Материал: перевод пункт 7 и 8
7. Прочее оборудование
7.1 Введение В данной главе рассмотрены неблагоприятные воздействия на основные энергетические установки электромагнитных возмущений солнечного ветра (ЭМВ).
7.2 Генераторы В течение ЭМВ разница токов и гармонических колебаний, создаваемых ГИТ трансформаторами и локальное насыщение полупериода трансформатора может повредить генераторы. Были задокументированы случаи повреждения трансформаторов в момент ЭМВ, а также доказан нагрев ротора и защитных реле, которые могут привести к повреждению или поломке во время сильных электромагнитных возмущений при ЭМВ,
Восприимчивость генераторов к ЭМВ включает:
Увеличенные гармонические токи отрицательной последовательности, приводящие к увеличению нагрева генератора за счет осциллирующего потока ротора;
Возможность повреждения роторных компонентов, включая стопорные кольца и клинья;
Повышенная механическая вибрация и напряжение кручения из-за повышенных токов отрицательной последовательности;
Реле отрицательной последовательности тревожит, деятельность, или неустойчивое поведение должное к гармоническому содержанию токов отрицательной последовательности.
Воздействие на генераторы в момент ЭМВ напрямую связано с воздействием локальных трансформаторов, приводимых в состояние насыщения полупериода. Обеспечивая достаточный запас прочности для предельных значений нагрева ротора во время события, оператор генератора может смягчить воздействие ЭМВ на срок службы машины. Однако для очень крупных событий может потребоваться защитное отключение генерирующих блоков, чтобы избежать потенциального повреждения и, в координации, сбросить нагрузку в определенных областях, чтобы облегчить нагрузку на оставшиеся в сети генерирующие блоки.
7.3 Конденсаторные батареи Высоковольтные шунтирующие конденсаторные батареи обычно используются для компенсации реактивной мощности и поддержки напряжения в тяжелых условиях нагрузки. Влияние гармонических токов, генерируемых во время насыщения полупериода, зависит от ряда факторов, таких как конфигурация заземления батареи, схема защиты и импеданс системы, наблюдаемый батареей.
Шунтирующий конденсатор - это низкоимпедансный тракт для гармонических токов, генерируемых при насыщении полупериода. Таким образом, среднеквадратичный ток, протекающий через конденсаторную батарею, может существенно увеличиваться во время ЭМВ. Конденсаторные батареи могут выдерживать определенное количество среднеквадратичных перегрузок по току и перенапряжений в нормальных и аварийных условиях (стандарт IEEE 18-2002 для шунтирующих силовых конденсаторов 102). Наглядный пример напряжения конденсатора при увеличении значений ГИТ показан ниже на рис. 31:
Рис. 31 – зависимость напряжения конденсатора при увеличении значений ГИТ
Вопросы к рассмотрению:
Заземление. Величина тока зависит от заземления. Незаземленный банк будет видеть меньший среднеквадратичный перегрузочный ток, чем заземленный, потому что он блокирует гармоники нулевой последовательности;
Настройка релейной защиты:
Интеллектуальные электронные устройства могут быть настроены на фильтрацию гармоники и, таким образом, быть нечувствительными к гармоническим перегрузкам по току;
Использование защиты от перегрузки по току может использоваться в произвольном порядке;
Неуравновешенности защиты. Высоковольтная конденсаторная батарея обычно состоит из нескольких малых последовательных и параллельных конденсаторных блоков (или аккумуляторов), чтобы соответствовать номинальным значениям напряжения и тока. Нередко один или несколько из них терпят неудачу. Если достаточное количество блоков выходит из строя, полная батарея конденсаторов отключается из‐за защиты от дисбаланса. Если аккумулятор испытывает неблагоприятную нагрузку из-за гармонических перегрузок по току во время ЭМВ, и нет защиты от перегрузки по току, аккумулятор, вероятно, отключит защиту от дисбаланса, когда несколько батарей выйдут из строя. Это сделает аккумулятор недоступным в течение оставшейся части ЭМВ, но не приведет к непоправимому ущерб. Замена поврежденных банок относительно проста и не требует специального отключения;
Резонанс. В зависимости от импеданса системы, видимого из конденсаторной батареи, а также величины реактивного сопротивления воздушного сердечника трансформатора и величины ГИТ, возможно устойчивое состояние резонанса. Такие условия должны оцениваться на индивидуальной основе.
