Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

О журнале

Сотрудничество

Рекламодателю

Подписка

Главная / №5 (41) Сентябрь-Октябрь 2011 / Есть мнение

Силовые трансформаторы тоже подвержены влиянию Солнца

Автор:
ГУРЕВИЧ Владимир Игоревич,
кандидат технических наук, эксперт комитета ТС-94 Международной электротехнической комиссии (МЭК)

Жизнь на Земле, как известно, зависит от Солнца и процессы, протекающие на нем, существенно влияют на все живое на Земле. Но, оказывается, не только нежные биологические объекты подвержены влиянию этих процессов, в частности, солнечным бурям, но и «железные монстры» — огромные силовые трансформаторы. В статье Владимира Гуревича рассматривается мало известная специалистам-энергетикам проблема и предлагаются пути ее решения.

Геомагнитные индуцированные токи — это токи, протекающие в земле, вызванные геомагнитными возмущениями в магнитосфере Земли. Эти токи наводятся и в протяженных металлических предметах, находящихся в земле, таких как трубопроводы, рельсы железных дорог, кабели. Сильные возмущения в магнитосфере земли возникают во время солнечных бурь, сопровождающихся выбросом огромного количества ионизированной плазмы в направлении Земли, рис. 1.

В ионосфере Земли, расположенной в нескольких сотнях километров над поверхностью Земли, под действием магнитного поля Земли и ее вращения вокруг своей оси всегда протекают электрические токи. Они поддерживаются за счет постоянного образования большого количества заряженных частиц — ионов и свободных электронов из расщепляемых солнечной радиацией молекул атмосферных газов. Эти электрические токи оказывают существенное влияние на формирование магнитного поля Земли. Во время солнечных бурь особо мощные потоки протонов и электронов солнечной плазмы резко увеличивают электрические токи, протекающие в ионосфере.

Рис. 1. Искажение магнитного поля Земли под воздействием выбросов Солнечной плазмы

Резкие изменения этих токов приводят не только к резким изменениям магнитного поля Земли но и к возникновению геомагнитных индуцированных токов и наведению больших токов в протяженных линиях электропередач. Эти наведенные токи замыкаются через заземленные нейтрали силовых трансформаторов, рис. 2.

Рис. 2. Схема наведения токов в ЛЭП и земле электрическими токами ионосферы

Поскольку эти токи имеют очень низкую частоту, то их протекание через обмотки трансформаторов приводит к насыщению магнитопроводов трансформаторов и к резкому снижению их импеданса. Как известно, постоянная составляющая в токе силового трансформатора появляется также в момент его включения, поэтому реле защиты силовых трансформаторов обычно отстроены от постоянной составляющей в токе и не реагируют на нее.

Кроме того, постоянный ток (или ток очень низкой частоты) практически не передается через трансформаторы тока. Таким образом, обычная релейная защита не будет реагировать на индуцированные токи, насыщающие трансформатор и он просто сгорит. В истории известны случаи сгорания силовых трансформаторов под действием геомагнитных индуцированных токов во время солнечных бурь. Так, в 1989 г. скромный по масштабам солнечный шторм привел к повреждению силовых трансформаторов сверхвысокого напряжения и на 9 часов погрузил во тьму канадскую провинцию Квебек. На АЭС Salem в американском штате Нью Джерси в это же время вышел из строя мощный силовой трансформатор сверхвысокого напряжения. 29 апреля 1994 г. вскоре после начала сильной геомагнитной бури на АЭС Maine Yankee полностью был выведен из строя мощный трансформатор сверхвысокого напряжения. 24 марта 1940 г. из-за сильнейшей геомагнитной бури было временно нарушено электроснабжение в некоторых регионах штатов Новой Англии, Нью-Йорка, Пенсильвании, Миннесоты, Квебека и Онтарио, выведено из строя 80% всех магистральных телефонных сетей в Миннеаполисе [1]. Необычайно сильная солнечная буря прогнозируется учеными NASA в 2012 (по некоторым прогнозам в 2013 г.). По прогнозам [1] и в другие периоды в ближайшие годы возможны сильные магнитные бури при которых по всему миру ожидаются сбои в энергосистемах. Они займут от нескольких часов до нескольких месяцев (в связи с отсутствием во многих энергосистемах резервных силовых трансформаторов). Это грозит настоящим коллапсом для современного человечества, слишком зависимого от современных технологий и уязвимого к катастрофам такого рода.

