Влияние космической погоды на надёжность работы

Влияние космической погоды на надёжность работы
электрических сетей
Скопинцев В.А.
ОАО «Институт «ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ», Москва, Россия
Главное предназначение электроэнергетической системы (ЭЭС) состоит в
удовлетворении потребностей многочисленных потребителей электрической
энергией установленного качества. Согласно Федеральному Закону «Об электроэнергетике» в стране структурно выделено несколько подсистем, среди которых Единая национальная электрическая сеть (ЕНЭС) обеспечивает передачу
электроэнергии от еѐ производителей (электрических станций) в распределительные сети в лице гарантирующих поставщиков, энергоснабжающих и энергосбытовых организаций. В составе ЕНЭС находятся узловые электроподстанции и системообразующие линии электропередачи (ЛЭП) с напряжением 220
кВ и выше. Протяженность трассы магистральной ЛЭП 330, 500 и 750 кВ может достигать несколько сотен километров.
В обеспечении надѐжности электроснабжения потребителей важную роль
отводят ЕНЭС, так как возможные технологические нарушения (аварии, инциденты) на электросетевых объектах могут существенно изменить потоки мощности по линиям и параметры режима в узлах электрической сети, а также вызвать переходные процессы в системе с необходимостью ограничений или прекращения электроснабжения потребителей.
Воздушные линии в наибольшей степени подвержены внешним воздействиям природного и техногенного характера, что приходится учитывать при
их проектировании, эксплуатации и техническом обслуживании. Интенсивность и уровень этих воздействий во многом зависит от природноклиматических и техногенных условий на территории, где проходят трассы линий.
Институтом «Энергосетьпроект» выполнена работа по выявлению зон
повышенной опасности для объектов энергетики страны и, в частности, опасности крупных аварий на ВЛ по причине гололѐдно-ветровых нагрузок на элементы линий [1]. На построенных графиках числа крупных аварий на ВЛ по годам на периоде наблюдения была обнаружена циклическая компонента, период
колебаний которой оказался близким к 11-ти годам. Такие графики были построены для линий в составе ОЭС Центра, Средней Волги и Северного Кавказа.
На всех графиках наибольшее число аварий на ВЛ по времени приходилось на
годы с максимальной солнечной активностью, что явилось основанием для гипотезы о корреляционной зависимости между числом технологических нарушений на линиях в течение года и уровнем солнечной активности.
Солнечную активность принято оценивать числом Вольфа, связанным с
числом наблюдаемых на поверхности Солнца пятен:
W=k(10g+f),
где k - множитель, нормирующий отчѐты разных лабораторий;
2
g - число групп пятен;
f - полное число пятен на диске Солнца, независимо от их размера.
Непосредственно измеренные значения чисел Вольфа имеются, начиная с
1749 года [2]. Несмотря на то, что механизм влияния солнечной активности на
климат Земли не вполне ясен, не вызывает сомнений наличие устойчивых статистических связей между некоторыми характеристиками солнечной активности и климатическими показателями.
Русский учѐный А.И. Чижевский в своей монографии «В ритме Солнца»
отметил, что максимумы солнечной активности влияют на биосферу Земли соотносятся с природными катаклизмами, войнами, революциями, вспышками
агрессии и т.д.
В [3] утверждается, что многочисленные доказательства свидетельствуют
в пользу реальной связи между кратковременными процессами на Солнце, сопровождающимися выделением энергии, и метеорологическими явлениями на
Земле. Так, например, в некоторых областях Земли, особенно на высоких широтах, грозы и тесно связанный с ними параметр атмосферного электричества градиент
потенциала
положительно
коррелированны
с
квазиодиннадцатилетним циклом. Поэтому в свете сказанного гипотеза о влиянии
солнечной активности на повреждаемость ВЛ не лишена оснований, если
учесть, что значительное число технологических нарушений происходит по
причине опасных внешних воздействий природного характера.
Для подтверждения гипотезы был выполнен расширенный анализ числа
технологических нарушений по годам на ВЛ 500 кВ в Межсистемных электрических сетях Центра (МЭС Центра) на периоде наблюдения с 1974 по 2001 годы.
В наблюдаемый период времени в стране имело место интенсивное проектирование и строительство новых ЛЭП-500. Достаточно отметить, если в
1974 году суммарная длина линий составляла 4844 км, то в 2001 году она увеличилась до 10376 км. Поэтому в качестве показателя повреждаемости исследовалась удельная повреждаемость линий - число технологических нарушений
при неуспешном АПВ на 100 км линий за год.
Причинами большой доли технологических нарушений явились опасные
внешние воздействия: грозовые разряды, гололѐдные отложения, сильный ветер, низовые пожары, наезд техникой на опоры. В меньшем числе отмечались
нарушения по причине человеческого фактора (некачественный ремонт и обслуживание), а также наличие заводских дефектов в материалах и конструкциях.
Все вычисления и графические построения выполнялись с использованием отечественной программной статистической системы ЭВРИСТА (Экспериментальные Временные Ряды: Интерактивный Статистический Анализ), разработанной ТОО «Центр статистических исследований» [4].
В математической модели временного ряда полагалось наличие циклической компоненты, которая представлялась в виде полигармонической модели
q
h(t)=  [Aj cos(j f t)+Bj sin(j f t)],
j 1
3
где f – основная (найквистовая) частота; Аj, Вj – некоторые параметры;
Для приближѐнного нахождения частот возможных гармоник в циклической компоненте в программной системе ЭВРИСТА предусмотрена возможность построения периодограммы:
n
n
t 0
t 0
S2 (f)=[(2/n+1)  yt cos(2π f t)]2+[(2/n+1)  yt sin(2π f t)]2,
где f – некоторая фиксированная частота.
Получена математическая модель изменения удельной повреждаемости
ЛЭП-500 кВ МЭС Центра во времени, в которой основная частота составила
11,06 лет, т.е. равной квази-одиннадцатилетнему циклу солнечной активности.
Имеются также гармоники, кратные основной частоте: в одном варианте содержится 4 гармоники, а во втором варианте - 2 гармоники. Проверка модели
на статистическую значимость по критерию Фишера и на нормальное распределение случайных остатков по критерию Колмогорова-Смирнова дала удовлетворительные результаты. Полученная модель получила название «солнечное
движение» и отражает один из аспектов влияния космической погоды на работу
линий электропередачи.
В последнее время в странах Северной Америки и Западной Европы активно обсуждается другой аспект влияния космической погоды на работу электрических сетей, обусловленный прохождением по линиям электропередачи
индуцированных от вспышек на солнце токов. Особое внимание к этой проблеме возникло после произошедшей 13 марта 1989г. аварии в энергосистемах
США и Канады, в результате которой менее чем за минуту компания ГидроКвебек потеряла половину своих генерирующих мощностей (21500 МВт) и
наибольшая часть провинции осталась без электроэнергии.
Механизм появления индуцированных токов в ЛЭП состоит в следующем. Во время вспышек в зонах «пятен» Солнце выбрасывает десятки миллионов тонн плазмы, которая, обладая собственным магнитным полем, доходя до
Земли, деформирует еѐ геомагнитное поле, вызывая в нѐм бури. При этом в
ионосфере на высоте свыше ста километров образуются струи тока и переменное электромагнитное поле, которое в земной коре наводит теллурические токи. Под действием этих токов в точках земной поверхности наводятся разные
потенциалы. Оба противоположных конца магнитных линий высокого и сверхвысокого напряжения находятся на электроподстанциях, где обмотки силовых
трансформаторов и автотрансформаторов на высокой по напряжению стороне
соединены в звезду с заземлѐнной нейтралью. Так как заземлѐнные нейтрали по
противоположным концам линии оказываются под разными потенциалами по
проводам начинает протекать квази-постоянный ток, который накладывается на
переменный ток промышленной частоты. Наведѐнный ток получил название
геомагнитно-индуцированного тока (ГИТ).
Величина ГИТ зависит от разности потенциалов между заземлѐнными
нейтралями трансформаторов по концам линии и величины сопротивлений постоянному току трѐх фаз проводов линии совместно с обмотками трансформаторов. Сопротивления постоянному току обмоток трансформатора и проводов
линии не велико. Так, сопротивление проводов линии в среднем составляет r0 ≈
4
0,1 ом/км. Поэтому в зависимости от наведѐнной величины разности потенциалов ГИТ может быть равным несколько десятков или сотен ампер.