7.4 Шунтирующие реакторы В общем случае, шунтирующие реакторы, используемые для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения на длинных или слабо нагруженных линиях электропередачи, не имеют стального сердечника, поэтому их называют электрическими реакторами с воздушными сердечниками. Реактор с воздушным сердечником не насыщается и не подвержен влиянию ГИТ и гармоник, вызванных насыщением трансформатора полупериода.
7.5 Автоматические выключатели Ток в индуктивной сети может прерываться только тогда, когда он становится нулевым в течение цикла 60 Гц. Высоковольтная сеть в значительной степени индуктивна, и автоматические выключатели, предназначенные для прерывания токов повреждения и нагрузки, полагаются на преодоление нулевого тока, чтобы инициировать процесс успешного гашения дуги и прерывания тока.
Если величина ГИТ мала по сравнению с величиной токов, прерываемых во время сбоя (несколько сотен Ампер по сравнению с десятками кА в условиях сбоя), всегда будет иметь место пересечение нуля в токе, который должен быть прерван. С другой стороны, найти пересечение нуля может быть проблемой, если величина GIC превышает пиковое значение тока в слабонагруженной цепи. В таком случае дуга между полюсами выключателя не прерывалась бы, а могла бы в принципе сохраняться в течение нескольких секунд или минут и в конечном итоге повредить выключатель.
Если выключатель не может устранить неисправность, система защиты и управления либо обнаружит неправильное положение поддона выключателя, либо сохранит ток неисправности, и сигнал “отказ выключателя” инициирует процесс прерывания резервного тока. В случае прерывания тока нагрузки, при очень больших условиях ГИТ, контакты будут находиться в правильном положении (т. е. разомкнуты), но тока через прерыватель может быть недостаточно для запуска сигнала "отказ выключателя".
Данное явление является маловероятным, но заслуживает дополнительного исследования и рассмотрения, особенно со стороны производителей автоматических выключателей, а также экспертов по защите и контролю.
7.6 Проводники ГИТ может повлиять на провисание линии, особенно если цепи напряжены в условиях N-1 или N-2 во время ЭМВ. Степень влияния провеса зависит от состояния линии, тока ГМД и типов проводников (см. таблицу 7).
8. Анализ энергосистемы
8.1 Введение За последние два десятилетия было проведено большое количество работ, посвященных моделированию потоков ГИТ в электрической сети. Однако моделирование влияния ГИТ на работу силового аппарата и системы во время события ЭМВ не столь хорошо разработано. Поскольку наиболее вероятным результатом большого события ЭМВ является нестабильность напряжения, усугубляющая отказы защиты и управления, эта область требует дополнительной работы со стороны промышленности для разработки стратегий смягчения последствий.
С точки зрения инженера энергетической системы, моделирование зависит от предполагаемого использования моделирования. В этой главе рекомендации по моделированию организованы на основе того, как инженеры по энергосистемам завершат свой анализ, чтобы обеспечить надлежащую работу основной энергосистемы и защиту основных активов во время события ЭМВ.
На приведенной ниже диаграмме обобщено влияние ГИТ на энергосистему, возникающее в результате включения трансформаторов в полупериод насыщения (см. Главу 5). Насыщение порождает гармоники (включая даже гармоники). Как насыщение полупериода трансформатора, так и гармоники могут оказывать отрицательное воздействие на трансформаторы, вызывая нагрев и высокий уровень реактивного поглощения, в то время как гармоники в высоковольтной сети (HV) могут вызывать проблемы в работе защитных реле (см. Главу 6).
