Влияние геоиндуцированных токов на тепловой режим силовых

Влияние геоиндуцированных токов на тепловой режим
силовых трансформаторов
ВАХНИНАВ.В., КУЗНЕЦОВ В.Н., ШАПОВАЛОВ В.А.
При геомагнитных бурях (ГМБ) возмущения геомагнитного поля индуцируют на поверхности
Земли переменные низкочастотные электрические квазистационарные поля, длительность
периода которых много больше 0,02 с рабочей частоты электрической сети. В результате
между заземленными точками нейтралей силовых трансформаторов (СТ) подстанций и
электростанций электроэнергетических систем (ЭЭС) наводится квазипостоянная ЭДС и по
электрическим сетям циркулирует квазипостоянный ток, который принято называть
геоиндуцированным током (ГИТ) [1].
Протекание ГИТ по заземленным обмоткам силовых трансформаторов ЭЭС приводит к
смещению рабочей точки кривой намагничивания стали магнитной системы в область насыщении
и, как следствие, увеличению потоков рассеяния и генерации значительных несинусоидальных
токов намагничивания [2]. Увеличение потоков рассеяния вызывает дополнительные потери
активной мощности от вихревых токов в массивных металлических конструкциях и токоведущих
частях силового трансформатора, которые полностью преобразуются в тепло [3]. Кроме того, за
счет протекания ГИТ и многократного увеличения тока намагничивания в обмотках силовых
трансформаторов возрастают рабочие токи, вызывая дополнительные основные потери в обмотках.
Дополнительно выделившееся тепло нагревает металлические элементы конструкции и токоведущие части или локальные участки этих элементов выше предельной температуры. В районах,
подвергающихся воздействиям геомагнитных бурь, местный нагрев силовых трансформаторов из-за
ГИТ может вызвать термическую деградацию изоляции пластин магнитной системы или главной
изоляции обмоток, что приведет к сокращению их срока службы [3].
В МЭК 354-91 и ГОСТ 14209-97 указаны предельные значения температуры наиболее нагретой
точки (ННТ) металлических частей, соприкасающихся с изоляционным материалом, для режимов
нагрузки СТ, превышающих номинальную: предельная температура металлических частей для
силовых трансформаторов средней мощности при продолжительных и кратковременных
аварийных перегрузках ɵпр.мет, предельное значение температуры масла в верхних слоях
при продолжительных и кратковременных аварийных перегрузках ɵ пр.м. При температуре
металлических частей СТ выше предельной на их поверхности образуются газовые пузырьки.
Образование газовых пузырьков связанно с разложением трансформаторного масла и выделением
из масла растворенных газов. Интенсивность газообразования зависит от температуры и размеров
повреждения.
Задача расчета дополнительных потерь активной мощности в баке СТ от вихревых токов при
ГМБ может быть решена с применением теории плоских волн и линеаризации свойств стали [4].
Расчет сводится к нахождению распределения тангенциальных составляющих напряженностей
магнитного поля у поверхности бака и соответственно дополнительных удельных потерь активной
мощности в баке для каждой n-й гармонической составляющей тока намагничивания,
интегрированию этих потерь по поверхности бака. Для определения дополнительных потерь
активной мощности в баке силового трансформатора от вихревых токов при ГМБ необходимо
выполнить расчет магнитного поля при насыщении магнитной системы СТ.
Выводы
1. Установлено, что при геомагнитных бурях в ЭЭС с глухозаземленными нейтралями силовых
трансформаторов подстанций и электростанций следует учитывать не только основные и
добавочные потери при номинальном режиме, но и дополнительные добавочные потери от
вихревых токов и дополнительные основные потери, вызванные увеличением рабочего тока в
обмотках силового трансформатора за счет протекания ГИТ и многократного возрастания тока
намагничивания, которые могут нагреть металлические элементы конструкции и токоведущие
части или локальные участки этих элементов выше предельной температуры и вызвать интенсивное
газообразование.
2. Разработаны методы расчета дополнительных добавочных потерь в баке и обмотках
силового трансформатора от вихревых токов, дополнительных основных потерь обмоток
силового трансформатора, вызванных увеличением рабочего тока в обмотках за счет
протекания геоиндуцированного тока и резкого возрастания несинусоидального тока
намагничивания при геомагнитных бурях.
3. Показано, что дополнительные потери в обмотках силового трансформатора, вызванные
протеканием ГИТ, зависят от 1- и п-й гармонических составляющих тока намагничивания и от
коэффициента загрузки силового трансформатора.
4. Установлено, что на превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над
температурой окружающего воздуха оказывает влияние не только значение ГИТ и
коэффициент загрузки силового трансформатора, но также полные дополнительные потери
актив ной мощности в баке от вихревых токов при геомагнитной буре.
Список литературы
1. Pulkkinen A., Hesse M., Van der Zel L., Damsky В., Policelli F., Fugate D., Jacobs W. Solar shield. Forecasting and mitigating
space weather effects on high-voltage power transmission systems // Nat Hazards 53. 2010. P. 333-345.
2. Walling R.A., Kahn A.N. Characteristics of transformer exciting - current during geomagnetic disturbances // IEEE Trans. Power.
Deliv. 1991. Vol. 6, №4. P. 1707-1713.
3. Ко C.-D., Girgis R.S. Analysis of cor-form transformer performance under the effects of geomagnetically induced currents //
Proceeding of the American Power Conference. 1992. Vol. 54. Pt2. 53rd Annu. Meet., Chicago (111). P. 1122-1125.
4. Туровский Я. Электромагнитные расчеты элементов электрических машин: Пер. с польск. М.: Энергоатомиздат, 1986.
5. Вахнина В.В. Моделирование режимов работы силовых трансформаторов систем электроснабжения при геомагнитных
бурях: монография. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2012.
6. Пановский В., Филипс М. Классическая электродинамика. М.: Физматгиз, 1963.
7. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчёты трансформаторов и реакторов. М.: Энергия, 1981.
8. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977.
9. Киш Л. Нагрев и охлаждение трансформаторов. Трансформаторы. Вып. 36. / Под ред. Г.Е.Тарле. М.: Энергия, 1980.
Полное содержание материала Вы можете найти в первоисточнике:
ВАХНИНАВ.В., КУЗНЕЦОВ В.Н., ШАПОВАЛОВ В.А. Влияние геоиндуцированных токов на тепловой режим
силовых трансформаторов.
Электротехника. - 2016, № 1. - С. 56-62.
Материал размещен на www.transform.ru: 29.02.2016 г.