 2015, 2016); Всероссийской
научно-технической конференции «Энергоэффективность и

энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2016);

Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства диагностики электроэнергетического и электротехнического оборудования, средств и систем автоматики» (Салават, 2016); VII Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2017) и на научных семинарах института энергетики и электротехники Тольяттинского государственного университета.

Отдельные результаты исследований использовались в отчетах о научно-исследовательской работе.

Публикации. По теме исследования опубликовано 13 работ, из них 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем составляет 129 печатных страниц, в том числе 14 таблиц и 42 иллюстрации.

Проблемы систем электроснабжения при воздействии геоиндуцированных токов

Регулярные суточные вариации магнитного поля создаются, в основном, изменениями токов в ионосфере Земли из-за изменения освещенности ионосферы Солнцем в течение суток. Нерегулярные вариации магнитного поля создаются вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, изменениями внутри магнитосферы, взаимодействием магнитосферы и ионосферы. Солнечный ветер – поток ионизированных частиц, истекающий из солнечной короны со скоростью 300 – 1200 км/с (у Земли около 400 км/c) в окружающее космическое пространство. Солнечный ветер деформирует магнитосферы планет, порождает полярные сияния и радиационные пояса планет. Усиление солнечного ветра происходит во время вспышек на Солнце. Мощная солнечная вспышка сопровождается испусканием большого количества ускоренных частиц – солнечных космических лучей. Самые энергичные из них (108-109 эВ) начинают приходить к Земле спустя 10 мин. после максимума вспышки. Повышенный поток солнечных космических лучей у Земли может наблюдаться несколько десятков часов. Вторжение солнечных космических лучей в ионосферу полярных широт вызывает дополнительную её ионизацию и ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Вспышка генерирует мощную ударную волну и выбрасывает в межпланетное пространство облако плазмы. Двигаясь со скоростью свыше 100 км/с, ударная волна и облако плазмы за 1,5-2 суток достигают Земли, вызывая при этом резкие изменения магнитного поля, т.е. магнитную бурю, усиление полярных сияний, возмущения ионосферы. Имеются данные о том, что через 2-4 суток после магнитной бури происходит заметная перестройка барического поля тропосферы. Это приводит к увеличению неустойчивости атмосферы, нарушению характера циркуляции воздуха (в частности, усиливается циклоногенез).

Для описания вариаций магнитного поля Земли, вызванных солнечной активностью, используются индексы геомагнитной активности [38, 49, 97]. K-индекс - это отклонение магнитного поля Земли от нормы в течение трехчасового интервала. Индекс был введен Дж. Бартельсом в 1938 г. и представляет собой значения от 0 до 9 для каждого трехчасового интервала (0-3, 3-6, 6-9 и т.д.) мирового времени. Kp-индекс – это планетарный индекс. Kp-индекс вычисляется как среднее значение К-индексов, определенных на 13 геомагнитных обсерваториях, расположенных между 44 и 60 градусами северной и южной геомагнитных широт. Его диапазон также от 0 до 9. Качественно состояние магнитного поля в зависимости от Кp-индекса можно приблизительно охарактеризовать следующим образом: Kp = 2 – спокойное; Kp = 2, 3 – слабовозмущенное; Kp = 4 – возмущенное; Kp = 5, 6 – магнитная буря; Kp = 7 – сильная магнитная буря.