Аналогичные, по своей физической природе, воздействия на силовые трансформаторы оказывает и компонент Е3 высотного ядерного взрыва [2], который сегодня серьезно рассматривается военными во многих странах как разновидность, так называемого «нелетального оружия», направленного на разрушение инфраструктуры, а не на уничтожение людей и поэтому являющегося особо привлекательным.

Особенностью силовых трансформаторов является то, что в случае выхода из строя их невозможно быстро заменить, в отличие от электронных приборов, которые также подвержены повреждениям при таких воздействиях [3].

В связи с изложенным, становится понятной актуальность решения проблемы защиты силовых трансформаторов от повреждения при воздействии индуцированных геомагнитных токов низкой частоты.

Одно из предложенных на Западе решений проблемы заключается во включении в нейтраль трансформатора токоограничивающего элемента емкостного типа (мощного конденсатора) допускающего протекание через него в нормальном режиме работы переменного тока промышленной частоты (вызванного несимметрией фазных токов), но препятствующего протеканию низкочастотного индуцированного геомагнитного тока. В некоторых Западных источниках даже приводится стоимость такого токоограничивающего элемента (около 40 тыс. долларов США) и отмечается, что в настоящее время Конгресс США рассматривает вопрос о выделении 150 млн долларов на установку таких элементов на наиболее важных трансформаторах. Серьезной проблемой этого решения является появление на то-коограничивающем элементе очень высоких напряжений при коротких замыканиях в сети (речь идет о трансформаторах напряжением 110 кВ и выше).

В качестве решения этой проблемы в [4], предложено использование специального очень мощного разрядника, закорачивающего конденсатор при повышении на нем напряжения и способного пропустить через себя токи короткого замыкания в десятки килоампер, рис. 3. Установка мощного конденсатора с суперразрядником (типа 4275 Bi-Tron™, напряжение 30 кВ, пропускаемый ток до 75 кА) требует также использования дополнительных коммутационных аппаратов S1, S2, S3, необходимых для подключения установки в нейтраль трансформатора и ее отключения. В целом получается довольно громоздкое и очень дорогое устройство, перспективы широкого применения которого по причине высокой стоимости весьма сомнительны.

Рис. 3. Вариант защиты силового трансформатора от индуцированных токов низкой частоты на основе силовых элементов, включенных в нейтраль, предложенный Западными специалистами [4]

Нами предлагается иной принцип защиты мощных силовых трансформаторов от низкочастотного индуцированного геомагнитного тока, основанный на использовании специального реле, не содержащего микроэлектронных компонентов, а выполненного на основе дискретных высоковольтных элементов [5], устойчивых к электромагнитным помехам и к импульсным перенапряжениям, рис. 4.

Рис. 4. Реле защиты силового трансформатора от низкочастотного индуцированного геомагнитного тока в цепи нейтрали

