Исследование гармонического состава тока в нейтрали трансформатора в периоды геомагнитных возмущений

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

УДК 621.311

В. Н. Селиванов, М. Б. Баранник, В. А. Билин, Б. В. Ефимов, В. В. Колобов, Я. А.Сахаров

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОКА В НЕЙТРАЛИ ТРАНСФОРМАТОРА В ПЕРИОДЫ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Аннотация

Приведены результаты анализа данных непрерывного мониторинга геоиндуктированных токов в нейтралях трансформаторов, установленных на подстанциях магистральной электрической сети «Северный транзит». Из-за намагничивания магнитопровода трансформатора квазипостоянным током изменяется относительное содержание гармоник в фазных токах и токе нейтрали. Предварительный анализ демонстрирует нелинейный характер исследуемого явления и его зависимость от конструкции трансформатора.

Ключевые слова:

геоиндуктированный ток, электрические сети, трансформатор, гармоники.

V. N. Selivanov, M. B. Barannik, V. A. Bilin, B. V. Efimov, V. V. Kolobov, Ya. A. Sakharov

ANALYSIS OF FREQUENCY RESPONSE OF NEUTRAL CURRENT IN TRANSFORMER UNDER GEOMAGNETIC DISTURBANCE

Abstract

The article presents data analysis results of the continuous monitoring of geomagnetically induced currents in the neutrals of transformers installed at substations of the "Northern Transit" transmission lines. The magnetization of the magnetic circuit of a transformer by the quasi-constant current leads to change in the relative content of the harmonics in the phase and neutral currents. The preliminary analysis has demonstrated the nonlinear nature of the phenomenon and its dependence on transformer design.

Keywords:

geomagnetically induced current, transmission grid, transformer, harmonic frequency.

Во время геомагнитных бурь (ГМБ) в разнесенных точках на поверхности Земли наводятся разности потенциалов, обусловленные геоэлектрическим полем. Геоиндуктированный ток (ГИТ) возникает, когда две удаленные точки соединяются проводником. В случае электрической сети роль проводника играет многопроводная линия электропередачи, которая соединена с землей через выводы обмоток трансформаторов, нейтрали которых заземлены на подстанциях. При характерной частоте от 0.001 до 0.1 Гц амплитуда ГИТ может достигать 300 ампер. При протекании такого квазипостоянного тока в протяженной электрической сети с глухозаземленной нейтралью кривая намагничивания трансформаторов может сместиться, что приведет к полупериодному насыщению их сердечников и увеличению содержания высших гармоник в фазных токах [1].

Центр физико-технических проблем энергетики Севера (ЦФТПЭС) КНЦ РАН совместно с Полярным геофизическим институтом (ПГИ) проводит работы по исследованию влияния ГМБ на состояние энергетических сетей и трансформаторных подстанций на Кольском полуострове и в Карелии с использованием разработанной региональной системы мониторинга ГИТ [2]. Для исследования выбраны подстанции в Кондопоге, Лоухах, Апатитах

и Мурманске на магистральной линии 330 кВ и подстанция в пос. Ревда на линии 110 кВ. Такой выбор точек измерения позволяет при развитии магнитосферного возмущения исследовать распределение ГИТ по широте на магистральной линии, ориентированной с юга на север, а также регистрировать ГИТ в линии, направленной с запада на восток.

Система мониторинга позволяет проводить регистрацию квазипостоянных токов в нейтралях трансформаторов, а также контролировать содержание гармоник в сети. Записываются следующие составляющие полного тока в нейтрали, полученные разложением в ряд Фурье с интегрированием на временном интервале 0.1 с:

• постоянная составляющая, несущая информацию непосредственно о ГИТ; содержит также сигнал смещения нуля датчика тока, обусловленного остаточной индукцией в магнитопроводе и температурным дрейфом;

• амплитудные значения токов первой, второй и третьей гармоники, которые позволяют оценить изменение гармонического состава полного тока в нейтрали при протекании ГИТ значительной амплитуды. В нормальном режиме токи второй и третьей гармоники пренебрежимо малы, поэтому можно считать, что их рост обусловлен только искажением из-за замагничивания магнитопровода ГИТ. Ток первой гармоники и в рабочем режиме может достигать ощутимых значений за счет различных несимметрий в энергосистеме и трансформаторе.

Кроме того, регистрируются мгновенные значения токов, протекающих в нейтралях при различного рода переходных процессах, например коммутациях, коротких замыканиях или грозовых воздействиях [3]. Кривая тока строится по 256 точкам при частоте дискретизации 14400 Гц, т. е. можно получить сигнал длительностью 18 мс (почти период промышленной частоты). Блок записи мгновенных значений срабатывает по условию превышения некоторого порогового значения производной от тока нейтрали в данный момент времени.