В последнее время вместо Kp индекса часто употребляется Ap-индекс. Ap-индекс определяется в единицах напряженности магнитного поля – нанотеслах (нТл). Применяется также G-индекс, который характеризует интенсивность геомагнитного шторма по воздействию вариаций магнитного поля Земли на людей, животных, электротехнику, связь, навигацию и т.д. Градации G-индекса -от G1 до G5, т.е. от слабого возмущения магнитного поля Земли до экстремального. В соответствии с [117] принимается: - G0 – Kp 5 – без шторма (геомагнитная обстановка от спокойной до возмущенной, наблюдаются полярные сияния в высоких ( 65) широтах); - G1 – Kp= 5 – слабый (незначительные сбои в работе энергосистем, обычные пути миграций животных могут быть изменены); - G2 – Kp=6 – средний (в энергосистемах, расположенных в высоких широтах, могут происходить сбои напряжения, длительный геомагнитный шторм может вызвать неполадки на трансформаторных подстанциях); - G3 – Kp=7 – умеренный (возникновение перенапряжений в промышленной электросети, ложные срабатывания автоматики, кратковременные сбои GPS-навигации и низкочастотной радионавигации, перебои коротковолновой связи, полярное сияние может наблюдаться на широте Риги, Москвы); - G4 – Kp=8 - сильный (широкомасштабное возникновение перенапряжений в промышленной электросети, повсеместное ложное срабатывание защитных систем, коротковолновая связь неустойчива, GPS-навигация ухудшается на несколько часов, средневолновая радионавигация отсутствует, северное сияние наблюдается на широте Минска); - G5 – Kp=9 - очень сильный (могут возникнуть повсеместные проблемы с регулировкой напряжения промышленной электросети и проблемы в работе защитных систем, энергосистемы могут полностью выйти из строя или отключиться; трансформаторные подстанции могут быть выведены из строя, наведенные токи могут достигать сотен ампер, коротковолновая связь может отсутствовать повсеместно в течение одного-двух дней, GPS-навигация может отсутствовать несколько дней, средневолновая радионавигация может отсутствовать часами, полярное сияние наблюдается на широтах Варшавы, Гомеля).

При наличии протяженной заземленной системы проводников возбуждаемое геомагнитной бурей (ГМБ) геоэлектрическое поле создает в ней почти постоянный (квазипостоянный ток) частотой от 0,001 Гц до 0,1 Гц, который принято называть геоиндуцированным током [87, 119, 120, 122, 124].

Активные исследования воздействия геоиндуцированных токов на технологические системы проводятся более 40 лет в различных странах. В то же время задача защиты от негативных воздействий геомагнитных возмущений не решена окончательно. Во-первых, весьма сложен прогноз появления геомагнитных бурь во времени; во-вторых, разнообразно проявление эффектов геомагнитной бури в пространстве; в-третьих, каждая технологическая система откликается на магнитосферные возмущения по-своему. Требуется, с одной стороны, глобальный, планетарный подход к исследованию явления, а с другой стороны, необходимо изучение процессов развития и действия ГИТ в конкретных системах с различной их локализацией.

Следует отметить, что до настоящего времени на территории России регулярная регистрация ГИТ проводилась только на Кольском полуострове усилиями сотрудников Полярного геофизического института и Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН [5, 6, 36]. Исследования воздействия геомагнитных бурь на оборудование энергосистем ведутся с 1986 г. С ноября 2003 г. на ряде подстанций (ПС) энергосистемы Северо-Запада проводятся измерения ГИТ в нейтралях силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

Математическая модель однофазного силового автотрансформатора при одновременном намагничивании магнитопровода переменным и геоиндуцированным током

В электрических сетях 220-750 кВ применяются силовые трансформаторы и автотрансформаторы в трехфазном и однофазном исполнении. Трехфазные силовые трансформаторы и автотрансформаторы применяются в основном в электрических сетях напряжением 220-330 кВ, а однофазные – в сетях 500 кВ и выше, что обусловлено значительной массой и габаритами оборудования [31, 48, 75]. В протяженных магистральных линиях систем электроснабжения высокого напряжения наиболее распространенным видом трансформаторного оборудования являются силовые автотрансформаторы, связывающие сети разных классов напряжения. По данным на 2015 г. в России силовые автотрансформаторы класса напряжения 500 кВ составляют более 60% от суммарной установленной мощности трансформаторного оборудования, а класса напряжения 750 кВ – более 75%.