Гармоники могут вызвать перегрузку по току и отключение конденсаторных батарей, а также перегрев и отключение генератора (см. Главу 7). Чтобы оценить уровень насыщения и, следовательно, гармоник, необходимо знать распределение потоков ГИТ в объемной энергосистеме. Насыщение трансформатора также влияет на энергосистему, потому что токи намагничивания трансформатора становятся настолько большими (хотя и очень искаженными), что эффективное сопротивление намагничивания становится очень маленьким в течение доли цикла. В терминах потока мощности эффективное шунтирующее реактивное сопротивление трансформатора теперь становится «стоком» для реактивной мощности, и его потребление реактивной мощности увеличивается, или, альтернативно, в системе происходят эффективные потери реактивной мощности. Баланс реактивной мощности в системе напрямую влияет на напряжение в системе. Существуют ограничения на максимальные и минимальные напряжения для надежной и безопасной работы энергосистемы, а также ограничения на нагрузку линии и работу в чрезвычайных ситуациях (т.е. система должна иметь возможность работать должным образом после принятых непредвиденных обстоятельств, таких как сбой и последующая потеря цепи). Эти проблемы обычно изучаются с помощью моделирования потока мощности. Для проведения этих оценок необходимо знать распределение потоков ГИТ в каждой линии и трансформаторе системы при ряде различных условий.
8.2 Расчет гит в высоковольтной сети
Существует ряд сложных явлений, которые вызывают изменения в магнитном поле Земли и, в свою очередь, вызывают напряжения в высоковольтных цепях передачи. Эти индуцированные напряжения являются электродвижущей силой, которая заставляет ГИТ течь, если существует замкнутый путь для циркуляции токов.
Эти токи имеют низкую частоту (ниже 1 Гц). Следовательно, вся сеть электропитания может быть описана с использованием сопротивлений.
Общие правила моделирования:
Потенциал, индуцированный изменяющимся во времени магнитным полем, моделируется как источник напряжения;
Последовательно с линией передачи. Величина источника напряжения зависит от взаимной ориентации геоэлектрического поля и географической ориентации цепи передачи. Если можно считать, что геоэлектрическое поле является постоянным в географической области цепи передачи, то важны только координаты конечных точек линии независимо от поворотов и поворотов маршрута. Конечные точки цепи определяются как шины, к которым подключены трансформаторы и / или другие цепи.
Линия передачи смоделирована как резистор. Необходимо использовать сопротивление постоянному току при рабочей температуре. Таблицы проводников обычно предоставляют эту информацию.
Сеть может быть смоделирована как однофазная сеть, поскольку пространственные расстояния между проводниками цепи передачи незначительны по сравнению с расстоянием цепи передачи до электроджета. Вот почему ГИТ часто называют токами нулевой последовательности (они одинаковы во всех фазах).
Трансформаторы могут быть смоделированы их сопротивлением обмотки к земле. В случае автотрансформатора сопротивление общей и последовательной обмоток должно моделироваться отдельно.
• Должно быть смоделировано эквивалентное сопротивление заземления станции Rg, если оно известно. Это эквивалентное сопротивление заземляющего мата станции и провода заземления всех цепей передачи, подключенных к заземляющему мату станции.
Шунтирующие реакторы и шунтирующие конденсаторы не должны моделироваться. Шунтирующие конденсаторы представляют собой бесконечное сопротивление почти токам постоянного тока, а шунтирующие реакторы обычно подключаются к обмоткам третичного трансформатора и в значительной степени отсоединены от сети постоянного тока. В сеть могут быть включены реакторы высоковольтной линии, но их сопротивление обычно больше, чем сопротивление обмотки трансформатора, и их влияние не так важно.
• Моделировать должны только трансформаторы с гальванической развязкой между нейтралью и землей.
• Линии электропередачи ниже 230 кВ обычно не моделируются, поскольку сопротивления проводников, используемых в линиях 115 кВ и ниже, обычно намного выше, чем сопротивления, используемые в цепях 230 кВ и выше.
