КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-29-00413

НазваниеТеоретические и экспериментальные исследования геоиндуктированных токов в магистральной электрической сети «Северный транзит»

РуководительСеливанов Василий Николаевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Кольский научный центр Российской академии наук», Мурманская обл

Годы выполнения при поддержке РНФ 2022 - 2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-305 - Физические аспекты получения, преобразования и передачи электроэнергии

Ключевые словагеомагнитные бури, геоиндуктированные токи, магистральные линии электропередач, трансформатор, мониторинг

Код ГРНТИ45.03.09


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Мировой опыт показал, что геомагнитные бури (ГМБ) являются причиной разнообразных функциональных нарушений и аварий электрооборудования в системах проводной связи, в электроэнергетических системах, системах сигнализации и связи на железнодорожном транспорте, в системах антикоррозионной защиты магистральных нефтегазопроводов, в системах управления и контроля, которые интенсивно оснащаются новой микропроцессорной техникой, высокочувствительной к помехам [1-4]. Основным негативным фактором воздействия ГМБ является генерирование геоиндуктированных токов (ГИТ), возникающих в протяженных наземных и подземных проводящих коммуникациях, имеющих гальваническую связь с окружающей землей не менее чем в двух пространственно разделенных точках. В случае протекания ГИТ в протяженной электрической сети с трансформаторами или автотрансформаторами с глухозаземленной нейтралью, кривая намагничивания трансформаторов может сместиться, что приведет к полупериодному насыщению сердечника. Это приводит к многократному возрастанию токов намагничивания, что, в свою очередь, приводит к нарушениям симметрии передачи энергии по фазам, появлению высших гармоник, перегреву стали сердечников, резкому росту вибраций, и в конечном итоге, к ускоренному старению изоляции силовых трансформаторов и нарушениям электроснабжения. Кроме того, геомагнитное воздействие носит кумулятивный эффект, снижая срок службы трансформатора. В итоге, при наиболее опасных геомагнитных возмущениях, в некоторых энергосистемах возможно возникновение серьезных аварий, подобных тем, что произошли в конце прошлого века в пик геомагнитной активности в северных районах США и Канады [5]. В электрических сетях России не предусмотрена фиксация отключений и повреждений, вызванных действием ГМБ. В ряде энергосистем (Колэнерго, Норильск, Хантайская ГЭС) проводились регистрации ГИТ в нейтралях трансформаторов тупиковых подстанций. Обнаружена корреляция этих токов с магнитограммами ГМБ. Был выполнен анализ аварий, причины которых не установлены, в трех энергосистемах: АО Колэнерго, АО Карелэнерго и АО Архэнерго. В результате была установлена хорошая корреляция между К-индексом (характеризующим уровень возмущения магнитного поля Земли в 3-х часовом интервале) и отключениями в сетях по неустановленным причинам. Следует отметить, что в Финляндии, расположенной в условиях, сходных с северо-западом России, изучение воздействия ГМБ на электрические сети проводится непрерывно с 1977 года. Прямыми измерениями установлено, что в сетях напряжением 400 кВ во время больших магнитных бурь индуктируются ГИТ амплитудой до 200 А, в том числе и на юге Финляндии в линии электропередачи, идущей к АЭС "Loviisa" [6]. Таким образом, для Российской энергетики задача защиты энергосистем от воздействия ГМБ является также актуальным аспектом их надежности и безопасности. Как и в зарубежных странах, проблема отрицательного воздействия ГМБ на электрические сети будет неминуемо возрастать. Это связано также с дальнейшим ускоренным развитием энергосистем в северных регионах в связи с изменение геополитической обстановки на южных границах: потерей энергетических источников и коммуникаций, экономической нестабильностью. По этим же причинам большее значение будут приобретать оборонный и космический комплексы Севера страны, энергетические коммуникации которых также подвержены действию ГМБ. Кольский научный центр РАН совместно с Полярным геофизическим институтом с 1986 г. проводит работы по исследованию влияния геомагнитных бурь на состояние электрических сетей и трансформаторных подстанций на Кольском полуострове и в Карелии. В 2011 г. в рамках международного проекта EURISGIC – European Risk from Geomagnetically Induced Currents (грант Европейского Союза EURISGIC FP7-SPACE-2010-1 №260330) [7] была создана региональная система мониторинга токов в нейтралях трансформаторов, накопившая значительный массив информации о влиянии геомагнитных возмущений на магистральную электрическую сеть протяженностью 800 км [8]. Система мониторинга включает в себя три устройства регистрации ГИТ на подстанциях 330 кВ «Выходной», «Лоухи» и «Кондопога», сервер сбора, хранения и обработки данных, веб-сервер http://eurisgic.org, магнитовариационную станцию LOZ (Ловозеро). Система работает в автоматическом режиме, размещая результаты в базе данных в почти реальном времени. За десять лет бесперебойной и непрерывной работы оборудование физически и морально устарело, требует обновления и постоянного обслуживания. Также значительные средства расходуются на поездки к местам установки регистраторов в Мурманской области и Карелии, а также услуги связи на передачу данных мониторинга. Поэтому, одной из задач проекта является поддержание в актуальном состоянии уникальной не только в России, но и в мире системы мониторинга геоиндуктированных токов. Фундаментальной задачей проекта является анализ воздействия геомагнитных бурь на надежность функционирования проводных коммуникаций в зонах, где наблюдаются авроральные возмущения, т. е. в Арктической зоне России. Для достижения этой цели в проекте предусматривается теоретическое и экспериментальное исследование распределения геоиндуктированных токов в сложных системах протяженных воздушных проводников; проведение исследований влияния геоиндуктированных токов на оборудование энергетических систем; разработка рекомендаций по повышению надежности и безопасности эксплуатации оборудования. 1. V.D. Albertson, J.G. Kappenman, N. Mohan, and G.A. Skarbakka, “Load-flow studies in the presence of geomagnetically-induced currents,” IEEE Trans. Power App. Syst., vol. PAS-100, pp. 594–606, Feb. 1981. 2. A. Vilianen, and R. Pirjola, "Finnish geomagnetically induced currents project," IEEE Power Eng. Rev., vol. 15, no. 1, pp. 20-21, Jan. 1995. 3. D.H. Boteler, "Assessment of geomagnetic hazard to power systems in Canada," Nat. Hazards, vol. 23, no. 2-3, pp. 101-120, March 2001. 4. M. Myllys, A. Viljanen, Ø.A. Rui, and T.M. Ohnstad, “Geomagnetically induced currents in Norway: The northernmost high-voltage power grid in the world,” J. Space Weather Space Clim., vol. 4, no. A10, 2014. 5. L. Bolduc, “GIC observations and studies in the Hydro-Quebec system,” Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 64. 1793-1802. 2002. 6. A. Viljanen, O. Amm, and R. Pirjola “Modeling geomagnetically induced currents during different ionospheric situations,” J. of Geophysical Research, vol. 104, no. A12, pp. 28,059-28,071, December 1, 1999. 7. A. Viljanen, “European project to improve models of geomagnetically induced currents,” Space Weather, no. 9, p. S07007, 2011. 8. M.B. Barannik, A.N. Danilin, Yu.V. Kat’kalov, V.V. Kolobov, Ya.A. Sakharov, V.N. Selivanov, A “System for Recording Geomagnetically Induced Currents in Neutrals of Power Autotransformers”, Instruments and Experimental Techniques, 2012, Vol. 55, No. 1. pp. 110–115.

Ожидаемые результаты
Мировой опыт показал, что геомагнитные бури являются причиной разнообразных функциональных нарушений и аварий электрооборудования в электроэнергетических системах. Рост аварийности, вызываемых ГМБ, привел, по западным оценкам, к экономическому ущербу, составляющему миллиарды долларов. Актуальной задачей по защите энергетических систем России является разработка отечественной единой системы прогнозирования и регистрации ГИТ в электроэнергетических системах, а также разработка методов и устройств защиты. Расчётные методы прогнозирования негативных геомагнитных эффектов являются недостаточно надёжными и достоверными. В этой связи данные мониторинга ГИТ представляют большую практическую и научную ценность. За весь срок выполнения нами проекта для решения поставленной задачи предполагается выполнить теоретические и экспериментальные исследования, включающие в себя: 1. организацию сбора первичной информации о возмущениях геомагнитного поля и наведенных токов в системах электропередачи; анализ многолетних результатов мониторинга ГИТ в электрических сетях и определение функции отклика электроэнергетической системы на локальные возмущения геомагнитного поля; 2. обеспечение функционирования, модернизация и развитие уникальной системы мониторинга геоиндуктированных токов; разработку проекта системы непрерывного мониторинга геомагнитных возмущений и ГИТ в энергосистемах континентальной части Арктической зоны России; 3. определение корреляции между солнечными бурями и опасными воздействиями на электроэнергетические; построение схемы распределения зон повышенной опасности электромагнитных воздействий от геомагнитных возмущений и разработку комплекса предложений по организации прогноза возмущений геоэлектрического поля в выбранных зонах для ожидаемого уровня геомагнитной активности; 4. выполнение оценки влияния ГИТ на надежность функционирования и безопасную эксплуатацию электроэнергетических систем; разработку комплекса технических и организационных мероприятий для уменьшения негативного воздействия геомагнитных возмущений на электроэнергетические системы.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Главная цель проекта - сохранение, поддержание в работоспособном состоянии и развитие уникальной для РФ системы мониторинга геоиндуктированных токов (ГИТ) в магистральной электрической сети «Северный транзит». Произведена закупка комплектующих и расходных материалов для ремонта и модернизации оборудования устройств мониторинга геоиндуктированных токов на подстанциях Выходной, Лоухи, Кондопога и Ревда. Произведен ремонт блоков регистрации ГИТ на подстанциях Ревда и Выходной с заменой корродировавших корпусов и обслуживанием устройств сбора данных. Изготовлен комплект одного устройства регистрации геоиндуктированных токов в нейтрали автотрансформатора, который будет установлен на одной из подстанций 330 кВ в 2023 г. Разработан принцип и устройство регистрации ГИТ бесконтактным дифференциальным методом в фазных проводах воздушных линий. На программное обеспечение микроконтроллера датчика магнитного поля подана заявка в Роспатент на государственную регистрацию программы для ЭВМ. Опытная эксплуатация устройства подтвердила перспективность дифференциального метода для измерения геоиндуктированных токов в проводах ВЛ. Поддерживался непрерывный мониторинг геомагнитных возмущений и геоиндуктированных токов в энергосистеме «Северный транзит», передача и обработка результатов мониторинга в режиме реального времени на сервере данных и размещение полученных данных в глобальной сети Интернет. Для того, чтобы данные мониторинга использовались ещё более широким кругом исследователей, была создана база данных в виде сетевого ресурса http://gic.en51.ru/. База данных (БД) содержит результаты измерений ГИТ в нейтралях автотрансформаторов на трех подстанциях 330 кВ магистральной электрической сети «Северный транзит» за период 2011-2022 гг. По запросу, сформированному с помощью html формы, данные за выбранные сутки могут быть извлечены из БД либо в виде текстового файла, содержащего результаты измерений ГИТ с периодом выборки 0.5 секунды, либо в виде графического файла с кривой амплитуды ГИТ. В базе содержатся свыше 20000 текстовых и графических файлов, сгруппированных по типам и по подстанциям в шести папках общим объемом свыше 45 Гб. Получено свидетельство о государственной регистрации базы данных. Выполнен анализ результатов мониторинга геоиндуктированных токов в электрических сетях и определены функции отклика электроэнергетической системы на локальные возмущения геомагнитного поля на основе первичной информации о возмущениях геомагнитного поля и наведенных токах в системах электропередачи. Выполнено исследование квазипостоянных токов в автотрансформаторах с применением метода вейвлет-преобразования для определения их точных спектральных характеристик. Анализ скейлограмм ГИТ показал, что частотный диапазон рассмотренных ГИТ составляет 1.5-3.6 мГц. Исходя из задач исследования, для анализа был выбран вейвлет Морле, обеспечивающий наилучшую точность определения значений частот ГИТ и времени его присутствия. Исследование квазипостоянных токов на двух подстанциях системы мониторинга позволило сравнить различие в откликах энергетической системы в разных точках в период геомагнитной бури. На основе сравнения максимальных значений ГИТ, зафиксированных во время геомагнитных бурь 24 солнечного цикла, был сделан вывод о существенном влиянии топологии электрической сети на величину ГИТ в нейтралях автотрансформаторов. Главные результаты проведенного анализа: - частотный диапазон 1.5-3.6 мГц проанализированных ГИТ совпадает с частотным диапазоном Pc5/Pi3 пульсаций, и именно на этих частотах были зафиксированы максимальные значения ГИТ; - на полученных скейлограммах квазипостоянных токов отсутствуют постоянные частоты; - исследование сигнала ГИТ с отрезками, имеющими большой разброс в амплитуде, не дает ясных результатов о частотном составе ГИТ при меньших амплитудах; - топология электрической сети определяющим образом влияет на величину ГИТ в нейтралях автотрансформаторов. Определены характеристики спектра гармоник тока промышленной частоты в нейтралях силовых трансформаторов. При анализе данных многолетнего мониторинга ГИТ в нейтралях автотрансформаторов 330 кВ были зарегистрированы три типа явлений подмагничивания постоянным током: ГИТ, броски тока намагничивания и токи от мощных преобразователей промышленных установок горно-обогатительных комбинатов Мурманской области. Общим у этих видов электромагнитных воздействия является низкая частота сигнала по сравнению с промышленной частотой 50 Гц, что дает основание полагать их постоянными или квазипостоянными. Постоянные токи подмагничивания внедряются в электрическую сеть через заземленные нейтрали силовых трансформаторов и автотрансформаторов, протекая через их обмотки, обмотки измерительных трансформатор и шунтирующих реакторов, вызывая их полупериодное насыщение и повышение содержания высших гармоник. По результатам обработки кривых тока в нейтрали нами были получены зависимости амплитуд токов гармоник от ГИТ. Сделан вывод, что немонотонный ход функциональной зависимости гармоник тока от величины ГИТ в нейтрали силового автотрансформатора определяется нелинейной вебер-амперной характеристикой его магнитной системы. Выполнено моделирование процесса подмагничивания нелинейной катушки индуктивности постоянным током с использованием различных аппроксимаций кривых намагничивания, с учетом потерь в магнитопроводе и силовой нагрузки трансформатора. Показано, что введение различных условий и дополнительных данных в модель изменяет количественные характеристики, но не качественный ход зависимостей амплитуд гармоник от величины тока подмагничивания. В 2022 г. результаты работы по гранту были представлены на трех российских и международных научных мероприятиях. Пресс-службой ФИЦ КНЦ РАН опубликовано интервью с группой «О неестественном влиянии естественных процессов» https://www.ksc.ru/press-sluzhba/novosti/novosti-nauki/o-neestestvennom-vliyanii-estestvennykh-protsessov/. По заказу департамента оперативного управления в ТЭК Минэнерго России 2 июня 2022 г. на семинаре-совещании по новым технологиям в режиме видеоконференции Селиванов В.Н. представил доклад на тему «Исследование влияния геомагнитных возмущений на надежность работы электрических сетей в Арктической зоне Российской Федерации».

 

Публикации

1. - О неестественном влиянии естественных процессов Сайт ФИЦ КНЦ РАН, номер свидетельства ЭЛ № ФС 77 - 75270, дата публикации 8 ноября 2022 (год публикации - ).

2. Аксенович Т.В., Билин В.А., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Wavelet analysis of geomagnetically induced currents during the strong geomagnetic storms Russian Journal of Earth Sciences, - (год публикации - 2022).

3. Деспирак И.В., Сецко П.В., Сахаров Я.А., Любчич А.А., Селиванов В.Н., Валев Д. Observations of Geomagnetic Induced Currents in Northwestern Russia: Case Studies Geomagnetism and Aeronomy, Vol. 62, No. 6, pp. 711-723 (год публикации - 2022).

4. Селиванов В.Н., Аксенович Т.В., Билин В.А., Сахаров Я.А. Результаты длительного мониторинга геоиндуктированных токов в магистральной электрической сети «Северный транзит» Семнадцатая ежегодная конференция «Физика плазмы в солнечной системе», ИКИ РАН, Москва, 7-11 февраля 2022 г., С. 256 (год публикации - 2022).

5. Селиванов В.Н., Билин В.А., Колобов В.В., Сахаров Я.А. Геоиндуктированные токи в магистральной электрической сети «Северный транзит» -, RU2022623220 05.12.2022 Бюл. № 12 (год публикации - ).