Исследование влияния геоиндуцированных токов на работу силового автотрансформатора выполнено на примере однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220. Выбор типа силового автотрансформатора обусловлен тем, что силовые автотрансформаторы данной номинальной мощности наиболее распространены среди трансформаторного оборудования сетей 500 кВ на территории РФ, также известны параметры конструкции электромагнитной части рассматриваемого АТ, что является актуальным, т.к. полные конструктивные параметры мощных высоковольтных автотрансформаторов заводами-изготовителями не публикуются. Основные параметры исследуемого однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220: 1. Мощность обмоток: ВН – 120 МВА; СН – 83 МВА; НН – 67 МВА. 2. Номинальные напряжения: ВН – 500/3 кВ; СН – 230/3 кВ; НН – 10,5 кВ. 3. Регулирование напряжения: ±6 х 2% в линии СН. 4. Схема и группа соединения обмоток: Yн авто/1-0-0. 5. Конструкция магнитной системы – броневая. 6. Конструкция обмоток: - порядок следования обмоток (от стержня): НН – ОО – ПО –РО – КО, где НН – обмотка низкого напряжения; ОО – общая обмотка; ПО – последовательная обмотка; РО – регулировочная обмотка; КО – компенсационная обмотка. Для определения параметров рабочих режимов необходимо знать конструктивные особенности и размеры исследуемого силового однофазного автотрансформатора. Однофазный силовой автотрансформатор большой мощности имеет плоскую броневую магнитную систему, которая представляет собой двухрамный несимметричный магнитопровод. Конструктивная схема магнитной системы однофазного силового автотрансформатора с взаимным расположением обмоток представлена на рисунке 2.1. Обмотка высокого напряжения однофазного силового АТ состоит из двух обмоток – общей и последовательной, включенных согласно.

АОДЦТН – 267000/500/220 1 – стержень первой рамы; 2 – стержень второй рамы; 3,5,7 – ярмо первой рамы; 4,6,8 – ярмо второй рамы; 9 – обмотка низкого напряжения; 10 – общая обмотка 1; 11 – последовательная обмотка 2; 12 – регулировочная обмотка; 13 – компенсационная обмотка

В таблице 2.1 показаны основные размеры магнитной системы однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220. Конструктивные размеры первой и второй рамы магнитной системы силового однофазного автотрансформатора неодинаковы. Между первой и второй рамой существует зазор размером 10 мм (рисунок 2.1), который выполняется с помощью изолирующих прокладок с учетом циркуляции масла. Таблица 2.1 – Размеры магнитной системы силового автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/2 Параметр Значение, мм высота магнитопровода 3980 ширина магнитопровода 4835 высота первой рамы 3980 высота второй рамы 3980 ширина первой рамы 2130 ширина второй рамы 2695 зазор между рамами 10 Первая рама магнитопровода состоит из стержня 1, верхнего 5 и нижнего 7 ярм, бокового ярма 3. Наибольшее сечение имеет боковое ярмо 3. Сечение верхнего 5 и нижнего 7 ярм равны между собой, а наименьшее сечение имеет стержень 1, т.е. S3 S5=S7 S1. Вторая рама магнитопровода состоит из стержня 2, верхнего 6 и нижнего 8 ярм, бокового ярма 4. Соотношения сечений у них отличаются от соотношения сечений в первой раме. Сечение верхнего 6 и нижнего 8 ярм равны между собой и имеют наибольшее значение, а наименьшее сечение имеет боковое ярмо 4, т.е. s6=s8 s2 s4. Стержень 1 первой рамы и стержень 2 второй рамы объединены в общий магнитонесвязанный стержень магнитной системы силового автотрансформатора. На общем стержне магнитной системы расположена обмотка низкого напряжения, общая обмотка и последовательная обмотка силового автотрансформатора. На боковом ярме 4 второй рамы находятся регулировочная обмотка и компенсационная обмотка. Поэтому длины верхнего 6 и нижнего 8 ярм второй рамы больше длин верхнего 5 и нижнего 7 ярм первой рамы, т.е. /6=/8 /5=/7. Магнитные цепи первой и второй рамы магнитопровода независимы друг от друга и подвержены воздействию намагничивающей силы общей и последовательной обмоток, расположенных на общем стержне магнитопровода. Сечение стержня имеет 17 ступеней (в квадранте), несколько продольных каналов между пакетами и один поперечный канал между рамами для циркуляции охлаждающего масла вдоль стержня (рисунок 2.2).