• Соединения с другими коммуникациями могут быть смоделированы как линия передачи, заканчивающаяся в трансформаторе. Обычно приблизительная географическая ориентация и длина цепей до соседней коммунальной передающей станции известны, и общие значения сопротивления могут использоваться на основе уровня напряжения и пропускной способности соединения.
Как только сеть постоянного тока и напряжения, индуцированные в передающих цепях, известны, расчет распределения постоянных токов в каждой ветви сети обеспечит потоки ГИТ по всей исследуемой системе. Они могут быть использованы для дальнейшего детального изучения уязвимости оборудования.
8.3 Расчет геоэлектрических полей в высоковольтной сети
Во время события ЭМВ напряжения, индуцированные в передающих цепях в любой момент времени, зависят от ряда сложных факторов, которые зависят от взаимодействия между солнечным ветром, электродвигателями и магнитным полем Земли. Геология района и географическое расположение цепей передачи также оказывают сильное влияние на потенциалы наведенной земли. Если целью исследования является расчет потоков ГИТ на каждой ветви системы в режиме реального времени, то изменения магнитного поля в исследуемой области должны быть известны, и индуцированный потенциал может быть рассчитан с помощью ряда хорошо известных методов. Если временной ряд магнитного поля известен или измерен, можно рассчитать временной ряд индуцированных потенциалов. Этот расчет также может быть использован при моделировании в реальном времени для ситуационной осведомленности или для изучения зависящих от времени явлений, таких как точечный нагрев трансформатора во время события ЭМВ.
Если целью исследования является определение преобладающих потоков ГИТ в линиях и трансформаторах для целей планирования, расчет напряжений индуцированных в цепях передачи может осуществляться по другому подходу:
Предположим, что средний геоэлектрический потенциал составляет, скажем, 2, 4, 10 и т. Д. В / км. Наибольшие пиковые геоэлектрические потенциалы в системе Гидро-Квебек во время ГМД в марте 1989 года составили 1,7 В / км.106
Рассчитать поток GIC X, предполагая, что направление электрического поля - восток-запад
Повторите расчет, предполагая, что направление электрического поля направлено с севера на юг, и получите значение GICY.
Если электрическое поле можно считать однородным, то поток GIC в любой линии и трансформаторе в системе будет линейной комбинацией GIC X и GIC Y, а максимальный поток GIC показан в Уравнении 1:
Уравнение 1: Максимальный поток ГИТ в любой линии
Максимальный ГИТ в данной линии или трансформаторе будет иметь место, когда направление электрического поля (при условии, что угол эталонного поля E-W равен нулю) показано в Уравнении 2:
Уравнение 2: Максимальный поток ГИТ в отдельной линии
Обратите внимание, что максимальное значение ГИТ - GICmax, полученное таким образом, отражает максимальные токи, которые могут протекать для данного допущения электрического поля. Этот максимальный ток не течет в каждой части сети в любой данный момент времени, потому что направление геоэлектрического поля изменяется со временем. Для оценки производительности электрической сети сначала необходимо сделать предположение о среднем геоэлектрическом поле.
8.4 Расчет потерь реактивной мощности после воздействий гит
Когда трансформатор входит в полупериодное насыщение, эффективное реактивное сопротивление намагничивания трансформатора становится небольшим, и с точки зрения потоков активной и реактивной мощности трансформатор эффективно поглощает больше реактивной мощности, чем когда он не насыщен. Количество реактивной мощности, поглощаемой трансформатором, прямо пропорционально связям магнитного потока, создаваемым ГИТ в обмотке, а также форме сердечника трансформатора (например, однофазный сердечник, трехсторонний, трехфазный и т. Д. .).
Ряд примерных взаимосвязей между ГИТ и потерями реактивной мощности можно найти в технической литературе. На рисунке 33 показан пример потери реактивной мощности для однофазного трансформатора 100-летнего эталонного шторма. Используя такие отношения и потоки ГИТ в трансформаторах, ожидаемые для данного сценария геоэлектрического поля, можно провести ряд важных оценок: