Анализ молниевой активности по результатам мониторинга тока в нейтрали автотрансформатора

DOI: 10.25702/ KSC.2307-5252.2018.16.3.53-63 УДК 621.311

Т. В. Аксенович, А. В. Бурцев, В. Н. Селиванов

АНАЛИЗ МОЛНИЕВОЙ АКТИВНОСТИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОНИТОРИНГА ТОКА В НЕЙТРАЛИ АВТОТРАНСФОРМАТОРА

Аннотация

В статье представлены результаты анализа молниевых воздействий на автотрансформаторы 330 кВ Кольской энергосистемы. Экспериментальные данные были получены с помощью системы мониторинга геоиндуктированных токов в нейтралях трансформаторов. Выполнены статистические оценки интегрального воздействия молний на изоляцию электроустановок за длительный период непрерывных наблюдений. Проведено сопоставление полученных результатов с данными устройств грозопеленгации. Ключевые слова:

грозопеленгация, воздушная линия электропередачи, трансформатор, ток нейтрали, аварийные отключения.

T. V. Aksenovich, A. V. Burtsev, V. N. Selivanov

ANALYSIS OF LIGHTNING ACTIVITY BASED ON RESULTS OF MONITORING OF THE AUTOTRANSFORMER NEUTRAL CURRENTS

Abstract

The article presents the results of analysis of lightning impacts on 330 kV autotransformers in the Kola power system. Experimental data were obtained using a system for monitoring geomagnetically induced currents in transformer neutrals. Statistical estimates of the integrated effect of lightning on the insulation of electrical installations over a long period of continuous observations are performed. The obtained results are compared with the data of the lightning location systems. Keywords:

lightning location, overhead transmission line, power transformer, neutral current, emergency power outages.

При проведении исследования технологических нарушений в Кольской энергосистеме за грозовой сезон 2017 года была выявлена проблема нехватки данных о воздействии молний на электрооборудование. Цифровые регистраторы аварийных процессов (ЦРАП) являются единственными источниками данной информации, представленной в виде осциллограмм. Но у них имеется ряд минусов, таких как малая частота дискретизации, фиксация только вторичных проявлений молниевых разрядов в виде коротких замыканий (КЗ) при перекрытии линейной изоляции, и, самый главный, ограничение по времени хранения файлов событий (файлы сохраняются только в случае технологического нарушения, требующего расследования, в противном случае они удаляются). Все это ведет к отсутствию систематического накопления данных для статистического анализа грозовой активности и аварийных отключений в районе расположения воздушных линий (ВЛ) и подстанций (ПС).

В рамках Соглашений о сотрудничестве с региональными подразделениями ФСК ЕЭС и МРСК Центром физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН ведется длительный мониторинг электромагнитных явлений в Кольской энергосистеме посредством измерения токов в нейтралях автотрансформаторов на ряде подстанций. Длительность непрерывной

регистрации на некоторых подстанциях достигает 7 лет. В ходе анализа накопленных данных было выявлено, что устройства фиксируют не только протекание геоиндуктированных токов (ГИТ), с целью мониторинга которых и была создана данная система [1], но и грозовые перенапряжения, переходные процессы при коммутациях, влияние сторонних источников и другое.

В статье представлены результаты анализа информации, собранной устройством регистрации ГИТ на ПС «Выходной» в период с 2011 по 2017 годы.

Методика измерений. Система мониторинга ГИТ [2] позволяет проводить регистрацию квазипостоянных токов в нейтралях автотрансформаторов, а также контролировать содержание гармоник в сети. Каждые 0.1 с регистрируются и записываются в файл следующие составляющие полного тока в нейтрали, полученные разложением в ряд Фурье с интегрированием на временном интервале 0.1 с:

- постоянная составляющая 10, несущая информацию непосредственно о ГИТ; она содержит также сигнал смещения нуля датчика тока, обусловленного остаточной индукцией в магнитопроводе датчика и температурным дрейфом в элементах схемы. Сигнал может быть и положительным и отрицательным, в зависимости от направления тока, он вычисляется по формуле

5Т

I о = — | т (, щ,

где Ш(,) — мгновенное значение тока нейтрали; Т = 0.02 с — период промышленной частоты; 5Т = 0.1 с — интервал интегрирования;

- амплитудные значения токов первой, второй и третьей гармоник, 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 обусловлены только искажением из-за замагничивания магнитопровода автотрансформатора геоиндуктированным током. Токи гармоник могут быть только положительными, так как это значения амплитуд, вычисленные по формулам

4 =7 В + с2,

2 5г Г ,

где к = 1,2,3 — номер гармоники; Вк = — J Ш(,)8т

5Т

5Т

2лк — щ и

Т )

Ск = -1Щ,^ У — кшффициенты Р№ ^е для к -й г_.

В результате анализа многолетних данных было установлено, что устройство мониторинга ГИТ фиксирует также быстропротекающие явления: грозовые воздействия, короткие замыкания (КЗ), срабатывание токовой защиты и другие коммутационные процессы в сети [3]. Факт возникновения любого процесса регистрируется достаточно точно — даже процесс длительностью меньше, чем 0,1 с будет отмечен точкой на записи тока в нейтральном проводе. В ряде случаев имеется возможность оценить относительную энергию явления.

0

Таким образом, система регистрации ГИТ является своего рода грозоотметчиком, позволяющим обнаружить факт молниевого воздействия на ВЛ, причем фиксируются как токи от индуктированных перенапряжений, так и от прямых ударов молнии. Некоторые сигналы могут иметь длительность более одного промежутка интегрирования и достигать нескольких секунд. Это объясняется включением в интеграл сигналов как от однократного молниевого разряда, так и последующих компонент молнии, а также их многочисленных отражений от концов ВЛ. Ток постоянной составляющей /0 при перекрытии линейной изоляции имеет в своем составе апериодические компоненты тока образующегося КЗ. А токи гармоник /1, /2 и /3 фиксируют периодические составляющие токов нулевой последовательности, возникающие при КЗ и других несимметричных режимах, возникающих, например, при действия токовых защит. В частности, на осциллограммах тока первой гармоники /1 надежно фиксируется момент короткого замыкания и бестоковая пауза в цикле АПВ. Поэтому токи /0 дают нам информацию обо всех типах молниевых воздействий на ВЛ, питаемые данным автотрансформатором, а токи /1 фиксируют короткие замыкания и аварийные отключения.

Помимо гармоник система регистрирует мгновенные значения токов, протекающих в нейтралях при различного рода переходных процессах (КЗ, коммутации, грозовые воздействия). Кривая тока строится по 256 точкам при частоте 14400 Гц, а получаемый сигнал имеет длительность 18 мс, сравнимую с периодом промышленной частоты. Блок записи мгновенных значений срабатывает при прохождении производной от тока нейтрали через определенное пороговое значение в данный момент времени. Вследствие периода дискретизации равного 70 мкс, мы можем увидеть на осциллограмме момент удара молнии в линию, а также процесс перекрытия линейной изоляции и начало развития короткого замыкания.

Пример обработки результатов регистрации. В качестве примера регистрации рассмотрим грозу 18 июля 2017 г. Она характерна тем, что имела высокую интенсивность и удачную локализацию: грозовой фронт двигался с юга на север по оси коридора с двумя ВЛ 330 кВ и одной двухцепной ВЛ 150 кВ. Эти ВЛ присоединены к подстанции 330 кВ в районе г. Мурманск. Всего эта подстанция питает три ВЛ 330 кВ и 10 линий 150 кВ, имеющих длину до 100 км и ориентированных на все стороны света, поэтому большинство гроз в радиусе 100 км создают возмущение в токе нейтрали автотрансформаторов подстанции. Система регистрации ГИТ на этой подстанции установлена в нейтрали одного из двух автотрансформаторов в октябре 2011 г. и с тех пор данные регистрировались непрерывно.

На рисунке 1 показана картина разрядов молний 18 июля 2017 г. в период с 7:30 по 9:30 по всемирному времени ЦТС. Гроза началась в районе г. Оленегорск и перемещалась на север до г. Мурманск.

На рисунке 2 показана осциллограмма постоянной составляющей тока нейтрали 10 для выбранного периода времени. За два часа грозы зафиксировано порядка 160 молниевых воздействий с разной амплитудой импульса, причем по осциллограмме отчетливо видно, как грозовой фронт приближается к подстанции, достигнув ее около 8:30 ЦТ. В этот момент плотность и амплитуда воздействий максимальна.

Рис. 1. Карта разрядов молний

1 I 1 il IHii ihn  w ir ПТ f-- --L_J —L

4 т AW m1!!1 11

'2°7:30 8:00 8:30 9:00 9:30

Время, иТ

Рис. 2. Осциллограмма тока 10 в нейтрали автотрансформатора

Амплитуда импульса определяется многими величинами: параметрами импульса молнии, характером перенапряжения (индуктированное или прямой удар), расстоянием от оси ВЛ для индуктированных импульсов, расстоянием от точки максимального воздействия до подстанции и т.д. По данным нашей системы регистрации определить параметры молнии или место поражения

в принципе невозможно. Тем не менее, эти данные дают интегральную картину молниевых воздействий, прошедших через автотрансформатор, а ведь каждое из этих воздействий прикладывается к его изоляции.

На рисунке 3 показана осциллограмма амплитудного значения первой гармоники тока в нейтрали автотрансформатора за тот же период времени. Токи прямой последовательности возникают в заземленной нейтрали в случае нарушения симметрии фазных токов. В нормальном режиме ток первой гармоники на данной подстанции имеет амплитудное значение порядка 4 А, что обусловлено несимметрией фазных напряжений и нагрузок. Скачки тока на рисунке 3 возникли в результате короткого замыкания после перекрытия изоляции ВЛ. За два часа грозовой активности на подходящих к подстанции ВЛ произошло 11 перекрытий с короткими замыканиями, вызвавших работу токовых защит и ликвидированных успешными действиями АПВ.

1.1

°7:30 3:00 8:30 9:00 9:30

Время, ит

Рис. 3. Осциллограмма тока II в нейтрали автотрансформатора

На рисунке 4 представлена осциллограмма процесса перекрытия изоляции и возникновения дуги короткого замыкания, полученная с помощью блока записи мгновенных значений. Всего за два грозовых часа блок записи импульсных воздействий запускался 40 раз.

901-

Рис. 4. Осциллограмма мгновенного значения тока в нейтрали автотрансформатора в момент 8:31:30 ит Не каждое импульсное перекрытие изоляции переходит в устойчивую дугу короткого замыкания. На рисунке 5 показан случай, когда импульсное

перекрытие изоляции самоликвидировалось и не привело к возникновению КЗ и отключению линии. На рисунке 3 это событие даже не проявилось, так как не привело к возникновению значительных токов прямой или обратной последовательности.

Рис. 5. Осциллограмма мгновенного значения тока в нейтрали автотрансформатора в момент 8:34:59 иТ

Анализ результатов мониторинга. Для получения статистических данных по грозовой активности в Мурманской области, а, в частности, в районе подстанции «Выходной», была проанализирована накопленная информация с устройства регистрации ГИТ в период с октября 2011 года по декабрь 2017 года. Для подтверждения регистрации именно грозового воздействия, а не, допустим, коммутации, либо другого переходного процесса в сети, использовались архивные данные за выбранный временной промежуток мониторинга с веб-сайта системы грозопеленгации Blitzortung.org [4]. Также система позволяла выделить определенные временные рамки прохождения грозового фронта в исследуемой области, тем самым отметая импульсы другого происхождения. Это позволило собрать наиболее точные данные. Были созданы две базы данных по годам: грозовой интенсивности и соответствующих аварийных отключений ВЛ; аварийных отключений ВЛ в целом за год, вызванных не только обратными перекрытиями, но и перекрытиями, вызванными обледенением проводов, сильным ветром и другими причинами, включающие в себя информацию о дате, когда произошла гроза или сработало АПВ, количестве молниевых ударов, количестве АПВ и их длительности. Ниже представлены все полученные заключения по базам и их инфографика.

Так, при анализе данных базы грозовой активности было выявлено, что в 2014 году количество зафиксированных молниевых разрядов в постоянной составляющей тока нейтрали автотрансформатора 10 имело аномально высокое значение — 3949 импульсов (рис. 6). Для сравнения, количество разрядов в грозовой период остальных исследуемых годов (2012-2013 и 2015-2017 годы) варьировалось от минимального значения в 2015 году — 312 импульсов (в 12 раз меньше, чем в 2014), до максимального в 2012 году — 1751 импульс (в 2 раза меньше, чем в 2014).

Рис. 6. Гистограмма распределения количества молниевых разрядов

в 2012-2017 гг.

В среднем в год фиксируется по 1485 импульсов, что приблизительно в 3 раза меньше того количества, которое было зафиксировано в аномальный грозовой период.

Как видно из диаграммы на рисунке 7, хотя количество ударов молнии в линию и рядом с ней значительно не увеличивается от года к году и держится ниже среднего показателя (кроме 2014 года), но процент АПВ от общего количества импульсов имеет тенденцию к росту. Это говорит о несоответствующей и недостаточной молниезащите воздушных линий в радиусе 100 километров от подстанции «Выходной».

Рис. 7. Диаграмма процентного соотношения АПВ и грозовых разрядов

Помимо этого, по данным базы, фиксирующей грозовые разряды и соответствующие им автоматические повторные включения, были рассчитаны и представлены в виде диаграмм распределения средних значений по месяцам таких параметров, как число импульсов, число гроз и число АПВ (рис. 8). Так, в ходе анализа этих показателей была выявлена тенденция к увеличению количества грозовых импульсов с достижением максимума в августе и стремительным падением этого показателя в сентябре. Тот же самый характер прослеживается и для числа гроз и АПВ: показатель растет от месяца к месяцу, показывая максимальное значение в августе, и быстро снижается в сентябре.

Рис. 8. Гистограммы распределения по месяцам: а — числа грозовых ударов; б — числа гроз; в — числа АПВ

За все время мониторинга было зарегистрировано 77 гроз, из них 47 было причиной хотя бы одного автоматического повторного включения воздушной линии из-за обратного перекрытия изоляции. Отсюда следует, что каждая вторая гроза сопровождается срабатыванием токовой защиты. А в некоторых случаях, количество АПВ за одну грозу может быть больше 10. Это все указывает на низкую грозоупорность линии, то есть ее слабую устойчивость к воздействию

грозовых перенапряжений. По полученным данным, среднее число аварийных отключений линий, питаемых подстанцией «Выходной», равняется 26 в год.

Также по второй базе данных, включающей в себя информацию по числу и продолжительности всех АПВ за год, были проанализированы результаты их регистрации в токе первой гармоники 11 в нейтральном проводе автотрансформатора. Для проведения оценки материалов этой базы АПВ разделили на две группы: первая — следствием которых является грозовое воздействие и вторая - все остальные, причинами появления которых могли стать обледенение проводов, их обрыв, налет птиц на воздушную линию, сильный ветер, перекрытие изоляции в связи с ее изношенностью и многое другое. Исходя из этого разбиения, было выявлено примерно равное соотношение между количеством первой и второй категории в год: 26 на 25 отключений. Из этого следует, что каждое второе АПВ, записанное устройством мониторинга ГИТ, происходит именно в грозовой сезон.

О срабатывании АПВ мы можем судить лишь косвенно по осциллограмме первой гармоники 11. На ней виден скачок тока в виде ступени при коротком замыкании вследствие пробоя изоляции и его последующее мгновенное падение при действии токовой защиты и АПВ линии. Каждая такая ступень имеет свой временной интервал для каждого отдельного случая.

Также, в ходе анализа второй базы данных, был построен график (рис. 9) среднего числа АПВ в месяц, не включающих грозу. Линейная аппроксимация показывает, что число срабатываний релейной защиты в течение года держится на уровне двух. Но, имеются месяцы, выделяющиеся из этого тренда: январь, апрель, сентябрь и ноябрь. Возможно, рост числа АПВ связан как с сезонным изменением объема потребляемой электроэнергии, так и с темпами производства питаемых предприятий. А падение может быть следствием ремонта ВЛ после грозового сезона.

Число АПВ

Рис. 9. График распределения среднего числа АПВ, не включающих грозу, в течение года

Выводы

При условии, что система мониторинга ГИТ в нейтралях автотрансформаторов не является специализированным инструментом для регистрации грозовых воздействий, она позволяет получить статистические оценки интегрального воздействия молний на энергосистему, благодаря обширному массиву накопленных данных.

В ходе анализа данных получены следующие заключения:

- в 2014 году была выявлена аномально высокая грозовая активность, причем количество разрядов, ударивших в линию или вблизи от нее, превышало среднее число импульсов в год в 3 раза;

- была обнаружена опасная тенденция к увеличению процента АПВ от общего количества импульсов молнии;

- с увеличением грозовой активности в течение сезона растет и число АПВ: уровень защиты изоляции ВЛ, выполненной согласно нормативным документам, является заниженным, вследствие чего изоляция не выдерживает ненормированные нагрузки;

- каждая вторая гроза в районе подстанции «Выходной» сопровождается аварийным отключением;

- каждое второе АПВ, зафиксированное устройством мониторинга ГИТ, происходит в грозовой сезон;

- в среднем в месяц происходит по 2 аварийных отключения (не учитывая те, которые вызваны ударами молний). В связи с сезонными изменениями нагрузки питаемых потребителей и предприятий, а также плановых ремонтов, часть месяцев показывает сильные отклонения от приведенного значения.

Таким образом, нормативная документация по грозозащите воздушных линий в Мурманской области требует доработки и внесения изменений в связи с новыми данными, полученными во время исследования. Для этого необходимо развивать специализированные системы регистрации грозовой активности на Кольском полуострове для получения более точной информации и поддержания бесперебойного электроснабжения потребителей.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Мурманской области в рамках научного проекта № 17-48-510199

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. Баранник М. Б., Данилин А. Н., Катькалов Ю. В., Колобов В. В., Сахаров Я. А., Селиванов В. Н. Система регистрации геоиндуктированных токов в нейтралях силовых автотрансформаторов // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 1. С. 118.

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

4. Молния и гроза в реальном времени — Архивные данные по запросу: [сайт]. URL: http://ru.blitzortung.org/archive_data.php?map=11/ (дата обращения: 20.04.2018).

Сведения об авторах

Аксенович Татьяна Валерьевна,

студент кафедра физики, биологии и инженерных технологий филиала Мурманского

арктического государственного университета в г.Апатиты,

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А

Эл. почта: aksenovich.tanya@gmail.com

Бурцев Антон Владимирович,

Младший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: a.burtsev@tehnonord.ru

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

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.63-70 УДК 621.311

О. В. Залесова, А. В. Богданова

ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЛИЯНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 25 кВ НА ВЛ КЛАССА НАПРЯЖЕНИЯ 110-150 кВ В ЗОНЕ ВЫСОКООМНЫХ ГРУНТОВ

Аннотация

Предложен расчетный комплекс для оценки уровня наведённого напряжения на проводах отключённой воздушной линии электропередачи, вызванных электромагнитным влиянием контактной сети железной дороги переменного тока. Представлены результаты расчётов наведённого напряжения на воздушных линиях электропередачи класса напряжения 110-150 кВ при влиянии одно- и двухпутного участков железной дороги. Ключевые слова:

электромагнитное влияние, электрифицированная железная дорога переменного тока, воздушная линия электропередачи.

O. V. Zalesova, A. V. Bogdanova

ESTIMATION OF ELECTROMAGNETIC INFLUENCE OF THE 25 kV AC TRACTION NETWORK ON OVERHEAD POWER LINES IN THE AREA OF HIGH-RESISTANCE SOIL

Abstract

The program complex for an estimation of the inducted voltage level on de-energized power lines exposed to electromagnetic fields influence of the overhead contact system has been propounded. Calculations results of the induced voltage on 110-150 kV overhead power lines caused by the influence of single- and double-track railway lines have been presented. Keywords:

overhead power line, AC electric railway, electromagnetic influence.