На рис. 4а показан принцип действия реле, чувствительного к постоянной составляющей тока в нейтрали силового трансформатора и нечувствительного к переменному току, изменяющемуся в широких пределах. Реле состоит из геркона RS с обмоткой, размещенного на кабеле, соединяющем нейтраль трансформатора с точкой заземления, перпендикулярно к оси кабеля и обычного тороидального трансформатора тока C T, установленного на этом кабеле. При отсутствии постоянной составляющей в токе нейтрали, магнитное поле кабеля, воздействующее непосредственно на геркон, полностью компенсируется магнитным полем катушки, одетой на геркон, питающейся от трансформатора тока. Изменение переменного тока, протекающего в нейтрали, приводит к пропорциональному изменению обоих магнитных полей, воздействующих на геркон, и к их взаимной компенсации. В случае появления значительной постоянной составляющей в токе нейтрали (более 10–15 А) баланс магнитных полей, воздействующих на геркон, нарушается: магнитное поле кабеля по-прежнему воздействует на него, а компенсирующее магнитное поле катушки, запитанной от трансформатора тока, нет, поскольку постоянная составляющая тока не трансформируется через трансформатор тока. В результате, геркон срабатывает. Реальная схема реле включает дополнительно усилитель мощности на тиристоре VS, варистор RU и цепочку R1C1, защищающие тиристор от помех и перенапряжений, рис. 4b. Реле снабжено сплошным электростатическим экраном и ферромагнитным экраном, имеющим окно лишь со стороны кабеля в месте расположения геркона и соединено с цепью отключающей катушки выключателя СВ посредством специального экранированного кабеля с витыми парами и многослойным комбинированным экраном, заземленным с двух концов [3], устойчивым к воздействию электромагнитного импульса [2]. В реле могут использоваться миниатюрные высоковольтные вакуумные герконы, например, типа KSK-1A85 (производства компании Meder Electronics), с электрической прочностью изоляции между контактами 4000 В при диаметре колбы 2,75 мм и длине 21 мм. Этот геркон способен коммутировать нагрузку мощностью до 100 Вт (максимальное коммутируемое напряжение 1000 В; максимальный коммутируемый ток 1 А); время срабатывания 1 мс; максимальная чувствительность 20 А. При необходимости увеличения чувствительности могут быть использованы дополнительные ферромагнитные элементы (концентраторы магнитного поля), расположенные в области гер-кона, рис. 4с. Для получения реле с более низкой чувствительностью и более высоким порогом срабатывания, продольная ось геркона должна образовывать угол, отличный от 90° с осью кабеля, на котором он установлен. Тиристор тоже выбран миниатюрным высоковольтным, типа SKT50/18E (производства компании Semicron), с максимальным напряжением 1800 В и максимальным длительным током 75 А, выдерживающий высокие скорости нарастания напряжения (1000 В/мкс) и широкий диапазон рабочих температур (—40 — +130°С). Цепь питания отключающей катушки снабжена накопительным конденсатором С3, обеспечивающим срабатывание выключателя даже при пропадании оперативного напряжения. Цепочка R2C2 предназначена для дополнительного повышения помехоустойчивости устройства. Конденсатор С2 обеспечивает некоторую задержку включения тиристора, предотвращая его отпирание под действием мощной импульсной помехи.

Применение в реле дискретных высоковольтных компонентов вместо традиционной микроэлектроники позволяет обеспечить его высокую надежность в условиях воздействия мощных электромагнитных помех и перенапряжений, характерных для солнечных бурь и электромагнитного импульса.

Целью настоящей статьи было обозначить проблему и показать возможные пути ее решения, поэтому описание конструкции реле было приведено лишь в базовом варианте, для демонстрации общего принципа. Совершенно очевидно, что описанное устройство может быть дополнено указательным реле (блинкером) для регистрации срабатывания, выдержкой времени, узлом регулирования порога срабатывания геркона, усиленной изоляцией [6] и т.д.

Литература

  1. Буралков А. А., Кибардин В. В. О влиянии солнечных бурь на надежность энергосистем. — Тезисы докладов Международного научно-технического конгресса «Энергетика в глобальном мире», Красноярск,16–18июня 2010, стр.32–33.
  2. Гуревич В. И. Проблема устойчивости микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики к преднамеренным деструктивным электромагнитным воздействиям. — «Компоненты и технологии», 2011, № 4 (часть 1); 2011, № 5 (часть 2).
  3. Гуревич В. И. Проблема электромагнитных воздействий на микропроцессорные устройства релейной защиты. — «Компоненты и технологии», 2010, № 2 (часть 1); 2010, № 3 (часть 2); 2010, № 4 (часть 3).
  4. J. G. Kappenman, S. R. Norr, G. A. Sweezy, D. L. Carlson, V. D. Albertson, J. E. Harder, B. L. Damsky, GIC Mitigation: A Neutral Blocking/ Bypass Device to Prevent the Flow of GIC in Power Systems, IEEE PES Special Publication 90TH0357-4-PWR, Special Panel Session July 17, 1990, pages45–52.
  5. Gurevich V. Electronic Devices on Discrete Components for Industrial and Power Engineering. — CRC Press (Taylor & Francis Group), Boca Raton — London — New York, 2008, 419 p.
  6. Gurevich V. Protection Devices and Systems for High-Voltage Applications. — Marcel Dekker, New York — Basel, 2003, 292 p.