С 2011 г. система мониторинга зарегистрировала порядка 100 запусков блока записи мгновенных значений, обусловленных воздействием ГИТ, причем все события произошли на подстанции в Лоухах. Эта подстанция введена в строй в 2009 г. и на ней установлены два автотрансформатора мощностью 125 МВА производства фирмы "Лгеуа Бпег) БМш^Г' (Турция). На вводимых в последние годы подстанциях зачастую устанавливают автотрансформаторы импортного производства, при проектировании которых одним из основных критериев является экономическая целесообразность. Магнитопроводы таких трансформаторов спроектированы для работы в предельных режимах, когда рабочая точка находится вблизи точки насыщения.

Примеры регистрации мгновенных значений тока в нейтрали трансформатора в Лоухах и его спектр представлены на рис. 1 и 2. Уже из приведенных иллюстраций видно, что гармоники тока нейтрали растут непропорционально с ростом ГИТ. При больших значениях ГИТ магнитопровод трансформатора намагничивается, что приводит к резкому росту 6-й, четной, гармоники нулевой последовательности.

По результатам обработки порядка 40 кривых тока в нейтрали были построены зависимости токов гармоник от ГИТ, показанные на рис. 3. Использовались только регистрации при ГИТ от 20 до 60 А. При меньших токах значительную погрешность вносят сигналы смещения первичного датчика (температурный дрейф, остаточное намагничивание магнитопровода клещей). Эту погрешность практически невозможно устранить, так как она лежит в том же частотном диапазоне, что и ГИТ.

Рис. 1. Кривая и спектр тока в нейтрали автотрансформатора на подстанции

Лоухи при ГИТ = 4.5 А

о о ти-" оо! о о15 I, с номер гармоники, п

Рис. 2. Кривая и спектр тока в нейтрали автотрансформатора на подстанции

Лоухи при ГИТ = 56 А

В идеально симметричной трехфазной схеме в токе нейтрали должны отсутствовать гармоники прямой (гармоники с номерами 3к-2, где к изменяется от 1 до бесконечности) и обратной последовательностей (3к-1). Гармоники нулевой последовательности (3к) синфазны, поэтому ток нейтрали равен утроенному значению фазных токов.

Кроме того, если вольт-амперные характеристики всех элементов схемы являются симметричными, то в токе нейтрали должны отсутствовать также четные гармоники. Появление таких гармоник в токе нейтрали означает, что ВАХ трансформатора сместилась в результате намагничивания магнитопровода квазипостоянным током.

Реальные трехфазные электрические сети не являются симметричными. Бывают несимметрии фазных напряжений и нагрузок (токов), а также несимметрии магнитных потоков в магнитопроводах трансформаторов. Именно поэтому в нейтрали всегда присутствует ток первой гармоники, значение которого меняется в зависимости от режима работы автотрансформатора и его нагрузки [4].

Как видно из приведенных зависимостей, ток первой гармоники не зависит от ГИТ, токи 3-й и 6-й гармоник растут линейно, т. е. их относительное содержание в токе нейтрали остается неизменным в данном диапазоне изменения ГИТ. Поведение девятой гармоники требует изучения, так как и абсолютное, и относительное содержание её в токе нейтрали с ростом тока намагничивания снижается, причем по степенному закону с показателем порядка от 2 до 5. Как показывают предварительные исследования, такой эффект объясняется резонансно-волновыми явлениями в линиях электропередачи 330 кВ, питающих подстанцию Лоухи. Резонансный колебательный контур включает нелинейно зависящую от тока индуктивность трансформатора и две воздушные линии

с распределенными параметрами длиной порядка 100 км каждая. При определенных соотношениях длины воздушной линии и частоты гармоники, а также в зависимости от величины намагничивания трансформатора квазипостоянным током, в линии возможно возникновение разного рода резонансов токов и напряжений, которые приводят к относительному «усилению» или «ослаблению» отдельных гармоник [5].

Рис. 3. Зависимости амплитуд токов гармоник в нейтрали автотрансформатора на подстанции Лоухи от величины ГИТ

Зависимости содержания гармоник от ГИТ можно также построить с использованием регистраций амплитудных значений ГИТ, токов первой, второй и третьей гармоники, причем это можно сделать и для тех подстанций, где не было запусков блока записи мгновенных значений или такого блока нет вообще (Выходной, Ревда, Титан, Кондопога).

Для подстанции Лоухи выбран день с наибольшим зарегистрированным там током — 8 сентября 2015 г. На рис. 4 показаны кривые ГИТ и амплитуд гармоник в момент максимального возмущения геомагнитного поля.

Заметим, что при ГИТ, превышающем 40 А, операционный усилитель измерительных клещей входит в режим ограничения сигнала (клиппирование), поэтому данные, соответствующие этому диапазону, исключаются из анализа. Нужно всегда помнить, что клиппируется сигнал полного тока (возникает перегрузка операционных усилителей по уровню входного сигнала, ограниченного уровнем напряжения питания). Порог ограничения конкретных гармоник зависит от их относительного содержания в полном токе.

На рисунке 5 показаны построенные по этим кривым за выбранный период времени зависимости гармоник от величины ГИТ (серым выделена зона клиппирования входного сигнала). Ток первой гармоники не зависит от величины постоянного тока намагничивания, ток второй гармоники показывает слабый рост с ростом величины ГИТ, а ток третьей гармоники в диапазоне 20-40 А линейно растёт с ростом ГИТ.

Рис. 4. Кривые амплитуд ГИТ и токов гармоник в нейтрали трансформатора

на подстанции Лоухи

Рис. 5. Зависимости амплитуд токов гармоник в нейтрали автотрансформатора на подстанции Лоухи от величины ГИТ

Аналогичные зависимости на рис. 6 и 7 были построены для автотрансформатора на подстанции Выходной. В качестве примера выбрана дата 29 июня 2013 г., когда во время мощной ГМБ ток в нейтрали автотрансформатора также превысил диапазон измерительных клещей. На этой подстанции диапазон измерения клещей шире, чем в Лоухах, ограничение наступает при полном токе 125 А.

Рис. 6. Кривые амплитуд ГИТ и токов гармоник в нейтрали трансформатора

на подстанции Выходной

Рис. 7. Зависимости амплитуд токов гармоник в нейтрали автотрансформатора на подстанции Выходной от величины ГИТ

По зависимости I1 от I0 на рис. 7 создается впечатление, что ток первой гармоники падает с ростом ГИТ, но это, скорее всего, связано с совпавшим по времени изменением распределения нагрузки в сети (требует дальнейшего изучения).

Ток I2 растёт с ростом ГИТ, а I3 показывает немонотонную зависимость с минимумом при ГИТ порядка 25 А. Сам ток третьей гармоники на порядок меньше, чем в Лоухах, а уровень второй гармоники такой же, как в Лоухах при одинаковых ГИТ.

Выводы

В периоды сильных геомагнитных возмущений ГИТ через нейтрали подстанции Лоухи достигает значений 50 А, при этом содержание третьей гармоники в токе нейтрали повышается в десятки раз. В то же время на подстанции Выходной, где установлен автотрансформатор типа АТДЦТН мощностью 250 МВА, при ГИТ порядка 100 А содержание третьей гармоники в токе нейтрали изменяется только в пять раз. Таким образом, можно констатировать более быстрое и глубокое насыщение трансформатора на подстанции Лоухи. Это, вероятно, объясняется большим количеством железа в магнитопроводе автотрансформаторов отечественного производства, т. е. их рабочая точка находится гораздо дальше от колена кривой намагничивания.

В ходе исследований влияния токов в нейтрали на насыщение магнитопровода трансформатора выявлено неоднозначное поведение высших гармоник, причем возможно даже падение амплитуды тока гармоники с ростом величины ГИТ. Такое поведение гармоник нуждается в дальнейших исследованиях физики процесса насыщения магнитопроводов силовых трансформаторов, которые помогут понять, какое возможное вторичное влияние ГИТ способны оказать на автоматику и релейную защиту силовых трансформаторов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Мурманской области (проект № 17-48-510199 р_север_а).

Литература

1. Ефимов Б., Сахаров Я., Селиванов В. Геомагнитные штормы. Исследование воздействий на энергосистему Карелии и Кольского полуострова // Новости электротехники. 2013. № 2 (80). С. 30-33.

2. Система регистрации геоиндуктированных токов в нейтралях силовых автотрансформаторов / М. Б. Баранник, А. Н. Данилин, Ю. В. Катькалов, Б. Б. Колобов, Я. А. Сахаров, В. Н. Селиванов // ПТЭ. 2012. № 1. C. 118-123.

3. Результаты длительных регистраций токов в нейтралях силовых трансформаторов / В. Н. Селиванов, А. Н. Данилин, В. В. Колобов, Я. А. Сахаров, М. Б. Баранник // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2010. Вып. 1. С. 84-91.

4. Пузаков А. А., Селиванов В. Н., Колобов В. В. Исследование влияния несимметрии нагрузки на ток в нейтрали автотрансформатора // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2015. № 8 (34), вып. 11. С. 21-29.

5. Исследование частотных характеристик взаимного влияния воздушных линий электропередачи / В. Н. Селиванов, А. Н. Данилин, О. В. Залесова, В. В. Колобов // Вестник МГТУ. 2016. Т. 19, № 4. С. 96-106.

Сведения об авторах

Селиванов Василий Николаевич,

заместитель директора Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru

Баранник Максим Борисович,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru

Билин Владислав Андреевич,

лаборант лаборатории геофизических наблюдений Полярного геофизического института Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 26А Эл. почта: bilinvlad@gmail.com

Ефимов Борис Васильевич,

директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д. т. н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: efimov@ien.kolasc.net.ru

Колобов Виталий Валентинович

ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: 1_i@mail.ru

Сахаров Ярослав Алексеевич,

заведующий лабораторией геофизических наблюдений Полярного геофизического института, к. ф.-м. н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 26А Эл. почта: sakharov@pgia.ru