Определение параметров магнитного поля однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220

Для качественной и количественной оценки негативных последствий изменения режима перемагничивания силовых трансформаторов и автотрансформаторов под влиянием ГИТ необходима достаточно простая и информативная модель «вентильной» характеристики намагничивания, которой может служить кусочно-линейная аппроксимация с несколькими точками излома. В случае аппроксимации с одной точкой излома области I рабочего перемагничивания и III технического насыщения аппроксимируются прямыми линиями, угол наклона которых определяется значениями относительной дифференциальной магнитной проницаемости в указанных областях, а точка пересечения (точка излома) находится в области II колена реальной кривой намагничивания (рисунок 3.1).

В общем случае, относительная дифференциальная магнитная проницаемость определяется параметрами основной кривой намагничивания электротехнической стали [76]: АВ Щ8) Мл = \ Ц я і = , jU0 АН jU0- AH(S) где jUd, jud(s) - относительная дифференциальная магнитная проницаемость электротехнической стали магнитопровода в областях рабочего перемагничивания и технического насыщения соответственно; ju0 = Ал -КГ7 (Гн/м) - магнитная постоянная; АН,АВ - приращения напряженности магнитного поля и магнитной индукции на участке I рабочего перемагничивания; AH(S),AB(S) - приращение напряженности магнитного поля и магнитной индукции в области III технического насыщения. Например, для основной кривой намагничивания электротехнической стали, показанной на рисунке 3.1, значения указанных приращений составляют АВ = 1,84Тл, I Aw= 2,0-1,84 = 0,16Тл, ) АН = 1000 А м J AH(S) = 30000-1000 = 29000 А/м.] Тогда относительная дифференциальная магнитная проницаемость для области I рабочего перемагничивания и области III технического насыщения будет принимать значения jud = 1464,2 и jud(S = 4,39 соответственно. При таком соотношении сохраняется главная особенность реальной кривой намагничивания, связанная с формированием практически однополярного тока намагничивания.

Кусочно-линейная аппроксимация характеристики намагничивания силового автотрансформатора с одной точкой излома построена в координатах «магнитная индукция В - ток намагничивания i0» (рисунок 3.2). Кусочно-линейная аппроксимация задана точкой излома (BS,IS)и двумя значениями дифференциального индуктивного сопротивления ветви намагничивания -ненасыщенным (x0(d) при i0 Is) и насыщенным (x при i 0 I s ). Для пояснения процесса формирования однополярного тока намагничивания в период геомагнитных бурь необходимо ввести термин - среднее значение магнитной индукции в поперечном сечении стержня магнитопровода при протекании по обмоткам силового автотрансформатора постоянного тока -В0.

В качестве координат точки излома кусочно-линейной аппроксимации характеристики намагничивания целесообразно принять паспортное значение тока холостого хода 1х силового автотрансформатора и амплитудное значение Вm магнитной индукции при номинальном напряжении. В этом случае BS= Вm и IS=Iх. Поскольку ток холостого хода превышает величину тока намагничивания, точка излома кусочно-линейной аппроксимации оказывается в области колена реальной характеристики намагничивания силового трансформатора и автотрансформатора. Рисунок 3.2 – Качественный характер формирования однополупериодной кривой тока намагничивания при воздействии постоянного тока I При указанном выборе ненасыщенное значение x0(d ) дифференциального индуктивного сопротивления кусочно-линейной аппроксимации будет определяться выражением: НОМ ) Для определения насыщенного значения x0(s) дифференциального индуктивного сопротивления необходимо учесть, что характер распределения магнитных потоков, связанных с обмоткой ВН, до и после насыщения магнитной системы силового трансформатора и автотрансформатора принципиально не изменяется. Это объясняется тем, что ток холостого хода независимо от состояния магнитной системы создает не только основной магнитный поток, который протекает в магнитопроводе, но и магнитный поток рассеяния обмотки, который замыкается в немагнитной среде.

Таким образом, кривая намагничивания холоднокатаной

электротехнической стали в диапазоне (0-30000) А/м напряженности магнитного поля имеет ярко выраженный «вентильный» характер. Поэтому воздействие геоиндуцированного тока на силовые трансформаторы и автотрансформаторы сопровождается не только увеличением, но и эффектом однополупериодного выпрямления тока намагничивания.

Следует отметить, что увеличение количества точек излома кусочно-линейной аппроксимации для более точного воспроизведения колена реальной кривой намагничивания принципиально не изменит однополярный характер тока намагничивания и соответственно гармонический состав тока намагничивания, а только позволит более подробно оценить характер изменения дифференциального индуктивного сопротивления ветви намагничивания и механизм формирования однополупериодной кривой тока намагничивания под воздействием ГИТ.

Определение диапазонов геоиндуцированных токов, оказывающих «сильное» и «слабое» воздействие на параметры силовых автотрансформаторов и трансформаторов

Анализ (4.3) показывает, что степень воздействия ГИТ на силовой трансформатор и автотрансформатор будет определяться величиной создаваемой магнитной индукции (Во), которая зависит не только от величины ГИТ, но и от конструктивного исполн ения магнитной сист емы (X(/S). Теоретические исследования и инструментальные измерения показывают, что величина геоиндуцированного тока может достигать десятков ампер и многократно превышать токи холостого хода силовых трансформаторов и автотрансформаторов [91, 100]. Диапазон значений средней магнитной индукции 0 В0 1,731 Тл (таблица 4.3), в котором воздействия геоиндуцированного тока на силовой трансформатор и автотрансформатор можно условно разделить на «слабые» и «сильные», представляется вполне адекватным с позиции оценки влияния ГМБ на насыщение магнитной системы силового трансформатора и автотрансформатора. Указанный диапазон охватывает два множества значений, оказывающих принципиально различные воздействия на силовой трансформатор и автотрансформатор.

При 0 50(0,302-0,325) Тл рабочая точка магнитной индукции на кривой намагничивания силового трансформатора и автотрансформатора перемещается из начальной области колена характеристики кривой намагничивания в область граничную с областью технического насыщения Вср \,95 Тл (рисунок 3.1). Напряженность магнитного поля возрастает от значений 750-1000 А/м до значения 4800 А/м, вызывая увеличение тока холостого хода в 2-5 раз. Воздействие таких геоиндуцированных токов по интенсивности аналогично увеличению напряжения обмоток силового трансформатора и автотрансформатора на 10-20% сверх номинальной величины. Режим перемагничивания не достигает области технического насыщения, хотя мощность намагничивания увеличивается вследствие увеличения тока холостого хода. Поэтому геоиндуцированные токи, создающие среднюю магнитную индукцию в диапазоне 0 B0(0,302-0,325) Тл, можно считать «слабыми» и сравнительно безопасными для силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

Значения B0 в стержнях силовых трансформаторов ТРДН – 63000/110, ТДЦ – 400000/220 и автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220 при вариациях геоиндуцированного тока IГИТ IГИТ, А Bo, Тл ТРДН - 63000 Во, Тл ТДЦ - 400000 Во, Тл АОДЦТН - 267000 1 0,0024 0,0733 0,1614 2 0,0048 0,1474 0,3228 3 0,0072 0,2211 0,4842 4 0,0096 0,2948 0,6456 5 0,012 0,3685 0,807 10 0,024 0,737 1,614 15 0,033 0,7585 1,6725 20 0,042 0,78 1,731 При B0 (0,302-0,325) Тл и номинальном напряжении рабочая точка магнитной индукции на кривой намагничивания силового трансформатора и автотрансформатора достигает значений Bср 1,95 Тл области технического насыщения, в которой напряженность магнитного поля возрастает до 30000 А/м. Наступает одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора и автотрансформатора, сопровождающееся многократным увеличением тока и мощности намагничивания. В результате возможны дефицит реактивной мощности и нарушение нормального режима работы системы электроснабжения. Такие воздействия геоиндуцированного тока представляют 105 опасность как для силового трансформатора и автотрансформатора, так и для функционирования системы электроснабжения в целом, и поэтому должны считаться «сильными».