Негативное влияние указанных наведѐнных токов на работу электрической сети связано с односторонним магнитным насыщением железных сердечников трансформаторов и автотрансформаторов при протекании ГИТ по их обмоткам. Возникающие при этом гармоники суммарного тока, отсутствующие в
нормальном режиме, способствуют появлению нехарактерного шума трансформатора и его нагреванию. В энергосистеме происходят колебания частоты
тока и уровней напряжения в узлах электрической сети; соответственно имеют
место колебания активной и реактивной мощности в линиях. Как следствие
всего происходящего возможна ложная работа или несрабатывание релейной
защиты и автоматики, возникновение проблем с управлением режимами работы у системного оператора и, в итоге, массовые нарушения электроснабжения в
узлах нагрузок.
Все перечисленные последствия наблюдались в отмеченной ранее системной аварии в США и Канаде в 1989 году. По данным иностранных источников информации воздействия геомагнитных бурь с разным индексом активности на энергосистемы имели место в следующие годы: 1957, 1958, 1968,
1970, 1972, 1974, 1979, 1982, 1989, 1990, 2000, 2003. В перечисленном списке
большинство дат относится к периодам наибольшей солнечной активности.
Следующий максимум солнечной активности предположительно ожидается в 2012-2013 годы. Фактором, усиливающим последствия геомагнитных
бурь в ближайшее время, станет дрейф северного магнитного полюса Земли в
сторону арктического побережья России по направлению Восточно-сибирской
магнитной аномалии. При этом над Восточной Сибирью будут протекать
большие токи, доходя во время геомагнитных бурь до 40° северной широты [5].
На проблему влияния космической погоды на технические системы
(электрические сети, трубопроводные сети, системы связи, системы управления
железных дорог и другие) в последнее время стали обращать внимание во многих промышленно развитых странах.
В США с 1994 года выполняется Межведомственная национальная программа по космической погоде. Совместным проектом НАСА и научноисследовательским институтом электроэнергии разработана экспериментальная
система «Солнечный щит», дающая прогнозы как относительно солнечной погоды, так и еѐ возможном воздействии на электрические сети Северной Америки.
В странах Западной Европы: Бельгии, Франции, Германии, Испании, Дании, Норвегии - также выполняются национальные программы по влиянию
космической погоды на технические системы, живые организмы и природу, а
Финляндия, Италия, Польша, Португалия, Швейцария, Швеция и Великобритания проявляют сильную заинтересованность к исследованиям по воздействиям
космической погоды.
В России вопросы солнечной активности и связанные с ней проявления
космической погоды на Земле исследуются на уровне академической науки в
лице Кольского филиала и Сибирского отделения РАН. Сравнительно недавно
5
эти вопросы стали приобретать практическую направленность, чему способствуют действия созданной рабочей группы при Президенте РАН по анализу
риска и проблем безопасности и автономной некоммерческой Ассоциации «Содействие защите населения». В настоящее время считается целесообразным активное участие в решении проблем ключевых Министерств, ведомств и объектов энергетики, РЖД и Систем управления и связи. Необходима разработка
Федеральной комплексной целевой программы с выполнением ряда научноисследовательских работ и пилотных проектов.
Выводы
1. На надѐжность работы системообразующих магистральных линий
электропередачи в периоды максимальной солнечной активности могут негативно повлиять два аспекта: увеличение вероятности возникновения опасных
внешних природно-климатических воздействий (грозы, гололѐдно-изморозевые
отложения, сильный ветер и др.) и возникновение в проводах линий геомагнитных индуцированных токов.
2. Рекомендуется выполнение научных исследований и разработка необходимых мер практической направленности на снижение негативных последствий от возможных опасных воздействий на электрическую сеть в предстоящий максимум солнечной активности, ожидаемый в 2012-2013 годы.
Литература
1.
Скопинцев В.А. Качество электроэнергетических систем: надѐжность, безопасность, экономичность, живучесть. -М.: Энергоатомиздат, 2009. 332 с:
2.
Клименко В.В., Клименко А.В. и др. Энергия, Природа и Климат. М.: Изд-во МЭИ, 1997. - 215с.
3.
Герман Дж. Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода и Климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.
4.
Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Статистический анализ данных на компьютере/Под ред. В.Э. Фигурнова. М.: - ИНФРА-М, 1998.
5.
Ляхов А.Н. Смещение магнитных потоков не пройдѐт бесследно.
Информнаука, 2007.