Влияние геомагнитных бурь на режимы работы силовых трансформаторов систем электроснабжения

На правах рукописи

КРЕТОВ Дмитрий Алексеевич

ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ НА РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Вахнина Вера Васильевна

Официальные оппоненты: Угаров Геннадий Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

Левин Михаил Александрович,

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», доцент кафедры «Эксплуатация энергооборудования и электрические машины»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится 27 декабря 2012 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корпус 1, ауд.319

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «21» ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.Б. Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Аварийные ситуации в системах электроснабжения (СЭС) непредсказуемы и могут быть вызваны многими факторами: отказом оборудования, неправильными и несогласованными действиями обслуживающего персонала, а также различными природными воздействиями, к которым относятся и геомагнитные бури (ГМБ). Во время ГМБ вариации геомагнитного поля индуцируют на поверхности Земли медленно меняющееся электрическое поле. Горизонтальная компонента геоэлектрического поля характеризуются напряженностью 1 – 20 В/км и временем изменения от 10 с до 30 минут, вектор напряженности этого поля преимущественно ориентирован по меридиану. В связи с этим, во время ГМБ между заземленными нейтралями силовых трансформаторов (СТ) СЭС возникает ЭДС. На протяженных линиях электропередач (ЛЭП) ЭДС может достигать нескольких киловольт, и в ЛЭП появляется квазипостоянный ток, который принято называть геоиндуцированным током (ГИТ).

Основное воздействие ГИТ на СЭС заключается в насыщении магнитопроводов силовых трансформаторов, сдвигая рабочий линейный режим СТ в нелинейную часть кривой намагничивания. При этом часть магнитного потока вытесняется из магнитопровода, увеличивается поток рассеяния, что вызывает дополнительные потери и нагрев конструктивных элементов силовых трансформаторов. Дополнительный нагрев твердой изоляции и масла вызывает газообразование, что может привести к срабатыванию газовой защиты и отключению СТ, а так же приводит к снижению срока эксплуатации силовых трансформаторов.

В связи с этим учет влияния геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях на режимы работы силовых трансформаторов в системах электроснабжения является актуальным.

Исследование процессов на действующих силовых трансформаторах в системе электроснабжения – проведение натурных экспериментов при ГМБ невозможно. Поэтому необходимо использование альтернативных методов, которые позволят исследовать режимы работы основных элементов СЭС, в том числе и СТ, выявить аварийные ситуации и выработать меры по снижению или предотвращению негативного воздействия геомагнитных бурь на силовые трансформаторы

Объект исследования – силовой трансформатор ТДЦ 400000/220 системы электроснабжения.

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

Цель работы – разработка методов определения влияния геомагнитных бурь на режимы работы силовых трансформаторов систем электроснабжения и допустимых значений геоиндуцированных токов для обеспечения их нормального функционирования.

Задачи исследования:

1. Разработать методику расчета тока намагничивания силового трансформатора при протекании геоиндуцированного тока в обмотках силового трансформатора с учетом насыщения его магнитопровода;
2. Разработать математическую модель силового трансформатора при геомагнитных бурях с учетом нелинейности кривой намагничивания электротехнической стали магнитопровода;
3. Разработать методику расчета дополнительных потерь активной мощности и температуры наиболее нагретой точки бака и обмоток силового трансформатора при геомагнитных бурях;
4. Произвести модернизацию стандартных библиотечных блоков двух- и трехобмоточного трансформаторов, имеющихся в библиотеке SimPowerSystems, для автоматизации процесса расчета параметров схемы замещения элементов и сокращения общего времени создания расчетной модели системы электроснабжения при геомагнитных бурях;
5. Установить допустимые значения геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях для различных коэффициентов загрузки силового трансформатора для обеспечения его нормального функционирования в системе электроснабжения.

Методы и средства исследований. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического анализа, преобразования Фурье и компьютерного моделирования систем электроснабжения (MATLAB R2009a с пакетом расширения Simulink). Полученные результаты компьютерного моделирования находятся в хорошем качественном согласии с результатами экспериментов по воздействию ГИТ на силовые трансформаторы. При выполнении работы использовались труды российских и зарубежных ученых, а также материалы конференций и семинаров.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель силового трансформатора с учетом нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от геиндуцированного тока при моделировании процессов в СЭС при геомагнитных бурях;
2. Результаты расчета дополнительных потерь и температуры наиболее нагретой точки бака и обмоток силового трансформатора при геомагнитных бурях;
3. Установленные допустимые значения геоиндуцированных токов при геомагнитных бурях для различных коэффициентов загрузки силового трансформатора для обеспечения его нормального функционирования в системе электроснабжения.

Научная новизна работы.

1. Показано, что введение в математическую модель силового трансформатора нелинейной взаимной индуктивности ветви намагничивания от величины геиндуцированного тока, позволяет учесть насыщение магнитопровода силового трансформатора при геомагнитных бурях;
2. Доказано, что при протекании геоиндуцированного тока по обмоткам силового трансформатора происходит увеличение дополнительных потерь активной мощности и нагрев бака и обмоток силового трансформатора от вихревых токов и возросшего в сотни раз тока намагничивания в результате насыщения магнитопровода;
3. Разработана комплексная методика расчета геоиндуцированных токов, токов намагничивания, мгновенны значений токов и напряжений силовых трансформаторов при геомагнитных бурях различной интенсивности в программном продукте MATLAB (Simulink);
4. Разработан подход к учету нагрузочной способности силовых трансформаторов, который дает возможность установить допустимые значения ГИТ при геомагнитных бурях для обеспечения нормального функционирования силовых трансформаторов систем электроснабжения.

Практическая ценность работы

Реализация результатов работы.

Результаты работы были рекомендованы к использованию для расчетов уровней геоиндуцированных токов в обмотках силовых трансформаторов и дополнительного нагрева СТ при их различной нагрузке и различных интенсивностях ГМБ и внедрены в филиале ОАО «Волжская межрегиональная распределительная сетевая компания Волги - Самарские распределительные сети Жигулевское производственное отделение», что подтверждается актом внедрения выполненных работ. Результаты используются в учебном процессе Тольяттинского государственного университета при чтении курсов лекций «Моделирование в электротехнике», «Компьютерное моделирование систем электроснабжения» и «Устойчивость систем электроснабжения».

Апробация работы.

Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IV Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов (Москва, 2008); «Энергосбережение на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (Стерлитамак, 2009), «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2009, 2012), II, V, VI Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007, 2010, 2011), III международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: инновации в технических, естественных, математических и гуманитарных науках» (Москва, 2012), ХLII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Федоровские чтения - 2012» (Москва, 2012) 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 15 работ из них 3 работы в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем составляет 147 печатных страниц, в том числе 24 таблицы и 87 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы, представлены теоретическая и методологическая основа диссертационного исследования, научная новизна и основные результаты, практическая ценность работы, показаны реализация и апробация работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан аналитический обзор существующего состояния проблемы влияния геомагнитных бурь на режимы работы силовых трансформаторов систем электроснабжения.

Анализ современного состояния проблемы показал, что интенсивность геомагнитных бурь зависит от магнитной широты и особенностей геологического строения земной поверхности.

Магнитосферные и ионосферные электрические токи создают на поверхности Земли вариации геомагнитного и геоэлектрического поля, вызывающие так называемые геоиндуцированные токи (ГИТ) в длинных замкнутых (заземленных) проводящих системах. В системы электроснабжения ГИТ проникает через заземленные нейтрали силовых трансформаторов (рис.1).

Рис.1. Схема проникновения ГИТ в нейтраль силового трансформатора при Y -схеме включения трех фаз с заземленной нейтралью

Наиболее интенсивно геоиндуцированные токи оказывают влияние на силовые трансформаторы систем электроснабжения при высоких скоростях изменения геомагнитного поля и зависят от размеров области распространения возмущения геомагнитного поля; длины и связанности линий электропередач; географического расположения точек, в которых СЭС контактирует с земной поверхностью.

Проведенный анализ, в основу которого положены научные работы отечественных и зарубежных ученых А.Я. Абдурахманова, Э.С. Бабаева, А.В. Белова, А.И. Гершенгорна, V.D. Albertson, J. Aubin, P.R. Barnes, D. Beamish, J. Beland, L. Bolduc, D.H. Boteler, J. Elovaara, G. Kappenman, A.J. Key, R. Pirjola, A. Pulkkinen и др., привел к выводу, что во время сильных геомагнитных бурь возможно увеличение числа отказов в работе СЭС по сравнению с относительно спокойными днями по следующим причинам: увеличение потребления реактивной мощности, перегрев силовых трансформаторов, ложные срабатывания релейной защиты и автоматики падения напряжения, и т.д.

Из анализа работ по рассматриваемой проблематике была поставлена цель диссертационной работы, сформулированы задачи, которые ставятся и решаются в диссертационной работе.

Во второй главе разработана математическая модель силового трансформатора с учетом насыщения магнитопровода геоиндуцированными токами при геомагнитных бурях.

Для анализа процессов насыщения магнитопроводов силовых трансформаторов при одновременном намагничивании переменным и постоянным магнитными полями выполнен расчет моделей: обмотки с бесконечным ферромагнитным сердечником и обмотки с бесконечным ферромагнитным сердечником и цилиндрической магнитной оболочкой. Обмотка в моделях заменена круговым поверхностным током I, текущим по круговой ленте.

Векторный потенциал обмотки с бесконечным ферромагнитным сердечником:

(1)

Векторный потенциал модели обмотки с бесконечным ферромагнитным сердечником и цилиндрической магнитной оболочкой:

(2)

В системах (1) и (2): r0, r1, r2, r3 - геометрические параметры моделей; I1 и K1 – модифицированные функции Бесселя первого и второго рода первого порядка; коэффициенты C1, C2, A, B, D, E, F, G определяются из граничных условий. Расчёты моделей выполнены в цилиндрической системе координат (r,,z).

Получены зависимости индуктивностей обмоток от величины намагничивающего тока (рис.2). Наибольшие отличия в индуктивностях достигаются при малых токах намагничивания, а при больших токах намагничивания отличия незначительны, что связано с насыщением магнитной оболочки и уменьшением при этом её магнитной проницаемости.

Рис.2. Зависимость для обмотки с бесконечным ферромагнитным сердечником и цилиндрической магнитной оболочкой при м,

Разработана модель ветви намагничивания силового трансформатора при геомагнитных бурях. Установлено, что при геомагнитных бурях взаимная индуктивность ветви намагничивания силового трансформатора связана зависимостью магнитной проницаемости магнитопровода силового трансформатора от протекающего в обмотке тока намагничивания, который при ГМБ является функцией от ГИТ:

, (3)

где w1 – число витков первичной обмотки СТ; – площадь поперечного сечения сердечника; lср – средняя длина магнитной линии; – эмпирический коэффициент, зависящий от конструкции силового трансформатора.

Функция определяется из кривой намагничивания B = f(H) и зависит от величины геоиндуцированного тока. При возрастании ГИТ и насыщении магнитопровода СТ магнитная проницаемость сердечника уменьшается в десятки раз и в пределе стремится к единице.

Для расчета взаимной индуктивности ветви намагничивания силовых трансформаторов должны быть заданы:

- конструктивные параметры силового трансформатора: сечение стержня магнитопровода S, средняя длина магнитной линии lср, количество витков первичной обмотки w1;

- параметры петли магнитного гистерезиса стали магнитопровода силового трансформатора: коэрцитивная сила Hc, остаточная индукция Br и индукция насыщения Bs для моделирования кривой намагничивания B=f(H);

- параметры схемы замещения СЭС (паспортные электрические параметры силового трансформатора и линии электропередачи, сопротивления заземляющего устройства и грунта и др.);

- напряженность геоэлектрического поля Е(х,у).

Алгоритм расчета взаимной индуктивности M(iГИТ) реализован с помощью математического пакета MATLAB (рис.3).

Рис.3. Алгоритм расчета нелинейной взаимной индуктивности силовых трансформаторов при геомагнитных бурях

Разработана математическая модель однофазного двухобмоточного СТ, учитывающая влияние ГИТ:

(4)

Для математической модели СТ справедлива Т-образная схема замещения, учитывающая нелинейность ветви намагничивания при протекании ГИТ (рис.4).

Рис.4. Т-образная схема замещения однофазного двухобмоточного силового трансформатора при одновременном намагничивании переменным и постоянным магнитным потоками

Математические модели для однофазного трёхобмоточного, трехфазного силовых трансформаторов или автотрансформаторов аналогичны (4).

Разработанные математические модели силовых трансформаторов и автотрансформаторов отличаются от принятых моделей введением нелинейной зависимости взаимной индуктивности ветви намагничивания от геоиндуцированного тока для учета насыщения магнитной системы при моделирования процессов СЭС при геомагнитных бурях. Разработанные математические модели силовых трансформаторов и автотрансформаторов позволят исследовать и оценивать влияние ГИТ на системы электроснабжения при геомагнитных бурях.