Значение магнитной индукции Bр рабочей точки кривой намагничивания электротехнической стали 3407 согласно паспортным данным для трехфазного силового трансформатора ТРДН – 63000/110 Bр =1,6255 Тл, трехфазного силового трансформатора ТДЦ – 400000/220 Bр =1,648 Тл, силового однофазного автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220 Bр =1,642 Тл.

Суммарное амплитудное значение магнитной индукции в стержнях магнитопровода Bср (рисунок 3.2) определяется выражением: ср = m +0 (4.4) В трехфазном силовом трансформаторе ТРДН – 63000/110 с трехстержневой магнитной системой значение средней магнитной индукции B0 при IГИТ=20 А равно 0,042 Тл, при этом интенсивность воздействия геоиндуцированных токов эквивалентна повышению напряжения на 10-20% выше номинального значения. Величина суммарной амплитуды магнитной индукции Bср=1,6675Тл. Полученное значение магнитной индукции не выходит за пределы колена реальной кривой намагничивания В=f(H) электротехнической стали 3407 (рисунок 3.1). Следовательно, величину IГИТ=20 А для силовых трехфазных трансформаторов со стержневой магнитной системой можно считать безопасной. В трехфазном силовом трансформаторе ТДЦ – 400000/220 с бронестержневой конструкцией магнитной системы средняя магнитная индукция в стержнях магнитопровода, создаваемая геоиндуцированным током IГИТ, изменяется в диапазоне от 0 до 0,78 Тл при вариациях IГИТ от 0 до 20 А. При IГИТ=4 А B0=0,2948 Тл, а Bср=1,9428 Тл и не выходит за пределы колена кривой намагничивания электротехнической стали 3407. Таким образом, вариации геоиндуцированного тока в пределах 0 IГИТ4 А являются безопасными для силового трансформатора ТДЦ – 400000/220.

В случае IГИТ =5 А среднее значение магнитной индукции B0=0,3685 Тл, а Bср 1,95 Тл и выходит за пределы колена кривой намагничивания в область технического насыщения III (рисунок 3.1).

При IГИТ 5А рабочая точка на кривой намагничивания электротехнической стали 3407 перемещается в область технического насыщения. Интенсивность воздействия геоиндуцированного тока эквивалентна повышению напряжения более чем на 20% сверх номинального значения по отношению к номинальному напряжению на обмотках силового трансформатора. Происходит одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора ТДЦ – 400000/220, которое сопровождается многократным увеличением тока и мощности намагничивания. В результате возможны дефицит реактивной мощности и нарушение нормального режима работы системы электроснабжения. Такие воздействия геоиндуцированного тока представляют опасность как для силового трехфазного трансформатора ТДЦ – 400000/220, так и для функционирования системы электроснабжения в целом.

В однофазном силовом автотрансформаторе АОДЦТН – 267000/500/220 с броневой конструкцией магнитной системы средняя магнитная индукция B0, создаваемая геоиндуцированным током, при изменении IГИТ от 0 до 20 А увеличивается от 0 до 1,731 Тл. При IГИТ =1,87 А суммарное значение индукции Bср=1,945 Тл при одновременном воздействии на силовой автотрансформатор переменного и постоянного магнитных полей лежит в конце колена кривой намагничивания электротехнической стали 3407 и является относительно безопасным для силового автотрансформатора. В условиях IГИТ2 А рабочая точка на кривой намагничивания перемещается в область технического насыщения. Интенсивность воздействия геоиндуцированного тока также эквивалентна повышению напряжения более чем на 20% сверх номинального значения при номинальном напряжении на обмотках силового автотрансформатора. Наступает одностороннее насыщение его магнитной системы, которое сопровождается многократным увеличением тока и мощности намагничивания, что, в свою очередь, приводит к дефициту реактивной мощности и нарушению нормального функционирования системы электроснабжения. Таким образом, для однофазного силового автотрансформатора АОДЦТН – 267000/500/220 вариации геоиндуцированного тока в пределах от 2 А и выше представляют опасность.